Специальные температурные измерения

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

А. А. Старостин 

Е. М. Шлеймович 

В. Г. Лисиенко 

Специальные температурные  

измерения 

Учебное пособие 

Рекомендовано методическим советом УрФУ для студентов,  

обучающихся по программам бакалавриата  

и магистратуры по направлениям подготовки  

27.03.04 и 27.04.04 — Управление в технических системах 

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2016 

УДК 681.51(079) 
ББК 32.965я73 

     С77 

Рецензенты: кафедра физики Уральского государственного горного 

университета (завкафедрой д‑р физ.‑мат. наук, проф. И. Г. Коршунов);

д‑р физ.‑мат. наук, вед. науч. сотр. П. В. Скрипов (Институт теплофизики УрО РАН) 

Научный редактор —  д‑р физ.‑мат. наук, проф. Б. П. Жилкин

С77

Старостин, А. А.
Специальные температурные измерения / А. А. Старостин, 
Е. М. Шлеймович, В. Г. Лисиенко. — Екатеринбург : Изд‑во 
Урал. ун‑та, 2016. — 168 с.
ISBN 978‑5‑7996‑1825‑4

В пособии рассмотрены характерные особенности представленных специальных методов измерения температуры и показаны возможности их использования в научных, научно‑технических и промышленных исследованиях. 
Разобраны измерения температур в различных средах и материалах в сложных нетипичных условиях: при малых размерах, сложной структуре и труднодоступности объектов измерений, высоких скоростях изменения температуры, экстремальных значениях параметров объектов и окружающей среды 
(температур, давлений, скоростей, турбулентных пульсаций и др.), наличии 
различных излучений и полей.

Библиогр.: 137 назв. Табл. 6. Рис. 47. 

УДК 681.51(079) 
ББК 32.965я73 

ISBN 978‑5‑7996‑1825‑4
© Уральский федеральный  
     университет, 2016

ВВЕДЕНИЕ

В 

предыдущих учебных пособиях и справочных изданиях [1, 3, 8, 
135–137] были определены такие важные понятия, как локальное 

термодинамическое равновесие, температура и температурные шкалы, а также рассмотрены возможные методы и принципы измерения 
температур. Подробно был рассмотрен наиболее распространенный 
на сегодняшний день контактный метод измерения температур в технических системах с использованием термоэлектрических преобразователей и основные положения пирометрии излучения.

В настоящее время назрела необходимость систематизировать 

и представить в виде учебного пособия разрозненный и практически не освещенный в учебной литературе весьма обширный материал по проведению специальных температурных измерений для самых 
разных сред и материалов в сложных нетипичных условиях. К последним, например, можно отнести малые размеры, сложную структуру и труднодоступность объектов измерений, высокие скорости изменения температуры, экстремальные значения параметров объектов 
и окружающей среды (температур, давлений, скоростей, турбулентных 
пульсаций и др.), наличие различных излучений и полей. При этом часто при проведении специальных температурных измерений (например, в научных экспериментах) предъявляются повышенные требования к точности измерений.

Принципиальная и трудноустранимая проблема специальных температурных измерений состоит в том, что условия, при которых они 
проводятся, почти всегда далеки от термодинамического равновесия. Понятие локального термодинамического равновесия, приме

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

нимое к большинству реальных процессов тепломассообмена [1], 
также не всегда может быть обосновано для случаев специальной термометрии (например, для быстрых процессов продолжительностью 
фемтои пикосекунды). Таким образом, при проведении некоторых 
специальных температурных измерений возникает необходимость 
в дополнительном уточнении самого понятия температуры.

В данном пособии рассмотрены характерные особенности представленных специальных методов измерения температуры и показаны возможности их использования в научных, научно‑технических 
и промышленных исследованиях. Разобраны современные методы 
специальных экспериментальных исследований и измерения температур в различных средах, в том числе для наноструктурных материалов. 
Представлены материалы об измерениях температур в СВЧ‑диапазоне 
длин волн электромагнитного излучения, в частности, в измерениях, 
производимых с помощью радиометров (радиопирометров) различных 
диапазонов, устанавливаемых на борту самолёта или искусственного 
спутника Земли, а также определение температуры внутри тела человека по интенсивности теплового радиоизлучения.

Для более углубленного изучения тех или иных специальных методов следует воспользоваться приведенными библиографическими 
источниками.

1. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ 
РАЗВИТИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ  
ТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Т

радиционные температурные измерения, как правило, характеризуются хорошо известными объектами и процессами 

и отработанными методиками измерений для вполне определенных условий проведения исследований. В отличие от этого, специальные температурные измерения можно охарактеризовать многочисленными сочетаниями самых разнообразных особенностей, 
часть которых указана во введении. При этом часто при проведении специальных температурных измерений (например, в научных 
экспериментах) предъявляются повышенные требования к точности  
измерений.

