ра физическая величина количественно выражающая понятие о различной степени нагретости тел.
Живые существа способны воспринимать ощущения тепла и холода непосредственно, с помощью органов чувств. Однако точное определение температуры требует, чтобы температура измерялась объективно, с помощью приборов. Температура не может быть измерена непосредственно. Об изменении температуры судят по изменению других физических свойств тел (объёма, давления, электрического сопротивления, ЭДС, интенсивности излучения и др.), однозначно с ней связанных (так называемых термометрических свойств). Количественно же температура определяется указанием способа ее измерения с помощью того или иного термометра. Единицу измерения температуры указывают с помощью температурных шкал (эмперическая температура).
Температурная шкала позволяет косвенным образом определять температуру тела путем прямого измерения какого-либо его физического параметра, зависящего от температуры.
Для определения значения температуры какого-либо тела необходимо выбрать эталон температуры, то есть тело, которое при определённых условиях, равновесных и достаточно легко воспроизводимых, имело бы определённое значение температуры. Это значение температуры является реперной точкой соответствующей шкалы температур - упорядоченной последовательности значений температуры, позволяющей количественно определять температуру того или иного тела. Наиболее часто при получении шкалы температур используются свойства воды. Точки таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении выбраны в качестве реперных точек в современных температурных шкалах.
Термометром называют устройство (прибор), служащее для измерения температуры путем преобразования ее в показания или сигнал, являющийся известной функцией температуры. Чувствительным элементом термометра называют часть термометра, преобразующую тепловую энергию в другой вид энергии (электрическую) для получения информации о температуре.
.1 Источники теплового излучения
Тепловое излучение - это свечение вещества, обусловленное тепловым движением - кинетической энергией его частиц.
Физический механизм этого излучения зависит от температуры и агрегатного состояния вещества. При нагревании средняя скорость движения этих электронов растет. В процессе излучения тело теряет энергию и охлаждается.
Однако, независимо от природы температурно-излучающего вещества были экспериментально установлены следующие качественные закономерности:
а) при любой температуре Т > 0 К все тела излучают электромагнитные волны;
б) интенсивность излучения не зависит от свойств окружающей cреды и определяется только температурой данного тела;
в) c повышением температуры растет доля энергии теплового излучения, приходящаяся на область коротких длин волн. При низкой (например, комнатной) температуре излучение практически ограничено лишь очень длинными инфракрасными невидимыми волнами. По мере нагревания окраска тела начинает меняться, становясь сначала красной, а затем белой, что указывает на смещение максимума излучения в коротковолновую область спектра;
г) тепловое излучение в отличие от других видов излучения (люминесценции, рассеяния, отражения, тормозного, лазерного) является равновесным, т.е. это электромагнитное излучение тела, находящегося в состоянии термодинамического равновесия со средой.
2. Пирометры
Пирометр - прибор для бесконтактного измерения температуры <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0> тел.
Совокупность методов определения с помощью пирометров высоких температур называется пирометрией.
Пирометры могут выступать в роли средства безопасного дистанционного измерения температур раскаленных объектов, что делает их незаменимыми для обеспечения должного контроля в случаях, когда физическое взаимодействие <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B7%D0%B0%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D0%B5> с контролируемым объектом невозможно из-за высоких температур.
Пирометры применяют для дистанционного определения температур
объектов в промышленности, быту, сфере ЖКХ <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%96%D0%9A%D0%A5>,на предприятиях, где большое значение приобретает контроль температур на различных технологических этапах производства <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B8%D0%B7%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE> (сталелитейная промышленность, нефтеперерабатывающая отрасль).
Классификация пирометров
Пирометры можно разделить по нескольким основным признакам:
По принципу действия:
Оптические :
Яркостные- позволяют визуально определять, как правило, без использования специальных устройств, температуру нагретого тела <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BB%D0%BE>, путем сравнения его цвета с цветом эталонной <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D0%BD> нити.
Цветовые - позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80>.
Радиационные - оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D1%89%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C> теплового излучения
По температурному диапазону:
Низкотемпературные - обладают способностью показывать температуры объектов, обладающих даже отрицательными значениями этого параметра.
