Современные методы измерения температуры

Размещено на http://www.allbest.ru

ВВЕДЕНИЕ

Температура оказывает влияние на многие процессы и реакции, протекающие в природе, осуществляемые в лабораториях и на промышленных предприятиях. Измерения температуры по оценкам специалистов составляют 50% от общего числа всех измерений на производстве. В частности, температура определяет протекание процессов, состояние технологических аппаратов и режимы их функционирования.

Температура - одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние веществ, характеризующая степень нагретости тела. Это статистически формирующаяся термодинамическая величина, определяемая уровнем внутренней энергии тела, носителями которой являются атомы и молекулы. При этом температуру определяет их кинетическая энергия движения.

В этой работе я постарался собрать информацию, о современных методах измерения температуры. Как известно, их разработано очень большое количество. Одни из них являются универсальными, другие удобны в применении в определенных научных исследованиях и отраслях промышленности. температура люминесценция оптически термоиндикатор

Большая часть реферата посвящена именно люминесцентным методам измерения температуры, которые сейчас являются перспективными и очень востребованными. Они в определенных условиях имеют ряд преимуществ перед другими: в точности, быстроте, обратимости, устойчивости к внешним химическим, электромагнитным, физическим и другим воздействиям, экономичности.

Поэтому люминесцентные методы измерения температуры продолжают быстро развиваться и расширять области своего применения. Так как роль температурных и тепловых измерений в настоящее время очень велика, то данный реферат может быть полезным специалистам из многих отраслей промышленности и областей науки.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕРМОМЕТРИИ И ТЕОРИИ ЛЮМИНИСЦЕНЦИИ

1.1 Способы измерения температуры

В отличие от других параметров, характеризующих состояние вещества, измерение температуры можно производить только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Например, такой физической величиной может быть объем вещества, давление, электрическое сопротивление или другой параметр, зависящий от температуры. При этом необходимо, чтобы изменение используемого параметра было связано с температурой функциональной зависимостью, близкой к линейной; эта связь должна наименьшим образом искажаться из-за воздействия других параметров процесса, точно и просто воспроизводиться при градуировании измерительного прибора.

Обычно, измеряемые температуры лежат в интервале от -273 до 3000 °С, поэтому для измерения температуры во всех возможных случаях необходимы разные средства и методы измерений, к которым в зависимости от поставленной задачи измерения выдвигаются существенно различные требования, касающиеся точности измерения. Все эти факты приводят к дополнительным трудностям при выборе метода измерения такого параметра как температура в конкретных производственных и лабораторных условиях.

Известные на данный момент способы измерения температуры можно поделить на две группы: контактные и бесконтактные методы. При использовании приборов первой группы (например, термопар, термоанемометров, акустических анемометров др.) приходится в той или иной степени принимать во внимание особенности теплообмена между объектом, термометром и внешней средой, так как контактные термометры непосредственно контактируют с объектом, что сильно влияет на результаты измерений, внося значительные погрешности.

При измерении температуры с помощью оптических методов (интерферометрический, оптико-голографический и др.) температурное поле объекта измерения не искажается. Кроме того, возникает возможность измерения температуры не в одной точке, а сразу по всему объему изучаемого объекта. Наряду с этим оптические методы не имеют инерционных погрешностей, что способствует проведению точных измерений мгновенных значений. Высокая чувствительность и точность измерений обусловливают применение оптических методов в изучении сложных процессов, сопровождающихся резкими колебаниями характеристик процесса.

1.2 Понятие люминесценции

Люминесценция (от латинского lumen - свет и -escent - суффикс, означающий слабое действие), излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний.

Природные явления люминесценции - северное сияние, свечение некоторых насекомых, минералов, гниющего дерева - были известны с очень давних времен, однако систематически изучать люминесценцию стали с конца 19 века (Э. и А.Беккерели, Ф.Ленард, У.Крукс и другие). Интерес к исследованию свечения различных веществ привел В.К.Рентгена к открытию рентгеновских лучей, а в 1896 году А.Беккерель, занимавшийся изучением люминофоров, открыл явление радиоактивности. В установлении основных законов люминесценции, а также в развитии ее применений исключительное значение имели работы советской школы физиков, созданной С.И.Вавиловым.

Люминесценция может быть вызвана бомбардировкой вещества электронами и другими заряженными частицами, пропусканием через вещество электрического тока, освещением вещества видимым светом, рентгеновскими и гамма-лучами, а также некоторыми химическими реакциями в веществе.

Люминесценция наблюдается во всех агрегатных состояниях - в газах, в жидкостях и в твердых телах. Например, пары и газы O₂, S₂, Na₂ и т.д., соединения бензольного ряда, ароматические соединения, разные виды красителей, неорганические кристаллы с примесями тяжелых металлов, называемые кристаллофорами, являются люминесцентными веществами - люминофорами.

