На чём основан принцип действия пирометров

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой пирометров (ИК термометров), а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Пирометры представляют собой сложнейшие оптические и электронные системы, позволяющие пользователю решить практическую любую задачу по измерению температуры тел в диапазоне от -50 до 3000 °C. Для того, чтобы правильно выбрать необходимый пирометр, пользователю нужен минимальный багаж знаний по функционированию и применению данных приборов.

Основное при выборе пирометра это четко знать постановку задачи: какую поверхность и из какого материала необходимо измерять, какая температура измеряемой поверхности, с какой дистанции производить измерения, и что собой представляет окружающая среда и объекты, находящиеся между пирометром и измеряемой поверхностью. Ответ на эти четыре базовых вопроса позволит Вам определиться с типом пирометра, но возможно еще не с конкретной моделью.

Сегодня все наиболее распространенные типы пирометров работают в инфракрасном спектре, тем не менее имеют абсолютно разные технологии преобразования светового излучения в электрический сигнал.

Рассмотрим четыре типа пирометров: традиционные инфракрасные пирометры абсолютной энергии волны (инфракрасные пирометры), инфракрасные пирометры относительной энергии волн (двухцветные пирометры), инфракрасные термопары и оптоволоконные пирометры. 

Инфракрасные (одноцветные) пирометры

Принцип действия традиционных инфракрасных пирометров основан на измерении абсолютного значения излучаемой энергии одной волны в инфракрасном спектре. На сегодня это относительно недорогой бесконтактный метод измерения температуры. Данные пирометры могут наводиться на объект с любой дистанции и ограничены лишь диаметром измеряемого пятна и прозрачностью окружающей среды, они идеальны для переносных моделей, и поэтому могут работать по принципу "навел и выстрелил". К их существенным недостаткам можно отнести чувствительность к загрязненности окружающей среды, что ограничивает их применение в запыленных, задымленных или влажных средах. На их показания также могут влиять сильные электромагнитные поля, поэтому их использование, например, рядом с индукционными нагревательными установками не желательно. Они также могут серьезно "врать" при измерении температуры поверхности объектов, переходящих во время технологического процесса из одного физического состояния в другое, когда у поверхности изменяется показатель черноты. К примеру, такое происходит во время разливки металла, когда материал переходит из жидкого состояния в твердое.

Инфракрасные термопары

Практически такими же характеристиками обладают инфракрасные термопары. Однако принципиальная разница между ними – в преобразовании сигнала. Если инфракрасный пирометр использует для преобразования помимо силиконовых или тонкопленочных детекторов, еще и различную электронику для усиления, линеаризации и преобразования сигнала, то инфракрасная термопара лишь преобразует световое излучение в нелинейный термопарный сигнал. Простота в исполнении и отсутствие электроники, позволяет найти уникальное применение и этим устройствам. Главное их достоинство – это низкая цена и совместимость с измерительной аппаратурой (самописцами, измерителями, регуляторами и пр., имеющими аналоговый термопарный вход, как правило ХА). Кроме того, максимальная температура их эксплуатации немного выше, чем у других устройств в виду отсутствия электроники. Они также могут применяться в трудно доступных и удаленных местах благодаря небольшим габаритам и минимальным ограничениям к длине термокомпенсационного кабеля. Серьезными минусами инфракрасных термопар является широкий спектральный диапазон и довольно высокая погрешность (2% и более).

Двухцветные пирометры

Двухцветные пирометры появились относительно недавно. Принцип их работы основан на измерении отношения значений излучаемых энергий двух или более волн в разных цветовых спектрах (традиционные инфракрасные пирометры измеряют абсолютное значение излучаемой энергии одной волны и только в инфракрасном спектре). Применение более совершенной технологии позволяет избежать влияния пыли, дыма, газа и пара в окружающей среде на показания пирометра, а также исключить влияние изменения показателя черноты объекта, например в случае с разливкой металла. Такие пирометры без проблем измеряют даже через запыленное стекло экрана в печи.

Оптоволоконные пирометры

Оптоволоконные пирометры работают по такому же принципу как и традиционные инфракрасные пирометры. Разница состоит лишь в том, что световой поток транспортируется к детектору по оптоволоконному кабелю, который может быть изогнут в произвольной форме. Это свойство позволяет проводить измерения в труднодоступных местах или когда измеряемая поверхность находится не в прямом поле зрения. Кроме того, оптоволоконный кабель неподвержен влиянию сильных электромагнитных полей, устойчив к большим давлениям или вакууму, а также имеет максимальную температуру эксплуатации до 200 °C. Одновременным и плюсом и минусом оптоволоконных пирометров является фиксированный фокус. Плюс состоит в том, что можно выбрать модель пирометра с очень малым диаметром измеряемого пятна – вплоть до 0,1 мм, минус – в том, что вы обязаны установить пирометр точно на указанной дистанции от измеряемой поверхности, что порой не всегда возможно.

