Специальные температурные измерения

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

А. А. Старостин 

Е. М. Шлеймович 

В. Г. Лисиенко 

Специальные температурные  

измерения 

Учебное пособие 

Рекомендовано методическим советом УрФУ для студентов,  

обучающихся по программам бакалавриата  

и магистратуры по направлениям подготовки  

27.03.04 и 27.04.04 — Управление в технических системах 

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2016 

УДК 681.51(079) 
ББК 32.965я73 

     С77 

Рецензенты: кафедра физики Уральского государственного горного 

университета (завкафедрой д‑р физ.‑мат. наук, проф. И. Г. Коршунов);

д‑р физ.‑мат. наук, вед. науч. сотр. П. В. Скрипов (Институт тепло‑

физики УрО РАН) 

Научный редактор —  д‑р физ.‑мат. наук, проф. Б. П. Жилкин

С77

Старостин, А. А.
Специальные температурные измерения / А. А. Старостин, 
Е. М. Шлеймович, В. Г. Лисиенко. — Екатеринбург : Изд‑во 
Урал. ун‑та, 2016. — 168 с.
ISBN 978‑5‑7996‑1825‑4

В пособии рассмотрены характерные особенности представленных специ‑

альных методов измерения температуры и показаны возможности их исполь‑
зования в научных, научно‑технических и промышленных исследованиях. 
Разобраны измерения температур в различных средах и материалах в слож‑
ных нетипичных условиях: при малых размерах, сложной структуре и труд‑
нодоступности объектов измерений, высоких скоростях изменения темпера‑
туры, экстремальных значениях параметров объектов и окружающей среды 
(температур, давлений, скоростей, турбулентных пульсаций и др.), наличии 
различных излучений и полей.

Библиогр.: 137 назв. Табл. 6. Рис. 47. 

УДК 681.51(079) 
ББК 32.965я73 

ISBN 978‑5‑7996‑1825‑4
© Уральский федеральный  
     университет, 2016

ВВЕДЕНИЕ

В 

предыдущих учебных пособиях и справочных изданиях [1, 3, 8, 
135–137] были определены такие важные понятия, как локальное 

термодинамическое равновесие, температура и температурные шка‑
лы, а также рассмотрены возможные методы и принципы измерения 
температур. Подробно был рассмотрен наиболее распространенный 
на сегодняшний день контактный метод измерения температур в тех‑
нических системах с использованием термоэлектрических преобразо‑
вателей и основные положения пирометрии излучения.

В настоящее время назрела необходимость систематизировать 

и представить в виде учебного пособия разрозненный и практиче‑
ски не освещенный в учебной литературе весьма обширный матери‑
ал по проведению специальных температурных измерений для самых 
разных сред и материалов в сложных нетипичных условиях. К по‑
следним, например, можно отнести малые размеры, сложную струк‑
туру и труднодоступность объектов измерений, высокие скорости из‑
менения температуры, экстремальные значения параметров объектов 
и окружающей среды (температур, давлений, скоростей, турбулентных 
пульсаций и др.), наличие различных излучений и полей. При этом ча‑
сто при проведении специальных температурных измерений (напри‑
мер, в научных экспериментах) предъявляются повышенные требова‑
ния к точности измерений.

Принципиальная и трудноустранимая проблема специальных тем‑

пературных измерений состоит в том, что условия, при которых они 
проводятся, почти всегда далеки от термодинамического равнове‑
сия. Понятие локального термодинамического равновесия, приме‑

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

нимое к большинству реальных процессов тепломассообмена [1], 
также не всегда может быть обосновано для случаев специальной тер‑
мометрии (например, для быстрых процессов продолжительностью 
фемто‑ и пикосекунды). Таким образом, при проведении некоторых 
специальных температурных измерений возникает необходимость 
в дополнительном уточнении самого понятия температуры.

