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

5183. Генетика и эволюция. строение митотической хромосомы. Типы хромосом... 228.5 KB
  Строение митотической хромосомы. Типы хромосом, их число, размер. Кариотип и гиограмма. Хромосомы человека. Денверская классификация хромосом человека. В области первичной перетяжки располагается центромера – это пластинчатая структура, имею...
5185. Моногібридне та аналізуюче схрещування. Дигібридне схрещування. Інші лабораторні роботи 669.3 KB
  Моногібридне та аналізуюче схрещування. Дигібридне схрещування. Полігібридне схрещування. Взаємодія алельних генів. Взаємодія неалельних генів. Генетика статі. Успадкування ознак зчеплених зі статтю...
5186. Предмет генетики та її місце в системі природничих наук 1.24 MB
  Предмет генетики та її місце в системі природничих наук Предмет генетики та її місце в системі природничих наук Основні розділи генетики. Методи генетики. Гібридологічний аналіз, його значення. Історія генетики, її витоки, ет...
5187. Системы скрещивания. Гетерозис. Искусственный отбор 148 KB
  Системы скрещивания. Гетерозис. Искусственный отбор. План лекции: Классификация типов скрещивания. Родственное скрещивание (инбридинг). Неродственное скрещивание (аутбридинг). Отдаленная гибридизация...
5188. Генетика. Биоэкология. Методологические основы генетики. Курс лекций 644.5 KB
  Лекция 1. Методологические основы генетики Предмет генетики Понятие о наследственности и изменчивости Методы генетических исследований Значение генетики для практики Современные проблемы генетики Предмет генетики. Возра...
5189. Предмет і завдання медичної генетики. Роль спадковості в патології людини 150 KB
  Предмет і завдання медичної генетики. Роль спадковості в патології людини Предмет та завдання медичної генетики. Значення генетики для медицини. Питома вага природженої та спадкової патології у структурі захворюваності й смертності...
5190. Генетика людини. Основи загальної генетики. Курс лекций 496.5 KB
  Галузь біології, яка вивчає явища спадковості та мінливості живих організмів, називається генетикою. Наука генетика поділяється на загальну та спеціальну, або прикладну частини. Загальна генетика вивчає закони, закономірності та механізми спад...
5191. Генетика микроорганизмов. Наследственные факторы микроорганизмов 92.5 KB
  Генетика микроорганизмов Сохранение специфических структурных и функциональных свойств организмов, т. е. постоянство признаков на протяжении многих поколений, называют наследственностью. Впервые материалы для познания механизма наследственности был...