Физические методы исследований с использованием современного оборудования (стр. 5 )

Пирометры применяют для дистанционного определения температуры объектов в промышленности, быту, на предприятиях, где большое значение приобретает контроль температур на различных технологических этапах производства. Пирометры могут выступать в роли средства безопасного дистанционного измерения температур раскаленных объектов, что делает их незаменимыми для обеспечения должного контроля в случаях, когда физическое взаимодействие с контролируемым объектом невозможно из-за высоких температур. Усовершенствованные модели применяют в качестве теплолокаторов, а также для определения областей критических температур в различных производственных сферах.

Различают несколько видов пирометров:

● Яркостные. Позволяют визуально определять температуру нагретого тела путем сравнения его цвета с цветом эталонной нити.

● Радиационные. Оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой полосе спектрального излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения.

● Цветовые (мультиспектральные, спектрального отношения). Позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах.

● Низкотемпературные. Обладают способностью показывать температуры объектов, обладающих даже отрицательными значениями этого параметра.

● Высокотемпературные. Оценивают лишь температуру сильно нагретых тел, когда «определение на глаз» не представляется возможным.

● Переносные. Удобны в эксплуатации в условиях, когда необходима высокая точность измерений, в совокупности с хорошими подвижными свойствами, например, для оценки температуры труднодоступных участков трубопроводов. Обычно снабжены небольшим дисплеем, отображающим графическую или текстово-цифровую инфор-
мацию.

● Стационарные. Предназначены для более точной оценки температуры объектов. Используются в основном в крупной промышленности для непрерывного контроля технологического процесса производства расплавов металлов и пластиков.

Для измерения различных химических величин, таких как концентрация веществ в жидкостях или газах, применяют широкий спектр различных преобразователей, работающих по самым разным принципам (электрохимические, радиоактивные, термохимические преобразователи и др.).

Электрохимические преобразователи представлены ячейкой с электролитом, в который помещена система двух или более электродов, включенных в измерительную цепь. Электрохимические преобразователи можно разделить на гальванические, полярографические и электролитические.

Действие гальванических преобразователей основано на явлении возникновения разности потенциалов между двумя электродами, помещенными в электролит. В этом случае электролитическая ячейка является источником  гальванической ЭДС. В таких ячейках измеряют активность водородных ионов (рН).

Действие полярографических преобразователей основано на явлении поляризации одного из электродов, помещенных в исследуемый раствор. Явление поляризации заключается в изменении электродного потенциала при протекании тока внешнего источника через электролитическую ячейку вследствие изменения концентрации раствора вокруг электрода. Такие преобразователи применяют для качественного и количественного анализа растворов.

Электролитические преобразователи основаны на зависимости электрического сопротивления раствора электролита от его концентрации и применяются для измерения концентраций растворов.

Для качественного и количественного анализа газовых сред также применяют различные преобразователи химических показателей в электрический сигнал.

Радиоактивные преобразователи используют ионизирующие свойства б - и в-излучения. Источники излучения помещаются в камеру, где между электродами, к которым приложено высокое напряжение, находится исследуемый газ. В таких преобразователях используют ионизацию газа электронами, возбужденными атомами, а также захват медленных электронов молекулами газа и измерение подвижности свободных электронов. Ионизационные преобразователи применяются для анализа газов, обладающих сродством к электрону (чувствительность до 10–11%). Аргоновые преобразователи пригодны для контроля большинства органических соединений (паров), но непригодны для анализа смесей, содержащих O2, CO, CO2, H2O и т. д. Минимальная чувствительность составляет 10–8–10–11 г/л. Для веществ, имеющих более высокий потенциал ионизации, чем у аргона, используют гелиевые или неоновые преобразователи.

В газоразрядных радиочастотных преобразователях используется свойство газа при низком давлении возбуждаться радиочастотным полем и светиться. Изменение световой эмиссии фиксируется фотоэлектрическими методами, а изменение проводимости – электрическими.

В фотоионизационных преобразователях возбуждение газа-носи-
теля осуществляется за счет коронного разряда между электродами, к которым приложено поверхностное напряжение. Возбужденные атомы газа-носителя излучают фотоны, ионизирующие исследуемый газ. Выходной величиной является ток между коллекторными электродами, который характеризует состав исследуемого газа.