Высокотемпературные - оценивают лишь температуру сильно нагретых тел, когда определение «на глаз» не представляется возможным. Обычно имеют сильное смещение в пользу «верхнего» предела измерения.
По исполнению
Переносные - удобны в эксплуатации в условиях, когда необходима высокая точность измерений <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5>, в совокупности с хорошими подвижными свойствами, например для оценки температуры труднодоступных участков трубопроводов <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D1%83%D0%B1%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4>. Обычно снабжены небольшим дисплеем, отображающим графическую или текстово-цифровую информацию.
Стационарные- предназначены для более точной оценки <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%86%D0%B5%D0%BD%D0%BA%D0%B0> температуры объектов. Используются в основном в крупной промышленности, для непрерывного контроля технологического процесса производства расплавов металлов и пластиков.
По принципу визуализации величин:
Текстово-цифровой метод <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4>
Измеряемая температура выражается в градусах <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%95%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B8%D1%86%D1%8B_%D0%B8%D0%B7%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D1%8B> на цифровом дисплее. Попутно можно видеть дополнительную информацию.
Графический метод
Позволяет видеть наблюдаемый объект в спектральном разложении областей низких, средних и высоких температур, выделенных различными цветами.
.1 Основные технические характеристики пирометров
Показатель визирования (оптическое разрешение )- отношение диаметра объекта контроля, с поверхности которого пирометр принимает энергию, к расстоянию до объекта контролируемой поверхности.
Точность измерения не зависит от расстояния до тех пор, пока размер объекта больше измеряемого диаметра.
Рис. 1 Пирометр с оптическим разрешением 6:1
Минимальный измеряемый диаметр - наименьший диаметр объекта, который может быть измерен при данном фокусном расстоянии и размере приемника
Диапазон рабочих расстояний - расстояние до объекта измерения, на котором пирометр показывает температуру с заявленной точностью.
Быстродействие пирометра - так как пирометры применяются в случаях быстрого изменения температуры, быстродействие для них является важной характеристикой. Оно обычно оценивается установлением показания.
Способ нацеливания - простейшие пирометры не имеют устройства нацеливания и могут применяться только на близких расстояниях.
Для нацеливания пирометра на удаленные объекты чаще всего применяется луч лазера.
Разрешающая способность - абсолютное (в градусах) или относительное (в процентах) отклонение измеренной температуры от истинной температуры объекта.
Разрешающая способность по температуре(фокус) - это способность пирометра различать температуру соседних участков объекта измерения.
Излучательная способность объекта - отношение мощности излучения объекта при данной температуре к мощности излучения абсолютно черного тела (АЧТ). АЧТ определяется как поверхность, излучающая максимальное количество энергии при данной температуре.
Излучательная способность АЧТ равна 1,00. Близким к единице коэффициентом поглощения обладают сажа и платиновая <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%B0> чернь.
Сфера применения пирометров
Пирометры применяют в различных отраслях. Сфера их применения достаточно широка:
Измерения температур опасных для человеческого организма - поверхностей и сред, в том числе, горячих.
Измерение температурных показателей недоступных и труднодоступных объектов.
Сканирование для поиска холодных или горячих точек.
Диагностические работы с электро- и теплооборудованием.
Работы по профилактике оборудования в любой отрасли промышленности.
Перед контактными методами измерения температуры бесконтактные обладают следующими преимуществами:
- высоким быстродействием, определяемым типом приемника излучения и схемой обработки электрических сигналов. При использовании квантовых приемников излучения (фотодиодов) и быстродействующих аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) постоянная времени может составлять 10-2-10-6 с;
отсутствием искажения температурного поля объекта контроля, что особенно актуально при измерении температуры материалов с низкой теплопроводностью (дерево, пластик и др.), а также риска повреждения поверхности и формы в случае мягких (пластичных) объектов;
возможностью измерения высоких температур, при которых применение контактных средств измерения либо невозможно, либо время их работы очень невелико;
возможностью работы в условиях повышенной радиации и температуры окружающей среды (до 250°С) при разнесении приемной головки и электроники пирометра с помощью оптоволоконного кабеля.
