Приборы для бесконтактного измерения температуры тел

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принцип действия

Пирометрия - совокупность оптических (бесконтактных) методов измерения температуры. Почти все оптические методы основаны на измерении интенсивности теплового излучения тел (иногда -- поглощения).

Пирометр -- прибор для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света. Пирометрия возникла еще на рубеже XIX-XX веков, однако развитие свое она получила лишь в 60-х годах прошлого столетия -- именно тогда были сделаны физические открытия, на основании которых удалось разработать компактные и удобные пирометры, идеально подходящие для практического применения.

В пирометрии с самого момента ее появления и до наших дней используется всего два основных метода измерения температуры нагретых тел по излучению: оптический и радиационный. Конечно, с течением времени технология измерения изменялась и усложнялась, но суть осталась той же.

Пирометры применяют для дистанционного определения температуры объектов в промышленности, быту, сфере ЖКХ, на предприятиях, где большое значение приобретает контроль температур на различных технологических этапах производства (сталелитейная промышленность, нефтеперерабатывающая отрасль). Пирометры могут выступать в роли средства безопасного дистанционного измерения температур раскаленных объектов, что делает их незаменимыми для обеспечения должного контроля в случаях, когда физическое взаимодействие с контролируемым объектом невозможно из-за высоких температур. Их можно применять в качестве теплолокаторов (усовершенствованные модели), для определения областей критических температур в различных производственных сферах.

Классификация пирометрических датчиков

Пирометры можно разделить по нескольким основным признакам:

Радиационные. Оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой полосе спектрального излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения. Радиационная пирометрия использует зависимость энергетической яркости (интенсивности) излучения от температуры в ограниченном диапазоне волн - как правило, в инфракрасном диапазоне (соответственно, измерительные приборы, использующие этот метод, называются инфракрасными термометрами, инфракрасными радиометрами или инфракрасными пирометрами. Принцип, на котором основывается радиационная пирометрия, очень прост: поскольку яркость излучения объекта прямо пропорциональна температуре, измерив и пересчитав яркость, можно получить точное значение температуры. Таким образом, ключевым узлом пирометра, использующего данный метод измерения, является датчик, который преобразует тепловую энергию в электрический сигнал (ток или напряжение). Тепловой луч фокусируется оптической системой, получившийся на выходе датчика сигнал обрабатывается, а результат отображается на дисплее (индикация на современных пирометрах, как правило, цифровая).

Оптические. Оптическая пирометрия основывается на зависимости спектральной характеристики излучения от температуры в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света, другими словами, на зависимости цвета излучения от температуры. Так, тела, нагретые до 700-800° С, испускают темно-оранжевое свечение, при температуре около 1000° С цвет становится ярко-оранжевым, при 2000° -- ярко-желтым, а при 2500° С -- практически белым. Известно два основных типа оптических пирометров:

Яркостный пирометр определяет температуру тела путем визуального сравнения излучения объекта в видимом спектре с излучением эталонной нити. Оператор смотрит в окуляр на измеряемый объект и регулирует величину пропускаемого через нить электрического тока, при этом нить в окуляре совмещается с изображением объекта. Как только получается подобрать такое значение, при котором цвет нити совпадает с цветом объекта, изображение нити как бы "растворяется" на фоне объекта (отсюда другое название яркостного пирометра -- пирометры с исчезающей нитью). По величине тока определяется температура измеряемого объекта.

Пирометр спектрального отношения сравнивает энергетические яркости объекта в разных областях спектра. Такой пирометр использует несколько датчиков (на практике чаще всего пару) и измеряет энергетические яркости в разных частях спектра, а затем оценивает их отношение (отсюда другое название -- пирометр спектрального отношения). Мультиспектральные пирометры обладают большей точностью в сравнении с яркостными, поэтому в настоящее время используются преимущественно оптические пирометры данного типа. В первой половине ХХ века яркостные пирометры были самыми распространенными, но с 60-х годов точные, компактные и удобные радиационные пирометры стали постепенно вытеснять их. На сегодняшний день большинство портативных пирометров работают по радиационному принципу. Объясняется это очень просто: современные радиационные пирометры стоят дешевле оптических, удобнее и проще в применении, и при этом обеспечивают более высокую точность. Однако в некоторых областях оптические пирометры до сих пор находят широкое применение, поскольку обладают своими достоинствами.

Другие варианты классификации:

Помимо классификации по методу измерения пирометры также делятся на низкотемпературные и высокотемпературные, бывают переносными, стационарными или комбинированными, одноканальными и многоканальными, однодиапазонными и многодиапазонными. Для визуализации результатов чаще всего применяется текстово-цифровой метод, но иногда встречаются приборы, использующие графический метод (шкала, где области с разными температурами выделены различными цветами).

Достоинства и недостатки радиационных пирометров

Основным достоинством радиационных пирометров является простая конструкция и, как следствие, умеренная цена, высокая надежность и компактность. Оптические пирометры менее удобны в применении, стоят дороже и ломаются чаще, так как обладают как минимум двумя приемниками, преобразователями и усилителями, в то время как любой радиационный пирометр имеет всего один комплект узлов.

