Акустическая термометрия
В статье рассматривается применение ультразвуковых датчиков для измерения температуры воздуха в банке из-под оливок.
Акустическая термометрия является не до конца изученным и элегантным методом, позволяющим измерять температуру по времени прохождения звука в среде [1—4]. При анализе этого метода измерений следует принять во внимание следующие особенности:
– акустические термометры функционируют в условиях, непригодных для работы традиционных датчиков;
– температура воздуха измеряется по скорости звука;
– атмосферное давление не является значимой переменной;
– необходимо очень внимательно проектировать измерительный тракт;
– для уменьшения влияния шума и паразитных сигналов может использоваться стробирование сигналов;
– микропроцессор обеспечивает калибровку системы с разрешением 1°F.
Среда может быть твердой, жидкой или газообразной. Акустические термометры работают практически в любой окружающей среде, включая экстремальные температуры, механические перегрузки, в ядерных реакторах, т.е. в условиях, неприемлемых для работы традиционных датчиков. Установлено, что скорость звука в воздухе пропорциональна квадратному корню из температуры. Время прохождения звукового сигнала через газовый термометр практически не зависит от давления и влажности. Газовые акустические термометры отличаются быстротой реакции на изменение температуры. Они являются практически безынерционными устройствами.
В измерениях принимает участие весь корпус акустического термометра. Полученные данные соответствуют времени прохождения звукового сигнала по всему измерительному тракту. Традиционные датчики, наоборот, проводят измерения в одной точке. Таким образом, акустический термометр не реагирует на изменения температуры в отдельных точках измерительного тракта. Он аппроксимирует среднюю температуру по всему тракту по задержке звукового сигнала, полученной в ходе изотермических и неизотермических измерений.
Демонстрацию принципа действия акустического термометра начнем с выбора звукового датчика и измерительного тракта со стабильными размерами. Широкополосные ультразвуковые датчики характеризуются хорошим быстродействием, высокой точностью передачи звуковых сигналов, низким джиттером, отсутствием резонансных и других паразитных потерь. Электростатический ультразвуковой датчик (см. рис. 1) обладает всеми перечисленными свойствами [5].
Ультразвуковой датчик в этой системе работает как приемник и передатчик. Устройство жестко монтируется на металлической крышке стеклянного корпуса. Это соединение должно быть прочным, чтобы обеспечить стабильность измерительного тракта по размерам. В рассматриваемом примере используется металлическая крышка и стеклянная банка. Атмосферное давление практически не оказывает какого-либо влияния на измерение времени прохождения сигнала.
Поместим пустую банку в печь с температурой 100°С. Выводы датчика проходят через крышку через специальный коаксиальный разъем. Стеклянный корпус характеризуется сравнительно низким коэффициентом теплового расширения. Эта конструкция обеспечивает устойчивость длины измерительного тракта к изменениям температуры, давления, а также к механическим воздействиям. Длина пути сигнала (прямого и отраженного) составляет около 12 дюймов. Скорость звука в воздухе равна 1,1 фут/мс (1 фут = 0,305 м).
Таким образом, время прохождения звука до дна банки и обратно составляет 900 мкс. При 75°F изменение времени прохождения звуковым сигналом пути, длина которого не зависит от температуры, составляет 1 мкс/°F. Для разрешения 0,1°F разбросы механических и электрических параметров не должны приводить к временным ошибкам, большим 100 нс, что, в свою очередь, определяет требования к стабильности размеров измерительного тракта, которая при длине пути 12 дюймов должна составлять 0,001 дюйм. Проанализировав все источники погрешностей, можно убедиться в реалистичности требования обеспечить такую стабильность.
При подаче напряжения смещения 150 В на датчик он ведет себя как конденсатор (см. рис. 2). Стартовый импульс тактирующего устройства запускает датчик, который посылает короткий импульсный звуковой сигнал в измерительный тракт. Тактирующее устройство одновременно с этим устанавливает мультивибратор, отвечающий за ширину выходного импульса, в высокое состояние. Ультразвуковой импульс отражается от дна банки, возвращается и воздействует на датчик, что приводит к возникновению очень небольшого механического смещения. Это, в свою очередь, изменяет емкость датчика. В соответствии с уравнением Q = C∙V, где Q — заряд, C — емкость, V — напряжение, изменение емкости ведет к изменению напряжения на входе усилителя приемника.
