Лекция 17

Термошумовые термо­метры. Тепловое хаотическое движе­ние носителей зарядов в проводниках приводит к тому, что на концах про­водника возникают случайные напряже­ния. Амплитуды этих напряжений подчи­няются закону распределения Гаусса (нормальный закон), математическое ожидание которого равно нулю, а дис­персия зависит от температуры провод­ника. Среднеквадратичное значение нап­ряжения теплового шума проводника ли­нейно связано с его термодинамической температурой. Таким образом, измерив среднеквадратичное значение шума, опре­деляют температуру проводника. С по­мощью термометров, построенных по этому принципу, можно измерять темпе­ратуру в широком диапазоне с погреш­ностью до сотых долей градуса.

Действие магнитных термо­метров (МТ) основано на зависимости магнитной восприимчивости (MB) пара­магнетиков от температуры. МТ приме­няются для измерения сверхнизких тем­ператур. Один из распространенных маг­нитных термометров - церий-магниевый нитрат. Связь MB с температурой опреде­ляется законом Кюри.

Из термочастот пых термо­метров наибольшее распространение по­лучили кварцевые термометры (КТ).

Их действие основано на температурной зависимости собственной резонансной частоты кварцевых пьезоэлементов. Для термометрии применяют элементы с та­кими срезами, чтобы температурный коэффициент частоты (ТКЧ) был мак­симален. Такие датчики можно включить в схему высокочастотного (или релак­сационного) генератора, частоту кото­рого можно измерить непосредственно частотомером. Лучшие результаты дает схема, в которой частота датчика сравни­вается с частотой опорного пьезоэле-мента, вырезанного из кварца с ориен­тацией среза, при которой ТКЧ минима­лен. Резонансная частота является ли­нейной функцией температуры. Типич­ные характеристики КТ: рабочая час­тота 5—30 МГц, чувствительность до 10 "⁵ °С, крутизна преобразования по­рядка 1000 кГц/°С, воспроизводимость шкалы 0,01 °С после циклических изменений температуры, нелинейность преобразования не превышает 0,1 % в рабочем диапазоне температур.

Действие термоемкостных термометров основано на изменении диэлектрической постоянной диэлект­риков в зависимости от температуры. Наиболее пригодные материалы — три-глицинсульфат (ТГС) в барийстронцие-вый титанат (БСТ).

При измерениях температуры конден­сатор (-(например, с БСТ в качестве ди­электрика) включают в колебательный контур, резонансная частота которого при этом зависит от температуры.

Термотранзисторными термометрами (ТТТ) принято называть датчики на основе транзисторов, термо­метрической характеристикой которых служит обычно напряжение эмиттер-база. Для ТТТ характерна стабильность и ли­нейность характеристик преобразования, высокая чувствительность, малые габа­риты и масса, экономичность. Приборы с ТТТ содержат мостовую измеритель­ную схему, одним из плеч которой является переход эмиттер—база тран­зистора, на коллектор которого подается запирающее напряжение. Дискрет­ность отсчета для ТТТ составляет 0,05— 1 °С; погрешность порядка 0,1 °С.

Волоконно-оптические термометры (ВОТ) - одни из наибо­лее перспективных датчиков температу­ры. Они выполняются из кварцевого моноволокна диаметром 0,2—1 мм, дли­ной до 100 м, на торце которого, вво­димого в контролируемый объем, распо­лагается микрокапсула с веществом, изменяющим свои оптические свойства при нагреве (люминофор, жидкий крис­талл, двупреломляющий кристалл и т.д.) . На другом торце располагаются источ­ник света (обычно светодиод) и фото­диод для регистрации излучения, отра­женного от капсулы термодатчика. Дос­тоинство ВОТ — отсутствие гальвани­ческой связи с объектом, нечувствитель­ность к электромагнитным помехам, нетоксичность, малые габариты, высо­кое быстродействие.

