На чому ґрунтується принцип дії пірометрів

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою пірометрів (ІК термометрів), а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Пірометри являють собою найскладніші оптичні та електронні системи, що дозволяють користувачеві вирішити практичне будь-яке завдання вимірювання температури тіл в діапазоні від -50 до 3000 °C. Для того, щоб правильно вибрати необхідний пірометр, користувач потрібен мінімальний багаж знань з функціонування та застосування даних приладів.

Основне при виборі пірометра це чітко знати постановку завдання: яку поверхню і з якого матеріалу необхідно вимірювати, яка температура поверхні, з якої дистанції проводити вимірювання, і що являє собою навколишнє середовище та об'єкти, що знаходяться між пірометром і поверхнею, що вимірювається. Відповідь на ці чотири базові питання дозволить Вам визначитися з типом пірометра, але можливо ще не з конкретною моделлю.

Сьогодні всі найпоширеніші типи пірометрів працюють в інфрачервоному спектрі, проте мають абсолютно різні технології перетворення світлового випромінювання на електричний сигнал.

Розглянемо чотири типи пірометрів: традиційні інфрачервоні пірометри абсолютної енергії хвилі (інфрачервоні пірометри), інфрачервоні пірометри відносної енергії хвиль (двоколірні пірометри), інфрачервоні термопари та оптоволоконні пірометри.

Інфрачервоні (однокольорові) пірометри

Принцип дії традиційних інфрачервоних пірометрів ґрунтується на вимірі абсолютного значення випромінюваної енергії однієї хвилі в інфрачервоному спектрі. На сьогодні це відносно недорогий безконтактний метод вимірювання температури. Дані пірометри можуть наводитися на об'єкт з будь-якої дистанції та обмежені лише діаметром вимірюваної плями та прозорістю навколишнього середовища, вони ідеальні для переносних моделей, і тому можуть працювати за принципом "навів і вистрілив". До їх суттєвих недоліків можна віднести чутливість до забрудненості навколишнього середовища, що обмежує їх застосування у запилених, задимлених чи вологих середовищах. На їх показання можуть впливати сильні електромагнітні поля, тому їх використання, наприклад, поряд з індукційними нагрівальними установками не бажано. Вони також можуть серйозно "брехати" при вимірюванні температури поверхні об'єктів, що переходять під час технологічного процесу з одного фізичного стану в інший, коли у поверхні змінюється показник чорноти. Наприклад, таке відбувається під час розливання металу, коли матеріал переходить із рідкого стану у твердий.

Інфрачервоні термопари

Практично такими ж характеристиками мають інфрачервоні термопари. Проте важлива різниця між ними – у перетворенні сигналу. Якщо інфрачервоний пірометр використовує для перетворення крім силіконових або тонкоплівкових детекторів, ще й різну електроніку для посилення, лінеаризації та перетворення сигналу, то інфрачервона термопара лише перетворює світлове випромінювання на нелінійний термопарний сигнал. Простота у виконанні та відсутність електроніки дозволяє знайти унікальне застосування і цим пристроям. Головна їх перевага - це низька ціна і сумісність з вимірювальною апаратурою (самописцями, вимірювачами, регуляторами та ін., що мають аналоговий термопарний вхід, як правило ХА). Крім того, максимальна температура їх експлуатації трохи вища, ніж у інших пристроїв через відсутність електроніки. Вони також можуть застосовуватися у важкодоступних та віддалених місцях завдяки невеликим габаритам та мінімальним обмеженням до довжини термокомпенсаційного кабелю. Серйозними мінусами інфрачервоних термопар є широкий спектральний діапазон і висока похибка (2% і більше).

Двоколірні пірометри

Двоколірні пірометри з'явилися нещодавно. Принцип їх роботи заснований на вимірі відношення значень випромінюваних енергій двох або більше хвиль у різних колірних спектрах (традиційні інфрачервоні пірометри вимірюють абсолютне значення енергії однієї хвилі, що випромінюється, і тільки в інфрачервоному спектрі). Застосування більш досконалої технології дозволяє уникнути впливу пилу, диму, газу та пари в навколишньому середовищі на показання пірометра, а також виключити вплив зміни показника чорноти об'єкта, наприклад, у разі розливання металу. Такі пірометри без проблем вимірюють навіть через запилене скло екрана печі.