В данном пособии рассмотрены характерные особенности пред‑

ставленных специальных методов измерения температуры и показа‑
ны возможности их использования в научных, научно‑технических 
и промышленных исследованиях. Разобраны современные методы 
специальных экспериментальных исследований и измерения темпера‑
тур в различных средах, в том числе для наноструктурных материалов. 
Представлены материалы об измерениях температур в СВЧ‑диапазоне 
длин волн электромагнитного излучения, в частности, в измерениях, 
производимых с помощью радиометров (радиопирометров) различных 
диапазонов, устанавливаемых на борту самолёта или искусственного 
спутника Земли, а также определение температуры внутри тела чело‑
века по интенсивности теплового радиоизлучения.

Для более углубленного изучения тех или иных специальных ме‑

тодов следует воспользоваться приведенными библиографическими 
источниками.

1. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ 
РАЗВИТИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ  
ТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Т

радиционные температурные измерения, как правило, ха‑
рактеризуются хорошо известными объектами и процессами 

и отработанными методиками измерений для вполне определен‑
ных условий проведения исследований. В отличие от этого, специ‑
альные температурные измерения можно охарактеризовать мно‑
гочисленными сочетаниями самых разнообразных особенностей, 
часть которых указана во введении. При этом часто при проведе‑
нии специальных температурных измерений (например, в научных 
экспериментах) предъявляются повышенные требования к точности  
измерений.

В своем обзоре [2] А. Н. Магунов привел несколько типичных ис‑

следовательских задач, связанных с термометрией в области специ‑
альных измерений:

• термометрия для условий, в которых ранее измерения не про‑

водились;

• термометрия объектов, которые ранее не исследовались;
• изучение температурных зависимостей механических, оптиче‑

ских, электрических и других свойств новых материалов;

• определение температурной зависимости скорости физико‑хи‑

мического процесса;

• нахождение оптимальных температурных режимов в новых тех‑

нологических процессах.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Одна из существенных проблем заключается в том, что, несмотря 

на большое количество физических явлений, применяемых для тер‑
мометрии, существует разрыв между возможностями создания мето‑
дов для решения конкретных задач и реальным уровнем термометрии 
в исследованиях и технологическом контроле. Этот разрыв прояв‑
ляется в случае, если в научном исследовании применяются одно‑
временно измерительные методы разного качества, причем методы 
термометрии, как правило, значительно уступают другим в точно‑
сти, надежности и трудоемкости измерений. Так, контактные мето‑
ды термометрии поверхности несовместимы по производительно‑
сти, трудоемкости и точности измерений с современными методами 
диагностики, применяемыми для исследований в микротехнологии. 
Сдерживает проведение температурных измерений и то обстоятель‑
ство, что количество новых объектов, температуру которых необхо‑
димо измерять, растет существенно быстрее, чем количество раз‑
работанных и доведенных до практического применения методов 
и устройств термометрии. Растет количество технологических опе‑
раций, в которых необходимо не только наблюдение за температу‑
рой, но и автоматизированное управление температурным режимом. 
Традиционные методы термометрии часто являются неэффективны‑
ми при решении новых задач, поскольку оказываются за пределами 
своей области применимости.

Следует также иметь в виду, что и в своей обычной области при‑

менимости традиционные методы термометрии (как контактные, так 
и бесконтактные) обладают хорошо известными ограничениями [3]. 
Так, при измерении температуры поверхности наиболее распростра‑
ненными контактными термометрами — термоэлектрическими пре‑
образователями — для достижения теплового равновесия необходимо 
обеспечить надежный тепловой контакт между датчиком и объектом 
и хорошую термоизоляцию датчика от окружающей среды (тепловое 
сопротивление между датчиком и объектом должно быть намного 
меньше, чем тепловое сопротивление между датчиком и окружающей 
средой). В действительности при проведении технических измерений 
это условие соблюдается редко.

Как правило, контакт сферического спая термопары с поверхно‑

стью сосредоточен на такой малой площади, что тепловое сопротив‑
ление контакта может быть сравнимо с сопротивлением утечки тепла 
от спая. При этом измерения проводятся фактически не в режиме те‑

1. Проблемы и перспективы развития специальных температурных измерений 

плового равновесия, а в режиме теплового потока, и измеряемая тем‑
пература относится только к датчику, а не к объекту исследования. 
Причины, приводящие к погрешностям, достаточно изучены [4, 5], 
известны также и методы их устранения (например, напыление пле‑
ночной термопары на поверхность [6] или приклеивание спая термо‑
пары к поверхности [7]). Эти усовершенствования очень трудоемки 
и резко снижают производительность измерений, поэтому применя‑
ются они редко.

При бесконтактном измерении температуры поверхности пиро‑

метрами, помимо очевидного требования о наличии радиационно‑
го теплового потока от объекта к датчику, необходимо также изоли‑
ровать датчик от любых других воздействий, искажающих результат 
измерения. Препятствием для радиационной термометрии (пиро‑
метрии) часто являются интенсивное фоновое излучение (напри‑
мер, от нагретых частей установки), прозрачность объекта в реги‑
стрируемой области спектра, шероховатость поверхности, наличие 
на ней разного рода пленок, зависимость коэффициента излучения 
от длины волны и химических реакций поверхности с окружающей 
средой [8, 89, 90].

Необходимость теплового равновесия (для контактной термо‑

метрии) или селекции теплового потока (для бесконтактной) в си‑
стеме объект‑датчик в ряде случаев затрудняет проведение темпе‑
ратурных измерений или делает их невозможными. Достоверность 
измерения температуры твердых тел с помощью традиционных ме‑
тодов критическим образом зависит от условий теплообмена в си‑
стеме объект‑датчик, а также от уровня посторонних воздействий 
на чувствительный элемент и канал связи, по которому передает‑
ся сигнал.

Для устранения этих зависимостей и повышения надежности тер‑

мометрии при наличии электромагнитных помех интересны методы, 
в которых сам исследуемый объект играет роль термочувствительного 
элемента, а его показания непосредственно считываются зондирую‑
щим световым пучком. В этом случае полностью устраняется проблема 
ненадежности теплового контакта между чувствительным элементом 
и объектом, поскольку наличие контакта оптического пучка с поверх‑
ностью определяется визуально, и его надежность не уменьшается 
со временем из‑за вибраций, деформаций, температурных воздей‑
ствий или химической активности среды. Световой пучок не подвер‑

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

жен влиянию электрических наводок и имеет ряд характерных при‑
знаков (длина волны, поляризация, направление распространения, 
модуляция интенсивности и т. д.), позволяющих достоверно разли‑
чать его на фоне оптических помех.

В исследовательских лабораториях постоянно создают новые ме‑

тоды термометрии. Создан обширный класс оптических датчиков 
температуры [9; 10; 91; 134]. Ряд новых методов объединяет общий 
признак: во всех них применяется зондирующий световой пучок, 
а термочувствительным элементом является сам исследуемый объ‑
ект (активная термометрия). При этом транспортировка света мо‑
жет осуществляться как в свободном пространстве, так и с помощью 
оптического волокна. Появление активной бесконтактной термо‑
метрии твердого тела является естественным этапом после длитель‑
ного развития пассивной бесконтактной термометрии по теплово‑
му излучению объекта (пирометрии). Тем не менее, в последнее 
время получили развитие новые направления методов пассивной 
пирометрии, подтвердившие возможность определения термоди‑
намической температуры по спектру собственного теплового из‑
лучения при отсутствии априорной информации о радиационных 
свойствах излучающей поверхности. Это, например, спектральная 
пирометрия [90–93] и спектрально‑статистический метод, разра‑
ботанный в НИУ МЭИ [94–95].

Создание новых методов во многом было связано с безуспешными 

попытками использования традиционных методов термометрии в об‑
ласти плазменной микротехнологии. Когда стало ясно, что преодолеть 
принципиальные ограничения традиционных методов не удается, по‑
явилось большое число работ по созданию и применению методов ак‑
тивной термометрии твердых тел в плазме [11]. Позднее стимулом раз‑
работки новых методов стала необходимость термометрии в быстрых 
термических процессах микротехнологии, где нагрев полупроводни‑
ковых подложек проводится излучением мощных газоразрядных ламп 
(в этих условиях пирометрия неприменима из‑за излучения, превы‑
шающего тепловое излучение кристалла).

