Измерение температуры пирометрами


К. П. Латышенко, А. В. Фрунзе

















ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПИРОМЕТРАМИ




Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 536.24
ББК 31.31
        Л27


Рецензент:
профессор, доктор технических наук, профессор МИРЭА -Российского технологического университета (г. Москва) Битюков Владимир Ксенофонтович




       Латышенко, К. П.
Л27       Измерение температуры пирометрами : учебное пособие /
       К. П. Латышенко, А. В. Фрунзе. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022. - 248 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0880-6



    Рассмотрена физика и схемотехника построения и функционирования современных пирометров, включающих в себя энергетические пирометры и пирометры спектрального отношения. Значительное внимание уделено современной элементной базе - микропроцессорам и микроконтроллерам, особенностям их использования в измерительной технике. Даны примеры построения узлов пирометров на элементах микропроцессорной техники. Рассмотрены вопросы метрологического обеспечения пирометрии, эталонной базы, поверочных схем, а также особенности применения и коррекции современных пирометров спектрального отношения, их преимущества перед энергетическими пирометрами.
    Для студентов, обучающихся по направлениям бакалавриата, магистратуры и специалитета при изучении дисциплин «Теплофизика», «Технологические измерения», «Тепловое проектирование радиоэлектронных средств», «Метрология» и других технических и инженернофизических направлений и специальностей.

УДК 536.24
ББК 31.31



ISBN 978-5-9729-0880-6 © Латышенко К. П., Фрунзе А. В., 2022
                        © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                        © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ПРЕДИСЛОВИЕ


   Температура - основной информационный параметр, характеризующий как технологический процесс изготовления соответствующих изделий, так и тепловое состояние объекта на всех этапах его жизненного цикла.
   Проблеме измерения температуры пирометрами посвящено значительное число исследований, результаты которых отражены в периодической печати, монографиях и учебной литературе. Однако постоянно возникают существенно различающиеся новые вопросы и задачи.
   Практическая потребность в бесконтактном измерении температуры чрезвычайно актуальна в настоящее время в медицине, радиоэлектронике, строительстве, металлургии и других наукоемких технологиях.
   Основными факторами, характеризующими тепловое излучение объекта, являются его нормальная спектральная излучательная способность, коэффициент отражения и температура. При этом температура окружающего объект фона изменяется от ~273 до ~1000 К. Это предопределяет возможность при измерениях реализации ситуации соизмеримости собственного потока излучения объекта и потока излучения окружающего его фона.
   На рынке приборного обеспечения бесконтактного определения температуры поверхности объектов имеется большое число отечественных и импортных оптико-электронных систем, как пирометрических, так и тепловизионных, пригодных для этих целей. Общая тенденция развития оптико-электронного приборостроения состоит в их интеллектуализации. Это позволяет уменьшить влияние человеческого фактора на получаемые результаты и, естественно, их метрологические параметры.
   Однако получаемые с помощью современных оптикоэлектронных приборов результаты, как правило, требуют серьезного критического анализа. Чаще всего это связано с неучетом или некорректным учетом оптико-физических параметров контролируемого объекта и окружающего его фона.
   Переход от качественного к количественному контролю температуры, что эквивалентно переходу от поля излучения по поверхности объекта к полю температуры по его поверхности,

3

связан с необходимостью решения ряда вопросов, например, построения адекватной математической модели процесса, знания и учета спектральной и температурной зависимостей излучательной способности и коэффициента отражения поверхности объекта и окружающего его фона, пропускания оптикоэлектронной системы и фона, а также чувствительности приемника излучения.
   В данном учебном пособии рассмотрены основные методы и средства бесконтактного контроля, опирающиеся в той или иной мере на результаты измерений исходящего из различных элементов теплового излучения, которое несет информацию о температуре.

Профессор, доктор технических наук
Битюков В. К.

4

ГЛАВА 1


ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

1.1. Общие сведения о температуре

   Температура (лат. temperatura - надлежащее смешение, нормальное состояние) - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.
   Размерность температуры

dim T = &.                (1.1)

   Температуру измеряют в Кельвинах (К).
   Температура является важной величиной, играющей в науке, промышленности, жизни людей иногда определяющую роль. До 40 % от всех измерений составляют измерения температуры. При этом возрастают требования к точности температурных измерений.
   Температура одинакова для всех частей изолированной системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия. Если изолированная система не находится в равновесии, то с течением времени переход энергии (теплопередача) от более нагретых частей системы к менее нагретым приводит к выравниванию температуры во всей системе (первый постулат, или нулевое начало термодинамики).
   В равновесных условиях температура пропорциональна средней кинетической энергии частиц тела. Температура определяет: распределение образующих систему частиц по уровням энергии (статистика Больцмана, L. Boltzmann - австрийский физик XIX века) и распределение частиц по скоростям (распределение Максвелла, J. Maxwell - английский физик XIX века), степень ионизации вещества (формула Саха, М. Саха - индийский физик и астрофизик XX века), спектральную плотность излучения (закон излучения Планка, M. Plank - немецкий физик XIX - XX веков), полную объёмную плотность излучения (закон

5

излучения Стефана-Больцмана, I. Stefan - австрийский физик XIX века) и многое другое.
   В общем случае температура определяется как производная от энергии тела в целом от его энтропии (от греч. gvTpoma -поворот, превращение). Так, определяемая температура всегда положительна, поскольку кинетическая энергия всегда положительна, её называют абсолютной температурой или температурой по термодинамической шкале и обозначают Т.
   Измерение температуры со времён термоскопа Галилея (G. Galilei - итальянский естествоиспытатель, 1564-1642), сделанного им в 1598 году, основывается на применении соответствующего термометрического вещества, изменяющего свой объём или давление при изменении температуры - термометры Фаренгейта (G. Fahrenheit, немецкий физик, 1686-1736), Реомюра (R. Reaumur - французский естествоиспытатель, 1683-1757), Цельсия (A. Celsius - шведский астроном и физик, 1701-1744), Ранкина (Y. J. Rankine - шотландский инженер и физик, 1820-1872). Указанные термометры и соответствующие температурные шкалы были созданы в основном в XVIII веке.
   Абсолютная шкала температур была предложена Ранкиным в 1842 году. Началом отсчёта по шкале был выбран абсолютный нуль, а размер градуса (лат. gradus - ступень, степень) Ранкина равнялся градусу Фаренгейта.
   В 1848 году У. Томсон (Кельвин) разработал термодинамическую температурную шкалу, не зависящую от рода термодинамического вещества. Шкала в честь автора названа температурной шкалой Кельвина. Она основывается на втором законе термодинамики. Одно из следствий этого закона гласит, что отношение количества теплоты Qi, получаемой от нагревателя любым телом, к количеству теплоты Q2, отдаваемой этим телом холодильнику при обратном цикле Карно (N. L. S. Carnot -французский физик и инженер, 1796-1832), равно отношению температур Т1 нагревателя и Т2 холодильника, т. е.


Q h.
Q2 Т2.

(1.2)

6

   Если установлена температура одного из тепловых процес


сов, то, определив измерением или расчётным соотношением


Q
Q2.,

     можно найти значение температуры другого теплового

процесса. Полученная шкала температур не зависит от свойств рабочего (термометрического вещества), поэтому её назвали абсолютной.
    Термодинамическая шкала определяется с помощью одной реперной точки - тройной точки воды, в которой находятся в равновесии все три фазы (от греч. лцаою - проявление): твёрдая (лёд), жидкая (вода) и газообразная (насыщенный пар). При стоградусной шкале Цельсия тройная точка воды равна +0,01 °C. Используемая для образования тройной точки чистая вода должна иметь такой же изотопный состав, который имеет океанская вода. Такая же вода используется для образования точки кипения. Значение термодинамической температуры тройной точки воды принято равным 273,16 К (точно).
   Температура по шкале Цельсия t связана с температурой по Кельвину T равенством


t = T - 273,15 или Т = t + 273,15,   (1.3)

причём 1 °C = 1 К.
   Итак, тройная точка воды (273,16 К) задана самим определением термодинамической температуры. Остальные точки шкалы устанавливают с помощью тщательных измерений температуры фазовых переходов различных веществ.
   Основой повышения точности национальных эталонов единицы температуры является совершенствование Международной температурой шкалы (МТШ). МТШ-90, принятая в 1990 году, имеет следующие реперные точки (табл. 1.1).
   Совершенствование Международной температурной шкалы происходит примерно через каждые 20 лет и направлено в основном на решение трёх задач:
- расширение диапазона охватываемых ею температур;
- приближение к термодинамической температурной шкале;
- повышение гладкости.


7

    По своей сути международные температурные шкалы являются аппроксимацией термодинамической температурной шкалой с помощью средств, обеспечивающих простоту её реализа

ции и высокую воспроизводимость.

