Ефективний вимір температури

Магазин Gtest® пропонує широку номенклатуру пірометрів. Посилання на відповідну сторінку сайту Магазину наводиться наприкінці цього Розділу. Крім того, наводиться перелік рекомендованих приладів + статті для подальшого самоосвіти в цій галузі

Оптичні або радіаційні пірометри, які існують у різних типах, являють собою безконтактні прилади для вимірювання температури, що використовуються для таких цілей, як вимірювання температури полум'я, а також для спеціальних дослідницьких цілей, таких як вимірювання температури поверхні поршневих кілець шляхом візування через отвір у стінці циліндра.

ПЕРЕТВОРЮВАЧІ І ЗБІР ДАНИХ

ОПТИЧНІ ПІРОМЕТРИ

Оптичні пірометри дають змогу легко вимірювати температуру об'єктів, яку зазвичай важко виміряти контактними приладами. Приклади: компоненти, що обертаються, небезпечні матеріали або середовища з високим електричним полем/високою напругою. Основні джерела помилок в інфрачервоній пірометрії знаходяться у полі зору та корекції випромінювальної здатності.

Оптичні пірометри розроблені з полем зору, що в основному визначається датчиком приладу та оптикою. Поле зору визначається відношенням відстані до об'єкта щодо діаметра плями, яке пов'язане з розбіжністю променя в області перегляду. Важливо, щоб за наявності температурних градієнтів використовувалися належні відстані, щоб заповнити пляму перегляду областю, що цікавить. Оптичні пірометри розроблені для короткого чи довгого перегляду. При довгому перегляді відносно невелика область може бути досліджена великих відстанях (до 20 м). Наприклад, прилад із ставленням 120:1 матиме розмір плями 5 см на відстані 6 м. Інфрачервона пірометрія виконується шляхом вимірювання теплового випромінювання, що випускається об'єктом. Коефіцієнт випромінювання (e) тіла може бути в діапазоні від 0 до 1,0, причому 1,0 відповідає ідеальному випромінювачу або чорному тілу. Як правило, чим вищий коефіцієнт випромінювання, тим простіше і точніше інфрачервоний вимір. Якщо відбивна здатність висока, відповідно випромінювальна здатність має бути низькою.

Випромінювальна здатність визначається як відношення випромінювальної здатності об'єкта до випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла.

Вимірювання температури

Оптичний пірометр

Оптичний пірометр, показаний на рис. 14.14, застарів з точки зору доступності нових приладів, але деякі старі прилади все ще використовуються в промислових додатках, таких як вимірювання температури печей. Він призначений для вимірювання температур, при яких пікове випромінювання випромінювання знаходиться в червоній частині видимого спектру (тобто коли тіло, що вимірюється, світиться певним відтінком червоного залежно від температури). Це обмежує прилад вимірюванням температури вище 600 °C. Прилад містить нагріту вольфрамову нитку у своїй оптичній системі. Струм у нитці збільшується доти, доки її колір не стане таким самим, як у гарячого тіла: у цих умовах нитка, мабуть, зникає при перегляді на тлі гарячого тіла. Таким чином, вимірювання температури виходить з погляду струму, що протікає в нитці.

Оскільки яскравість різних матеріалів за будь-якої конкретної температури змінюється залежно від випромінювальної здатності матеріалу, калібрування оптичного пірометра має бути скоригована відповідно до випромінювальної здатності мети. Виробники надають таблиці стандартних випромінювальних здібностей матеріалів, щоб допомогти цьому.

9. Принципова схема оптичного пірометра.

Власна похибка оптичного вимірювання пірометра становить ±5°C. Однак, крім цієї помилки, може бути ще одна помилка оператора в ±10°C, що виникає через труднощі оцінки моменту, коли нитка просто зникає. Точність вимірювання може бути покращена шляхом використання оптичного фільтра всередині приладу, який пропускає вузьку смугу частот із довжиною хвилі близько 0,65 мкм, що відповідає червоній частині видимого спектру. Це також розширює верхню температуру, що вимірюється, з 5000°C в нефільтрованих приладах до 10 000°C.

