Термометр сопротивления полупроводниковый (рис. 4.70, б) аналогичен металлическому, но его чувствительный элемент выполнен в виде шайбы или бусинки из полупроводникового материала с двумя электрическими выводами.
4.12.4. Пирометры излучения
Все физические тала, температура которых превышает абсолютный нуль, испускают тепловые лучи. Средства измерения, определяющие температуру тел по их тепловому излучению, называют пирометрами излучения, или пирометрами.
Тепловое излучение представляет собой электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет его внутренней энергии.
Ввиду того, что интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением температуры тел, пирометры используются в основном для измерения температуры от 300 до 6000 °С и выше. Для измерения температур выше 3000°С методы пирометрии являются единственными, так как они не требуют непосредственного контакта датчика прибора с объектом измерения.
В качестве величин, характеризующих тепловое излучение тел, в пирометрии используется спектральная энергетическая светимость (интенсивность монохроматического излучения, или излучательность) Е*l, полная энергетическая светимость (интегральная излучательность) Е*, а также спектральная энергетическая яркость В*l (индекс * относится к абсолютно черному телу).
Пирометры, измеряющие яркостную температуру по спектральной яркости в видимой части спектра, называют оптическими и фотоэлектрическими.
Яркостной температурой Тя реального тела называют такую температуру абсолютно черного тела, при которой его спектральная яркость В*l,Тя равна спектральной яркости реального тела Вl при его действительной температуре Т.
Приборы, измеряющие температуру по значению отношения энергетических яркостей в двух спектральных интервалах, называют цветовыми пирометрами, или пирометрами спектрального отношения.
Цветовой температурой Тц реального тела, имеющего истинную температуру Т, называется такая температура черного тела, при которой отношение его спектральных энергетических яркостей В*l1Тц/В*l2Тяц при длинах волн l1 и l2 равно отношению спектральных энергетических яркостей реального тела Вl1/Вl2 при тех же длинах волн.
Приборы, измеряющие температуру тела по интегральной излучательности, называют радиационными пирометрами, или пирометрами полного излучения. Если чувствительный элемент радиационного пирометра воспринимает интегральную излучательность не во всем диапазоне длин волн от 0 до ¥, а в некотором ограниченном интервале длин волн от l1 до l2, то такой пирометр называют пирометром частичного излучения.
Радиационной температурой Тр реального тела, имеющего истинную температуру Т, называют такую температуру черного тела, при которой его интегральная излучательность Е* равна интегральной излучательности реального тела Е.
4.12.4.1. Приемники полного излучения
Приемники полного излучения отличаются тем, что их спектральная чувствительность постоянна в широком диапазоне длин волн от дальней инфракрасной области до ближней ультрафиолетовой. Их чувствительность не зависит от длины волны. Для увеличения поглощательной способности чувствительные поверхности приемников окрашивают в черный цвет. В длинноволновой области (начиная с 20 мкм) чувствительные поверхности приемника выполняются в виде незачерненных металлических слоев определенной толщины. Для уменьшения теплоотвода в среду приемник излучения помещают в вакуумированные или газонаполненные корпуса. Применяются следующие типы приемников полного излучения: термобатареи, болометры, тепловые быстродействующие индикаторы, пироэлектрические кристаллы и др.
Термобатареи выполняются на основе термопар, соединенных последовательно (до 20 термопар). Их горячие спаи располагаются на узком участке поверхности, на который фокусируется излучение. Термопары выполняются в виде тонкой фольги, проволоки или тонкой пленки, полученной методом испарения в вакууме.
Болометры — это термометры сопротивления, изготовленные либо из фольги проводящих материалов с температурным коэффициентом сопротивления aR » 10-3 К-1, либо из полупроводников (термисторов) с aR » 10-3 К-1. Чувствительная поверхность болометра из фольги для увеличения поглощающей способности зачерняется.
Схемы включения болометров требуют наличия источника питания.
