Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

Измерение температуры поверхности

Точно измерить температуру поверхности контактным термометром НЕ ВОЗМОЖНО. Почему? Ответ кроется в самом принципе контактного измерения температуры объекта. Фактически контактный термометр показывает температуру своего чувствительного элемента, будь то термометр сопротивления, термопара или другой датчик. Точность измерения тем выше, чем лучше тепловое равновесие этого чувствительного элемента с измеряемой средой. При достаточном погружении датчика в среду и отсутствии искажений температурного поля из-за теплоотвода по корпусу термометра в окружающее пространство, измерения температуры могут быть очень точными. Это, например, мы видим при измерении температуры в ампулах реперных точек МТШ-90 или при измерении в глубоких жидкостных термостатах. 

Как только глубина погружения термометра в измеряемую среду уменьшается, тепловой поток по корпусу термометра в окружающую среду начинает влиять на показания, погрешность измерения возрастает. Граничный случай – выход чувствительного элемента на уровень поверхности объекта и попытка отсчитать показания так называемой «температуры поверхности». Понятно, что в условиях размещения датчика на поверхности мы уже имеем очень серьезное искажение температурного поля объекта самим измерительным датчиком. Датчик как бы отбирает часть тепла от поверхности, выводя его в окружающую среду. Тем самым показания становятся ложными, не отражающими ту «температуру поверхности», какой она бы была без вмешательства датчика. 

Еще один очень важный момент, на который следует обратить внимание при попытке измерения температуры поверхности – температура на поверхности предмета, это характеристика не одного, а фактически двух объектов: самого тела, на который мы крепим датчик, и окружающей среды (для простоты изложения, предположим, что это воздух). Тепловой поток, исходящий от поверхности тела, зависит от перепада температуры между телом и воздухом и от движения воздуха под влиянием естественной и иногда вынужденной конвекции. Очевидно, что чем меньше перепад температуры и чем слабее движение воздуха, тем точнее можно измерить температуру поверхности. 

Из изложенных выше соображений следует вывод, что датчик для измерения температуры поверхности должен быть миниатюрным (например, тонкая термопара, термистор или пленочный термометр на тонких выводящих проводах). В то же время он должен иметь очень прочный контакт с объектом, но на небольшом участке поверхности, чтобы не исказить условия теплообмена. Однако даже в этом случае, не следует ожидать от измерений температуры поверхности точности лучше, чем несколько градусов. Нужна ли высокая точность, скажем 0,1 °С, при измерении температуры поверхности? В принципе, этот вопрос важно рассматривать для любых бытовых и промышленных измерений температуры. Как правило, оказывается, что требования к точности термометров завышены. Погрешность в несколько градусов вполне приемлема, когда надо оценить температуру поверхности электроплиты, батарей отопления, железнодорожных рельсов, подшипников. Датчиков, измеряющих температуру поверхности с такой точностью довольно много. Они представляют собой чувствительный элемент, тонкую термопару или ТСП, вмонтированную в миниатюрный плоский корпус, иногда снабженный пружиной, поджимающий термометр к поверхности или магнитом.

 

Пример термометра для измерения температуры поверхности – TESTO 905-T2 

Существуют и более точные датчики для измерения температуры поверхности. Однако, они более сложные и дорогие. Например, фирма ISOTECH выпускает измерительную систему под названием «944 True Surface Temperature Measurement System»

Принцип работы системы заключается в компенсации потока тепла, отводимого термометром в окружающую среду. Для этого на термометр монтируется нагреватель, мощность которого регулируется с помощью датчиков (термопар), измеряющих перепад температуры на длине термометра. 

 

Таким образом, по мнению изобретателей, удается полностью ликвидировать температурный градиент, возникающий на границе датчик-поверхность и измерить «реальную» температуру поверхности. 

Одной из самых сложных проблем контактного измерения температуры поверхности является обеспечение метрологической прослеживаемости результата измерений от эталона единицы температуры, т.е. поверка датчиков температуры поверхности.

Один из подходов к решению проблемы поверки поверхностных термометров – поверять поверхностные датчики методом погружения в термостат и сличения с эталонным термометром. Однако, как показывают эксперименты, данный метод является очень грубым и иногда приводит к ошибкам в несколоко десятков градусов.

Многие фирмы предлагают специальные калибраторы для поверки поверхностных термометров. Самая распространенная конструкция – подогреваемая плита, под поверхностью которой в каналах располагаются эталонные датчики температуры. В данном методе предполагается, что температура на поверхности плиты очень близка к температуре под ее поверхностью. 

Калибратор поверхностных термометров фирмы ИзТех 

Такой метод не может дать высокую точность поверки. Обычно погрешность метода оценивают по погрешности встроенного термометра, который калибруется предварительно по эталону методом погружения. Однако даже если дисплей калибратора точно воспроизводит температуру встроенного термометра, нельзя утверждать, что эта температура равна температуре на поверхности плиты. Как уже отмечалось ранее, большое значение имеет тепловой поток от поверхности из-за конвекции и излучения. Кроме того, большое влияние на результат поверки в таком поверхностном калибраторе оказывает качество поверхности плиты и датчика и плотность контакта с поверхностью.

Для того, чтобы учесть влияние теплового потока, были предложены расчетные и практические методы.  Один из таких методов изложен в работе «The Calibration of Contact Surface Sensors: A Manufacturers Investigation. Electronic Development Laboratories Inc., 2003 NCSL International workshop and Symposium». Авторами предложен калибратор, называемый Surface Transfer Standard (STS), который представляет собой металлический блок, помещаемый в водяной перемешиваемый термостат.

 Блок погружается таким образом, чтобы он выступал из жидкости на 11,5 мм. Верхняя крышка термостата находится на 10 см. выше уровня жидкости. Четыре тонких термопары встроены в блок на разных уровнях, так, чтобы отслеживать изменение температуры по длине блока. Температуру на поверхности получают методом экстраполяции показаний термопар.

Методом, при котором датчик не влияет на температуру поверхности, является метод бесконтактного измерения температуры с помощью пирометров и тепловизионных приборов. Однако при измерении температуры поверхности с помощью пирометров необходимо учитывать коэффициент излучения поверхности и влияние излучения от окружающих предметов, что вносит значительную неопределенность в результат измерения. (Более подробно о бесконтактных термометрах см. раздел «Радиационные термометры»). 

 Одним из интересных методов, позволяющих уточнить результат контактного измерения температуры поверхности является совместное использование контактного и неконтактного термометров. Метод заключается в том, что во время измерения температуры поверхности на термопару наводится тепловизор, показывающий перепад температуры вдоль корпуса термопары, по которому можно оценить погрешность контактного измерения.

Новый подход к измерению температуры поверхности и калибровке промышленных поверхностных термометров сейчас исследуется в рамках европейского проекта EMPRESS (http://www.strath.ac.uk/research/advancedformingresearchcentre/ourwork/projects/empressproject/)

Для точного измерения температуры поверхности используется новый тип преобразования – флуоресцентная  термометрия. На последней конференции ТЕМПМЕКО 2016 был доложены последние результаты в этой области. Статья готовится к печати в журнале “International Journal of Thermophysics”. Суть метода заключается в том, что на поверхность калибратора наносится слой фосфора, который облучается потоком света от лазера или LED лампы. Приборы измеряют временное изменение интенсивности инициированного излучения поверхности, которое зависит от температуры поверхности. Таким образом, устраняется главная проблема контактного измерения температуры поверхности – тепловой поток по термометру и бесконтактного измерения – неизвестная излучающая способность поверхности.

На рисунке показан прототип поверхностного калибратора, который сейчас исследуется в INRiM. Тонкий слой температурно чувствительного фосфора нанесен на поверхность плиты. Фосфор облучается лазерным диодом. Вторичный оптический сигнал, проходящий по оптоволокну, преобразуется в  электрический, слежение за которым позволяет наблюдать за изменением интенсивности флуоресценции во времени. Чувствительность такого метода сейчас достигает 0,05 °С до температуры 350 °С, воспроизводимость и однородность порядка 0,1 °С. Ожидаемая суммарная неопределенность метода оценивается 1 °С. Исследования продолжаются. Аналогичный метод, но с использованием облучения с помощью LED лампы, разрабатывается в NPL.