Оптоволоконні пірометри

Оптоволоконні пірометри працюють за таким же принципом, як і традиційні інфрачервоні пірометри. Різниця полягає лише в тому, що світловий потік транспортується до детектора по оптоволоконному кабелю, який може бути вигнутий у довільній формі. Ця властивість дозволяє проводити вимірювання у важкодоступних місцях або коли поверхня, що вимірюється, знаходиться не в прямому полі зору. Крім того, оптоволоконний кабель не піддається впливу сильних електромагнітних полів, стійкий до великих тисків або вакууму, а також має максимальну температуру експлуатації до 200 °C. Одночасним плюсом і мінусом оптоволоконних пірометрів є фіксований фокус. Плюс полягає в тому, що можна вибрати модель пірометра з дуже малим діаметром вимірюваної плями - аж до 0,1 мм, мінус - в тому, що ви повинні встановити пірометр точно на вказаній дистанції від поверхні, що вимірюється, що часом не завжди можливо.

Спектральний діапазон

Однією з основних параметрів пірометра є спектральний спектр, тобто ті довжини світлових хвиль, які він здатний "бачити". Будь-який тип матеріалу випромінює хвилі певної довжини. Якщо температура матеріалу підвищується, довжина хвилі скорочується і навпаки. Металеві поверхні, що відбивають, мають коротку довжину хвилі, а невідбивні неметалеві - довгу. Тому ознакою моделі пірометрів умовно можна розбити на дві групи: загального призначення з довжиною хвилі 8-14 або 6-14 мікронів, та спеціалізовані під конкретний матеріал вимірюваної поверхні. Пірометри з довжиною хвилі 8-14 або 6-14 мікрон вимірюють температуру так званих "чорних" і "сірих" поверхонь, що не підпадають під визначення "відбивні або металеві". Це текстиль, продукти харчування, гума, товстий непрозорий пластик, картон, дерево, фарба, земля, камінь і т.д. Пірометри з таким спектральним діапазоном можуть застосовуватися для контролю температури кабелів і контактів в енергетиці, процесах друку і нанесення фарби в поліграфії, контролю зносу механічних частин на транспорті та ін. Дані пірометри не можуть використовуватися для вимірювання температури, наприклад, скла або металу, оскільки довжина хвилі даних матеріалів лежить поза їх діапазоном. Тим не менш, виміряти температуру металевої або поверхні, що відбиває пірометром загального призначення іноді можливо. Для цього на ділянку, що вимірюється, достатньо нанести шар темної фарби або будь-який інший матеріал, що має довжину хвилі 8-14 мікрон. Всі застосовувані пірометри також можна розбити на два типи: вузькоспектральні та широкоспектральні. Так, пірометри, що мають спектральний діапазон, наприклад, 2-20 є широкоспектральними, а 0,9-1,05 - вузькоспектральними. Вузький спектральний діапазон дозволяє пірометру "не бачити" світлові хвилі, що випромінюються поверхнями інших об'єктів або навколишнім середовищем у полі зору пірометра і приймати випромінювання тільки того матеріалу, на який налаштований діапазон. Застосування широкоспектральних пірометрів має супроводжуватися підготовчими заходами щодо запобігання влученню "чужого" випромінювання. Наприклад, такий пірометр бажано помістити в трубу або конус з покриттям внутрішньої частини, що не відбиває, а саму трубу або конус максимально підвести до вимірюваної поверхні.

