Пирометры для измерения температуры бесконтактным методом

Пирометр – это аппарат для определения теплового состояния тел бесконтактным способом. Появились эти приборы в середине 60-х годов ХХ века. Принцип их работы основан на инфракрасном приёмнике, который производит измерения количества тепловой энергии, излучаемой телом, путём построения сравнительных параллелей. Результатом анализа являются величины температуры нагрева или охлаждения объектов исследования. Открытие этого метода позволило расширить диапазон для измерения температур как твёрдых, так и жидких тел.

Пирометры и принцип их работы

Изначально под пиротермометрами (пирометрами) для измерения температуры бесконтактным методом подразумевались приспособления, предназначенные для определения теплового состояния сильно нагретых предметов визуально, по яркости и цвету. Со временем эти приборы претерпели качественные изменения. Появились инфракрасные радиометры, которые могут диагностировать не только высокие, но и достаточно низкие (от 00 С и ниже) температуры. Они определяют мощность излучения тепла объектом в зоне инфракрасных электромагнитных волн и видимого света.

Пирометры для измерения температуры бесконтактным методом принято классифицировать как:

• оптические – определяют температуру разогретого тела визуально, без вспомогательных устройств, сравнивая его цвет с цветом нити эталона;
• цветовые или мультиспектральные — определяют температуру методом сравнения теплового излучения тела в различных спектрах;
• радиационные – используют пересчитанный показатель мощности теплового излучения для определения температур. Пирометры, производящие измерения в пределах широкой полосы спектральных излучений, называются пирометрами полного излучения.

Тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, являются источником тепла. Оптические(яркостные) пирометры дистанционно определяют температуру сильно нагретых (до свечения) объектов, ориентируясь на их тепловое излучение в видимой части спектра. Оптическая часть этих приборов состоит из телескопа с объективом и окуляра. Перед окуляром находится красный световой фильтр. Вольфрамовая нить лампочки термометра расположена в фокусе объектива. Степень нагрева объекта сообщает определённый цвет его излучению, что и даёт возможность диагностировать тепловое состояние объекта путём сравнения цвета его излучения с цветом накала нити в окуляре прибора. Ориентиром для контроля температуры по тепловому излучению принято считать «чёрное тело», которое имеет наибольшую энергию излучения при данной температуре по сравнению с другими телами. Такими пирометрами, в основном, пользуются для измерения температур тел от 3000С до 60000С, хотя для этого метода верхний предел не ограничен. Принцип действия цветовых (мультиспектральных) пирометров основан на сравнении количества энергии излучения двух узких монохроматических видимых участков спектра. В отличие от оптических, показатели цветовых аппаратов практически не зависят от колебаний коэффициента излучающих возможностей тел, зависящих от их температуры, состава и качества поверхности. Наиболее интересными на сегодняшний день являются цветовые пирометры на фотоэлементах.

Самыми широко используемыми аппаратами в сфере пирометрии являются инфракрасные пирометры или радиометры, в которых взят за основу метод радиационной пирометрии. Они более чувствительны, хотя менее точны, определяют все длины волн видимого света. Их технические характеристики определяются:

• оптическим разрешением;
• диапазоном определяемых температур;
• измеряемым разрешением;
• быстротой действия;
• точностью измерений;
• коэффициентом излучения (переменный – фиксированный);
• способом нацеливания (прицел оптический или лазерный).

Чтобы получить точную величину теплового состояния исследуемого объекта, пользователь должен всего лишь навести аппарат на объект и нажать на кнопку. Тепловой луч фокусируется системой при помощи оптики и попадает на первичный термический конвертер. Электрический сигнал, который образуется на выходе, пропорционален температуре исследуемого объекта. Изменённый в электронном преобразователе (вторичном термическом конвертере), этот сигнал обрабатывается измерительно-счётным устройством и подаётся в виде цифрового результата на дисплей. Измерения могут проводиться на любом расстоянии. Однако не следует забывать о погрешностях, которые могут возникнуть в случае несоответствия прозрачности среды или площади измеряемого пятна. Если диаметр пятна измерительного прибора меньше измеряемого предмета, то расстояние до объекта не влияет на точность измерений. Когда же диаметр пятна превосходит величину объекта, прибор может принимать излучения окружающих предметов, что снижает результативность его температурных показателей.

Визуализация температурных величин может выражаться в текстово-цифровом варианте, когда на дисплей выводятся показатели температуры в градусах, и графическим методом, когда элемент наблюдения виден в разложенном спектре температур (высокой, средней и низкой), выраженных различными цветами.

Бесконтактные пирометры различают по температурному диапазону на низко- и высокотемпературные. Низкотемпературные предназначены для измерения температур тел даже в области отрицательных значений. Высокотемпературные бесконтактные термометры используются в случаях, когда накал сильно нагретых предметов нельзя оценить «на глаз». Их возможности сильно смещены в сторону «верхних» границ измерений.

Пирометрия в нашей жизни

Современное производство контрольно-измерительных приборов может предложить покупателю пирометры для измерения температуры бесконтактным методом — стационарные и переносные.

Переносные пирометры часто предназначены для работы в тяжёлых промышленных и климатических условиях. Они обладают большим оптическим разрешением, что даёт возможность мониторинга теплового состояния объектов величиной от 5 мм. Пиротермометры переносные могут использоваться в любой промышленной сфере, как для контроля температуры, так и для отслеживания сложных технологических циклов, связанных с определёнными температурными режимами. Как правило, датчики стационарных пиротермометров имеют выход на ПК.

Обычно их применяют:

• в тепловой энергетике;
• в электроэнергетике;
• на железнодорожном транспорте;
• в пожарной безопасности и контроле;
• в лабораторных исследованиях;
• с целью сканирования холодных и горячих точек;
• для контроля температур труднодоступных для человека объектов;
• для определения температур объектов, пребывающих в движении;
• в мониторинге систем кондиционирования, вентиляции и отопления.

Стационарные пирометры предназначены для эксплуатации в крупной промышленности, с целью непрерывного контроля за технологическим процессом в производстве металлов и пластиков. Их устанавливают там, где трудно или невозможно использовать контактные датчики температуры по соображениям безопасности персонала.

Областью их применения являются:

• металлообработка;
• металлургия, сталелитейное производство;
• нефтеперерабатывающая отрасль;
• керамическое и стекольное производство;
• производство цемента.

Пирометры для измерения температуры бесконтактным методом в теплоэнергетике необходимы для точного и быстрого измерения температур в местах, где неэффективны другие способы измерений.

В электроэнергетике эти аппараты применяют для оценки нагрузки на кабельные линии, трансформаторы, качества теплоизоляции бойлеров, котлов, с целью контроля за пожарной безопасностью. Используют их также для контроля за температурой букс, важных узлов грузовых и пассажирских вагонов на железной дороге.

В металлообрабатывающей промышленности пирометры контролируют температуры прокатных станов, печей.

В строительстве пирометры определяют порывы в теплоизоляционных оболочках на теплотрассах, потери тепла в зданиях.

Способность пирометров реагировать на изменения инфракрасных излучений успешно используется для охраны зданий в датчиках движения.

При грузоперевозках они осуществляют контроль за хранением пищевых продуктов.

Благодаря компактности, удобству в эксплуатации и невысокой стоимости пиротермометры нашли своё место даже в быту. С их помощью можно измерить температуру тела, степень нагрева приготовляемых блюд, кухонной посуды.

Применяются достижения пирометрии и в космонавтике с целью контроля за опытами.