Пірометри, найпоширеніша технологія вимірювання температури

Магазин Gtest® пропонує широку номенклатуру пірометрів. Посилання на відповідну сторінку сайту Магазину наводиться наприкінці цього Розділу. Крім того, наводиться перелік рекомендованих приладів + статті для подальшого самоосвіти в цій галузі

Пірометія: 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 розжарення, об’єктів, яскравих для людського ока. Початкові інфрачервоні пірометри були безконтактними оптичними пристроями, які перехоплювали та оцінювали видиме випромінювання, що випускається світяться об’єктами.

Сучасним і більш правильним визначенням буде будь-який безконтактний пристрій, який перехоплює та вимірює теплове випромінювання, що випромінюється від об’єкта, для визначення температури поверхні. Термометр, також від грецького кореня thermos, що означає гарячий, використовується для опису широкого асортименту приладів, що використовуються для вимірювання температури. Таким чином, пірометр є різновидом інфрачервоного термометра. Позначення радіаційного термометра еволюціонувало протягом останнього десятиліття як альтернатива оптичному пірометру. Тому терміни інфрачервоний пірометр і радіаційний термометр використовуються в багатьох джерелах як синоніми. Дуже простою мовою радіаційний термометр складається з оптичної системи та детектора. Оптична система фокусує енергію, випромінювану об'єктом, на детектор, чутливий до випромінювання. Вихідний сигнал детектора пропорційний кількості енергії, випромінюваної цільовим об’єктом (за вирахуванням кількості, поглиненої оптичною системою), і реакції детектора на певні довжини хвиль випромінювання. Цей вихід можна використовувати для визначення температури об’єктів. Коефіцієнт випромінювання об’єкта є важливою змінною для перетворення вихідного сигналу детектора в точний сигнал температури. Інфрачервоні оптичні пірометри, спеціально вимірюючи енергію, що випромінюється від об’єкта в діапазоні довжин хвиль від 0,7 до 20 мікрон, є підмножиною радіаційних термометрів. Ці пристрої можуть вимірювати це випромінювання на відстані. Немає необхідності в прямому контакті між радіаційним термометром і об'єктом, як це має місце з термопарами та детекторами температури опору (RTD). Радіаційні пірометри спеціально підходять для вимірювання рухомих об'єктів або будь-яких поверхонь, до яких неможливо дотягнутися або яких неможливо торкнутися. Але переваги радіаційної термометрії мають свою ціну. Навіть найпростіші пристрої коштують дорожче, ніж стандартна термопара або резистивний детектор температури (RTD), а вартість встановлення може перевищувати вартість стандартної термогільзи. Пристрої міцні, але вимагають регулярного обслуговування, щоб забезпечити вільний візирний шлях і чистоту оптичних елементів. Системи пірометрів, які використовуються для більш складних застосувань, можуть мати складнішу оптику, можливо, обертові або рухомі частини, а також електроніку на основі мікропроцесора. Для радіаційних термометрів не існує прийнятих калібрувальних кривих промисловості, як для термопар і RTD. Крім того, користувачеві може знадобитися серйозно вивчити програму, щоб вибрати оптимальну технологію, метод встановлення та компенсацію, необхідну для виміряного сигналу, щоб досягти бажаної продуктивності.

Що таке випромінювальна здатнiсть, коефіцієнт випромінювання та коефіцієнт N?

У попередній главі випромінювання було визначено як критичний параметр для точного перетворення вихідного сигналу детектора, який використовується в радіаційному термометрі, у значення, що представляє температуру об’єкта. Терміни коефіцієнт випромінювання та коефіцієнт випромінювання часто використовуються як синоніми. Однак існує технічна відмінність. Коефіцієнт випромінювання відноситься до властивостей матеріалу; випромінювання на властивості конкретного об'єкта. У цьому останньому сенсі коефіцієнт випромінювання є лише одним із компонентів визначення коефіцієнта випромінювання. Інші фактори, включаючи форму об'єкта, окислення та обробку поверхні, повинні бути взяті до уваги. Видиме випромінювання матеріалу також залежить від температури, при якій воно визначається, і довжини хвилі, при якій проводиться вимірювання. Стан поверхні впливає на значення випромінювання об’єкта, причому нижчі значення для полірованих поверхонь і вищі значення для шорстких або матових поверхонь. Крім того, у міру окислення матеріалів коефіцієнт випромінювання має тенденцію до збільшення, а залежність від стану поверхні зменшується. Типові значення коефіцієнта випромінювання для ряду звичайних металів і неметалів при різних температурах наведено в таблицях, починаючи з стор. 72.

