Пирометры, самая распространённая технология измерения температуры

Магазин Gtest® предлагает широкую номенклатуру пирометров. Ссылка на соответствующую страничку сайта Магазина приводится в самом конце настоящего Раздела. Кроме того, приводится перечень рекомендуемых приборов + статьи для дальнейшего самообразования в этой области

Пирометия: теория и применение

Пирометр происходит от греческого корня pyro, что означает огонь. Термин пирометр первоначально использовался для обозначения прибора, способного измерять температуру объектов выше накаливания, ярких для человеческого глаза. Первоначальные инфракрасные пирометры были бесконтактными оптическими устройствами, которые перехватывали и оценивали видимое излучение светящимися объектами.

Современным и более правильным определением будет любое бесконтактное устройство, которое перехватывает и измеряет излучаемое от объекта тепловое излучение для определения температуры поверхности. Термометр также от греческого корня thermos, что означает горячий, используется для описания широкого ассортимента приборов, используемых для измерения температуры. Таким образом, пирометр является разновидностью инфракрасного термометра. Обозначение радиационного термометра эволюционировало в течение последнего десятилетия в качестве альтернативы оптическому пирометру. Поэтому термины инфракрасный пирометр и радиационный термометр используются во многих источниках в качестве синонимов. Очень простым языком радиационный термометр состоит из оптической системы и детектора. Оптическая система фокусирует энергию, излучаемую объектом, на детектор, чувствительный к излучению. Выходной сигнал детектора пропорционален количеству энергии, излучаемой целевым объектом (за вычетом количества, поглощенного оптической системой), и реакции детектора на определенные длины волн излучения. Этот выход можно использовать для определения температуры объектов. Коэффициент излучения объекта является важным переменным для преобразования выходного сигнала детектора в точный сигнал температуры. Инфракрасные оптические пирометры, специально измеряя энергию, излучаемую от объекта в диапазоне длин волн от 0,7 до 20 микрон, являются подмножеством радиационных термометров. Эти устройства могут измерять это излучение на расстоянии. Нет необходимости в прямом контакте между радиационным термометром и объектом, как это происходит с термопарами и детекторами температуры сопротивления (RTD). Радиационные пирометры специально подходят для измерения движущихся объектов или любых поверхностей, к которым невозможно дотянуться или которых нельзя коснуться. Но преимущества радиационной термометрии имеют свою цену. Даже самые простые устройства стоят дороже, чем стандартная термопара или резистивный детектор температуры (RTD), а стоимость установки может превышать стоимость стандартной термогильзы. Устройства крепкие, но требуют регулярного обслуживания, чтобы обеспечить свободный визирный путь и чистоту оптических элементов. Системы пирометров, используемые для более сложных приложений, могут иметь более сложную оптику, возможно, вращающиеся или подвижные части, а также электронику на основе микропроцессора. Для радиационных термометров не существует принятых калибровочных кривых промышленности, как для термопар и RTD. Кроме того, пользователю может понадобиться серьезно изучить программу, чтобы выбрать оптимальную технологию, метод установки и компенсацию, необходимую для измеренного сигнала для достижения желаемой производительности.

Что такое излучательная способность, коэффициент излучения и N?

В предыдущей главе излучения был определен как критический параметр для точного преобразования выходного сигнала детектора, используемого в радиационном термометре, в значение, представляющее температуру объекта. Термины коэффициент излучения и коэффициент излучения часто используются в качестве синонимов. Однако существует техническое отличие. Коэффициент излучения относится к свойствам материала; излучение на свойства конкретного объекта В этом последнем смысле коэффициент излучения является одним из компонентов определения коэффициента излучения. Другие факторы, включая форму объекта, окисление и обработку поверхности, должны быть учтены. Видимое излучение материала также зависит от температуры, при которой оно определяется, и длины волны, при которой производится измерение. Состояние поверхности влияет на значение излучения объекта, причем более низкие значения для полированных поверхностей и более высокие значения для шероховатых или матовых поверхностей. Кроме того, по мере окисления материалов коэффициент излучения имеет тенденцию к увеличению, а в зависимости от состояния поверхности уменьшается. Типичные значения коэффициента излучения для ряда обычных металлов и неметаллов при разных температурах приведены в таблицах, начиная со с. 72.

ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ, ЧТО ИСПОЛЬЗОВАНО ДЛЯ ОПИСАНИЯ МОЩНОСТИ РАДИАЦИОННОГО ТЕРМОМЕТРА, ЕСТЬ:

V(T) = eK TN

Где:

• e = излучение

• V(T) = выход термометра с температурой

• K = постоянная

• T = температура объекта

• N = N фактор ( = 14388/(lT))

• l = эквивалентная длина волны

Радиационный термометр с наивысшим значением N (кратчайшая возможная эквивалентная длина волны) должен быть выбран, чтобы получить наименьшую зависимость от изменений целевого излучения. Преимущества устройства с высоким значением N распространяются на любой параметр, влияющий на выходной сигнал V. Загрязненная оптическая система или поглощение энергии газами на траектории визирования меньше влияют на указанную температуру, если N имеет высокое значение. Значения поверхностных коэффициентов излучения почти всех веществ известны и опубликованы в справочной литературе. Однако коэффициент излучения, определяемый в лабораторных условиях, редко совпадает с фактическим коэффициентом излучения объекта в реальных условиях эксплуатации. По этой причине можно использовать опубликованные данные о коэффициенте излучения, когда значения высоки. Как правило, большинство непрозрачных неметаллических материалов обладают высоким и стабильным коэффициентом излучения (от 0,85 до 0,90). Большинство неокисленных металлических материалов обладают низким или средним коэффициентом излучения (от 0,2 до 0,5). Золото, серебро и алюминий являются исключением со значением коэффициента излучения в диапазоне от 0,02 до 0,04. Температуру этих металлов очень сложно измерить радиационным термометром. Один из способов экспериментального определения поверхностной излучающей способности – это сравнение измерения радиационного термометра цели с одновременным измерением, полученным с помощью термопар или термометра RTD. Разница в показаниях связана с коэффициентом излучения, который обычно меньше единицы. Для температур до 500°F (260°C) значение коэффициента излучения можно определить экспериментально, наклеив на поверхность мишени кусок черной малярной ленты. Используя радиационный пирометр, настроенный на коэффициент излучения 0,95, измерьте температуру поверхности ленты (оставьте время, чтобы она достигла теплового равновесия). Затем измерьте температуру поверхности мишени без ленты. Разница в показаниях определяет фактическое значение целевого коэффициента излучения. Сейчас многие приборы имеют калиброванные корректировки коэффициента излучения. Корректировка может быть установлена ​​на значение коэффициента излучения, определенное из таблиц или экспериментально, как описано в предыдущем параграфе. Для высокой точности может потребоваться независимое определение коэффициента излучения в лаборатории на длине волны, измеряемой термометром, и, возможно, на ожидаемой температуре мишени.

Значения излучающей способности в таблицах были определены пирометром, направленным перпендикулярно цели. Если фактический угол визирования превышает 30 или 40 градусов от нормали до цели, может потребоваться лабораторное измерение коэффициента излучения. Кроме того, если радиационный пирометр смотрит через окно, необходимо обеспечить поправку на коэффициент излучения энергии, потерянной на отражение от двух поверхностей окна, а также на поглощение в окне. К примеру, в инфракрасном диапазоне от стеклянных поверхностей отражается около 4% излучения, поэтому эффективный коэффициент пропускания составляет 0,92. Утраты через другие материалы можно найти по показателю преломления материала на длине волны измерения. Неопределенности по излучаемости можно уменьшить с помощью термометров с короткой длиной волны или радиационных термометров. Короткие длины волны, около 0,7 мкм, полезны, поскольку усиление сигнала в этой области является высоким. Более высокий исходный отклик на коротких длинах волн имеет тенденцию смягчать влияние изменений коэффициента излучения. Высокий прирост излучаемой энергии также имеет тенденцию ослаблять эффекты поглощения пара, пыли или водяного пара на пути визирования к цели. Например, установка длины волны в такой полосе заставит датчик считывать данные в пределах от +/-5 до +/-10 градусов абсолютной температуры, когда материал имеет коэффициент излучения 0,9 (+/-0,05). Это составляет примерно от 1 до 2% точности.

Магазин Gtest(R) - авторизованный поставщик пирометров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/pirometry