Меню

Дистанционное измерение температуры принцип работы



Как устроены и работают бесконтактные термометры

Бесконтактные термометры или пирометры являются сегодня удобными приборами для дистанционного измерения температуры разнообразных объектов, жидкостей или твердых тел. Они широко применяются в теплоэнергетике для оперативного контроля температуры важных участков, в электроэнергетике — для обеспечения пожаробезопасности, в лабораторных условиях, на предприятиях, в строительстве для расчета теплопотерь, в быту, в охранных системах и много где еще.

Первый подобный прибор был изобретен в далеком 1731 году голландским физиком Питером ван Мушенбруком, и измерения производились визуально, можно было по цвету раскаленного тела судить о его температуре. Но современные типы пирометров сильно расширили область своего применения, и позволяют измерять даже температуры близкие к нулю градусов Цельсия и ниже. Однако принцип остался в целом тем же — измеряется мощность исходящего от объекта теплового излучения, и из этого делается заключение о его температуре. Измерения осуществляются в инфракрасном и видимом диапазоне спектра.

В 1967 году американская компания Wahl представила первый переносной пирометр, поскольку именно в 60-е годы были сделаны важнейшие научные открытия, положившие начало развитию направления создания промышленных пирометров, обладающих достаточно высокими характеристиками при небольших габаритах. Принцип на основе построения сравнительных параллелей, с применением инфракрасного приемника, способного определить количество излучаемой объектом тепловой энергии, позволил значительно расширить диапазон температурных измерений как для жидких, так и для твердых тел.

На данный момент пирометры очень популярны, и широко используются для бесконтактного измерения на расстоянии температуры объектов в быту, в сфере ЖКХ, на предприятиях, — везде, где требуется контроль за температурой различных процессов на этапах производства и в процессе работы многих устройств. Пирометры дают возможность безопасно измерить температуру даже раскаленного тела, без необходимости физически контактировать с ним.

Пирометры бывают оптическими, радиационными и цветовыми. Первые позволяют осуществить визуальное сравнение цвета нагретого тела с цветом эталонной нити, и таким образом определить его температуру. Радиационные пересчитывают мощность теплового излучения, и могут измерять довольно широкий спектр температур. Цветовые сравнивают тепловое излучение объекта в различных спектрах, и производят затем вычисление его температуры, такие пирометры также отличаются широким спектром измерения.

Все пирометры можно также разделить на низкотемпературные и высокотемпературные. Низкотемпературные позволяют измерять даже температуры ниже нуля, а высокотемпературные отличаются высоким верхним пределом измерений.

По типу исполнения пирометры различаются на переносные и стационарные. Последние используются на крупных промышленных предприятиях для очень точного и непрерывного контроля за технологическим процессом, например при производстве расплавов пластиков и металлов. Переносные пирометры популярны в быту и в качестве портативных термометров на различных производствах, они наглядно представляют информацию о температуре на дисплее в текстовом или графическом виде.

Устройство и функционирование современного инфракрасного пирометра можно описать следующим образом. Тепловой луч, принятый прибором, фокусируется оптической системой, и затем попадает на датчик температуры (это первичный пирометрический преобразователь), на выходе пирометрического преобразователя получается в результате электрический сигнал, значение которого пропорционально значению температуры исследуемого объекта. Полученный от датчика сигнал проходит далее через электронный преобразователь (это вторичный пирометрический преобразователь), и попадает в измерительно-счетное устройство и в нем обрабатывается. Результат вычислений отображается на дисплее, в наиболее популярных моделях — в виде цифр.

Так, для получения точного значения температуры поверхности исследуемого объекта, пользователю достаточно лишь включить прибор, навести его на исследуемый объект и нажать на пусковую кнопку. Результат измерения отобразится на дисплее в виде цифр или графически в виде разноцветного изображения, где спектрально области низких, средних и высоких температур будут выделены разными цветами.

