Пірометр - це і є той прилад, про який йтиметься

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

Види безконтактних інфрачервоних термометрів

ЯК КЛАСИФІКУВАТИ БЕЗКОНТАКТНІ ТЕРМОМЕТРИ?

1. Широкосмугові радіаційні термометри/пірометри 

2. Вузькосмугові радіаційні термометри/пірометри 

3. Співвідношення радіаційних термометрів/пірометрів 

4. Оптичні пірометри 

5. Волоконно-оптичні радіаційні термометри/пірометри

Ці класифікації не є жорсткими. Наприклад, оптичні пірометри можна вважати підмножиною вузькосмугових пристроїв. Волоконно-оптичні випромінювальні термометри, які детально обговорюватимуться в іншому розділі, можна класифікувати як широкосмугові, вузькосмугові або коефіцієнтні пристрої. Подібним чином інфрачервоні радіаційні термометри можна вважати підгрупами кількох із цих класів. Історично радіаційний безконтактний термометр складався з оптичної системи для збору енергії, випромінюваної мішенню; детектор для перетворення цієї енергії в електричний сигнал; регулювання випромінюваності для узгодження калібрування термометра з конкретними характеристиками випромінювання мішені та схема компенсації температури навколишнього середовища, щоб гарантувати, що коливання температури всередині термометра через умови навколишнього середовища не впливають на точність. Сучасний інфрачервоний термометр все ще базується на цій концепції. 

Однак технологія стала більш складною, щоб розширити сферу застосування, з якою можна працювати. Наприклад, кількість доступних ІЧ-детекторів значно зросла, і, завдяки можливостям вибіркової фільтрації, ці детектори можуть більш ефективно підлаштовуватися під конкретні програми, покращуючи ефективність вимірювань. Безконтактне вимірювання температури є кращою технікою для невеликих, рухомих або недоступних об’єктів; динамічні процеси, що вимагають швидкої реакції; і температури 1000°C (1832°F). Щоб вибрати найкращий безконтактний вимірювальний пристрій для конкретного застосування, важливо розуміти основи технології вимірювання температури, параметри вимірювання температури та функції, які пропонують різноманітні вимірювальні системи, доступні на даний момент. Широкосмугові радіаційні датчики температури. 

Широкосмугові безконтактні термометри, як правило, є найпростішими пристроями, мають найменшу вартість і можуть мати відгук від довжини хвилі від 0,3 мікрона до верхньої межі від 2,5 до 20 мікрон. Нижня та висока межі широкосмугового термометра є функцією конкретної оптичної системи, що використовується. Вони називаються широкосмуговими, тому що вони вимірюють значну частку теплового випромінювання, випромінюваного об’єктом, у температурному діапазоні нормального використання. 

Широкосмугові інфрачервоні термометри залежать від загального випромінювання вимірюваної поверхні. На малюнку показано похибку в зчитуванні різних коефіцієнтів випромінювання та температур, коли широкосмуговий пристрій відкалібровано для чорного тіла. Контроль коефіцієнта випромінювання дозволяє користувачеві компенсувати ці похибки, доки коефіцієнт випромінювання не змінюється. Шлях до цілі має бути без перешкод. Водяна пара, пил, дим, пара та гази, що поглинають випромінювання, присутні в атмосфері, можуть послабити випромінювання, що випромінюється від цілі, і спричинити низькі показники термометра.

Підпис до зображення: Оптичну систему слід утримувати в чистоті, а оглядове вікно захищати від будь-яких корозійних речовин у навколишньому середовищі.

Стандартні діапазони включають від 32 до 1832°F (0 до 1000°C) і від 932 до 1652°F (500 до 900°C). Типова точність становить від 0,5 до 1% повної шкали. Вузькосмугове випромінювання Як вказує назва, ІЧ-термометри з вузьким діапазоном випромінювання працюють у вузькому діапазоні довжин хвиль. Вузькосмугові прилади також можна назвати одноколірними пірометрами. Специфічний використовуваний детектор визначає спектральний відгук конкретного пристрою. Наприклад, безконтактний термометр, що використовує кремнієвий детектор, матиме пік відгуку приблизно на 0,9 мікрона, а верхня межа корисності становить близько 1,1 мікрона. 

Такий прилад корисний для вимірювання температур вище 1102°F (600°C). Вузькосмугові термометри зазвичай мають спектральний відгук менше 1 мікрона. Вузькосмугові безконтактні термометри використовують фільтри для обмеження реакції на вибрану довжину хвилі. Ймовірно, найважливішим досягненням у радіаційній термометрії стало введення селективної фільтрації вхідного випромінювання, що дозволяє підбирати прилад для конкретного застосування для досягнення вищої точності вимірювань. Це стало можливим завдяки наявності більш чутливих детекторів і прогресу в підсилювачах сигналу. Загальні приклади вибіркових спектральних відгуків — від 8 до 14 мікрон, що дозволяє уникнути перешкод від атмосферної вологи на довгих шляхах; 7,9 мікрон, використовується для вимірювання деяких тонкоплівкових пластмас; 5 мікрон, використовується для вимірювання скляних поверхонь; і 3,86 мкм, що дозволяє уникнути перешкод від вуглекислого газу та водяної пари у полум’ї та газах, що утворюються при згорянні.

