Температурные датчики

 Как  указано выше, при измерении температуры  свободные концы термопары должны  находиться при постоянной температуре,  но как правило, свободные концы  термопары конструктивно выведены  на зажимы на ее головке, а следовательно, расположены в непосредственной близости от объектов, температура которых измеряется. Чтобы отнести эти концы в зону с постоянной температурой, применяются удлиняющие провода, состоящие из двух жил, изготовленных из металлов или сплавов, имеющих одинаковые термоэлектрические свойства с термоэлектродами термометра. 

 Для  термопар из неблагородных металлов  удлиняющие провода изготавливаются  чаще всего из тех же материалов, что и основные термоэлектроды, тогда как для датчиков из благородных металов в целях экономии удлиняющие провода выполняются из материалов, развивающих в паре между собой в диапазоне температур 0 – 150 0С ту же термоЭДС, что и электроды термопары. Так, для термопары платина – платинородий применяются удлинительные термоэлектроды из меди и специального сплава, образующие термопару, идентичную по термоЭДС термопаре платина-платинородий в диапазоне 0 – 150 0С. Для термопары хромель – алюмель удлинительные термоэлектроды изготавливаются из меди и константана, а для термопары хромель – копель удлинительными являются основные термоэлектроды, но выполненные в виде гибких проводов. При неправильном подключении удлинительных термоэлектродов возникает существенная погрешность.  

 В  лабораторных условиях температура  свободных концов термопары поддерживается равной 0 0С путем помещения их в сосуд Дьюара, наполненный истолченным льдом с водой. В производственных условиях температура свободных концов термопары обычно отличается от 0 0С. Так как градуировка термопар осуществляется при температуре свободных концов 0 0С, то это отличие может явиться источником существенной погрешности; для уменьшения указанной погрешности, как правило, вводят поправку в показания термометра. При выборе поправки учитываются как температура свободных концов термопары, так и значение измеряемой температуры (это связано с тем, что функция преобразования термопары нелинейна); это затрудняет точную коррекцию погрешности.

 На  практике для устранения погрешности  широкое применение находит автоматическое введение поправки на температуру свободных концов термопары. Для этого в цепь термопары и милливольтметра включается мост, одним из плеч которого является медный терморезистор, а остальные бразованы манганиновыми терморезисторами. При температуре свободных концов термопары, равной 0 0С, мост находится в равновесии; при отклонении температуры свободных концов термопары от 0 0С напряжение на выходе моста не равно нулю и суммируется с термоЭДС термопары, внося поправку в показания прибора (значение поправки регулируется специальным резистором). Вследствие нелинейности функции преобразования термопары полной компенсации погрешности не происходит, но указанная погрешность существенно уменьшается. 

 В  лабораторных условиях для точного  измерения термоЭДС применяются лабораторные и образцовые компенсаторы постоянного тока с ручным уравновешиванием. 
 

Пирометры. 
 

 Серьезным  недостатком рассмотренных выше  термопреобразователей сопротивления  и термоэлектрических преобразователей  является необходимость введения  датчика в контролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемого температурного поля. Кроме того, непосредственное воздействие среды на датчик ухудшает стабильность его характеристик, особенно при высоких и сверхвысоких температурах и в агрессивных средах. От этих недостатков свободны пирометры – бесконтактные датчики, основанные на использовании излучения нагретых тел. 

 Тепловое  излучение любого тела можно  характеризовать количеством энергии,  излучаемой телом с единицы  поверхности в единицу времени и приходящейся на единицу диапазона длин волн. Такая характеристика представляет собой спектральную плотность и называется спектральной светимостью (интенсивностью монохроматического излучения). 

 Законы  температурного излучения определены  совершенно точно лишь для абсолютно черного тела. Зависимость спектральной светимости абсолютно черного тела от температуры и длины волны выражается формулой: 
 

Rα = Aα –5(eB/(αT) – 1) –1, 

где α  – длина волны, T – абсолютная температура, A и B – постоянные.

