Методы пирометрии, их достоинства и недостатки. Классификация пирометров

Методы пирометрии, их достоинства  и недостатки. Классификация пирометров.

 

Пирометрией называют совокупность методов  измерения температуры нагретых тел по их излучению. Соответственно, пирометры — это приборы, предназначенные  для бесконтактного измерения температуры на расстоянии. Принцип действия пирометров базируется на том, что все материальные тела излучают электромагнитную энергию, а интенсивность и спектр излучения этой энергии напрямую зависит от их температуры. Пирометры определяют характеристики электромагнитного излучения и на их основании автоматически вычисляют, до какой температуры нагрет объект измерения.

 

Пирометрия возникла еще на рубеже XIX-XX веков, однако развитие свое она  получила лишь в 60-х годах прошлого столетия — именно тогда были сделаны физические открытия, на основании которых удалось разработать компактные и удобные пирометры, идеально подходящие для практического применения.

 

Два основных метода пирометрии

 

В пирометрии с самого момента ее появления и до наших дней используется всего два основных метода измерения температуры нагретых тел по излучению: оптический и радиационный. Конечно, с течением времени технология измерения изменялась и усложнялась, но суть осталась той же.

 

1. Радиационная пирометрия использует  зависимость энергетической яркости (интенсивности) излучения от температуры в ограниченном диапазоне волн — как правило, в инфракрасном диапазоне (соответственно, измерительные приборы, использующие этот метод, называются инфракрасными термометрами, инфракрасными радиометрами или инфракрасными пирометрами).

 Радиационный пирометр (на  фото популярная модель "Condtrol IR-T2")

 

Принцип, на котором основывается радиационная пирометрия, очень прост: поскольку яркость излучения  объекта прямо пропорциональна  температуре, измерив и пересчитав яркость, можно получить точное значение температуры. Таким образом, ключевым узлом пирометра, использующего данный метод измерения, является датчик, который преобразует тепловую энергию в электрический сигнал (ток или напряжение). Тепловой луч фокусируется оптической системой, получившийся на выходе датчика сигнал обрабатывается, а результат отображается на дисплее (индикация на современных пирометрах, как правило, цифровая).

 

2. Оптическая пирометрия основывается  на зависимости спектральной характеристики излучения от температуры в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света, другими словами, на зависимости цвета излучения от температуры. Так, тела, нагретые до 700-800° С, испускают темно-оранжевое свечение, при температуре около 1000° С цвет становится ярко-оранжевым, при 2000° — ярко-желтым, а при 2500° С — практически белым. Известно два основных типа оптических пирометров:

Яркостный пирометр определяет температуру  тела путем визуального сравнения  излучения объекта в видимом  спектре с излучением эталонной нити. Оператор смотрит в окуляр на измеряемый объект и регулирует величину пропускаемого через нить электрического тока, при этом нить в окуляре совмещается с изображением объекта. Как только получается подобрать такое значение, при котором цвет нити совпадает с цветом объекта, изображение нити как бы "растворяется" на фоне объекта (отсюда другое название яркостного пирометра — пирометры с исчезающей нитью). По величине тока определяется температура измеряемого объекта.

Пирометр спектрального отношения сравнивает энергетические яркости объекта в разных областях спектра. Такой пирометр использует несколько датчиков (на практике чаще всего пару) и измеряет энергетические яркости в разных частях спектра, а затем оценивает их отношение (отсюда другое название — пирометр спектрального отношения). Мультиспектральные пирометры обладают большей точностью в сравнении с яркостными, поэтому в настоящее время используются преимущественно оптические пирометры данного типа.

 

В первой половине ХХ века яркостные пирометры были самыми распространенными, но с 60-х годов точные, компактные и удобные радиационные пирометры стали постепенно вытеснять их. На сегодняшний день большинство портативных пирометров работают по радиационному принципу. Объясняется это очень просто: современные радиационные пирометры стоят дешевле оптических, удобнее и проще в применении, и при этом обеспечивают более высокую точность. Однако в некоторых областях оптические пирометры до сих пор находят широкое применение, поскольку обладают своими достоинствами.