Температурний діапазон

Другий основний характеристикою пірометра є діапазон температури. Тут слід зазначити, що часом не завжди можна виміряти необхідну температуру в потрібному спектральному діапазоні. Наприклад, не можна виміряти температуру скла при 30°С, оскільки світлове випромінювання в даному випадку занадто слабке, щоб його "побачив" пірометр. Якщо ж нагріти скло до високих температур, то починаючи з 50 ° С, пірометр вже зможе відстежувати температуру. Крім того, при виборі пірометра, знайдіть якомога вужчий діапазон. Наприклад, не варто вибирати пірометр з діапазоном 0...1000 °C, якщо температура, що вимірюється, не перевищує 500 °C. Найправильнішим вибором буде діапазон -18...535 °C.

Показник візування та тип фокусу

Наступні характеристики пірометра стосуються його оптики. Це показник візування та тип фокусу. Показник візування визначається як відношення відстані між пірометром і вимірюваною поверхнею до діаметра світлової плями на цій поверхні. Обов'язкове правило - розмір плями не повинен виходити за розмір вимірюваної площі. В іншому випадку показання пірометра будуть не стабільними або буде видано "помилка", оскільки пірометр розраховує середню температуру плями. Якщо Ви вибрали пірометр із близьким, стандартним або далеким фокусом, то для того, щоб підрахувати діаметр плями, розділіть відстань до об'єкта на чисельник показника візування та помножте на його знаменник. Наприклад, ви вибрали модель пірометра з показником візування 8:1 і хочете знати діаметр вимірюваної плями на відстані 2 м. Отримуємо: 2 : 8 х 1 = 0,25 м. На жаль, такий розрахунок дає не зовсім коректну відповідь, так як часом світлові промені не завжди пропорційно розходяться під певним кутом. Наприклад, як це часто буває у випадку з близьким фокусом, промені від пірометра спочатку сходяться, а потім розходяться. У такому випадку Вам або надається діаграма фокусу, або повідомляється відстань до вимірюваної поверхні, при якому діаметр плями є мінімальним. Якщо ви вибрали пірометр з фіксованим типом фокусу, то тут розраховувати не доведеться. Показник візування у пірометрів з фіксованим фокусом означає, що ви повинні розмістити пірометр на вказаній відстані, а не там де Вам того, захочеться. Наприклад, якщо показник візування у пірометра з фіксованим фокусом 203:6,9 мм, це означає, що пірометр повинен знаходитися на відстані 203 мм від поверхні, що вимірювається, і ніяк не ближче, і ніяк не далі. Розмір вимірюваної плями при цьому становитиме 6,9 мм.

Показник чорноти (коефіцієнт випромінювання)

Ще одна дуже важлива характеристика пірометра – показник чорноти. Цей коефіцієнт показує, наскільки відрізняється вимірювана поверхня від ідеально чорної, рівної 1. Відповідно і показники чорноти різних матеріалів можуть перебувати в діапазоні від 0,01 до 0,99. Наприклад, більшість органічних матеріалів мають показник чорноти рівний 0,95, тоді як метали – 0,20 і менше. Для того, щоб визначити показник чорноти конкретного матеріалу, існує два методи. Перший, це знайти показник чорноти за спеціальною таблицею чорноти матеріалів. У ній розраховані показники чорноти більшості існуючих матеріалів. Однак слід врахувати, що дані, наведені в таблиці, розраховані досвідченим шляхом для ідеальних поверхонь, і не можуть враховувати корозію, окислення або неоднорідність поверхні на практиці. Існує і другий спосіб. Для цього потрібно виміряти температуру поверхні контактним способом, наприклад, переносним вимірювачем або градусником, і відповідно підкоригувати показник чорноти в пірометрі. Представлений модельний ряд пірометрів дозволяє вибрати пірометри із входом під зовнішню термопару. Докупивши переносну поверхневу термопару, користувач зможе точніше підбирати цей показник. На деяких дешевих моделях пірометрів показник чорноти є незмінним і встановлено на значенні 0,95.

Показник інерції

Показник інерції характеризує швидкість виміру. У представлених у каталозі моделей цей показник може досягати 25 мсек – швидкість абсолютно недосяжна контактними засобами вимірювання температури. Слід також врахувати, що перший вимір пірометр зазвичай робить вдвічі повільніше, ніж наступні.

