Измерение температуры тел по их излучению пирометры излучения

Пирометры. Виды и устройство. Измерения и применение

Пирометры это приборы для определения температуры объекта бесконтактным методом. Особенностью пирометра является его невысокая стоимость. Чтобы измерить температуру объекта, необходимо направить на него прибор, в результате определяется его температура.

Виды

Пирометры классифицируются по определенным признакам, и разделяются на основные виды.

По основному принципу действия:
  • Оптические устройства, действующие в диапазонах спектра видимого света и инфракрасных невидимых лучей.

1 — Объектив
2 — Ослабляющий светофильтр
3 — Лампа
4 — Нить накаливания лампы
5 — Милливольтметр
6 — Реостат
7 — Движок реостата
8 — Монохроматический светофильтр
9 — Окуляр
10 — Кольцевая рукоятка реостата
11 — Рукоятка прибора

Принцип его работы основан на сравнении яркости излучения объекта с яркостью нити, излучение которой заранее известно. Луч света от нагретого объекта по объективу попадает в прибор. Далее по окуляру наблюдатель видит и сравнивает яркость объекта с яркостью нити температурной лампы.

Такое сравнение производят в монохроматическом свете, который создает специальный светофильтр. Нить накаливается от аккумулятора, ее накал регулируют реостатом. Температуру определяют по показанию милливольтметра пирометра, который имеет градуировку в градусах соответственно накалу нити.

  • Радиометры (инфракрасные), применяющие радиационный способ для ограниченного интервала инфракрасных лучей. Оснащаются лазерным указателем для обеспечения точности наведения.

1 — Объектив
2 — Диафрагма
3 — Лампа
4 — Медный кожух
5 — Корпус
6 — Светофильтр
7 — Окуляр
8 — Накал
9 — Милливольтметр
10 — Накал

Принцип их работы заключается в том, что тепловое излучение от нагретого объекта улавливается и фокусируется чувствительным элементом прибора, который соединен с термопарой. Прибор состоит из корпуса с объективом. Чувствительная часть пирометра выполнена в виде крестообразной платиновой пластины, к которой припаяны 4 спая термопар, выполненных в виде термобатареи.

При охлаждении или нагревании чувствительного элемента нагреваются и эти термопары. Термопары и платиновая пластина находятся в стеклянной лампе, закрытой медным кожухом, в котором есть отверстия для тепловых лучей, проходящих на чувствительный элемент. По цоколю лампы отведены концы термопар и подключены к клеммам.

При наведении пирометра необходимо добиться того, чтобы объект оказался в телескопе и закрыл поле зрения. Четкость изображения достигают передвижением окуляра. Для предохранения глаза человека от яркого света пользуются светофильтром. Он передвигается ручкой, находящейся возле клемм.

Оптические устройства также разделяют:
  • Цветовы е , мультиспектральные, действующие путем сравнения энергии яркости предмета с другими областями спектра. Они применяются минимум для двух исследуемых участков.
  • Яркостные пирометры. Их называют устройствами с пропадающей нитью. Работа основана на сравнении излучения поверхности со значением излучения нити, по которой проходит электрический ток. Величина силы тока и является значением исследуемой температуры объекта.
По методу прицеливания пирометры разделяют:
  • С лазерным прицелом.
  • С оптическим наведением.
По виду коэффициента излучения:
  • С постоянным коэффициентом.
  • С переменным коэффициентом.
По методу перемещения:
  • Переносные (мобильные), применяемые на производственных участках, где необходима мобильность измерений. Предназначены для эксплуатации в тяжелых климатических и промышленных условиях. Имеют повышенное оптическое разрешение, что позволяет определять тепловое состояние предметов размером 5 мм. Переносные устройства применяются в различных сферах промышленности для измерения температуры и слежения за сложными технологическими процессами, которые связаны с соблюдением температурного режима.

  • Стационарные пирометры, применяемые в тяжелой промышленности. Служат для постоянного контроля над процессом производства в литейном производстве металлов, а также изготовления пластиковых элементов. Их монтируют в труднодоступных местах, где нет возможности применить датчики температуры с точки зрения безопасности работников.

