Выбор датчика температуры
Измерение температуры поверхности
Точно измерить температуру поверхности контактным термометром НЕ ВОЗМОЖНО. Почему? Ответ кроется в самом принципе контактного измерения температуры объекта. Фактически контактный термометр показывает температуру своего чувствительного элемента, будь то термометр сопротивления, термопара или другой датчик. Точность измерения тем выше, чем лучше тепловое равновесие этого чувствительного элемента с измеряемой средой. При достаточном погружении датчика в среду и отсутствии искажений температурного поля из-за теплоотвода по корпусу термометра в окружающее пространство, измерения температуры могут быть очень точными. Это, например, мы видим при измерении температуры в ампулах реперных точек МТШ-90 или при измерении в глубоких жидкостных термостатах.
Как только глубина погружения термометра в измеряемую среду уменьшается, тепловой поток по корпусу термометра в окружающую среду начинает влиять на показания, погрешность измерения возрастает. Граничный случай – выход чувствительного элемента на уровень поверхности объекта и попытка отсчитать показания так называемой «температуры поверхности». Понятно, что в условиях размещения датчика на поверхности мы уже имеем очень серьезное искажение температурного поля объекта самим измерительным датчиком. Датчик как бы отбирает часть тепла от поверхности, выводя его в окружающую среду. Тем самым показания становятся ложными, не отражающими ту «температуру поверхности», какой она бы была без вмешательства датчика.
Еще один очень важный момент, на который следует обратить внимание при попытке измерения температуры поверхности – температура на поверхности предмета, это характеристика не одного, а фактически двух объектов: самого тела, на который мы крепим датчик, и окружающей среды (для простоты изложения, предположим, что это воздух). Тепловой поток, исходящий от поверхности тела, зависит от перепада температуры между телом и воздухом и от движения воздуха под влиянием естественной и иногда вынужденной конвекции. Очевидно, что чем меньше перепад температуры и чем слабее движение воздуха, тем точнее можно измерить температуру поверхности.
Из изложенных выше соображений следует вывод, что датчик для измерения температуры поверхности должен быть миниатюрным (например, тонкая термопара, термистор или пленочный термометр на тонких выводящих проводах). В то же время он должен иметь очень прочный контакт с объектом, но на небольшом участке поверхности, чтобы не исказить условия теплообмена. Однако даже в этом случае, не следует ожидать от измерений температуры поверхности точности лучше, чем несколько градусов. Нужна ли высокая точность, скажем 0,1 °С, при измерении температуры поверхности? В принципе, этот вопрос важно рассматривать для любых бытовых и промышленных измерений температуры. Как правило, оказывается, что требования к точности термометров завышены. Погрешность в несколько градусов вполне приемлема, когда надо оценить температуру поверхности электроплиты, батарей отопления, железнодорожных рельсов, подшипников. Датчиков, измеряющих температуру поверхности с такой точностью довольно много. Они представляют собой чувствительный элемент, тонкую термопару или ТСП, вмонтированную в миниатюрный плоский корпус, иногда снабженный пружиной, поджимающий термометр к поверхности или магнитом.
Пример термометра для измерения температуры поверхности – TESTO 905-T2
Существуют и более точные датчики для измерения температуры поверхности. Однако, они более сложные и дорогие. Например, фирма ISOTECH выпускает измерительную систему под названием «944 True Surface Temperature Measurement System».
Принцип работы системы заключается в компенсации потока тепла, отводимого термометром в окружающую среду. Для этого на термометр монтируется нагреватель, мощность которого регулируется с помощью датчиков (термопар), измеряющих перепад температуры на длине термометра.
Таким образом, по мнению изобретателей, удается полностью ликвидировать температурный градиент, возникающий на границе датчик-поверхность и измерить «реальную» температуру поверхности.
Одной из самых сложных проблем контактного измерения температуры поверхности является обеспечение метрологической прослеживаемости результата измерений от эталона единицы температуры, т.е. поверка датчиков температуры поверхности.