В своем обзоре [2] А. Н. Магунов привел несколько типичных исследовательских задач, связанных с термометрией в области специальных измерений:

• термометрия для условий, в которых ранее измерения не проводились;

• термометрия объектов, которые ранее не исследовались;
• изучение температурных зависимостей механических, оптических, электрических и других свойств новых материалов;

• определение температурной зависимости скорости физико‑химического процесса;

• нахождение оптимальных температурных режимов в новых технологических процессах.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Одна из существенных проблем заключается в том, что, несмотря 

на большое количество физических явлений, применяемых для термометрии, существует разрыв между возможностями создания методов для решения конкретных задач и реальным уровнем термометрии 
в исследованиях и технологическом контроле. Этот разрыв проявляется в случае, если в научном исследовании применяются одновременно измерительные методы разного качества, причем методы 
термометрии, как правило, значительно уступают другим в точности, надежности и трудоемкости измерений. Так, контактные методы термометрии поверхности несовместимы по производительности, трудоемкости и точности измерений с современными методами 
диагностики, применяемыми для исследований в микротехнологии. 
Сдерживает проведение температурных измерений и то обстоятельство, что количество новых объектов, температуру которых необходимо измерять, растет существенно быстрее, чем количество разработанных и доведенных до практического применения методов 
и устройств термометрии. Растет количество технологических операций, в которых необходимо не только наблюдение за температурой, но и автоматизированное управление температурным режимом. 
Традиционные методы термометрии часто являются неэффективными при решении новых задач, поскольку оказываются за пределами 
своей области применимости.

Следует также иметь в виду, что и в своей обычной области применимости традиционные методы термометрии (как контактные, так 
и бесконтактные) обладают хорошо известными ограничениями [3]. 
Так, при измерении температуры поверхности наиболее распространенными контактными термометрами — термоэлектрическими преобразователями — для достижения теплового равновесия необходимо 
обеспечить надежный тепловой контакт между датчиком и объектом 
и хорошую термоизоляцию датчика от окружающей среды (тепловое 
сопротивление между датчиком и объектом должно быть намного 
меньше, чем тепловое сопротивление между датчиком и окружающей 
средой). В действительности при проведении технических измерений 
это условие соблюдается редко.

Как правило, контакт сферического спая термопары с поверхностью сосредоточен на такой малой площади, что тепловое сопротивление контакта может быть сравнимо с сопротивлением утечки тепла 
от спая. При этом измерения проводятся фактически не в режиме те

1. Проблемы и перспективы развития специальных температурных измерений 

плового равновесия, а в режиме теплового потока, и измеряемая температура относится только к датчику, а не к объекту исследования. 
Причины, приводящие к погрешностям, достаточно изучены [4, 5], 
известны также и методы их устранения (например, напыление пленочной термопары на поверхность [6] или приклеивание спая термопары к поверхности [7]). Эти усовершенствования очень трудоемки 
и резко снижают производительность измерений, поэтому применяются они редко.

При бесконтактном измерении температуры поверхности пирометрами, помимо очевидного требования о наличии радиационного теплового потока от объекта к датчику, необходимо также изолировать датчик от любых других воздействий, искажающих результат 
измерения. Препятствием для радиационной термометрии (пирометрии) часто являются интенсивное фоновое излучение (например, от нагретых частей установки), прозрачность объекта в регистрируемой области спектра, шероховатость поверхности, наличие 
на ней разного рода пленок, зависимость коэффициента излучения 
от длины волны и химических реакций поверхности с окружающей 
средой [8, 89, 90].

Необходимость теплового равновесия (для контактной термометрии) или селекции теплового потока (для бесконтактной) в системе объект‑датчик в ряде случаев затрудняет проведение температурных измерений или делает их невозможными. Достоверность 
измерения температуры твердых тел с помощью традиционных методов критическим образом зависит от условий теплообмена в системе объект‑датчик, а также от уровня посторонних воздействий 
на чувствительный элемент и канал связи, по которому передается сигнал.

Для устранения этих зависимостей и повышения надежности термометрии при наличии электромагнитных помех интересны методы, 
в которых сам исследуемый объект играет роль термочувствительного 
элемента, а его показания непосредственно считываются зондирующим световым пучком. В этом случае полностью устраняется проблема 
ненадежности теплового контакта между чувствительным элементом 
и объектом, поскольку наличие контакта оптического пучка с поверхностью определяется визуально, и его надежность не уменьшается 
со временем из‑за вибраций, деформаций, температурных воздействий или химической активности среды. Световой пучок не подвер

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

жен влиянию электрических наводок и имеет ряд характерных признаков (длина волны, поляризация, направление распространения, 
модуляция интенсивности и т. д.), позволяющих достоверно различать его на фоне оптических помех.