Основные технические характеристики пирометров:

оптическое разрешение (выпускаются модели с разрешением от 2:1 до 600:1);

измеряемый температурный диапазон ( максимальный — от -50° C до +4000° C );

разрешение измерения — типичные значения 0,1° C или 1° C;

точность измерения (оптимальной считается ± 1,5%);

быстродействие (современные пирометры требуют не более 1 секунды);

коэффициент излучения — может быть настраиваемым или фиксированным;

способ нацеливания — лазерный целеуказатель или оптическое наведение.

Наиважнейшими параметрами пирометров являются настройка степени черноты объекта и оптическое разрешение (показатель визирования) прибора. Оптическое разрешение пирометра характеризуется отношением расстояния от пирометра до поверхности тела к диаметру круглого пятна на поверхности тела (область точного измерения температуры ограничена этим пятном ), температура которого измеряется.

Так, если требуются температурные измерения с небольшого расстояния, применяют пирометр с небольшим разрешением, например, 4:1, а если измерения планируется проводить с нескольких метров, то разрешение должно быть побольше, чтобы посторонние объекты не попали в поле зрения прибора. Зачастую пирометры оснащаются лазерным целеуказателем для более точного наведения прибора на исследуемый объект.

Степень черноты или коэффициент излучения материала характеризует отражающую способность самого материала, температура которого дистанционно измеряется пирометром. Для инфракрасного термометра, коими и являются популярные сегодня пирометры, данный показатель крайне важен. Он определяет отношение излучаемой исследуемой поверхностью энергии к энергии излучаемой абсолютно черным телом при той же температуре, и значение данного параметра лежит в диапазоне от 0 до 1. Так, окисленная сталь обладает степенью черноты 0,85, а полированная — 0,075.

На многих торговых интернет-площадках, да и в магазинах электроники, сегодня широко представлены портативные пирометры с лазерным нацеливанием, которые отлично подойдут для бытовых нужд, а также специальные медицинские пирометры на замену ртутным градусникам. Для промышленных же целей применяются более точные и более дорогие пирометры, обладающие кроме прочего вспомогательными средствами передачи информации и возможностью соединения с компьютером и специальными устройствами.

Читайте также:  Как измерить напряжение аккумулятора под нагрузкой

Источник

Бесконтактные термометры: виды, принцип действия, достоинства и недостатки

Каждый человек, почувствовав недомогание, интуитивно тянется за термометром. Повышенная температура является явным признаком болезни. Её измерение у взрослого человека не составляет никакого труда. Проблемы могут возникнуть при замере температуры у детей. Им трудно какое-то время усидеть на месте. Точно измерить у них температуру тела можно только с помощью бесконтактных приборов.

Устройство, принцип действия

Принцип действия приборов основан на измерении излучаемой человеком тепловой энергии. Они получили название лазерные или инфракрасных (ИКТ).

Термометры этого типа калибруют под стандартную температуру 36.6 градусов по Цельсию. Основным элементом их конструкции являются датчики с высокой степенью чувствительности к колебаниям интенсивности теплового излучения.

Направляемый на человека из прибора лазерный луч реагирует на отклонения температуры тела от стандартного показателя. Результат измерений, с помощью специальной программы, преобразуется в показатель температуры тела и выводится на дисплей прибора. С помощью ИКТ можно измерять температуру тела на любом его участке.

ИКТ используют не только для измерения температуры у детей, но и у животных, а также окружающей среды или различных предметов. Например, нагрева подшипников. Устройства работают от батареек, удобны в эксплуатации, надёжны в работе.

Главный элемент конструкции – линза. С её помощью происходит фокусирование излучения, создаваемого прибором. Расположена она в детекторе, выполняющем роль преобразователя излучаемого телом человека тепла в электрический сигнал.

Виды ИКТ

Бесконтактные термометры подразделяют на две большие группы: стационарные и переносные. Первый тип приборов широко используются в промышленности для производственного контроля. Портативные переносные ИКТ нашли применении в медицине и других сферах деятельности человека.