Прилад не може використовуватися в схемах автоматичного контролю температури, оскільки очі людини-оператора є невід'ємною частиною вимірювальної системи. На свідчення також впливають пари у зору. Через ці труднощі та низьку точність ручні радіаційні пірометри замінили оптичні пірометри в більшості додатків.

Коли температура об'єкта досить підвищується, виникають два візуальні ефекти. Вони полягають у тому, що об'єкт здається яскравішим і що відбувається зміна кольору світла, що випромінюється. Ці ефекти використовуються в оптичному пірометрі, де проводиться порівняння або зіставлення яскравості гарячого гарячого джерела і світла від нитки розжарювання з відомою температурою.

Оптичний пірометр, що найчастіше використовується - це пірометр зі зникаючою ниткою розжарення, типове розташування якого показано на малюнку, що наводиться нижче. Лампа розжарювання - це вбудований в телескопічну установку, яка приймає випромінювання від гарячого джерела, зображення якого видно через окуляр.

Червоний фільтр вбудований як захист для очей. Струм, що протікає через лампу, контролюється змінним резистором. У міру збільшення струму температура нитки розжарювання збільшується, а її колір змінюється. При перегляді через окуляр нитку розжарювання лампи здається накладеною на зображення променистої енергії від гарячого джерела. Струм змінюється доти, поки нитка розжарювання стане світитися так само яскраво, як і фон. Потім вона зіллється з тлом і, мабуть, зникне. Струм, необхідний досягнення цього, є мірою температури гарячого джерела, і амперметр можна відкалібрувати для безпосереднього зчитування температури. Оптичні пірометри можуть використовуватися для вимірювання температур до та навіть понад 3000 °C.

Перетворювачі температури

Оптичні пірометри працюють у видимому спектрі для вимірювання температур, як правило, в діапазоні від 700 до 4000 °C, порівнюючи фотометричну яскравість нагрітого об'єкта з яскравістю стандартного джерела, такого як розжарена вольфрамова нитка. Монохроматичний фільтр червоного випромінювання довжини хвилі (630 нм) використовується для підтримки операції; порівняння яскравостей залежить від чутливості людського ока (у ручних версіях), щоб розрізняти різницю яскравості між двома поверхнями одного кольору. Порівняння яскравості виконується шляхом регулювання струму через нитку стандартного джерела яскравості до тих пір, поки його яскравість стане рівної яскравості вимірюваного об'єкта. Можна отримати вимірювання з точністю краще за 1%. Існують також комерційні автоматизовані версії оптичних пірометрів.

Оскільки цей тип пірометра працює у видимому спектрі, необхідно, щоб об'єкт випромінював на довжині хвилі від 400 до 720 нм, що відповідає температурам вище 700°C, що унеможливлює вимірювання нижніх температур робочого діапазону більшості застосувань термометрів в біомедичній інженерії. Цього немає з інфрачервоними пірометрами випромінювання.

Термометрія

Оптична пірометрія

Деякі із проблем, пов'язаних з оптичною пірометрією, були розглянуті у попередньому розділі, причому випромінювальна здатність джерела була основною проблемою. Комерційні пірометри використовуються вже багато років та є частиною Міжнародної температурної шкали з 1927 року. Ранні оптичні пірометри зіставляли яскравість джерела випромінювання з яскравістю нитки напруження, оскільки струм нитки напруження змінювався. Потім температура джерела калібрувалась безпосередньо по струму через нитку розжарення. Фільтри нейтральної щільності використовуються для розширення діапазону цих пірометрів до вищих температур. Для відтворюваного використання цих пірометрів з ниткою, що «зникає» (нитка зникає на зображенні джерела) потрібні значні навички, але вони широко використовуються в промисловості.

