Датчики измерения температуры

Важной характеристикой для широкого внедрения термодатчиков на основе транзисторов и диодов является стабильность их параметров. Результаты исследования долговременной стабильности термодатчиков на основе транзисторов с температуро зависимым параметром - прямым напряжением на p-n переходе в зависимости от температуры и длительности эксплуатации, приведенные в показывают, что погрешность измерения ими может составлять (0,01…0,15) К в первый год эксплуатации и (0,002…0,04) К - во второй год. Основными причинами нестабильности следует считать обратимый процесс гидратации-дегидратации оксидного слоя на поверхности полупроводникового кристалла и возникновение остаточных деформаций в нем вследствие неодинаковости температурных коэффициентов линейного расширения материалов деталей транзисторов.

2.2.2 Датчики температуры на основе терморезисторов

Наиболее широкое распространение получили датчики на основе терморезисторов. Принцип терморезистивного преобразования основан на температурной зависимости активного сопротивления металлов, сплавов и полупроводников, обладающих высокой воспроизводимостью и достаточной стабильностью по отношению к дестабилизирующим факторам.

Температурную чувствительность термометрического материала принято характеризовать температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Типичные случаи поведения термометрической зависимости представлены на рисунках 2 и 3 .

Как видно из рисунка, полупроводниковые терморезистивные преобразователи отличаются достаточно большой чувствительностью (на порядок и больше) нежели металлические.

Достаточно давно разработаны и выпускаются отечественной промышленностью полупроводниковые датчики температуры с чувствительными элементами, созданными на основе окислов переходных металлов с неполностью заполненной 3d электронной оболочкой. Достоинством таких датчиков (обычно называемых терморезисторами) является большое значение температурного коэффициента сопротивления и сравнительно малые размеры. В зависимости от применяемого полупроводникового материала терморезисторы разделяют на кобальто-марганцевые (КМТ и СТ1), медно-марганцевые (ММТ и СТ2), медно-кобальтовые (СТ3 и СТ4) и титано-бариевые, имеющие малый допуск по сопротивлению и ТКС (позисторы СТ5 и СТ6).

Изменяя состав материала чувствительного элемента, можно получить терморезисторы как с положительным, так и с отрицательным значением ТКС в пределах от -6,5 до +20 %/К. Номинальные сопротивления чувствительных элементов зависят от их состава и размеров и могут находиться в пределах от 1 до 10⁶ Ом. Высокое номинальное сопротивление терморезисторов упрощает требования к системе терморегулирования, что позволяет ограничиться двухпроводной линией связи датчика с системой регулирования и уменьшает погрешность преобразования, обусловленную длиной линией связи.

Зависимость сопротивления от температуры описывается выражением (21):

R_T = Aexp(B/T), (21)

где R_T - сопротивление терморезистора при температуре Т ;

А, В - постоянные коэффициенты, зависящие от материала терморезистора и номинального значения его сопротивления.



Рисунок 2 - Зависимость электрического сопротивления терморезисторов от температуры

Зависимости электрического сопротивления терморезисторов от температуры: с отрицательным (1) и положительным (2) температурными коэффициентами сопротивления.

1-обычный терморезистор; 2 - высокотемпературный терморезистор; 3 - терморезистор с положительным температурным коэффициентом.

Рисунок 3 - Температурная характеристика полупроводниковых термометров сопротивления

Это соотношение обеспечивает высокую точность аппроксимации только в узком диапазоне температур. Так например, для терморезисторов типа СТ4-16 погрешность аппроксимации не более 0,05 К обеспечивается только в диапазоне (15…55) С. Лучшие результаты дают уравнения типа (22) и (23):

(22),

(23)

где А₁, А₂, В₁, В₂, С₁, С₂ - постоянные.

Уравнение (21) обеспечивает точность аппроксимации (0,2…0,4) К в интервале (-60…+100) С, а уравнение (22) - точность 0,1 К в интервале (-20…+120) С.

Чувствительные элементы изготавливают самых различных конфигураций - от бусинок диаметром 0,2 мм, дисков и шайб диаметром (3…25) мм до стержней диаметром 12 и длиной до 40 мм. В таблице 5 приведены типы конструктивного выполнения терморезисторов. Бусинковые чувствительные элементы обычно заливают стеклом или помещают в стеклянные и пластмассовые корпуса. Дисковые чувствительные элементы часто защищают изоляционными пленками из лака или эпоксидных смол, монтируют на металлических пластинах и герметизируют в металлические или пластмассовые корпуса.

Однако, термодатчики такого типа обладают рядом недостатков.

Температурная зависимость сопротивления носит нелинейный характер, поскольку величина ТКС в рабочем диапазоне температур изменяет свою величину, иногда даже на несколько порядков. Технология изготовления чувствительных элементов не позволяет получать номинальные значения сопротивлений даже для одного типа с разбросом меньше (10…20)%. Кроме того, значения температурного коэффициента сопротивления терморезисторов одной конфигурации могут отличаться почти в два раза , вследствие чего отсутствует их взаимозаменяемость.

Но основным недостатком термометров этого типа является то, что они, несмотря на проведение в процессе изготовления искусственного старения, обладают низкой временной стабильностью и воспроизводимостью.

Значительно большей стабильностью электрофизических свойств по ставнению с аморфными веществами обладают монокристаллы. Для создания монокристаллических чувствительных элементов термометров широкое применение получили кремний и германий. В чмстом виде германий и кремний используются выше 20 К.