ОСНОВНЕ РІВНЯННЯ, ЩО ВИКОРИСТАНО ДЛЯ ОПИСУ ПОТУЖНОСТІ РАДІАЦІЙНОГО ТЕРМОМЕТРА, Є:

V (T) = e K TN

Де:

• e = випромінювання

• V(T) = вихід термометра з температурою

• K = постійна

• T = температура об'єкта

• N = N фактор ( = 14388/(lT))

• l = еквівалентна довжина хвилі

Радиаційний термометр з найвищим значенням N (найкоротша можлива еквівалентна довжина хвилі) повинен бути обраний, щоб отримати найменшу залежність від змін цільового випромінювання. Переваги пристрою з високим значенням N поширюються на будь-який параметр, який впливає на вихідний сигнал V. Забруднена оптична система або поглинання енергії газами на траєкторії візування менше впливають на вказану температуру, якщо N має високе значення. Значення поверхневих коефіцієнтів випромінювання майже всіх речовин відомі й опубліковані в довідковій літературі. Однак коефіцієнт випромінювання, визначений в лабораторних умовах, рідко збігається з фактичним коефіцієнтом випромінювання об'єкта в реальних умовах експлуатації. З цієї причини можна використовувати опубліковані дані про коефіцієнт випромінювання, коли значення високі. Як правило, більшість непрозорих неметалевих матеріалів мають високий і стабільний коефіцієнт випромінювання (від 0,85 до 0,90). Більшість неокислених металевих матеріалів мають низький або середній коефіцієнт випромінювання (від 0,2 до 0,5). Золото, срібло та алюміній є винятком зі значеннями коефіцієнта випромінювання в діапазоні від 0,02 до 0,04. Температуру цих металів дуже важко виміряти радіаційним термометром. Один із способів експериментального визначення поверхневої випромінювальної здатності – це порівняння вимірювання радіаційного термометра цілі з одночасним вимірюванням, отриманим за допомогою термопари або термометра RTD. Різниця в показаннях пов'язана з коефіцієнтом випромінювання, який, звичайно, менше одиниці. Для температур до 500°F (260°C) значення коефіцієнта випромінювання можна визначити експериментально, наклеївши на поверхню мішені шматок чорної малярської стрічки. Використовуючи радіаційний пірометр, налаштований на коефіцієнт випромінювання 0,95, виміряйте температуру поверхні стрічки (залиште час, щоб вона досягла теплової рівноваги). Потім виміряйте температуру поверхні мішені без стрічки. Різниця в показаннях визначає фактичне значення цільового коефіцієнта випромінювання. Зараз багато приладів мають калібровані коригування коефіцієнта випромінювання. Коригування може бути встановлено на значення коефіцієнта випромінювання, визначене з таблиць або експериментально, як описано в попередньому параграфі. Для найвищої точності може знадобитися незалежне визначення коефіцієнта випромінювання в лабораторії на довжині хвилі, яку вимірює термометр, і, можливо, на очікуваній температурі мішені.

Значення випромінювальної здатності в таблицях були визначені пірометром, спрямованим перпендикулярно до цілі. Якщо фактичний кут візування перевищує 30 або 40 градусів від нормалі до цілі, може знадобитися лабораторне вимірювання коефіцієнта випромінювання. Крім того, якщо радіаційний пірометр дивиться через вікно, необхідно забезпечити поправку на коефіцієнт випромінювання для енергії, втраченої на відбивання від двох поверхонь вікна, а також на поглинання у вікні. Наприклад, в інфрачервоному діапазоні від скляних поверхонь відбивається близько 4% випромінювання, тому ефективний коефіцієнт пропускання становить 0,92. Втрати через інші матеріали можна визначити за показником заломлення матеріалу на довжині хвилі вимірювання. Невизначеності щодо випромінюваності можна зменшити за допомогою термометрів з короткою довжиною хвилі або радіаційних термометрів. Короткі довжини хвилі, близько 0,7 мкм, є корисними, оскільки посилення сигналу в цій області є високим. Більш високий вихідний відгук на коротких довжинах хвиль має тенденцію пом'якшувати вплив змін коефіцієнта випромінювання. Високий приріст випромінюваної енергії також має тенденцію послаблювати ефекти поглинання пари, пилу або водяної пари на шляху візування до цілі. Наприклад, встановлення довжини хвилі в такій смузі змусить датчик зчитувати дані в межах від +/-5 до +/-10 градусів абсолютної температури, коли матеріал має коефіцієнт випромінювання 0,9 (+/-0,05). Це становить приблизно від 1% до 2% точності.