Медицинские бесконтактные термометры подразделяют на виды:

  1. Ушные. Приборы этого типа нельзя назвать полностью бесконтактными. Для измерения t их вставляют на 3-4 секунды в ухо. Они считаются наиболее опасными для детей, поэтому используются только для взрослых.
  2. Бесконтактные. Самый безопасный и удобный вид приборов. Для измерения t устройство достаточно навести на любой участок тела человека, не касаясь его.
  3. Лобные. Выпускаемые производителями модели могут производить измерение температуры тела на расстоянии от 5 до 15 см. Точность измерений устройств значительно выше, чем у ушных термометров.

Использовать медицинские бесконтактные термометры можно только для измерения температуры того участка тела, который определён производителем.

Достоинства и недостатки таких устройств для измерения температуры тела

Большим плюсом приборов считается возможность использования их для измерения температуры не только тела человека и животных, но и окружающей среды. ИКТ очень удобны в использовании. Показания t отображаются в цифровом формате на дисплее термометра. Время измерения не превышает 1 секунды. Данные снятых устройством показаний сохраняются в их памяти.

К недостаткам ИКТ относят:

Источник

Как пользоваться инфракрасным термометром: основные правила

Инфракрасный градусник, пожалуй, лучшая покупка для семей с маленькими детьми. Поднес ко лбу, нажал на кнопку – и остальное прибор сделает сам. Однако нужно уметь правильно измерять температуру бесконтактным термометром.

На словах вроде бы все просто, но есть некоторые нюансы. Ничего такого, с чем вы бы не справились, поверьте!

Как работает бесконтактный градусник?

Итак, перед нами небольшой прибор, похожий не то на карманный шокер, не то на пистолет. По-научному он называется пирометром. Работает наш гаджет на улавливании инфракрасного излучения, которое исходит от вашего тела.

Основная причина, почему бесконтактный градусник работает так быстро и измеряет температуру с точностью до сотой градуса, это специальный термоэлемент. Направляя устройство на лоб или другую часть тела, мы приводим в его в действие.

Термоэлемент поглощает инфракрасное излучение и преобразует его в электрический сигнал. При этом градусник заранее откалиброван по средней здоровой температуре человеческого тела – 36,6°C. Соответственно, чем выше температура тела, тем интенсивнее будет излучение. Прибор «поймет» это в считанные секунды.

Как правильно пользоваться инфракрасным термометром?

Первое, что нужно знать: ваш гаджет измеряет температуру не в точке, на которую направлен, а на площади вокруг. Соответственно, чем больше расстояние – тем выше погрешность измерения. На показания также могут повлиять пары, пыль или дым вокруг. Поэтому всегда держите инфракрасный датчик чистым и не допускайте царапин на поверхности.

При этом, как всякое электронное устройство, бесконтактный градусник может давать погрешность. В среднем, как заявляют производители, она не должна превышать ±0,2 градуса.

Однако иногда ИК-термометр может ошибаться. Вот типичные причины:

Слишком далеко от замеряемого объекта;

Прибор неправильно откалиброван или бракован;

Низкий контраст температуры между телом и окружающей средой.

Чтобы правильно измерить температуру тела инфракрасным термометром, нужно соблюдать ряд правил:

Нацеливайте его чуть выше переносицы. Здесь проходит передняя артерия, которая питает лобные доли мозга, и в целом голова всегда разогрета сильнее остальных частей тела. Нужно иметь в виду, что температура в этой точке может колебаться от 35,8 до 37,6°C в зависимости от среды. Поэтому делайте измерения только при комнатной температуре;

Держите прибор на расстоянии около 2–3 сантиметров;

Не держите кнопку нажатой долго, делайте однократное нажатие. Термометр издаст сигнал, и этого уже будет достаточно;

Читайте также:  Как измерить энергию света

Если сомневаетесь в результате, сделайте 2–3 замера подряд;

Имеет смысл сначала измерить температуру, когда вы здоровы, чтобы была возможность сравнить;

Как уже было сказано, инфракрасные градусники могут давать погрешности. Банальная причина может крыться в батарейках от производителя, на которых частенько экономят. Поэтому желательно сразу после покупки заменить их на более качественные, либо выбирать гаджет со встроенным аккумулятором.

Как выбрать хороший инфракрасный термометр?

Ваш градусник будет хорошо работать, если вы заботитесь о нём. Однако есть и некоторые аспекты, на которые нужно обратить внимание, чтобы выбрать хороший качественный инфракрасный термометр:

Точность должна быть на первом месте. Обратите внимание на тепловой диапазон и силу излучения, которые может охватывать прибор. Есть такое понятие как коэффициент эмиссии материалов, то есть их способность отражать направленное излучение. У человеческой кожи он может колебаться в пределах 0,6. Так вот домашний ИК-градусник должен уметь подстраиваться под эмиссионность человеческого тела;

Быстрое считывание и хранение данных. Современные устройства умеют хранить до 60 предыдущих показаний и передавать их на специальное приложение в смартфоне. Но это не так существенно, как время отклика прибора: чем оно короче, тем точнее будет замер;

Источник питания. Как уже было сказано выше, есть экземпляры, работающие от обычных батареек AA или AAA, есть с аккумуляторным питанием. Они несколько дороже, но служат дольше.

В качестве окончательной рекомендации, как правильно мерить температуру бесконтактным термометром, скажем: не обращайте внимание на изменения в десятые доли. Суточные колебания температуры тела здорового человека могут достигать 0,5–1°C, а пресловутые 36,6°C – это просто некий усредненный показатель.

Температура маленького ребенка в норме и вовсе может достигать 37,3°C, особенно если вы плотно запеленали его или в детской слишком жарко. Это ни в коем случае не говорит о болезни.

Добавим, что ваш ИК-градусник должен быть сертифицирован, соответствовать ГОСТ 20790-93 и международному стандарту ASTM E1965-98 .

Источник

Лазерный термометр: принцип действия. Лазерный дистанционный термометр (фото)

Измерение температуры может быть контактным и дистанционным. Наиболее распространены термопары, резисторные датчики и термометры, которые нуждаются в соприкосновении с объектом, т. к. измеряют свою собственную температуру. Делают они это медленно, но стоят недорого.

Бесконтактные датчики измеряют ИК-излучение объекта, дают быстрый результат, и обычно используются для определения температуры движущихся и нестационарных тел, находящихся в вакууме и недоступных по причине агрессивности среды, особенностей формы или угрозы безопасности. Цена таких устройств относительно высока, хотя в некоторых случаях сравнима с контактными приборами.

Монохромная термометрия

Монохромный способ определения суммарной энергетической яркости использует заданную длину волны. Реализации варьируются от ручных зондов с простым дистанционным измерением до сложных переносных устройств, позволяющих одновременно наблюдать объект и его температуру с занесением показаний в память прибора или их распечаткой. Стационарные датчики представлены как простыми небольшими детекторами с удалённым расположением электроники, так и высокопрочными устройствами с дистанционным PID-управлением. Волоконная оптика, лазерное прицеливание, водяное охлаждение, наличие дисплея и сканера – опциональные варианты мониторинга технологических процессов и систем управления.

Конфигурация, спектральная фильтрация, диапазон рабочих температур, оптика, время отклика и яркость объекта являются важными элементами, влияющими на производительность и должны быть тщательно рассмотрены в процессе отбора.

Датчик может быть как простым двухпроводным, так и сложным износоустойчивым высокочувствительным устройством.

Выбор спектрального отклика и диапазона рабочих температур связан с конкретными задачами измерения. Короткие длины волн предназначены для высоких температур и длинные – для низких. Если объекты прозрачны, например, пластмассы и стёкла, то необходима узковолновая фильтрация. Полоса поглощения CH полиэтиленовой плёнки равна 3,43 мкм. Выделение спектра в этом диапазоне упрощает вычисление коэффициента излучения. Точно так же стеклоподобные материалы становятся непрозрачными при длине волны 4,6 мкм, что позволяет точно определить температуру поверхности стекла. Область излучения 1-4 мкм даёт возможность производить замер через смотровые отверстия вакуумных и барокамер. Альтернативный вариант – использование волоконно-оптического кабеля.