В области более низких температур наиболее часто используется легированный германий, как хорошо изученный полупроводниковый материал, технология получения кристаллов которого хорошо отработана. При легировании германия элементами III и IV групп, такими как галлий и сурьма, являющимися мелкими примесями с энергией активации порядка 0,01 эВ, можно изготавливать высокочувсвительные термометры для работы в диапазоне от 1 до 40 К с погрешностью 0,005 К . Конструкция такого термодатчика разработки ВНИИФТРИ при ведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Конструкция германиевого термопреобразователя сопротивления

Чувствительный элемент 1 термопреобразователя выполнен из монокристального легированного сурьмой германия. К различным концам элемента припаяны четыре золотых проводника, которым приварены выводы 2 из платиновой проволки. Чувствительный элемент помещен в мельхиоровую гильзу 3, заканчивающуюся стеклянной головкой 4 с платиновым пояском и припаянными через нее платиновыми выводами, сваренными внутри гильзы с золотыми выводами от чувствительного элемента. Изнутри гильза датчика покрыта фторопластовой защитной пленкой 5. Гильза термометра заполнена газообразным гелием. Такие термометры имеют нелинейную температурную зависимость сопротивления. Их статистическая характеристика близка к экспоненциальной и аппроксимируется полиномами вида (24):

LnR = a_i(lnT)ⁱ (24)

где a_i - коэффициенты.

Выбор степени полинома i зависит от требуемой точности измерения и диапазона измеряемых температур. С ростом температуры чувствительность таких термометров быстро уменьшается до уровня, меньшего чем у металлов. При этом происходит изменение сопротивления термометра от сотен мегом до десятых долей Ома. Для сохранения высокой чувствительности вплоть до 300 К авторами работ предлагается многокомпонентное легирование германия мелкими и глубокими примесями или донорными и акцепторными примесями.

Разработанные ВНИИФТРИ германиевые термодатчики обладают высокой стабильностью характеристик и широко используются в криогенной области. Однако, они имеют крайне низкую устойчивость к механическим воздействиям. К недостаткам германиевого термодатчика следует отнести сложность получения стабильной пленки двуокиси германия, что при разработке термодатчиков требует специальных мер по защите поверхности чувствительного элемента от окружающей среды. Кроме того, из-за узкой (E_y 0,74 эВ) запрещенной зоны германий уже при Т(300…400) К становится собственным полупроводником, что не позволяет использовать его при высоких температурах.

К этой же группе условно могут быть отнесены угольные термодатчики, которые по характеру проводимости занимают промежуточное положение между металлами и полупроводниками, но обладают высоким отрицательным ТКС и нашли широкое применение в криогенной технике. В качестве чувствительного элемента углеродных термодатчиков часто используются углеродные радиотехнические сопротивления. Для широкого интервала температур статические характеристики преобразования углеродных термодатчиков предлагается представлять соотношением типа (25)

lnR = A/T^m + B (25)

где A, B и m - постоянные.

Это уравнение позволяет в диапазоне (3…60) К получить аппроксимацию экспериментальных данных с погрешностью не более 0,03 К. Углеродные термодатчики требуют индивидуальной градуировки. Они не дороги, однако в эксплуатации требуют аккуратного обращения, т.к. весьма чувствительны к механическим нагрузкам как на сам угольный элемент, так и на электрические выводы, которые запрессованы в элемент.

Известны пленочные углеродные термодатчики, чувствительный элемент которых изготавливают из коллоидной суспензии графита в воде, нанесенной на тонкие стеклянные пластинки . Эти датчики предназначены для интервала температур (0,03…4,2) К.

В интервале (4,2…273) К используют также стеклоуглеродные термодатчики. Для изготовления их чувствительного элемента щелочно-боросиликатное стекло подвергают выщелачиванию, удаляя из него фазу, богатую бором. Образуется пористое стекло. Поры заполняют тонко измельченным углем высокой чистоты. Полученный материал после высушивания разрезают на пластины. На концы пластин в вакууме напыляют электроды. Затем пластины с выводами помещают в платиновые гильзы. Гильзы напоняют гелием и герметизируют. Статические характеристики преобразования стеклоуглеродных термодатчиков могут быть аппроксимированы уравнением (24).

В настоящее время в области практического использования никакой полупроводниковый материал не может конкурировать с кремнием по степени изученности характеристик и, особенно, по степени разработанности и освоенности технологии изготовления. Поскольку кремний имеет достаточно широкую (E_y 1,17 эВ) зону проводимости и, кроме того, интенсивное окисление поверхности кремния происходит при температурах, больших 1000 К, то на его основе могут создаваться высокотемпературные термодатчики. На основе монокристаллического кремния можно изготавливать термодатчики как с положительным, так и с отрицательным значением ТКС в области средних температур. Отрицательное значение ТКС получают при легировании кремния такими примесями, ка золото и железо, которые создают в запрещенной зоне “глубокие “ уровни, т.е. уровни, энергия активации которых близка к 0,5^.E_y.

