Пирометр - это и есть тот прибор, о котором пойдёт речь

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

Виды бесконтактных инфракрасных термометров

КАК КЛАССИФИЦИРОВАТЬ БЕСКОНТАКТНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ?

1. Широкополосные радиационные термометры/пирометры

2. Узкополосные радиационные термометры/пирометры

3. Соотношение радиационных термометров/пирометров

4. Оптические пирометры

5. Волоконно-оптические радиационные термометры/пирометры

Эти классификации не жесткие. К примеру, оптические пирометры можно считать подмножеством узкополосных устройств. Волоконно-оптические излучающие термометры, подробно обсуждаемые в другом разделе, можно классифицировать как широкополосные, узкополосные или коэффициентные устройства. Подобным образом, инфракрасные радиационные термометры можно считать подгруппами нескольких из этих классов. Исторически радиационный бесконтактный термометр состоял из оптической системы для сбора энергии, излучаемой мишенью; детектор для превращения этой энергии в электрический сигнал; регулирование излучаемости для согласования калибровки термометра с конкретными характеристиками излучения мишени и схема компенсации температуры окружающей среды, чтобы гарантировать, что колебания температуры внутри термометра из-за условий окружающей среды не влияют на точность. Современный инфракрасный термометр все еще основывается на этой концепции. 

Однако технология стала более сложной, чтобы расширить область применения, с которой можно работать. Например, количество доступных ИК-детекторов значительно возросло, и благодаря возможностям выборочной фильтрации эти детекторы могут более эффективно подстраиваться под конкретные программы, улучшая эффективность измерений. Бесконтактное измерение температуры представляет собой лучшую технику для небольших, подвижных или недоступных объектов; динамические процессы, требующие быстрой реакции; и температуры 1000°C (1832°F). Чтобы выбрать наилучшее бесконтактное измерительное устройство для конкретного применения, важно понимать основы технологии измерения температуры, параметры измерения температуры и функции, которые предлагают различные измерительные системы, доступные на данный момент. Широкополосные радиационные датчики температуры.

Широкополосные бесконтактные термометры, как правило, являются простейшими устройствами, имеют наименьшую стоимость и могут иметь отклик от длины волны от 0,3 микрона до верхнего предела от 2,5 до 20 микрон. Нижний и высокий предел широкополосного термометра является функцией используемой оптической системы. Они называются широкополосными, так как они измеряют значительную часть теплового излучения, излучаемого объектом, в температурном диапазоне нормального использования.

Широкополосные инфракрасные термометры зависят от общего излучения измеряемой поверхности. На рисунке показана погрешность в считывании различных коэффициентов излучения и температур, когда широкополосное устройство откалибровано для черного тела. Контроль коэффициента излучения позволяет пользователю компенсировать эти погрешности, пока коэффициент излучения не меняется. Путь к цели должен быть беспрепятственным. Водяной пар, пыль, дым, пар и газы, поглощающие излучение, присутствующие в атмосфере, могут ослабить излучение, излучаемое от цели, и вызвать низкие показатели термометра.

Подпись к изображению: Оптическую систему следует содержать в чистоте, а смотровое окно защищать от любых коррозионных веществ в окружающей среде.

Стандартные диапазоны включают от 32 до 1832°F (0 до 1000°C) и от 932 до 1652°F (500 до 900°C). Типичная точность составляет от 0,5 до 1% полной шкалы. Как указывает название, ИК-термометры с узким диапазоном излучения работают в узком диапазоне длин волн. Узкополосные приборы можно также назвать одноцветными пирометрами. Специфически используемый детектор определяет спектральный отклик конкретного устройства. Например, бесконтактный термометр, использующий кремниевый детектор, будет иметь пик отклика примерно на 0,9 микрона, а верхний предел полезности составляет около 1,1 микрона.

Такой прибор полезен для измерения температур выше 1102°F (600°C). Узкополосные термометры обычно имеют спектральный отклик менее 1 микрона. Узкополосные бесконтактные термометры используют фильтры для ограничения реакции на выбранную длину волны. Вероятно, важнейшим достижением в радиационной термометрии явилось введение селективной фильтрации входного излучения, позволяющее подбирать прибор для конкретного применения для достижения более высокой точности измерений. Это стало возможным благодаря наличию более чувствительных детекторов и прогрессу в усилителях сигнала. Общие примеры выборочных спектральных отзывов – от 8 до 14 микрон, что позволяет избежать помех от атмосферной влаги на длинных путях; 7,9 микрон, используется для измерения некоторых тонкопленочных пластмасс; 5 микрон, используется для измерения стеклянных поверхностей; и 3,86 мкм, что позволяет избежать помех от углекислого газа и водяных паров в пламени и газах, образующихся при сгорании.

