Как работает пирометр

Posted by   Tech Text
28/10/2021

Можно ли получить данные о температуре удаленно ? При этом быстро, за время не превышающее нескольких секунд ? Контактные термометры на это не способны. Во-первых, они требуют непосредственного прикосновения, что далеко не всегда возможно, во-вторых, из-за инерционности теплового датчика (термопара, изменение сопротивления или другие методы). Проблема решена давно – уже несколько десятилетий, с дистанционным измерением температуры успешно справляются стационарные или ручные пирометры, воспринимая излученные интересующим объектом инфракрасные лучи.

Эти приборы особенно востребованы в следующих случаях:

  1. Труднодоступные места: большая высота или глубина, сложно приблизиться (мешает технологическое оборудование)
  2. Высокая загазованность, выделение опасных для здоровья работников испарений.
  3. Слишком высокая температура, достигающая тысячи и более градусов.
  4. Быстро движущиеся и вращающиеся детали машин.
  5. Высоковольтное электрическое напряжение.

Чтобы получить максимально точный результат, не допускать ошибок при бесконтактных измерениях температуры, необходимо четко понимать -

Как работает пирометр

Но прежде чем ответить на вопрос, как работают инфракрасные термометры (это их альтернативное название, уже “прижившееся” в Украине), рассмотрим 2 важных понятия, которые нам в этом помогут.

Инфракрасная энергия

Различные виды тел, с температурой выше абсолютного нуля, то есть практически все объекты во вселенной и в том числе на земле, излучают энергию во множестве спекторов и на разных длинах волн. Например Солнце генерирует как инфракрасную тепловую энергию, достигающую поверхности нашей планеты с расстояния в 150 млн. км, так и радиационное излучение, ультрафиолет и т.д.
Но нас интересует только инфракрасная часть спектра, которая в свою очередь разделяется на коротковолновое излучение, ближнее и дальнее.

В интернет магазинах измерительных приборов представлены преимущественно пирометры с длиной волны 8-14 мкм.

То есть для измерения температуры на расстоянии "отсекаются" не только другие части спектра, но нас интересуют только волны со строго заданной длиной.

Коэффициент излучения

Любой нагретый объект характеризуется тремя энергетическими показателями:

  • излучение;
  • поглощение;
  • отражение.

Нас интересует их соотношение, чтобы вычислить коэффициент излучения. Если например предмет излучает 80 % всей ИК энергии, то его коэффициент излучения составляет 0,8.
Это очень важный момент. Простейшие и как правило более дешевые по цене пирометры, не имеют настройки на коэффициент излучения (иногда применяется термин коэффициент эмиссии). Надо признать, что для большинства поверхностей, встречающихся в быту (дерево, стена, шифер, камень, асфальт, ткани и т.д.) это не имеет большого значения и погрешность будет удовлетворительная, поскольку отражается в среднем 0,8-0,95 всей энергии, которую “собирает” пирометр.

То есть в него поступает максимум информации о температуре, за исключением той части энергии, которая поглощается объектом. Но ее удельный вес не велик. В недорогих приборах коэффициент излучения установлен на заводе на уровне 0,95 и не может быть изменен.
Проблемы возникают с полированными, шлифованными металлами, в которых коэффициент эмиссии слишком мал. Например алюминий или латунь излучают меньше 1 % энергии и для точного и корректного измерения температуры их поверхности, необходимо купить пирометр с настройкой коэффициента эмиссии, который пригодится и в дальнейшем практически для всего спектра материалов, поскольку позволяет менять настройку в пределах 0-0,1 %, причем точечно, с очень мелким шагом 0,01.

Принцип работы пирометра

В передней части корпуса расположена линза. Это важный оптический элемент. В дешевых бесконтактных термометрах качество материала лизы оставляет желать лучшего, что вызывает высокую погрешность. Такие приборы зачастую не проходят проверку.

Линза предназначена для фокусировки поступающего инфракрасного излучения. То есть все тепло сосредотачивается в одной точке. Именно в этой точке, уже внутри устройства, и расположен термодетектор, основная задача которого преобразовать нагрев в аналоговый электрический сигнал.
Это самый главный момент в работе пирометра - найден способ преобразовать температуру в измеряемую электрическую величину. Поскольку дальше, как говорится, дело техники – стандартный аналогово-цифровой преобразователь и вывод значения температуры на дисплей.

Что такое пятно визирования

Линза имеет диаметр в среднем около 2 см. Тогда возникает вопрос, как же тогда в такое маленькое оптическое приспособление попадает излучение например с элемента оборудования высотой 1 метр ?
Абсолютно правильный вопрос. Поэтому при выборе пирометра, наряду с имеющейся опцией подстройки коэффициента эмиссии, следует в обязательном порядке обращать внимание на такой показатель как пятно визирования. Другое его название, которое используется на равных, это оптическое разрешение.

Сейчас мы разберем, что это такое, но сразу отметим, что чем больше это значение, тем с более дальнего расстояния можно измерить температуру мелких объектов.

Оптическое разрешение это относительная величина и может иметь значения 4:1, 8:1, 16:1, 30:1, 50:1, 75:1 и другие.

С ростом этого показателя, во-первых, ощутимо возрастает стоимость пирометров, а во-вторых, сфера применения смещается от бытового применения к промышленному.

Итак, разбираемся с пятном визирования.

Смотрим на рисунок, поскольку это один из важных элементов "картинки", которая помогает понимать, как работает пирометр.
Наши глаза не позволяют наблюдать тепловые лучи, поэтому придется представлять, что излучение поступает в линзу в виде конуса. Чем дальше мы отходим, тем у объектов большего размера мы можем измерить температуру.

Отношение дистанции к высоте (длине, ширине) объекта это и есть оптическое разрешение.

Но если взять два пирометра, один с коэффициентом 8:1, а другой с 16:1, то с одного и того же расстояния, второй может измерить температуру объекта размером в 2 раза меньше. Вот в чем ценность этой величины !

  1. Это вопрос безопасности. Если закупаются пирометры с большим оптическим разрешением, это снижает риски для персонала. Отошел и меряй. Ни раскаленные брызги, ни пар, ни гудящий трансформатор не страшны.
  2. Это расширяет возможности. Если например исследуемое тело находится на дальнем растоянии, а подойти ближе мешают станки или роботы.

Поэтому перед началом измерений, нужно в обязательном порядке высчитать дистанцию по пропорции, исходя из размеров объекта, чтобы в пирометр попадало тепло только с этого объекта, а никакого другого, расположенного рядом с ним. Иначе произойдет смешение температур и искажение результата.
Это расчет так называемого предельного расстояния. То есть подойти ближе можно, а дальше - нельзя.
Помочь в точном направлении на объект поможет лазерная указка, встраиваемая в большинство пирометров, которая направляется в центр исследуемого объекта. Это важно, поскольку если сместиться влево-вправо, в приемное устройство начнет поступать так называемое паразитное излучение от соседних с измеряемым объектов.