На основе кремния, легированного золотом, разработан термодатчик с отрицательным ТКС для измерения температуры поверхности с рабочим диапазоном (273…330) К. Температурный коэффициент такого термодатчика изменяется от -8%/К при 273 К до -(2…3)%/К при 330 К. Чувствительный элемент 1 термодатчика (рис.3) в виде параллелепипеда из монокристаллического кремния нижней широкой гранью прикреплен к контактной площадке 3, нанесенной на пластину из монокристаллического сапфира 2. Второй контакт находится на верхней грани чувствительного элемента и соединен золотыми микропроводниками 5 с другой контактной площадкой 4. Сверху чувствительный элемент залит смолой 6. Малый рабочий диапазон таких термодатчиков объясняется тем, что с ростом температуры ТКС уменьшается пропорционально величине 1/Т². Поскольку значение номинального сопротивления (R_н) термодатчика зависит от размеров чувствительного элемента, а при разделении пластины кремния на отдельные чувствительные элементы невозможно добиться их полной идентичности, то разброс значений R_н в партии составляет 20%. Кроме того, наблюдается разброс значений ТКС в пределах 5%, обусловленный различной степенью легирования кремния в процессе производства. Большое значение показателя тепловой инерции разработанного термодатчика (10 с) ограничивает его использование в динамике.

Расширить измеряемый температурный диапазон можно, если включить параллельно кремниевому терморезистору пассивный резистор (независящий от температуры) при питании схемы постоянным током или последовательно - при питании схемы от источника постоянного напряжения. НПО Измерительной техники г.Королев разработан кремниевый датчик ТЭ-260, работающий при температурах от 223 до 523 К.

Положительным значением температурного коэффициента удельного сопротивления в широком диапазоне температур обладает кремний, легированный примесями с малой энергией активации. Область собственной проводимости кремния с концентрацией носителей тока p, n 10²⁰ м^-3 начинается при температурах Т450 К, а кремния с p, n 10²³ м^-3 - при Т600 К. При меньших температурах и соответствующей концентрации носителей тока.

На базе кремниевых чувствительных элементов с положительным ТКС рядом зарубежных фирм (Volvo, Siemens (Германия), Philips (Нидерланды), ITT Components Group (Великобритания), Rodan Industries Inc, Texas Instruments (США) и др. разработано и выпускается серийно большое количество термодатчиков различного назначения. Чувствительные элементы этих приборов однотипны и представляют собой кристаллы кремния n-типа проводимости, изготовленные в виде брусков или кубиков. Размеры чувствительных элементов могут несколько варьироваться для получения требуемого сопротивления.

Конечные стадии технологического процесса изготовления термодатчиков отличаются у различных фирм и зависят от предпочтительной конфигурации прибора. Общими операциями являются припаивание выводов к контактным поверхностям и герметизация чувствительных элементов смолой или стеклом. В некоторых конструкциях кремниевых датчиков брусок или пластину снабжают механическими контактами, положение которых фиксируют частично расплавленной стеклянной трубкой или заливкой смолой. Луженые медные выводы присоединяют к торцевым металлическим контактам. Рабочий диапазон датчиков с чувствительными элементами на основе кремния n-типа чаще всего составляет интервал от 223 до 423 К. При помещении кремниевых чувствительных элементов в герметичный стеклянный корпус некоторым фирмам (Volvo, Philips) удается увеличить верхний диапазон рабочих температур до 570 К.

Таким образом, на основе чувствительных элементов, изготовленных из монокристаллического кремния, разработаны и выпускаются серийно термодатчики с широким набором номинальных сопротивлений R_н, работающих в диапазоне температур несколько сотен Кельвина. Для датчиков этого типа характерны такие недостатки, как:

- значительный разброс номинальных сопротивлений (5…10)%, выз ванный разбросом удельного сопротивления и размеров кристалла кремния. Уменьшение разброса значений R_н до (1…2)% достигается лишь разбраковкой чувствительных элементов;

- разброс значений ТКС, обусловленный разбросом степени легирования кремния. Уменьшение разброса значений ТКС ограничено возможностями современной технологии;

- достаточно большое значение показателя термической инерции из-за необходимости размещения полупроводниковых чувствительных элементов в корпусах для их защиты от окружающей среды и обеспечения электрической изоляции от объекта.

Кроме того, процесс сборки термодатчиков такого типа трудно поддается автоматизации и, как правило, осуществляется с использованием большой доли ручного труда.

2.2.3 Пленочные полупроводниковые датчики температуры

Улучшение характеристик полупроводниковых датчиков температуры и упрощение их конструкции может быть достигнуто при использовании чувствительных элементов, изготовленных из тонких пленок полупроводника, нанесенного на полупроводниковую или диэлектрическую подложку. Изготовление таких датчиков осуществляется массовыми методами планарной технологии, которые обеспечивают получение значений номинальных сопротивлений с достаточно высокой точностью и, кроме того, позволяют использовать при изготовлении лазерные методы подгонки номинальных сопротивлений.

Основным недостатком датчиков на основе автоэпитаксиальных структур «кремний на кремнии», а также на основе чувствительных элементов с диффузионными кремниевыми тензорезисторами является низкий верхний предел рабочих температур, что обусловлено резким ухудшением изолирующих свойств p-n перехода при температурах более (410…430) К.

Большие возможности по дальнейшему совершенствованию пленочных термодатчиков возникли с появлением в серийном производстве гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире» (КНС), которые представляют собой тонкую (от долей до нескольких микрометров) пленку монокристаллического кремния, выращенную на подложке из монокристаллического сапфира. Использование структур КНС позволяет создавать термодатчики, характеризующиеся сочетанием достоинств датчиков с монокристаллическими и пленочными кремниевыми чувствительными элементами. Применение монокристаллической пленки кремния для изготовления терморезисторов обеспечивает повышенную стабильность характеристик термодатчиков. Хорошие изолирующие свойства сапфира вплоть до температур около 1300 К позволяют создавать термодатчики, верхний предел рабочих температур которых, в принципе, ограничен только физическими свойствами кремния. Высокий коэффициент теплопроводности сапфира способствует снижению показателя тепловой инерции термодатчика.