В отличие от равновесного теплового излучения, люминесцентное излучение не имеет равновесного характера. Оно вызывается сравнительно небольшим числом атомов, молекул или ионов. Под действием источника люминесценции они переходят в возбужденное состояние, и их последующее возвращение в нормальное или менее возбужденное состояние сопровождается испусканием люминесцентного излучения. Эти атомы, молекулы и ионы принято называть центрами люминесценции.

Элементарный процесс люминесценции состоит из двух этапов. На первом происходит возбуждение центра люминесценции, на втором -- его высвечивание при переходе из возбужденного состояния в основное или менее возбужденное. Энергия рождающегося на заключительном этапе фотона ровна, очевидно, разности энергий состояний, между которыми произошел соответствующий квантовый переход. Таким образом, центр люминесценции использует энергию возбуждения, преобразуя ее в энергию собственного излучения.

Длительность свечения обусловлена длительностью возбужденного состояния, которое, помимо свойств люминесцирующего вещества, зависит от окружающей среды. Если возбужденное состояние метастабильно, то время пребывания в нем частицы может достигать 10^-4 сек, что соответственно увеличивает и длительность люминесценции.

Люминесценцию, сразу прекращающуюся после окончания действия возбудителя свечения, называют флуоресценцией. Люминесценция, сохраняющаяся длительное время после прекращения действия возбудителя свечения, называется фосфоресценцией.

Флуоресценция обусловлена переходами атомов, молекул или ионов из возбужденного состояния в нормальное. Фосфоресценция обусловлена наличием метастабильных возбужденных состояний атомов и молекул, переход из которых в нормальное состояние затруднен по тем или иным причинам. Переход из метастабильного состояния в нормальное возможен лишь в результате дополнительного возбуждения, например теплового. Разграничение на флуоресценцию и фосфоресценцию является достаточно условным.

Люминесценция под действием света называется фотолюминесценцией, под действием бомбардировки электронами - катодолюминесценцией, под действием электрического поля -- электролюминесценцией, под действием химических превращений - хемилюминесценцией. Известны также триболюминесценция - свечение при трении некоторых веществ, кристаллолюминесценция - свечение, возникающее при механическом сжатии кристаллов, и ионолюминесценция - свечение при прохождении ультразвуковых волн через растворы некоторых веществ.

Рис. 1

В зависимости от характера элементарных процессов, приводящих к люминесцентному излучению, различают спонтанные, вынужденные и рекомбинационные процессы люминесценции, а также резонансную флуоресценцию. Резонансная флуоресценция наблюдается в парах атомов и состоит в спонтанном высвечивании с того же энергетического уровня, на котором оказался излучающий атом при поглощении энергии от источника люминесценции. При возбуждении резонансной флуоресценции светом имеет место резонансное излучение, переходящее в резонансное рассеяние при увеличении плотности паров. Спонтанная люминесценция состоит в том, что под воздействием источника люминесценции вначале происходит возбуждение атомов (молекул или ионов) на промежуточные возбужденные энергетические уровни (Е₂) - Далее с этих уровней происходят излучательные, а чаще безизлучательные (рис. 1) переходы на уровни, с которых излучается люминесцентное свечение. Такой вид люминесценции наблюдается у сложных молекул в парах и растворах, у примесных центров в твердых телах.

Вынужденная (метастабильная) люминесценция характера тем, что под действием источника люминесценции происходит переход на метастабиль-ный уровень, а затем следует переход на метастабильный уровень, а затем следует переход на уровень люминесцентного излучения (рис. 2).

Рис. 2

Примером является фосфоресценция органических веществ. Рекомбинационная люминесценция представляет собой рекомбинационное излучение, которое возникает при воссоединении тех частиц, которые были разделены при поглощении энергии от источника люминесценции (в газах - радикалы или ионы, в кристаллах - электроны и дырки).

Рекомбинационная люминесценция может происходить на дефектных или примесных центрах (центры люминесценции), когда дырки захватываются на основной уровень центра, а электроны - на его возбужденный уровень.

Закономерности люминесценции.

1. Правило Стокса: длина волны фотолюминесценции, как правило, больше, чем длина волны возбуждающего света. В более общей формулировке: максимум спектра люминесценции смещен в длинноволновую сторону от максимума спектра поглощения. С квантовой точки зрения правило Стокса означает, что энергия hv кванта возбуждающего света частично расходуется на неоптические процессы:

hv ⁼ hv_люм + W, т.е. v_люм < v или л_люм > л,

где W - энергия, затраченная на различные процессы, кроме фотолюминесценции.

2. В некоторых случаях фотолюминесцентное излучение имеет в своем спектре длины волн, меньшие длины волны возбуждающего света (ан-тистоксово излучение). Это явление объясняется тем, что к энергии возбуждающего фотона добавляется энергия теплового движения атомов, молекул или ионов люминофора:

hv_люм = hv_погл + akT,

где а - коэффициент, зависящий от природы люминофора, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура люминофора. Антистоксово излучение проявляется все отчетливее оп мере повышения температуры люминофора.

