Эффективное измерение температуры

Магазин Gtest® предлагает широкую номенклатуру пирометров. Ссылка на соответствующую страничку сайта Магазина приводится в самом конце настоящего Раздела. Кроме того, приводится перечень рекомендуемых приборов + статьи для дальнейшего самообразования в этой области

Оптические или радиационные пирометры, которые существуют в различных типах, представляют собой бесконтактные приборы для измерения температуры, используемые для таких целей, как измерение температуры пламени, а также для специальных исследовательских целей, таких как измерение температуры поверхности поршневых колец путем визирования через отверстие в стенке цилиндра.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СБОР ДАННЫХ

ОПТИЧЕСКИЕ ПИРОМЕТРЫ

Оптические пирометры позволяют легко измерять температуру объектов, которую обычно трудно измерить контактными приборами. Примеры: вращающиеся компоненты, опасные материалы или среды с высоким электрическим полем/высоким напряжением. Основные источники ошибок в инфракрасной пирометрии находятся в поле зрения и коррекции излучательной способности.

Оптические пирометры разработаны с полем зрения, в основном определяемым датчиком прибора и оптикой. Поле зрения определяется отношением расстояния до объекта к отношению диаметра пятна, которое связано с расхождением луча в области просмотра. Важно, чтобы при наличии температурных градиентов использовались надлежащие расстояния, чтобы заполнить пятно просмотра интересующей областью. Оптические пирометры разработаны для короткого или длинного просмотра. При длинном просмотре относительно небольшая область может быть исследована на больших расстояниях (до 20 м). Например, прибор с отношением 120:1 будет иметь размер пятна 5 см на расстоянии 6 м. Инфракрасная пирометрия выполняется путем измерения теплового излучения, испускаемого объектом. Коэффициент излучения (e) тела может находиться в диапазоне от 0 до 1,0, причем 1,0 соответствует идеальному излучателю или черному телу. Как правило, чем выше коэффициент излучения, тем проще и точнее инфракрасное измерение. Если отражательная способность высокая, то соответственно излучательная способность должна быть низкой. 

Излучательная способность определяется как отношение излучательной способности объекта к излучательной способности абсолютно черного тела.

Измерение температуры

Оптический пирометр

Оптический пирометр , показанный на рис. 14.14 , устарел с точки зрения доступности новых приборов, но некоторые старые приборы все еще используются в промышленных приложениях, таких как измерение температуры печей. Он предназначен для измерения температур, при которых пиковое излучение излучения находится в красной части видимого спектра (т. е. когда измеряемое тело светится определенным оттенком красного в зависимости от температуры). Это ограничивает прибор измерением температур выше 600 °C. Прибор содержит нагретую вольфрамовую нить в своей оптической системе. Ток в нити увеличивается до тех пор, пока ее цвет не станет таким же, как у горячего тела: в этих условиях нить, по-видимому, исчезает при просмотре на фоне горячего тела. Таким образом, измерение температуры получается с точки зрения тока, протекающего в нити. 

Поскольку яркость различных материалов при любой конкретной температуре изменяется в зависимости от излучательной способности материала, калибровка оптического пирометра должна быть скорректирована в соответствии с излучательной способностью цели. Производители предоставляют таблицы стандартных излучательных способностей материалов, чтобы помочь в этом.

Рисунок 9. Принципиальная схема оптического пирометра.

Собственная погрешность измерения оптического пирометра составляет ±5°C. Однако, в дополнение к этой ошибке, может быть еще одна ошибка оператора в ±10°C, возникающая из-за трудности оценки момента, когда нить просто исчезает. Точность измерения может быть улучшена путем использования оптического фильтра внутри прибора, который пропускает узкую полосу частот с длиной волны около 0,65  мкм, соответствующей красной части видимого спектра. Это также расширяет верхнюю измеряемую температуру с 5000°C в нефильтрованных приборах до 10 000°C.

Прибор не может использоваться в схемах автоматического контроля температуры, поскольку глаз человека-оператора является неотъемлемой частью измерительной системы. На показания также влияют пары в поле зрения. Из-за этих трудностей и низкой точности ручные радиационные пирометры заменили оптические пирометры в большинстве приложений.

Когда температура объекта достаточно повышается, возникают два визуальных эффекта. Они заключаются в том, что объект кажется ярче и что происходит изменение цвета излучаемого света. Эти эффекты используются в оптическом пирометре , где проводится сравнение или сопоставление яркости раскаленного горячего источника и света от нити накаливания с известной температурой.

Наиболее часто используемый оптический пирометр — это пирометр с исчезающей нитью накала, типичное расположение которого показано на приводимом ниже рисунке. Лампа накаливания — этовстроенный в телескопическую установку, которая принимает излучение от горячего источника, изображение которого видно через окуляр.