В настоящее время на основе чувствительных элементов из КНС-структур разработан ряд термодатчиков. Так датчик температуры ТЭЭ-295, разработанный в НПО измерительной техники г.Королев, работает в диапазоне температур от 73 до 473 К и имеет основную погрешность 0,25% .

В Государственном научном центре «НИИТеплоприбор» были разработаны аналогичные датчики с термочувствительными элементами ТЭ-1 и ТЭ-2, работающие в диапазоне температур от 73 до 723 К и имеющие погрешность 0,25% и выходной сигнал (4…20) мА. В этих датчиках линеаризация выходного сигнала осуществлялась с помощью одного или двух термонезависимых резисторов, в зависимости от способа питания - от генератора тока или генератора напряжения.

Для получения унифицированного выходного сигнала использован электронный преобразователь. Структурная электрическая схема датчика с чувствительным элементом модели ТЭ-2 с двумя терморезисторами, в которую включены два термонезависимых резистора, показана на рис.6а. Мостовая схема питается от стабилизированного источника постоянного напряжения 4В. Информативный сигнал в виде разности напряжений U на измерительной диагонали моста, пропорциональный изменению сопротивлений термочувствительных резисторов, поступает на вход дифференциального усилителя электронного преобразователя датчика и преобразуется в стандартный сигнал постоянного тока (4…20) мА.

В диапазоне измерения температур от t₁ до t₂ термочувствительный мост балансируется внешним потенциометром (на рис. не показан) таким образом, чтобы нижнему значению t₁ измеряемой температуры соответствовало начальное значение 4 мА выходного сигнала датчика. Настройкой коэффициента усиления дифференциального усилителя датчика обеспечивается соответствие величины 20 мА выходного сигнала значению t₂ верхнего предела измерений температуры.

2.2.4 Термоэлектрический метод

Принцип действия термоэлектрических термометров основан на использовании тремоэлектрического эффекта, который заключается в том , что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения этих проводников имеют разную температуру. На рисунке 5 представлены два разных проводника А и В из однородного материала, концы которых соединены и имеют разную температуру: t и t0.

Рисунок 5 - Схема термопары

Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металлах свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. На конце с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении, поэтому металл А заряжается положительно, а металл В - отрицательно. В месте соприкосновения проводников возникает электрическое поле, препятствующее диффузии. Когда скорость диффузии электронов становится равной скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками А и В возникает некоторая разность потенциалов, т.е. термо-ЭДС, зависящая также и от температуры мест соединения проводников 1 и 2.

В простейшей термоэлектрической цепи, составленной из двух разнородных проводников А и В, возникает четыре ЭДС. Две возникают в местах соединений проводников (они будут различны, так как различны температуры). Кроме того в каждом однородном проводнике, концы которого имеют разные температуры, появляется разность потенциалов.

Термоэлектрический термометр представляет собой два термоэлектрода 3 (тонкие проволоки диаметром 0,5 или 1,2 мм) из разных металлов, одни концы 1 (рисунок 7) которых сварены между собой, а к другим разомкнутым свободным концам 4 подводятся соединительные првода. Для защиты от механических повреждений и вредного воздействия среды, температура которой измеряется, термоэлектроды, армированные изоляцией, помещают в защитную арматуру 2. Термоэлектрический термометр погружают в среду температуру которой необходимо измерить, на глубину L. Концы 1 называют рабочим концом термоэлектрического термометра (он находится в измеряемой среде), а концы 4 - свободным концом (он находится обычно в помещении цеха, лаборатории).



Рисунок 6 - Конструкция термоэлектрического термометра

В настоящее время наибольшее распространение получили стандартные термоэлектрические термометры с металлическими термоэлектродами характеристики которых приведены в таблице.

В последнее время были созданы термоэлектрические термометры с термоэлектродами из тугоплавких соединений или их комбинаций с графитом и другими материалами, предназначенные для измерения высоких температур. Однако они ещё не получили распространения для контроля температур технологических процессов в отрасли.

Анализируя данные таблицы 6 можно выделить, что наименьшую погрешность имеют платинородий-платиновые термометры, обеспечивающие также лучшую воспроизводимость термо-ЭДС. Положительным электродом у них является сплав платины с родием - платинородий, а отрицательным - чистая платина.Платинородий-платиновые термометры используют в качестве эталонных и образцовых.

К числу достоинств термоэлектрических термометров следует отнести достаточно высокую степень точности, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термоэлектрических термометров через переключатель к одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора, возможность раздельной градуировки измерительного прибора и термоэлектрического термометра.

2.3 Использование температурных индикаторов и манометрических термометров для измерения температуры

2.3.1 Термоиндикаторы

Каждый из существующих способов измерения температуры имеет свои достоинства и недостатки, поэтому выбор того или иного метода зависит от целей и конкретных условий измерения. Например, измерение температуры с помощью термоэлектрических термометров сопротивления, нашедшее наиболее широкое применение, несмотря на надежность и высокую точность, не всегда позволяет получить требуемую информацию о температуре объекта. В частности, когда необходимо определить температуру не в отдельной точке, а ее распределение по поверхности для установления участков с большим градиентом температуры, термометры термоэлектрические и сопротивления не пригодны. Часто требуется определить температуру таких деталей, на которых невозможно установить термометры или это сопряжено с большими трудностями (внутри сложных агрегатов, на вращающихся деталях, на больших поверхностях, на тонкостенных деталях и т.д.). Наконец, даже при измерении в легкодоступных зонах целесообразнее использовать какой-либо менее трудоемкий метод измерения температуры.

