Бесконтактные измерители температуры

 

Оптические бесконтактные методы измерения температуры по интенсивности теплового излучения тел называются методами оптической пирометрии.

Любое тело, находящееся при температуре выше абсолютного нуля, излучает электромагнитное излучение с непрерывным спектром в видимом и инфракрасном диапазонах с длинами волн от 0,1 до 100 мкм.

Интенсивность теплового электромагнитного излучения резко увеличивается с ростом температуры тел. Поэтому, с повышением температуры возможности реализации и влажность методов пирометрии возрастают. При температурах выше 1300 К методы пирометрии конструируют с контактными методами измерения температуры, а при температурах выше 3300 К становятся единственными. Так образцовые яркостные пирометры выбраны в качестве основных интерполяционных приборов, определяющих Международную практическую температурную шкалу (МПТШ–68) [76] при температурах выше точки затвердевания золота 1337,58 К.

Основным условием применимости методов пирометрии является требование, чтобы регистрируемое излучение было чисто тепловым, то есть подчинялось законам теплового излучения. Этому обычно удовлетворяет излучение твердых тел и жидкостей. Однако отличие излучательных свойств тел от идеализированного абсолютно черного тела приводит к необходимости введения псевдотемператур. Используются радиационные, яркостные и цветовые температуры.

Методы оптической пирометрии являются бесконтактными, что позволяет их использовать для измерения температур движущихся объектов, удаленных тел, микрообъектов и изолированных систем при невозможности установки контактных датчиков. Методы оптической пирометрии дают возможность усреднения по полю визирования при измерении неоднородного поля температуры, позволяют измерять как локальные температуры в заданных точках, так и линейные и поверхностные распределения температуры.

Методам оптической пирометрии присуще высокое быстродействие фотоэлектрических приемников излучения, что позволяет измерять температуры быстропротекающих процессов.

Важную роль играют методы пирометрии в решении задач неразрушающего теплового контроля и создания систем раннего обнаружения аварийных режимов [63].

Современные системы измерения тепловых излучений создают возможности применения томографических методов [64] для измерения пространственных полей температуры в случае полупрозрачных сред, особенно для случая микроволнового диапазона [65].

В последнее время для измерений температуры в недоступных местах и уменьшения влияния оптического тракта в неблагоприятных условиях получило распространение использования световодов в практике оптической пирометрии [66,67].

Рассмотрим недостатки и ограничения методов оптической пирометрии.

Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна его абсолютной температуре в четвертой степени, а длина волны, на которой достигается максимум спектральной плотности энергетической светимости, обратно пропорциональна абсолютной температуре. Это приводит к резкому падению теплового излучения при низких температурах и уменьшению температурного контраста теплового излучения, а максимум излучения смещается в область больших длин волн, т.е. в дальнюю инфракрасную область. Эти факторы резко ухудшают точность измерения температур ниже 1000 К методами оптической пирометрии.

Важным ограничением пирометрических методов является отличие теплового излучения реальных тел от излучения абсолютно черного тела. Это приводит к зависимости спектрального коэффициента излучения от температуры, длины волны, материала структуры излучающей нагретой поверхности.

Приемник пирометра регистрирует все тепловое излучение от нагретого тела в области визирования. Это приводит к сильному влиянию отраженного и фонового теплового излучения на результаты измерений температуры оптическими пирометрами.

Сильное влияние рассеивающих, поглощающих и измеряющих характеристик оптического тракта (запыленность атмосферы и аэрозоли, повышенное содержание трехатомных газов СО₂, Н₂О₃, NО_х) на результаты изменений проявляется при измерениях методами оптической пирометрии в случае измерений на значительных расстояниях до объекта [68].

К заметным недостаткам оптических пирометров следует отнести их сравнительно высокую цену, сложность прибора и его калибровку, высокие требования к квалификации обслуживающего персонала, а также невысокую надежность сложного оптикоэлектронного оборудования в эксплуатации.

 

Тепловые фотоприемники

 

В тепловых фотоприемниках энергия оптического излучения преобразуется в тепловую при ее поглощении приемной площадкой. Приемная площадка покрывается высокопоглощающим покрытием с коэффициентом черноты более 0,9. Такие покрытия не селективны и поглощают интегральный поток во всем диапазоне длин волн падающего излучения. Приемная площадка изолируется от конструкции фотоприемника, благодаря чему по измерению температуры можно судить о величине падающего потока излучения.

По способу измерения температуры приемника тепловые фотоприемники подразделяются на термоэлектрические, болометрические, пироэлектрические [32].