В преобразователях с термоэлектронной эмиссией ионизация исследуемого газа осуществляется электронами, испускаемыми нагретой проволокой. В качестве газа-носителя используется гелий, так как у него высокий потенциал ионизации.

Принцип действия пламенно-ионизационных преобразователей основан на эффекте ионизации молекул органических соединений в пламени водорода. Над пламенем расположена термопара, контролирующая температуру исследуемого вещества. При введении в газ-носитель углеводородов температура пламени возрастает, что изменяет ЭДС термопары.

Термохимические преобразователи предназначены для контроля горючих газов. В них используется температурный эффект окисления газов в присутствии катализаторов. В качестве катализаторов используют платиновые нити, которые накаляются до температуры +600…+900 °С. Проходящий через камеру газ при сгорании вызывает изменение температуры нити, а значит и ее сопротивление. Для измерения применяют мостовые схемы, а в качестве газа-носителя – воздух.

Катарометры – преобразователи, основанные на различной тепло-
проводности газов. Чувствительный элемент представляет собой нагреваемый терморезистор. В настоящее время для химического анализа различных жидкостей и газов все чаще применяют химические сенсоры различного назначения и конструкции (см. параграф 12.2).

Электрические измерения механических величин включают в себя контроль целого спектра физических параметров объектов (перемещение, давление, плотность, толщина, деформация и др.), а также величин, которые могут быть преобразованы в механические и измерены электрическими методами с использованием различного рода преобразователей.

Реостатным преобразователем называется реостат, движок которого перемещается в соответствии со значением измеряемой неэлектрической величины.

Реостатные преобразователи применяют с механическими приборами (поплавковыми уровнемерами, расходомерами, дифференциальными манометрами) и обычно включают в потенциометрические, мостовые или генераторные схемы.

Тензорезистор – резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации.

С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутя-
щих моментов и пр. В основе работы тензорезисторов лежит свойство материалов изменять свое электрическое сопротивление под действием приложенной к ним силы.

В настоящее время имеют распространение проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Полупроводниковые тензорезисторы, имеющие очень высокие коэффициенты тензочувствительности, используются при измерении малых деформаций, а также в качестве чувствительных элементов в различных преобразователях механических величин.

Индуктивный преобразователь – преобразователь механического перемещения в изменение индуктивности.

Принцип действия основан на изменении индуктивности обмотки электромагнитного дросселя в зависимости от перемещения одной из подвижных частей: якоря, сердечника и др. Простейшим индуктивным преобразователем является катушка с изменяющимся воздушным зазором. Его работа основана на изменении магнитного сопротивления магнитопровода путем изменения длины воздушного зазора. Достоинствами преобразователя являются простота и надежность, недостатками – малая чувствительность, зависимость индуктивного сопротивления от частоты тока.

Емкостные преобразователи – устройства, содержащие не менее двух поверхностей, между которыми действует электрическое поле (электростатические преобразователи). Основным элементом в этих преобразователях является  конденсатор переменной емкости с двумя или несколькими электродами, изменяемой входным измерительным сигналом. К емкостным преобразователям близки по своим характеристикам полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость так называемой барьерной емкости от обратного напряжения. Такие преобразователи применяются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью и называются варикапами.

Емкостные преобразователи используются в качестве уровнемеров, толщиномеров, для измерения влажности материалов, в качестве динамометров – приборов для измерения давления сил, кручения вала, вибраций, ускорений, в научных исследованиях и т. д. Наблюдается также тенденция к применению емкостных преобразователей для всех измерений, проводимых в области сверхнизких температур.

Пьезоэлектрические преобразователи – это устройства, использующие пьезоэлектрический эффект в кристаллах, керамике или пленках и преобразующие механическую энергию в электрическую и наоборот.

Пьезоэффект был открыт в 1880 г. (французскими учеными, братьями Пьером и Полем Кюри) на кварце и наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Пьезоэффектом могут обладать кристаллы, не имеющие центра симметрии, а имеющие так называемые полярные направления (оси), а также некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (керамические материалы и полимеры). Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектриками.