Методы пирометрии, их достоинства и недостатки. Классификация пирометров

измеряемое разрешение — 1 или 0,1° C;

точность измерения (оптимальная  ± 1,5%);

быстродействие (у современных  очень высокое — менее 1 секунды);

коэффициент излучения — переменный либо фиксированный;

способ нацеливания — оптический либо лазерный прицел.

 

Рассмотрим некоторые из этих характеристик  подробнее.

 

Оптическое разрешение

 

Оптическим разрешением (другое название — показатель визирования) называют отношение диаметра светового пятна  и расстояния до объекта измерения. В технической документации к пирометру обычно указывается конкретное значение показателя визирования или приводится диаграмма направленности.

 

Пример диаграммы направленности пирометра 

 

Соответственно, диаметр измеряемого  пятна определяется оптическим разрешением  и зависит от расстояния между пирометром и объектом измерения (S=k*D, где k — показатель визирования, D — расстояние до объекта). Минимальный диаметр пятна соответствует наименьшему размеру объекта, который может быть измерен этим пирометром на заданном расстоянии. Чем больше величина оптического разрешения (S/D, хотя иногда используют обратную величину D/S), тем более мелкие предметы может различать пирометр. Точность измерения не зависит от расстояния до объекта до тех пор, пока диаметр измеряемого пятна меньше размера объекта. Если же диаметр пятна становится больше, прибор начинает принимать излучение от других объектов, и это оказывает значительное влияние на результаты измерения.

 

Различные варианты положения пятна  визирования 

 

На рисунке выше приведены различные варианты расположения пятна визирования:

правильное — в этом случае точность определяется исключительно характеристиками прибора и не зависит от расстояния;

критическое — диаметр пятна  равен размеру поверхности объекта, возможно увеличение погрешности измерения;

закритическое — точность измерения  значительно падает, измерения проводить  не рекомендуется.

 

Фокусное расстояние

 

Для многих пирометров диаграмму направленности пирометра можно считать конической только на достаточно больших расстояниях, вблизи она имеет гораздо более сложную форму. Очень часто зона чувствительности пирометра сначала сужается до своего минимального диаметра, а затем начинает расширяться в виде конуса. Расстояние, на котором достигается минимальный диаметр, называется фокусным расстоянием F, для пирометров с подобной диаграммой направленности этот параметр должен указываться в технической документации. Существует класс специальных короткофокусных пирометров с фокусом в районе 30…60 см и диаметром пятна 5…8 мм.

 

Диапазон  температур и рабочая длина волны

 

Диапазон  измеряемых температур для конкретной модели пирометра определяется рабочей  длиной волны. Пирометры, предназначенные  для измерения высоких температур, работают на более коротких волнах, поскольку с ростом температуры  спектр излучения смещается в сторону коротких частот. Как правило, для пользователя рабочая частота не так важна, поэтому в технических характеристиках данный параметр часто не указывается, но обязательно указывается диапазон рабочих температур (более подробно о соответствии рабочих длин волн и рабочего температурного диапазона можно прочитать в статье "Сферы применения пирометров").

 

Быстродействие

 

Сам принцип работы пирометра предполагает достаточно быстрое измерение температуры, поэтому к этим приборам предъявляются определенные требования по быстродействию. Временем установления показаний считается промежуток, который отсчитывается с момента скачкообразного изменения на входе датчика пирометра до того момента, когда выходной сигнал достигает установленного значения с отклонением до 2%. В среднем быстродействие современных пирометров не превышает 1 секунды.

 

Коэффициент излучения или излучательная  способность

 

Самые простые модели пирометров имеют фиксированный коэффициент излучения (как правило, он равен 0,95, поскольку на производстве и в быту чаще всего требуется измерение температуры объектов с подобным коэффициентом). Однако при измерении температуры светлых, блестящих, полированных поверхностей и т.п. такие пирометры могут давать значительную погрешность. Чтобы этого избежать, специалисты нашего сайта www.teplomer.biz рекомендуют использовать более сложные пирометры с возможностью настройки коэффициента излучения. Используя специальные таблицы (пример подобной таблицы приведен в статье "Методы пирометрии, их достоинства и недостатки. Классификация пирометров.") можно вручную отрегулировать прибор для каждого конкретного случая и снизить погрешность до минимума. Кроме того, самые современные модели инфракрасных пирометров обладают встроенными таблицами с данными излучательной способности для разных материалов, что избавляет от необходимости копаться в справочниках.