Оптика и время отклика в большинстве случаев несущественны, так как поле зрения размером 3 см на расстоянии 50 см и время отклика менее 1 с является достаточным. Для небольшого или быстро перемещающегося прерывистого объекта возникает необходимость в небольшом (3 мм в диаметре) или ещё меньшем (0,75 мм) пятне измерений. Дальнее прицеливание (3-300 м) требует оптического регулирования, так как стандартное поле зрения прибора становится слишком большим. В некоторых случаях для этого используется метод двухволновой радиометрии. Оптоволокно позволяет дистанцировать электронику от агрессивных сред, устранить влияние помех и решить проблему доступа.

Лазерный термометр в основном имеет регулируемое в диапазоне 0,2-5,0 с время ответа. Быстрый отклик может повысить уровень шума сигнала, а медленный влияет на чувствительность. При индукционном нагреве необходима мгновенная реакция, а для конвейера – более медленный отклик.

Монохромная ИК-термометрия проста и используется в случаях, когда для создания высококачественной продукции контроль температуры крайне важен.

Двухволновая термометрия

Для более сложных задач, где абсолютная точность измерений имеет решающее значение, и где продукт подвергается физическому или химическому воздействию, применяется двух- и многоволновая радиотермометрия. Концепция появилась в начале 1950 годов, а последние изменения в конструкции и аппаратном обеспечении повысили её производительность и снизили себестоимость.

Читайте также:  Приборы для измерения интенсивности тепловых излучений

Метод заключается в измерении спектральной плотности энергии на двух различных длинах волн. Температура объекта может быть считана непосредственно из прибора, если излучательная способность одинакова для каждой длины волны. Показания будут верными, даже если поле зрения частично перекрыто относительно холодными материалами, такими как пыль, проволочные экраны, и серые полупрозрачные окна. Теория метода проста. Если энергетическая яркость обоих длин волн одинакова (для серого тела), то коэффициент излучения сокращается и отношение становится пропорциональным температуре.

Двухволновой лазерный термометр применяется в промышленности и научных исследованиях как простой, уникальный датчик, способный сократить ошибку измерения.

Кроме того, созданы многоволновые термометры для материалов, не являющимися серыми телами, коэффициент поглощения которых изменяется с длиной волны. В этих случаях необходим подробный анализ поверхностных характеристик материала в отношении взаимосвязи этого коэффициента, длины волны, температуры и химического состава поверхности. При наличии этих данных можно создать алгоритмы расчёта зависимости спектрального излучения на различных длинах волн от температуры.

Правила оценки

Для оценки точности измерений пользователь должен знать следующее:

  • ИК-датчики по своей природе цвета не различают.
  • Если поверхность блестящая, то прибор установит не только испускаемую, но и отражённую энергию.
  • Если объект прозрачен, необходима ИК-фильтрация (например, стекло непрозрачно при 5 мкм).
  • В девяти из десяти случаев абсолютно точное измерение не требуется. Повторное снятие показаний и отсутствие смещения обеспечат необходимую точность. Когда энергетическая яркость изменяется и обработка данных затруднена, следует остановиться на двух- и многоволновой радиометрии.

Элементы конструкции

Термометр лазерный бесконтактный работает по принципу: ИК-энергия на входе в и сигнал на выходе. Базовая цепь устройства состоит из собирающей оптики, линз, спектральных фильтров, и детектора в качестве внешнего интерфейса. Динамическая обработка осуществляется по-разному, но её можно свести к усилению, термической стабилизации, линеаризации и преобразованию сигнала. Обычное оконное стекло используется при коротковолновом излучении, кварц для средних частот, и германий или сульфид цинка для диапазона 8-14 мкм, оптоволокно — при длинах волн 0,5-5,0 мкм.

