Бесконтактный метод измерения температуры

Бесконтактные измерения температуры незаменимы в тех случаях, когда нежелательно, невозможно, сложно или опасно обес­печить механический контакт датчика с объектом измерения [1].

Не так легко определить температуру находящегося в движе­нии объекта, например быстродвижущейся бумажной ленты, или вращающегося барабана бетономешалки, или потока горячего асфальта. Иногда поверхность объекта, температура которого ин­тересует, недоступна или небезопасна (например, при оценке перегрева контактного соединения воздушной линии электропе­редачи или высоковольтного трансформатора).

Другая ситуация: объект исследования имеет малые габарит­ные размеры и массу (следовательно, малую теплоемкость) и использование контактных термометров привело бы к очень боль­шой методической погрешности (погрешности взаимодействия) за счет значительного количества тепла, отнимаемого датчиком прибора от объекта и, как следствие, недопустимого искажения режима его работы и, естественно, результата измерения. Особен­но сильно это проявлялось бы при необходимости исследования достаточно быстрых изменений температуры исследуемого объек­та малой массы, например в случае оценки температуры мини­атюрных электронных узлов.

Бесконтактные методы и средства измерений температуры являются так называемыми неинвазивными, т. е. не требуют вмешательства в ход технологического процесса, не создают проблем с установкой датчиков, не требуют контакта с объектом исследова­ния, не порождают погрешностей взаимодействия инструмента с объектом и некоторых других неприятностей.

Еще один класс задач, где использование бесконтактных ме­тодов и средств не только целесообразно, но и неизбежно (так как не имеет альтернативы) измерение сверхвысоких темпера­тур (например, измерение температуры расплавленных металлов). Возможная верхняя граница контактно-измеряемых температур составляет 2 000. 2 500 град.С, поэтому измерения более высоких тем­ператур производят только бесконтактными методами.

Бесконтактные методы измерения реализованы в различных инфракрасных (ИК) средствах измерения (InfraRed Instrumen­tation) термометрах и измерительных преобразователях, а так­же в оптических термометрах пирометрах. Инфракрасные изме­рители обеспечивают измерение температур в широком диапазо­не температур (50. 5000°С). Оптические термометры (пиромет­ры) принципиально пригодны лишь для измерения очень высо­ких температур, при которых поверхность объекта уже, видимо, светится (600 °С и выше). Кроме того, точность и чувствительность измерения оптическими термометрами невысоки.

Важными достоинствами ИК-термометров являются широкие диапазоны измеряемых температур, достаточно высокие точность, чувствительность и быстродействие, хорошие эксплутационные характеристики, сравнительно невысокая стоимость. Однако не так просто реализовать основные преимущества ИК-термометров. Для достоверного результата измерения требуются достаточно высокая квалификация пользователя, знание специфики ИК-измерений, определенный опыт практических обследований [5].

Любое тело, обладающее температурой выше абсолютного нуля (-273 °С), имеет тепловое излучение. С ростом температуры уве­личиваются амплитуда и частота колебаний молекул вещества тела. Человек своими органами чувств (осязанием) воспринима­ет тепло и свет (зрением). Физическая природа колебаний одна и та же (тепловая), но частота колебаний различна и зависит от конкретной степени нагретости объектов. При температуре 600. 1 000 град.С и выше (в зависимости от материала объекта) неко­торое количество энергии тела излучается в видимой глазом части спектра.

В физике используется понятие «оптическое излучение», соот­ветствующее электромагнитному излучению с длинами волн X, расположенными в диапазоне 1 нм. 1 мм. Этот диапазон делится на три части. Рисунок 23 иллюстрирует соотношение поддиапазонов ИК-излучения, видимого (В), ультрафиолетового (УФ) и со­седних излучений. Верхняя ось абсцисс показывает значения ча­стот F, нижняя соответствующие частотам значения длин волн λ (в логарифмическом масштабе).

Диапазон длин волн X ультрафиолетового излучения составля­ет 1,0 нм. 0,38 мкм. Диапазон длин волн X видимого излучения 0,38. 0,76 мкм. Диапазон длин воли X ИК-излучения 0,76. 1000 мкм.

