Датчик теплового потока

Біметалічні термометри складаються з круглого корпусу, в якому розміщені циферблат і кінематичний механізм зі стрілкою, і біметалічного термочутливого елемента в захисній трубці (термобаллона). Діапазони показань біметалевих термометрів від -70 ° С до +600 ° С.

 

2.1.5. Рідкі кристали

Рідкі кристали - речовини, що володіють одночасно властивостями як рідин, так і кристалів За структурою рідкі кристали є рідини, схожі на желе, що складаються з молекул витягнутої форми, певним чином упорядкованих у всьому обсязі цієї рідини. Найбільш характерним властивістю рідких кисли є їх здатність змінювати орієнтацію молекул під впливом електричних полів, що відкриває широкі можливості для застосування їх у промисловості. За типом рідкі кристали зазвичай поділяють на дві великі групи: нематики і смектики. У свою чергу нематики поділяються на власне нематические і холестерические рідкі кристали.

У рідких кристалів незвичайні оптичні властивості. Нематики і смектики - оптично одновісні кристали. Холестерика внаслідок періодичного будови сильно відбивають світло у видимій області спектра. Оскільки в нематика і холестерика носіями властивостей є рідка фаза, то вона легко деформується під впливом зовнішнього впливу, а так як крок спіралі в холестерика дуже чутливий до температури, то, отже, і відображення світла різко змінюється з температурою, приводячи до зміни кольору речовини.

Одне з важливих напрямків використання рідких кристалів - термографія. Підбираючи склад рідкокристалічного речовини, створюють індикатори для різних діапазонів температури і для різних конструкцій. Наприклад, рідкі кристали у вигляді плівки наносять на транзистори, інтегральні схеми та друковані плати електронних схем. Несправні елементи - сильно нагріті або холодні, непрацюючі - відразу помітні по яскравим колірним плям. Нові можливості отримали лікарі: рідкокристалічний індикатор на шкірі хворого швидко діагностує приховане запалення і навіть пухлина.

 

2.1.6. Кремнієві  діодні датчики 

У діодних термометрах для вимірювання температури використовуються властивості p-n-переходу. Найбільш широко для перетворення температури у електричний сигнал використовується температурна залежність падіння напруги на p-n-переході, увімкненому у прямому (пропускному) напрямку. Зазвичай діодні термометри застосовують для вимірювання температури в інтервалі від 1 °К до 500 °К.

Варто відзначити, що напівпровідникові резистивні та діодні термометри взаємодоповнюють одні одних на ринку термометрії. Порівняно з термометрами опору, діодні термометри мають як переваги, так і недоліки. Технологія виготовлення діодів і транзисторів дозволяє створювати діодні термометри з однорідними термометричними характеристиками та використовувати для партії приладів спільну калібрувальну залежність із задовільним для більшості споживачів допуском. Таким чином, це усуває необхідність повного індивідуального калібрування кожного діодного термометра, а вимагає тільки їх перевірки у декількох температурних точках на відповідність до стандартного калібрування і у такий спосіб робить діодні термометри дешевшими та взаємозамінними.

Однак, відмітною рисою діодів є підвищений шум при малих струмах, у зв’язку з чим робочий струм діодів, як правило, не менший за 10 мкА. Це обмежує використання діодів для точного вимірювання температури при низьких температурах, оскільки відносно великий струм (10 мкА) при низьких температурах призводить до значного тепловиділення діода, а зменшення струму неухильно спричинює збільшення шумів та нестабільність p-n-переходу, що теж привносить значні похибки вимірювання температури. Це є значним недоліком для діодів, що обмежує їх використання для точного вимірювання низьких температур та потребує вирішення завдання з оптимізації вибору струму (для мінімізації шумів і тепловиділення) з метою мінімізації похибки вимірювання температури.

Крім того магнітні поля сильно впливають на характеристики кремнієвих діодів, роблячи їх практично непридатними для вимірювання температури за наявності магнітного поля. Діодні сенсори температури також поступаються термометрам опору у радіаційній стійкості. Тому діодні сенсори температури здебільшого використовуються для вимірювання не надто низьких температур, коли не вимагається висока точність вимірювань і відсутні магнітні поля, зате важлива взаємозамінність сенсорів та їх низька вартість.

