Новости. События.

8 марта 2014 г. «Революция технологий и эволюция методов и средств термометрии. Репортаж 1 из XX века» А.Н. Магунов

В книге «Репортаж из XXI века» даны прогнозы развития ряда научных, технических и технологических направлений.

Ниже мы будем сравнивать состояние методов и средств термометрии с потребностями как традиционных, так и новых технологий, появившихся во время подготовки той книги и после ее выхода.

Посмотрим на содержание обобщающих книг по термометрии, вышедших в 50-е — 80-е годы прошлого века. То, как авторы выбирают и группируют материал книг, говорит об их представлениях о том, где и зачем необходимо проводить температурные измерения, с какой точностью можно и нужно проводить температурные измерения в разных технологиях, каковы перспективы появления и развития новых методов.

В качестве обобщающих выбраны три книги, написанные метрологами – специалистами по температурным измерениям. Авторы хорошо понимают возможности и ограничения контактных и бесконтактных методов термометрии. Несколько хуже они понимают особенности объектов и условий измерения температуры в науке и технологии. Непонимание иногда приводит к грубым ошибкам, повторяемым и усиливаемым на протяжении десятилетий. Надо понять, как можно избежать подобных ошибок.

Состояние термометрии в начале 50-х годов

АННОТАЦИЯ

В книге изложены методы измерения температур в металлургии и других отраслях промышленности, приведены основы измерительной техники в области низких, средних и в особенности высоких температур на основе новейших достижений в науке и заводской практике.

Книга рассчитана на средний технический персонал заводов, работников заводских лабораторий, слушателей средних и высших технических учебных заведений и курсов по повышению квалификации.

Оглавление

  • Гл.1. Элементы учения о погрешностях измерения.
  • Гл.2. Температурные шкалы.
  • Гл.3. Элементы учения о теплообмене и приложения к температурным измерениям.
  • Гл.4. Термометры сопротивления.
  • Гл.5. Жидкостно-стеклянные термометры.
  • Гл.6. Манометрические термометры.
  • Гл.7. Термоэлектрические термометры.
  • Гл.8. Оптические и радиационные пирометры.
  • Гл.9. Некоторые специфические методы температурных измерений.
  • Приложения.
  • Литература.

В книге 432 страницы, 171 рисунок, библиография включает 89 источников. Тираж 4500 экземпляров.

Что наблюдается при чтении книги

  • Все авторы – сотрудники ВНИИМ им. Д.И.Менделеева (в 1952 г. – г. Ленинград, ныне – Санкт-Петербург).
  • Рассматриваются методы термометрии, которые применяются уже 100—200 лет. Термометры сопротивления и термопары известны с XIX века, жидкостно-стеклянные и манометрические термометры с XVII века. Оптическим пирометрам примерно 100 лет (выпускаются промышленностью 60 лет).
  • Наиболее интересной выглядит глава 9, где описано применение разных методов.
    В ней обсуждается:
    • измерение температуры газовых потоков;
    • несколько методов измерения температуры пламени;
    • измерение температуры расплавленного чугуна и стали.
  • Интересны сведения о том, как зависит процент брака при разливке металла от перегрева (разности между температурой жидкого металла и температурой его затвердевания). Чем меньше перегрев, тем больше брака.
  • Содержание 9-й главы показывает, что 60 лет назад метрологи стремились понять особенности процессов и объектов, температуру которых необходимо измерять.

Состояние термометрии и теплометрии в 60-е годы

АННОТАЦИЯ

В книге описаны основные известные методы измерения температур и тепловых потоков. В таблицах и тексте приведены справочные данные по стандартной отечественной и, частично, зарубежной аппаратуре и материалам, необходимым в практике измерений, кратко освещены теоретические, методические и метрологические вопросы, связанные с темой.

Для случаев, когда измерения не обеспечены стандартными приборами промыщленного изготовления, приводятся обстоятельные рекомендации, позволяющие решить возникшую задачу.

Рассчитана на широкие круги инженерно-технических работников, занятых измерениями температур и тепловых потоков в условиях промышленной практики и научного эксперимента.