Компаратор преобразует изменение выходного сигнала усилителя в соответствующий логический сигнал, сбрасывающий мультивибратор, который отвечает за формирование импульса определенной ширины. Ширина выходного импульса мультивибратора определяется временем прохождения звуковым сигналом измерительного тракта, зависящим от температуры. В программу микропроцессора заложены калибровочные константы, определяющие зависимость времени задержки сигнала и температуру измерительного тракта. Микропроцессор использует их для расчета температуры по ширине импульса и отображает полученную информацию на дисплее.
Использование второго выхода тактирующего устройства, отключающего выход компаратора на большую часть цикла измерения, позволяет пропускать сигнал компаратора только в то время, когда ожидается возвращение звукового импульса. Это позволяет устранить ложные срабатывания системы на звуковые события, происходящие вне измерительного тракта. Амплитуда поступившего на усилитель сигнала составляет менее 2 мВ. Широкополосный усилитель приемника, работающий в режиме больших коэффициентов усиления, уязвим для паразитных входных сигналов, поэтому на время проведения измерений необходимо отключать 150-В источник напряжения смещения, чтобы исключить влияние всплесков при переключении, способных вывести усилитель из строя. Второй сигнал стробирования снимается с мультивибратора, формирующего выходной импульс определенной ширины. Этот сигнал и отключает на время измерения 150-В источник напряжения смещения.
Цикл измерения начинается со стартового импульса, запускающего датчик (см. диаграмму А на рисунке 3) и переводящего выход мультивибратора в высокое состояние (диаграмма В). Как только звуковой импульс возвращается в приемник, запускается усилитель (диаграмма С), компаратор меняет свое состояние на противоположное, что вызывает сброс мультивибратора (диаграмма D). Сигналы стробирования защищают компаратор от срабатывания на посторонние звуковые события и на ложные стартовые импульсы, а также отключают высоковольтный регулятор на время измерений (диаграммы Е и F).
Кварцевый генератор формирует тактовые импульсы частотой 100 Гц (см. рис. 4). Одновибратор ICA подает импульс длительностью 10 мкс на драйвер, состоящий из ключей Q1 и Q2. Через емкостную связь стартовый импульс с выхода драйвера передается в ультразвуковой датчик (см. диаграмму А на рисунке 5). Тот же одновибратор одновременно с этим переводит выходы мультивибратора в высокое состояние. Высокий уровень выходного сигнала мультивибратора отключает высоковольтный импульсный регулятор на время измерений. Второй одновибратор (ICB) генерирует еще один импульс, отключающий выход микросхемы компаратора IC1 на время несколько меньшее, чем прогнозируемое время возвращения звукового импульса (диаграмма В).
Звуковой сигнал проходит весь измерительный тракт и, вернувшись, воздействует на датчик. При этом возникают биения. Импульсный регулятор смещает датчик постоянным напряжением 150 В. Он работает как каскодная схема, состоящая из внутреннего транзистора ИС и высоковольтного транзистора Q3. Такое большое напряжение смещения позволяет преобразовывать малые изменения емкости за счет незначительного смещения диафрагмы в существенные изменения напряжения. Эти изменения напряжения подаются на усилитель приемника. Емкостная развязка высоковольтного регулятора от датчика и диоды защищают систему от разрушительных перегрузок.
Каскадный усилитель приемника обеспечивает суммарный коэффициент усиления порядка 17600. Работу усилителя можно протестировать, отслеживая сигнал на низкоимпедансном выходе ОУ А2 (диаграмма С). Последним каскадом усилителя является ОУ А3, который еще усиливает полученный сигнал. Выход усилителя подключен к компаратору IC1, который срабатывает (диаграмма D), как только сигнал на выходе усилителя превысит отрицательный входной пороговый уровень. Срабатывание компаратора сбрасывает мультивибратор, генерирующий выходной импульс, ширина которого пропорциональна времени прохождения звуковым сигналом сигнального тракта, зависящего от температуры. Выходной импульс далее передается в микропроцессор, который по его длительности определяет температуру и отображает ее на дисплее [6].