Красный фильтр встроен в качестве защиты для глаз. Ток, протекающий через лампу, контролируется переменным резистором. По мере увеличения тока температура нити накаливания увеличивается, а ее цвет меняется. При просмотре через окуляр нить накаливания лампы кажется наложенной на изображение лучистой энергии от горячего источника. Ток изменяется до тех пор, пока нить накаливания не станет светиться так же ярко, как и фон. Затем она сольется с фоном и, по-видимому, исчезнет. Ток, необходимый для достижения этого, является мерой температуры горячего источника, и амперметр можно откалибровать для непосредственного считывания температуры. Оптические пирометры могут использоваться для измерения температур до и даже свыше 3000 °C.

Преобразователи температуры

Оптические пирометры работают в видимом спектре для измерения температур, как правило, в диапазоне от 700 °C до 4000 °C, сравнивая фотометрическую яркость нагретого объекта с яркостью стандартного источника, такого как раскаленная вольфрамовая нить. Монохроматический фильтр для красного излучения длины волны (630  нм) используется для поддержки операции; сравнение яркостей зависит от чувствительности человеческого глаза (в ручных версиях), чтобы различать разницу яркости между двумя поверхностями одного цвета. Сравнение яркости выполняется путем регулировки тока через нить стандартного источника яркости до тех пор, пока его яркость не станет равной яркости измеряемого объекта. Можно получить измерения с точностью лучше 1%. Существуют также коммерческие автоматизированные версии оптических пирометров.

Поскольку этот тип пирометра работает в видимом спектре, необходимо, чтобы объект излучал на длине волны от 400 до 720  нм, что соответствует температурам выше 700°C, что делает невозможным измерение нижних температур рабочего диапазона большинства применений термометров в биомедицинской инженерии. Этого не происходит с инфракрасными пирометрами излучения.

Термометрия

Оптическая пирометрия

Некоторые из проблем, связанных с оптической пирометрией, были рассмотрены в предыдущем разделе, причем излучательная способность источника была основной проблемой. Коммерческие пирометры используются уже много лет и являются частью Международной температурной шкалы с 1927 года. Ранние оптические пирометры сопоставляли яркость источника излучения с яркостью нити накала, поскольку ток нити накала изменялся. Затем температура источника калибровалась непосредственно по току через нить накала. Фильтры нейтральной плотности используются для расширения диапазона этих пирометров до более высоких температур. Для воспроизводимого использования этих пирометров с «исчезающей нитью» (нить исчезает на изображении источника) требуются значительные навыки, но они широко используются в промышленности.

Визуальные приборы были заменены в стандартах и, также, в большинстве практических приложений фотоэлектрическими пирометрами, в которых детектор на основе кремниевого диода или фотоумножительная трубка заменяют глаз в качестве детектора. Эти приборы обладают высокой чувствительностью и могут использоваться с интерференционными фильтрами для повышения их точности [ Уравнение (3) ]. Основная проблема в оптической пирометрии заключается в том, что реальные объекты не демонстрируют идеальные характеристики излучения черного тела, а имеют излучательную способность, которая отличается от излучательной способности черного тела таким образом, что может быть функцией температуры, длины волны и состояния поверхности. 

Пирометры, которые работают на двух или более различных длинах волн, обеспечивают по крайней мере частичную компенсацию этих эффектов.

Недавняя разработка в области высокотемпературной оптической пирометрии использует тонкий сапфировый волоконный световод и фотоэлектрическое обнаружение для получения температуры системы, которую нельзя увидеть напрямую. Конец волокна может быть инкапсулирован для формирования черного тела (создавая автономный термометр) или волокно может использоваться для непосредственного наблюдения за объектом, температура которого должна быть определена. 

Очень чувствительные полупроводниковые инфракрасные детекторы сделали возможным использование термометров полного излучения при комнатной температуре и выше для бесконтактного обнаружения изменений температуры в технологических операциях и даже, например, для определения местоположения «утечек тепла» в изоляции дома. Небольшое превышение температуры, связанное с некоторыми опухолями в медицинских приложениях, также было обнаружено таким образом.

Элементы системы контроля и измерительной аппаратуры

Пирометры

Методы измерения температуры, в которых используется излучение, испускаемое телом, включают:

Оптический пирометр

Этот метод основан на сравнении яркости света, излучаемого горячим телом, с яркостью света известного стандарта.

Пирометр полного излучения

Это предполагает измерение общего количества излучения, испускаемого горячим телом, с помощью резистивного элемента или термобатареи.

Оптический пирометр , обычно известный как пирометр с исчезающей нитью , охватывает только видимую часть излучения, испускаемого горячим объектом. Излучение фокусируется на нить так, чтобы излучение и нить можно было увидеть в фокусе через окуляр ( рисунок 2.51 ). Нить нагревается электрическим током до тех пор, пока нить и горячий объект не станут казаться одного цвета, затем изображение нити исчезает на фоне горячего объекта. Затем ток нити является мерой температуры. Красный фильтр между окуляром и нитью обычно используется для того, чтобы облегчить сопоставление цветов нити и горячего объекта. Другой красный фильтр может быть введен между горячим объектом и нитью, что сделает объект менее горячим и, таким образом, расширит диапазон прибора.