Недостатки
- Высокая стоимость
2.2 Оптические пирометры
Оптические пирометры разделены на два класса
- Яркостные
Цветовые
Яркостные пирометры - ϶то прибор, который способен определять температуру тела, при помощи визуального сравнения излучения предмета с излучением эталонной нити.
Схема яркостного пирометра с исчезающей нитью показана на рис. 4 При измерении наводят объектив 6 прибора на объект измерения 7, при этом фокусируется излучение на нить накала фотометрической лампы 5.Оператор, измеряющий температуру тела, через линзу 1 и красный светофильтр 2 наблюдает за изображением нити на фоне поверхности нагретого тела, добиваясь одинаковой яркости излучения нити и тела регулированием (реостатом 3) тока, проходящего через нить лампы от источника питания 4. В случае если яркость нити меньше, чем яркость излучения тела, нить кажется черной на светлом фоне, и наоборот, если яркость нити больше, чем яркость излучения тела, она будет светлой линией на более темном фоне. При совпадении яркостей изображение нити сольется с фоном излучения тела, и она будет невидима измерителю. В этом случае по шкале миллиамперметра А определяют температуру тела.
Рис. 2 Схема яркостного пирометра с исчезающей нитью накала:
- линза, 2 - светофильтр, 3 - реостат, 4 - источник питания, 5 - лампа, 6 - объектив, 7 - объект измерения.
.3 Цветовые пирометры
Цветовые пирометры измеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения Еλ1 и Еλ2 в двух определенных участках спектра, каждый из которых характеризуется эффективной длиной волны λ1 и λ2. Здесь ελ - относительная лучеиспускательная способность тела. Следовательно, осуществив в приборе операцию логарифмирования, можно свести измерение отношения интенсивностей излучения к измерению разности их логарифмов. Это отношение однозначно определяет цветовую температуру нагретого тела. В основу работы цветовых пирометров положено следующее физическое явление: при нагреве тело излучает световой поток, где присутствуют разные цвета, т.е. имеются электромагнитные колебания с различными длинами волн. Каждой температуре соответствует определенная длина волны, на которой интенсивность излучения максимальна. В цветовых пирометрах определяется отношение интенсивности излучения данного тела в лучах выбранных длин волн. Это отношение для каждой температуры будет различным, и оно однозначно определяет температуру тела.
-объект измерения;2- оптическая линза соединенная с призмой;3,4-зеркала;5-диск со светофильтрами;6-электродвигатель;7-обтюратор;8-фотоприемник;9-измерительный прибор.
Рис.3 Общая схема цветового пирометра
Излучение от нагретого тела 1 фокусируется оптической системой 2 на диске, вращаемом синхронным электродвигателем 6. Диск имеет 2 отверстия с разными светофильтрами, при вращении обтюратора на фотоприемник поочередно попадают потоки излучения с λ1 и λ2 волнами. Воздействия светового излучения на фотоприемник 8 вызывает появление на его выходе импульсов напряжения, пропорциональных интенсивности излучения двух участков спектра.
После вычисления log отношения интенсивности излучения сигнал поступает в измерительный прибор, отградуированный в градусах Цельсия.
.4 Радиационные пирометры
Принцип действия радиационных пирометров состоит в том, чтопоток теплового излучения, испускаемого раскаленным телом, улавливается и фокусируется на теплочувствительной части прибора, соединенной с термопарой.
Принципиальная схема радиационного пирометра показана на Он состоит из корпуса 6, имеющего объектив 2, который улавливает тепловой поток и направляет его на теплочувствительную часть 1 прибора. Эта часть представляет собой крестообразную пластину из платины, покрытую платиновой чернью. К этой пластине припаяны четыре горячих спая хромель-копелевых термопар, образующих термобатарею. При нагревании или охлаждении теплочувствительной части также нагреваются или охлаждаются горячие спаи этой термобатареи. Таким путем достигается увеличение электродвижущей силы и, следовательно, увеличивается точность прибора.
1 - теплочувствительная часть; 2 - объектив; 3 -диафрагма; 4 -температурная лампа;5 - медный кожух; 6 - корпус; 7 - светофильтр; 8 - окуляр; 9 - температура; 10 - милливольтметр.