 

Достоинства и недостатки радиационных пирометров

 

Основным достоинством радиационных пирометров является простая конструкция  и, как следствие, умеренная цена, высокая надежность и компактность. Оптические пирометры менее удобны в применении, стоят дороже и ломаются чаще, так как обладают как минимум двумя приемниками, преобразователями и усилителями, в то время как любой радиационный пирометр имеет всего один комплект узлов.

 

Другое преимущество радиационных пирометров — хорошая разрешающая способность (гораздо выше, чем у оптических пирометров той же ценовой категории). Как отмечают специалисты, радиационные пирометры идеально подходят для измерения температур ниже 300-400° С, а также для работы в достаточно узких спектральных диапазонах (к примеру, для проведения измерения через пламя). И, наконец, только радиационные пирометры могут измерять низкие температуры (до -50° C).

 

 Радиационный пирометр "Condtrol IR-T1" ложится в руку "как влитой"

 

Все указанные выше преимущества обусловили широкую популярность радиационных пирометров. Но несмотря на все свои достоинства, они обладают и рядом серьезных недостатков.

 

Первым и самым существенным недостатком является зависимость  результатов измерения от излучательной  способности объекта. Что это значит на практике? Допустим, имеется две металлические емкости — одна новая (светлая и блестящая), а другая сильно окисленная (темная и матовая). Если залить обе емкости водой, довести до кипения (100° С) и измерить температуру радиационным пирометром, то для окисленной емкости значение будет соответствовать реальному (около 95° С), а для новой — не достигнет и 50° С. Объясняется это тем, что при прочих равных условиях и одинаковой температуре разные объекты излучают разное количество энергии из-за различной излучательной способности.

 

На величину излучательной способности  оказывает влияние состояние  объекта (твердое тело, жидкость или  газ), фактура поверхности (гладкая, шероховатая), наличие защитных покрытий, пленок, естественных образований вроде ржавчины, накипи и другие факторы. Принято считать, что излучательная способность абсолютно черного тела равна 1, а зеркала — 0, однако на практике этот показатель обычно колеблется в диапазоне от 0,02 до 0,99.

 

Тем не менее, погрешность, вызванную отклонениями излучательной способности, можно компенсировать. Для этого большинство современных пирометров оснащаются специальными регуляторами, позволяющими подстраивать прибор под свойства конкретного объекта (например, модели "X-Line pIRo-550", "Geo Fennel FIRT 1000" и др.). Наличие такого регулятора позволяет корректировать результаты измерений и добиваться высокой точности при измерении температуры самых различных объектов.

 

 

 Сводная таблица коэффициентов  излучения различных материалов (чтобы увидеть полный вариант таблицы, кликните по изображению)

 

Для большинства стандартных материалов и предметов существуют сводные  таблицы, по которым можно легко  узнать значение коэффициента и настроить  пирометр для каждой конкретной ситуации. Единственное неудобство состоит в том, что для некоторых объектов коэффициент корректировки выяснить достаточно сложно. Например, в приведенном выше примере степень окисления старой металлической емкости может быть различной, а значит, и коэффициент — тоже. Для таких случаев специалисты разработали специальные методики определения излучательной способности. Вы можете ознакомиться с некоторыми из них, прочитав статью "Практические советы при использовании пирометра. Решение измерительных задач".

 

Ну, а второй недостаток состоит в том, что точность радиационных пирометров напрямую зависит от расстояния до объекта измерения. Поэтому для измерения температуры труднодоступных или очень горячих предметов предпочтительно выбирать специальные пирометры с высоким оптическим разрешением (именно этот параметр характеризует, насколько далеко может находиться оператор от объекта без ущерба для точности измерений).

 

Достоинства и недостатки оптических пирометров спектрального отношения*

 

*Примечание: поскольку среди оптических  пирометров в настоящий момент наибольшей популярностью пользуются именно пирометры спектрального отношения (мультиспектральные), рассмотрим преимущества и недостатки для них.

 

Мультиспектральные пирометры  измеряют температуру, вычисляя отношение  сигналов от двух приемников, которые работают на разных длинах волн. Такой метод, вроде бы, должен избавлять от основных проблем, присущих радиационным пирометрам: поскольку зависимость сигнала от расстояния для обоих датчиков одинакова и не сказывается на отношении сигналов, точность не зависит ни от расстояния, ни от излучательной способности объекта. Но к сожалению на практике все происходит не совсем так. Как подтвердили многочисленные исследования, даже при использовании оптического метода излучательная способность, хоть и косвенно, но все же влияет на результат измерения и приводит к значительным погрешностям (более 10%) при измерении температур многих материалов (в частности, металлов). А если учесть другие недостатки оптических пирометров (высокая стоимость, меньшая надежность и т.п.), становится ясно, почему они не так популярны, как радиационные.

 

 Оптический пирометр: более  точный, но менее удобный... и более  дорогой 

 

Теоретически данную погрешность  можно исключить также, как и  в случае с радиационными дозиметрами. Но на практике это нереально из-за широкой полосы пропускания датчиков и из-за того, что в отличие от корректирующих коэффициентов для радиационных пирометров, информация по спектральной зависимости излучательной способности для разных материалов в справочной литературе чрезвычайно скудна. Правда, современные цифровые технологии обработки информации позволили создать особые алгоритмы расчета корректирующего сигнала. Погрешность измерений таких "улучшенных" оптических пирометров при температурах 600-2400° С составляет всего 1-1,5%. Но и стоят они существенно больше, чем обычные.

 

Другие варианты классификации 

 

Помимо классификации по методу измерения пирометры также делятся  на низкотемпературные и высокотемпературные, бывают переносными, стационарными или комбинированными, одноканальными и многоканальными, однодиапазонными и многодиапазонными. Для визуализации результатов чаще всего применяется текстово-цифровой метод, но иногда встречаются приборы, использующие графический метод (шкала, где области с разными температурами выделены различными цветами).

 

Вывод

 

 Хотя в ряде случаев предпочтительно  применять оптические пирометры, (в частности, при работе в  сложных условиях, при изменяющейся  излучательной способности объекта  измерения и пр.), наибольшее распространение получили именно радиационные. Их использование актуально для бытового и промышленного применения, поскольку они доступны, просты, надежны и способны обеспечить достаточно высокую точность измерения (а при необходимости полученное значение легко откорректировать).

 

Тем не менее специалисты нашего сайта www.teplomer.biz рекомендуют при  выборе пирометра в первую очередь  определиться с целями, для которых  будет использоваться прибор, условиями  работы, затратами и делать выбор  только с учетом всех указанных факторов.

 

 

 

 

 

Принцип работы, устройство инфракрасного пирометра и его  основные характеристики

 

Пирометром называют прибор, который  измеряет температуру по тепловому  электромагнитному излучению и  предоставляет информацию в форме, удобной для пользователя. Инфракрасные пирометры, использующие метод радиационной пирометрии, являются наиболее распространенным классом среди устройств подобного рода (другие названия — инфракрасный термометр или инфракрасный радиометр). Конструктивно такой пирометр представляет собой пирометрический преобразователь и устройство отображения информации, аналоговое или цифровое.

 

Принцип действия инфракрасного пирометра  основан на измерении абсолютного  значения амплитуды электромагнитного  излучения от объекта в инфракрасной части спектра и последующем преобразовании измеренного значения в температуру. Схема такого пирометра с оптическим видоискателем изображена на рисунке:

 

Устройство пирометра: 1 — объект измерения; 2 — тепловое излучение;

3 — оптическая система;  4 — зеркало; 5 — видоискатель; 6 — ось видоискателя;

7 — измерительно-счетное устройство; 8 — корпус; 9 — электронный преобразователь; 10 — 

 кнопка; 11 — датчик

 

Тепловой луч, сфокусированный  оптической системой, падает на датчик (первичный пирометрический преобразователь), в результате на выходе образуется электрический сигнал, пропорциональный значению температуры объекта измерения. Этот сигнал проходит через электронный преобразователь (вторичный пирометрический преобразователь), попадает в измерительно-счетное устройство и обрабатывается в нем. Результат отображается на дисплее (индикация у современных пирометров, как правило, цифровая).

 

Чтобы получить точное значение температуры  объекта, пользователю нужно лишь включить прибор, навести его на объект измерения и нажать на кнопку. На сегодняшний день этот метод бесконтактного измерения температуры является одним из самых простых и недорогих. Измерения можно проводить практически на любом расстоянии, дальность действия современных пирометров ограничивается только площадью измеряемого пятна и прозрачностью среды.

 

К основным техническим характеристикам  пирометров относят:

оптическое разрешение (встречаются  модели с разрешением от 2 до 600 : 1);

диапазон измеряемых температур (max от -50 до 4000° C или меньше);

измеряемое разрешение — 1 или 0,1° C;

точность измерения (оптимальная  ± 1,5%);

быстродействие (у современных  очень высокое — менее 1 секунды);

коэффициент излучения — переменный либо фиксированный;

способ нацеливания — оптический либо лазерный прицел.

 

Рассмотрим некоторые из этих характеристик  подробнее.

 

Оптическое разрешение

 

Оптическим разрешением (другое название — показатель визирования) называют отношение диаметра светового пятна  и расстояния до объекта измерения. В технической документации к пирометру обычно указывается конкретное значение показателя визирования или приводится диаграмма направленности.

 

Пример диаграммы направленности пирометра 

 

Соответственно, диаметр измеряемого  пятна определяется оптическим разрешением  и зависит от расстояния между пирометром и объектом измерения (S=k*D, где k — показатель визирования, D — расстояние до объекта). Минимальный диаметр пятна соответствует наименьшему размеру объекта, который может быть измерен этим пирометром на заданном расстоянии. Чем больше величина оптического разрешения (S/D, хотя иногда используют обратную величину D/S), тем более мелкие предметы может различать пирометр. Точность измерения не зависит от расстояния до объекта до тех пор, пока диаметр измеряемого пятна меньше размера объекта. Если же диаметр пятна становится больше, прибор начинает принимать излучение от других объектов, и это оказывает значительное влияние на результаты измерения.

 

Различные варианты положения пятна  визирования 

 

На рисунке выше приведены различные варианты расположения пятна визирования:

правильное — в этом случае точность определяется исключительно характеристиками прибора и не зависит от расстояния;

критическое — диаметр пятна  равен размеру поверхности объекта, возможно увеличение погрешности измерения;

закритическое — точность измерения  значительно падает, измерения проводить  не рекомендуется.

 

Фокусное расстояние

 

Для многих пирометров диаграмму направленности пирометра можно считать конической только на достаточно больших расстояниях, вблизи она имеет гораздо более сложную форму. Очень часто зона чувствительности пирометра сначала сужается до своего минимального диаметра, а затем начинает расширяться в виде конуса. Расстояние, на котором достигается минимальный диаметр, называется фокусным расстоянием F, для пирометров с подобной диаграммой направленности этот параметр должен указываться в технической документации. Существует класс специальных короткофокусных пирометров с фокусом в районе 30…60 см и диаметром пятна 5…8 мм.

 

Диапазон  температур и рабочая длина волны

 

Диапазон  измеряемых температур для конкретной модели пирометра определяется рабочей  длиной волны. Пирометры, предназначенные  для измерения высоких температур, работают на более коротких волнах, поскольку с ростом температуры  спектр излучения смещается в сторону коротких частот. Как правило, для пользователя рабочая частота не так важна, поэтому в технических характеристиках данный параметр часто не указывается, но обязательно указывается диапазон рабочих температур (более подробно о соответствии рабочих длин волн и рабочего температурного диапазона можно прочитать в статье "Сферы применения пирометров").

 

Быстродействие

 

Сам принцип работы пирометра предполагает достаточно быстрое измерение температуры, поэтому к этим приборам предъявляются определенные требования по быстродействию. Временем установления показаний считается промежуток, который отсчитывается с момента скачкообразного изменения на входе датчика пирометра до того момента, когда выходной сигнал достигает установленного значения с отклонением до 2%. В среднем быстродействие современных пирометров не превышает 1 секунды.

 

Коэффициент излучения или излучательная  способность

 

Самые простые модели пирометров имеют фиксированный коэффициент излучения (как правило, он равен 0,95, поскольку на производстве и в быту чаще всего требуется измерение температуры объектов с подобным коэффициентом). Однако при измерении температуры светлых, блестящих, полированных поверхностей и т.п. такие пирометры могут давать значительную погрешность. Чтобы этого избежать, специалисты нашего сайта www.teplomer.biz рекомендуют использовать более сложные пирометры с возможностью настройки коэффициента излучения. Используя специальные таблицы (пример подобной таблицы приведен в статье "Методы пирометрии, их достоинства и недостатки. Классификация пирометров.") можно вручную отрегулировать прибор для каждого конкретного случая и снизить погрешность до минимума. Кроме того, самые современные модели инфракрасных пирометров обладают встроенными таблицами с данными излучательной способности для разных материалов, что избавляет от необходимости копаться в справочниках.