Цветовые термоиндикаторы являются одним из перспективных средств не только регистрации, но и измерения температуры. К таким термоиндикаторам относятся вещества, обладающие способностью резко изменять свой цвет при определенной температуре, называемой температурой перехода. Применение термочувствительных покрытий особенно эффективно для исследования распределения температуры в печах различного назначения, в том числе для обжига породы в производстве минеральных удобрений, в газовых и паровых турбинах и т.п. Основными потребителями являются промышленность стройматериалов, производство минеральных удобрений, турбостроение, электронная и авиационная промышленности. Наибольший интерес представляют многопозиционные цветовые термоиндикаторы.

Патентные исследования с глубиной поиска 20 лет показали, что ведущими странами в разработке термоиндикаторов являются Великобритания, США, Франция, Германия, Япония. Обнаружено, что патентов на многопозиционные термоиндикаторы, которые служат для контроля температурных полей, не существует. Имеются патенты Германии, Великобритании, США на термоиндикаторы, имеющие один цветовой переход, которые нельзя использовать для контроля температурных полей, а лишь для определения температуры в конкретной точке.

Современные термоиндикаторы обладают большим разнообразием различающихся признаков. Классификация облегчает выбор необходимого термоиндикатора.

В основу положены следующие признаки:

1) принцип действия;

2) вид (форма);

3) физико-химические превращения, обуславливающие цвет;

4) количество температурных переходов;

5) зависимость цветоизменения от условия нагрева;

6) точность измерения температуры;

В таблице 7 приведена классификация термоиндикаторов.

По принципу действия термоиндикаторы подразделяются на 4 основных типа:

- термохимические индикаторы

- термоиндикаторы плавления

- жидкокристаллические термоиндикаторы

- люминесцентные термоиндикаторы

Термохимические термоиндикаторы - это сложные вещества, которые при достижении определенной температуры резко изменяют свой цвет за счет химического взаимодействия компонентов.

Термоиндикаторы плавления изменяют свой цвет в результате плавления одного или нескольких компонентов, имеющих строго определенные температуры плавления.

Жидкокристаллические термоиндикаторы в определенном интервале температур переходят в жидкокристаллическое состояние, обладающее свойством при незначительном изменении температуры так изменять свою структуру, что падающий на них луч света разлагается и отражается с изменением цвета. При этом переходы твердых кристаллов в жидкие и жидких в изотропный расплав являются фазовыми переходами первого рода.

Люминесцентные термоиндикаторы - это разновидность люминофоров, которые в зависимости от температуры изменяют либо яркость, либо цвет свечения.

По своим физико-химическим превращениям термоиндикаторы подразделяются на три группы: обратимые, необратимые и квазиобратимые.

К обратимым относятся термоиндикаторы, которые изменяя цвет при нагревании до температуры перехода или выше ее, восстанавливают первоначальную окраску при понижении температуры ниже критической.

Необратимыми являются такие, в которых при нагревании происходят необратимые процессы (химические или физические), в результате чего первоначальный цвет после последующего охлаждения не восстанавливается.

Квазиобратимыми называют термоиндикаторы, которые, изменяя свой цвет при нагревании до температуры перехода или выше, восстанавливают его при последующем понижении температуры постепенно под действием влаги. Они могут применяться многократно.

Термоиндикаторные вещества применяются во многих отраслях народного хозяйства для индикации температур и метрирования температурных полей поверхностей объектов, например, при доводке узлов и деталей, контроле оптимальных температур термообработки, закалки, определении перегревов оборудования и т.д.

В зависимости от условий и целей исследования применяют цветовые, структурные и газовыделяющие термоиндикаторы .

При измерении температуры на поверхности печей, камер сгорания, поверхности сопловых и рабочих лопаток газотурбинных двигателей и т.д., фактически требуется не измерение температур в отдельных точках, а распределение температур по поверхности. В этом случае однопозиционные термоиндикаторы становятся практически непригодными. Визуализацию температурных полей могут обеспечить лишь многопозиционные цветовые термоиндикаторы, которые имеют несколько критических температур в достаточно широком температурном интервале, или плавно меняют свой цвет в зависимости от температуры. Термоиндикаторные вещества фирмы “Калоколор” имеют 12 цветовых зон, “Термогра- фик”-8, “ Роллс-Ройс”- 7 критических температур.

В зависимости от условий применения используют обратимые, необратимые или квазиобратимые термоиндикаторные вещества. Обратимые применяются, когда необходимо непосредственно наблюдать температурное поле в процессе нагрева. Обратимые цветовые термоиндикаторы можно применять при температурах до 497-527?С, поскольку при более высоких температурах цвет термоиндикаторных веществ может маскироваться собственным тепловым излучением. Необратимые и квазиобратимые цветовые термоиндикаторы применяются в случае, когда необходимо исследование температурных полей в труднодоступных местах, например для исследования газотурбинных двигателей.

С практической точки зрения важно, чтобы температуры цветовых переходов не зависели от условий нагрева, примерами таких цветовые термоиндикаторов являются однопозиционные термоиндикаторы плавления. Для таких типов ТИВ критические температуры зависят от времени индикации, давления и других особых условий. С целью исключения ошибок в измерении температуры необходимо пользоваться градуировочными кривыми. Большое влияние на температуры цветовых переходов цветовые термоиндикаторы оказывает среда. Так, термоиндикаторные вещества “Термоколор” (Германия) приодны для применения в среде водяного пара. Некоторые из этих цветовых термоиндикаторов дают устойчивые по казания в атмосфере углекислого газа (до 50%) и сероводорода (до 2 объем.%). В средах оксида серы (IV) SO2 и аммиака NH3 успешно применяются карандаши “Термохром”.