 

Способ нацеливания пирометра

 

Простые модели пирометров не имеют приспособлений для прицеливания, и потому могут использоваться только на относительно небольших расстояниях (если расстояние увеличить, диаметр измеряемого пятна становится слишком большим для обеспечения достаточной точности измерения). Однако более сложные модели оснащены специальными инструментами для точного наведения. Обычно это лазерные указки, состоящие из одного или нескольких лучей, и оптические видоискатели.

 

Недорогие лазерные прицельные устройства с одним лучом позволяют определить точку лишь вблизи центра измеряемого пятна; луч у такого прицела не совпадает с оптической осью объектива пирометра, поэтому лазерный указатель смещен относительно центра зоны чувствительности прибора на фиксированное расстояние, как правило, 1-2 см (такой эффект называется "парллакс"). В усовершенствованных моделях коаксиальных лазерных прицелов луч выходит из центра объектива и всегда попадает точно в центр.

 

Двойные лазерные прицелы могут  показывать не только местоположение зоны измерения, но и ее размер (на близких расстояниях размер определяется неточно и, как правило, завышен). Также существует модель двойного лазера с пересекающимися лучами, такая разновидность прицела называется кросс-лазером и используется в основном в короткофокусных пирометрах (ее удобно применять для определения положения фокусного расстояния объектива).

 

Круговые лазерные прицелы с  несколькими лучами четко обозначают зону измерения пирометра. Простым  круговым лазерным прицелам свойственны  уже упомянутые недостатки — параллакс  и погрешность на близких расстояниях. Поэтому самые лучшие прицелы — круговые с несколькими лучами, образующими гиперболоид вращения. Прицелы с такой конструкцией позволяют точно обозначить зону измерения на любых расстояниях, называются они точными круговыми лазерами.

 

Ну, а оптические видоискатели в  основном используются в высокотемпературных  пирометрах, так как лазерный луч  плохо виден на чересчур яркой  или раскаленной поверхности.

 

При выборе пирометра нужно очень  внимательно изучить технические  характеристики различных моделей. Как правило, более дорогие приборы имеют и более продвинутые характеристики: широкий температурный диапазон, возможность регулировки коэффициента излучения, высокое оптическое разрешение и т.п. Конечно, тратиться на самый "навороченный" пирометр часто вовсе необязательно. Но если для простых задач и невысоких температур вполне подойдут недорогие простенькие модели, то для сложного проиводства, где требуется высокая точность и функциональность, без дорогого пирометра не обойтись.

 

 

 

 

 

 

 

 

Сферы применения пирометров

 

Прежде чем подробно рассматривать  сферы применения пирометров, стоит  разобраться, для чего они вообще были созданы. Итак, основное назначение пирометров — дистанционное определение  температуры различных объектов. Чаще всего они используются там, где контактное измерение температуры замедляет технологический процесс или вовсе не представляется возможным, например, в сталелитейной или нефтеперерабатывающей промышленности. Также бесконтактные измерители температуры получили довольно широкое распространение в сфере ЖКХ и быту. Их применение значительно снижает травмоопасность производства (так как не нужно близко подходить к раскаленным объектам) и увеличивает производительность труда.

 

Для чего используются пирометры?

 

В статье "Методы пирометрии, их достоинства и недостатки. Классификация пирометров." уже рассматривались различные виды ик-термометров. Среди них были упомянуты стационарные и портативные (или переносные) пирометры. Рассмотрим их особенности и области применения подробнее:

 

1. Стационарные пирометры отличаются  большими размерами, высокой точностью  и довольно сложным управлением.  Как правило, они "заточены" под определенную сферу производства  и используются в промышленности: для контроля производственных  процессов в металлургии, нефтехимии, целлюлозно-бумажной промышленности, в производстве стекла и пластмассы, для проверки температуры при изготовлении печатных плат и пр. Выделяют также отдельный класс автомобильных стационарных пирометров для контроля технологических процессов на автомобильных заводах. Ввиду особых условий применения к стационарным пирометрам предъявляются особенные требования, такие приборы стоят немалых денег и в большинстве случаев являются корпоративной собственностью.

