Глава 1. Контактные методы измерения температуры

Содержание

Введение………………………………………………………………………3

Глава 1. Контактные методы измерения температуры…………………...5

Глава 2. Бесконтактные методы измерения температуры………………..7

2.1 Оптическая пирометрия………………………………...………..9

2.2 Радиационная пирометрия……………………………...………10

2.3 Мультиспектральная пирометрия……………………………...12

2.4 Охлаждаемые тепловизоры…………………………….…...…..13

2.5 Неохлаждаемые тепловизоры………………………….…….....14

2.6 Мультиспектральные тепловизоры…………………….………15

Глава 3. Приборы, установки и методы исследования………….………16

3.1 Калибровочный стенд…………………………………….……..16

3.2 Неохлаждаемый тепловизор Fluke Ti400………………….…..17

3.3 Тепловизор на базе цифровой камеры Nikon 1 J1……….…...18

3.4 Тепловизор на базе цифровой камеры Canon EOS M…….….23

Глава 4. Экспериментальные исследования………………………….…..25

Глава 5. Анализ источников погрешностей и путей их снижения…......29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………….34

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………36

ПРИЛОЖЕНИЕ…………………………………………………………….42

 

Введение

Во всех исследовательских и промышленных плазменных установках происходят процессы взаимодействия плазмы и обращённой к ней поверхности конструкционных материалов. Во многих случаях, включая важнейшую задачу управляемого термоядерного синтеза, эти процессы оказывают непереоценимое влияние на работоспособность и ресурс установки. В других случаях, таких как плазменная обработка материалов, процессы взаимодействия плазмы с поверхностью представляет собой смысл работы установки. Интенсивность и характер этих процессов в значительной мере зависит от температуры материала. Кроме того, в случае импульсных процессов, температура поверхности материала является индикатором поглощённой материалом в результате действия плазмы энергии.

Таким образом, измерение распределения температуры по обращённой к плазме поверхности материалов является актуальной самостоятельной задачей прикладной физики плазмы.

В процессе работы автора перед ним было поставлено сразу две различные задачи по исследованию распределения температуры на поверхности конструкционных материалов.

В рамках программы исследования воздействия термоядерной плазмы на конструкционные материалы первой стенки в установках-имитаторах возникла задача определения распределения энергии, поглощённой образцом, по его поверхности. Наиболее очевидный способ определить это распределение – измерить в динамике распределение температуры по поверхности образца, а затем расчётным путём определить распределение поглощённой энергии.

Для успешного выполнения этой задачи необходимо было создать систему с максимально высокими разрешениями в пространстве и по времени, причём в условиях незначительного финансирования, что накладывало серьёзные ограничения на выбор средств и методов измерений.

Вторая задача была связанна с проводимыми на кафедре исследованиями процессов плазменного азотирования деталей сложной формы, изготовленных из различных металлических сплавов.

Для выполнения этой задачи не стояло сколько-нибудь существенных требований по временному разрешению, однако была актуальна задача максимально возможной автоматизации измерений. Кроме того стояла задача проводить измерения в условиях засветки от обрабатывающей поверхность плазмы.

Глава 1. Контактные методы измерения температуры

Исторически первым методом измерения температуры тел было измерение расширения (сжатия) жидкого или газообразного рабочего тела, контактирующего через стенку с высокой теплопроводностью с объектом, чью температуру необходимо измерить. Ярким примером прибора с таким принципом работы является повсеместно применяемый в быту спиртовой термометр.

Впоследствии широкое распространение получили преобразователи температуры в электрический сигнал, использующие явления термоЭДС и изменения проводимости металлов и полупроводников при изменении температуры. Такие преобразователи позволили многократно расширить диапазон измеряемых температур, повысить их точность и надёжность оборудования, снизить размеры и массу измерительной части прибора.

Размещение на поверхности детали или в её объёме термопары или иного контактного датчика является наиболее простым методом контроля температуры. Однако этот метод имеет длинный ряд существенных недостатков:

· датчик измеряет температуру лишь в точке его установки, в то время как даже детали из материалов с высокой теплопроводностью не всегда имеют однородную температуру;

· для контроля распределения температуры необходима установка большого, от десятков до тысяч, числа датчиков. Это является трудоёмким процессом само по себе, но кроме того создаёт существенные проблемы с организацией процесса сбора и обработки информации с такого числа датчиков;

· в случае размещения датчиков на поверхности сложно обеспечить надёжный тепловой контакт, что может привести к существенному занижению оказаний;

· для размещения датчиков в объёме детали, в ней должны быть соответствующие полости, которых зачастую изначально нет и не всегда допустимо делать их специально для контроля температуры;

· при размещении датчиков в объёме детали мы не получаем информации непосредственно о температуре поверхности, а лишь предполагаем, что она близка к температуре в местах установки датчиков, если они установлены на небольшой глубине;

· датчик может влиять на температуру детали в точке его установки;

· датчик подвергается воздействию плазмы, что может приводить к его нагреву выше температуры детали и, соответственно, завышению показаний;

· воздействие плазмы может приводить к ускоренной деградации датчиков;

· разряд, создающий плазму, одновременно создаёт электромагнитные наводки, которые могут мешать работе датчиков температуры;

· и т.д.

Все эти проблемы делают контактные методы измерения температуры неприменимыми для решения непосредственно задач определения распределения температуры на поверхности обращённых к плазме материалов, ограничивая их вспомогательными задачами калибровки и тестирования иных, бесконтактных, средств измерения.