Оглавление

  • Гл.1. Общие положения термометрии.
  • Гл.2. Жидкостные термометры.
  • Гл.3. Термометры сопротивления.
  • Гл.4. Термопары.
  • Гл.5. Оптические, радиационные и цветовые термометры.
  • Гл.6. Другие прямые и косвенные методы определения температуры.
  • Гл.7. Измерения нестационарных кондуктивных и конвективных тепловых потоков.
  • Гл.8. Измерение стационарных лучистых потоков.
  • Гл.9. Измерение нестационарных кратковременных и сложных тепловых потоков.
  • Гл.10. Аппаратура для градуировки теплометров.
  • Литература.

В книге 302 страницы, 132 рисунка, библиография включает 177 источников. Тираж 9000 экземпляров.

Что изменилось, что добавилось за 13 лет

  • В оглавлении видны те же методы, что и в 1952 году. Добавилась цветовая пирометрия.
  • В главе 1 содержится важное утверждение:
    Многие физические величины зависят от температуры, поэтому в принципе термометрия может основываться на измерении любого параметра вещества.
  • Однако, как показали следующие десятилетия, это утверждение не содержало эвристического потенциала и не привело к созданию новых методов и приборов термометрии.
  • Между 1952 и 1965 годом появились такие значительные технологические нововведения, как плазменная и электронно-лучевая металлургия, плазмохимия. Все существующие методы термометрии оказались непригодными для измерений в этих технологиях. Из-за отсутствия успехов термометрии в новых технологиях ни одна из них в книге не рассматривается.
  • В начале 60-х возникла микроэлектроника, при этом потребовались: массовое производство кристаллов кремния, их очистка от ненужных примесей, введение легирующих примесей в заданных концентрациях, создание вакуумных установок и технологий нанесения тонких пленок, оптической и электронно-лучевой литографии. В большинстве базовых технологий микроэлектроники существующие методы термометрии применить не удалось из-за их высокой трудоемкости и низкой производительности измерений (контактные методы), низкой надежности получаемых данных (бесконтактные методы).

Некоторые книги 50-х — 70-х годов XX века

Какие задачи были решены или решались

  • В 50-е — 80-е годы вышли десятки книг, посвященных разным методам термометрии и разным объектам (твердое тело, пламя, плазма).
  • В ряде книг подробно рассмотрены возможности контактных методов термометрии, а также ошибок, возникающих при статических и динамических измерениях.
  • Несколько книг посвящено оптической пирометрии, ее возможностям и ограничениям.
  • Выходили книги по термометрии ядерных реакторов, где измерительные условия связаны с интенсивным ионизирующим излучением и трудностью доступа к внутренним элементам реактора.
  • Были разработаны методы термометрии разных подсистем газоразрядной плазмы (электронов, ионов, нейтральных частиц) и атмосферы Земли.
  • Радиочастотные методы термометрии позволили установить, что температура в глубине Луны выше, чем на ее поверхности. Позднее было проведено измерение радиояркостных температур Земли с искусственного спутника «Космос-243». После доклада авторов этой работы им задал вопрос П.Л.Капица – могут ли они организовать измерения на Земле, чтобы узнать, нагревается или остывает наша планета.

Состояние термометрии в конце 80-х годов

АННОТАЦИЯ

Отв ред. Геращенко О. А.; АН УССР. Ин-т проблем энергосбережения. — Киев: Наук. думка, 1989. 704 с.

Справочник содержит полную информацию о современных средствах измерения температуры применительно к различным областям пауки и технологии. Приведены сведения об апробированных в эксплуатации термометрических средствах с учетом использования стандартных и нестандартных материалов и изделий, выпускаемых в нашей стране и за рубежом. Даны метрологические основы термометрии, доведенные до конкретных определений погрешностей. Во втором издании расширена номенклатура термометрических явлений и современных методов и средств измерений.

Для инженеров, научных работников, преподавателей, аспирантов и студентов технических, физико-технических и других специальностей.

Авторы – О.В.Геращенко, А.Н.Гордов, А.К.Еремина, В.И.Лах, Я.Т.Луцик, В.И.Пуцыло, В.И.Стаднык, Н.А.Ярышев. Киев-Ленинград-Львов.