По рабочей температуре:
  • Высокотемпературные (более +400 градусов). Служат для измерения высоко нагретых предметов.
  • Низкотемпературные (до -30 градусов). Служат для исследования температуры тел при отрицательных величинах.
Устройство и работа

Температуру можно измерять различными устройствами, которые разделяют на контактные модели, и с дистанционным методом измерения. Пирометры относятся к приборам с дистанционным принципом действия.

Пирометр стандартного исполнения выполнен в виде пистолета. На нем имеется маленький жидкокристаллический индикатор, на котором выводится информация измеряемых параметров температуры.

Удобный корпус и панель управления, лазерное наведение и повышенная точность сделали популярным этот инструмент среди инженерно-технических работников. Дисплей прибора может быть цифровым или аналоговым. Для обеспечения необходимой точности измерения, диаметр поверхности излучения допускается не меньше 15 мм

В функции пирометра обычно включены:
  • Визуальный и звуковой сигнал при достижении определенной границы измерения.
  • Определение наибольшего и наименьшего значения среди серии замеров.
  • Встроенная память для сохранения информации.

Инновационные модели пирометров оснащены USB выходом для передачи информации на внешний носитель или компьютер.

Работа пирометра заключается в идентификации тепловых волн, излучающихся от нагреваемой поверхности. Схема прибора изображена ниже.

1 — Измеряемый объект
2 — Тепловое излучение
3 — Оптика
4 — Зеркало
5 — Видоискатель
6 — Ось видоискателя
7 — Измерительно-счетное устройство
8 — Электронный преобразователь
9 — Корпус
10 — Кнопка
11 — Датчик

Тепловое излучение поступает на датчик пирометра через раструб. В датчике энергия тепла преобразуется в сигнал электрического тока. Мощность этого полученного сигнала имеет зависимость от температуры исследуемого объекта. Чем больше температура, тем большая величина тока возникает в датчике.

Далее сигнал поступает на электронный преобразователь, который подает информацию на жидкокристаллический экран. Одной из разновидностей пирометров являются тепловизоры, которые работают по принципу сравнивания спектра излучения тепла с образцовым спектром.

На многоцветном экране появляется проекция картинки от воздействия теплового излучения объектов, попавших в зону действия прибора. С помощью параметров спектра определяют значение температуры и наглядно наблюдают ее динамическое изменение на поверхности материала. Тепловизоры стали популярными для контроля функциональности отопления жилых домов, а также выявления мест утечки теплоносителя, находящегося в скрытой области.

Технические параметры

Функционирование пирометров сопровождается своими определенными параметрами, которые учитываются при выборе модели прибора, основные из таких параметров рассмотрим подробнее.

Оптическое разрешение

Этот параметр определяет площадь исследуемого предмета для измерения температуры, и зависит от угла обзора объектива прибора, чем больше угол обзора, тем больше возможная площадь исследования, с учетом удаленности до объекта.

Основным условием выполнения точного исследования является наведение прибора именно на измеряемую поверхность. Если захват площади будет больше, то температура определится с большой погрешностью. Оптическим разрешением называется величина отношения размера (диаметра) захвата пирометра к удаленности до объекта.

Этот параметр зависит от модели устройства и колеблется в значительных пределах: от 2:1 до 600:1. Показатель с более высоким разрешением относится к профессиональным пирометрам, используемым для измерения температуры поверхностей в промышленном производстве. Для бытовых условий вполне подойдут модели пирометров с оптическим разрешением 10:1.

Рабочий диапазон

Величина диапазона работы зависит от свойств датчика прибора. Чаще всего этот параметр находится в пределах -30 +360 градусов. Для бытовых нужд вполне подойдут любые виды пирометров, так как в системе отопления наибольшая температура теплоносителя не превосходит 110 градусов.

Точность

Эта величина показывает пределы колебаний температуры при измерении, и зависит от правильности настройки прибора. Средняя величина точности пирометров равна 2%.

Коэффициент излучения

Отношение мощности излучения тепла исследуемой поверхности к мощности излучения абсолютно черного тела называют коэффициентом излучения. Черные неблестящие предметы имеют коэффициент излучения, равный 0,95. Поэтому многие приборы дистанционного измерения температуры имеют настройки на эту величину.

Однако, при попытке измерения температуры предмета, выполненного из алюминия, и отполированного до блеска, величина температуры на экране прибора будет иметь большие отличия от действительной температуры.