Термоэлектрические приемники используют фольговые термобатареи. Для повышения чувствительности таких приемников уменьшают размеры приемных площадок. Так, в радиационных термометрах для измерений температуры в диапазоне минус 60…плюс 100°С используют приемные площадки диаметром 3 мм, с поглощением излучения в области от 0,4 до 25 мкм, с чувствительностью 0,1 В/Вт и постоянной времени 0,4 с.

В болометрах используется терморезистивный способ измерения температуры. Приемной площадкой является сам чувствительный элемент с теплопоглощающим покрытием. В качестве терморезистивного материала используются металлы или полупроводники в виде автономной фольги либо пленки, нанесенной на изоляционную подложку. Порог чувствительности таких болометров находиться на уровне 10^–6 К.

В радиационных пирометрах используется модификации болометров БММ 1×1, БММ 1×2, БМК–2, БМК–4.

Для пироэлектрических приемников используются сегнетоэлектрики, обладающие высокой чувствительностью к нагреву. Схематическое устройство пироэлектрического приемника представлено на рис. 5.9. Сегнетоэлектрик 2, помещенный на подложку 4 в виде пленки, имеет поглощающее покрытие 1. При падении теплового потока и нагреве сегнетоэлектрика на его электродах возникает электрический заряд, и в цепи протекает ток. Пироэлектрические приемники обладают сверхчувствительностью: до 10^-8 К. Так, в радиационных пирометрах для измерений температуры ±50°С используются пироэлектрические приемники МГ–30, имею

щие порог чувствительности до 10^-9 Вт и чувствительность около 1000 В/Вт при выходном сопротивлении около 50 Ом.

Для практического использования пироэлектрического эффекта необходимо иметь материалы с большими значениями пироэлектрического коэффициента. Однако известные линейные пироэлектрики, спонтанная поляризация в которых существует во всей области существования кристаллической фазы вплоть до температуры плавления, имеют весьма низкие значения пироэлектрического коэффициента порядка
10^-5-10^-4 Кл/(м²/К). Поэтому вопрос о практическом применении пироэлектриков не вставал, пока не появились сегнетоэлектрические кристаллы, у которых спонтанная поляризация возникает при некоторой определенной температуре и сравнительно быстро увеличивается при ее понижении [69,70]. Таким образом, в сегнетоэлектрических кристаллах спонтанная поляризация отсутствует в одной кристаллической модификации и возникает в другой. Следует, однако, иметь в виду еще одно важное обстоятельство, отличающее сегнетоэлектрические кристаллы от линейных пироэлектриков. Оно состоит в том, что ниже температуры фазового перехода сегнетоэлектрики разбиваются на области однородной электрической поляризации – домены, которые упакованы в объеме таким образом, что кристалл теряет макроскопическую поляризацию и, следовательно, пироэлектрический эффект. Таким образом, несмотря на огромные значения пироэлектрического коэффициента в каждом домене, происходит практически полная компенсация поляризационных зарядов на поверхности кристалла. Причина появления доменов в сегнетоэлектриках связана в основном с уменьшением при этом полной энергии системы кристалл – окружающее его электрическое поле.

При разбиении кристалла на домены происходит уменьшение этой энергии, поскольку пространственная протяженность электрического поля уменьшается вследствие замыкания электрических силовых линий непосредственно вблизи поверхности кристалла. Процесс разбиения кристалла на домены заканчивается, когда уменьшение энергии электрического поля компенсируется положительным вкладом энергии доменных границ – пограничных слоев между доменами.

Для того чтобы сегнетоэлектрический кристалл приобрел пироэлектрические свойства, необходимо сделать его поляризацию однородной, а сам кристалл - монодоменным. Это оказывается возможным благодаря тому, что замечательным свойством сегнетоэлектриков является возможность переключения направления спонтанной поляризации внешним электрическим полем. Проблема, таким образом, состоит в том, чтобы создать и поддерживать монодоменное состояние, обеспечивающее максимальную величину пироэлектрического коэффициента. Это достигается введением в сегнетоэлектрическую матрицу полярных дефектов, создающих внутреннее смещающее поле, постоянно подполяризовывающее кристалл. Монодоменное состояние может быть получено при охлаждении кристалла в электрическом поле через точку Кюри до комнатной температуры. В таком случае монодоменное состояние может сохраняться сколь угодно долгое время. Кроме того, современная технология выращивания сегнетоэлектрических кристаллов располагает методиками, позволяющими фиксировать монодоменное состояние уже в процессе получения кристалла.