Действие термоиндикаторов основано на изменении агрегатного состояния, яркости и цвета свечения некоторых веществ при нагреве. С их помощью можно быстро и экономично получить информацию о тепловом режиме объ­екта. Преимуществом термоиндикаторов является возможность запоминания рас­пределения температур в процессе испы­таний, простота и наглядность, экономич­ность. К недостаткам термоиндикато­ров следует отнести инерционность, срав­нительно невысокую точность, необходи­мость нанесения на изделие специальных покрытий, сложность изучения динами­ческих температурных режимов. Вклю­чение их в системы терморегулирования представляет значительные трудности.

Термохромные термоинди­каторы с химическим взаимодействием компонентов (галоидные комплексные соли серебра, ртути, меди) могут всту­пать в реакцию с металлами, поэтому их наносят на ленты из ткани, бумаги, фольги и пр. Существуют обратимые (многократно меняющие цвет при на-

греве) и необратимые термоиндикаторы этого типа.

Ж идкокристаллические термоиндикаторы представляют собой органические соединения, одновременно обладающие свойствами жидкости (теку­честь) и твердого кристаллического тела (анизотропия, двойное лучепреломле­ние) . При изменении температуры жид­кий кристалл меняет свой цвет. Жидкие кристаллы эффективно используют при исследовании температур в электронных схемах для обнаружения дефектов типа нарушения сплошностей. Они выпуска­ются в виде пленок или жидких раство­ров.

Плавящиеся термоиндикаторы существуют двух типов: плавкие покры­тия и термосвидетели. Покрытия вы­пускают в виде термокарандашей (мел­ков) , термолаков, термотаблеток (тер­мопорошков) . Изготовляются на основе воска, стеарина, парафина или соедине­ний серы, цинка, свинца (для высоких температур). На поверхности изделия термокарандашом наносят риску, кото­рая плавится при достижении заданной температуры. Действие термолаков ана­логично. Термосвидетели представляют собой нанизанные на тугоплавкую прово­локу пластинки из металлов, плавя­щихся при различных температурах.

Действие люминофорных тер­моиндикаторов основано на температур­ной зависимости цвета или интенсивнос­ти люминисценции некоторых веществ, например сульфидов цинка и кадмия. Недостатком люминофорных индика­торов является необходимость точной стабилизации возбуждающего люминес­ценцию излучения (обычно ультрафио­летового) .

Принцип действия и з о о п т и -ч е с к и х термоиндикаторов (ИОТ) основан на эффекте Христиансена, за­ключающегося в рассеянии света смесью двух прозрачных сред (например, поро­шок стекла в глицерине), если пока­затели преломления компонентов раз­личны. При совпадении этих показа-

телей для какой-либо частоты света наблюдается селективное усиление направленного пропускания смеси. За­висимость дисперсионной характеристи­ки некоторых органических жидкостей от температуры приводит к изменению цвета смеси в проходящем свете при ее нагреве. ИОТ выпускаются в виде тонко­стенных стеклянных капсул.

Бесконтактные методы термометрии.Действие пирометров излучения основа­но на фотоэлектрической, визуальной и фотографической регистрации интен­сивности теплового излучения нагретых тел, пропорционального их температуре. Пирометры обычно имеют объектив для фокусировки излучения на фотодетек тор, светофильтры и блок электронной обработки сигнала. При контроле темпе ратуры объектов в тру до доступных по­лостях применяют параметры в сочета­нии с волоконно-оптическими светово­дами. Калибровка пирометров прово­дится по эталонным источникам [абсо­лютно черное тело (АЧТ), пирометри­ческие лампы и т.д].

Яркости ы ми пирометрами измеряют спектральную яркость объек­та на определенной длине волны, кото­рая сравнивается с яркостью АЧТ. В качестве АЧТ используется спираль спе­циальной лампы накаливания. Яркост-ные пирометры применяют для изме­рения высоких температур (св. 600 °С), при которых тела начинают излучать в видимой области, а интенсивность излу­чения достаточна для его регистрации в узком спектральном диапазоне ви­зуально или с помощью фотоприемни­ков тина ФЭУ, фотодиода.