Рассмотрим подробнее изображение на осциллографе в момент, соответствующий возврату звукового сигнала (см. рис. 6). На экране виден сигнал усилителя на выходе ОУ А2 (диаграмма А). Каскад А3 еще усиливает сигнал, мягко загоняя его в режим насыщения (диаграмма В), что ведет к многократным срабатываниям компаратора IC1 (диаграмма С). Однако выходной сигнал мультивибратора не реагирует на это, оставаясь в низком состоянии после первого срабатывания компаратора, что обеспечивает точность измерения времени прохождения звуковым сигналом всего измерительного тракта (диаграмма D).
Стробирование высоковольтного регулятора смещения позволяет избежать помех на выходе усилителя, связанных с импульсными помехами. Стартовый импульс устанавливает выход мультивибратора в высокое состояние (см. диаграмму А на рисунке 7) и отключает высоковольтный импульсный регулятор на время проведения измерений (диаграмма В).
Такое состояние удерживается в течение всего времени прохождения звукового сигнала по измерительному тракту, что предотвращает ошибки из-за случайного срабатывания компаратора. Возвращение звукового импульса на датчик сбрасывает мультивибратор (см. диаграмму А на рисунке 8). Выходной сигнал мультивибратора подается в схему, которая управляет работой импульсного регулятора через вывод VC, задерживающий подачу высоковольтного импульсного напряжения до окончания измерительного периода (диаграмма В), что позволяет получить выходной сигнал без помех.
Стробирование выхода компаратора предотвращает его срабатывание от внешних звуковых источников, а стробирование 150-В преобразователя защищает усилитель приемника от разрушительного действия его гармоник. Напряжение смещения (150 В) определяет величину возвращающегося сигнала. Чем оно выше, тем больше амплитуда возвращающегося сигнала. Отключение регулятора на время измерения не сказывается на работе системы. Как показывает опыт, напряжение на выходном конденсаторе емкостью 1 мкФ за это время падает только на 30 мВ, т.е. приблизительно на 0,02%. Такое изменение напряжения является незначительным, и им можно пренебречь.
Использование одного источника питания на 15 В для управления компаратором и формирования стартового импульса повышает стабильность работы схемы, т.к. напряжение компаратора меняется в соответствии с амплитудой поступающего на усилитель сигнала. В системе используется широкополосный высокочувствительный датчик, который обеспечивает хорошую воспроизводимость и отсутствие фазовых искажений. Все это обеспечивает 100-нс, 0,1°F разрешение системы при времени прохождения сигнала равном 1 мс, что соответствует неопределенности 100 промилле. Таким образом, для откалиброванной системы абсолютная точность в интервале 60…90°F не превысит 1°F.
На рисунке 9 показаны результаты эксперимента, в котором приемник датчика срабатывал на множественные звуковые импульсы. Эксперимент проводился для смягчения допусков на синхронизацию. Он показал, что со временем из-за рассеяния звука внутри стеклянной банки возвращающиеся импульсы превращаются в обычный шум. Запуск компаратора по последнему импульсу, конечно, смягчает требования по синхронизации, но делает неприемлемым отношение сигнал/шум. Эта проблема решается с помощью специальных методов обработки сигнала, однако следует учитывать их влияние на разрешение всей системы.
Методы и приборы для измерения температуры
Что такое температура
Измерение температуры — предмет теоретической и экспериментальной дисциплины — термометрии, часть которой, охватывающая температуры свыше 500° С, называется пирометрией.
Наиболее общее строгое определение понятия температуры, следующее из второго начала термодинамики, формулируется выражением:
где Т — абсолютная температура изолированной термодинамической системы, d Q — приращение тепла, сообщаемого этой системе, и d S — приращение энтропии этой системы.