 

2.1.7. Безконтактне вимірювання температури

 

Пірометрія

Про температуру нагрітого тіла можна судити на підставі вимірювання параметрів його теплового випромінювання, що представляє собою електромагнітні хвилі різної довжини. Чим вище температура тіла, тим більше енергії воно випромінює.

Термометри, дія яких заснована на вимірі теплового випромінювання, називають пірометрами. Вони дозволяють контролювати температуру від 100 до 6000 ºС і вище. Головною перевагою даних пристроїв є відсутність впливу вимірювача на температурне поле нагрітого тіла, так як в процесі вимірювання вони не вступають у безпосередній контакт один з одним. На підставі законів випромінювання розроблені пірометри наступних типів:

1. Пірометр сумарного  випромінювання - вимірюється повна  енергія випромінювання;

2. Пірометр часткового  випромінювання  - вимірюється енергія  в обмеженій фільтром (або приймачем) ділянки спектра;

3. Пірометри спектрального відношення - вимірюється відношення енергії фіксованих ділянок спектра.

 

Радіометрія

Потреба вимірювання температури об'єктів, що знаходяться в області видимості виникає найчастіше. При вимірі радіометричної температури, насправді вимірюється тільки кількість випромінювання, що створює термографічне зображення, ці зображення калибруются для того, щоб співвіднести їх з певними рівнями інтенсивності випромінювання. Якби мало місце ідеальне випромінювання поверхонь, то їх температуру можна було б легко визначити на основі кількості випромінювання. Чим гаряче поверхню, тим більше тепла вона випромінює. Але ж ніяка поверхню не є ідеальним випромінювачем!

Випромінювання непрозорих поверхонь складається з їхньої власного випромінювання, і випромінювання, відбитого ними. Оскільки відбите випромінювання не пов'язане з температурою поверхні, то необхідно налаштувати тепловізор таким чином, щоб він ігнорував частину того, що він сприймає. Це робиться коригуванням коефіцієнта випромінювання (E). Тоді коефіцієнт відбиття (R) встановлюється рівним 1 - E. Необхідно також задати коефіцієнт коригування відображеної температури. Маючи у своєму розпорядженні таку інформацію, процесор тепловізора може визначити точну радіометричну температуру.

Однак така корекція не настільки точна особливо в тих випадках, якщо коефіцієнт випромінювання поверхні менше 0,6 або коли відображена температура дуже відрізняється від температури поверхні. Це вірно для всіх термографических систем, особливо, якщо вони використовуються в реальному світі, а не в лабораторних умовах, де контролюються всі змінні. Зрозуміло, що таке обмеження означає неможливість точного вимірювання температури майже всіх металевих поверхонь.

 

 

2.2. Методи вимірювання  теплового потоку

 

2.2.1. Компенсаційний метод вимірювань

Метод вимірювань, заснований на компенсації (зрівняння) вимірюваної напруги або е.р.с. напругою, створюваним на відомому опорі струмом від допоміжного джерела. Компенсаційний метод вимірювань застосовують не тільки для вимірювань електричних величин (едс, напруг, струмів, опору); він широко застосовується і для вимірювання інших фізичних величин (механічних, світлових, температури і т.д.), які зазвичай заздалегідь перетворять в електричні величини.

Компенсаційний метод вимірювань є одним з варіантів методу порівняння з мірою, у якому результуючий ефект впливу величин на прилад порівняння доводять до нуля (домагаються нульового показання вимірювального приладу). Компенсаційний метод вимірювань відрізняється високою точністю. Вона залежить від чутливості нульового приладу, яка контролює здійснення компенсації, і від точності визначення величини, що компенсує вимірювану величину.

 

Рис 2.3. Схема компенсатора ерс з нормальним елементом: Uвсп - джерело допоміжного напруги; R - калібрований опір; rpe - регулювальний опір; EN - нормальний елемент; Ip - робочий струм; Г - гальванометр; П - перемикач; Ux - вимірювана напруга.