3. Отношение энергии люминесценции к энергии, поглощенной в стационарных условиях люминофором от источника, возбуждающего люминесценцию, называется энергетическим выходом люминесценции.

Квантовым выходом фотолюминесценции называется отношение числа фотонов люминесцентного излучения к числу поглощенных фотонов возбуждающего света при фиксированной энергии последнего. Энергетический выход фотолюминесценции возрастает прямо пропорционально длине волны л поглощаемого излучения, а затем, достигая в некотором интервале при л _макс максимального значения, быстро спадает до нуля при дальнейшем увеличении (закон Вавилова). С увеличением длины волны возбуждающего света растет число фотонов с энергией hv, содержащихся в данной энергии первичного излучения. Поскольку каждый фотон может вызывать появление кванта hv_люм, то с увеличением длины волны происходит возрастание энергетического выхода при л _макс объясняется тем, что энергия поглощаемых фотонов становится недостаточной для возбуждения частиц люминофора.

Согласно закону Вавилова квантовый выход фотолюминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света в стоксовой области (v_возб > v_люм) и резко падает в области антистоксова излучения (v_возб < v_люм).

Величины квантового и энергетического выхода сильно зависят от природы люминофора и внешних условий. Это связано с возможностью бе-зизлучательных переходов частиц из возбужденного в нормальное состояние, так называемое тушение люминесценции. Основную роль в процессах тушения играют столкновения второго рода, в результате которых энергия возбуждения переходит во внутреннюю энергию теплового движения без излучения. Имеет место также резкое уменьшение интенсивности флуоресценции при чрезмерно большой концентрации молекул люминесцирующего вещества, называемое концентрационным тушением. В этом случае из-за сильной связи между частицами невозможно образование центров люминесценции.

4. Интенсивность свечения для спонтанной и метастабильной люминесценции изменяется с течением времени по экспоненциальному закону:

,

где I - интенсивность свечения в момент времени t, I₀ - интенсивность свечения в момент прекращения возбуждения люминесценции, - средняя продолжительность возбужденного состояния атомов или молекул люминофора.

Величина т имеет обычно порядок 10^-9 - 10^-8 сек. В отсутствие тушащих процессов т слабо зависит от условий и определяется в основном внутримолекулярными процессами.

5. Интенсивность рекомбинационного люминесцентного свечения изменяется с течением времени по гиперболическому закону:

,

где а и п - постоянные; величина а лежит в пределах от долей сек^-1 до многих тысяч сек^-1; , где I₀ - интенсивность рекомбинационной люминесценции в момент ее возбуждения; n заключено в пределах от 1 до 2.

В основе люминесцентных методов измерения температуры лежит температурная зависимость интенсивности люминесцентного излучения некоторых люминофоров, которое находит применение в различных датчиках измерения температуры и термопокрытиях.

2. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

2.1 Волоконно-оптические датчики

Волоконно-оптические датчики позволяют измерять многие характеристики лабораторных и промышленных объектов, в частности температуру. Не смотря на то, что их использование достаточно трудоемко, оно дает ряд преимуществ, использования подобных датчиков на практике: безиндукционность (т.е. неподверженность влиянию электромагнитной индукции); малые размеры датчиков, эластичность, механическая прочность, высокая коррозийная стойкость и т.д.

Для измерения температуры с помощью световодов, изготовленных из кварцевого стекла, особенно подходит так называемый эффект Рамана. Свет в стеклянном волокне рассеивается на микроскопически малых колебаниях плотности, размер которых меньше длины волны. В обратном рассеивании можно найти, наряду с эластичной долей рассеивания (излучаемое рассеивание) на одинаковой длине волны, как проникший свет, так и дополнительные компоненты на других длинах волны, которые связаны с колебанием молекул и, тем самым с локальной температурой (комбинационное Рамановское рассеяние).

Волоконно-оптические датчики

Волоконно-оптические датчики (так же часто именующиеся оптические волоконные датчики) это оптоволоконные устройства для детектирования некоторых величин, обычно температуры или механического напряжения, но иногда так же смещения, вибраций, давления, ускорения, вращения (измеряется с помощью оптических гироскопов на основе эффекте Саньяка), и концентрации химических веществ. Общий принцип таких устройств в том, что свет от лазера (чаще всего одномодового волоконного лазера) или суперлюминесцентного оптического источника передается через оптическое волокно, испытывая слабое изменение своих параметров в волокне или в одной или нескольких брэгговских решетках, и затем достигает схемы детектирования, которая оценивает эти изменения.

В сравнении с другими типами датчиков, волокно-оптические датчики обладают следующими преимуществами:

· Они состоят из электрически непроводящих материалов (не требуют электрических кабелей), что позволяет использовать их, например, в местах с высоким напряжением.

· Их можно безопасно использовать во взрывоопасной среде, потому, что нет риска возникновения электрической искры, даже в случае поломки.