Тепловые быстродействующие индикаторы выполняются в виде тонкослойной термопары или болометра, в которых активный слой имеет хороший тепловой контакт с основанием. Это дает возможность достичь сравнительно высокого быстродействия. Поэтому они используются в первую очередь для идентификации мощных сигналов, например, для регистрации высокочастотного модулированного лазерного излучения.
Пироэлектрические приемники излучения — это кристаллы с определенным видом симметрии, в которых в зависимости от изменения температуры проявляется эффект спонтанной поляризации. Поэтому данные приемники излучения не требуют дополнительных источников питания.
Сильнее всего пироэлектрические свойства проявляются в таких материалах, как монокристаллы и керамика титаната бария, монокристаллы триглицинсульфата и ниобата бария-стронция.
4.12.4.2. Фотоэлектрические приемники излучения
Спектральная чувствительность фотоэлектрических приемников излучения неодинакова для различных длин волн и наиболее велика в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. По сравнению с приемниками полного излучения фотоэлектрические обладают большим быстродействием и имеют более протяженные светочувствительные поверхности.
Такие приемники могут быть с внутренним фотоэффектом (фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы) и с внешним фотоэффектом (фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотоумножители).
Фотодиоды— это структура, в которой при поглощении фотона образуется пара электрон - дырка. Возникающая разность потенциалов является мерой потока излучения.
Фототранзисторы представляют собой структуру, базовая область которой может облучаться светом. Фототранзистор служит, таким образом, одновременно и усилителем фототока, поэтому по сравнению с фотодиодом он имеет на порядок большую чувствительность, однако меньшее быстродействие.
Фоторезисторы — это полупроводниковые элементы, меняющие свою электропроводность под действием излучения. Благодаря большой допускаемой мощности рассеяния с помощью фоторезисторов можно коммутировать большие токи, достаточные для переключения электромагнитных реле.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом выполняются обычно в виде стеклянного вакуумированного или газонаполненного баллона, внутри которого размещаются анод и катод в виде фоточувствительного слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность баллона.
При освещении фотокатода освобождаются электроны, и при подключении анодного напряжения от внешнего источника возникает фототок, пропорциональный потоку излучения.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом обладают высоким внутренним сопротивлением и работают при больших разностях потенциалов, поэтому их выходные сигналы можно использовать непосредственно для управления исполнительными устройствами.
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — это устройство, содержащее в одном баллоне вакуумный фотоэлемент и вторичный электронный усилитель. Поток излучения освобождает из фотокатода электроны, которые разгоняются в электрическом поле и фокусируются на эмиттеры (диноды). При попадании каждого ускоренного электрона на динод освобождается от 5 до 10 новых электронов. Фотоумножители могут иметь 9 – 14 динодов и увеличивать общее число фотоэлектронов в 109 раз.
4.12.4.3. Пирометры
Все пирометры подразделяются на: пирометры полного излучения (пирометры с преломляющей и отражающей оптическими системами), квазимонохроматические пирометры (пирометры с исчезающей нитью и с оптическим клином), пирометры спектрального распределения (пирометры сравнения и спектрального отношения).
В пирометрах полного излучения используется не менее 90 % суммарного потока излучения источника. При измерении температуры реального тела пирометр полного излучения показывает не действительную, а так называемую радиационную температуру тела. При известном суммарном коэффициенте черноты тела возможен пересчет с радиационной температуры тела на его действительную температуру.
Недостатком пирометров полного излучения является то, что для определения действительной температуры необходимо знать коэффициенты черноты, а точность показаний пирометра зависит не только от стабильности коэффициента черноты, но и от поглощения излучения окружающей средой и оптической системой пирометра. Пирометры полного излучения удобно использовать поэтому не при измерении действительной температуры, а при измерениях разностей температур в неизменных условиях наблюдения.
В пирометрах с преломляющей оптической системой (рис. 4.71, а) излучение от объекта 1 через линзовый объектив 2 и диафрагму 3 поступает на приемник полного излучения 4. Для наводки на объект измерения служит окуляр 6 с дымчатым светофильтром 5 и диафрагмой 7. Отсчетным устройством является милливольтметр 8.