Цветовыми пирометрами из­меряют интенсивности излучения объек­та в двух узких зонах спектра, отноше­ние которых сравнивается с соответст­вующим отношением для АЧТ. Пока­зания цветовых пирометров не зави­сят от коэффициента излучения объек­тов.

Радиационные пирометры, работающие в широком спектральном

диапазоне, применяют для измерения температуры слабо нагретых тел (— 100 + -Ы00 °С). В них используют обычно оптические системы из материалов, проз­рачных в ИК-области спектра (ИК-стек-ла, некоторые кристаллы, керамика), или зеркальные (ахроматические) объ­ективы. В качестве фотоприемников применяют тепловые детекторы (пиро-электрики, болометры) или фотонные приемники (фотосопротивления, фото­диоды) . Пирометрами СВЧ диапазона можно измерять температуру подповерх­ностных слоев объектов.

Тепловизоры применяют для визуа­лизации изображений слабо нагретых тел и оценки их температуры в отдель­ных точках методами сканирующей пи­рометрии, т.е. путем последовательного просмотра (сканирования) объекта узкоканальной оптической системой с ИК-приемником и формирования види­мого изображения с помощью систем, аналогичных телевизионным. Сканиро­вание осуществляется оптико-механичес­кими системами либо электронными средствами.

Наибольшее распространение получи­ли оптико-механические тепловизоры, в том числе цифровые с системами оперативного запоминания тепловых изображений и с устройствами их автоматизированной обработки с по­мощью микро-ЭВМ и микропроцессоров. В оптико-механических системах в ка­честве приемников излучения применяют фотосопротивления из сурьмянистого ин­дия (спектральная чувствительность 2— 5,6 мкм) или из сплава кадмий — ртуть — теллур — (КРТ) (спектральная чувстви­тельность 8—14 мкм), охлаждаемых жидким азотом (реже — термоэлектри­ческим холодильником). Сканирование реализуется обычно вращающимся мно­гогранным барабаном или колеблющимся зеркалом. Перспективны рефракционные сканеры, обладающие высоким качест­вом изображения при больших полях зрения. Созданы малогабаритные авто­номные тепловизоры.

Все большее распространение получа­ют тепловизоры с электронным скани­рованием изображений на основе п и -ровидиконов. Конструкция пиро-видикона аналогична конструкции види-кона. Пировидиконы имеют спектра­льную чувствительность мишени 0,2-20 мкм, температурную чувствитель­ность 0,1 °С (при 50 строках разложе­ния) . Они не требуют охлаждения.

Лазерные пирометры (ЛП) реализуются с помощью традиционных схем, принятых в газодинамическом эксперименте (теневые, интерференцион­ные) , а также на основе новых оптико-физических эффектов (когерентного рас­сеяния света и т.д.) . Теневые и интер­ференционные лазерные пирометры поз­воляют визуализировать и (или) вы­числять распределение поля показателя преломления по сечению потока газа или жидкости, которое связано с тем­пературным полем известными закона­ми газовой динамики. Получают распро­странение лазерные томографы, позво­ляющие вычислять поля температур в по­перечных сечениях факелов пламени, потоков газа или жидкости. Лазерные пирометры, работающие на эффекте комбинационного рассеяния света, позво­ляют фокусировать излучение в любую точку измеряемого объема. Информа­ция о температуре среды заключена в интенсивности и частоте рассеянно­го газом излучения, регистрируемых спектроанализатором с ФЭУ. ЛП этого типа перспективны для контроля тем­ператур газов в сложных условиях. Применение перестраиваемых по частоте лазеров позволит применять методы резонансного комбинационного рассея­ния света, отличающиеся повышенной чувствительностью.

Действие спектрофотомет-рических пирометров основано на измерении интенсивности характер­ных для нагретых газов (пламен) спек­тральных линий поглощения оптическо­го излучения, которая определяется тем­пературой среды. Выделение нужных ре-