Очевидно, что не существует универсального метода, пригодного 

для термометрии множества разнообразных объектов в широком диа‑
пазоне экспериментальных условий, встречающихся в практике. В са‑
мом общем виде достоинства и недостатки различных методов термо‑
метрии твердых тел приведены в табл. 1.1.

1. Проблемы и перспективы развития специальных температурных измерений 

Таблица 1.1 

Преимущества и недостатки наиболее распространенных методов  

термометрии твердых тел [2] 

Метод
Преимущества
Недостатки

Контактная 
термометрия

1. Простота получения 
сигнала. 
2. Возможность проведе‑
ния измерений на любой 
поверхности

1. Влияние электрических по‑
мех. 
2. Трудоемкость установления 
надежного теплового контакта 
с поверхностью объекта. 
3. Влияние датчика на темпера‑
туру объекта в области контакта. 
4. Невозможность регистрации 
тепловых полей. 
5. Трудности применения для 
термометрии движущихся объ‑
ектов. 
6. Инерционность измерения. 
7. Ограниченный ресурс работы 
в агрессивных средах

Радиационная 
термометрия

1. Универсальность ме‑
тода. 
2. Бесконтактное изме‑
рение. 
3. Широкий диапазон 
измеряемых температур. 
4. Возможность реги‑
страции тепловых полей. 
5.  Быстродействие

1. Отсутствие данных по коэф‑
фициентам излучения для мно‑
гих материалов. 
2. Влияние постороннего излу‑
чения. 
3. Чувствительность к свойствам 
поверхности. 
4. Трудности при термометрии 
объектов с малым коэффициен‑
том излучения

Лазерная  

термометрия

1. Высокая помехозащи‑
щенность. 
2. Бесконтактное изме‑
рение. 
3. Широкий диапазон 
измеряемых температур. 
4. Высокая чувствитель‑
ность. 
5. Возможность реги‑
страции тепловых полей. 
6. Быстродействие

1. Узкая специализация мето‑
дов. 
2. Чувствительность к свойствам 
поверхности. 
3. Необходимость калибровки 
для каждого материала. 
4. Сложность оптической схемы 
некоторых методов

 

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Данные, приведенные в табл. 1.1, позволяют сделать вывод о том, 

что каждый из методов имеет определенные преимущества перед дру‑
гими, а также свою сферу применения, в которой эти преимущества 
имеют значение. Недостатки каждого из методов исключают возмож‑
ность того, что остальные будут вытеснены из употребления каким‑
либо одним из них. Расширение диапазона измеряемых температур, 
повышение точности, быстродействия и удобства применяемых спо‑
собов и средств термометрии являются основным мотивом создания 
новых методов и приборов для специальных исследований.

1.1. Специализированные методы измерения 
температуры для научных исследований

В научных исследованиях количество измеряемых параметров и пе‑

ременных больше, чем в промышленности (число используемых диа‑
гностических методов в научно‑исследовательской работе, завершив‑
шейся публикацией результатов, в среднем достигает четырех‑шести), 
а упоминание о температуре встречается приблизительно в половине 
опубликованных статей, относящихся к естественно‑научным и тех‑
ническим областям [2, 20]. В некоторых областях необходимость изме‑
рения температуры возникает почти в каждом научном исследовании 
(например, в области физики плазмы и газового разряда, химической 
физики, физики твердого тела и многих других разделах физики и хи‑
мии).

Длительности нестационарных процессов, в которых необходимо 

исследование температурной динамики, лежат в очень широком ин‑
тервале, который можно грубо ограничить рамками от 10–12 до 10–9 с. 
В наиболее быстрых исследуемых процессах, длящихся в течение фем‑
то‑ и пикосекунд, само понятие температуры требует существенных 
уточнений и оговорок, поскольку вещество в таких процессах не нахо‑
дится в состоянии термодинамического равновесия. Пространствен‑
ное разрешение некоторых методов термометрии составляет <1 мкм 
(например, для диагностики биологических клеток созданы термо‑
пары, диаметр спая которых ~1 мкм), однако для решения ряда задач 
требуется намного более высокое разрешение. С помощью многочис‑
ленных методов измеряют температуры в диапазоне от 10–4 до ~ 10 8 К. 
В области температур более 1000 К наиболее распространенным ме‑