Важную группу пироэлектрических материалов составляют полярные пленочные полимеры типа поливинилиденфторида. После специальной обработки (механическое растяжение, охлаждение в электрическом поле) такие пленки приобретают спонтанную поляризацию и пироэлектрический эффект.

Широко используются также керамические сегнетоэлектрики на основе твердых растворов титаната свинца и цирконата свинца (PbTiO₃-PbZrO₃) с различными добавками. Керамические образцы, охлажденные в электрическом поле с прохождением точки Кюри, сохраняют остаточную электрическую поляризацию, достаточную для их эффективного использования в качестве пироэлектрических элементов.

 

Применение пироэлектриков

 

Пироэлектрические материалы находят широкое применение в качестве сенсорных устройств различного назначения, детекторов и приемников излучений, датчиков теплометрических приборов. Используется главным образом их основное свойство – любой вид радиации, попадающий на пироэлектрический образец, вызывает изменение его температуры и соответствующее изменение поляризации.

К числу преимуществ пироэлектрических приемников излучения относятся широкий (практически неограниченный) диапазон частот детектируемой радиации, высокая чувствительность, быстродействие, способность к работе в области повышенных температур. Особенно перспективно применение пироэлектрических приемников в области частот ИК-диапазона. Они практически решают проблему детектирования потоков тепловой энергии малой мощности; измерения формы и мощности коротких
(10^-5–10^-11 с) импульсов лазерного излучения; чувствительного контактного и бесконтактного измерения температуры.

В настоящее время широко обсуждается возможность применения пироэлектриков для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую: переменный поток лучистой энергии вызывает переменный ток во внешней цепи пироэлектрического элемента. Хотя КПД подобного устройства уступает имеющимся способам преобразования энергии, для некоторых специальных применений данный способ преобразования является конкурентоспособным.

Особенно интересна уже реализованная возможность использования пироэлектрического эффекта для индикации пространственного распределения излучений в системах визуализации ИК-изображений (темновидение). Созданы пироэлектрические видиконы – тепловые передающие телевизионные трубки с пироэлектрической мишенью. Изображение теплого объекта проецируется на мишень, создавая на ней соответствующий зарядовый и потенциальный рельеф, который считывается при сканировании мишени электронным пучком. Создаваемое током электронного пучка электрическое напряжение управляет далее яркостью луча, воспроизводящего изображение объекта на телевизионном экране.

Все фотоприемники на основе внутреннего фотоэффекта обладают избирательной чувствительностью. Существует ряд других физических принципов создания приемников излучения. Важное место среди них во многих случаях принадлежит тепловым приемникам, обладающим практически равномерной чувствительностью во всем диапазоне длин волн. Независимо от конкретного проявления реакции чувствительного элемента на воспринимаемое оптическое излучение общим для всех тепловых приемников является использование температурного состояния чувствительного элемента (значения температуры или скорости ее изменения). Наиболее распространенными и перспективными из числа тепловых являются пироэлектрические приемники.

Пироэлектрический ток при изменении температуры пироактивного кристалла может быть выражен следующим образом:

, (5.68)

где Р_с – спонтанная поляризация кристалла; Т – температура; γ – пироэлектрический коэффициент.

Для пироактивного кристалла, воспринимающего оптическое излучение, можно составить уравнение теплового баланса:

, (5.69)

где с – теплоемкость кристалла; G – коэффициент теплопотерь; α – коэффициент поглощения; Ф_А – амплитуда плотности синусоидального модулированного потока излучения; А_Ф – площадь приемной площадки фоточувствительного элемента (кристалла).

Решение этого уравнения для установившегося процесса имеет вид

(5.70)

где первое слагаемое характеризует переменную составляющую прироста температуры, непосредственно определяющую значение сигнала в кристалле, а второе слагаемое – постоянную составляющую нагрева кристалла.

Возникающий при этом пироэлектрический ток

(5.71)

Вольтовая чувствительность принимает максимальное значение

(5.72)

на частоте .

Как следует из (5.68) –(5.72), решающее влияние на основные параметры пироэлектрических приемников оказывает значение пироэлектрического коэффициента.

Максимальное значение пироэлектрический коэффициент принимает при температуре кристалла, близкой к температуре фазового перехода (в точке Кюри).

ГЛАВА 6. КОМПОНЕНТЫ И ДАТЧИКИ, УПРАВЛЯЕМЫЕ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