77938

Температурные измерения

Лекция

Производство и промышленные технологии

Температурные измерения Основным эффектом лазерных технологий является термическое воздействие по этому измерение температуры при контроле процесса во многих случаях эквивалентно измерению параметров изделия. Диапазон температур регистрируемых в технологии совпадает обычно с диапазоном температур фазовых превращений иногда фиксируют более высокие температуры парогазового канала. Термопары используют эффект Зеебека состоящий в возникновении ЭДС на спае двух металлов контактной разности потенциалов зависящей как от материалов так и от...

Русский

2015-02-05

21.5 KB

5 чел.

Л7. Температурные измерения

Основным эффектом лазерных технологий является термическое воздействие,поэтому измерение температуры при контроле процесса во многих случаях эквивалентно измерению параметров изделия.

Температура - понятие статистическое и определяется как средняя кинетическая энергия движущихся молекул. Температурные измерения относятся к низкоточным, не позволяющим получать без усилий погрешности менее долей процента.

Существуют две шкалы температур. Одна из них основана на втором законе термодинамики и разработана в 1852 году Кельвином При обратимом цикле Карно рабочее тело при температуре Т1 погощает теплоту Q1, а при Т2 отдает Q2. В этом случае вне зависимости от рабочего тела T1=T2*Q1/Q2. Единственным препятствием внедрения этой термодинамической температурной шкалы (ТТШ) является сложность измерений количества теплоты.

Практической апроксимацией ее является Международная практическая температурная шкала 1986 года (МПТШ-86). Она базируется на богатом наборе точек фазовых равновесий различных веществ с утвержденными значениями температур. Между этими точками температура линейно интерполируется при помощи газового термометра, работающего на основе уравнения P * V = R * T для идеального газа. Из реальных газов водород, гелий и азот наиболее близки к идеальным.

Диапазон температур, регистрируемых в технологии,совпадает обычно с диапазоном температур фазовых превращений, иногда фиксируют более высокие температуры парогазового канала. Можно говорить о диапазоне 300 К... 5000 К, тоесть о средних и высоких температурах.

Среди методов регистрации температур принципиально различаются контактные и бесконтактные методы. Контактные при передаче энергии из процесса к чувствительному датчику используют механизм теплопроводности (и конвекции), бесконтактные - излучение.

Контактные методы используются до температур 1500 C, при быстрых измерениях тугоплавкими преобразователями можно достичь 3000 С. Этим методом измеряют не температуру объекта, а температуру преобразователя, имеющего термический контакт с объектом, что имеет особенности:

Простота, надежность, дешевизна, высокая точность

Возможность многоканальных измерений

Существенно взаимодействие измерителя с объектом

Плохой термоконтакт

Инерционность

Необходимость электрических выводов

Среди контактных преобразователей следует назвать:

Термометры сопротивления

Термопары

Термисторы

Полупроводниковый P-N переход

Кварцевые датчики

Термометры сопротивления изготавливают из платиновой или медной проволоки или фольги. Сопротивление в диапазоне температур обычно апроксимируют линейной зависимостью:

RT = R0 * (1 + A * T) где R0 - сопротивление при нуле

материал

диапазон температур

А [1/K]

погрешность

Pt

-200C...1000C

3.91*10-3

0.1 C

Cu

-50C...150C

4.28*10-3

0.02 C

Ni

200C...500C

- 6.21*10-3

0.1 C

Термометры сопротивления точны, линейны, стабильны, но дороги и громоздки.

Термопары используют эффект Зеебека, состоящий в возникновении ЭДС на спае двух металлов контактной разности потенциалов, зависящей как от материалов, так и от температуры.

В замкнутой цепи при равенстве температур спаев сумма ЭДС по контуру всегда равна нулю, при разных температурах пропорциональна этой разности. Последовательное соединение пар спаев с разной температурой образует термобатарею и используется для увеличения сигнала (чувствительности). Один из спаев обычно используют как опорный при стабильной температуре, а по термоэдс оценивают температуру другого спая. Оценка ведется по линейной модели, в особых случаях используют полиномиальную апроксимацию индивидуально для каждой пары материалов.