Содержание справочника 1989 г.
Оглавление

  • Гл.1. История развития термометрии.
  • Гл.2. Физические основы температурных измерений.
  • Гл.3. Международная практическая температурная шкала.
  • Гл.4. Погрешности измерения температуры жидкостей и газов.
  • Гл.5. Методические погрешности измерения температуры поверхности и внутри тела.
  • Гл.6. Жидкостно-стеклянные термометры.
  • Гл.7. Манометрические термометры.
  • Гл.8. Термопреобразователи сопротивления.
  • Гл.9. Термоэлектрические преобразователи.
  • Гл.10. Ультразвуковые термометры.
  • Гл.11. Шумовые термометры.
  • Гл.12. Температурные индикаторы.
  • Гл.13. Пирометры.
  • Гл.14. Вторичные электрические приборы для измерения температуры.
  • Гл.15. Измерение температуры пламён.
  • Список литературы.

В книге 704 страницы, 270 рисунков, библиография включает 1667 источников. Тираж 8000 экземпляров.

Что изменилось, что добавилось за 37 лет

  • На с.29 справочника содержится важное утверждение: «Огромное многообразие объектов, требующих измерений температуры, приводит к необходимости наличия широкой номенклатуры приборов температурного контроля и создания новых, построенных на известных, но не используемых или мало используемых в термометрии физических явлениях».
  • По сравнению с книгой 1952 г., справочник 1989 г. содержит разделы по ультразвуковой и шумовой термометрии, а также по температурным индикаторам. Но первые два метода применяются редко и, главным образом, в исследованиях, а не в технологическом контроле. Температурные индикаторы - вещества, изменяющие при повышении температуры свой цвет, форму, фазовое состояние – позволяют иногда проводить оценки температур, но неудобны в обращении, работа с ними трудоемка, а производительность измерений низка.
  • На стр.29-30 дан беглый перечень редко применяемых методов термометрии, в тексте объемом 44 строки содержатся сведения о 13 методах. Примерно половина методов – для криогенной области. Обобщения и прогноза развития и применения новых методов нет.
  • Утверждение о необходимости создания приборов на основе новых явлений, как и сделанное ранее (в 1965 г.) о возможности создания методов на основе любого параметра вещества, приводится в педагогических целях. Новые приборы, основанные на принципах, не используемых в термометрии, не были созданы ни в 50-е, ни в 60-е, ни в 70-е, ни в 80-е годы. Прибор – это не единичная самоделка (в науке их было и есть много), а измерительное устройство, выпускаемое промышленностью для широкого применения, а перед этим он проходит конструкторскую проработку и стандартные метрологические процедуры.

Представления метрологов о точности

  • В предисловии к справочнику (стр.7) написано: «В современных условиях технологические требования к точности поддержания температуры находятся на уровне высших метрологических достижений».
  • Откуда появляются эти фантастически завышенные требования к точности? Кто и где их обосновал?
  • Любые, даже самые высокие, требования к точности не означают, что в действительности достигается высокая точность измерения и поддержания температуры. Скорее, всё наоборот: чем бо́льшая точность указывается в текстах, тем хуже обстоит дело с температурными измерениями на самом деле.
  • Когда температурные измерения неточны (например, ошибки достигают 20-30%), но это неизвестно измеряющим (они всегда считают, что ошибки не превышают 1-2%), высокий процент брака не объясняют никудышными температурными измерениями. Брак объясняют «недостаточно точными» измерениями, а причина – «недостаточно точные» измерительные средства. Таким образом и нагоняют требования к достигнутой и требуемой точности. Когда требования «находятся на уровне высших достижений», это просто мнение, не подтверждаемое научно-технической литературой.

Что происходило в течение четырех десятилетий?