Приведенное выражение интерпретируется следующим образом: температура есть мера приращения тепла, сообщенного изолированной термодинамической системе и соответствующего приращению энтропии системы, происходящему при этом, или, иначе говоря, возрастанию неупорядоченности ее состояния.
В статистической механике, описывающей фазы системы с учетом микропроцессов, протекающих в макросистемах, понятие температуры определяется через выражение распределения частиц молекулярной системы между рядом невырожденных энергетических уровней (распределения Гиббса).
Такое определение (согласующееся с предыдущим) подчеркивает вероятностный, статистический аспект понятия температуры как основного параметра микрофизической формы передачи энергии от одного тела (или системы) к другому, т. е. хаотического теплового движения.
Малая наглядность строгих определений понятия температуры, справедливых к тому же только для термодинамически равновесных систем, привела к широкому распространению «утилитарного» определения, исходящего из существа явления передачи энергии: температура — это тепловое состояние тела или системы, характеризующееся его способностью обмениваться теплом с другим телом (или системой).
Эта формулировка применима и к термодинамически неравновесным системам, и (с оговорками) к психофизиологическому понятию «сенсорной» температуры, непосредственно воспринимаемой человеком с помощью органов термического осязания.
«Сенсорная» температуpa субъективно оценивается человеком непосредственно, но лишь качественно и в относительно узком интервале, физическая же температуpa измеряется количественно и объективно, с помощью измерит, приборов, но только косвенно — по значению какой-либо физической величины, зависящей от измеряемой температуры.
Поэтому в последнем случае устанавливают какое-либо опорное (реперное) состояние выбранной для этой цели температурозависимой физической величины и приписывают ему некоторое определенное числовое значение температуры с тем, чтобы любое изменение состояния выбранной физической величины относительно опорного могло быть выражено в единицах температуры.
Совокупность значений температуры, соответствующих ряду последовательных изменений состояния (т. е. ряду значений) выбранной температурозависимой величины, образует температурную шкалу. Наиболее распространенные температурные шкалы: Цельсия, Фаренгейта, Реомюра, Кельвина и Ранкина.
Температурные шкалы Кельвина и Цельсия
Оказалось, что она в большой степени зависит от атмосферного давления. Цельсий предложил оговорить давление при градуировке шкалы и весь температурный диапазон разбил на 100, но отметку 100 присвоил точке таяния льда. Позднее швед Линней или немец Штрёмер (по разным источникам) поменяли обозначения опорных точек.
Так появилась широко применяемая теперь температурная шкала Цельсия. Ее калибровка производилась при нормальном атмосферном давлении 1013,25 гПа.
Температурные шкалы создавались Фаренгейтом, Реомюром, Ньютоном (последний неосторожно выбрал опорной точкой температуру тела человека. Что ж, и великие ошибаются!) и многими другими. Они не выдержали испытания временем.
Температурная шкала Цельсия принята на I Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 г. В настоящее время градус Цельсия — официальная единица измерения температуры, установленная Международным комитетом мер и весов, но с некоторыми уточнениями в определении.
Согласно приведенным доводам нетрудно заключить, что температурная шкала Цельсия не является плодом деятельности одного человека. Цельсий был лишь одним из последних участвовавших в ее разработке исследователей и изобретателей. До 1946 г, шкала называлась просто стоградусной. Только тогда Международный комитет мер и весов присвоил градусу стоградусной шкалы наименование «градус Цельсия».
Несколько слов о рабочем теле термометров. Первые создатели приборов естественно стремились расширить их рабочий диапазон. Единственный жидкий металл в обычных условиях — ртуть.
Созданные термометры годились для измерения температур от —100 до +300° С, что было достаточно для решения большинства практических задач. Например, минимальная температура воздуха —89,2° С (станция Восток в Антарктиде), а максимальная +59° С (пустыня Сахара). Большинство процессов тепловой обработки водных растворов проходило при температурах, не превышающих 100° С.