материалы спаев

максимальная температура

термоэдс мкВ/С

особенность применения

платина родий

1800 С

10

стабильна

вольфрам рений

2800 С

20

окисляется

железо константан

800 С

65

стабильна

медь константан

350 С

60

окисляется

хромель константан

700 С

80

окисляется

Термопары имеют самый широкий температурный диапазон среди контактных датчиков, наиболее миниатюрны, но требуют фиксации электрических сигналов малых уровней.

Термисторы представляют собой резисторы из полупроводников (окислы меди, кобальта, магния) сопротивление которых понижается с ростом температуры за счет повышения концентрации носителей заряда. Температурный диапазон -100С...600С. Чувствительность на порядок выше чем у термосопротивлений, размеры и телоемкость на несколько порядков ниже, но стабильность и точность много хуже. Зависимость от температуры нелинейна и обычно апроксимируется экспонентой.

Полупроводниковый P-N переход используется в виде регистрации напряжения база-эмиттер транзистора, которое имеет температурный коэффициент около 2.1 мВ/С. При диференциальном включении двух транзисторов с отличающимися вдвое токами линейность сохраняется во всем рабочем диапазоне - 40С...150С с точностью не хуже 2С. Основным достоинством датчика является дешевизна, недифицитность, большой уровень сигнала и конструктивная законченность вплоть до герметизации в состоянии поставки. Последнее обстоятельство увеличивает массу до величины в 0.1 г при собственной массе менее 0.01 г, вместе с увеличением теплового сопротивления и инерционности.

Кварцевые датчики температуры относятся к термометрам с механическим резонатором. Хотя кварц принадлежит к материалам, наименее подверженным температурным воздействиям, тем не менее ee влияние существует и очень стабильно. Кварцевый резонатор включенный в состав генератора формирует сигнал большой амплитуды, информация в котором содержится в частоте. Сравнение с сигналом термостатированного резонатора не представляет технических трудностей и может быть выполнена с любой точностью в силу цифровой природы.В результате погрешность преобразователя в диапазоне температур -50С...150С на уровне 40 мгрд при разрешении 0.1 мгрд.

Такие высокочувствительные методы как термомагнитный, термошумовой, ядерного квадроупольного резонанса в силу дороговизны аппаратуры применяются в основном для научных исследований.

Бесконтактные методы измерения температуры называются пирометрическими и основаны на измерении интенсивности электромагнитного излучения в диапазоне 0.75мкм...900мкм. При этом охватывается температурный диапазон - 50С...6000С. До температуры 4000С излучение апроксимируется законами излучения черного или серого тела,при более высокой температуре излучение вызывается процессами ионизации и диссициации и имеет дискретный характер.

Закон Планка связывает абсолютную температуру Т и спектральную плотность М как функцию длины волны L :

М=C1*L-5/EXP (C2/L*T - 1) где: C1=3.742*10-18 Вт*М2, С2=0.0144 М*К.

С достаточной точностью можно пользоваться законом Вина:

M = C1 * L-5 * EXP (- C2/L*T)

или формулой Релея - Джениса:

M = (C1/C2) * L-4 * T

Связь между значением температуры и излучаемой энергией определяется законом Стефана - Больцмана:

М0 = S * T4 где S = 5.67 * 10-8 Вт/(м24)

Значение максимумов излучения MM и его длина волны LM подчиняются закону смещения Вина:

LM = A/T где А = 28978 * 10-7 м * К

MM = B * T5 где B = 12816 * 10-9 Вт/(м3*K5)

Используют два типа измерителей температуры, работающих в сравнительно узких участках спектра. При этих условиях спектральные кривые с малыми погрешностями апроксимируются отрезками прямых и допускают аналитическое интегрирование, что сразу позволяет определить температуру по значению зафиксированного потока излучения.