Спектральный диапазон

Одной из главных характеристик пирометра является спектральный диапазон, иными словами те длины световых волн, которые он способен "видеть". Любой тип материала излучает волны определенной длины. Если температура материала повышается, длина волны сокращается, и наоборот. Отражающие металлические поверхности имеют короткую длину волны, а неотражающие неметаллические – длинную. Поэтому признаку модели пирометров условно можно разбить на две группы: общего назначения с длиной волны 8-14 или 6-14 микрон, и специализированные под конкретный материал измеряемой поверхности. Пирометры с длиной волны 8-14 или 6-14 микрон измеряют температуру так называемых "черных" и "серых" поверхностей, не попадающих под определение "отражающие или металлические". Это текстиль, пищевые продукты, резина, толстый непрозрачный пластик, картон, дерево, краска, земля, камень и т.д. Пирометры с таким спектральным диапазоном могут применяться для контроля температуры кабелей и контактов в энергетике, в процессах печати и нанесения краски в полиграфии, контроля износа механических частей на транспорте и пр. Данные пирометры не могут использоваться для измерения температуры, к примеру, стекла или металла, поскольку длина волны данных материалов лежит вне их диапазона. Тем не менее, измерить температуру металлической или отражающей поверхности пирометром общего назначения иногда возможно. Для этого на измеряемый участок достаточно нанести слой темной краски или любой другой материал, имеющий длину волны 8-14 микрон. Все применяемые пирометры также можно разбить на два типа: узкоспектральные и широкоспектральные. Так пирометры, имеющие спектральный диапазон, например, 2-20 являются широкоспектральными, а 0,9-1,05 – узкоспектральными. Узкий спектральный диапазон позволяет пирометру "не видеть" световые волны излучаемые поверхностями других объектов или окружающей средой в поле зрения пирометра и принимать излучение только того материала, на который настроен диапазон. Применение широкоспектральных пирометров должно сопровождаться подготовительными мероприятиями по предотвращению попадания "чужого" излучения. К примеру, такой пирометр желательно поместить в трубу или конус с неотражающим покрытием внутренней части, а саму трубу или конус максимально подвести к измеряемой поверхности.

Температурный диапазон

Второй основной характеристикой пирометра является диапазон температуры. Здесь следует отметить, что порой не всегда возможно измерить необходимую температуру в нужном спектральном диапазоне. К примеру, нельзя измерить температуру стекла при 30°С, поскольку световое излучение в данном случае слишком слабо, для того, чтобы его "увидел" пирометр. Если же нагреть стекло до больших температур, то начиная с 50°С, пирометр уже сможет отслеживать температуру. Кроме того, при выборе пирометра, найдите как можно более узкий диапазон. К примеру, не стоит выбирать пирометр с диапазоном 0...1000 °C, если измеряемая Вами температура не превышает 500 °C. Более правильным выбором будет диапазон -18...535 °C.

Показатель визирования и тип фокуса

Следующие характеристики пирометра касаются его оптики. Это показатель визирования и тип фокуса. Показатель визирования определяется как отношение расстояния между пирометром и измеряемой поверхностью к диаметру измеряемого светового пятна на этой поверхности. Обязательное правило – размер пятна не должен выходить за размер измеряемой площади. В противном случае показания пирометра будут не стабильными либо будет выдана "ошибка", поскольку пирометр рассчитывает среднюю температуру пятна. Если Вы выбрали пирометр с близким, стандартным или дальним фокусом, то для того, чтобы подсчитать диаметр пятна, разделите расстояние до объекта на числитель показателя визирования и умножьте на его знаменатель. Например, вы выбрали модель пирометра с показателем визирования 8:1 и хотите знать диаметр измеряемого пятна на расстоянии 2 м. Получаем: 2 : 8 х 1 = 0,25 м. К сожалению, но такой расчет дает не совсем корректный ответ, так как порой, световые лучи не всегда пропорционально расходятся под определенным углом. Например, как это часто бывает в случае с близким фокусом, лучи от пирометра сначала сходятся, а потом расходятся. В таком случае, Вам либо предоставляется диаграмма фокуса, либо сообщается расстояние до измеряемой поверхности, при котором диаметр пятна является минимальным. Если Вы выбрали пирометр с фиксированным типом фокуса , то здесь рассчитывать не придется. Показатель визирования у пирометров с фиксированным фокусом означает, что вы обязаны разместить пирометр на указанном в показателе расстоянии, а не там где Вам того, захочется. К примеру, если показатель визирования у пирометра с фиксированным фокусом 203:6,9 мм, это значит, что пирометр должен находиться на расстоянии 203 мм от измеряемой поверхности, и никак не ближе, и никак не далее. Размер измеряемого пятна при этом составит 6,9 мм.