В исследовательских лабораториях постоянно создают новые методы термометрии. Создан обширный класс оптических датчиков 
температуры [9; 10; 91; 134]. Ряд новых методов объединяет общий 
признак: во всех них применяется зондирующий световой пучок, 
а термочувствительным элементом является сам исследуемый объект (активная термометрия). При этом транспортировка света может осуществляться как в свободном пространстве, так и с помощью 
оптического волокна. Появление активной бесконтактной термометрии твердого тела является естественным этапом после длительного развития пассивной бесконтактной термометрии по тепловому излучению объекта (пирометрии). Тем не менее, в последнее 
время получили развитие новые направления методов пассивной 
пирометрии, подтвердившие возможность определения термодинамической температуры по спектру собственного теплового излучения при отсутствии априорной информации о радиационных 
свойствах излучающей поверхности. Это, например, спектральная 
пирометрия [90–93] и спектрально‑статистический метод, разработанный в НИУ МЭИ [94–95].

Создание новых методов во многом было связано с безуспешными 

попытками использования традиционных методов термометрии в области плазменной микротехнологии. Когда стало ясно, что преодолеть 
принципиальные ограничения традиционных методов не удается, появилось большое число работ по созданию и применению методов активной термометрии твердых тел в плазме [11]. Позднее стимулом разработки новых методов стала необходимость термометрии в быстрых 
термических процессах микротехнологии, где нагрев полупроводниковых подложек проводится излучением мощных газоразрядных ламп 
(в этих условиях пирометрия неприменима из‑за излучения, превышающего тепловое излучение кристалла).

Очевидно, что не существует универсального метода, пригодного 

для термометрии множества разнообразных объектов в широком диапазоне экспериментальных условий, встречающихся в практике. В самом общем виде достоинства и недостатки различных методов термометрии твердых тел приведены в табл. 1.1.

1. Проблемы и перспективы развития специальных температурных измерений 

Таблица 1.1 

Преимущества и недостатки наиболее распространенных методов  

термометрии твердых тел [2] 

Метод
Преимущества
Недостатки

Контактная 
термометрия

1. Простота получения 
сигнала. 
2. Возможность проведения измерений на любой 
поверхности

1. Влияние электрических помех. 
2. Трудоемкость установления 
надежного теплового контакта 
с поверхностью объекта. 
3. Влияние датчика на температуру объекта в области контакта. 
4. Невозможность регистрации 
тепловых полей. 
5. Трудности применения для 
термометрии движущихся объектов. 
6. Инерционность измерения. 
7. Ограниченный ресурс работы 
в агрессивных средах

Радиационная 
термометрия

1. Универсальность метода. 
2. Бесконтактное измерение. 
3. Широкий диапазон 
измеряемых температур. 
4. Возможность регистрации тепловых полей. 
5.  Быстродействие

1. Отсутствие данных по коэффициентам излучения для многих материалов. 
2. Влияние постороннего излучения. 
3. Чувствительность к свойствам 
поверхности. 
4. Трудности при термометрии 
объектов с малым коэффициентом излучения

Лазерная  

термометрия

1. Высокая помехозащищенность. 
2. Бесконтактное измерение. 
3. Широкий диапазон 
измеряемых температур. 
4. Высокая чувствительность. 
5. Возможность регистрации тепловых полей. 
6. Быстродействие

1. Узкая специализация методов. 
2. Чувствительность к свойствам 
поверхности. 
3. Необходимость калибровки 
для каждого материала. 
4. Сложность оптической схемы 
некоторых методов

 

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Данные, приведенные в табл. 1.1, позволяют сделать вывод о том, 

что каждый из методов имеет определенные преимущества перед другими, а также свою сферу применения, в которой эти преимущества 
имеют значение. Недостатки каждого из методов исключают возможность того, что остальные будут вытеснены из употребления какимлибо одним из них. Расширение диапазона измеряемых температур, 
повышение точности, быстродействия и удобства применяемых способов и средств термометрии являются основным мотивом создания 
новых методов и приборов для специальных исследований.

1.1. Специализированные методы измерения 
температуры для научных исследований

В научных исследованиях количество измеряемых параметров и переменных больше, чем в промышленности (число используемых диагностических методов в научно‑исследовательской работе, завершившейся публикацией результатов, в среднем достигает четырех‑шести), 
а упоминание о температуре встречается приблизительно в половине 
опубликованных статей, относящихся к естественно‑научным и техническим областям [2, 20]. В некоторых областях необходимость измерения температуры возникает почти в каждом научном исследовании 
(например, в области физики плазмы и газового разряда, химической 
физики, физики твердого тела и многих других разделах физики и химии).

Длительности нестационарных процессов, в которых необходимо 

исследование температурной динамики, лежат в очень широком интервале, который можно грубо ограничить рамками от 10–12 до 10–9 с. 
В наиболее быстрых исследуемых процессах, длящихся в течение фемтои пикосекунд, само понятие температуры требует существенных 
уточнений и оговорок, поскольку вещество в таких процессах не находится в состоянии термодинамического равновесия. Пространственное разрешение некоторых методов термометрии составляет <1 мкм 
(например, для диагностики биологических клеток созданы термопары, диаметр спая которых ~1 мкм), однако для решения ряда задач 
требуется намного более высокое разрешение. С помощью многочисленных методов измеряют температуры в диапазоне от 10–4 до ~ 10 8 К. 
В области температур более 1000 К наиболее распространенным ме