  • Сравнение книг 1952 и 1989 г. показывает, что количество производимых промышленностью различных термопар и термосопротивлений, а также оптических пирометров, существенно выросло за 37 лет. Количественный рост измерительных возможностей очевиден.
  • Качественного роста измерительных возможностей не произошло: ни в одной из новых технологий, появившихся за то же время, традиционные методы термометрии не достигли успеха.
  • В 50-е — 80-е годы происходили многочисленные усовершенствования средств термометрии, но они не имели принципиального характера.
  • Некоторые новые принципы термометрии появились со стороны и на периферии (волоконно-оптические датчики температуры, методы лазерной термометрии и т.п.). Но ни новые методы, ни новые принципы измерений не вызвали интереса в термометрическом сообществе.
  • Сообщество оказалось не готовым к прогнозированию направлений развития термометрии и к выходу за пределы нескольких канонических методов.
  • Все новые методы термометрии (лазерные, рентгеновские, нейтронные), появившиеся за последние десятилетия, созданы в предметных областях. Это значит, что большинство методов реализовано в виде единичного прибора.

Термометрия и новые технологии

  • В 70-е годы мощные (сотни кВт) плазмотроны стали использоваться для синтеза неорганических веществ (тугоплавких, абразивных и т.п.), для разложения природного газа.
  • В 70-е — 80-е годы были разработаны технологии лазерной и лазерно-плазменной резки и сварки металлов, лазерного и плазменного модифицирования (закалки, легирования) поверхности.
  • Мощные вакуумно-дуговые установки стали использоваться для нанесения упрочняющих и антикоррозионных покрытий на металлические детали и конструкции.
  • Плазменное травление микроструктур появилось вместо жидкостного травления и впоследствии сделало возможным создание субмикронных элементов микросхем.
  • Ионное легирование полупроводников позволило управлять глубиной проникновения ионов и их дозой. Лазерный и ламповый отжиг дефектов в полупроводниках позволил восстанавливать кристаллическую структуру со встроенными в решетку активными примесями.
  • В этих технологиях измерить температуру (катода дугового плазмотрона, ванны расплава при сварке, конденсированных капель пара при лазерной абляции, подложки в микротехнологии) сейчас так же трудно, как и 30-40 лет назад. Термометрия до сих пор не справляется с трудностями в новых технологиях.

Особенности новых технологий

  • В лазерных, лазерно-плазменных, электронно-лучевых технологиях материал обрабатывают при очень высокой интенсивности (от нескольких кВт/см² до нескольких ГВт/см²). Область воздействия перемещается по поверхности заготовки со скоростью от долей см/с до десятков см/с.
  • В технологиях, где присутствует плазма, тепловое излучение поверхности заготовки может иметь меньшую интенсивность, чем неравновесное излучение плазмы (атомарные линии и молекулярные полосы). При этом ни яркостная, ни цветовая пирометрия не обеспечивают достоверных измерений температуры поверхности.
  • В плазменной микротехнологии интегральных схем происходит частая смена подложек (30-60 раз в течение часа). Установление надежного теплового контакта термопары с каждой подложкой резко снижает производительность процесса, поэтому контактные измерения не проводятся. Для оптической пирометрии непреодолимым препятствием является постороннее излучение (плазма) и неизвестные оптические свойства поверхности, на которой присутствуют легированные и нелегированные полупроводники, металлы и другие проводники, диэлектрики – у каждого из материалов своя излучательная способность. Поэтому пирометры почти не применяются.

Заключение

  • За последние 50—60 лет появились многочисленные технологии, основанные на использовании мощных пучков и плазмы. В новых технологиях измерять температуру нечем – нет методов и приборов.
  • Методы и выпускаемые промышленностью средства термометрии почти не изменились с 50-х годов и уже полвека не соответствуют задачам, которые приходится решать в новых технологиях.
  • В течение десятилетий в термометрии отсутствовало прогнозирование, не анализировались возможности измерений в целых классах задач (например, «объект в плазме», «движущаяся по поверхности высокотемпературная область с пространственно-неоднородной температурой» и т.д.).
  • Встречаются утверждения, что температуру в технологии надо измерять и поддерживать на уровне точности первичных эталонов. Нигде не обсуждаются причины, по которым всюду необходима высокая точность, и последствия невыполнения этого требования. Реальное состояние термометрии в традиционных и новых технологиях либо неизвестно, либо не соответствует даже умеренным требованиям по точности измерений.

В следующем репортаже из XX века рассмотрим термометрию в технологии интегральных схем.

 

© 2012-2018 - НИИ ПМТ