Показатель черноты (коэффициент излучения) 

Еще одна очень важная характеристика пирометра – показатель черноты. Этот коэффициент показывает на сколько отличается измеряемая поверхность от идеально черной, равной 1. Соответственно и показатели черноты различных материалов могут находиться в диапазоне от 0,01 до 0,99. К примеру, большинство органических материалов имеют показатель черноты равный 0,95, в то время как металлы – 0,20 и менее. Для того, чтобы определить показатель черноты конкретного материала, существует два метода. Первый, это найти показатель черноты по специальной таблице черноты материалов. В ней рассчитаны показатели черноты большинства существующих материалов. Однако следует учесть, что данные приведенные в таблице рассчитаны опытным путем для идеальных поверхностей, и не могут учитывать коррозию, окисление или неоднородность поверхности на практике. Существует и второй способ. Для этого, нужно измерить температуру поверхности контактным способом, например, переносным измерителем или градусником, и соответственно подкорректировать показатель черноты в пирометре. Представленный модельный ряд пирометров позволяет выбрать пирометры с входом под внешнюю термопару. Докупив переносную поверхностную термопару, пользователь сможет более точно подбирать данный показатель. На некоторых дешевых моделях пирометров показатель черноты является неизменяемым и предустановлен на значении 0,95.

Показатель инерции

Показатель инерции характеризует скорость измерения. У представленных в каталоге моделей данный показатель может достигать 25 мсек – скорость абсолютно недостижимая контактными средствами измерения температуры. Следует также учесть, что первое измерение пирометр как правило делает в два раза медленнее, чем последующие.

Погрешность

Все приведенные в каталоге значения данного показателя рассчитаны в лабораторных условиях на абсолютно черных телах и не учитывают практические реалии. Самыми точными являются двухцветные пирометры.

Разрешение и дисплей

Большинство пирометров имеют разрешение 0,1°C при температурах до 99,9 °C, и 1°C - при температурах от 100°C и выше. У дешевых моделей дисплей как правило однострочный, у средних и дорогих - многострочный. Практически все дисплеи имеют подсветку.

Прицелы

Наиболее удобное средство для наводки на измеряемую поверхность. Лазерных прицелов существует несколько типов: "точка", "окружность" и "двойной". В некоторых моделях, к примеру, может быть и "точка", и "окружность". Основное отличие – в дальности наведения: "окружность" наводится на поверхности с расстояний до 7,5 м, "точка" и "двойной" – до 20-30 м. "Окружность" также приблизительно очерчивает площадь измеряемого пятна. Основное использование оптических прицелов – высокие температуры свыше 1200 °C, поскольку на ярких и светящихся поверхностях лазерный луч не виден. 

Типы выходов и программное обеспечение

Часть моделей пирометров имеют следующие аналоговые выходы: термопарный типа J или K, 4-20 мА, 0-5 В. Более дорогие модели могут иметь стандартный дискретный дву- или однонаправленный выход RS-232, RS-485 или TTL для связи с компьютером. В зависимости от типа выходов модели могут иметь разные модификации. Программное обеспечение поставляется в зависимости от модели пирометра как бесплатно, так и платно. Единственным условием является наличие у модели пирометра выхода RS-232 или TTL. Программное обеспечение позволяет отслеживать температуру и строить графики в реальном времени, вести архивацию данных, устанавливать срабатывание аварийных сигнализаций, конвертировать архивные данные в текстовый формат или в формат MS Excel.

Сигнализация мин/макс

Функция, позволяющая установить заданное максимальное или минимальное значение, за пределами которого срабатывает звуковая либо визуальная сигнализация на пирометре. У стационарных моделей это также может быть релейный выход на аварийную сигнализацию.

Память значений

Означает наличие у пирометра электронной памяти последних значений измерения температуры. Стандартное количество запоминаемых значений 12 или 100. Практически все переносные модели имеют функцию вызова последнего значения или его задержки на ЖКИ дисплее, память минимального и максимального значений. Модели среднего ценового диапазона и выше могут также рассчитывать среднее значение и вычислять разность между двумя последними значениями.

Функция логгера

Позволяет работать пирометру в режиме самописца с предустановленным временем старта и интервалом записи. Если таковая функция отсутствует у пирометра, ее можно решить с помощью программного обеспечения при работе пирометра, подключенного к компьютеру через RS232/RS485 порт.

Воздушная очистка/охлаждение

Данный аксессуар имеется только у стационарных пирометров и термопар. Это специальный штуцер, который накручивается на сенсор для подсоединения к нему трубки с охлаждающим/очищающим оптику воздухом от компрессора. Наличие данного аксессуара обязательно при использовании пирометра в загрязненных атмосферах. Единственное требование – подаваемый воздух должен быть чистым.

Корпус для водяного охлаждения

Представляет собой металлический корпус, в который помещается сенсор стационарного пирометра или термопары. В полые стенки корпуса подается охлаждающая вода.

Питание

Переносные пирометры, как правило, оснащены батарейками 9 В, более дорогие модели - аккумуляторами. Стационарные инфракрасные пирометры в основном используют питание 12-24 В 20...500 мА. Инфракрасные термопары не требуют подающего питания (работают по такому же принципу как и обычные контактные термопары).