Термометры

Эти приборы можно разделить на жидкостные, манометрические термометры, термопары, термометры сопротивления, термоиндикаторы.

Действие жидкостных термометров основано на термическом расширении жидкости, заключенной в капилляре термометра.

Их выпускают в различных модификациях для температурного диапазона 0.500С. Изготовляют также термометры специального назначения, например электроконтактные, используемые для регулирования технологических процессов, и максимальные (минимальные), предназначенные для регистрации максимальной (минимальной) температуры в данный период.

Действие манометрических термометров основано на зависимости между температурой и давлением рабочего вещества (обычно газа), заключенного в замкнутом объеме.

Газовые манометрические термометры предназначены для измерения температур в пределах от - 160 до +600°С. Рабочим веществом обычно является азот.

Конденсационные (парожидкостные) манометрические термометры работают в диапазоне от - 60 до +320 "С. Рабочие вещества - метилхлорид, спирт, этиловый эфир.

Жидкостные манометрические термометры используют для измерений температур в области от - 160 до +320°С (ртутные от - 25 до +600°С). Рабочая жидкость ртуть, метаксилол, силиконовые жидкости, металлы с низкой точкой плавления. Длина гибкого капилляра, соединяющего термобаллон с корпусом прибора, может достигать 60 м.

Действие термометров сопротивления основано на измерении электрического сопротивления вещества (металлов и их окислов, солей и т.д.) в зависимости от температуры.

Чувствительный элемент термометра сопротивления (обычно металлическая проволока) закреплен на каркасе из слюды или кварца и помещается в баллон для защиты датчика от окружающей среды. В зависимости от условий применения термометра баллон изготовляют из кварца, стекла, фарфора или металла.

Термометры сопротивления изготовляют из платины (ТСП), меди (ТСМ) или полупроводников. Рабочий интервал температур ТСП от - 200 до +650°С, ТСМ - от

50 до +180°С. Инерционность термометров сопротивления колеблется от 1 мин до 9 с.

Погрешность эталонных платиновых термометров сопротивления равна ±0,0001°С при 0 "С и ±0,001 при +100°С.

Наиболее чувствительными являются полупроводниковые термометры сопротивления. Их изготовляют в форме пластинок и сфер малого диаметра.

Как правило, чувствительный элемент остеклован для защиты от влияния среды. По сравнению с ТСП и ТСМ их габариты меньше (d = 1.7 мм, l = 7.13 мм).

Работа термоэлектрических термометров основана на термоэлектрическом эффекте, возникающем в термопаре. Термопарой или термоэлементом называют цепь из двух разнородных электрических проводников (термоэлектродов), концы которых соединены (сваркой, пайкой и т.п.). При наличии разности температур в местах соединения термоэлектродов в цепи генерируется термо ЭДС.

Значение ЭДС зависит только от температуры спаев и материала термоэлектродов, но не зависит от диаметра и длины проводников и распределения температуры по их длине.

Если температура одного из концов термопары постоянная (например, он погружен в воду с тающим льдом или термостабилизирован другим способом), то ЭДС зависит только от температуры ее рабочего конца. Наиболее известные материалы термоэлектродов - платина, железо, молибден, вольфрам, медь, магнанин, платинородий, хромель, копель, алюмель, константан. Конструктивное оформление термопар разнообразно и должно соответствовать условиям их эксплуатации. Часто рабочие концы помещают в защитные оболочки из фарфора или другого материала.

Различают термопары со стандартными и нестандартными градуировками.

К термопарам с нестандартными градуировками относятся медьконстантовые, вольфрамрениевые, вольфраммолибденовые и др. В основном их используют для специальных измерений, например, в диапазоне высоких температур (2500°С для термопар типа карбид титана-графит).

Преимущества термоэлектрических термометров - линейность в широком диапазоне температур, чувствительность и стабильность показаний, простота изготовления. Недостаток - сравнительно большая постоянная времени (1.10 с).

Применение микропроцессоров позволяет реализовать накопление и вызов максимальных и минимальных температур, вычислить скорость изменения температуры, коммутацию нескольких измерительных каналов, автокалибровку и т.д.

Волоконно-оптические термометры (ВОТ) - 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, двупреломляющийся кристалл и т.д.). На другом конце располагаются источник света (обычно светодиод) и фотодиод для регистрации излучения, огражденного 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. Термохроные термоиндикаторы с химическим взимодействием 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 нагреве) и необратимые термоиндикаторы этого типа.

Жидкокристаллические 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 и 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 люминесценции некоторых веществ, например сульфидов цинка и кадмия. Недостатком люминофорных индикаторов является необходимость точной стабилизации возбуждающего люминесценцию излучения (обычно ультрафиолетового).