Рис.4 Общая схема радиационных пирометров
Платиновая пластинка и термопары заключены в стеклянную температурную лампу 4, закрытую почерненным медным кожухом 5.
В медном кожухе имеются отверстия для прохода тепловых лучей на теплочувствительную часть прибора и для наблюдения за правильностью фокусирования. Через цоколь лампы выведены концы термопар и
присоединены внутри прибора к клеммам.
При фокусировании прибора нужно добиваться того, чтобы раскаленное тело было видно в телескопе и закрывало бы все поле зрения. Если изображение будет больше или меньше поля зрения, то условия наблюдения будут отличаться от градуировочных и результат измерения будет неправильным. Четкость изображения для правильной наводки достигается перемещением окуляра 8. Чтобы предохранить глаз наблюдателя от яркого света, можно пользоваться светофильтром 7, который перемещают при помощи ручки, расположенной рядом с клеммами.
Для измерения величины электродвижущей силы, возбуждаемой в термобатарее радиационного пирометра, пользуются или гальванометром, или потенциометром, которые должны быть градуированы в градусах по температуре излучения абсолютно черного тела.
Истинную температуру раскаленного реального тела по измеренной радиационным пирометром определяют введением поправок с учетом коэффициента черноты реального тела, температуру которого измеряют. Для этого пользуются специальными таблицами коэффициентов черноты полного излучения материалов при различных истинных температурах, а также таблицами соотношений между температурой, измеренной радиационным пирометром, или радиационной температурой и истинной температурой в зависимости от коэффициента черноты полного излучения. При помощи радиационных пирометров можно измерять температуру от - 50 до 2000° С.
. Тепловизоры
Тепловизор - устройство для наблюдения за распределением температуры <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0> исследуемой поверхности, температура отображается на дисплее как цветная картинка, где разным температурам соответствуют разные цвета <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B2%D0%B5%D1%82>.
Как правило, тепловизоры строятся на основе специальных матричных датчиков температуры - болометров <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80>.
Принцип действия болометра основан на изменении электрического сопротивления <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5_%D1%81%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5> термочувствительного элемента вследствие нагревания под воздействием поглощаемого потока электромагнитной <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5> энергии <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8F>.
Основной компонент болометра очень тонкая пластинка, зачернённая для лучшего поглощения излучения <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%B3%D0%BB%D0%BE%D1%89%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F>.
Из-за своей малой толщины пластинка под действием излучения быстро нагревается и её сопротивление <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5_%D1%81%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5> повышается.
Для увеличения чувствительности и снижения инерционности датчики сканирующих тепловизоров охлаждают до криогенных температур.
Температурное разрешение современных тепловизоров достигает сотых долей градуса Цельсия.
Сферы применения тепловизоров:
Контроль утечки энергоресурсов
Современные тепловизоры нашли широкое применение как на крупных промышленных предприятиях, где необходим тщательный контроль за тепловым состоянием объектов, так и в небольших организациях, занимающихся поиском неисправностей сетей различного назначения. Так, сканирование тепловизором может безошибочно показать место отхода контактов в системах электропроводки.
Особенно широкое применение тепловизоры получили в строительстве при оценке теплоизоляционных свойств конструкций.
Приборы ночного видения
Тепловизоры применяются вооруженными силами в качестве приборов ночного видения <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%B8%D0%B1%D0%BE%D1%80_%D0%BD%D0%BE%D1%87%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D0%B2%D0%B8%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F> для обнаружения теплоконтрастных целей (живой силы и техники) в любое время суток.
Спасательные службы
Тепловизоры применяют пожарные и спасательные службы для поиска пострадавших, выявления очагов горения, анализа обстановки и поиска путей эвакуации.
Металлургия
При контроле температуры сложных процессов, характеризующихся неравномерным нагревом, нестационарностью и неоднородностью коэффициента теплового излучения, тепловизоры эффективнее пирометров, поскольку анализ получаемой термограммы или температурного поля осуществляется мощной зрительной системой человека.
Принцип действия
тепловизор пирометр болометр
Рис.5 Общая схема тепловизора.
- объектив; 2 диафрагма;3- диск; 4- зеркало; 5-конденсор;6-болометр;
,8- предусилители переменного напряжения; 9- линзы;10- видеоблок.