· Они не подвержены электромагнитным помехам (EMI), даже вблизи разряда молнии, и сами по себе не электризуют другие устройства.

· Их материалы могут быть химически инертны, то есть не загрязняют окружающую среду, и не подвержены коррозии.

· Они имеют очень широкий диапазон рабочих температур (гораздо больше, чем у электронных устройств).

· Они имеют возможность мультиплексирования; несколько датчиков в одиночной волоконной линии может быть интегрировано с одним оптическим источником (см. ниже).

Сенсоры на основе брэгговских решеток

Волоконно-оптические датчики зачастую основаны на волоконных брэгговских решетках. Основной принцип многих волоконно-оптических датчиков в том, что брэгговская длина волны (т.е. длина волны максимального отражения) в решетке зависит не только от периода брэгговской решетки, но также от температуры и механических напряжений. Для кварцевых волокон изменение брэгговской длины волны на единицу деформации примерно на 20% меньше, чем растяжение, так как есть влияние деформации на уменьшение показателя преломления. Температурные эффекты близки к ожидаемым только при тепловом расширении. Температурные и деформационные эффекты могут различаться при использовании различных технических средств (например, при использовании эталонной решетки, которая не подвержена деформации, или применении различных типов волоконных решеток) так, что оба значения регистрируются одновременно. Для регистрирования только деформации, разрешающая способность достигает нескольких µе (т.е. относительное изменение длин порядка) при этом точность имеет тот же порядок малости. Для динамических измерений (например, акустический явлений), достигается чувствительность большая чем 1 ме в 1 Hz полосы пропускания.

Распределенное зондирование

Другие оптоволоконные датчики не используют волоконные брэгговские решетки как сенсоры, используя в качестве сенсоров само волокно. Принцип зондирования в них основан на эффекте Рэлеевского рассеяния, Рамановского рассеяния или рассеяния Бриллюэна. Например, метод оптической рефлектометрии временной области, где положение области со слабым отражением может быть определено с использованием импульсного зондирующего сигнала. Этот метод используется также для определения других величин, например температуры или напряжения в зависимости от сдвига частоты Бриллюэна.

В некоторых случаях, измеряемая величина является средним значением по всей длине волокна. Этот метод характерен для некоторых температурных датчиков, а также для интерферометров, основанных на эффекте Саньяка, применяемых в качестве гироскопов. В других случаях измеряются позиционно-зависимые величины (например, температура или напряжение). Это называется распределенным зондированием.

Квази-распределенное зондирование

Определенные волокна могут содержать серию решеток сенсоров (см. выше) для мониторинга температуры и распределения деформации по всему волокну. Это называется квази-распределенным зондированием. Существуют различные технические решения для адресации только к одной решетке (и таким образом точного определения положения вдоль волокна)

В одном способе, называющимся мультиплексирование с разделением по всей длине волны (WDM), или оптической рефлектометрии в частотной области спектра (OFDR), решетки имеют немного различающуюся брэгговскую длину волны. Длина волны перестраиваемого лазера в блоке интегрирования может быть настроена на длину волны, принадлежащую к определенному типу решетки, а длина волны максимального отражения указывает на влияние деформации или, например температуры. Кроме того широкополосные источники света источники света (например суперлюминесцентные источники) могут быть использованы совместно со сканирующим длину волны фотодетектором (например на основе волоконного резонатора Фабри-Перо) или на основе CCD спектрометра. В любом случае, максимальное количество решеток, как правило, не превышает 10-50, что ограничено диапазоном настройки пропускной способности источника света и необходимой разностью длин волн в решётках волокна.

- Другой метод, называемый временным разделением каналов (TDM), использует идентичные слабоотражающие решетки, в которые посылаются короткие световые импульсы. Отражение от различных решеток регистрируют посредством времени их поступления. Временное разделение каналов (TDM) часто используют вместе с разделением по всей длине волны (WDM) для того, чтобы умножить число различных каналов в сотни или даже тысячи раз.

Другие подходы

Помимо выше описанных подходов, есть много альтернативных методов. Вот некоторые из них:

· Волоконные брегговские решетки могут быть использованы в интерференционных оптических волокнах, где они используются только в качестве отражателей, и измеряют фазовый сдвиг, зависящий от расстояния между ними.

· Существуют лазерные брэгговские сенсоры, где датчик решетки располагается в последнем зеркале волоконно - оптического резонатора лазера, на основе волокна допированного эрбием, которое воспринимает свет накачки на длине волны 980 нм через волокно. Брэгговская длина волны, которая зависит, например, от температуры или механического напряжения, определяет длину волны генерации. Этот подход, который имеет много вариантов дальнейшего развития, обещает принести высокие результаты из-за узкой полосы спектральной области, которая характерная для волоконного лазера, и высокой чувствительности.

· В некоторых случаях, пары брэгговских решеток используются в качестве волокна для интерферометров Фабри-Перо, которые могут реагировать особо чувствительно на внешние воздействия. Интерферометр Фабри-Перо можно изготовить так же другим способом, например, используя переменный воздушный зазор в волокне.