Ф = Q * TN где Q и N - параметры оптической системы и спектрального диапазона.

Параметры оптической системы сушественно зависят от размеров контролирируемого поля и расстояния до него. Эта зависимость менее существенна в том случае, если оценивать температуру по соотношению потоков (спектральный метод):

Ф12 = Q1/Q2 * T (N1 - N2)

Измерение потока излучения ведется либо непосредственно по току фотоэлектрического преобразователя, либо при сравнении сигнала от объекта с сигналом того же преобразователя от эталонного источника температуры (компенсационный метод). Причем, эталонный источник может либо менять свою температуру под действием сигнала рассогласования, либо степень воздействия на преобразователь. Степень воздействия маняется перемещением:

сетки переменной плотности

клина

диафрагмы

Иногда вместе с зталонным меняют степень воздействия на преобразователь измеряемого потока в обратном направлении, что расширяет пределы измерения. Компенсационные пирометры редко имеют быстродействие выше 1 с.

Измерители непосредственного типа обычно используют широкий спектральный диапазон и преобразователи в виде пирометров, термопар, фоторезисторов или фотодиодов. Их основной недостаток заключается в нелинейности сигнала от температуры.

Спектральные измерители бывают трех типов:

Излучение в двух участках спектра сравнивается с излучением эталонной температурной лампы.

Излучение в двух участках спектра уравнивается ослаблением.

Температура определяется по соотношению сигналов в разных участках спектра.

В последнем случае при логарифмировании сигналов не только преобразуется операция деления двух напряжений, но и легко компенсируется нелинейность оптоэлектронного преобразователя.

Оптические системы и приемники излечения пирометров имеют особенности, связанные с рабочим спектральным диапазоном.

Как результат отечественные и зарубежные пирометры имеют по несколько температурных диапазонов с отношением температур не более чем 1.5, быстродействие 0.05 с... 10 с, основную погрешность 0.5%... 2%.

Для измерения температур выше 4000 С, когда вещество находится в состоянии плазмы, применяют спектральные методы измерения температуры:

1. Измерение интенсивности отдельных спектральных линий атомов или ионов с хорошо изученной зависимостью.

2. Измерение ширины или профиля спектральной линии. Для этой цели обычно используют водородную плазму, уширение линий происходит за счет роста напряженности поля, а при температурах выше 105С за счет эффекта Доплера.

3. Измерение плотности тяжелых частиц в плазме, которая стабильно зависит от температуры. Измерение производят путем контроля доли поглащения ионизирующих излучений.

4. Измерение показателя преломления плазмы интерферометром, теневым или голографическим методом.

5. Контроль рассеяния коггерентного излучения на свободных ионах и электронах плазмы.

6. Ультразвуковой метод контроля скорости звука в плазме которая зависит от температуры:

V = 331.5 + 0.067 * T [ M / С ]

Метод дает точность в доли процента и ограничивается только термической прочностью волноводов. С успехом используется для пространственных измерений.

ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ:

Можно ли создать термометр теоретически не вносящий искажения в температурное поле контролируемого процесса ?

Почему у металлических и полупроводниковых термосопротивлений  разный знак коэффициента зависимости от температуры?

Укажите отличия в сущности измерения температуры термопарой и термосопротивлением.

По каким физическим параметрам опытные рабочие "на глаз" могут оценить температуру расплавленного металла? Приведите формулу, связывающую этот параметр с температурой.

Какой из методов измерения температуры плазмы факела на Ваш взгляд наиболее подходит при лазерной сварке и почему?

ЛИТЕРАТУРА:

1. Спектор С. А. Электрические измерения физических величин : Методы измерений : Учеб. пособие для вузов. Л. : Энергоатомиздат, 1987. с 254... 285.

2. Поскачей А. А., Чубаров Е. П. Оптико - электронные системы измерения температуры.- М.:Энергоатомиздат,1988.-248 с.

3. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер с англ.- М.: Мир, 1990. с 91... 96.