 Интенсивность излучения любого реального тела всегда меньше интенсивности абсолютно черного тела при той же температуре. Уменьшение спектральной светимости реального тела по сравнению с абсолютно черным учитывают введением коэффициента неполноты излучения; его значение различно для разных физических тел и зависит от состава вещества, состояния поверхности тела и других факторов. 

 Использующие  энергию излучения нагретых тел  пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые. 

Радиационные  пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 0С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта; в связи с этим при определении температуры необходимо учитывать реальное значение коэффициента неполноты излучения. 

 В  типичный радиационный пирометр входит телескоп, состоящий из объектива и окуляра, внутри которого расположена батарея из последовательно соединенных термопар. Рабочие концы термопар находятся на платиновом лепестке, покрытом платиновой чернью. Телескоп наводится на объект измерения так, чтобы лепесток полностью перекрывался изображением объекта и вся энергия излучения воспринималась термобатареей. ТермоЭДС термобатареи является функцией мощности излучения, а следовательно, и температуры тела. 

 Радиационные  пирометры градуируются по излучению  абсолютно черного тела, поэтому  неточность оценки коэффициента  неполноты излучения вызывает  погрешность измерения температуры. 

Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 0С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (фотометрической лампы). Фотометрическая лампа встроена в телескоп, имеющий объектив и окуляр. При измерении температуры телескоп направляют на исследуемое тело и добиваются четкого изображения тела и нити фотометрической лампы в одной плоскости. Затем, изменяя яркость нити путем изменения тока через нее (или изменяя яркость изображения тела с помощью перемещаемого оптического клина), добиваются одинаковой яркости изображения нити и исследуемого объекта. Если яркость тела больше яркости нити, то нить видна в виде черной линии на ярком фоне. В противном случае заметно свечение нити на более бледном фоне. При равенстве яркостей нить не видна, поэтому такие пирометры называют также пирометрами с исчезающей нитью. 

 Напряжение  накала лампы (или положение  оптического клина) характеризует  температуру нагретого тела; для  сравнения интенсивностей излучения  лишь в узком диапазоне спектра  используется специальный светофильтр.

 Яркостные  пирометры обеспечивают более  высокую точность измерений температуры,  чем радиационные. Их основная  погрешность обусловлена неполнотой  излучения реальных физических  тел и поглощением излучения  промежуточной средой, через которую производится наблюдение. 

Цветовые  пирометры основаны на измерении  отношения интенсивностей излучения  на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части  спектра; они используются для измерения  температуры в диапазоне от 800 до 0С. Обычно цветовой пирометр содержит один канал измерения интенсивности монохроматического излучения со сменными светофильтрами. 

 Главным  преимуществом цветовых пирометров  является то, что неполнота излучения  исследуемого объекта не вызывает  погрешности изменения температуры. Кроме того, показания цветовых пирометров принципиально не зависят от расстояния до объекта измерения, а также от коэффициента излучения в промежуточной среде, если коэффициенты поглощения одинаковы для обеих длин волн. 
 

Кварцевые термопреобразователи 
 

 Для  измерения температур от –80 до 250 0С часто используются так  называемые кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, что зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования изменяются в зависимости от ориентации среза относительно осей кристалла кварца. 

 Кварцевые  термопреобразователи имеют высокую  чувствительность (до 103 Гц/К). высокую  временную стабильность (2*10 –2 К/год) и разрешающую способность 10 –4 – 10 –7 К, что и определяет перспективность. Данные датчики широко используются в цифровых термометрах. 

Шумовые датчики. 
 

 Действие  шумовых термометров основано  на зависимости шумового напряжения на резисторе от температуры.  

 Практическая  реализация метода измерения  температуры на основе шумовых  резисторов заключается в сравнении  шумов двух идентичных резисторов, один из которых находится при известной температуре, а другой – при измеряемой. Шумовые датчики используются, как правило, для измерения температур в диапазоне –270 – 1100 0С. 