Системы и технологии для молекулярно-лучевой эпитаксии в промышленных масштабах

Оптические измерения температуры подложки

Одним из важнейших параметров роста в MBE является температура подложки. Оптические пирометры часто используются для измерения температуры подложки во время роста. 

Пирометры имеют ряд сильных сторон, одной из которых является относительная нечувствительность к геометрии измерения, что позволяет проводить измерения температуры по всей пластине или пластине. Они также недороги и, как правило, очень надежны. Однако существуют некоторые проблемы с реализацией измерений температуры пирометрией в MBE. Необходимо выбрать длину волны обнаружения, при которой подложки непрозрачны; следовательно, для многих приложений MBE необходимо выбрать пирометр, работающий на более коротких длинах волн, чем типичные для пирометрической отрасли. Обычно это приводит к необходимости увеличения размеров пятна и невозможности выполнять измерения при более низких температурах. Кроме того, стандартные показания пирометра могут быть ошибочными из-за рассеянного света от таких элементов, как ионные датчики и источники эффузии. Наконец, стандартные оптические пирометры должны быть откалиброваны наСистема МЛЭ и калибровка могут сильно зависеть от накопления материала или покрытия смотрового окна пирометра.

В последние годы были разработаны и становятся все более популярными альтернативы стандартному пирометру. Ряд компаний предлагают пирометры с коррекцией излучательной способности, в которых встроенный рефлектометр используется для измерения излучательной способности и повышения точности измерения температуры подложки. Обычно рефлектометр использует светодиод (LED) или лазер, работающий на длине волны, близкой к длине волны обнаружения пирометра, и отслеживается изменение оптической интенсивности отраженного (или переданного) сигнала, чтобы предоставить информацию о росте тонкой пленки. Эти системы предлагают несколько потенциальных преимуществ, которые включают в себя улучшенную точность показаний температуры, измерение излучательной способности поверхности и возможность измерения скорости роста и толщины слоя in situ путем анализа сигнала отражательной способности. Однако существует также ряд проблем. Обычно эти системы требуют нормального падения на подложки и чувствительны к выравниванию. Поэтому невозможно проводить измерения в разных точках по всей пластине, и эти приборы могут быть существенно затронуты любым колебанием подложки вокруг ее оси вращения. Рефлектометр в этих приборах также требует калибровки, на которую может сильно влиять покрытие смотровых окон. Наконец, для некоторых из этих приборов рефлектометр не имеет коррекции для эффекта рассеянного света, что приводит к очень большим ошибкам в расчете температуры поверхности. Это особенно касается пирометров с коррекцией излучательной способности, которые были перепрофилированы из других приложений и не были специально разработаны для уникальных задач в MBE.

Системы, основанные на спектроскопии диффузного отражения (DRS), такие как система BandiT, предлагаемая k-Space Associates, являются еще одной альтернативой стандартному пирометру и становятся все более популярными в последние годы ( Farrer et al., 2007; Hoke et al., 2010; Ihlefeld et al., 2007; Sacks et al., 2005 ). Эти системы могут работать в режиме отражения, захватывая свет от эталонной лампы, который диффузно рассеивается от поверхности пластины, или в режиме пропускания, захватывая свет от нагревателя подложки, который передается через подложку. Затем спектр собранного света анализируется для определения эффективной ширины запрещенной зоны подложки, которая затем используется для расчета температуры подложки. Среди преимуществ этой методики то, что ее не нужно калибровать в системе MBE; она довольно нечувствительна к геометрии камеры и колебанию подложки при вращении, и на нее практически не влияет покрытие на смотровых окнах. Однако этот метод также имеет недостатки, заключающиеся в том, что эти системы дороже пирометров или пирометров с коррекцией излучательной способности, и измерения DRS становятся очень сложными, когда наносимый эпитаксиальный слой имеет меньшую запрещенную зону, чем подложка, поскольку это затрудняет интерпретацию запрещенной зоны прибором. Обычно последняя проблема может быть решена путем изменения метода анализа, используемого для собранного света. Как правило, для этого есть два варианта. 

Во-первых, эти приборы также могут использоваться в качестве пирометра, просто интегрируя спектральную интенсивность надлежащим образом выбранного узкого диапазона выше запрещенной зоны растущего образца. Во-вторых, можно определить как температуру, так и излучательную способность в реальном времени, подгоняя уравнение Планка к более широкому диапазону оптического спектра, также выше запрещенной зоны растущего образца. Подгонка таким образом может также позволить оценить скорости роста и шероховатость поверхности в реальном времени.

Безопасность, контроль и сбор данных в испытательной ячейке

Пирометры

Оптические или радиационные пирометры, различных типов которых существуют, являются бесконтактными приборами для измерения температуры, используемыми для таких целей, как измерение температуры пламени, а также для специальных исследовательских целей, таких как измерение температуры поверхности поршневых колец путем визирования через отверстие в стенке цилиндра. Они фактически являются единственным средством измерения очень высоких температур.

Наконец, наиболее точным из имеющихся средств измерения температуры выхлопных газов являются всасывающие пирометры, которые обычно включают в себя термопару в качестве датчика температуры.