 

 В металлургии без пирометров не обойтись в виду высоких температур измеряемых объектов

 

2. Портативные пирометры менее  точны, зато гораздо более доступны, компактны (помещаются в сумке  или кармане) и просты в работе, а потому обладают очень широкой  сферой применения. По данным  специалистов нашего сайта www.teplomer.biz портативные пирометры чаще всего применяются в следующих областях:

Электроэнергетика. Низкотемпературные портативные пирометры активно  используются для диагностики контактных соединений, а также для оценки состояния линий электропередач, трансформаторов, радиаторов и изоляторов. С помощью пирометра можно легко выявить участок перегрузки кабеля и других элементов электропроводки, и быстро локализировать это место.

Теплоэнергетика. В теплоэнергетике  пирометры применяются для температурного контроля теплотрасс, определения мест нарушения теплоизоляции, прохождения теплотрассы, а также определения места поломки — если, к примеру, прорвало трубу с горячей водой. Также эти приборы незаменимы при проверке качества теплоизоляции помещений.

Строительство. Если говорить о строительстве, здесь с помощью компактных переносных пирометров определяют теплопотери  в жилых зданиях, а также различных  строениях промышленного назначения. Кроме того, с ними удобно находить разрывы в теплоизоляционной оболочке стен.

Металлургия и машиностроение. Бесконтактный  способ измерения температуры великолепно  подходит для контроля над металлургическими  процессами — ковке, прессовке, правке и пр.

Наука. При проведении лабораторных исследований активных веществ в агрессивных средах, а также в тех случаях, когда контактный способ измерения температуры может нарушить чистоту эксперимента, без пирометров не обойтись (к примеру, контактный метод измерения температуры может повредить объект измерения, если он чересчур хрупкий, или же привести к значительным теплопотерям). Также компактные пирометры используются космонавтами для контроля и при проведении опытов.

Быт. В быту портативные пирометры  могут использоваться для измерения  температуры тела, пищи при приготовлении и т.п.

 

Есть и другие, более узкие  области применения портативных  пирометров — к примеру, их используют железнодорожники для контроля ответственных  узлов вагонов.

 

 Сферы применения портативных  пирометров 

 

Соответствие рабочего температурного диапазона пирометра и сферы его применения

 

Рабочий диапазон температур пирометра  определяется длиной волны, на которой  он работает, и также во многом определяет сферу его применения. Поэтому  очень важно знать, какой спектральный диапазон наилучшим образом подходит для конкретной измерительной задачи — это позволит максимально снизить погрешность и, как следствие, повысить достоверность показаний.

 

Ниже приведена таблица соответствия спектрального и температурного диапазона пирометра с оптимальной сферой его применения. Спектральный диапазон, мкм Диапазон температур, °C Использование

около 0,65 600..4000 в металлургии, в качестве замены оптическим пирометрам с исчезающей нитью

0,7..1,1 300..4000 в металлургии, для измерения температуры расплавов металлов (через защитные стекла в том числе)

1,0..1,6 200..2000 измерение температуры поверхности материалов (металла, полупроводников, стекломассы) на разных глубинах

2,0..2,6 150..1800 в металлургии и металлообработке, для измерения температуры металлов (как цветных, так и черных)

3,4..3,45 50..600 для измерения температуры полиэтилена, полиуретана, полистирола, полипропилена

3,8..3,9 300..2500 измерение температуры через пламя или газ

4,8..5,2 100..2500 измерение температуры керамики, стекла и черных металлов

окоор 7,9 0..600 измерение температуры тонкого пластика, а также для контроля низкотемпературных технологических процессов при производстве изделий из стекла

7..10 0..600 измерение температуры через фтористый кальций и кремний

6,5..14 -20..400 для измерения низких температур различных материалов

7..14 -40..950 для измерения низких и средних температур различных материалов

8..14 -50..1100 для измерения низких и средних температур различных материалов

7..20 -40..800 для измерений при низкотемпературных технологических процессах