2.Литературный обзор.
Роль температурных и тепловых измерений настолько велика, что в настоящее время без них не может обойтись практически ни одна область знаний, ни одна отрасль промышленности.
Каждый из существующих способов измерения температуры имеет свои достоинства и недостатки, поэтому выбор того или иного метода зависит от целей и конкретных условий измерения. Например, измерение температуры с помощью термоэлектрических термометров сопротивления, нашедшее наиболее широкое применение, несмотря на надежность и высокую точность, не всегда позволяет получить требуемую информацию о температуре объекта. В частности, когда необходимо определить температуру не в отдельной точке, а ее распределение по поверхности для установления участков с большим градиентом температуры, термометры термоэлектрические и сопротивления не пригодны. Часто требуется определить температуру таких деталей, на которых невозможно установить термометры или это сопряжено с большими трудностями (внутри сложных агрегатов, на вращающихся деталях, на больших поверхностях, на тонкостенных деталях и т.д.). Наконец, даже при измерении в легкодоступных зонах целесообразнее использовать какой-либо менее трудоемкий метод измерения температуры.
Цветовые термоиндикаторы являются одним из перспективных средств не только регистрации, но и измерения температуры. К таким термоиндикаторам относятся вещества, обладающие способностью резко изменять свой цвет при определенной температуре, называемой температурой перехода. 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.
2.1.Основные сведения о цветовых
термоиндикаторах.
2.1.1.Классификация термоиндикаторов.
Современные термоиндикаторы обладают большим разнообразием различающихся признаков. Классификация облегчает выбор необходимого термоиндикатора.
В основу положены следующие признаки:
1)принцип действия;
2)вид (форма);
3)физико-химические превращения, обуславливающие цвет;
4)количество температурных переходов;
5)зависимость цветоизменения от условия нагрева;
6)точность измерения температуры;
В таблице1 приведена классификация термоиндикаторов.
По принципу действия термоиндикаторы подразделяются на 4 основных типа: термохимические индикаторы, термоиндикаторы плавления, жидкокристаллические термоиндикаторы и люминесцентные термоиндикаторы.
Термохимические термоиндикаторы - это сложные вещества, которые при достижении определенной температуры резко изменяют свой цвет за счет химического взаимодействия компонентов.
Термоиндикаторы плавления изменяют свой цвет в результате плавления одного или нескольких компонентов, имеющих строго определенные температуры плавления.
Жидкокристаллические термоиндикаторы в определенном интервале температур переходят 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. При этом переходы твердых кристаллов в жидкие и жидких в изотропный расплав являются фазовыми переходами первого рода.
Таблица 1.
Классификация термоиндикаторов
| Цветовые термоиндикаторы | ||||
| ТИП | термохимичес- кие | плавления | жидко- кристалличес-кие | люминесцентные |
| ВИД | ·порошок·краска ·паста·лак·карандаш·таблетка | · порошок· краска· паста· лак · карандаш· таблетка | · порошок· краска | · порошок· краска· паста· лак· карандаш· таблетка |
| ГРУППА | ¨ обратимые¨ необратимые¨ квазиобра-тимые | ¨ необрати-мые | ¨ обратимые | ¨ обратимые |
| ДИАПОЗОН, °C | 50-1130 | 35-1350 | -12-247 | -200-1000 |
| ОТН.ПОГР.,% | 2,5-10 | 0,5-2,5 | 0,1-2 | 0,5-2 |
| КОЛИЧЕСТВО ЦВЕТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ | один или несколько | один цветовой переход | неограничен- ное количество | один или несколько |
| ЗАВИСИМОСТЬ ОТ УСЛОВИЙ НАГРЕВА | зависимые | независимые | зависимые | зависимые |
Люминесцентные термоиндикаторы - это разновидность люминофоров, которые в зависимости от температуры изменяют либо яркость, либо цвет свечения.
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.
2.1.2. Ассортимент и важнейшие характеристики
термоиндикаторных веществ.