Один из подходов к решению проблемы поверки поверхностных термометров – поверять поверхностные датчики методом погружения в термостат и сличения с эталонным термометром. Однако, как показывают эксперименты, данный метод является очень грубым и иногда приводит к ошибкам в несколько десятков градусов.
Многие фирмы предлагают специальные калибраторы для поверки поверхностных термометров. Самая распространенная конструкция – подогреваемая плита, под поверхностью которой в каналах располагаются эталонные датчики температуры. В данном методе предполагается, что температура на поверхности плиты очень близка к температуре под ее поверхностью.
Калибратор поверхностных термометров фирмы ИзТех
Такой метод не может дать высокую точность поверки. Обычно погрешность метода оценивают по погрешности встроенного термометра, который калибруется предварительно по эталону методом погружения. Однако даже если дисплей калибратора точно воспроизводит температуру встроенного термометра, нельзя утверждать, что эта температура равна температуре на поверхности плиты. Как уже отмечалось ранее, большое значение имеет тепловой поток от поверхности из-за конвекции и излучения. Кроме того, большое влияние на результат поверки в таком поверхностном калибраторе оказывает качество поверхности плиты и датчика и плотность контакта с поверхностью.
Для того, чтобы учесть влияние теплового потока, были предложены расчетные и практические методы. Один из таких методов изложен в работе «The Calibration of Contact Surface Sensors: A Manufacturers Investigation. Electronic Development Laboratories Inc., 2003 NCSL International workshop and Symposium». Авторами предложен калибратор, называемый Surface Transfer Standard (STS), который представляет собой металлический блок, помещаемый в водяной перемешиваемый термостат.
Блок погружается таким образом, чтобы он выступал из жидкости на 11,5 мм. Верхняя крышка термостата находится на 10 см. выше уровня жидкости. Четыре тонких термопары встроены в блок на разных уровнях, так, чтобы отслеживать изменение температуры по длине блока. Температуру на поверхности получают методом экстраполяции показаний термопар.
Методом, при котором датчик не влияет на температуру поверхности, является метод бесконтактного измерения температуры с помощью пирометров и тепловизионных приборов. Однако при измерении температуры поверхности с помощью пирометров необходимо учитывать коэффициент излучения поверхности и влияние излучения от окружающих предметов, что вносит значительную неопределенность в результат измерения. (Более подробно о бесконтактных термометрах см. раздел «Радиационные термометры»).
Одним из интересных методов, позволяющих уточнить результат контактного измерения температуры поверхности является совместное использование контактного и неконтактного термометров. Метод заключается в том, что во время измерения температуры поверхности на термопару наводится тепловизор, показывающий перепад температуры вдоль корпуса термопары, по которому можно оценить погрешность контактного измерения.
Новый подход к измерению температуры поверхности и калибровке промышленных поверхностных термометров сейчас исследуется в рамках европейского проекта EMPRESS (http://www.strath.ac.uk/research/advancedformingresearchcentre/ourwork/projects/empressproject/)
Для точного измерения температуры поверхности используется новый тип преобразования – флуоресцентная термометрия. На последней конференции ТЕМПМЕКО 2016 был доложены последние результаты в этой области. Статья готовится к печати в журнале “International Journal of Thermophysics”. Суть метода заключается в том, что на поверхность калибратора наносится слой фосфора, который облучается потоком света от лазера или LED лампы. Приборы измеряют временное изменение интенсивности инициированного излучения поверхности, которое зависит от температуры поверхности. Таким образом, устраняется главная проблема контактного измерения температуры поверхности – тепловой поток по термометру и бесконтактного измерения – неизвестная излучающая способность поверхности.
На рисунке показан прототип поверхностного калибратора, который сейчас исследуется в INRiM. Тонкий слой температурно чувствительного фосфора нанесен на поверхность плиты. Фосфор облучается лазерным диодом. Вторичный оптический сигнал, проходящий по оптоволокну, преобразуется в электрический, слежение за которым позволяет наблюдать за изменением интенсивности флуоресценции во времени. Чувствительность такого метода сейчас достигает 0,05 °С до температуры 350 °С, воспроизводимость и однородность порядка 0,1 °С. Ожидаемая суммарная неопределенность метода оценивается 1 °С. Исследования продолжаются. Аналогичный метод, но с использованием облучения с помощью LED лампы, разрабатывается в NPL.