Компенсаційний метод вимірювань електричної напруги в ланцюзі постійного струму полягає в наступному. Вимірюється напруга Ux (рис.) Компенсується падінням напруги, створюваним на відомому опорі r струмом від допоміжного джерела Uвсп робочим струмом lp. Гальванометр Г нульовий прилад включається в ланцюг порівнюваних напруг переміщенням перемикача. Коли напруги скомпенсовані, струм в гальванометрі, а отже, і в ланцюзі вимірюваного напруги Ux відсутня. Це є великою перевагою Компенсаційний метод вимірювань перед іншими методами, так як він дозволяє вимірювати повну е.р.с. джерела Ux і, крім того, на результати вимірювань цим методом не впливає опір сполучних проводів і гальванометра. Робочий струм встановлюють по нормальному елементу EN з відомої е.р.с., компенсуючи її падінням напруги на опорі R. Значення напруги Ux знаходять за формулою Ux = EN ∙ r / R, де r - опір, падіння напруги на якому компенсує Ux.

При вимірі компенсаційним методом сили струму Ix цей струм пропускають по відомому опору R0 і вимірюють падіння напруги на ньому lxR0. Опір R0 включають замість показаного на рис. джерела напруги Ux. Для вимірювання потужності необхідно по черзі виміряти напругу і силу струму. Для вимірювання опору його включають в допоміжну ланцюг послідовно з відомим опором і порівнюють падіння напруги на них. Електровимірювальні прилади, засновані на Компенсаційний метод вимірювань, Називаються Потенціометрами або електровимірювальними компенсаторами. Компенсаційний метод вимірювань застосуємо також для вимірювань величин змінного струму, хоча і з меншою точністю. Компенсаційний метод вимірювань широко застосовується в техніці в цілях автоматичного контролю, регулювання, управління.

 

2.2.2. Калориметр

Вимір теплоти супроводжуючих фізичні, хімічні або біологічні процеси. Калориметрія використовується для визначення питомої теплоємності, кількості тепла, необхідного для підвищення температури одиниці маси або об'єму речовини на один градус, теплоти плавлення або випаровування кількості тепла, необхідного для плавлення або випаровування одиниці маси або об'єму речовини і теплоти реакцій кількості тепла, виділяється або поглинається в хімічних реакціях.

Застосування. Калориметрія має безліч практичних і теоретичних додатків. Вимірювання теплоти згоряння кількості тепла, що виділяється при згорянні одиниці маси або об'єму речовини дуже важливі при виборі палива. При проектуванні реактивних і ракетних двигунів теплота згоряння палива є найбільш важливим параметром для визначення одержуваної тяги. Багато технологічних процеси відбуваються при дуже високих або дуже низьких температурах. Кількість тепла, яке треба затратити на підігрів або охолодження використовуються в цих процесах матеріалів, визначає економічну доцільність їх застосування; вибір матеріалів при конструюванні обладнання проводиться з урахуванням їх теплоємності. У теоретичних додатках калориметричні вимірювання теплоти реакцій і теплоємності речовин можуть бути використані для визначення хімічної стабільності або реакційної здатності матеріалів і навіть для визначення їх молекулярної будови.

Типи калориметрів. Існує багато різних типів калориметр. При вимірі теплоємності проточним калориметром до трубки, по якій тече досліджувана середу, підводиться відомий потік тепла, і вимірюється температура середовища на вході і виході; якщо треба виміряти теплоту реакції, кількість виділеного або поглиненого тепла також визначають з підвищення або зниження температури реагує потоку. У рідинному калориметрі досліджувані речовини можуть реагувати в розчиненому стані всередині ізольованого судини; в цьому випадку виділяється або поглинається тепло визначається з вимірювання температури судини і його вмісту, теплоємність матеріалів конструкції визначають тим же самим калориметром, використовуючи як джерело тепла електричний нагрівач. При визначенні теплоти реакції в бомбовий калориметр рідке або тверде речовина спалюється або вибухає в атмосфері кисню всередині теплоізольованого посудини з досить товстими стінками, здатного витримати підвищення тиску, яким супроводжується процес вибуху досліджуваної речовини. Калориметри можуть бути, з одного боку, досить мініатюрними, щоб виміряти теплофізичні властивості декількох міліграмів речовини, і, з іншого, досить великими, щоб виміряти метаболічну тепло, що виділяється, наприклад, коровою. Калориметри застосовуються для вимірювання теплофізичних властивостей матеріалів в широкому діапазоні температур - від температур, лише на частки градуса відрізняються від абсолютного нуля (-273,16 °С), до температур, що перевищують 1000В °С.