 

Способ нацеливания пирометра

 

Простые модели пирометров не имеют приспособлений для прицеливания, и потому могут использоваться только на относительно небольших расстояниях (если расстояние увеличить, диаметр измеряемого пятна становится слишком большим для обеспечения достаточной точности измерения). Однако более сложные модели оснащены специальными инструментами для точного наведения. Обычно это лазерные указки, состоящие из одного или нескольких лучей, и оптические видоискатели.

 

Недорогие лазерные прицельные устройства с одним лучом позволяют определить точку лишь вблизи центра измеряемого пятна; луч у такого прицела не совпадает с оптической осью объектива пирометра, поэтому лазерный указатель смещен относительно центра зоны чувствительности прибора на фиксированное расстояние, как правило, 1-2 см (такой эффект называется "парллакс"). В усовершенствованных моделях коаксиальных лазерных прицелов луч выходит из центра объектива и всегда попадает точно в центр.

 

Двойные лазерные прицелы могут  показывать не только местоположение зоны измерения, но и ее размер (на близких расстояниях размер определяется неточно и, как правило, завышен). Также существует модель двойного лазера с пересекающимися лучами, такая разновидность прицела называется кросс-лазером и используется в основном в короткофокусных пирометрах (ее удобно применять для определения положения фокусного расстояния объектива).

 

Круговые лазерные прицелы с  несколькими лучами четко обозначают зону измерения пирометра. Простым  круговым лазерным прицелам свойственны  уже упомянутые недостатки — параллакс  и погрешность на близких расстояниях. Поэтому самые лучшие прицелы — круговые с несколькими лучами, образующими гиперболоид вращения. Прицелы с такой конструкцией позволяют точно обозначить зону измерения на любых расстояниях, называются они точными круговыми лазерами.

 

Ну, а оптические видоискатели в  основном используются в высокотемпературных  пирометрах, так как лазерный луч  плохо виден на чересчур яркой  или раскаленной поверхности.

 

При выборе пирометра нужно очень  внимательно изучить технические  характеристики различных моделей. Как правило, более дорогие приборы имеют и более продвинутые характеристики: широкий температурный диапазон, возможность регулировки коэффициента излучения, высокое оптическое разрешение и т.п. Конечно, тратиться на самый "навороченный" пирометр часто вовсе необязательно. Но если для простых задач и невысоких температур вполне подойдут недорогие простенькие модели, то для сложного проиводства, где требуется высокая точность и функциональность, без дорогого пирометра не обойтись.

 

 

 

 

 

 

 

 

Сферы применения пирометров

 

Прежде чем подробно рассматривать  сферы применения пирометров, стоит  разобраться, для чего они вообще были созданы. Итак, основное назначение пирометров — дистанционное определение  температуры различных объектов. Чаще всего они используются там, где контактное измерение температуры замедляет технологический процесс или вовсе не представляется возможным, например, в сталелитейной или нефтеперерабатывающей промышленности. Также бесконтактные измерители температуры получили довольно широкое распространение в сфере ЖКХ и быту. Их применение значительно снижает травмоопасность производства (так как не нужно близко подходить к раскаленным объектам) и увеличивает производительность труда.

 

Для чего используются пирометры?

 

В статье "Методы пирометрии, их достоинства и недостатки. Классификация пирометров." уже рассматривались различные виды ик-термометров. Среди них были упомянуты стационарные и портативные (или переносные) пирометры. Рассмотрим их особенности и области применения подробнее:

 

1. Стационарные пирометры отличаются  большими размерами, высокой точностью  и довольно сложным управлением.  Как правило, они "заточены" под определенную сферу производства  и используются в промышленности: для контроля производственных  процессов в металлургии, нефтехимии, целлюлозно-бумажной промышленности, в производстве стекла и пластмассы, для проверки температуры при изготовлении печатных плат и пр. Выделяют также отдельный класс автомобильных стационарных пирометров для контроля технологических процессов на автомобильных заводах. Ввиду особых условий применения к стационарным пирометрам предъявляются особенные требования, такие приборы стоят немалых денег и в большинстве случаев являются корпоративной собственностью.