Заголовок підпису до зображення Стандартні температурні діапазони відрізняються від одного виробника до іншого, але деякі приклади включають: -36 до 1112°F (-37,78 до 600°C), 32 до 1832°F (0 до 1000°C), 1112 до 5432°F (600 до 3000°C) і 932 до 3632°F (від 500 до 2000°C). Типова точність становить від 0,25% до 2% повної шкали.

ІЧ приладі для Коефіцієнта випромінювання.Також називаються двокольоровими інфрачервоними безконтактними термометрами. Ці пристрої вимірюють енергію випромінювання об’єкта між двома вузькими діапазонами довжин хвиль і обчислюють співвідношення двох енергій, яке є функцією температури об’єкта. Спочатку їх називали двоколірними пірометрами, оскільки дві довжини хвилі відповідали різним кольорам у видимому спектрі (наприклад, червоному та зеленому). Сьогодні багато людей все ще використовують термін двоколірні пірометри, розширюючи термін, щоб включити довжини хвиль в інфрачервоному діапазоні. Безконтактні термометри залежать лише від співвідношення двох виміряних енергій, а не від їхніх абсолютних значень, як показано на малюнку 3-4. Будь-який параметр, такий як розмір мішені, який впливає на кількість енергії в кожній смузі на рівний відсоток, не впливає на індикацію температури. Це робить термометр співвідношення більш точним. (Однак деяка точність втрачається, коли ви вимірюєте невеликі відмінності у великих сигналах). Техніка співвідношення може усунути або зменшити помилки у вимірюванні температури, спричинені змінами коефіцієнта випромінювання, обробки поверхні та матеріалів, що поглинають енергію, таких як водяна пара, між термометром і ціллю. Ці динамічні зміни повинні бути однаково помітні детектором на двох довжинах хвиль, що використовуються. Коефіцієнт випромінювання всіх матеріалів не змінюється однаково на різних довжинах хвиль. Матеріали, для яких коефіцієнт випромінювання однаково змінюється на різних довжинах хвиль, називаються сірими тілами. Матеріали, для яких це не так, називаються несірими тілами. Крім того, не всі форми перешкод на шляху зору однаково послаблюють співвідношення довжин хвиль. Наприклад, якщо на траєкторії зору є частинки, які мають той самий розмір, що й одна з довжин хвиль, співвідношення може стати незбалансованим.

Двоколірні безконтактні термометри слід серйозно розглядати для застосувань, де точність, а не лише повторюваність, є критичною, або якщо цільовий об’єкт зазнає фізичних чи хімічних змін. Раціональні термометри охоплюють широкий температурний діапазон. Типові комерційно доступні діапазони від 1652 до 5432* F (900 до 3000°C) і від 120 до 6692°F (50 до 3700°C). Типова точність становить від 0,5% від показань на вузьких проміжках до 2% від повної шкали. Оптичні пірометри Оптичні пірометри вимірюють випромінювання цілі у вузькому діапазоні довжин хвиль теплового спектру. Найстаріші пристрої використовують принцип оптичної яскравості у видимому червоному спектрі близько 0,65 мкм. Ці прилади ще називають одноколірними пірометрами. Тепер доступні оптичні пірометри для вимірювання довжин хвиль безконтактної енергії, які поширюються в інфрачервону область. Термін одноколірні пірометри був розширений деякими авторами, щоб включити також вузькосмугові радіаційні термометри.

Деякі оптичні конструкції керуються вручну, як показано на малюнку. Оператор наводить пірометр на ціль. При цьому він/вона може бачити в окулярі зображення внутрішньої нитки лампи. В одній конструкції оператор регулює потужність нитки, змінюючи її колір, доки він не збігається з кольором мішені. Температура мішені вимірюється на основі потужності, яку споживає внутрішня нитка. Інша конструкція підтримує постійний струм до нитки розжарювання та змінює яскравість мішені за допомогою обертового оптичного клина, що поглинає енергію. Температура об’єкта пов’язана з кількістю енергії, яку поглинає клин, яка є функцією його кільцевого положення. Також доступні автоматичні оптичні пірометри, чутливі до вимірювання в інфрачервоному діапазоні. Ці інструменти використовують детектор електричного випромінювання, а не людське око. Цей пристрій працює шляхом порівняння кількості випромінювання, випромінюваного ціллю, з випромінюванням, випромінюваним внутрішнім контрольованим еталонним джерелом. Вихід приладу пропорційний різниці випромінювання між ціллю та еталонним випромінюванням.