Рис. 2.4. адіабатичними калориметр. 1 - трубка для заповнення калориметра; 2 - трубка для відкачування калориметра; 3 - кріостат; 4 - нитки підвіски;

5 - вакуумний контейнер; 6 - адіабатичний екран; 7 - калориметричний  посудину; 8 - термометр з нагрівачем.

 

Високоточний низькотемпературний адіабатичний калориметр використовується для вимірювань теплоємності при низьких температурах. Поперечний перетин такого калориметра схематично показано на рисунку 2.4.. У центрі його розташований калориметричний посудину; потім - адіабатичний екран і вакуумний контейнер. Вакуумний контейнер кріпиться до центральної трубці; адіабатичний екран підвішується всередині контейнера на міцних нитках або риболовної волосіні. Простір усередині контейнера вакуумують для кращої теплової ізоляції. Цей тип калориметра називається адіабатичним або теплоізольованим, тому що спеціальні нагрівачі, розташовані на екрані, підтримують його температуру рівній температурі калориметра з точністю 0,01 В °С. Оскільки передача тепла завжди відбувається тільки при наявності різниці температур, таким способом в адіабатичних калориметрах практично виключаються витоку тепла.

Калориметрична посудина являє собою циліндричну ємність; для запобігання корозії він зазвичай виготовляється з золота або платини. У своїй донної частини судина має заглиблення, в яке щільно вставляється термометр опору (в металевому корпусі) з навколишнім його електричним нагрівачем. У верхній частині судини розташовується тонка трубка, через яку калориметр заповнюють досліджуваним речовиною. Крім того, калориметр зазвичай забезпечений великим числом металевих смужок ("крилець") для кращого внутрішнього теплообміну. Адіабатичний екран являє собою тонкостінний металевий циліндр з конічними днищами. Крім електричних нагрівачів, на ньому розміщуються термопари, що дозволяють порівнювати температуру його поверхні з температурою калориметричної судини. Адіабатичний екран зсередини і калориметричний посудину зовні мають добре відображає покриття, наприклад алюмінієву фольгу, для зменшення теплообміну випромінюванням між ними. Центральна трубка вакуумного контейнера пов'язана з насосом для підтримки високого вакууму і виведення проводів нагрівачів і термометрів. Посудина містить криогенні речовини, які використовуються для охолодження всього пристрою та захисту його від зовнішніх теплових впливів під час вимірювань. Зовнішні контрольно-вимірювальні прилади використовуються для вимірювання та регулювання температури різних частин захисного кожуха. Опір термометра, напруга і струм нагрівача вимірюються за допомогою електричних приладів дуже високої чутливості. Опір термометра вимірюється з точністю до 10-6, а інші величини - з точністю до 10-5. Такий калориметр дозволяє вимірювати теплоємність з точністю до 10-4 (0,01%). Зовнішні вимірювання можуть бути автоматизовані, однак при цьому часто відбувається втрата точності. Для вимірювання теплоємності досліджувана речовина поміщають в калориметричний посудину, вимірюють його температуру, потім за допомогою електричного нагрівача до нього підводять відоме кількість тепла і ретельно вимірюють підвищення температури. Щоб за цими даними визначити теплоємність досліджуваного матеріалу, потрібно знати теплоємність самого калориметра. Вона може бути визначена шляхом вимірювання підвищення температури калориметра при підводі відомого кількості тепла без випробуваного зразка.