Візуальні прилади були замінені в стандартах і, також, у більшості практичних додатків фотоелектричними пірометрами, в яких детектор на основі кремнієвого діода або трубка, що помножує, замінюють око в якості детектора. Ці прилади мають високу чутливість і можуть використовуватися з інтерференційними фільтрами для підвищення їх точності [Рівняння (3)]. Основна проблема оптичної пірометрії полягає в тому, що реальні об'єкти не демонструють ідеальні характеристики випромінювання чорного тіла, а мають випромінювальну здатність, яка відрізняється від випромінювальної здатності чорного тіла таким чином, що може бути функцією температури, довжини хвилі і стану поверхні.

Пірометри, які працюють на двох або більше різних довжинах хвиль, забезпечують принаймні часткову компенсацію цих ефектів.

Нещодавня розробка в області високотемпературної оптичної пірометрії використовує тонкий волоконний сапфіровий світловод і фотоелектричне виявлення для отримання температури системи, яку не можна побачити безпосередньо. Кінець волокна може бути інкапсульований для формування чорного тіла (створюючи автономний термометр), або волокно може використовуватися для безпосереднього спостереження за об'єктом, температура якого повинна бути визначена.

Дуже чутливі інфрачервоні напівпровідникові детектори уможливили використання термометрів повного випромінювання при кімнатній температурі і вище для безконтактного виявлення змін температури в технологічних операціях і навіть, наприклад, для визначення місцезнаходження «витік тепла» в ізоляції будинку. Невелике перевищення температури, пов'язане з деякими пухлинами в медичних додатках, було виявлено таким чином.

Елементи системи контролю та вимірювальної апаратури

Пірометри

Методи вимірювання температури, в яких використовується випромінювання, що випромінюється тілом, включають:

Оптичний пірометр

Цей метод заснований на порівнянні яскравості світла, що випромінюється гарячим тілом, з яскравістю світла відомого стандарту.

Пірометр повного випромінювання

Це передбачає вимірювання загальної кількості випромінювання, що випромінюється гарячим тілом, за допомогою резистивного елемента або термобатареї.

Оптичний пірометр , зазвичай відомий як пірометр з ниткою , що зникає , охоплює тільки видиму частину випромінювання, що випускається гарячим об'єктом. Випромінювання фокусується на нитку так, щоб випромінювання та нитку можна було побачити у фокусі через окуляр (рисунок 2.51). Нитка нагрівається електричним струмом до тих пір, поки нитка і гарячий об'єкт не здаватимуться одного кольору, потім зображення нитки зникає на тлі гарячого об'єкта. Потім струм нитки є мірою температури. Червоний фільтр між окуляром та ниткою зазвичай використовується для того, щоб полегшити зіставлення кольорів нитки та гарячого об'єкта. Інший червоний фільтр може бути введений між гарячим об'єктом і ниткою, що зробить об'єкт менш гарячим і таким чином розширить діапазон приладу.

Системи та технології для молекулярно-променевої епітаксії у промислових масштабах

Оптичні вимірювання температури підкладки

Одним з найважливіших параметрів зростання MBE є температура підкладки. Оптичні пірометри часто використовуються для вимірювання температури підкладки під час зростання.

Пірометри мають низку сильних сторін, однією з яких є відносна нечутливість до геометрії вимірювання, що дозволяє проводити вимірювання температури по всій пластині або пластині. Вони також недорогі та, як правило, дуже надійні. Однак є деякі проблеми з реалізацією вимірювань температури пірометрією в MBE. Необхідно вибрати довжину хвилі виявлення, коли підкладки непрозорі; отже, для багатьох додатків MBE необхідно вибрати пірометр, який працює на більш коротких довжинах хвиль, ніж типові для пірометричної галузі. Зазвичай це призводить до необхідності збільшення розмірів плями та неможливості виконувати вимірювання за більш низьких температур. Крім того, стандартні показання пірометра можуть бути помилковими через розсіяне світло від таких елементів, як іонні датчики та джерела ефузії. Нарешті, стандартні оптичні пірометри повинні бути відкалібровані на систему МЛЕ і калібрування можуть сильно залежати від накопичення матеріалу або покриття оглядового вікна пірометра.