4. Измерение электрических и неэлектрических величин : Учеб. пособие для вузов. / Н. Н. Евтихиев и др. - М. : Энергоатомиздат, 1990. с 172... 181.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41276. Дискретно-детерминированные модели (F-схемы). Основные соотношения. Возможные приложения F-схемы 170.5 KB
  Система представляется в виде автомата как некоторого устройства с входными и выходными сигналами перерабатывающего дискретную информацию и меняющего свои внутренние состояния лишь в допустимые моменты времени. В каждый момент t = 0 1 2 дискретного времени Fавтомат находится в определенном состоянии zt из множества Z состояний автомата причем в начальный момент времени t = 0 он всегда находится в начальном состоянии z0 = z0. Другими словами если на вход конечного автомата установленного в начальное состояние z0 подавать в...
41277. Дискретно-стохастические модели (Р-схемы). Основные соотношения. Возможные приложения P-схемы. Непрерывно-стохастические модели (Q-схемы). Основные соотношения 159.5 KB
  Непрерывностохастические модели Qсхемы Основные соотношения Особенности непрерывностохастического подхода рассмотрим на примере типовых математических Qсхем – систем массового обслуживания англ. В качестве процесса обслуживания могут быть представлены различные по своей физической природе процессы функционирования экономических производственных технических и других систем например: потоки поставок продукции некоторому предприятию потоки деталей и комплектующих изделий на сборочном конвейере цеха заявки на обработку информации ЭВМ...
41278. Непрерывно-стохастические модели (Q-схемы) (продолжение). Возможные приложения Q-схем 140.5 KB
  В студенческом машинном зале расположены две ЭВМ и одно устройство подготовки данных УПД. Студенты приходят с интервалом в 8  2 мин и треть из них хочет использовать УПД и ЭВМ а остальные только ЭВМ. Работа на УПД занимает 8  1 мин а на ЭВМ – 17 мин. Кроме того 20 работавших на ЭВМ возвращаются для повторного использования УПД и ЭВМ.
41279. Сетевые модели (N-схемы). Основные соотношения. Возможные приложения N-схем 176.5 KB
  Сетевые модели Nсхемы. Сетевые модели Nсхемы Основные соотношения Для формального описания структуры и взаимодействия параллельных систем и процессов а также анализа причинноследственных связей в сложных системах используются сети Петри англ. Граф Nсхемы имеет два типа узлов: позиции и переходы изображаемые 0 и 1 соответственно. Граф Nсхемы является мультиграфом так как он допускает существование кратных дуг от одной вершины к другой.
41281. ФОРМАЛИЗАЦИЯ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ 163 KB
  Методика разработки и машинной реализации моделей систем Сущность машинного моделирования системы состоит в проведении на вычислительной машине эксперимента с моделью которая представляет собой некоторый программный комплекс описывающий формально и или алгоритмически поведение элементов системы в процессе ее функционирования т. Требования пользователя к модели Основные требования предъявляемые к модели процесса функционирования системы: 1. Полнота модели должна предоставлять пользователю возможность получения необходимого набора оценок...
41283. ОСНОВЫ АЛГЕБРЫ ЛОГИКИ 56.5 KB
  Алгебра логики или алгебра высказываний разработана Джорджем Булем в 1854 г. Отсюда второе название "Булева алгебра". Логическая функция – закон соответствия между логическими переменными (функция дискретная). Логическая переменная либо есть, либо ее нет. Логическая функция может иметь произвольное число логических переменных. Область определения насчитывает значений, где n – количество переменных.
41284. Політичне і соціально-економічне становище українських земель у складі Австро-Угорщини 48.5 KB
  У Галичині тривав початий ще значно раніше процес полонізації на Закарпатті – мадяризації на Буковині – румунізації. Перші дві парові машини в Галичині з’явилися лише в 1843 р. Велике феодальне землеволодіння було домінуючим на Закарпатті та в Галичині. Кількість сільської буржуазії становила 11 в Галичині та 8 – на Буковині.