Термоиндикаторные вещества выпускаются в различных формах: карандаши, таблетки, термоиндикаторные устройства (этикетки и т.д.), краски, порошки. При этом выбор той или иной формы определяется целью и задачами измерения.

Подводя итог и анализируя всю вышесказанную информацию о цветовых термоиндикаторных веществах, можно сформулировать общие требования ним:

1 Максимальное число критических температур в интересующем температурном интервале.

2 Высокотемпературные цветовые термоиндикаторы должны иметь необратимые переходы.

3 Цветовые переходы должны быть четкими, а цвета цветовых зон - контрастными.

4 Критические температуры цветовых термоиндикаторов должны быть либо независимы от режима нагрева и количественного и качественного состава окружающей среды, либо эти зависимости должны быть повторяющимися в пределах, по крайней мере, одной партии вещества.

5 Не должны взаимодействовать с материалом, в контакте с которым они находятся.

Эти требования показывают, что в настоящее время наиболее целесообразна разработка многопозиционных цветовые термоиндикаторы.

Известно, что цвет веществ обусловлен электронными переходами в атомах между термами, причем окрашены те вещества, атомы которых переходят в возбужденное состояние при поглощении энергии 150-300 кДж/моль. Ванадийсодержащие соединения активно изменяют свою окраску в зависимости от температуры и условий окружающей среды вследствие изменения конфигурации электронной оболочки ванадиевых ионов.

Этим требованиям удовлетворяют ванадийсодержащие соединения, в частности, ванадиевые катализаторы и их отходы. Отходы производства ванадиевых катализаторов являются перспективными материалами, благодаря не только наличию ванадиевого компонента, но и наличию прочных высокотемпературных силикатных носителей (диатомит и др.), имеющих высокие адгезионные свойства на поверхности различных материалов.

Указанное позволяет предположить перспективность использования ванадиевых катализаторов и их отходов для получения на их основе многопозиционных цветовых термоиндикаторов, имеющих широкие пределы температурной индикации и большое число контрастных цветовых переходов.

2.3.2 Манометрические термометры

Манометрические термометры состоят с термобалона, капиллярной трубки и датчика давления (манометра). Термобалон размещается в окружения, где измеряется температура.

Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит из (рис.7) из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, - металлического термобаллона 1, рабочего элемента манометра 2, измеряющего давление в системе, длинного соединительного металлического капилляра 3. При изменении температуры измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры.

Рисунок 7 - Манометрический термометр

Температура окружения воздействует на физическое состояние вещества внутри баллона, что приводить к изменению давления. Это давление через капиллярную трубку передается на расстояние в 60 м, диаметр трубки 0,2-0,5 и фиксируется манометром, шкала градуирована в градусах Цельсия. Материал нержавеющая стиаль, трубка медная В качества чувствительных веществ используют газы, жидкость и газожидкосные смеси. Диапазон измерительных температур от -50 С к 600 С. Класс точности примерно 1,5. Могут использоваться в пожаро-, взрывоопасном окружении. Манометрические термометры бывают газовые и жидкостные:

А) газовые - заполнены азотом под давлением 1-5 МПа, в зависимости от температуры изменяется давление газа в баллоне. Изменение давление выражено зависимостью где - давление газа при температуре измерения, - при температуре 20 С (температура градуировки), - объемный коэффициент расширения газа. Погрешность связанная с колебанием давления отсутствует из-за высокого . Погрешность связанная с отклонением от 20 ⁰С (температура градуировки) в каторой находится капилляр; погрешность рассчитывается для капилляра и манометрической части где - объем капилляра манометрической части, - объем баллона, - окружающая среда, - 20 С

Недостатки: 1) высокая инерционность связ.низким коэф.теплопередачи от металла корпуса баллона к газу находящемся в баллоне. 2) низкая теплоемкость газа. 3) значительные размеры баллона (трудно вставить в трубки малого диаметра).

Б) жидкостные заполнены кселолом. ртутью под давлением 1-2 МПа. , где - объемный коэффициент расширения жидкости, - объемный коэффициент сжатия жидкости. - разность температур

Кселол , ртуть

Колебание атмосферного давления не вызывает погрешности из-за высокого и предохраняет жидкость от вскипания. Недостаток: Погрешность связанная с отклонением от 20 ⁰С (температура градуировки), погрешность при различном расположении манометрической части и термобалона ( можно устранить при монтаже прибора с помощью коллектора).

Относительная погрешность 0,5 до 2,5%. Выпускают с электрическими и пневматическими преобразователями.

3. Расчет пирометрического датчика измерения температуры

Температура как физическая величина является одним из определяющих параметров состояния, позволяющих контролировать протекание самых различных производственных процессов. Измерение температуры - важнейший источник информации о ходе физических явлений и об изменении состояния вещества. Поскольку из всех термодинамических функций состояния вещества температура наиболее изучена в метрологическом отношении, ее практически оказывается полезным измерять взамен прямого измерения ряда характеристик объекта, зависящих от его состояния и непосредственно интересующих технолога. К таким характеристикам относятся энергия вещества, его химическая активность, вязкость, твердость, изменение его химического или фазового равновесия, скорость изменения структуры, тепловое расширение, изменение электрических и магнитных свойств и т.д.