Термоиндикаторные вещества выпускают более 20 зарубежных фирм, однако, лишь немногие из них являются многопозиционными. Все они обратимо и необратимо изменяют свой цвет при нагревании в интервале температур 62-1097°С с числом переходов от3 до 11 (таблица 2).
Максимальным числом цветовых переходов обладают термоиндикаторные вещества фирмы “Калоколор” (Германия), ТР-5, ТР-8 (“Роллс-ройс ”), С-3 (“Термографик ”).
Наибольшая равномерность температурных интервалов между температурами цветовых переходов присуща термоиндикаторному веществу Е-106 (“Термоиндекс”). Термоиндикаторное вещество "Калоколор " (Германия) плавно изменяет свой цвет от светло-коричневого до светло-серого в интервале температур от 117°С до 447°С. В этом температурном интервале выделены 12 различимых глазом цветовых зон, имеющие температурные интервалы 20-50°С.
Состав и способ изготовления термоиндикаторных веществ фирмами не указывается, поэтому воспроизвести их в большинстве случаев невозможно.
Лучшие зарубежные термокраски ТР-5, ТР-8 и С-3 фирм “Роллс- Ройс” и “Термографик” (Великобритания), имеющие по 7-8 цветовых переходов в интервале 417-1067°С практически не импортируется не только из-за нехватки валюты, но и ввиду возможности их применения для передовых областей техники (разработка изделий электронной техники, авиационных газотурбинных двигателей и т.п.).
Отечественные многопозиционные термоиндикаторы (таблица 3), разработанные в РХТУ им. Д.М. Менделеева, имеют от 6 до 12 цветовых переходов при 50-975°С и выпускались ранее заводом “Эмитрон” (г. Москва) и в Ленинграде. В настоящее время их выпуск прекращен.
Таблица 2.
Характеристики цветовых многопозиционных
термоиндикаторных веществ зарубежного производства
| № | Торговая или фирменная марка | Диапазон измеряемых температур | Число цветовых переходов |
| “Роллс-Ройс” (Великобритания) | |||
| 1 | ТР-5 | 517-1067 | 7 |
| 2 | ТР-8 | 417-907 | 7 |
| “Термографик” (Великобритания) | |||
| 3 | С-2 | 397-577 | 3 |
| 4 | С-3 | 447-1097 | 8 |
| 5 | №1(Gas Turbine Paint) | 597-1067 | 8 |
| 6 | ТР-7 | 577-1007 | 6 |
| “Термоиндекс” (США) | |||
| 7 | G-69 | 147-307 | 3 |
| 8 | E-94 | 152-337 | 3 |
| 9 | B-80 | 177-282 | 3 |
| 10 | E-106 | 202-332 | 5 |
| 11 | E-6 | 282-437 | 4 |
| 12 | E-59 | 397-557 | 3 |
| 13 | G-6 | 407-797 | 4 |
| “Термоколор” (США) | |||
| 14 | 2830/30 | 62-217 | 3 |
| 15 | 415/610 | 142-337 | 3 |
| 16 | 2830/33 | 172-337 | 3 |
| 17 | 2830/31 | 417-817 | 3 |
| 18 | 2830/40 | 62-337 | 4 |
| 19 | 2830/41 | 62-337 | 4 |
| Фирма “BASF” | |||
| 20 | 4202-700 800 ЧССР | 417-817 | 4 |
| 21 | PO4(Co(NH3)6) ПНР | 217-347 | 3 |
| 22 | Ni(C2H5N)4(CNS)2 | 132-337 | 3 |
| 23 | Kalocolor (Германия) | 117-447 | 11 |
| Необратимые ТИ краски “Термопейнт” (Япония) | |||
| 24 | Ni(CNS)2(C2H5N)4 | 127-337 | 3 |
| 25 | смесь карбоната кадмия с серой(2:1) | 272-407 | 3 |
| 26 | смесь карбоната кадмия с тиомочевиной | 367-447 | 3 |
Таблица 3.