· Длиннопериодные решетки особенно интересны для зондирования нескольких параметров одновременно (например, температуры и напряжения) или иначе, для альтернативного определения деформации при очень низкой чувствительности к температурным изменениям.

Области применения

Даже по прошествии нескольких лет развития, волоконно-оптические датчики до сих пор не пользуются большим коммерческим успехом, так как трудно заменить применяемые сейчас технологии, даже если они имеют определенные ограничения. Хотя в некоторых областях применения, волоконно-оптические датчики получают все большее признание, как технология с большим потенциалом интересных возможностей. Это, например, работа в жестких условиях, таких как зондирование в устройствах с высоким напряжением, или в СВЧ печах. Сенсоры на основе брэгговских решеток могут также быть использованы, например, для мониторинга условий, внутри крыльев самолетов, в ветровых турбинах, мостах, больших плотинах, нефтяных скважинах, и трубопроводах. Здания с встроенными волоконно-оптическими датчиками иногда называют «умными конструкциями», датчики в них осуществляют контроль деформации внутри различных частей конструкции, и получают данные об этих изменениях, например износе, вибрации и.т.д. Умные конструкции являются основной движущей силой для развития волоконно-оптических датчиков.

По материалам интернет-энциклопедии www.rp-photonics.com

2.2 Датчик на основе теплового излучения

В качестве устройств для измерения температуры могут быть использованы волоконно-оптические датчики на основе теплового излучения, сущность которых состоит в следующем. Изучаемое вещество при температуре большей 0 К вследствие тепловых колебаний атомов и молекул испускает тепловое излучение. Энергия излучения увеличивается по мере повышения температуры, а длина волны, на которой излучение максимально, уменьшается. Соответственно для определения температуры можно использовать формулу Планка для энергии теплового излучения черного тела на фиксированной длине волны или в диапазоне волн.

Основным преимуществом данного способа является возможность бесконтактного измерения высоких температур. В зависимости от диапазона измеряемых температур выбирают световые детекторы и оптические волокна. Область измерения температур для волоконно-оптических датчиков излучения находится в пределах от 400 до 2000 °С. При использовании оптических волокон, прозрачных для инфракрасных лучей с длиной волны 2 мкм и более, можно осуществлять измерение и более низких температур.

2.3 Датчик на основе поглощения света полупроводником

Известны также волоконно-оптические датчики, работа которых основана на оптических свойствах некоторых полупроводников. Используемый полупроводник имеет граничную длину волны спектра оптического поглощения. Для света с более короткой длиной волны, чем у проводника, поглощение усиливается, причем по мере роста температуры граничная длина волны отодвигается в сторону более длинных волн (около 3 нм/К). При подаче на полупроводниковый кристалл луч от источника света, имеющего спектр излучения в окрестности указанной границы спектра поглощения, интенсивность света, проходящего через светочувствительную часть датчика, с повышением температуры будет падать. По выходному сигналу детектора, указанным методом можно регистрировать температуру.

Используя данный метод можно мерить температуру в интервале от 30 до 300 °С с погрешностью ±0,5 °С.

2.4 Датчик на основе флуоресценции

Данный датчик устроен следующим образом. На торец оптического волокна светочувствительной части нанесено флуоресцентное вещество. Флуоресцентное излучение, возникающее под воздействием ультрафиолетовых лучей, проводимых оптическим волокном, принимается этим же волокном. Температурный сигнал выявляется путем вычисления отношения соответствующих значений интенсивности флуоресцентного излучения для сигнала с длиной волны, сильно зависящего от температуры к интенсивности сигнала с другой длиной волны, слабо зависящего от температуры.

Область измеряемых температур таким датчиком находится в пределах от -50 до 200° С с погрешностью ±0,1 °С.

3. ТЕРМОПОКРЫТИЯ

3.1 Общие сведения о термопокрытиях

Необходимость получения информации о поле температур на поверхности объектов сложной геометрической формы привела к появлению новых методов измерения температуры. В частности, в последнее время особое внимание уделяется разработке различных термических покрытий на основе специальных красителей, наносимых на изучаемую поверхность, и позволяющих получить информацию по всему полю температур одновременно. Метод индикации температуры с помощью термочувствительных покрытий подкупает простотой, рентабельностью и широтой возможностей при измерениях.

Применение термочувствительных покрытий особенно эффективно для исследования распределения температуры в печах различного назначения, в том числе для обжига породы в производстве минеральных удобрений, в газовых и паровых турбинах и т.п. Основными потребителями являются промышленность стройматериалов, производство минеральных удобрений, турбостроение, электронная и авиационная промышленности. Наибольший интерес представляют многопозиционные цветовые термоиндикаторы. Патентные исследования с глубиной поиска 20 лет показали, что ведущими странами в разработке термоиндикаторов являются Великобритания, США, Франция, Германия, Япония. Обнаружено, что патентов на многопозиционные термоиндикаторы, которые служат для контроля температурных полей, не существует. Имеются патенты Германии, Великобритании, США на термоиндикаторы, имеющие один цветовой переход, которые нельзя использовать для контроля температурных полей, а лишь для определения температуры в конкретной точке.