Источник
Как правильно измерить температуру пирометром — ошибки и правила.
Пирометр — это наиболее доступный и безопасный прибор для бесконтактного измерения температуры.
Причем он широко используется как в электричестве, так и в системах теплоснабжения.
Однако область его применения только этими отраслями не ограничивается. С его помощью замеряют температуру движущихся частей механизмов. Например, чтобы выяснить греется подшипник на двигателе или нет.
Выявляют перепады температур на смежных поверхностях – цилиндры компрессора в холодильных установках, или отдельные детали внутри автомобиля.
Допустим у вас греется двигатель по неизвестной причине и вам нужно выяснить почему. Для этого пирометром сначала замеряете температуру на выходном патрубке термостата и сравниваете ее с температурой радиатора.
Если разница очень большая, тогда скорее всего виноват термостат.
Еще один из вариантов применения – измерение температуры раскаленного металла для его правильной обработки.
Если это делать классическими термометрами, то вы потеряете драгоценное время на нагрев самой термопары. А беспроводным термокрасным пирометром, все это занимает буквально мгновение.
Вот сводная графическая миниатюра и расшифровка возможностей и областей применения пирометров:
Прибор этот безусловно хороший, но давайте подробнее рассмотрим вопрос, как же им правильно пользоваться. Ведь простое наведение лазерного луча и считывание показаний на электронном табло, не всегда гарантирует и дает корректные результаты.
При замерах существует множество погрешностей, о которых большинство пользователей даже не догадывается. Измерение температур при помощи оптического прибора, отличается от измерения температуры приборами контактными.
Вот основные ошибки, которые допускают новички:
- не учитывается материал, из которого сделан предмет измерения
- замеры производятся через стекло или в пыльном, влажном помещении
- температура самого пирометра значительно отличается от температуры окружающей среды
- измерения происходят слишком далеко от объекта, без учета конуса расширения луча
- экономные «специалисты» пытаются работать прибором наподобие тепловизора на больших площадях, не учитывая при этом частоту обновления показаний девайса
Рассмотрим все эти моменты более подробно.
Когда вы измеряете градусы контактным термометром, вы по факту делаете замер только температуры тела. А вот если вы попытаетесь тоже самое проделать на некотором расстоянии, то вы попутно измерите все те волны и лучи, которые не зависимо от вашего желания так или иначе попадают в объектив пирометра.
А попадает туда не только то излучение, которое испускает тело.
И если при этом не знать как правильно настраивать пирометр, то прибор будет показывать полную белиберду.
Что это за помехи, которые влияют на точность измерения? При работе с инструментом в его объектив попадает 3 составляющих:
- лучи, которые тело пропускает через себя
- лучи, которые оно испускает (это его собственная температура)
- отраженные лучи от окружающих предметов
Пропускаемые лучи в расчетах обычно не учитываются, потому то большинство тел попросту непрозрачны для них. Поэтому в расчет берутся только две величины:
- коэффициент излучения или коэффициент эмиссии
Причем вас в большей степени должен интересовать именно коэфф. излучения, так как это и есть та самая температура, которую имеет тело.
В этом плане стоит заметить, что пирометр не может измерять температуру предмета, который находится за стеклом, в дыму или тумане.
Стекло для оптики прибора – это не прозрачный элемент, а отдельный объект, выделяющий свое собственное излучение. Поэтому его нужно убирать из области замера.
Большинство тел и поверхностей нас окружающих, имеют коэффициент излучения равный 0,95. Именно такие заводские настройки изначально выставляются на приборах.
Причем на дешевых моделях, они жестко встроены в программную составляющую раз и навсегда, и изменить вы их не сможете. На более дорогих аппаратах, данный коэфф. можно регулировать вручную.
Для чего это необходимо делать? У разных по составу и свойствам тел, коэфф. излучения отличается. И чем он выше, тем точнее будут результаты измерения температуры пирометром.
