Принцип работы, устройство инфракрасного пирометра и его основные характеристики

Пирометром называют прибор, который измеряет температуру по тепловому электромагнитному излучению и предоставляет информацию в форме, удобной для пользователя. Инфракрасные пирометры, использующие метод радиационной пирометрии, являются наиболее распространенным классом среди устройств подобного рода (другие названия — инфракрасный термометр или инфракрасный радиометр). Конструктивно такой пирометр представляет собой пирометрический преобразователь и устройство отображения информации, аналоговое или цифровое.

Принцип действия инфракрасного пирометра основан на измерении абсолютного значения амплитуды электромагнитного излучения от объекта в инфракрасной части спектра и последующем преобразовании измеренного значения в температуру. Схема такого пирометра с оптическим видоискателем изображена на рисунке:

Устройство инфракрасного пирометра
Устройство пирометра: 1 — объект измерения; 2 — тепловое излучение;
3 — оптическая система; 4 — зеркало; 5 — видоискатель; 6 — ось видоискателя;
7 — измерительно-счетное устройство; 8 — корпус; 9 — электронный преобразователь; 10 —
кнопка; 11 — датчик

Тепловой луч, сфокусированный оптической системой, падает на датчик (первичный пирометрический преобразователь), в результате на выходе образуется электрический сигнал, пропорциональный значению температуры объекта измерения. Этот сигнал проходит через электронный преобразователь (вторичный пирометрический преобразователь), попадает в измерительно-счетное устройство и обрабатывается в нем. Результат отображается на дисплее (индикация у современных пирометров, как правило, цифровая).

Чтобы получить точное значение температуры объекта, пользователю нужно лишь включить прибор, навести его на объект измерения и нажать на кнопку. На сегодняшний день этот метод бесконтактного измерения температуры является одним из самых простых и недорогих. Измерения можно проводить практически на любом расстоянии, дальность действия современных пирометров ограничивается только площадью измеряемого пятна и прозрачностью среды.

К основным техническим характеристикам пирометров относят:

  • оптическое разрешение (встречаются модели с разрешением от 2 до 600 : 1);
  • диапазон измеряемых температур (max от -50 до 4000° C или меньше);
  • 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
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.

Положение пятна визирования
Различные варианты положения пятна визирования

На рисунке выше приведены различные варианты расположения пятна визирования:

  1. правильное — в этом случае точность определяется исключительно характеристиками прибора и не зависит от расстояния;
  2. критическое — диаметр пятна равен размеру поверхности объекта, возможно увеличение погрешности измерения;
  3. 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.

 
Интернет-магазин www.teplomer.biz
Адрес: 107023,г. Москва, ул. Большая Семёновская, д. 11, стр. 1
Телефон: +7(495)663-92-69 (Схема проезда)