Похибка

Усі наведені у каталозі значення цього показника розраховані в лабораторних умовах на абсолютно чорних тілах і не враховують практичні реалії. Найточнішими є двоколірні пірометри.

Дозвіл та дисплей

Більшість пірометрів мають роздільну здатність 0,1°C при температурах до 99,9°C і 1°C - при температурах від 100°C і вище. У дешевих моделей дисплей зазвичай однорядковий, у середніх і дорогих - багаторядковий. Майже всі дисплеї мають підсвічування.

Приціли

Найбільш зручний засіб для наведення на поверхню, що вимірюється. Лазерних прицілів існує кілька типів: "крапка", "коло" і "подвійний". У деяких моделях, наприклад, може бути і "крапка", і "коло". Основна відмінність - у дальності наведення: "коло" наводиться на поверхні з відстаней до 7,5 м, "точка" і "подвійний" - до 20-30 м. "Коло" також приблизно окреслює площу вимірюваної плями. Основне використання оптичних прицілів - високі температури понад 1200 ° C, оскільки на яскравих і світних поверхнях лазерний промінь не видно.

Типи виходів та програмне забезпечення

Частина моделей пірометрів мають такі аналогові виходи: термопарний типу J або K, 4-20 мА, 0-5 В. Більш дорогі моделі можуть мати стандартний дискретний дво-або односпрямований вихід RS-232, RS-485 або TTL для зв'язку з комп'ютером. Залежно від типу виходів, моделі можуть мати різні модифікації. Програмне забезпечення поставляється залежно від моделі пірометра як безкоштовно, і платно. Єдиною умовою є наявність моделі пірометра виходу RS-232 або TTL. Програмне забезпечення дозволяє відстежувати температуру та будувати графіки в реальному часі, вести архівацію даних, встановлювати спрацювання аварійних сигналізацій, конвертувати архівні дані у текстовий формат або формат MS Excel.

Сигналізація мін/макс

Функція, що дозволяє встановити задане максимальне чи мінімальне значення, поза якого спрацьовує звукова чи візуальна сигналізація на пірометрі. У стаціонарних моделей це також можливо релейний вихід на аварійну сигналізацію.

Пам'ять значень

Визначає наявність у пірометра електронної пам'яті останніх значень вимірювання температури. Стандартна кількість значень 12 або 100, що запам'ятовуються. Практично всі переносні моделі мають функцію виклику останнього значення або його затримки на РК-дисплеї, пам'ять мінімального і максимального значень. Моделі середнього цінового діапазону та вище можуть також розраховувати середнє значення та обчислювати різницю між двома останніми значеннями.

Функція логера

Дозволяє працювати пірометру в режимі самописця з встановленим часом старту та інтервалом запису. Якщо така функція відсутня у пірометра, її можна вирішити за допомогою програмного забезпечення під час роботи пірометра, підключеного до комп'ютера через порт RS232/RS485.

Повітряне очищення/охолодження

Цей аксесуар є тільки у стаціонарних пірометрів і термопар. Це спеціальний штуцер, який накручується на сенсор для під'єднання до нього трубки з повітрям, що охолоджує/очищає оптику, від компресора. Наявність цього аксесуара обов'язково при використанні пірометра у забруднених атмосферах. Єдина вимога – повітря, що подається, має бути чистим.

Корпус для водяного охолодження

Є металевим корпусом, в який міститься сенсор стаціонарного пірометра або термопари. У порожні стінки корпусу подається вода, що охолоджує.

Харчування

Переносні пірометри, як правило, оснащені батареями 9 В, дорожчі моделі - акумуляторами. Стаціонарні інфрачервоні пірометри переважно використовують харчування 12-24 В 20...500 мА. Інфрачервоні термопари не вимагають живлення, що подає (працюють за таким же принципом як і звичайні контактні термопари).

Магазин Gtest® - авторизований постачальник пірометрів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/pirometry