Например, если он составляет величину К=0,95, то у вас на отражение остается всего 5%. Ошибка, которую будут вносить эти самые 5%, будет крайне мала и ей можно пренебречь.
Но дело в том, что на практике как в электричестве, так и в отоплении, нас мало интересуют предметы с высоким коэффициентом излучения. К таковым относятся стены, пол, поверхность стола, предметы мебели и т.д.
Пирометром мы в первую очередь измеряем медные или алюминиевые контакты, радиаторы батарей отопления, трубы, хромированные полотенцесушители и т.п.
Все они имеют яркую блестящую поверхность, которая как раз-таки и вносит существенную ошибку в данные замеров. При этом есть определенный нюанс.
К примеру, если у вас предмет имеет температуру окружающей среды, то излучает и отражает он приблизительно одну и ту же температуру. Но если его при этом нагреть, то сразу же появится погрешность, существенно искажающая реальные данные.
Чтобы удостоверится во всем вышесказанном, можете сами провести простейший эксперимент. Возьмите блестящую кастрюлю и какую-нибудь книжку.
Далее проведите замеры на них одним и тем же пирометром. Чтобы повысить точность эксперимента, старайтесь делать замеры в одной точке.
Результаты у вас точно не будут одинаковыми, правда сильной разницы вы не увидите. Если перепроверить это дело контактным термометром, то отклонения будут составлять всего 2-3 градуса.
Но это все будет справедливо только при комнатной температуре предметов. А что будет, если в кастрюлю залить горячую воду?
Измерения в этом случае тут же пойдут в разнос.
Это говорит о том, что температура нагретых гладких блестящих поверхностей, просто так пирометром не измеряется.
Поэтому, когда в видеороликах показывают, насколько элементарно бесконтактным измерителем определить температуру батарей или контактов, не сильно доверяйте данной рекламе.
В большинстве случаев, нельзя просто так направить луч, нажать курок и тут же получить правильный результат измерения на табло. На блестящих нагретых предметах все пирометры начинают сильно врать.
И зависит эта погрешность напрямую от коэффициента излучения. Вот подробная таблица коэффициентов излучения различных материалов. Этими данными необходимо пользоваться каждый раз при замерах пирометрами.
Чтобы повысить точность измерений, стоит покупать более дорогие модели с возможностью выставления этих коэфф. внутри программных настроек.
Замерить температуру материалов, которых нет в таблице, можно двумя способами. Использовать “мишень” с известным коэфф., накладывая ее на измеряемый объект.
Или сначала определить контактным термометром температуру поверхности, и затем меняя значения в приборе, добиться примерного совпадения.
Процесс правильного замера пирометром будет выглядеть следующим образом.
Определяете материал из которого сделан предмет (сталь, медь, алюминий). Далее в таблице ищите его коэффициент излучения и заносите эту поправку в сам прибор.
И только после этого направляете луч инфракрасного пирометра на объект.
При таком измерении вы действительно получите близкие результаты к фактической температуре. Ну а те девайсы, в которых заводом жестко установлен коэфф.=0.95, попросту будут врать при каждом замере.
Под каким бы углом вы не направляли луч, как близко бы не подносили прибор к поверхности, искажения в любом случае будут. И здесь речь уже идет не об одном или двух градусах.
Погрешность может составлять десятки единиц!
Кстати, отдельно стоит сказать о расстоянии. По сути, луч пирометра измеряет температуру некой точки или круга.
При этом не путайте точку лазерного целеуказателя и пятно замера. Это разные вещи. Они отличаются размерами на несколько порядков.
Если вы находитесь на большом расстоянии от объекта, то и это пятно или круг увеличиваются по площади. Соответственно для более точных измерений, прибор следует подносить как можно ближе.
Например, у большинства моделей, конус который они видят, имеет соотношение 12 к 1.То есть на расстоянии в 1.2 метра, вы можете без погрешности измерить температуру тела диаметром 10см, не более.
Хоть это и считается нормальным параметром, но лучше подносить прибор поближе. Так как при замере у вас может дрогнуть рука, либо прицел собьется, и в итоге вместе с требуемой поверхностью, вы измерите и соседнюю, которая внесет свой вклад в общие показания.