Заголовок подписи к изображению Стандартные температурные диапазоны отличаются от одного производителя к другому, но некоторые примеры включают: -36 до 1112°F (-37,78 до 600°C), 32 до 1832°F (0 до 1000°C), 1112 до 5432°F (603 до 3 до 2000°C). Типичная точность составляет от 0,25 до 2% полной шкалы.

ИК приборе для Коэффициента излучения. Также называются двухцветными инфракрасными бесконтактными термометрами. Эти устройства измеряют энергию излучения объекта между двумя узкими диапазонами длин волн и вычисляют соотношение двух энергий, являющееся функцией температуры объекта. Сначала их называли двухцветными пирометрами, поскольку две длины волны соответствовали разным цветам в видимом спектре (например, красном и зеленом). Сегодня многие люди все еще используют термин двухцветные пирометры, расширяя термин, чтобы включить длины волн в инфракрасном диапазоне. Бесконтактные термометры зависят только от соотношения двух измеренных энергий, а не от их абсолютных значений, как показано на рисунке 3-4. Любой параметр, такой как размер мишени, влияющий на количество энергии в каждой полосе на равный процент, не влияет на индикацию температуры. Это делает термометр соотношения более чётким. (Однако некоторая точность теряется, когда вы измеряете небольшие отличия в больших сигналах). Техника соотношения может устранить или уменьшить ошибки в измерении температуры, вызванные изменениями коэффициента излучения, обработки поверхности и поглощающих энергию материалов, таких как водяной пар, между термометром и целью. Эти динамические изменения должны быть одинаково заметны детектором на двух длинах используемых волн. Коэффициент излучения всех материалов не меняется одинаково на разных длинах волн. Материалы, для которых коэффициент излучения одинаково изменяется на разных длинах волн, называют серыми телами. Материалы, для которых это не так, называются несерыми телами. Кроме того, не все формы помех на пути зрения все равно ослабляют соотношение длин волн. Например, если на траектории зрения имеются частицы, имеющие тот же размер, что и одна из длин волн, соотношение может стать несбалансированным.

Двухцветные бесконтактные термометры следует серьезно рассматривать для применений, где точность, а не только повторяемость, является критической, или если целевой объект претерпевает физические или химические изменения. Рациональные термометры обхватывают широкий температурный спектр. Типичные коммерчески доступные диапазоны от 1652 до 5432* F (900 до 3000°C) и от 120 до 6692°F (50 до 3700°C). Типичная точность составляет от 0,5% показаний на узких промежутках до 2% полной шкалы. Оптические пирометры Оптические пирометры измеряют излучение цели в узком диапазоне длин волн теплового спектра. Старейшие устройства используют принцип оптической яркости в видимом красном спектре около 0,65 мкм. Эти приборы еще называют одноцветными пирометрами. Теперь доступны оптические пирометры для измерения длин волн бесконтактной энергии, которые распространяются в инфракрасную область. Термин одноцветный пирометр был расширен некоторыми авторами, чтобы включить также узкополосные радиационные термометры.

Некоторые оптические конструкции управляются вручную, как показано на рисунке. Оператор наводит пирометр на цель. При этом он может видеть в очке изображение внутренней нити лампы. В одной конструкции оператор регулирует мощность нити, изменяя ее цвет, пока он не совпадает с цветом мишени. Температура мишени измеряется на основе мощности, потребляемой внутренней нитью. Другая конструкция поддерживает постоянный ток к нити накаливания и изменяет яркость мишени с помощью вращающегося оптического клина, поглощающего энергию. Температура объекта связана с количеством энергии, поглощаемой клином, которая является функцией его кольцевого положения. Также доступны автоматические оптические пирометры, чувствительные к измерениям в инфракрасном диапазоне. Эти инструменты используют детектор электрического излучения, а не человеческий глаз. Это устройство работает путем сравнения количества излучения, излучаемого целью, с излучением, излучаемым внутренним контролируемым эталонным источником. Выход прибора пропорционален разности излучения между целью и эталонным излучением.