Другое преимущество радиационных пирометров -- хорошая разрешающая способность (гораздо выше, чем у оптических пирометров той же ценовой категории). Как отмечают специалисты, радиационные пирометры идеально подходят для измерения температур ниже 300-400° С, а также для работы в достаточно узких спектральных диапазонах (к примеру, для проведения измерения через пламя). И, наконец, только радиационные пирометры могут измерять низкие температуры (до -50° C).

Все указанные выше преимущества обусловили широкую популярность радиационных пирометров. Но несмотря на все свои достоинства, они обладают и рядом серьезных недостатков.

Первым и самым существенным недостатком является зависимость результатов измерения от излучательной способности объекта. Что это значит на практике? Допустим, имеется две металлические емкости -- одна новая (светлая и блестящая), а другая сильно окисленная (темная и матовая). Если залить обе емкости водой, довести до кипения (100° С) и измерить температуру радиационным пирометром, то для окисленной емкости значение будет соответствовать реальному (около 95° С), а для новой -- не достигнет и 50° С. Объясняется это тем, что при прочих равных условиях и одинаковой температуре разные объекты излучают разное количество энергии из-за различной излучательной способности. На величину излучательной способности оказывает влияние состояние объекта (твердое тело, жидкость или газ), фактура поверхности (гладкая, шероховатая), наличие защитных покрытий, пленок, естественных образований вроде ржавчины, накипи и другие факторы. Принято считать, что излучательная способность абсолютно черного тела равна 1, а зеркала -- 0, однако на практике этот показатель обычно колеблется в диапазоне от 0,02 до 0,99. Тем не менее, погрешность, вызванную отклонениями излучательной способности, можно компенсировать. Для этого большинство современных пирометров оснащаются специальными регуляторами, позволяющими подстраивать прибор под свойства конкретного объекта. Наличие такого регулятора позволяет корректировать результаты измерений и добиваться высокой точности при измерении температуры самых различных объектов.

Для большинства стандартных материалов и предметов существуют сводные таблицы, по которым можно легко узнать значение коэффициента и настроить пирометр для каждой конкретной ситуации. Единственное неудобство состоит в том, что для некоторых объектов коэффициент корректировки выяснить достаточно сложно. Например, степень окисления старой металлической емкости может быть различной, а значит, и коэффициент -- тоже. Для таких случаев специалисты разработали специальные методики определения излучательной способности.

Ну, а второй недостаток состоит в том, что точность радиационных пирометров напрямую зависит от расстояния до объекта измерения. Поэтому для измерения температуры труднодоступных или очень горячих предметов предпочтительно выбирать специальные пирометры с высоким оптическим разрешением (именно этот параметр характеризует, насколько далеко может находиться оператор от объекта без ущерба для точности измерений).

Достоинства и недостатки оптических пирометров спектрального отношения

Примечание: поскольку среди оптических пирометров в настоящий момент наибольшей популярностью пользуются именно пирометры спектрального отношения (мультиспектральные), рассмотрим преимущества и недостатки для них.

Мультиспектральные пирометры измеряют температуру, вычисляя отношение сигналов от двух приемников, которые работают на разных длинах волн. Такой метод, вроде бы, должен избавлять от основных проблем, присущих радиационным пирометрам: поскольку зависимость сигнала от расстояния для обоих датчиков одинакова и не сказывается на отношении сигналов, точность не зависит ни от расстояния, ни от излучательной способности объекта. Но, к сожалению, на практике все происходит не совсем так. Как подтвердили многочисленные исследования, даже при использовании оптического метода излучательная способность, хоть и косвенно, но все же влияет на результат измерения и приводит к значительным погрешностям (более 10%) при измерении температур многих материалов (в частности, металлов). А если учесть другие недостатки оптических пирометров (высокая стоимость, меньшая надежность и т.п.), становится ясно, почему они не так популярны, как радиационные.

Теоретически данную погрешность можно исключить также, как и в случае с радиационными дозиметрами. Но на практике это нереально из-за широкой полосы пропускания датчиков и из-за того, что в отличие от корректирующих коэффициентов для радиационных пирометров, информация по спектральной зависимости излучательной способности для разных материалов в справочной литературе чрезвычайно скудна. Правда, современные цифровые технологии обработки информации позволили создать особые алгоритмы расчета корректирующего сигнала. Погрешность измерений таких "улучшенных" оптических пирометров при температурах 600-2400° С составляет всего 1-1,5%. Но и стоят они существенно больше, чем обычные.

Измерение температур различных объектов

Пирометры могут использоваться для измерения температур самых разных объектов: природных и искусственных, мелких и крупных, светлых и темных и т.п. И хотя в целом измерения проводятся одинаково просто и быстро, в каждом конкретном случае есть свои нюансы. При измерении температуры природных объектов (камни, деревья, растения, почва и т.п.) следует учитывать тот момент, что они обладают коэффициентом излучения порядка 0,8…0,95. Также, если Вы проводите измерения на открытом воздухе, обратите внимание, что на результат может повлиять так называемое "холодное рассеянное небесное излучение". Это влияние можно скомпенсировать защитой -- к примеру, используя зонт, расположенный над точкой замера.

Волокна и провода из пластмасс, как правило, обладают слишком малой толщиной для того, чтобы обеспечить достаточную точность измерений, поэтому для проведения точного замера температуры таких объектов необходимо использовать пирометр с большим показателем визирования. В среднем коэффициент излучения пластиковых изделий составляет 0,8…0,95.

При измерении температуры прозрачных пленок следует учитывать тот факт, что пленка обладает довольно высокой излучательной способностью и имеет низкий коэффициент отражения. При этом степень прохождения и коэффициент излучения сильно зависит от толщины пленки -- чем она тоньше, тем ниже коэффициент.

Коэффициент излучения стекла и кварца достаточно высок и составляет около 0,95…0,98. Если Вы собираетесь использовать инфракрасный пирометр для проведения измерения через стекло, учтите, что оно не пропускает инфракрасное излучение, а значит, Вы сможете измерить лишь температуру стеклянной поверхности, но не того объекта, который находится за ним. Тем не менее, мерить температуру объектов за стеклом вполне возможно. Просто для этого необходимо использовать специальный узкоспектральный пирометр.

Пламя и горячий газ представляют собой объемные излучатели. Замер температуры таких объектов производится с помощью специальных приборов, так как измерение нужно проводить внутри пламени, и на результат измерения могут оказывать влияние стенки печи.

Решение измерительных задач

При измерении температуры некоторых объектов инфракрасным пирометром Вы можете столкнуться с необходимостью решения разного рода измерительных задач. Условно их можно разделить на две группы:

1. Простые измерительные задачи: к этой группе относится измерение температуры подавляющего большинства неметаллических поверхностей и материалов, а также органических соединений (бумага, пластик, резина, дерево, текстиль, камень, минералы, синтетические материалы, продукты питания и т.п.). Коэффициент излучения подобных объектов близок к 0,95 и не изменяется в температурном диапазоне, поэтому для проведения замера температуры не требуется принимать никаких специальных мер.

2. Сложные измерительные задачи: данная группа задач включает измерение температур объектов с яркими отражающими, а также с неоднородными поверхностями (к примеру, окисленный металл). Решить их можно, лишь соблюдая ряд необходимых условий. Коэффициент излучения подобных материалов, как правило, невелик, известен только для определенных областей спектра и зависит от диапазона температур. Измерить коэффициент излучения для отдельного материала можно с помощью дополнительного контактного термометра, вычислив разницу между показаниями пирометра и реальной температурой объекта. В тех случаях, когда невозможно использовать контактные термометры, бесконтактное измерение проводится с применением специальных покрытий, таких, как масляная пленка, краска, самоклеющаяся пленка с фиксированной излучательной способностью. Важно, чтобы пленка легко поглощала тепло от объекта измерения. Это можно гарантировать в тех случаях, если проводится замер температуры объекта со значительной теплоемкостью (т.е. достаточно большой массой), а также хорошей теплопроводностью (металлами).

Примеры пирометрических датчиков

Переносной пирометр инфракрасного излучения

Стационарный пирометр инфракрасного излучения

Оптический пирометр

Применение пирометрических датчиков

Пирометрические датчики применяются в следующих отраслях:

Теплоэнергетика -- для быстрого и точного контроля температуры на участках не доступных или мало доступных для другого вида измерения.

Электроэнергетика -- контроль и пожарная безопасность, эксплуатация объектов (железнодорожный транспорт -- контроль температуры букс и ответственных узлов грузовых и пассажирских вагонов).

Лабораторные исследования -- при проведении исследований активных веществ в активных средах, а также в тех случаях, при которых контактный метод нарушает чистоту эксперимента (например, тело настолько мало что при измерении контактным методом потеряет существенную часть теплоты, или просто слишком хрупкое для такого типа измерения). Применяется в космонавтике (контроль, опыты).

Строительство -- пирометры применяют для определения теплопотерь в зданиях жилого и промышленного назначения, на теплотрассах, для эффективного нахождения прорывов теплоизоляционной оболочки.

Бытовое применение -- измерение температуры тела, пищи при приготовлении, и многое другое.

Хотя в ряде случаев предпочтительно применять оптические пирометры, (в частности, при работе в сложных условиях, при изменяющейся излучательной способности объекта измерения и пр.), наибольшее распространение получили именно радиационные. Их использование актуально для бытового и промышленного применения, поскольку они доступны, просты, надежны и способны обеспечить достаточно высокую точность измерения (а при необходимости полученное значение легко откорректировать).

пирометр датчик инфракрасный

Размещено на Allbest.ru