Существует четыре основных типа термоиндикаторов:

а) композиции, изменяющие цвет при определенной температуре, называемой критической или температурой перехода;

б) композиции, плавящиеся при определенной температуре;

в) жидкокристаллические термоиндикаторы, в определенном интервале температур переходящие в жидкокристаллическое состояние, обладающее свойством при незначительном изменении температуры так изменять свою структуру, что падающий на них луч света разлагается и отражается с изменением цвета.

г) люминесцирующие композиции, яркость или цвет свечения которых зависит от температуры.

К первому типу относятся специальные покрытия, включающие термочувствительные пигменты.

Ко второму типу относятся карандаши, лаки, таблетки и т. п., содержащие компоненты, при плавлении которых они становятся прозрачными.

К третьему типу относятся люминофоры, которые либо «гаснут» при определенной температуре, либо яркость и цвет их свечения строго зависят от температуры.

По своим физико-химическим превращениям термоиндикаторы подразделяются на три группы: обратимые, необратимые и квазиобратимые.

К обратимым относятся термоиндикаторы, которые изменяя цвет при нагревании до температуры перехода или выше ее, восстанавливают первоначальную окраску при понижении температуры ниже критической.

Необратимыми являются такие, в которых при нагревании происходят необратимые процессы (химические или физические), в результате чего первоначальный цвет после последующего охлаждения не восстанавливается.

Квазиобратимыми называют термоиндикаторы, которые, изменяя свой цвет при нагревании до температуры перехода или выше, восстанавливают его при последующем понижении температуры постепенно под действием влаги. Они могут применяться многократно.

3.2 Покрытия, изменяющие цвет

Как правило, все лакокрасочные покрытия при нагревании изменяют первоначальную окраску (выцветают). Здесь можно сослаться на классическую работу С. И. Вавилова. Однако это нежелательное явление может быть использовано как термометрическое свойство. Конечно, не все вещества пригодны для индикации температуры. Термоиндикаторами являются лишь такие соединения, которые быстро и четко изменяют свой первоначальный цвет при критической температуре.

К термоиндикаторам предъявляются следующие требования: цвета покрытия до воздействия критической температуры и после него должны различаться; изменение цвета должно происходить в узком температурном интервале и температура перехода должна быть стабильной; изменение цвета должно происходить достаточно быстро (менее чем за 0,1 -- 1 сек); должно отсутствовать вредное влияние на объект измерения; происходящие превращения не должны сопровождаться выделением вредных газов.

По принципу действия термочувствительные покрытия можно подразделить на следующие основные виды: покрытия с химическим взаимодействием компонентов; покрытия, в которых происходит плавление компонентов; поверхностно-градиентные покрытия; термохромные покрытия.

Термоиндикаторы с химическим взаимодействием компонентов. Для этого типа термоиндикаторов изменение цвета пленок связано с изменением химического состава или строения кристаллической решетки термочувствительных пигментов (изменением кислотности, кристаллической структуры, прохождением реакций дегидратации, термического разложения и твердофазных).

Существуют термоиндикаторы, которые в процессе нагревания могут многократно изменять цвет; некоторые претерпевают до 12 изменений цвета. Для их изготовления используются смеси термочувствительных пигментов.

Существенный недостаток этих пигментов в том, что они вызывают коррозию металлов, на которые наносятся, так как эти металлы реагируют с йодидами, вытесняя ртуть. В связи с этим при их непосредственном нанесении необходимо защищать металлическую .поверхность или наносить их на ленты из ткани, бумаги, нержавеющей фольги и т. п., которые затем следует наклеивать на интересующий нас участок поверхности.

3.3. Термоиндикаторы плавления и на основе жидких кристаллов

Плавящиеся покрытия. Термоиндикаторы плавления представляют собой материалы, суспензированные в инертном растворителе или связующем. Их выпускают в виде термокарандашей (мелков), термолаков, термотаблеток. В качестве индикаторных материалов для низкотемпературных образцов применяются воск, стеарин, парафин, а для средне- и высокотемпературных-- соединения серы, цинка, свинца, меди и т.п.

Термокарандаши представляют собой термочувствительные цветные мелки, имеющие калиброванные точки плавления. При измерениях термокарандашом на исследуемую поверхность наносится риска, которая плавится при достижении поверхностью определенной температуры. Следует иметь в виду, что в процессе нагревания метки карандаша постепенно изменяют свой цвет. Однако в отличие от термочувствительных карандашей, изменяющих цвет при определенной температуре, изменение цвета этого вида карандашей не является сигналом о достижении поверхностью какой-то определенной температуры. Для термокарандашей плавления значение температуры может быть получено только при изменении агрегатного состояния (переходе от твердого к жидкому).

Термолак состоит из веществ, близких по своему составу к индикаторным веществам термокарандашей плавления. Эти вещества взвешены в химически инертном растворителе. Лак на поверхности образует шероховатое непрозрачное покрытие. При определенной температуре пленка плавится, образуя глянцевую цветную или прозрачную поверхность.

Термоиндикаторные таблетки (или порошок) того же состава, что и карандаши и лаки, помещаются на рабочую поверхность. Появление на линии контакта таблетки (порошка) с поверхностью признаков плавления свидетельствует о достижении поверхностью определенной температуры. Эти термоиндикаторы необратимы.

Термосвидетели. К этому виду индикаторов температуры относятся пластинки (кубики) из чистого металла либо из сплава с калиброванной температурой плавления. При определении температуры набор этих кубиков нанизывается на тугоплавкую проволоку, которая крепится в требуемой зоне. По мере достижения некоторого фиксированного значения температуры кубик плавится, свидетельствуя о том, что эта температура достигнута. Варьируя составом веществ, можно получить термосвидетели на весьма значительный температурный интервал. К термосвидетелям могут быть отнесены и специальные наклейки -- кусочки из пластмассы, которые чернеют в диапазоне температур 100--500° С. Точность, с которой можно фиксировать температуру с помощью этих наклеек, составляет Термосвидетели относятся к необратимым термоиндикаторам.

Поверхностно - градиентные покрытия. Этот тип термоиндикаторов составляют так называемые жидкие кристаллы. Некоторые органические соединения образуют жидкие кристаллы, которые одновременно обладают свойствами жидкости (большая текучесть, способность находиться в каплевидном состоянии) и твердого кристаллического тела (анизотропия).

В качестве термоиндикаторов могут быть использованы жидкие кристаллы стеринового ряда (холестерин). При изменении температуры на сотые доли градуса свет, отраженный от покрытия из жидких кристаллов, резко меняет спектральный состав.

Холестериновые жидкие кристаллы имеют винтообразную закрученную структуру; этим, видимо, объясняется их сильная оптическая активность.

Жидкие кристаллы бывают двух видов: кристаллы (к ним относятся и холестерины), вязкость которых близка к вязкости воды, и кристаллы, вязкость которых примерно в 10 раз больше. Жидкие кристаллы образуют органические соединения, молекулы которых имеют удлиненную палочкообразную форму.

Как правило, жидкие кристаллы-термоиндикаторы образуются сложными эфирами холестерина.

Но бывают термочувствительные жидкие кристаллы, не относящиеся к соединениям холестерина.



3.4 Люминесцентные покрытия

Люминесцирующими веществами -- люминофорами -- являются вещества, способные излучать свет под действием различного рода возбуждений.

Само слово «люминофоры» не связано с температурой («люмен» -- свет, «форос» -- несущий), однако у этого вида термоиндикаторов оказалось возможным использовать в качестве термометрического свойства нежелательную в общем случае зависимость некоторых их характеристик от температуры. Во-первых, изменение яркости свечения при постоянном возбуждении люминофора, причем эта зависимость может быть очень резкой. Например, смесь сульфидов цинка и кадмия, активированная серебром (ZnSCdS*Ag), изменяет свою эмиссионную способность на 20% при изменении температуры на 1 °С. Во-вторых, для каждого люминофора существует строго определенная температура, при которой он перестает светиться, причем для известных веществ диапазон температур очень широк. Например, для свинцовистого бария, активированного вольфрамом (ВаРЬ*W), эта температура равна минус 100° С, а для окиси алюминия, активированной хромом (синтетический рубин Al2O3*Сr), она достигает 1000°С. В-третьих, резкое изменение цвета свечения. Например, сульфид цинка, активированный марганцем (ZnS*Mn), светящийся при комнатной температуре голубым цветом, при температуре 90 °С излучает желтое свечение. В-четвертых, изменение цветового тона свечения. Эта зависимость имеет место для большой группы люминофоров.

Для индикации температуры, как правило, используются фотолюминофоры (возбуждение ультрафиолетовым и видимым светом), что связано с большей доступностью источника возбуждения. Оптимальным источником возбуждения является ультрафиолетовое излучение с длиной волны 0,365 мкм² .

Флуоресцирующими веществами, применяемыми в качестве термоиндикаторов, могут быть как органические красители, например, родамин

так и неорганические, например сернистый цинк или его смесь с сернистым кадмием.

Однако чаще для индикации температуры применяются вещества, обладающие фосфоресцирующими свойствами. Это высококристаллические материалы, которые обозначаются формулами типа MeR*A (МеR -- основа люминофора; А -- активатор). Например, кроме уже упомянутых выше веществ, для этих целей используются ZnS(48)CdS(52)*Ag(0,01)--смесь сульфидов цинка и кадмия, активированная серебром (в скобках приводится весовое содержание компонентов в процентах); ZnS(60)ZnSe(40) --сульфид цинка с cеленидом цинка; ZnS(60)ZnSe(40)*Ag(0,005) -- смесь сульфида цинка с селенидом цинка, активированная серебром; ZnS(60)ZnSe(40)*Сu(0,005) -- смесь сульфида цинка с селенидом цинка, активированная медью; ZnS(88)Сd(12)*Сu(0,008)--смесь сульфидов цинка и кадмия, активированная медью; ZnS*Ag(0,01)*Cu(0,005) --сульфид цинка, активированный серебром и медью; ZnS*Мn(0,06) --сульфид цинка, активированный марганцем. Варьируя состав базы люминофора и особенно активатор и его концентрацию, можно получить требуемую зависимость температуры от интенсивности свечения, цветового тона, а также критическое значение температуры, при которой люминофор перестает светиться или резко изменяет цвет свечения.

При возбуждении люминофора энергия поглощается как на уровнях активатора, так и в основном веществе люминофора. В первом случае происходит возбуждение электронов атома активатора. Возвращение их в основное состояние сопровождается излучением света с длиной волны, характерной для данного активатора. У этого типа люминофоров, называемого характеристическим, электронные переходы, связанные с поглощением и излучением энергии, происходят внутри иона активатора, который входит в кристаллическую решетку основы люминофора. Этот класс люминофоров характеризуется экспоненциальным законом затухания.

Во втором случае энергия, поглощенная в основе люминофора, передается ионам активатора. Процесс передачи энергии осуществляется переносом электронов и дырок, а излучение происходит в результате рекомбинации свободных электронов с любым центром свечения. Этот класс люминофоров характеризуется сложным законом затухания люминесценции. Первая кратковременная стадия процесса затухания происходит по экспоненциальному закону, а на дальнейшей стадии затухание продолжается по гиперболическому закону. В этой области интенсивность свечения зависит от температуры. Люминофоры являются обратимыми термоиндикаторами.

Люминоформы начали применять для индикации температуры в 50-е годы. Первые фотолюминесцентные пигменты были разработаны в Германии в 1940-- 1942 гг. В 1945 г. впервые оговорен был способ получения флуоресцентных пигментов в США. В последующие годы их разработка и производство развивались быстрыми темпами. В Англии и Франции люминофоры появились позже. Значительно развито производство люминофоров в Японии. Американская компания Eastman Kodak выпускает ряд люминофоров на достаточно широкий температурный интервал с высокой чувствительностью: при изменении температуры на 1 °C яркость свечения меняется на 20%. Американская фирма U.S. Radium выпускает люминофоры, перекрывающие диапазон температур 25-400 °С. Их чувствительность также высока. Например, Для одного из них, работающего в диапазоне 25--70 °С, 25%-ное падение яркости свечения соответствует изменению температуры на 1 °С.

Высокая чувствительность этого типа термоиндикаторов, их безинерционность является несомненным достоинством люминофоров. Однако по сравнению с другими приведенными типами они имеют существенные недостатки:

а) необходимость облучения покрытия ультрафиолетовым светом, что само по себе не вызывает трудностей, но требует наличия источника ультрафиолетового излучения;

б) необходимость поддержания постоянной интенсивности потока возбуждения, так как яркость свечения люминофора зависит от возбуждения;

в) необходимость фиксировать изменение свечения на пленке, поскольку люминофоры являются обратимыми термоиндикаторами, что также требует применения дополнительной аппаратуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленный в работе обзор информации по люминесцентным методам измерения температуры дает право утверждать, что эти методы являются перспективными и востребованными.

В основе люминесцентных методов измерения температуры лежит температурная зависимость интенсивности люминесцентного излучения некоторых люминофоров. На базе этого свойства и построена работа люминесцентных оптоволоконных датчиков и термопокрытий.

В сравнении с другими типами датчиков, волоконно-оптические датчики обладают рядом преимуществ. Это электрическая нейтральность, коррозийная стойкость, неподвержены электромагнитным помехам.

Хотя люминесцентные оптоволоконные датчики более сложные в использовании, но они дают более точные показания нежели другие виды датчиков.

Термопокрытия дают возможность получать информацию о поле температур на поверхностях сложной геометрической формы одновременно.

Этот метод очень широко применяется в авиационной и космической, химической и других отраслях промышленности. Термопокрытия достаточно просты в использовании и дают большую точность измерения(25%-ное падение яркости свечения может соответствует изменению температуры на 1 °С.), а также являются безинерционными, что является очень важной характеристикой при измерении температуры.

Из вышеприведенного обзора очевидна необходимость дальнейшей разработки и совершенствования технологий измерения температуры с использованием люминесцентных методов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрамович Б.Г. Термоиндикаторы и их применение. - М.: Энергия, 1972.

2. Большая советская энциклопедия, (эл. версия).

3. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976.

4. Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. Пер. с нем., М.: Металлургия, 1980

Размещено на Allbest.ru

...