Волоконно-оптическое излучение

Несмотря на то, что эти устройства не являются чисто отдельным классом, они используют световод, такой как гибкое прозрачное волокно, для направления излучения на детектор, и более подробно описаны в разделе, начинающемся на стр. 43. Спектральный отклик этих волокон достигает примерно 2 микрон и может быть полезен для измерения температуры объектов до 210°F (100°C). Очевидно, что эти устройства особенно полезны, когда трудно или невозможно получить четкую траекторию визирования к цели, как в барокамере.

Определение терминов

Общий глоссарий для бесконтактных термометров ИК-излучения.

Инфракрасное излучение – это та часть электромагнитного спектра, которая находится за пределами видимого (от синего до красного, 0,4-0,75 мкм) отклика человеческого глаза. Длина ИК-волны простирается от 0,75 мкм до 1000 мкм, где начинаются кратчайшие микроволны (радар). Поскольку ИК-излучение генерируется преимущественно теплом, его называют тепловым излучением. Для бесконтактных термометров важны только части ИК-спектра. Спектр часто делят на «атмосферные окна», обеспечивающие максимальное пропускание без потерь через водяной пар в воздухе: 0,7-1,3 мкм; 1,4-1,8 мкм; 2,0-2,5 мкм; 3,2-4,3 мкм; 4,8-5,3 мкм; 8-14 мкм

Коэффициент излучения. Это качество определяет долю излучения, излучаемого объектом по сравнению с излучением идеального излучателя (черного тела) при той же температуре. Коэффициент излучения частично определяется типом материала и состоянием его поверхности и может варьироваться от близкого к нулю (для зеркала с высоким отражательным светом) до 1 (для симулятора черного тела). Коэффициент излучения используется для вычисления подлинной температуры объекта на основе измеренной яркости или спектрального излучения. Поскольку излучательная способность объекта может также изменяться в зависимости от длины волны, для конкретного применения следует выбрать радиационный термометр с областями высокой излучающей способности, соответствующими спектральному отклику. Значения коэффициента излучения приведены в литературе для различных материалов и спектральных диапазонов, или эти значения можно определить эмпирически.

Яркость/Одноцветный пирометр. Эти устройства измеряют и оценивают интенсивность или яркость перехваченного теплового излучения. Интенсивность, или, в общем, спектральная яркость измеряется в узком диапазоне длин волн теплового спектра. Выбор полосы зависит от диапазона температур и типа подлежащего измерению материала.

Соотношение /двухцветный пирометр. Этот бесконтактный термометр измеряет температуру на основе двух или более дискретных длин волн. Соотношение яркостей в отдельных длинах волн соответствует цвету в видимом диапазоне. Использование двух разных видимых цветов – как правило, красного и зеленого – давно было популярно для определения цветовой температуры.

Обнаружение радиации

Регулировка коэффициента излучения. Точность измерения температуры зависит от правильной настройки прибора на целевую излучательную способность. Предустановленные значения коэффициента излучения можно использовать для онлайновых датчиков для мониторинга целей с постоянным коэффициентом излучения. Измерения материалов с переменными коэффициентами излучения требуют точной и воспроизводимой корректировки коэффициента излучения.

Температура окружающей территории. Тепловое излучение мишени всегда содержит рассеянное излучение, излучаемое окружающей мишень средой и отражаемое поверхностью мишени. На практике температура окружающей среды часто считается такой же, как и температура датчика. Если мишень подвергается воздействию другой тепловой среды, например внутри нагретой печи, внутри охлажденной камеры или на открытом воздухе, глядя на открытое небо, для точного измерения необходимы настройки. Для автоматического расчета температуры можно использовать отдельные датчики зоны вокруг цели.

Заголовок изображения Затмение пути. Газы, водяной пар, пыль и другие аэрозоли в зоне видимости датчика могут влиять на показания температуры.

Использование одного из атмосферных окон в ИК-области значительно уменьшает погрешности измерений. Поскольку оба оптических канала одинаково ослаблены, пирометры коэффициента, как правило, невосприимчивы к затемнению траектории зрения и соотношение цветов сигнала остается неизменным.

Дрейф температуры окружающей среды. По своей природе конструкции бесконтактных термометров сильно зависят от изменений температуры окружающей среды. Для поддержания высокой точности измерения необходима точная компенсация этого температурного дрейфа. Температурный дрейф указывается в ошибках/°C или ошибках/°F изменения температуры окружающей среды.

Оптические системы. Отражающая (зеркальная) и преломляющая (линзовая) оптика используется в бесконтактных термометрах для изоляции и определения излучения от измеряемой цели.

