Що таке пірометрія! методи пірометрії
Що таке пірометрія. Методи пірометрії. Класифікація пірометрів.
Ми всі звикли до вимірювання температури різних тел контактним способом - за допомогою термометрів. Звичайний ртутний термометр знаходиться в аптечці кожної сім'ї, термометри розширення (кондуктометрический термометр), активно застосовуються в промисловості. Однак, сьогодні, ми розповімо про принципово «новому», досі багатьом невідомому, і ще поки рідкісному методі безконтактного вимірювання температури різних тел.
Можливо, регулярні Новомосковсктелі наших статей скажуть, що ми вже писали про тепловізори. і навіть не один раз. Однак, нам є, що Вам відповісти: тепловізори - це дорогі професійні прилади, з величезним функціоналом. Найчастіше, мати тепловізор на озброєнні, у невеликих фірм і звичайних користувачів, просто, немає фінансової можливості і гострої необхідності.
Тоді, для професіоналів, які кожен день стикаються з необхідністю вимірювання температури різних тіл і середовищ, ідеальним рішенням стане пірометр.
Пірометр - це прилад, який призначається для вимірювання температури практично будь-якого тіла безконтактним методом на відстані (найчастіше до трьох метрів).
Пірометр Bosch PTD-1
Відповідно, пірометрія - це сукупність, або сума способів і методів отримання інформації про температуру нагрітих тіл на відстані.
В основі роботи пирометра лежить принцип сприйняття електромагнітних променів (енергії), що випромінюються будь-яким матеріальним тілом, причому, інтенсивність і спектр випромінювання цієї енергії має пряму залежність від температури цього матеріального тіла.
До речі, ви помітили, що на початку статті, ми помістили слово «новий» (метод) в лапки. Вся справа в тому, що перший пирометр був винайдений ще в 1731 році Пітером ван Мушенбрук - голландським ученим, який виготовив пірометр для проведення своїх дослідів по тепловому розширенню твердих тіл. Це був далеко не той пірометр, який ви можете знайти в нашому каталозі, однак, сам факт побудови такого приладу - відкриття.
Сам термін «пірометрія» - з'явився ще на початку 20 століття, проте поштовх до розвитку, пірометрія отримала тільки в 60-х роках минулого століття. Саме в той час були проведені досліди і зроблені відкриття, які і дозволили проводити портативні пірометри з високими споживчими характеристиками в промислових масштабах. Перший переносний пирометр був розроблений в надрах компанії Wahl в 1967 році. З тих пір, пірометри удосконалюються, і сьогодні, завдяки сучасним принципам побудови паралелей порівняння, коли температура тіла вимірюється на основі отриманих даних з інфрачервоного приймача, кордону, в яких відбувається вимір температур твердих і рідких тіл, істотно розширилися.
Стаціонарний оптичний пірометр для промислового застосування Raytek
Взагалі, основних методів в пірометрії всього два:
Звичайно, з моменту їх появи, технології зробили крок далеко вперед, тому і самі прилади - пірометри вдосконалилися, ускладнилися, стали більш точними, проте, суть методів залишилася незмінною. Розглянемо обидва методи більш докладно.
1. Радіаційний метод пірометрії - заснований на залежності яскравості та інтенсивності енергетичного випромінювання від температури матеріального тіла в деякому обмеженому хвильовому діапазоні - зазвичай, в інфрачервоному. Саме тому, прилади використовують такий метод називаються інфрачервоними пірометрами (або інфрачервоними радіометрами або термометрами).
Пірометр інфрачервоний TESTO 830-T1
Принцип дії інфрачервоного (ІР) пирометра досить простий: оскільки існує пропорційна залежність між яскравістю випромінювання предмета і його температурою, то вимірявши яскравість і перерахувавши її, можна отримати достовірне значення температури. Тобто Засади внутрішньої і головним елементом пирометра, що працює радіаційним методом, є спеціальний датчик, який перетворює яскравість теплової енергії ІР-діапазону в електричний сигнал. Тут яскравість теплового променя фіксується оптичною системою, обробляється датчиком. Електричний сигнал з датчика надходить в блок обробки інформації, після чого, результат вимірювання виводиться на дисплей.