Основной единицей измерения термодинамической температуры и одновременно одной из основных единиц Международной системы единиц (СИ) является градус Кельвина.
Размер (температурный промежуток) 1 градуса Кельвина определяется тем, что значение термодинамической температуры тройной точки воды установлено равным в точности 273,16°К.
Эта температура, при которой вода равновесно сосуществует в трех фазах: твердой, жидкой и газообразной, принята в качестве основного репера вследствие ее высокой воспроизводимости, на целый порядок лучшей, чем воспроизводимость температур замерзания и кипения воды.
Измерение температуры тройной точки воды — задача технически довольно сложная. Поэтому в качестве репера она была утверждена только в 1954 г. на X Генеральной конференции по мерам и весам.
Градус Цельсия, в единицах которого также может быть выражена термодинамическая температура, по своему температурному промежутку в точности равен градусу Кельвина, но числовое значение любой температуры в градусах Цельсия на 273,15 градусов больше значения той же температуры в градусах Кельвина.
Размер 1 градуса Кельвина (или 1 градуса Цельсия), определенный из числового значения температуры тройной точки воды, при современных точностях измерения не отличается от его размера, определенного (что было принято ранее) как сотая доля температурного промежутка между точками замерзания и кипения воды.
Классификация методов и приборов для измерения температуры
Измерение температуры тела или среды может быть осуществлено двумя принципиально различными косвенными путями.
Первый путь ведет к измерению значений одного из температурозависимых свойств или параметров состояния непосредственно самого тела или среды, второй — к измерению значений температурозависимых свойств или параметров состояния вспомогательного тела, приведенного (прямо или косвенно) в состояние теплового равновесия с телом или средой, температуpa которых измеряется.
Вспомогательное тело, служащее для этих целей и являющееся датчиком комплектного прибора для измерения температуры, называется термометрическим (пирометрическим) зондом, или термоприемником. Поэтому все методы и приборы для измерения температуры разделяются на две принципиально различные группы: беззондовые и зондовые.
Термоприемник или какое-либо вспомогательное устройство прибора может быть приведено в прямое механическое соприкосновение с телом или средой, температура которых измеряется, или же между ними может осуществляться лишь «оптический» контакт.
В зависимости от этого все методы и приборы для измерения температуры делятся на контактные и бесконтактные. Наибольшее практическое значение имеют зондовые контактные и бесконтактные методы и приборы.
Погрешности при измерении температуры
Всем контактным, в первую очередь зондовым, методам измерения температуры, в отличие от других методов, свойственны т. н. тепловые или термические методические погрешности, обусловленные тем, что комплектный зондовый термометр (или пирометр) измеряет значение температуры только чувствительной части термоприемника, усредненное по поверхности или объему этой части.
Между тем эта температура, как правило, не совпадает с измеряемой потому, что термоприемник неизбежно искажает температурное поле, в которое его вносят. При измерении установившейся постоянной температуры тела или среды между ним и термоприемником устанавливается определенный режим теплообмена.
Постоянная разность температур термоприемника и измеряемой температуры тела или среды характеризует статическую термическую погрешность при измерении температуры.
Если измеряемая температуpa изменяется, то термическая погрешность оказывается функцией времени. Такую динамическую погрешность можно рассматривать как состоящую из постоянной части, эквивалентной статической погрешности, и переменной части.
Последняя возникает потому, что при всяком изменении теплообмена между телом или средой, температура которых измеряется, новый режим теплообмена устанавливается не сразу. Обусловленное отставанием искажение показаний термометра или пирометра, являющееся функцией времени, характеризуется тепловой инерцией термоприемника.
Тепловые погрешности и тепловая инерция термоприемника зависят от тех же факторов, что и теплообмен между телом или средой и термоприемником: от температур термоприемника и тела или среды, от их размеров, состава (а значит и свойств) и состояния, от конструкции, размеров, геометрической формы, состояния поверхности и свойств материалов термоприемника и окружающих его тел, от их взаиморасположения, от того, по какому закону изменяются во времени измеряемая температура тела или среды.