Инфракрасное излучение через трехкомпонентный объектив 1, диафрагму 2, линзы 9 в диске 3, зеркало 4 и конденсор 5 попадает на болометр 6, подключенный к входам предусилителей 7 и 8 переменного напряжения усиливаются и передаются на видеоблок, сигнал с видеоблока передается на дисплей.
Перед пирометрами тепловизоры обладают следующими преимуществами:
Наглядность. В результате проведения термических измерений на экране пирометра вы видите лишь сухие числа, а вот тепловизор демонстрирует наглядную картину распределения тепла, совмещая ее для удобства с реальным изображением объекта. Все данные в виде термограмм или тепловизионного видеоряда (зависит от модели прибора) записываются на флеш карту.
Оперативность. Чтобы получить полное понятие о термальных характеристиках крупного объекта, вам понадобится провести множество единичных замеров пирометром. Тепловизор же мгновенно отобразит на дисплее цельную картину съемки.
Отчетность. Недорогие пирометры не сохраняют результаты проведенных измерений, а практически все тепловизоры умеют это делать. Универсальность. Тепловизоры, в отличие от пирометров, могут не только измерять температуру объекта, но и обнаруживать любое теплое тело, находящееся в пределах их видимости. Дальность действия. Если обычные пирометры эффективны на расстоянии в единицы или десятки метров от объекта измерения, то тепловизорам доступны сотни и даже тысячи. Но в данном случае применение тепловизоров не имеет целью точное измерение температуры объекта, а лишь его обнаружение и идентификацию.
Недостатки:
Высокая стоимость. Поскольку обычное оптическое стекло <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B5%D0%BA%D0%BB%D0%BE>
непрозрачно в среднем ИК диапазоне, оптику тепловизоров делают из специальных материалов. Чаще всего это германий.
Основные параметры тепловизоров
Поле зрения - плоские углы по вертикали ув и горизонтали уг , ограничивающие область пространства, попадающего в кадр. При прямоугольном растре отношение у J - определяет его форму.
Мгновенное поле зрения - плоские углы по вертикали и горизонтали определяемые фокусным расстоянием объектива и линейными размерами чувствительной площадки а приемника излучения.
Порог температурной чувствительности - минимальная разность температур объекта и фона
Максимальная дальность обнаружения D max является одним из главных параметров тепловизора при использовании его для обнаружения и наблюдения удаленных теплоизлучающих объектов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе написания курсового проекта я изучил принципы действия и возможности бесконтактных приборов измерения температуры, сравнив их возможности можно понять что на сегодняшний день самыми прогрессивными бесконтактными приборами для измерения температуры являются теппловизоры, но ввиду очень высокой стоимости их распространение затруднено.
В условиях агрессивных сред и высоких температур, наиболее подходящими для использования являются цветовые пирометры.
На сегодняшний день цветовые пирометры получили большее распространение в отличие от оптических и радиационных.
Они позволяют контролировать высокую температуру от 400 до +2000 о С и выше. Цветовые пирометры обеспечивают непрерывное автоматическое измерение и регистрацию температуры, что позволяет использовать их в системах автоматического управления процессами без дополнительных затрат на приобретение и обслуживание устройств сопряжения.
Радиационными пирометрами можно измерять отрицательную температуру от - 50 о С. Яркостные же просты в конструкции и применении.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
2.Кулаков M.В., Технологические измерения и приборы для химических производств, M., 1983, с. 91-96; Шкатов E.Ф.
.Промышленные приборы и средства автоматизации. Справочник, под ред. В.В. Черенкова, Л., 1987, с. 70-77. Е.Ф. Шкотов.
.Статья "Пирометры - что это?" http://www.gradusniki.ru/cat/img/pirometer/pirometers-what-is-it.html
.Статья "Пирометры - что это такое, как они работают. Примеры применения пирометров в различных сферах деятельности" http://www.silovikam.ru/article/pirometry-chto-eto-takoe-kak-oni-rabotayut-primery-primeneniya-pirometrov-v-razlichnykh-sfer
.Технологические измерения и КИП на предприятиях химической промышленности http://www.xumuk.ru/bse/2993.html