Волоконно-оптичне випромінювання

Незважаючи на те, що ці пристрої не є суто окремим класом, вони використовують світловод, такий як гнучке прозоре волокно, для спрямування випромінювання на детектор, і більш детально описані в розділі, що починається на стор. 43. Спектральний відгук цих волокон досягає приблизно 2 мікрон і може бути корисним для вимірювання температури об’єктів до 210°F (100°C). Очевидно, що ці пристрої особливо корисні, коли важко або неможливо отримати чітку траєкторію візування до цілі, як у барокамері.

Визначення термінів

Загальний глосарій для безконтактних термометрів ІЧ-випромінювання.

Інфрачервоне випромінювання – це та частина електромагнітного спектру, що знаходиться за межами видимого (від синього до червоного, 0,4-0,75 мкм) відгуку людського ока. Довжина ІЧ-хвилі простягається від 0,75 мкм до 1000 мкм, де починаються найкоротші мікрохвилі (радар). Оскільки ІЧ-випромінювання генерується переважно теплом, його називають тепловим випромінюванням. Для безконтактних термометрів важливі лише частини ІЧ-спектру. Спектр часто поділяють на «атмосферні вікна», які забезпечують максимальне пропускання без втрат через водяну пару в повітрі: 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

Коефіцієнт випромінювання. Ця якість визначає частку випромінювання, випромінюваного об’єктом, порівняно з випромінюванням ідеального випромінювача (чорного тіла) при тій же температурі. Коефіцієнт випромінювання частково визначається типом матеріалу та станом його поверхні та може варіюватися від близького до нуля (для дзеркала з високим відбивним світлом) до майже 1 (для симулятора чорного тіла). Коефіцієнт випромінювання використовується для обчислення справжньої температури об’єкта на основі виміряної яскравості або спектрального випромінювання. Оскільки випромінювальна здатність об’єкта також може змінюватися залежно від довжини хвилі, для конкретного застосування слід вибрати радіаційний термометр із областями високої випромінювальної здатності, що відповідають спектральному відгуку. Значення коефіцієнта випромінювання наведено в літературі для різних матеріалів і спектральних діапазонів, або ці значення можна визначити емпірично.

Яскравість/Одноколірний пірометр. Ці пристрої вимірюють і оцінюють інтенсивність або яскравість перехопленого теплового випромінювання. Інтенсивність, або, загальніше, спектральна яскравість вимірюється у вузькому діапазоні довжин хвиль теплового спектру. Вибір смуги залежить від діапазону температур і типу матеріалу, що підлягає вимірюванню.

Співвідношення /двоколірний пірометр. Цей безконтактний термометр вимірює температуру на основі двох (або більше) дискретних довжин хвиль. Співвідношення яскравостей в окремих довжинах хвиль відповідає кольору у видимому спектрі. Використання двох різних видимих кольорів – як правило, червоного та зеленого – давно було популярним для визначення колірної температури.

Виявлення радіації

Регулювання коефіцієнта випромінювання. Точність вимірювання температури залежить від правильного налаштування приладу на цільову випромінювальну здатність. Попередньо встановлені значення коефіцієнта випромінювання можна використовувати для онлайнових датчиків для моніторингу цілей із постійним коефіцієнтом випромінювання. Вимірювання матеріалів зі змінними коефіцієнтами випромінювання потребують точного й відтворюваного коригування коефіцієнта випромінювання.

Температура навколишньої території. Теплове випромінювання мішені завжди містить розсіяне випромінювання, що випромінюється середовищем, що оточує мішень, і відбивається поверхнею мішені. На практиці температура навколишнього середовища часто вважається такою ж, як температура датчика. Якщо мішень піддається впливу іншого теплового середовища, наприклад, усередині нагрітої печі, всередині охолодженої камери або на відкритому повітрі, дивлячись на відкрите небо, для точного вимірювання необхідні налаштування. Для автоматичного розрахунку температури можна використовувати окремі датчики для зони навколо цілі.

Заголовок зображення Затьмарення шляху. Гази, водяна пара, пил та інші аерозолі в зоні видимості датчика можуть впливати на показання температури.

Використання одного з «атмосферних вікон» в ІЧ-області значно зменшує похибки вимірювань. Оскільки обидва оптичні канали однаково ослаблені, пірометри коефіцієнта, як правило, несприйнятливі до затемнення траєкторії зору, і співвідношення кольорів сигналу залишається незмінним.

Дрейф температури навколишнього середовища. За своєю природою конструкції безконтактні термометри сильно залежать від змін температури навколишнього середовища. Для підтримки високої точності вимірювання необхідна точна компенсація цього температурного дрейфу. Температурний дрейф вказується в помилках/°C або помилках/°F зміни температури навколишнього середовища.