В останні роки були розроблені і стають дедалі популярнішими альтернативи стандартному пірометру. Ряд компаній пропонують пірометри з корекцією випромінювальної здатності, в яких вбудований рефлектометр використовується для вимірювання випромінювальної здатності та підвищення точності вимірювання температури підкладки. Зазвичай рефлектометр використовує світлодіод (LED) або лазер, що працює на довжині хвилі, близької до довжини хвилі виявлення пірометра, і відстежується зміна оптичної інтенсивності відбитого (або переданого) сигналу, щоб надати інформацію про зростання тонкої плівки. Ці системи пропонують кілька потенційних переваг, які включають поліпшену точність показань температури, вимірювання випромінювальної здатності поверхні і можливість вимірювання швидкості росту і товщини шару in situ шляхом аналізу сигналу відбивної здатності. Однак існує низка проблем. Зазвичай, ці системи вимагають нормального падіння на підкладки і чутливі до вирівнювання. Тому неможливо проводити вимірювання в різних точках по всій пластині, і ці прилади можуть бути істотно порушені будь-яким коливанням підкладки навколо осі її обертання. Рефлектометр у цих приладах також потребує калібрування, на яке може сильно впливати покриття вікон. Нарешті, для деяких з цих приладів рефлектометр не має корекції для розсіяного світла, що призводить до дуже великих помилок у розрахунку температури поверхні. Це особливо стосується пірометрів з корекцією випромінювальної здатності, які були перепрофільовані з інших додатків і спеціально розроблені для унікальних завдань в MBE.

Системи, засновані на спектроскопії дифузного відображення (DRS), такі як система BandiT, запропонована k-Space Associates, є ще однією альтернативою стандартному пірометру і стають все більш популярними в останні роки (Farrer et al., 2007; Hoke et al., 2010; Ihlefeld et al., Ihlefeld et al., Ihlefeld et al., Ihlefeld et al. Ці системи можуть працювати в режимі відображення, захоплюючи світло від еталонної лампи, який дифузно розсіюється від поверхні пластини, або в режимі пропускання, захоплюючи світло від підкладки нагрівача, який передається через підкладку. Потім спектр зібраного світла аналізується визначення ефективної ширини забороненої зони підкладки, яка потім використовується для розрахунку температури підкладки. Серед переваг цієї методики те, що її не потрібно калібрувати у системі MBE; вона досить нечутлива до геометрії камери і коливання підкладки при обертанні, і її практично впливає покриття на оглядових вікнах. Однак цей метод також має недоліки, що полягають у тому, що ці системи дорожчі за пірометри або пірометри з корекцією випромінювальної здатності, і вимірювання DRS стають дуже складними, коли епітаксіальний шар, що наноситься, має меншу заборонену зону, ніж підкладка, оскільки це ускладнює інтерпретацію забороненої зони. Зазвичай остання проблема може бути вирішена шляхом зміни методу аналізу, який використовується для зібраного світла. Як правило, для цього є два варіанти.

По-перше, ці прилади також можуть використовуватися як пірометр, просто інтегруючи спектральну інтенсивність належним чином обраного вузького діапазону вище забороненої зони зростаючого зразка. По-друге, можна визначити як температуру, так і випромінювальну здатність в реальному часі, підганяючи рівняння Планка до ширшого діапазону оптичного спектру, також вище забороненої зони зразка, що росте. Припасування таким чином може також дозволити оцінити швидкості росту і шорсткість поверхні в реальному часі.

Безпека, контроль та збір даних у випробувальному осередку

Пірометри

Оптичні або радіаційні пірометри, різних типів яких існують, є безконтактними приладами для вимірювання температури, що використовуються для таких цілей, як вимірювання температури полум'я, а також для спеціальних дослідницьких цілей, таких як вимірювання температури поверхні поршневих кілець шляхом візування через отвір у стінці циліндра. Вони є єдиним засобом вимірювання дуже високих температур.

Нарешті, найбільш точним з наявних засобів вимірювання температури вихлопних газів є всмоктують пірометри, які зазвичай включають термопару в якості датчика температури.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник пірометрів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/pirometry