В то же время измерению температуры контактными методами с помощью термометров, приводимых в тепловой контакт с объектом измерения, присущи специфические трудности, резко возрастающие по мере повышения температуры. Эти трудности связаны с выбором материала для чувствительного элемента, которые бы обеспечивали стабильность показаний и минимальное воздействие на объект измерений, с выбором изоляционных материалов для электрических термометров. Погрешности, связанные при контактных измерениях с несовершенством теплового равновесия между термометром и объектом, с плохим тепловым контактом и посторонними тепловыми влияниями могут быть значительными.

Измерение температуры по тепловому излучению создает возможность обойти все эти трудности, так как отсутствует прямое воздействие температуры на конструкционные материалы измерительного прибора, а само измерение осуществляется бесконтактно.

3.1 Пирометрические датчики

О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает. Датчики, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрическими сенсорами. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процесс се измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Потому данные методы получили название бесконтактных.

На основании законов излучения разработаны датчики следующих типов:

- датчик суммарного излучения (СИ) - измеряется полная энергия излучения;

- датчик частичного излучения (ЧИ) - измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;

- датчики спектрального отношения (СО) - измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.

В зависимости от типа датчика различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.

Радиационной температурой реального тела Т_р называют температуру, при которой полная мощность АЧТ равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Т_д.

Яркостной температурой реального тела Т_я называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Т_д.

Цветовой температурой реального тела Т_ц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн и равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Т_д.

3.1.1Датчики частичного излучения

К данному типу датчиков, измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические оптические пирометры и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.

Принцип действия оптических датчиков основан на использовании зависимости плотности потока монохроматического излучения от температуры. На рисунке 8 представлена схема оптического пирометра с "исчезающей" нитью, принцип действия которого основан на сравнении яркости объекта измерения и градуированного источника излучения в определенной длине волны.

Изображения излучателя 1 линзой 2 и диафрагмой 4 объектива пирометра фокусируется в плоскости нити накаливания лампы 5. Оператор через диафрагму 6 линзу 8 окуляра и красный светофильтр 7 на фоне раскаленного тела видит нитьлампы. Перемещая движок реостата 11, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и добивается уравнивания яркости нити и яркости излучателя. Если яркость нити меньше яркости тела, то она на его фоне выглядит черной полоской, при большей температуре нити она будет выглядеть, как светлая дуга на более темном фоне.

При равенстве яркости излучателя и нити последняя "исчезает" из поя зрения оператора. Этот момент свидетельствует о равенстве яркостных температур объекта измерения и нити лампы. Питание лампы осуществляется с помощью батареи 10. Прибор 9, фиксирующий силу тока, протекающего в измерительной цепи, заранее проградуирован в значениях зависимости между силой тока и яркостной температурой АЧТ, что позволяет производить считывание результата в ?С.



Рисунок 8 - Оптический датчик теплового излучения

Фотоэлектрические датчики частичного излучение обеспечивают непрерывное автоматическое измерения и регистрацию температуры. Их принцип действия основано на использовании зависимости интенсивности излучения от температуры в узком интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных устройствах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.

Фотоэлектрические датчики частичного излучения делятся на две группы:

- в которых мерой температуры объекта является непосредственно величина потока приемника излучения;

- которые содержат стабильный источник излучения, при чем фотоприемник служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника и объекта.

На рисунке 9 приведена схема фотоэлектрического датчика, относящегося ко второй группе. В нем в качестве приемника излучения применяется фотоэлемент. Поток от излучателя 1 линзой 2 и диафрагмой 3 объектива фокусируется на отверстии 7 в держателе светофильтра 5 таким образом, чтобы изображение визируемого участка поверхности излучателя перекрывало данное отверстие. В этом случае величина светового потока, падающего на катод фотоэлемента 6, расположенного за светофильтром, определяется яркостью излучателя, т. е. его температурой. В держателе светофильтра расположено еще одно отверстие 8, через которое на фотоэлемент попадает поток от лампы обратной связи 17. Световые потоки от излучателя 1 и лампы 17 подаются на катод попеременно с частотой 50 Гц, что обеспечивается с помощью вибрирующей заслонки 9. Возвратно-поступательное движение заслонки обеспечивается с помощью катушки возбуждения 10 и постоянного магнита 12. В вибраторе происходит перемагничивание стального якоря 11, который с частотой 50 Гц поочередно притягивается полюсами магнита 12 и перемещает заслонку 9.

Рисунок 9 - Фотоэлектрический датчик теплового излучения

При различии световых потоков излучателя 1 и лампы 17 в токе фотоэлемента появится переменная составляющая, имеющая частоту 50 Гц и амплитуду, пропорциональную разности данных потоков. Усилитель 13 обеспечивает усиление переменной составляющей, а фазовый детектор 14 последующее ее выпрямление. Полученный выходной сигнал подается на лампу, что вызывает изменение силы тока накаливания. Это будет происходить до тех пор, пока на катоде фотоэлемента световые потоки от двух источников не уравняются. Следовательно, ток лампы обратной связи однозначно связан с яркостной температурой объекта измерения.

В цепь лампы 17 включено калиброванное сопротивление 16, падение напряжения на котором пропорционально силе тока и измеряется быстродействующим потенциометром 15, снабженным температурной шкалой. Окуляр 4 обеспечивает наводку устройства на объект измерения.

3.1.2 Датчики спектрального отношения

Датчики данного типа измеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра, каждая из которых характеризуется эффективной длиной волны и .

