Бесконтактные методы и средства измерений
Бесконтактные (Non-Contact) измерения температуры незаменимы в тех случаях, когда нежелательно, невозможно, сложно, и/или опасно обеспечить механический контакт датчика с объектом измерения.
Не так легко определить температуру находящегося в движении объекта, например, быстро движущейся бумажной ленты, или вращающегося барабана бетономешалки, или потока горячего асфальта. Иногда поверхность объекта, температура которого интересует, недоступна и/или небезопасна (например, при оценке перегрева контактного соединения воздушной линии электропередачи или высоковольтного трансформатора).
Другая ситуация: объект исследования имеет малые габариты и массу (и, следовательно, малую теплоемкость) и использование контактных термометров привело бы к очень большой методической погрешности (погрешности взаимодействия) за счет значительного количества тепла, отнимаемого датчиком прибора от объекта и, как следствие, недопустимого искажения режима его работы и, естественно, результата измерения. Особенно сильно это проявлялось бы при необходимости исследования достаточно быстрых изменений температуры исследуемого объекта малой массы, например, в случае оценки температуры миниатюрных электронных узлов.
Бесконтактные методы и средства измерения температуры являются так называемыми неинвазивными, т.е. не требуют вмешательства в ход технологического процесса, не создают проблем с установкой датчиков, не требуют контакта с объектом исследования, не порождают погрешностей взаимодействия инструмента с объектом и некоторых других неприятностей.
Еще один класс задач, где использование бесконтактных методов и средств не только целесообразно, но и неизбежно (так как не имеет альтернативы) — измерение сверхвысоких температур (например, измерение температуры расплавленных металлов). Возможная верхняя граница контактно измеряемых температур составляет +2000...+2500°С, поэтому измерения более высоких температур производят только бесконтактными методами.
Бесконтактные методы измерения реализованы в различных инфракрасных (ИК) средствах измерения (InfraRed Insrumtntal) – термометрах и измерительных преобрзователях, а также в оптических (Optical) термометрах – пирометрах. Инфракрасные измерители обеспечивают измерение температур в широком диапазоне температур: –50...+5000 °С. Оптические термометры (пирометры) принципиально пригодны лишь для измерения очень высоких температур, при которых поверхность объекта уже видимо светится (+600 °С и выше). Кроме того, точность и чувствительность измерения оптическими термометрами невысоки.
Важными достоинствами ИК-термометров являются широкие диапазоны измеряемых температур, достаточно высокие точность, чувствительность и быстродействие, хорошие эксплуатационные характеристики, сравнительно невысокая стоимость. Однако не так просто реализовать основные преимущества ИК-термометров – для достоверного результата измерения требуются достаточно высокая квалификация пользователя, знание специфики ИК-измерений, определенный опыт практических обследований.
Оптическое излучение.Любое тело, обладающее температурой выше абсолютного нуля (– 273 °С), имеет тепловое излучение. С ростом температуры увеличиваются амплитуда и частота колебаний молекул вещества тела. Человек своими органами чувств воспринимает тепло (осязанием) и свет (зрением). Физическая природа колебаний одна и та же (тепловая), но частота колебаний различна и зависит от конкретной степени нагретости объектов. При температуре 600... 1000 °С и выше (в зависимости от материала объекта) некоторое количество энергии тела излучается в видимой глазом части спектра.
В физике используется понятие «оптическое излучение», соответствующее электромагнитному излучению с длинами волн X, расположенными в диапазоне 1 нм... 1 мм. Этот диапазон делится на три части.
Диапазон длин волн λ ультрафиолетового излучения составляет 1,0 нм...0,38 мкм, видимого излучения – 0,38...0,76 мкм, ИК-излучения – 0,76... 1000 мкм.
Устройство ИК-термометра.Методы и приборы бесконтактного ИК-измерения основаны на количественной оценке инфракрасного (теплового) излучения объекта. Тепловое излучение обладает практически теми же свойствами, что и видимый человеком свет: распространяется прямолинейно, способно отражаться, преломляться, проникать сквозь некоторые тела, может быть сфокусировано оптической системой линз (не обязательно прозрачных) и т.п.
На рис. 99 показана упрощенная структура ИК-термометра.
Рис. 90. Упрощенная структура ИК-термометра: 1 – объект; 2 – объектив; 3 – приемник
Тепловое излучение поверхности объекта объективом прибора фокусируется на приемник, в роли которого часто выступает термопара. ТермоЭДС термопары усиливается усилителем Ус, преобразуется аналого-цифровым преобразователем АЦП в цифровой код, который некоторое время хранится в запоминающем регистре Рг и представляется на индикаторе результатом измерения. Объектив ИК-измерителя одновременно выполняет функцию полосового фильтра частот.
Инфракрасный измеритель может также содержать узлы связи (аналоговой или цифровой) с внешними устройствами. На рис. 90 показаны аналоговый АВ и цифровой ЦВ выходы. Наличие у ИК-термометра выхода аналогового сигнала, пропорционального текущему значению измеряемой температуры, позволяет подключить прибор к внешнему аналоговому самопишущему прибору или к цифровому измерительному регистратору.
Для задач длительного мониторинга применяются также ИК измерительные преобразователи. Эти устройства не имеют индикатора, их выходной аналоговый сигнал представлен пропорциональным измеряемой температуре током или напряжением. Они предназначены для работы совместно с показывающими приборами или регистраторами в составе измерительных установок, комплексов или систем.
Специфика применения ИК-измерителей.При бесконтактных измерениях температуры с помощью ИК-термометров или преобразователей необходимо иметь в виду некоторые важные особенности.
Поскольку количество излучаемой объектом энергии зависит не только от температуры, но также и от качества поверхности тела, то для обеспечения достоверных результатов необходимо знать (или заранее экспериментально определить) значение коэффициента излучения (Emission) поверхности конкретного объекта ε. Абсолютно черное тело (ε = 1) гораздо лучше «отдает» теплоту, чем объект с блестящей гладкой поверхностью. Перед началом измерения необходимо ввести в прибор значение поправки, соответствующей свойствам материала поверхности объекта, и тогда прибор автоматически будет корректировать показания, компенсируя недостаточную излучающую способность исследуемой поверхности. Такие поправки (так называемые поправки на «неполную черноту») обычно приводятся в Инструкции по эксплуатации или в паспорте ИК-прибора.
Если материал поверхности конкретного исследуемого объекта не описан в таблице поправок (коэффициентов излучения ε) прибора, то можно оценить значение необходимой поправки экспериментально, например следующим образом. В тех случаях, когда это возможно, нужно измерить температуру исследуемой поверхности контактным термометром. Затем, перебирая разные значения поправки ИК-термометра, следует добиться одинаковых показаний обоих приборов.
Инфракрасные термометры не рекомендуется использовать при исследовании блестящих, полированных поверхностей, неокисленных металлов типа хрома, алюминия, нержавеющей стали, латуни и т. п. Если исследуемая поверхность обладает малой излучающей способностью, целесообразно покрыть ее тонким слоем матовой черной краски или сажи. Это не повлияет на фактическую температуру поверхности, однако позволит повысить достоверность результатов, так как увеличит излучающую способность до ε = 0,9...0,96.
Следует помнить, что значение коэффициента излучательной способности зависит не только от качества поверхности, но иот температуры объекта.
Измерение давления
Наряду с температурой и расходом давление является одной из важнейших физических величин, измеряемой в различных областях человеческой деятельности. Методы и средства измерения давления основаны на использовании различных физических явлений, как давно известных, так и открытых сравнительно недавно.