Измерительные приборы в электрических измерениях, страница 13

Энергия излучения, испускаемая объектом измерения при данной температуре поверхности, обычно меньше, чем энергия, излучаемая абсолютно чёрным телом при той же температуре; коэффициент излучения объекта измерения меньше единицы. (Абсолютно чёрное тело имеет коэффициент излучения равный единице, а у идеального отражателя коэффициент излучения равен нулю.) Коэффициент излучения поверхности равен её коэффициенту поглощения. И тот и другой могут зависеть от длины волны излучения. У некоторых объектов, хорошо отражающих видимый свет, может быть большим коэффициент излучения в инфракрасной области и наоборот.

Коэффициент излучения ε различных материалов в инфракрасном диапазоне имеет следующие значения: ε = 0,03 - 0,05для полированных металлических поверхностей, ε = 0,9 для лаковых и эмалевых плёнок, ε ≈ 0,92 для коллоидного графита и ε ≈ 0,96 для воды и льда. Часто для обеспечения большой величины ~ объект покрывают тонким слоем коллоидного графита. Иногда в объекте просверливают отверстия. Если отношение диаметра отверстия к его глубине менее 1/6, то оно ведёт себя как виртуальный абсолютно чёрный излучатель.

Если коэффициент излучения с не равен единице, то выполненное с помощью пирометра измерение будет содержать ошибку. Плотность энергии излучения Р удовлетворяет закону Стефана-Больцмана Р = εсТ⁴, где с – константа (c=5,7´10 Вт×м^-2 К^-4 ), а Т – абсолютная температура. Поэтому коэффициент ошибки при измерении температуры, связанной с тем, что ε меньше единицы, равен ε^1/4 .

В пирометрах используются два типа детекторов: тепловые и квантовые.

Тепловой детектор или поглощающий детектор, преобразует падающее излучение в повышение температуры. Затем это повышение температуры можно измерить одним из способов, описанных выше, например, с помощью терморезистора или используя термобатарею, то есть несколько соединённых последовательно термопар. Достоинством тепловых детекторов является постоянство чувствительности в широком диапазоне длин волн (см. рис. 3.18(b)). Однако у этих детекторов медленный отклик из-за относительно большой тепловой массы. Типичное значение времени готовности инструмента будет лежать между 1 и 10 секундами.

В пирометрах других типов используются квантовые детекторы, принцип действия которых основан на возбуждённых инфракрасным излучением электронах материала. Они появляются только тогда, когда энергия кванта излучения Е равна определенному пороговому значению Е, или больше него. Это пороговое значение соответствует переходу электронов на более высокий энергетический уровень. Энергией, равной пороговому значению

.

или превосходящей его, может обладать квант инфракрасного излучения, с частотой выше некоторой минимальной частоты f₀ или с длиной волны ниже некоторой максимальной величины λ₀. На рис. 3.18(b) приведена абстрактная спектральная чувствительность квантового детектора такого типа. В качестве квантовых детекторов ближнего инфракрасного излучения используются фотодиоды, а для дальнего инфракрасного излучения применяются фоторезисторы. Квантовые детекторы имеют малое время отклика, но измеряют излучение только в ограниченном диапазоне длин волн.

Пирометры применяют для измерения очень высоких температур    (Т>1000 К), когда не доступны другие способы. Их также используют для измерения температуры объектов, имеющих высокое тепловое сопротивление, таких как пластмассы, камни и т. д. Контактный термометр в этом случае вызвал бы большую тепловую нагрузку на объект измерения. Кроме того, пирометры применяют для измерения на расстоянии и при наблюдении быстрых изменений температуры.

Существует значительно больше, чем было описано, различных методов преобразования температуры в электрический сигнал. Один из них –  (кварцевый) термометр с использованием кристалла, основанный на зависимости резонансной частоты. пьезоэлектрического кристалла от температуры. Кристалл применяется для того, чтобы точно задать частоту колебаний гeнератора. Эту частоту можно определить методом подсчёта с очень малой погрешностью (порядка 0,01 К) и с очень высоким разрешением (порядка 10⁴) в диапазоне температур от -80 ⁰С до 250 ⁰С. Эти замечательные характеристики реализуются благодаря очень точному разрезанию кристалла кварца относительно осей ориентации кристалла. Этот срез делается так, чтобы получить максимальную температурную чувствительность резонансной частоты при возможно лучшей стабильности. Для ещё большего повышения точности строится калибровочная кривая зависимости частоты от температуры, которая вводится в память прибора (в его ПЗУ).

3.2.3 Магнитоэлектрические датчики

Индукцию магнитного поля можно измерить датчиками, которые называются магнитометрами или датчиками магнитного поля.

Магнитная индукция В выражается в теслах (Тл). Иногда её называют также плотностью магнитного потока. Эквивалентной единицей является величина, равная веберу на квадратный метр, причём 1Тл =1Вб/м².

Иногда для измерения индукции В статического магнитного поля применяют вращающуюся катушку (с площадью контура А, числом витков n и угловой частотой ω). Пусть катушка настолько мала, что индукция постоянна в пределах площади витка, и В_n – компонента индукции В, перпендикулярная оси вращения; тогда магнитный поток Ф через площадь, ограниченную витком, равен , где θ – мгновенное значение угла между плоскостью витка катушки и В_n. Считая, что θ(t) =ωt, получаем следующее выражение для индуцируемого переменного напряжения:

.

Зная V можно определить В_n. Для индукционных датчиков всегда требуется изменяющийся магнитный поток. Очевидно, что изменяющийся магнитный поток может являться также результатом действия переменного магнитного поля на неподвижную катушку.