Радиоволны

10 -1 10 -2 10 -4 10 -6 10 -8 10 -10 10 -12 10 -14
Рисунок 23. − Диапазоны частот F и длин волн λ различных излучений

Устройство ИК-термометра

Методы и приборы бесконтактного ИК-измерения основаны на количественной оценке инфракрасного (теплового) излуче­ния объекта. Тепловое излучение обладает практически теми же свойствами, что и видимый человеком свет: распространяется пря­молинейно, способно отражаться, преломляться, проникать сквозь некоторые тела, может быть сфокусировано оптической системой линз (не обязательно прозрачных) и т.д. На рисунке 24 показана упрощенная структура ИК-термометра.

1 − объект; 2 − объектив; 3 − приемник

Рисунок 24 − Упрощенная структура ИК-термометра

Тепловое излучение по­верхности объекта объективом прибора фокусируется на прием­ник, в качестве которого часто выступает термопара. ТермоЭДС термопары усиливается усилителем (Ус), преобразуется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровой код, которым некоторое время хранится в запоминающем регистре (Рг) и представляется на индикаторе результатом измерения. Объектив ИК измерителя одновременно выполняет функцию полосового фильтра частот.

Инфракрасный измеритель может также содержать узлы свя­зи (аналоговой или цифровой) с внешними устройствами. На рисунке 24 показаны аналоговый (АВ) и цифровой (ЦВ) выходы. Наличие у ИК-термометра выхода аналогового сигнала, пропорционального текущему значению измеряемой температуры, позволяет подключить прибор к внешнему аналоговому самопишущему прибору или к цифровому измерительному регистратору.

Для задач длительного мониторинга применяются также инфракрасные измерительные преобразователи. Эти устройства не име­ют индикатора, их выходной аналоговый сигнал представлен то ком (например, 4. 20 мА), пропорциональным измеряемой тем­пературе, или напряжением (например, 0. 5 В). Они предназначены для работы совместно с показывающими приборами или с регистраторами в составе измерительных установок, комплексе и или систем.

Читайте также:  Как проверить батарею на телефоне мультиметром

Оптические средства измерений температуры по воспринимаемому излучению носят название пирометров. Пирометры делятся на:

− цветовые (основанные на измерении отношения интенсивностей излучения).

− радиационные (воспринимающие полную энергию излучения),

− яркостные (воспринимающие энергию излучения в какой-либо узкой части спектра).

Цветовой пирометр

Схема автоматического цветового пирометра представлена на рисунке 25, а, а на рисунке 25, б приведена его блок-схема сигналов. Излучение объекта 1 фокусируется линзой 2 и передается на модулятор – колеблющееся зеркало 3 с электромагнитным вибратором 4. Отраженное от зеркала излучение передается поочередно через красный (7) и зеленый (6) светофильтры на фотоприемник 10. В начале шкалы интенсивности красного и зеленого участков спектра одинаковы, и поэтому фотоприемник при сканировании излучением фильтров выдает равные напряжения. С ростом температуры объекта интенсивность зеленого излучения возрастает, что вызывает соответствующее увеличение выходного тока усилителя 9. Увеличение тока, в свою очередь, вызывает увеличение амплитуды колебаний зеркала относительно зеленого светофильтра. При этом возрастает поглощение зеленого излучения оптическим клином 8 до выравнивания интенсивностей излучения обоих цветов на входе фотоприемника. Отклонение выходного тока усилителя является мерой искомой температуры объекта. Пирометры такого типа позволяют измерять температуры, превышающие 700°С [1].

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-07; Нарушение авторского права страницы

Тех, кто связан с тепло- и электро-энергетикой или строительством , нередко интересует ряд вопросов: как произвести замер температуры объекта без выведения его из технического процесса и при этом обеспечить безопасность сотрудников?

А если объект находится в движении или расположен в труднодоступном месте? В данной статье Вы найдете ответы на эти вопросы и узнаете о том, что такое пирометры для измерения температуры бесконтактным методом, которые не только упростят технический процесс, но и сделаю его безопасным.

Характеристики и принцип работы

Прежде всего, стоит дать определение такому понятию как пирометр. Пирометр – один из видов средств определения температуры. Процесс замера показателей пирометром осуществляется за счет улавливания теплового излучения объекта устройством.

Значение температуры предмета указывается на встроенном индикаторе или же выдается цифровым значением. Говоря о пирометре, стоит отметить, что прибор способен к определению температурного режима в поле зрения устройства (то есть в пределах радиальной зоны).

Как правило, устройство выдает среднее значение в пределах области, в которой он установлен. Область улавливания данных прибором можно менять за счет перемещения устройства на разные расстояния от предмета.