На рисунке 10 приведена схема двухканального датчика спектрального отношения (СО), в котором преобразование энергии получения в электрические сигналы производится с помощью двух кремниевых фотодиодов. Поток излучения от объекта измерения 1 с помощью оптической системы, состоящей из линз 2, апертурой и полевой диафрагмы 3, передается на интерференционный светофильтр 4. Последний обеспечивает выделение двух потоков, каждый из которых характеризуется собственным спектром. Данные потоки попадают на кремниевые фотодиоды 7, которые преобразуют излучение в фототок, протекающий через сопротивление R₁ и R₂, включенные в измерительную схему вторичного регистрирующего прибора - логометра. Разность падений напряжений на сопротивлениях подается на вход усилителя 5, выходной сигнал которого поступает на реверсивный двигатель 6, перемещающий движок реохорда R₂ и стрелку относительно шкалы наступления баланса, соответствующего измеряемой температуре.



Рисунок 10 - Датчик спектрального отношения теплового излучения

Интерференционный фильтр 4 является полупрозрачным зеркалом, имеющим высокий коэффициент пропускания в одной и высокий коэффициент отражения в другой области спектра. Зеркало 8 и окуляр 9 обеспечивают визуальную наводку объектива пирометра на объект измерения. Для уменьшения погрешности от влияния окружающей температуры фильтр 4 и приемники излучения 7 помещены в термостат.

3.1.3 Датчики суммарного излучения

Датчики суммарного излучения измеряют радиационную температуру тела, поэтому их часто называют радиационными. Принцип действия данных измерителей температуры основан на использовании закона Стефана-Больцмана. Однако в случае применения оптических систем в СИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн, а значительно меньшем: для стекла рабочий спектральный диапазон составляет 0.4 - 2.5, а для плавленого кварца 0.4 - 4 мкм.

Датчик выполняется в виде телескопа, линза объектива которого фокусируется на термочувствительном приемнике излучения нагретого тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, болометры (металлические и полупроводниковые), биметаллические спирали и т.п. Наиболее широко применяются термобатареи (рисунок 11,а), в которых используется 6-10 миниатюрных термопар (например, хромель-копелевые), соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы 4 термопар 2. Свободные концы термопар привариваются к тонким пластинкам 1, закрепленным на слюдяном кольце 3.

Рисунок 11 - Датчик суммарного теплового излучения

Металлические выводы 5 служат для присоединения к измерительному прибору, в качестве которого обычно используются потенциометры или милливольтметры. Рабочие концы термопар поглощают падающую энергию и нагреваются. Свободные концы находятся вне зоны потока излучения и имеют температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает термо-ЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения.

На рисунке 11,б показано устройство телескопа СИ. Он включает: корпус 1 с диафрагмой 7; объектив, имеющий стеклянную или кварцевую линзу 2, устанавливаемую во втулке 13, ввинчиваемой в корпус; блок термобатареи, состоящей из самой термобатареи 3, корпуса 5, отростка, на который навинчивается подвижная диафрагма 6, и контактных винтов 10; компенсационное медное сопротивление 4, шунтирующее термобатарею и обеспечивающее уменьшение влияния измерений температуры телескопа на показания пирометра; окуляр, включающий линзу 8 и защитное стекло 9. Фланец 11 служит для крепления корпуса к защитной арматуре, обеспечивающей работу пирометра в тяжелых условиях металлургического производства.

Получение стандартной градуировки обеспечивается перемещением диафрагмы 6, зубчатый венец которой сочленен с зубьями трубки 12. Диафрагма, устанавливаемая в телескопе, ограничивает телесный угол визирования, что исключает влияние на показания размеров излучателя и его расстояния от датчика. При этом на термобатарею попадает излучение только с определенного небольшого участка объекта измерения. Размеры этого участка определяются по показателю визирования, который является отношением наименьшего диаметра излучателя к расстоянию от объекта измерения до объектива телескопа. При этом изображение круга, вписанного в излучатель, полностью перекрывает отверстие диафрагмы 6, находящейся перед термобатареей. Телескопы с показателем визирования более 1/16 являются широкоугольными, а с показателем, равным или меньшим 1/16 - узкоугольными. При измерении температуры в схему пирометра между телескопом и вторичным прибором (милливольтметром или потенциометром) включается панель уравнительных и эквивалентных сопротивлений. Она обеспечивает постоянную нагрузку телескопа при работе с одним или двумя вторичными приборами, а также замену телескопа одной градуировки на телескоп другой градуировки.

3.2 Выбор типа первичного измерительного прибора и соответствующей схемы измерения заданного диапазона и метода измерения температур

Основные технические характеристики устройства для измерения температуры в удаленных точках

Диапазон измеряемых температур 0…300 °С.

Разрешающая способность - 2 °С.

Погрешность измерения - 1 %.

Оптическое разрешение - 14:1.

Время установления - не более 500 мс.

Диапазон ИК волн - 8…14 нм.

Источник питания - 4,5 В.

Зарядное устройство - 12 В, 300 мА.

Тип индикатора - жидкокристаллический.

Функциональная схема устройства для измерения температуры в удаленных точках приведена на рисунке 13.

Устройство для измерения температуры в удаленных точках предназначенное для бесконтактного измерения температуры объектов, находящихся на расстоянии нескольких метров от датчика. В основе данного устройства лежит пирометрический датчик, который преобразует тепловое излучение объекта, представляющего собой электромагнитные волны различной длины, в электрическое напряжение.