2. Оптичний метод пірометрії - заснований на залежності спектра випромінювання від температури мінімум в двох діапазонах: діапазоні інфрачервоного випромінювання і діапазоні видимого спектру. Тобто для даного методу, використаний принцип залежності кольору випромінювання від температури об'єкта.
Оптичний пірометр з виносним датчиком Raytek
Існують два основних типи оптичних пірометрів:
- Яскравості пірометр - прилад, який здатний визначати температуру тіла, за допомогою візуального порівняння випромінювання пердмет з випромінюванням еталонної нитки. Тобто оператор, дивиться в окуляр на вимірюваний об'єкт, регулюючи при цьому величину випромінювання нитки шляхом пропускання через цю нитку електричного струму. Нитка в окулярі повинна бути поєднана із зображенням об'єкта. Необхідно підібрати таке значення електричного струму, при якому колір випромінювання нитки співпаде з кольором об'єкта і як-би «розчиниться» в ньому. За таким значенням струму і визначають температуру нагрітого тіла. Яскравості пірометри, часто називають пірометрами з зникаючою ниткою.
- Колірної пірометр (по іншому - пірометр спектрального відношення або мультиспектральний пірометр) - прилад, який порівнює енергетичні яскравості об'єкта в різних областях спектру. Тобто в пірометрами цього типу використовується кілька датчиків (мінімум два), які і вимірюють яскравість світіння об'єкта в двох і більше частинах спектра, після чого, оцінюється їх співвідношення. Мультиспектральні пірометри мають максимальною точністю у визначенні температури об'єкта, саме тому, на сьогоднішній день, професіонали вибирають саме ці оптичні пірометри.
Вітчизняний пірометр спектрального відношення ДПР-1 «СОВА»
На початку 20 століття, яскравості пірометри були поширені повсюдно, проте, починаючи з середини 60-х років, ситуація почала змінюватися. Були випущені компактні, точні і зручні інфрачервоні радіаційні пірометри, які поступово витіснили яскравості пірометри з ринку. Сьогодні, практично всі портативні пірометри - це прилади, що працюють за радіаційним методом. Це пов'язано в першу чергу з тим, що вони коштують дешевше оптичних, простіше і зручніше в застосуванні, і можуть забезпечити достатньо високу точність вимірювання. Однак, оптичні пірометри, і зокрема пірометри спектрально відносини, мають свої достоїнства.
Розглянемо переваги і недоліки приладів різного типу більш докладно.
1) Переваги та недоліки інфрачервоних пірометрів.
Основною перевагою радіаційного інфрачервоного пірометра є порівняно проста конструкція, внаслідок чого, такий пірометр має невисоку вартість, але високу надійність і малі розміри. Завдяки використанню тільки одного приймача, перетворювача і підсилювача (на відміну від оптичного пірометра, у якого таких комплектів мінімум два), радіаційний пірометр ламається рідше і коштує дешевше.
Пірометр інфрачервоний Condtrol IR-T1
Ексклюзивним перевагою радіаційного пірометра є здатність вимірювання низьких температур - до -50 ° С (пірометри іншого типу не здатні на це).
Саме ці переваги і зумовили широке поширення пірометрів цього типу.
Істотним недоліком інфрачервоних пірометрів є залежність кінцевого результату вимірювання від випромінювальної здатності предмета вимірювання. Що це означає? Візьмемо дві металеві ємності - одну абсолютно нову (світлу і блискучу), а другу - сильно окислених (матову і темну). Наллємо в обидві ємності воду і доведемо до температури кипіння (100 ° С), після чого, проведемо вимірювання інфрачервоним пірометром. Значення температури по пірометру, для окисленої ємності буде відповідати дійсності - приблизно 95 ° С, а для нової - немає (буде нижче 50 ° С). Це можна пояснити тим, що, через не однаковою випромінювальної здатності, при інших рівних умовах і ідентичною температурі, різні об'єкти будуть випромінювати різну кількість світлової енергії.
На величину випромінювальної здатності, також, впливає фізичний стан об'єкта (газ, рідина або тверде тіло), фактура його поверхні (матова або гладка), наявність захисних покриттів або плівок, іржі, накипу та інших природних утворень. Вважається, що випромінювальна здатність абсолютно чорного об'єкта дорівнює одиниці (1), а дзеркала - нулю (0). На практиці ж коефіцієнт випромінюючої здатності коливається від 0,02 до 0,99.