Поле зрения

Лазерный дистанционный термометр характеризуется полем зрения (ПЗ) — размером пятна контроля температуры на заданном расстоянии. Изменение диаметра поля зрения прямо пропорционально изменению дистанции между термометром и объектом измерения. Его значение зависит от изготовителя и влияет на цену прибора. Существуют модели с ПЗ менее 1 мм для точечных измерений и с оптикой дальнего действия (7 см на удалении 9 м). Рабочее расстояние не влияет на точность показаний, если объект заполняет всё пятно измерения. При этом максимальная потеря сигнала не должна превышать 1%.

Прицеливание

Обычные ИК-термометры производят замеры без дополнительных приспособлений. Это допустимо для работы с объектами большого размера, например, бумажным полотном, где точечная точность не требуется. Для небольших или удалённых объектов используется луч лазера. Создано несколько вариантов лазерного прицеливания.

  1. Луч со смещением от оптической оси. Простейшая модель применяется в устройствах с низким разрешением для больших объектов, т. к. вблизи отклонение слишком большое.
  2. Коаксиальный луч. Не отклоняется от оптической оси. Центр измерительного пятна точно указывается на любом расстоянии.
  3. Двойной лазер. Диаметр пятна маркируется двумя точками, что избавляет от необходимости угадывать или рассчитывать диаметр и не ведёт к ошибкам.
  4. Круговой указатель со смещением. Показывает поле зрения, его размер и внешнюю границу.
  5. 3-точечный коаксиальный указатель. Луч разделяется на три яркие точки, расположенные на одной линии. Средняя точка обозначает центр пятна, а внешние отмечают его диаметр.

Прицеливание оказывает эффективную помощь при направлении термометра точно на объект измерения.

Фильтры

В термометрах используются коротковолновые фильтры для высокотемпературных измерений (> 500 °C) и длинноволновые фильтры для низких температур (-40 °С). Кремниевые детекторы, например, стойки к нагреванию, а небольшая длина волны снижает погрешность измерения. Другие селективные фильтры используются для пластиковой плёнки (3,43 мкм и 7,9 мкм), стекла (5,1 мкм) и пламени (3,8 мкм).

Датчики

Большинство датчиков либо фотоэлектрические, генерирующие напряжение при воздействии ИК-излучения, или фотопроводящие, т. е. изменяющие своё сопротивления под действием энергии источника. Они быстрые, высокочувствительные, обладают приемлемым температурным дрейфом, который может быть преодолён, например, термисторной схемой температурной компенсации, автоматической нуль-схемой, ограничением амплитуды и изотермической защитой.

В цепи ИК-термометра выходной сигнал детектора порядка 100-1000 мкВ подвергается тысячекратному усилению, регулируется, линеаризируется, и, в итоге, представляет собой линейный сигнал тока или напряжения. Его оптимальное значение 4-20 мА, что минимизирует внешние помехи. Этот сигнал может быть подан на порт RS-232 или на ПИД-регулятор, удалённый дисплей или записывающее устройство. Другие варианты использования сигнала:

  • включение/выключение сигнализации;
  • удержание пикового значения;
  • регулируемое время отклика;
  • в схеме выборки и хранения.

Быстродействие

Инфракрасный лазерный термометр в среднем обладает временем отклика порядка 300 мс, хотя при использовании кремниевых детекторов можно достичь значения 10 мс. Во многих инструментах время отклика изменяется для того, чтобы демпфировать входящий шум и регулировать их чувствительность. Не всегда необходимо минимальное время отклика. Например, при индукционном нагреве время должно быть в диапазоне 10-50 мс.

Характеристики лазерных термометров

Etekcity Lasergrip 630 – инфракрасный 2-лазерный термометр, цена $35,99. Характеристики:

  • диапазон температур -50 . +580 °C;
  • точность +/- 2%;
  • отношение расстояния к размеру пятна 16:1;
  • излучательная способность 0,1 – 1,0;
  • время отклика 7 марта, 2016

Источник