Поле зрения. Поле зрения (FOV) выражается в градусах телесного угла или в радианах. Поле зрения позволяет легко рассчитать минимальный размер цели для каждого рабочего расстояния. Удобно соотношение расстояния до цели, например, 20:1, что указывает на минимальную цель 1 дюйм на расстоянии измерения 20 дюймов.

Сосредоточение на цели. Оптика в бесконтактных датчиках температуры обычно имеет фиксированный фокус. Фокусировка на больших расстояниях измерения не требуется, если целевая область меньше входной апертуры (диаметра линзы) прибора.

Волоконная оптика. Волоконная оптика позволяет физически отделить узел линзы от детектора и электроники обработки сигналов в ограниченном пространстве или агрессивной среде. Полезный диапазон измерения волоконной оптики начинается от 400°C (750°F). Минимальные целевые области определены выше.

Прицеливание в цель. Для бесконтактных термометров используются различные методы оптического наведения:

• Простые прицельные приспособления для оружия

• Интегрированные или съемные оптические видоискатели

• Визирование через линзу

• Интегрированные или съемные маркеры светового луча

Обработка сигналов. Прямой выход Бесконтактные термометры превращают перехваченное тепловое излучение в электрический сигнал, пропорциональный спектральному излучению, излучаемому поверхностью мишени.

Линеаризованный выход. Электронная сеть преобразует сигнал теплового излучения в электрический ток/напряжение, пропорциональное температуре.

Sample and Hold. Современная температура передач, выбранная по внешнему триггеру является путеводной (нефти), неуместно перемещается по новому значению в предыдущей схеме случая.

Максимальное значение или удержание пика. Отображается наивысшее значение температуры за период измерения. Сброс инициируется внешним сигналом.

Минимальная стоимость или Valley Hold. Отображается самая низкая температура в течение определенного периода измерения. Отдых вызывается внешним сигналом.

От пика к пику. Отображается разница между максимальными и минимальными показателями температуры в течение определенного периода измерения.

Скорость отклика. Краткое время отклика необходимо для отслеживания быстро меняющихся температурных процессов. Долгое время отклика объединяет все вариации сигнала в течение определенного периода измерения и улучшает температурное разрешение для усреднения изменяющихся значений или повышения точности измерения.

Автоматический триггер (волновая функция). Определяется и отображается высокая температура. Сброс запускается автоматически, когда сигнал достигает настраиваемого порога, но последнее пиковое значение сохраняется на дисплее, пока оно не будет заменено следующим пиковым значением. Этот метод подходит для быстрого отбора проб и анализа целевых периодических значений без использования внешних триггерных сигналов.

Сигнализация. Выходной сигнал (реле) активируется, когда сигнал достигает заданного значения температуры. Обычно предоставляются две независимые контрольные точки – HI/LO.

Аксессуары для бесконтактных термометров Водоохлаждаемые куртки. Водное охлаждение расширяет диапазон температуры окружающей среды датчика до 400°C (752°F) или более.

Фитинги для очищения воздуха. Оправа линз или фитинговые насадки для сжатого воздуха предназначены для направления потока чистого воздуха через поверхность линзы. Они защищают траекторию оптического прицела от паров, испарений и пыли.

Калибраторы для бесконтактных термометров. Глубокие полости, контролируемые при равномерно распределенной температуре, служат симуляторами черного тела для калибровки радиационных термометров. Для размещения различных инструментов они обеспечивают эффективную апертуру ~1 дюйм (25 мм) и оптимизированы для диапазона рабочих температур:

• Водяная баня с перемешиванием: 30-100°C (86-212°F)

• Алюминиевый сердечник: 50-400°C (122-752°F)

• Сердцевина из нержавеющей стали: 350-1000°C (662-1832°F)

• Портативный полевой калибратор, работающий от батареи: фиксированный выбор температуры от 40°C до 100°C (104-212°F)

Онлайн или портативный?

Он-лайн инструменты. Эти устройства обычно используются для постоянного мониторинга и контроля процесса. Они доступны в низкотемпературных и высокотемпературных моделях, каждая из которых имеет свои рабочие характеристики.

Портативные инструменты. Портативные устройства, как правило, предпочитают проверки процесса, профилактического/предсказуемого обслуживания, тепловых обследований, исследований и разработок и временного мониторинга температуры. Низкотемпературные и высокотемпературные версии отличаются производительностью.

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