Тепловые методические погрешности при измерении температуры, как правило, в несколько раз превосходят инструментальные погрешности термометров и пирометров. Их снижение достигается применением рациональных методик измерения температуры и конструкций термоприемников и целесообразным монтажом последних на местах применения.
Улучшение теплообмена термоприемника и среды или тела, температура которых измеряется, достигается форсированием полезных и подавлением вредных факторов теплообмена.
Например, при измерении температуры газа в замкнутом объеме увеличивают конвективный теплообмен тероприемника с газом, создавая искусств, быстрое обтекание газом термоприемника («отсосная» термопара), и снижают лучистый теплообмен со стенками объема, экранируя термоприемник («экранированная» термопара).
Для снижения тепловой инерции в термометрах и пирометрах с электрическим выходным сигналом применяют также специальные схемы, искусственно сокращающие время нарастания сигнала при быстром изменении измеряемой температуры.
Бесконтактные методы измерения температуры
Возможность применения контактных методов при измерениях определяется не только искажением контактным термоприемником измеряемой температуры, но также реальными физическими и химическими характеристиками материалов термоприемника (коррозионной и механической стойкостью, жаропрочностью и т. д.).
Бесконтактные методы измерения свободны от этих ограничений. Однако важнейшим из них, т.е. основанным на законах температурного излучения, присущи особые погрешности, обусловленные тем, что используемые законы в точности справедливы лишь для абсолютно черного излучателя, от которого по свойствам излучения более или менее значительно отличаются все реальные физические излучатели (тела и среды).
В соответствии с законами излучения Кирхгофа любое физическое тело излучает энергии меньше, чем черное тело, нагретое до той же температуры, что и физическое.
Поэтому прибор для измерения температуру, отградуированный по черному излучателю, при измерении температуры реального физического излучателя покажет температуру, меньшую действительной, а именно такую, при которой свойство черного излучателя, использованное при градуировании (энергия излучения, его яркость, его спектральный состав и т. п.), совпадает по своему значению со свойством физического излучателя при данной действительной его температуре, подлежащей определению. Измеренная заниженная псевдотемпература называется черной температурой.
Различные методы измерения приводят к различным, как правило, не совпадающим черным температурам: пирометр радиационный показывает интегральную или радиационную, пирометр оптический — яркостную, пирометр цветовой — цветовую черные температуры.
Переход от измеренных черных к действительным температурам осуществляется графически или аналитически, если известна излучательная способность объекта, температуpa которого измеряется.
Излучательной способностью называется отношение значений используемого для измерения свойства излучения физического и черного излучателей, имеющих одинаковую температуру: при радиационном методе излучательная способность равна отношению суммарных (по всему спектру) энергий, при оптическом — спектральная излучательная способность равна отношению спектральных плотностей энергетической яркости. При прочих равных условиях наименьшие погрешности от нечерноты излучателя дает пирометр цветовой.
Радикальное решение задачи измерения лучистыми методами действительной температуры нечерного излучателя достигается искусств, созданием для него условий, превращающих его в черный излучатель (например, помещением его в практически замкнутую полость).
В некоторых частных случаях возможно измерение действительной температуры нечерных излучателей обычными пирометрами излучения при применении особых методик измерения температуры (например, подсветки, в лучах трех длин волн, в поляризованном свете и др.).
Распространенные приборы для измерения температуры
Громадный диапазон значений измеряемых температур и неисчерпаемое количество различных условий и объектов измерения обусловливают чрезвычайное разнообразие и многочисленность методов и приборов для измерения температуры.
Самые распространенные приборы для измерения температуры:
Самые популярные электрические приборы для измерения температуры:
Приборы многих видов, перечисленные выше, используются для измерений различными методами. Например, термоэлектрический термометр используется:
Вместе с тем многие методы измерения температуры могут быть реализованы приборами различных видов.
Так, например, температуpa наружного и комнатного воздуха может быть измерена приборами по меньшей мере 15 видов. На фотографии — биметаллический термометр.
Самый большой в мире термометр в Бейкере, Калифорния
Применение приборов для измерения температуры: