Лекция 17
Бесконтактные методы и средства измерений температуры
Все приборы, измеряющие температуру бесконтактным методом, т. е. дистанционно, обладают следующими преимуществами по сравнению с приборами, измеряющими температуру контактными методами: 1) имеют принципиально неограниченный верхний температурный предел измерения; 2) обеспечивают возможность измерения температур излучателей, находящихся на большом расстоянии от термометра; 3) не искажают температурное поле объекта измерения; 4) могут применяться для измерения температур газовых потоков при больших скоростях.
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. Тепловые лучи испускаются всеми нагретыми физическими телами, которые при температурах около 500 - 600°С начинают испускать излучение, видимое человеческим глазом, причем яркость свечения нагретых тел быстро возрастает с повышением температуры.
Накаленные твердые тела испускают сплошной спектр излучения, состоящий из электромагнитных волн различной длины. Видимое человеческим глазом электромагнитное излучение, называемое светом, представляет собою лишь весьма узкий диапазон спектра шириной 0, 35 мкм с длинами волн от 0, 40 до 0, 75 мкм. .
Невидимые лучи с большей длиной волны (более 0, 75 мкм) относятся к инфракрасному участку спектра излучения, охватывающему диапазон от 0, 75 до 400 мкм, за которым инфракрасный участок спектра постепенно переходит в диапазон радиоволн. Невидимые лучи с меньшей длиной волны (менее 0, 40 мкм) относятся к ультрафиолетовому участку спектра излучения. В области температурных измерений используют в основном диапазон инфракрасных и видимых лучей
В физике используется понятие «оптическое излучение» , соответствующее электромагнитному излучению с длинами волн, расположенными в диапазоне 1 нм. . . 1 мм. Этот диапазон делится на три части. Рис. иллюстрирует соотношение поддиапазонов ИК-излучения, видимого В, ультрафиолетового УФ и соседних излучений. Верхняя ось абсцисс показывает значения частот F, нижняя — соответствующие частотам значения длин волн (в логарифмическом масштабе ). Радио, ТВ ИК В Оптический диапазон Гамма-излучение
Бесконтактные методы измерения реализованы в различных инфракрасных (ИК) средствах измерения — термометрах и измерительных преобразователях, а также в оптических 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). 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. Для получения достоверного результата измерения требуются достаточно высокая квалификация пользователя, знание специфики ИК-измерений, определенный практически. Й ОПЫТ.
Устройство ИК-термометра (пирометров полного излучения или радиационных) 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 и т. п.
Структура ИК-термометра Тепловое излучение поверхности объекта объективом прибора фокусируется на приемник, в роли которого часто выступает термопара. Термо. ЭДС 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. Индикатор У АЦП РГ
Чувствительный элемент ИК – измерителя (радиационного пирометра) Рабочие спаи термопар расположены на черненом лепестке, поглощающем излучение, холодные концы — на массивном медном кольце, служащем теплоотводом и прикрытом экраном. Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концов можно считать постоянной и равной комнатной.
Примеры применения ИКизмерителей. ИК-термометр удобно использовать при обследованиях состояния электрических контактов, плавких вставок, соединительных проводников в различных электрических силовых распределительных устройствах и т. п. 1 — ИК-термометр; 2— контактные соединения На рис. показан пример определения температуры контактных соединений, находящихся под высоким напряжением. Таким способом можно быстро и, главное, безопасно проверить множество контактов, выявить среди них перегревающиеся соединения и предотвратить тем самым аварийные ситуации.
Примеры применения ИКизмерителей. ИК-техника позволяет легко обследовать электропривод. Перегрев двигателей, температуру подшипников удобно измерять с помощью ИКприборов и преобразователей.
Интересным и перспективным направлением развития инфракрасной термометрии является тепловидение (или термовидение, или термография). Тепловизионная техника позволяет получить растровое изображение поверхности объекта — термограмму, по которой, как по фотографии, можно оценить значения температуры отдельных фрагментов поверхности. Тепловизионный снимок кирпичного фасада для оценки потерь тепла
Применение методов тепловидения В тепловизионных пирометрах в фокусе приемной линзы находится матрица, составленная из теплочувствительных элементов, выходные сигналы которых сканируются и передаются для дальнейшей обработки в микропроцессор или компьютер.
