Пірометри, найпоширеніша технологія вимірювання температури

Магазин Gtest® пропонує широку номенклатуру пірометрів. Посилання на відповідну сторінку сайту магазину наведено наприкінці цього розділу. Крім того, представлено перелік рекомендованих приладів та статей для подальшого самонавчання у цій галузі.

Пірометрія: теорія та застосування

Пірометр походить від грецького кореня pyro, що означає «вогонь». Термін «пірометр» спочатку використовувався для позначення приладу, здатного вимірювати температуру об'єктів вище рівня розжарення - об'єктів, видимих людському оку завдяки власному світінню. Перші інфрачервоні пірометри були безконтактними оптичними пристроями, які перехоплювали та оцінювали видиме випромінювання від розігрітих об'єктів.

Сучасне визначення пірометра охоплює будь-який безконтактний пристрій, який приймає та вимірює теплове випромінювання, що виходить від об'єкта, для визначення температури його поверхні. Термометр, від грецького кореня thermos («гарячий»), використовується для опису широкого спектра приладів для вимірювання температури. Таким чином, пірометр є різновидом інфрачервоного термометра.

Термін «радіаційний термометр» протягом останніх десятиліть став альтернативою поняттю «оптичний пірометр». Саме тому назви «інфрачервоний пірометр» та «радіаційний термометр» часто використовуються як синоніми.

У найпростішому вигляді радіаційний термометр складається з оптичної системи та детектора. Оптична система фокусує енергію, що випромінюється об'єктом, на чутливий до випромінювання детектор. Вихідний сигнал детектора пропорційний кількості енергії, випромінюваної цільовим об'єктом, а також залежить від реакції детектора на певний діапазон довжин хвиль. Отриманий сигнал використовується для визначення температури об'єкта.

Коефіцієнт випромінювання об'єкта є одним із найважливіших параметрів для перетворення сигналу детектора на точне значення температури.

Інфрачервоні оптичні пірометри, які працюють у діапазоні довжин хвиль від 0,7 до 20 мкм, є підмножиною радіаційних термометрів. Такі пристрої можуть виконувати вимірювання на відстані без прямого контакту з об'єктом, на відміну від термопар або резистивних датчиків температури (RTD).

Радіаційні термометри особливо ефективні для контролю температури рухомих об'єктів або поверхонь, до яких неможливо доторкнутися. Однак ці переваги мають свою ціну. Навіть найпростіші моделі коштують дорожче за стандартні термопари або RTD, а витрати на монтаж можуть перевищувати вартість традиційних систем контролю температури.

Такі прилади є надійними, але потребують регулярного технічного обслуговування для забезпечення чистоти оптичних елементів та вільного огляду контрольованої поверхні. У складних застосуваннях використовуються системи з розширеною оптикою, рухомими вузлами та мікропроцесорною електронікою.

На відміну від термопар та RTD, для радіаційних термометрів не існує єдиних галузевих калібрувальних кривих. Тому користувачеві часто необхідно детально вивчати особливості застосування, вибирати відповідну технологію монтажу та правильно компенсувати вплив зовнішніх факторів для досягнення необхідної точності.

Що таке випромінювальна здатність, коефіцієнт випромінювання та коефіцієнт N?

У попередньому розділі випромінювання було визначено як ключовий параметр для точного перетворення сигналу детектора радіаційного термометра в температуру об'єкта. Терміни «випромінювальна здатність» та «коефіцієнт випромінювання» часто використовуються як синоніми, однак між ними існує технічна різниця.

Коефіцієнт випромінювання характеризує властивості матеріалу, тоді як випромінювальна здатність описує властивості конкретного об'єкта. При цьому на випромінювальну здатність впливають форма виробу, стан поверхні, ступінь окислення та інші фактори.

Видиме випромінювання матеріалу також залежить від температури та довжини хвилі, на якій виконується вимірювання. Поліровані поверхні мають нижчі значення коефіцієнта випромінювання, тоді як шорсткі або матові поверхні характеризуються вищими значеннями. У міру окислення матеріалів коефіцієнт випромінювання зазвичай зростає.

Типові значення коефіцієнтів випромінювання для металів та неметалів наведені у відповідних довідкових таблицях.

Основне рівняння радіаційної термометрії

V(T) = eKT^N

Де:

• e - випромінювання;
• V(T) - вихідний сигнал термометра залежно від температури;
• K - стала;
• T - температура об'єкта;
• N - N-фактор (14388/(λT));
• λ - еквівалентна довжина хвилі.

Для мінімізації впливу змін випромінювальної здатності рекомендується використовувати радіаційні термометри з максимально можливим значенням N, тобто з найкоротшою еквівалентною довжиною хвилі.

Переваги високого значення N поширюються і на інші фактори, які можуть впливати на вихідний сигнал. Забруднення оптики або поглинання випромінювання газами на шляху візування менше впливають на результати вимірювань, якщо використовується прилад із високим значенням N.

Значення коефіцієнтів випромінювання для більшості матеріалів відомі та опубліковані в довідковій літературі. Проте лабораторні дані не завжди точно відповідають реальним умовам експлуатації.

Більшість непрозорих неметалевих матеріалів мають високий та стабільний коефіцієнт випромінювання в межах 0,85-0,90. Неокислені метали зазвичай мають коефіцієнт випромінювання від 0,2 до 0,5. Винятком є золото, срібло та алюміній, для яких цей показник може становити лише 0,02-0,04.

Одним із методів визначення фактичної випромінювальної здатності поверхні є порівняння показань пірометра з результатами вимірювання термопарою або RTD-датчиком.

Для температур до 260°C можна використовувати практичний метод із нанесенням чорної малярної стрічки на поверхню об'єкта. Після досягнення теплової рівноваги вимірюється температура стрічки при встановленому коефіцієнті випромінювання 0,95, а потім температура самої поверхні. Різниця показань дозволяє визначити фактичний коефіцієнт випромінювання об'єкта.

Сучасні пірометри зазвичай мають функцію коригування коефіцієнта випромінювання, що дозволяє встановлювати отримані значення вручну для підвищення точності вимірювань.

Значення коефіцієнтів випромінювання, наведені у довідниках, зазвичай отримані при перпендикулярному наведенні пірометра на поверхню об'єкта. Якщо кут візування перевищує 30-40 градусів від нормалі до поверхні, може знадобитися додаткове лабораторне визначення коефіцієнта випромінювання.

Якщо вимірювання виконуються через захисне вікно, необхідно враховувати втрати енергії через відбиття та поглинання матеріалом вікна. Наприклад, кожна поверхня скла відбиває приблизно 4% інфрачервоного випромінювання, що знижує загальний коефіцієнт пропускання до приблизно 0,92.

Невизначеність, пов'язану з випромінювальною здатністю, можна зменшити шляхом використання короткохвильових радіаційних термометрів. Довжини хвиль близько 0,7 мкм забезпечують високу чутливість і меншу залежність результатів від зміни коефіцієнта випромінювання, а також від впливу пилу, пари та водяної пари на шляху візування.

За правильно підібраних умов такі прилади здатні забезпечувати точність вимірювань на рівні 1-2%.

купити пірометр в Україні