 Достоинством  шумовых датчиков является принципиальная  возможность измерения термодинамической  температуры на основе указанной  выше закономерности. Однако это значительно осложняется тем, что среднее квадратическое значение напряжения шумов очень трудно измерить точно вследствие его малости и сопоставимости с уровнем шума усилителя. 
 

ЯКР - датчики. 
 

 ЯКР-термометры (термометры ядерного квадрупольного резонанса) основаны на взаимодействии градиента электрического поля кристаллической решетки и квадрупольного электрического момента ядра, вызванного отклонением распределения заряда ядра от сферической симметрии. Это взаимодействие обусловливает прецессию ядер, частота которой зависит от градиента электрического поля решетки и для различных веществ имеет значения от сотен килогерц до тысяч мегагерц. Градиент электрического поля решетки зависит от температуры, и с повышением температуры частота ЯКР снижается. 

 Датчик  ЯКР-термометра представляет собой  ампулу с веществом, заключенную  внутрь катушки индуктивности,  включенной в контур генератора. При совпадении частоты генератора  с частотой ЯКР происходит  поглощение энергии от генератора. Погрешность измерения температуры -263 0С составляет ± 0.02 0С, а температуры 27 0С - ± 0.002 0С.

 

 Достоинством  ЯКР-термометров является его  неограниченная во времени стабильность, а недостатком – существенная  нелинейность функции преобразования. 
 

Дилатометрические преобразователи. 
 

Дилатометрические (объемные) датчики измерения температуры  основаны на явлении расширения (сжатия) твердых тел, жидкостей или газов  при увеличении (уменьшении) температуры.  

 Температурный  диапазон работы преобразователей, основанных на расширении твердых тел, определяется стабильностью свойств материалов при изменении температуры. Обычно с помощью таких преобразователей измеряют температуры в диапазоне –60 – 400 0С. Погрешность преобразования составляет 1 – 5 %. 

 Температурный  диапазон работы преобразователя  с расширяющейся жидкостью зависит  от температур замерзания и  кипения последней (для ртути  - -39 – 357 0С, для амилового спирта - -117 – 132 0С, для ацетона - -94 – 57 0С. Погрешности жидкостных преобразователей составляют 1 – 3 % и в значительной степени зависят от температуры окружающей среды, изменяющей размеры капилляра. 

 Нижний  предел измерения преобразователей, использующих в качестве рабочей  среды газ, ограничивается температурой  сжижения газа ( - 195 0С для азота, - 269 0С для гелия), верхний же – лишь теплостойкостью баллона. 
 

Акустические  датчики. 
 

Акустические  термометры основаны на зависимости  скорости распространения звука  в газах от их температуры и  используются в основном диапазоне  средних и высоких температур. Акустический термометр содержит пространственно разнесенные излучатель акустических волн и их приемник, обычно включаемые в цепь автогенератора, частота колебаний которого меняется с изменением температуры; обычно такой датчик использует и различного типа резонаторы. 
 
 
 
 
 
 

В таблице 1 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения.

Термометрическое  свойство	Наименование  устройства	Пределы длительного применения, 0С
		Нижний	Верхний
Тепловое  расширение	Жидкостные  стеклянные термометры	-190	600
Изменение давления	Манометрические термометры	-160	60
Изменение электрического сопротивления	Электрические термометры сопротивления.	-200	500
	Полупроводниковые термометры сопротивления	-90	180
Термоэлектрические  эффекты	Термоэлектрические  термометры (термопары) стандартизованные.	-50	1600
	Термоэлектрические  термометры (термопары) специальные	1300	2500
Тепловое  излучение	Оптические  пирометры.	700	6000
	Радиационные  пирометры.	20	3000
	Фотоэлектрические пирометры.	600	4000
	Цветовые  пирометры	1400	2800