Оптичні системи Оптика. Відбиваюча (дзеркальна) і заломлююча (лінзова) оптика використовується в безконтактних термометрах для ізоляції та визначення випромінювання від вимірюваної цілі

Поле зору. Поле зору (FOV) виражається в градусах тілесного кута або в радіанах. Поле зору дозволяє легко розрахувати мінімальний розмір цілі для кожної робочої відстані. Зручною мірою є співвідношення відстані до цілі, наприклад, 20:1, що вказує на мінімальну ціль 1 дюйм на відстані вимірювання 20 дюймів.

Зосередження на цілі. Оптика в безконтактних датчиках температури зазвичай має фіксований фокус. Фокусування на більших відстанях вимірювання не потрібне, якщо цільова область менша за вхідну апертуру (діаметр лінзи) приладу.

Волоконна оптика. Волоконна оптика дозволяє фізично відокремити вузол лінзи від детектора й електроніки обробки сигналів у обмеженому просторі чи агресивному середовищі. Корисний діапазон вимірювання волоконної оптики починається від 400°C (750°F). Мінімальні цільові області визначені вище.

Прицілювання в ціль. Для безконтактних термометрів використовуються різноманітні методи оптичного наведення:

• Прості прицільні пристосування для зброї 

• Інтегровані або знімні оптичні видошукачі 

• Візування через лінзу 

• Інтегровані або знімні маркери світлового променя

Обробка сигналу. Прямий вихідБезконтактні термометри перетворюють перехоплене теплове випромінювання в електричний сигнал, пропорційний спектральному випромінюванню, випромінюваному поверхнею мішені.

Лінеаризований вихід. Електронна мережа перетворює сигнал теплового випромінювання в електричний струм/напругу, пропорційну температурі.

Sample and Hold. The momentary temperature reading, selected by an external trigger is held (frozen) until replaced by a new value in the next sampling cycle.

Максимальне значення або утримання піку. Відображається найвище значення температури за певний період вимірювання. Скидання ініціюється зовнішнім сигналом.

Мінімальна вартість або Valley Hold. Відображається найнижча температура протягом певного періоду вимірювання. Відпочинок викликається зовнішнім сигналом.

Від піку до піку. Відображається різниця між максимальними та мінімальними показниками температури протягом певного періоду вимірювання.

Швидкість відгуку. Короткий час відгуку необхідний для відстеження швидко мінливих температурних процесів. Довгий час відгуку об’єднує всі варіації сигналу протягом певного періоду вимірювання та покращує температурну роздільну здатність для усереднення мінливих значень або підвищення точності вимірювання.

Автоматичний тригер (хвильова функція). Визначається та відображається найвища температура. Скидання запускається автоматично, коли сигнал досягає настроюваного порогу, але останнє пікове значення зберігається на дисплеї, доки воно не буде замінено наступним піковим значенням. Цей метод підходить для швидкого відбору проб і аналізу періодичних цільових значень без використання зовнішніх тригерних сигналів.

Сигналізація. Вихідний сигнал (реле) активується, коли сигнал досягає заданого значення температури. Зазвичай надаються дві незалежні контрольні точки – HI/LO.

Аксесуари для безконтактних термометрів Водоохолоджувані куртки. Водяне охолодження розширює діапазон температури навколишнього середовища датчика до 400°C (752°F) або більше.

Фітинги для очищення повітря. Оправа лінз або насадки з фітингами для стисненого повітря призначені для спрямування потоку чистого повітря через поверхню лінзи. Вони захищають траєкторію оптичного прицілу від парів, випарів і пилу.

Калібратори для безконтактних термометрів. Глибокі порожнини, що контролюються при рівномірно розподіленій температурі, служать симуляторами чорного тіла для калібрування радіаційних термометрів. Для розміщення різноманітних інструментів вони забезпечують ефективну апертуру ~ 1 дюйм (25 мм) і оптимізовані для діапазону робочих температур:

• Водяна баня з перемішуванням: 30-100°C (86-212°F) 

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

• Серцевина з нержавіючої сталі: 350-1000°C (662-1832°F) 

• Портативний польовий калібратор, що працює від батареї: фіксований вибір температури від 40°C-100°C (104-212°F)

Онлайн чи портативний? 

Он-лайн інструменти. Ці пристрої, як правило, використовуються для постійного моніторингу та контролю процесу. Вони доступні в низькотемпературних і високотемпературних моделях, кожна з яких має власні робочі характеристики. 

Портативні інструменти. Портативні пристрої, як правило, віддають перевагу для перевірок процесу, профілактичного/передбачуваного обслуговування, теплових обстежень, досліджень і розробок і тимчасового моніторингу температури. Низькотемпературні та високотемпературні версії відрізняються продуктивністю.