Принцип их действия основан на преобразовании инфракрасного излучения в электрический сигнал, который подвергается усилению и автоматической обработке, а затем преобразуется в видимое изображение теплового поля объекта (термограмму) для его визуальной и количественной оценки. Общий принцип устройства тепловизора представлен на рисунке 1 2 3 4 5 Структурная схема тепловизора: 1 – линза; 2 – фотоприемник; 3 – электронный усилитель и АЦП; 4 - микропроцессор; 5 – блок отображения информации
Инфракрасное излучение концентрируется системой специальных линз 1 и попадает на фотоприемник 2, который избирательно чувствителен к определенной длине волны инфракрасного спектра. Попадаемое на него излучение приводит к изменению электрических свойств фотоприемника, усиливается электронным усилителем 3 и преобразуется в цифровой сигнал. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке в микропроцессорном блоке 4, и это значение передается на блок отображения информации 5, представляющий собой экран жидкокристаллического дисплея.
Блок отображения информации имеет цветовую палитру, в которой каждому значению сигнала присваивается определенный цвет. После этого на экране монитора появляется точка, цвет которой соответствует численному значению инфракрасного излучения, которое попало на фотоприемник. Сканирующая система (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит последовательный обход всех точек в пределах поля видимости прибора, в результате получается видимая картина инфракрасного излучения объекта. Таким образом, на экране тепловизора видны значения мощности инфракрасного излучения в каждой точке поля зрения тепловизора, отображенные согласно заданной цветовой палитре (черно-белой или цветной). Высокая чувствительность тепловизоров реализуется благодаря наличию высокочувствительных полупроводниковых приемников излучения.
Распределение температуры отображается на дисплее (или в памяти) тепловизора как цветовое поле, где определённой температуре соответствует определённый цвет. Как правило, на дисплее отображается диапазон температуры видимой в объектив поверхности. Типовое разрешение современных тепловизоров — 0, 1 °C.
Тепловизоры применяют во всех отраслях промышленности, где необходимо обеспечить качественный контроль за технологическими процессами производства. Они позволяют оперативно и своевременно отслеживать тепловые изменения, происходящие в отдельно взятых частях машин или механизме в целом. При этом, повышение температуры может быть расценено, как знак к возрастанию нагрузки, после чего может быть принято решение об остановке эксплуатации устройства. Тепловизор должен входить в стандартный набор инструментов технических инженеров, осуществляющих тепловой контроль на предприятиях. Специально для этих целей были разработаны портативные высокопроизводительные тепловизоры, которые позволяют с высокой степенью точности оценивать изменения температуры объекта в режиме реального времени. Небольшие размеры и вес подобных устройств позволяют применять их на выездных мероприятиях, когда доступ к стационарному оборудованию затруднен.
Применение тепловизоров 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. Так, к примеру, с помощью тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в строящемся доме и сделать вывод о качестве применяемых строительных материалов и утеплителей.
Применение тепловизоров Широкое применение тепловизоры получили в военной индустрии для координации боевых действий в темное время суток. Эта дорогостоящая аппаратура может устанавливаться на самолетыразведчики, для оценки количества живой силы противника и ее расположения на участке боевых действий Помимо инженерного применения с 2008 -2009 гг. тепловизоры начали также активно использовать в медицинских целях - для выделения из толпы лиц инфицированных вирусом гриппа
Яркостный пирометр Изначально термин использовался применительно к приборам, предназначенным для измерения температуры визуально, по яркости и цвету сильно нагретого (раскалённого) объекта. Принцип действия яркостных пирометров основан на сравнении яркости монохроматического излучения двух тел: эталонного тела и тела, температуру которого измеряют. В качестве эталонного тела обычно используют нить лампы накаливания, яркость излучения которой регулируют.
Устройство яркостного пирометра 1 – лампа накаливания 2 - окуляр 3 – реостат 4 - телескоп
Принцип действия яркостного пирометра заключается в следующем. В фокусе линзы находится нить, которая нагревается от источника тока, проходящего через регулировочное сопротивление. Оператор регулирует этим сопротивлением ток до тех пор, пока нить не окажется неразличимой на фоне изображения излучающего тела. Этот ток измеряется и по его величине судят о температуре объекта с учетом его материала и качества поверхности.
Яркостный пирометр и
Недостатком всех бесконтактных пирометров является сильная зависимость результатов измерений от коэффициента теплового излучения объекта, значение которого известно с ограниченной точностью.
Скачать презентацию Лекция 17 Бесконтактные методы и средства измерений
Лекция 17 Бесконт методы ихмерен темпер .pptx