Методы пирометрии, их достоинства и недостатки. Классификация пирометров.

Пирометрией называют совокупность методов измерения температуры нагретых тел по их излучению. Соответственно, пирометры — это приборы, предназначенные для бесконтактного измерения температуры на расстоянии. Принцип действия пирометров базируется на том, что все материальные тела излучают электромагнитную энергию, а интенсивность и спектр излучения этой энергии напрямую зависит от их температуры. Пирометры определяют характеристики электромагнитного излучения и на их основании автоматически вычисляют, до какой температуры нагрет объект измерения.

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.

Два основных метода пирометрии

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.

1. 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).

Радиационный пирометр (на фото популярная модель "Condtrol IR-T2")
Радиационный пирометр (на фото популярная модель "Condtrol IR-T2")

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).

2. 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.

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).

Радиационный пирометр "Condtrol IR-T1" ложится в руку "как влитой"
Радиационный пирометр "Condtrol IR-T1" ложится в руку "как влитой"

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 (например, модели "X-Line pIRo-550", "Geo Fennel FIRT 1000" и др.). Наличие такого регулятора позволяет корректировать результаты измерений и добиваться высокой точности при измерении температуры самых различных объектов.

Сводная таблица коэффициентов излучения различных материалов (чтобы увидеть полный вариант таблицы, кликните по изображению)
Сводная таблица коэффициентов излучения различных материалов (чтобы увидеть полный вариант таблицы, кликните по изображению)

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, в приведенном выше примере степень окисления старой металлической емкости может быть различной, а значит, и коэффициент — тоже. Для таких случаев специалисты разработали специальные методики определения излучательной способности. Вы можете ознакомиться с некоторыми из них, прочитав статью "Практические советы при использовании пирометра. Решение измерительных задач".

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.

Оптический пирометр: более точный, но менее удобный... и более дорогой
Оптический пирометр: более точный, но менее удобный... и более дорогой

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.

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).

Вывод

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).

Тем не менее специалисты нашего сайта www.teplomer.biz рекомендуют при выборе пирометра в первую очередь определиться с целями, для которых будет использоваться прибор, условиями работы, затратами и делать выбор только с учетом всех указанных факторов.

 
Интернет-магазин www.teplomer.biz
Адрес: 107023,г. Москва, ул. Большая Семёновская, д. 11, стр. 1
Телефон: +7(495)668-63-82 (Схема проезда)