Пирометры, самая распространённая технология измерения температуры

Магазин Gtest® предлагает широкую номенклатуру пирометров. Ссылка на соответствующую страницу сайта магазина приведена в конце данного раздела. Кроме того, представлен перечень рекомендуемых приборов и статей для дальнейшего самообразования в этой области.

Пирометрия: теория и применение

Пирометр происходит от греческого корня pyro, что означает «огонь». Термин «пирометр» первоначально использовался для обозначения прибора, способного измерять температуру объектов выше уровня накаливания - объектов, ярких для человеческого глаза. Первые инфракрасные пирометры представляли собой бесконтактные оптические устройства, которые улавливали и оценивали видимое излучение, испускаемое раскалёнными объектами.

Современное определение пирометра включает любое бесконтактное устройство, которое улавливает и измеряет тепловое излучение, испускаемое объектом, для определения температуры его поверхности. Термометр, происходящий от греческого корня thermos («горячий»), используется для обозначения широкого спектра приборов для измерения температуры. Таким образом, пирометр является разновидностью инфракрасного термометра.

Термин «радиационный термометр» за последние десятилетия стал альтернативой понятию «оптический пирометр». Поэтому термины «инфракрасный пирометр» и «радиационный термометр» часто используются как синонимы.

В простейшем виде радиационный термометр состоит из оптической системы и детектора. Оптическая система фокусирует энергию, излучаемую объектом, на чувствительный к излучению детектор. Выходной сигнал детектора пропорционален количеству энергии, излучаемой объектом, а также зависит от его чувствительности к определённым длинам волн. Этот сигнал используется для определения температуры объекта.

Коэффициент излучения объекта является важнейшим параметром для преобразования сигнала детектора в точное значение температуры.

Инфракрасные оптические пирометры, работающие в диапазоне длин волн от 0,7 до 20 мкм, являются подмножеством радиационных термометров. Такие устройства способны выполнять измерения на расстоянии без прямого контакта с объектом, в отличие от термопар и датчиков температуры сопротивления (RTD).

Радиационные пирометры особенно подходят для измерения температуры движущихся объектов или поверхностей, к которым невозможно прикоснуться. Однако эти преимущества имеют свою цену. Даже простейшие устройства стоят дороже стандартных термопар или RTD, а стоимость установки может превышать стоимость традиционных систем контроля температуры.

Приборы отличаются высокой надёжностью, однако требуют регулярного обслуживания для обеспечения чистоты оптических элементов и свободного визирного пути. Более сложные системы могут включать усовершенствованную оптику, подвижные механизмы и микропроцессорную электронику.

В отличие от термопар и RTD, для радиационных термометров не существует единых отраслевых калибровочных кривых. Поэтому пользователю часто необходимо тщательно изучать особенности применения прибора, выбирать оптимальный способ установки и методы компенсации влияющих факторов для достижения требуемой точности измерений.

Что такое излучательная способность, коэффициент излучения и N-фактор?

В предыдущем разделе излучение было определено как ключевой параметр для точного преобразования выходного сигнала детектора радиационного термометра в значение температуры объекта. Термины «излучательная способность» и «коэффициент излучения» часто используются как синонимы, однако между ними существует техническое различие.

Коэффициент излучения относится к свойствам материала, тогда как излучательная способность характеризует конкретный объект. На неё влияют форма изделия, степень окисления, состояние и обработка поверхности.

Излучательные свойства материала также зависят от температуры и длины волны, на которой выполняется измерение. Полированные поверхности имеют более низкие значения коэффициента излучения, а шероховатые или матовые поверхности - более высокие. По мере окисления материалов коэффициент излучения обычно увеличивается.

Типовые значения коэффициентов излучения для различных металлов и неметаллов приведены в специализированных справочных таблицах.

Основное уравнение радиационной термометрии

V(T) = eKT^N

Где:

• e - коэффициент излучения;
• V(T) - выходной сигнал термометра;
• K - постоянная;
• T - температура объекта;
• N - N-фактор (14388/(λT));
• λ - эквивалентная длина волны.

Для минимизации влияния изменений коэффициента излучения рекомендуется использовать радиационные термометры с максимально возможным значением N, то есть с наиболее короткой эквивалентной длиной волны.

Преимущества высокого значения N распространяются и на другие факторы, влияющие на выходной сигнал. Загрязнение оптики или поглощение энергии газами на пути визирования оказывают меньшее влияние на результат измерения при высоких значениях N.

Значения коэффициентов излучения для большинства материалов известны и опубликованы в справочной литературе. Однако данные, полученные в лабораторных условиях, не всегда совпадают с реальными условиями эксплуатации.

Большинство непрозрачных неметаллических материалов имеют высокий и стабильный коэффициент излучения в пределах 0,85-0,90. Неокисленные металлы обычно имеют коэффициент излучения от 0,2 до 0,5. Исключение составляют золото, серебро и алюминий, для которых этот показатель может находиться в диапазоне 0,02-0,04.

Одним из способов определения фактической излучательной способности поверхности является сравнение показаний радиационного термометра с результатами измерений термопарой или RTD-датчиком.

Для температур до 260°C можно использовать практический метод с нанесением чёрной малярной ленты на поверхность объекта. После достижения теплового равновесия измеряется температура ленты при установленном коэффициенте излучения 0,95, а затем температура самой поверхности. Разница показаний позволяет определить фактическое значение коэффициента излучения объекта.

Современные пирометры обычно оснащены функцией корректировки коэффициента излучения, что позволяет вручную вводить полученные значения для повышения точности измерений.

Значения коэффициентов излучения, приведённые в таблицах, обычно определяются при перпендикулярном наведении пирометра на поверхность объекта. Если фактический угол визирования превышает 30-40 градусов относительно нормали к поверхности, может потребоваться дополнительное лабораторное определение коэффициента излучения.

Если измерения выполняются через защитное окно, необходимо учитывать потери энергии на отражение и поглощение материалом окна. Например, каждая поверхность стекла отражает около 4% инфракрасного излучения, что снижает общий коэффициент пропускания примерно до 0,92.

Неопределённость, связанную с коэффициентом излучения, можно уменьшить с помощью коротковолновых радиационных термометров. Длины волн около 0,7 мкм обеспечивают высокую чувствительность и меньшую зависимость результатов от изменений коэффициента излучения, а также от влияния пыли, пара и водяного пара на пути визирования.

При правильном выборе условий измерения такие приборы способны обеспечивать точность порядка 1-2%.

купить пирометр в Украине