Так как указано на фото ниже, измерять температуру модульных автоматов не желательно. Вы невольно вместо одной фазы, захватите и соседнюю, что внесет ошибку в данные. Расстояние между ними слишком маленькое.
То же самое относится и к замерам клеммных колодок и зажимов. Подносить пирометр к ним нужно максимально близко. 
Еще не забывайте про температуру окружающей среды. Многие пользователи жалуются, что отдельные модели пирометров, начинают безбожно врать при температурах ниже комнатной.
То есть, они берут прибор, выходят в котельную, подвал или гараж и там пробуют им “пострелять” температуру. В итоге получают совершенно странные результаты.
Дело здесь в том, что любой электроникой, тем более измерительной, нельзя пользоваться пока температура прибора не выровняется с температурой окружающей его среды.
Вынесли пирометр на улицу или в гараж, выдержите его минут 10-20, и только после этого приступайте к измерениям.
Речь конечно не идет о том, что прибор нужно замораживать до минусовых температур. Здесь он врать, скорее всего будет безбожно, так как не рассчитан на работу в таких условиях. В остальных случаях, благодаря такой “выдержке”, погрешность уменьшается.
Еще один важный параметр пирометра помимо точности – частота обновления показаний. Особо важно иметь высокую частоту при сканировании и сравнении температур на больших поверхностях.
Прибор в этом случае, как бы имитирует работу тепловизора и ищет максимумы и минимумы.
Очень хорошими показателями считаются результаты от 250мс и меньше. Обладают подобными параметрами только известные бренды. Например, тот же Fluk.
Какой вывод из всего вышесказанного можно сделать? Безусловно, пирометр штука полезная, но применять его нужно там, где действительно требуется именно бесконтактное измерение температуры.
Например, электрические контакты находящиеся под напряжением. Здесь он действительно помогает безопасно выявить плохое соединение еще до того, как ситуация станет критичной.
Не всем электрикам в этом деле доступны тепловизоры. 
А вот для людей профессионально занимающихся системами отопления, подобные девайсы оказываются не нужными, и в некоторой степени даже вредными. Замерять температуру отопления пирометрами очень сложно.
Даже на крашенной белой глянцевой поверхности радиатора, достаточно три раза щелкнуть пирометром по одному месту, и у вас получится три разных значения температуры. Не говоря уже про хромированные трубы.
Если у вас блестящие медные трубы на выходе из котла, то замеры могут показать разбежку в 20 и более градусов, по сравнению с датчиком котла. Вот и думайте после этого, что же в системе неисправно.
На практике появляется слишком много факторов, искажающих реальное состояние дел. Чтобы добиться приемлемых результатов измерений на трубах и батареях, придется брать некую пленку или малярный скотч с постоянным коэффициентом отражения, наклеивать эту штуку на поверхность, и только после этого проводить измерения.
Спрашивается, зачем создавать себе такие сложности, если есть более эффективные контактные термометры. Время замера у которых всего несколько секунд и гарантированно точный результат до десятых долей градуса появляется у вас на экране.
Что касается теплых полов, здесь не все однозначно. 
Например, температуру стяжки пирометром еще можно измерить довольно точно. А вот если она будет закрыта плиткой, то погрешность моментально возрастает.
Производители безусловно знают об этих проблемах и постоянно совершенствуют приборы. Поэтому если уж и собрались покупать пирометр, выбирайте качественную модель.
Хорошие варианты можно подобрать и заказать вот здесь.
Есть относительно недорогие модели, снабженные выносным датчиком термопары.
С его помощью можно составлять и вносить собственные таблицы поправочных коэффициентов любых материалов. Один раз делаете замер нужной поверхности датчиком, сравниваете результат и вносите корректировку.
После этого можно спокойно стрелять лучом пирометра и не бояться ошибок. У китайцев такую модель можно заказать отсюда.
Если вам интересна эта тема и хочется заниматься измерениями пирометром более профессионально, а не только на бытовом уровне, скачайте и ознакомьтесь с двумя полезными брошюрами по данной тематике:
Источник