Таблица 1.1

Международная температурная шкала-90

  Состояние фазового      Температура     
      равновесия         T, К     t ,°С  
Тройная точка водорода  13,803  - 259,347
Точка кипения водорода                   
при р = 101,325 Па      20,300  - 252,850
Тройная точка кислорода 54,361  - 218,789
Тройная точка воды      273,16    0,01   
Точка плавления цинка                    
при р = 101,325 Па      692,73   419,58  
Точка плавления серебра                  
при р = 101,325 Па      1234,93  961,78  
Точка плавления золота                   
при р = 101,325 Па      1335,58  1062,43 

    Каждая новая международная температурная шкала отражает наивысшие, на момент её внедрения, знания, достижения в области физики и технические возможности.
    В настоящее время заканчивается очередной 20-летний период, по истечении которого происходит совершенствование МТШ. Сейчас можно с уверенностью говорить только о том, что новая шкала будет расширена в область низких температур до 1 мК, включив в себя временную низкотемпературную шкалу 2000 года (PLTS-2000).
    Активная работа ведётся в направлении совершенствования МТШ в области высоких температур. С этой целью проводятся исследования возможности использования высокотемпературных реперных точек на основе фазовых переходов эвтектических (от греч. SUTSKTOO - легко плавящийся) сплавов металл-углерод.

8

    В табл. 1.2 приведены основные технические характеристики средств измерений температуры, используемых в промышленности.
Таблица 1.2


Пределы измерения температуры различными термометрами

    Средство измерений      Пределы измерений, °C  
                            нижний     верхний    
Термометры расширения:                            
- жидкостные стеклянные      -200        750      
- манометрические            -200       1000      
- дилатометрические                               
и биметаллические             0          400      
Термоэлектрические                                
термометры                   -200       2200      
Термометры сопротивления:                         
- металлические              -260       1100      
- полупроводниковые          -272        600      
Пирометры:                                        
- частичного излучения       -50        6000      
- яркостные (монохроматиче-  200        10000     
ские)                                             
- спектрального отношения    200        4500      

    РФ имеет два государственных первичных эталона: один (ТЭТ 35-91) в диапазоне температур 0,8-273,16 К хранится в ВНИИФТРИ (п. Менделеево Московской области) и другой (ТЭТ 34-92) - в диапазоне температур 0-2500 °C (ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, г. Санкт-Петербург).
    В качестве рабочих средств измерений в диапазоне 0,8-303 К применяют:
- полупроводниковые и металлические термометры сопротивления;
- термоэлектрические, пьезокварцевые, манометрические и жидкостные термометры;


9

- полупроводниковые, платиновые и железо-родиевые терморезисторы повышенной точности и термометры других принципов действия.
   Пределы допускаемых абсолютных погрешностей (Л) рабочих средств измерений составляют от 0,005 до 5 К.
   В качестве рабочих средств измерений температуры в диапазоне 0-1500 °C применяют термометры для измерения разности температур, температур поверхности, а также различные типы термометров и термопреобразователей, используемых для статистических измерений температуры методом погружения.
   Пределы допускаемых абсолютных погрешностей рабочих средств измерений составляют от 0,003 до 25 °C в зависимости от значения измеряемой величины.
   В качестве рабочих средств измерений при измерении температуры свыше 1500 °C используют различные типы пирометров.
   Пределы допускаемых погрешностей рабочих средств измерений составляют:
- в диапазоне температур 220-353 К - от 2 до 4 К;
- в диапазоне температур 0-2800 °C - от 1 до 35 °C;
- в диапазоне температур 400-10000 °C - от 5 до 600 °C для монохроматических пирометров.
   Температурный диапазон физических явлений исключительно широк и теоретически не ограничен: практически от абсолютного нуля до 10¹⁴ К и выше.
   Оледует отметить, что измерения температуры являются одними из наиболее востребованных в науке и промышленности. Причём возрастает не только количество и номенклатура используемых средств измерений, но и неуклонно увеличиваются требования к точности измерений.
   Прогнозируемые требования к точности измерения температуры к 2020 году приведены в табл. 1.3.
   Можно предположить, что эти требования не всегда обоснованны, однако тенденция их роста очевидна.
   Значительный прогресс в развитии средств измерений температуры в последние десятилетия достигнут преимущественно за счёт развития электроники. ^временные средства измерений сопротивления и напряжения позволили в значительной степени

10