Похибка, викликану випромінювальною здатністю, можна компенсірвоать завдяки спеціальним регуляторам, які ставляться на сучасні прилади. Такий регулятор дозволяє підлаштувати пирометр під властивості конкретного досліджуваного тіла. Регулятор допомагає скорректірвоать результати вимірювань і домогтися високої точності при вимірюванні температури практично будь-якого об'єкта.
Регулятор дозволяє додати коефіцієнт для збільшення точності вимірювань. Таблиця коефіцієнтів випромінювання для різних матеріалів в алфавітному порядку представлена нижче.
Але це все для стандартних матеріалів. А що ж робити, коли необхідно виміряти температуру матеріалів, що не наведені в таблиці? Наприклад, якщо ступінь окислення старої металевої ємності може відрізнятися, то і коефіцієнт може бути різним. У таких випадках, необхідно користуватися спеціальними таблицями або методиками визначення випромінювальної здатності, які повинні йти в комплекті з приладом.
Другим недоліком інфрачервоних пірометрів (так-так, ми все ще говоримо про недоліки) є точність, яка безпосередньо залежить від відстані від приладу до об'єкта вимірювання. Саме тому, фахівці радять для вимірювання температури розжарених або важкодоступних об'єктів вибирати пірометри володіють високою оптичною роздільною здатністю. Адже, саме завдяки цим параметром, визначається відстань до об'єкта, на якому оператор може знаходитися, не спотворюючи точність вимірювань.
2) Переваги і недоліки оптичних мультиспектральних пірометрів:
Пірометри спектрального відношення, як ми вже говорили, вимірюють температуру об'єкта, шляхом обчислення значення відносини сигналів з двох і більше приймачів, що працюють в різному діапазоні хвиль. У теорії, такий метод мав виключити основні проблеми, які притаманні інфрачервоним пірометрами. Адже залежність якості сигналу від відстані для обох датчиків абсолютно однакова, і тому не позначається на їх відношенні. Таким чином, точність приладу не залежить ні від відстані до об'єкта, ні від його випромінювальної здатності. Але це в теорії, а на практиці, справа йде зовсім не так. На практиці, з досвіду проведених вимірювань з'ясувалося, що навіть при оптичному методі визначення температури, випромінювальна здатність, хоча і побічно, але впливає на результати вимірювань, тим самим приводячи до істотних погрішностей (до 10%). Якщо скласти сюди і інші недоліки оптичних пірометрів: низька надійність, висока вартість і ін. То стає зрозуміло, чому інфрачервоні радіаційні прилади користуються великим попитом.
Однак, завдяки сучасним цифровим технологіям, з'явилися прилади, що володіють особливими алгоритмами обчислення коригуючого сигналу для оптичних пірометрів. У таких «поліпшених» пірометрах похибка становить всього 1% для температур від 600 до 2400 ° С, що дуже добре. Вартість же таких приладів в рази більше ніж звичайних приладів без корекції.
Пірометр цифровий мультиспектральний Raytek Raynger-3i
Таким чином, сучасний оптичний пірометр: найбільш точний, але, в той же час, більш дорогий і менш зручний.
Крім класифікації за принципом дії, пірометри можна розділити за такими ознаками:
1. В залежності від температурного діапазону:
- Високотемпературні - для сильно нагрітих об'єктів.
- Низькотемпературні - для об'єктів навіть з мінусовою температурою
2. В залежності від виконання
- Переносні - в основному це пірометри,
- Стаціонарні - використовуються в промисловості для безперервного контролю виробничого процесу.
3. За способом візуалізації результатів вимірювання
- Текстово-цифрові - температура показується в градусах.
- Графічні - на зображенні виділяються різними кольорами області високих, середніх і низьких температур. Об'єкт представлений в спектральному розкладанні. Прилади такого типу називають тепловізорами.
В якості висновку, необхідно згадати про те, що пірометр - це високоточний вимірювальний прилад, який призначений для безконтактного вимірювання температури. І хоча пірометри чи не шени недоліків, але вони допомагають фахівцям в їх щоденній роботі. Найбільшого поширення інфрачервоні пірометри отримали не випадково. Вони використовуються в промисловості і в побуті, вони доступні по грошах, надійні, прості в експлуатації і здатні забезпечити більш ніж прийнятну точність при вимірах температури.