 

 В металлургии без пирометров не обойтись в виду высоких температур измеряемых объектов

 

2. Портативные пирометры менее  точны, зато гораздо более доступны, компактны (помещаются в сумке  или кармане) и просты в работе, а потому обладают очень широкой  сферой применения. По данным  специалистов нашего сайта www.teplomer.biz портативные пирометры чаще всего применяются в следующих областях:

Электроэнергетика. Низкотемпературные портативные пирометры активно  используются для диагностики контактных соединений, а также для оценки состояния линий электропередач, трансформаторов, радиаторов и изоляторов. С помощью пирометра можно легко выявить участок перегрузки кабеля и других элементов электропроводки, и быстро локализировать это место.

Теплоэнергетика. В теплоэнергетике  пирометры применяются для температурного контроля теплотрасс, определения мест нарушения теплоизоляции, прохождения теплотрассы, а также определения места поломки — если, к примеру, прорвало трубу с горячей водой. Также эти приборы незаменимы при проверке качества теплоизоляции помещений.

Строительство. Если говорить о строительстве, здесь с помощью компактных переносных пирометров определяют теплопотери  в жилых зданиях, а также различных  строениях промышленного назначения. Кроме того, с ними удобно находить разрывы в теплоизоляционной оболочке стен.

Металлургия и машиностроение. Бесконтактный  способ измерения температуры великолепно  подходит для контроля над металлургическими  процессами — ковке, прессовке, правке и пр.

Наука. При проведении лабораторных исследований активных веществ в агрессивных средах, а также в тех случаях, когда контактный способ измерения температуры может нарушить чистоту эксперимента, без пирометров не обойтись (к примеру, контактный метод измерения температуры может повредить объект измерения, если он чересчур хрупкий, или же привести к значительным теплопотерям). Также компактные пирометры используются космонавтами для контроля и при проведении опытов.

Быт. В быту портативные пирометры  могут использоваться для измерения  температуры тела, пищи при приготовлении и т.п.

 

Есть и другие, более узкие  области применения портативных  пирометров — к примеру, их используют железнодорожники для контроля ответственных  узлов вагонов.

 

 Сферы применения портативных  пирометров 

 

Соответствие рабочего температурного диапазона пирометра и сферы его применения

 

Рабочий диапазон температур пирометра  определяется длиной волны, на которой  он работает, и также во многом определяет сферу его применения. Поэтому  очень важно знать, какой спектральный диапазон наилучшим образом подходит для конкретной измерительной задачи — это позволит максимально снизить погрешность и, как следствие, повысить достоверность показаний.

 

Ниже приведена таблица соответствия спектрального и температурного диапазона пирометра с оптимальной сферой его применения. Спектральный диапазон, мкм Диапазон температур, °C Использование

около 0,65 600..4000 в металлургии, в качестве замены оптическим пирометрам с исчезающей нитью

0,7..1,1 300..4000 в металлургии, для измерения температуры расплавов металлов (через защитные стекла в том числе)

1,0..1,6 200..2000 измерение температуры поверхности материалов (металла, полупроводников, стекломассы) на разных глубинах

2,0..2,6 150..1800 в металлургии и металлообработке, для измерения температуры металлов (как цветных, так и черных)

3,4..3,45 50..600 для измерения температуры полиэтилена, полиуретана, полистирола, полипропилена

3,8..3,9 300..2500 измерение температуры через пламя или газ

4,8..5,2 100..2500 измерение температуры керамики, стекла и черных металлов

окоор 7,9 0..600 измерение температуры тонкого пластика, а также для контроля низкотемпературных технологических процессов при производстве изделий из стекла

7..10 0..600 измерение температуры через фтористый кальций и кремний

6,5..14 -20..400 для измерения низких температур различных материалов

7..14 -40..950 для измерения низких и средних температур различных материалов

8..14 -50..1100 для измерения низких и средних температур различных материалов

7..20 -40..800 для измерений при низкотемпературных технологических процессах