Классификация устройств

Классифицируются пирометры для измерения температуры бесконтактным методом по ряду признаков — температурному диапазону измерений, исполнению определения данных, визуализации полученных данных. Теперь более подробно о каждом.

Температурный диапазон измерений. На данный момент существуют как низкотемпературные так и высокотемпературные пирометры. Первые способны к определению низких показателей оборудования, например, холодильной камеры. Вторые осуществляют замеры данных сильно нагретого предмета, температуру которого нельзя определить «на глаз».

Как правило, такие измерительные устройства выдают ощутимую погрешность, завышая показатели. Исполнение определения данных. Здесь все предельно просто: стационарные приборы, которые используют в случае необходимости точных измерений, и мобильные пирометры, которые помимо точных данных дают возможность замера показателей в труднодоступных местах, например при осуществлении замера показателей конкретного участка трубопровода.

Визуализация полученных данных. Для удобства считывания полученных данных производят устройства с цифровым/текстовым значением на дисплее.

Для более глубоко анализа и подробной информации используют устройства с графическим методом представления данных. Такие устройства осуществляют сбор данных предмета разложением температурных зон на спектр.

Технические параметры

Следует обратить внимание на такие технические параметры, которые имеют пирометры для измерения температуры бесконтактным методом:

  • диапазон;
  • отношение расстояния к размеру изображения;
  • излучаемость;
  • время отклика;
  • разрешение;
  • основная погрешность.

Технические параметры бесконтактных средств определения температуры объекта. Диапазон возможности данных замеров от – 50 до 1 600 C. Отношение расстояния к размеру изображения — 50:1. Излучаемость регулируется, установлена на 0,95. Время отклика – менее 1 секунды. Разрешение — 0,1C/F. Основная погрешность — ± 1,5% от показаний или ± 2C/± 4F.

Рекомендации к использованию

Каких рекомендаций стоит придерживаться для того, чтобы грамотно эксплуатировать устройство и получать точный результат измерений? Прежде всего, стоит сказать о том, что точность показателей зависит от ряда факторов:

  • способность излучения поверхности объекта;
  • температура измеряемого предмета;
  • температура той среды, в которой находится объект;
  • расстояние, на котором происходит измерение.

Теперь подробнее о каждом. Излучательная способность предмета подразумевает под собой энергию (в данном случае тепло), которое объект отражает от себя. Большая часть предметов имеет способность излучения в пределах от 0,8 до 0,96 . Это объясняет установленный при производстве в недорогих пирометрах показатель 0,95.

Температура предмета меняет способность излучения предмета, поэтому здесь может быть допущена погрешность в измерениях в полтора и более раз. К тому же, непрофессиональный пирометр не может дать точных показаний при замерах температуры предметов, показатель которых превышает отметку 550 градусов.

Читайте также:  Куда звонить если отключили электричество екатеринбург

Температура окружающей среды также вносит свои коррективы в конечный показатель определения температуры. Это обусловлено тем, что в приборах встроены элементы-полупроводники, характеристика которых меняется в зависимости от окружающей среды. Изменение их свойств даст погрешность в прямой зависимости.

Расстояние, на котором производится определение показателей предмета, отражается на точности конечного результата измерений. Пирометры оснащены оптической системой, поэтому область, с которой производится снятие показаний излучения, прямо зависит от расстояния, на котором находится прибор по отношению к объекту.

При измерении стоит учитывать важную деталь – зона, с которой планируется снимать показания не должна выходить за область объекта. К каждой модели измерительных устройств прилагается инструкция с руководством по эксплуатации, в которой указывается идеальное расстояние и площадь для получения более точных результатов. Среди моделей можно встретить приборы с лазерными указателями из нескольких лучей, обозначающих границы для измерений.

Также рекомендуется предупредить попадание любых взвешенных в воздухе частиц, которые могут отразиться на конечных показателях. Нельзя проводить измерения через прозрачные поверхности, потому что, в таком случае, будет получен результат измерения температуры этой поверхности.

Самостоятельное изготовление

В данном ролике рассказывается о том, как можно сделать простой пирометр своими руками.

В настоящее время существует огромное множество средств для измерения температуры тела бесконтактным способом. В данной статье были рассмотрены классификации пирометров, их технические показатели и факторы, которые влияют на точность измерений температуры объекта.

Несомненно, бесконтактное измерение показателей упрощает работу и делает процесс безопасным. Учитывая полученную информацию из этой статьи, Вы можете выбрать оптимальный вариант прибора для эксплуатации на производстве.

Для измерения температуры используются следующие методы.

1. Контактные методы – предполагают наличие надежного контакта с предметом, у которого снимается температура. При таком контакте пределы измерения измеряемой температуры определяются механическими (жаропрочность) и химическими свойствами материала, из которого изготовлен чувствительный элемент термометра.

Верхний предел измеряемых температур ограничен из-за ограничения вышеназванных свойств материала датчика с показателем 2500–3000 о С.

Чувствительность термометра (на 1 °C)

измеряется в миллиметрах.

Их основная характеристика – температурный коэффициент сопротивления:

где В – некоторая постоянная, определяется по таблице и измеряется в кельвинах, Т – температура, К.

Чувствительный элемент у термометров сопротивления – это проволока, намотанная на жесткий изоляционный каркас.

Поскольку сопротивление металлов изменяется по закону (в зависимости от температуры)

где R 0 –сопротивление до начала измерения; t – измеряемая температура, то, какими бы точными ни были изготовлены термометры, со временем даже золото и платина окисляются (например, окисью углерода СО), и в результате нарушается точность показаний прибора (термометра).

Для повышения устойчивости работы термометров, например, с платиновым датчиком, изготавливают проволоку с диаметром больше 1 мкм и регистрируют показания датчика с помощью моста из сопротивлений.

Широкое применение нашли термодатчики из сплавов двух металлов, которые могут быть использованы в разных сочетаниях.

Термическая электродвижущая сила меняется по закону:

где T 1 , T 2 – начальная и конечная (рабочая) температуры датчика при измерении, х – коэффициент термической электродвижущей силы, Мв/градус.

48. Бесконтактные методы измерения температуры

Бесконтактные методы измерения температуры. Методы также называют пирометрами. Их преимущества перед предыдущими в том, что из-за их мало-инерционности, которая повышает точность измерений, становится возможной регистрация температуры быстро изменяющихся объектов.

У пирометров вероятный предел измерения не ограничен: однако это не значит, что их

нельзя применять для измерения температур в других диапазонах.

Погрешности в показаниях пирометров, к тому же немалые, вызваны необходимостью введения различных поправок при градуировании шкалы прибора.

Пирометры работают по следующему принципу. Из курса атомной и ядерной физики известно, что если имеется абсолютно черное тело с температурой Т, то полная энергия его излучения связана с температурой уравнением:

в котором δ = 5,75 ×10 -12 вт × см 2 × град -4 – постоянная.

При этом имеется такая энергия, которая излучается с площади 1 см 2 черного тела за 1

Однако ни одно физическое тело в действительности не является абсолютным черным телом.

Поэтому температуру нагретого тела определяют по формуле

в которой E T определяется эмпирически или из таблицы, является коэффициентом черноты полного излучения.

В пирометрах для компенсации изменений в окружающей среде применяются компенсаторы в виде катушек из никелевой проволоки с конструктивным оформлением в виде термобатареи.

Визирование на расстоянии 1 м от излучателя – это номинальное визирование. Определение погрешности параметра сводится к определению

Δε = (ε 2 – ε 1 ), где ε 2 , – практическая термическая электродвижущая сила черного тела (излучателя); ε 1

– табличные данные термической электродвижущей силы пирометра с соответствующим телескопом (устройство, которое служит для концентрации излучения источника (черного тела) на термоприемник (датчик), состоит из многослойной термобатареи и оптической системы).

Инерционность пирометра – это время, требуемое для установления термической электродвижущей силы, равной 99 % от табличных данных термической электродвижущей силы при комнатной температуре 20 ± 2 °C.

Читайте также:  Гриндер левша 610 чертеж

49. Приборы для измерения давления

Давление – это напряженность жидкостей и газов, а также паров, которую формирует некоторое внешнее воздействие на них.

Как измерять эту напряженность?

С этой целью измеряют данные, приходящие на единичную площадь той поверхности, на которую приложено это усилие: причем усилие распределено нормально и равномерно по этой поверхности.

Это усилие определяется с помощью датчика. После данные датчика (датчиков) преобразуются в сигналы упругости, электричества и т. п.

Может случиться, что усилие на поверхности, т. е. напряженность среды, настолько мала, что чувствительность датчиков не может «замечать» это: тогда пользуются другими свойствами среды: теплопрово-димостью, степенью ионизации и другими свойствами, связанными с давлением.

Когда измеряется давление газов, то в определенных пределах его изменение с повышением высоты не учитывается.

С жидкостью же, наоборот: из курса «Гидравлика» известно, что увеличение глубины и давления имеют отношение прямой пропорциональности.

где: P – искомое или измеряемое давление; ρ 0 – давление, которое воздействует на поверхность жидкости; γ – удельный вес поверхности, на которую действует давление ρ 0 ; z – высота столба жидкости или глубина жидкости относительно поверхности.

Зависимость является одним из основных принципов, по которым измеряется давление не только жидкостей, но и других сред: кстати, уравнение можно применить для создания заданных давлений.

Основным, т. е. наиболее распространенным прибором для измерения давления является манометр: он имеет много разновидностей, вплоть до работающих на разности давлений.

Единицы измерения давления : как правило, оно измеряется в 1 кг/см 2 . Однако основной единицей является Н/м 2 .

Между ними существуют следующие соответствия:

1) 1 мм вод. ст. = 9,8 Па;

2) 1 мм рт. ст. = 133,3 Па;

3) 1 атм = 760 мм рт. ст.

Для измерения очень сильных давлений пользуются килобарами (кбар), 1 кбар = 1000 атм. Формула для относительной погрешности.

50. Причины начальных погрешностей

Начальные погрешности в измерение могут вноситься по следующим причинам. 1. Удельный вес :

1) степень однородности среды нарушена вследствие нахождения в ней примесей (в том числе и растворимых газов; такие жидкостные среды в гидравлике называются вязкими жидкостями . Из-за нарушения этой вязкости и изменяется удельный вес рабочей жидкости);

2) может измениться ускорение силы тяжести: оно не всегда равно 9,8 Н, например, на уровне моря, где напор на поверхности H = 0, ускорение g = 6,65. С учетом этого измерения g, относительная погрешность, вносимая в измерение давления, выражается формулой:

где φ – значение географической широты. К изменению плотности приводит изменение не только вязкости, но и температуры, а это требует изменения длины самой шкалы для отсчета высоты столба. Изменение температуры на величину Δt вызывает температурную погрешность .

где β – коэффициент температурного расширения по объему; x m , х ш – то же самое, но для линейного расширения узлов прибора (трубы и шкалы).

2. Высоты столбца :

1) погрешность введена при изготовлении шкалы, принято показания погрешности считать на ±0,5 мм; при использовании оптических устройств удается снизить эту погрешность до ±0,01 мм и даже больше; 2) изменение силы поверхностного натяжения также вносит погрешности, поскольку, по законам гидравлики, смачивается поверхность трубки и подъем жидкости увеличивается. Но в зависимости от этой силы, жидкость может не подниматься.

Уменьшение диаметра до величины Положение манометра .

Если отклонение трубки от вертикали составит угол X, то погрешность увеличивается

если угол очень небольшой, то согласно законам тригонометрии:

Если манометр изготовлен в 2-трубном исполнении (У-образный), то:

где h 1 , h 2 – уровни жидкостей в соответствующих трубках.

51. Разновидности манометров

Жидкостные манометры: они не позволяют измерять значительных давлений: максимальные показания манометра зависят от самих линейных параметров манометра.

Особенностью этого манометра является то, что середина змееобразной трубки, которая получается после обьединения несколькиходнотрубных манометров У-образной формы, заполняется более легкой жидкостью, чем в рабочих концах.

При определении значений давления показания всех однотрубных или чашечных соединяются в одно.

ρ = γh 1 + (γ – γ 1 )(h 2 + h 3 + . + . h n )

Погрешность, в основном, вносится в измеряемое значение ρ с параметрами γ и h. Следовательно, нижняя граница измерений задается ценой деления шкалы, например,

манометра. Измерения можно и нужно проводить до тех пор, пока величина погрешности не сопоставима, точнее, меньше либо равно цене деления.

Для получения более точной высоты столба, пользуются оптическими фото– и электронными следящими системами.

Применение металлических труб в этих случаях имеет свои преимущества: можно применять индуктивные следящие системы . При изменении положения манометра по вертикали увеличивается погрешность: но это происходит при х 15°C. Более того, повышается

чувствительность прибора (в этом случае, его называют микроманометром ):

где ρ – измеряемое давление; х – перемещение уровня жидкости в трубке.