Принцип действия изооптических термоиндикаторов (ИОТ) основан на эффекте Христиансена, заключающегося в рассеянии света смесью двух прозрачных (например, порошок стекла в глицерине), если показатели преломлена компонентов различны. При совпадении этих показателей 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 стеклянных капсул.

Бесконтактные дистанционные измерители температуры - пирометры.

Действие пирометров излучения основано на фото электрической, визуальной и фотографической регистрации интенсивности теплового излучения нагретых теп" пропорционального их температуре. Пирометры обычно имеют объектив для фокусировки излучения на фотодетектор, светофильтры и блок электронной обработки сигнала. При контроле температуры объектов в труднодоступных полостях применяют пирометры в сочетании с волоконно-оптическими световодами. Калибровка пирометров проводится по эталонным источникам [абсолютно черное тело (АЧТ), пирометрические лампы и т д.].

Яркостными пирометрами измеряют спектральную яркость объекта на определенной длине волны, которая сравнивается с яркостью АЧТ. В качестве АЧТ используется спираль специальной лампы накаливания. Яркостные 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 типа ФЭУ, фотодиода.

Цветовыми пирометрами измеряют интенсивность 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, наиболее часто используют для измерения температуры слабонагретых тел.

Применяют объективы из материалов, прозрачных в соответствующей спектральной области. Стекло используют для измерения температур от 900 "С. Кварц применяют для регистрации температур более 400°С. Объективы из фтористого лития или фтористого бария позволяют фиксировать температуры в диапазоне 20.500 Часто используют также германиевую и зеркальную.

Существенное влияние на показания радиационного пирометра оказывает состояние поверхности контролируемого объекта, поскольку оно связано с его излучательной способностью.

Современные модели пирометров, в том числе портативных автономных, снабжаются встроенным микропроцессором, реализующим запоминание максимальной, средней и минимальной температуры за время измерения. коррекцию излучательной способности автокалибровку прибора и другие функции.

Для определения распределения температуры по поверхности объекта вдоль заданной линии развертки применяют радиационные пирометры с оптико-механической системой линейного сканирования - термопрофили.

Перед приемником могут быть установлены фильтры для исключения влияния отраженных от объектов солнечных лучей или подавления излучения объекта в диапазоне его прозрачности.

В схеме прибора предусмотрен эталонный температурный источник, уровень излучения которого поддерживается с высокой точностью. Таким образом, на детектор последовательно попадает ИК-излучение от объекта и опорного излучателя, относительная интенсивность которых сравнивается с помощью электронной схемы.

После усиления сигналы детектора, пропорциональные ИК-излучению объекта и эталонного излучения, подаются на кинескоп блока индикатора и воспроизводятся в виде яркой линии.

Быстродействие термопрофиля обычно 25 строк/с, чувствительность 0,1°С (при +20°С), пространственная разрешающая способность 10' при поле обзора до 80°.

Система "Термопрофиль" предназначена для контроля протяженных движущихся объектов в процессе производства. Комбинация "Термопрофиля" с ЭВМ дает возможность автоматического управления температурным режимом в производственных процессах.

Применение гибких световодов в пирометрах позволяет, например, осуществлять контроль воспламенения воздушно-топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания. Для этого входные концы стекловолоконных жгутов устанавливаются в различных цилиндрах контролируемого объекта. Выходные торцы жгутов сформированы в виде одного кадра, что позволяет одновременно снимать на пленку процесс горения во всех контролируемых точках. При необходимости на ту же пленку может регистрироваться излучение эталонного источника, поданное по отдельному жгуту.

Широкое применение находят волоконно-оптические телевизионные пирометры. Они обладают рядом преимуществ - возможностью усиления контраста изображения, высоким качеством изображения, возможностью его размножения на несколько телевизионных приемников и на большом удалении от объекта.

Область спектральной чувствительности инфракрасных видиконов простирается до 2 мкм с максимумом около 1 мкм. Применение фотопроводящего слоя из солей окиси свинца, обработанного серой, может сдвинуть границу чувствительности дальше 2 мкм. Разрешающая способность ИК видиконов достигает 10 мм^-1. Температурная чувствительность 1.3°С в диапазоне 300.600°С.

Создание световодов из мышьяковисто-сернистых стекол, пропускающих инфракрасное излучение в диапазоне 1,5.14 мкм, позволяет в сочетании с соответствующими детекторами (пировидикон, охлаждаемые фотосопротивления из сурьмянистого индия и др.) регистрировать тепловое излучение находящихся в труднодоступных полостях объектов с температурами 20.100 "С. Эта световоды имеют высокий показатель преломления и апертуру, выше 1, что позволяет в сочетании с высоким уровнем топологической мобильности, присущей волокнистой оптике, создавать системы контроля, энергетическая чувствительность которых значительно превосходит возможности классической оптики.