Для обеспечения необходимой точности исследований температурного режима большинство приборов оснащают лазерной указкой, с помощью которой пятно света находится не в центре, а определяет оптимальную границу измерения.

Правила пользования

После покупки устройства следует тщательно изучить прилагаемую инструкцию. Правила применения прибора несложные. Неправильное пользование пирометром приведет к большой погрешности измерения, или к возникновению неисправностей.

Рекомендуется следовать некоторым правилам при применении этого устройства.
  • Включить прибор.
  • Направить на исследуемую поверхность раструб.
  • Лазерной указкой определить пределы измерений.
  • После приведения прибора в рабочий режим на дисплее появится величина температуры. От конструктивных особенностей прибора зависит, будут ли сохранены данные в память пирометра или они заменятся следующими данными.

Обычный человек легко справится с практическим использованием пирометра. Для фирм, монтирующих и проектирующих автономные отопительные системы, они стали необходимым прибором.

Сфера применения

Широкую популярность пирометры приобрели на производстве с наличием оборудования теплоэнергетики: паропроводы, теплотрассы, бойлеры, различные нагревательные устройства.

Нередко пирометрами пользуются в сфере электроэнергетике для измерения элементов в распределительных щитах, трансформаторах,кабелей и контактных соединений.

В металлургической отрасли такими приборами измеряют температуру прессов, станков, печей. В электронной промышленности его используют для замера уровня нагревания деталей и компонентов схем.

Автолюбители используют их для диагностики двигателя автомобиля. Другими сферами применения этого полезного прибора являются: определение нагрева электродвигателей, узлов транспортных средств, температуры при хранении пищевых продуктов.

При обследовании сооружений и жилых домов состояние функционирования отопления, кондиционирования и вентиляции, контроля холодильного оборудования пирометры являются незаменимыми помощниками.

Источник

Измерение температуры тел по их излучению пирометры излучения

Действие пирометров излучения основано на измерении излучаемой телом энергии, зависящей от его температуры и физико-химических свойств. Чем выше температура нагретого тела, тем больше интенсивность излучения. При нагреве до 500 °С тело излучает невидимые инфракрасные (тепловые) лучи с большой длиной волны. Дальнейшее повышение температуры вызывает появление излучения видимых световых лучей- Вначале раскаленное тело имеет темно-красный цвет, который по мере увеличения температуры переходит в красный, оранжевый, желтый и, наконец, в белый. Наряду с повышением температуры нагретого тела и изменением его цвета быстро возрастает интенсивность (яркость) монохроматического (одноцветного) излучения, а также заметно увеличивается суммарное излучение (радиация). Такие свойства нагретых тел, как яркость и радиация, используются для измерения температуры пирометрами излучения, которые по принципу действия подразделяются на яркостные (оптические), фотоэлектрические и радиационные.

Яркостные пирометры действуют по методу сравнения яркости двух тел: тела, температура которого измеряется, и эталонного тела (нити лампы накаливания с регулируемой яркостью). Принципиальная схема яркостного пирометра с исчезающей нитью приведена на рис. Объектив служит для фокусирования изображения раскаленного тела с плоскостью нити лампы. Перед лампой включен фильтр 2, уменьшающий видимую интенсивность излучения раскаленного тела. Внутри телескопической трубы в фокусе объективной линзы находится пирометрическая лампа 3, питающаяся током от батареи Б.

Рис. Схема яркостного пирометра с исчезающей нитью.

Рис. Нить пирометрической лампы на фоне раскаленного тела.

Для определения силы питающего тока в цепь включен миллиамперметр мА, шкала которого градуируется в градусах МПТШ-68. Через окуляр 4 корректируется изображение нити по глазу наблюдателя. В момент отсчета включается красный светофильтр 5 и реостатом R с помощью поворотного кольца 6 регулируется сила тока до тех пор, пока средняя часть нити не исчезнет на фоне раскаленного тела (рис.), т. е. не наступит равенство яркостных температур нити и тела. Промышленностью выпускаются яркостные пирометры с исчезающей нитью для измерения температур от 880 до нескольких тысяч градусов. Фотоэлектрические пирометры отличаются от оптических тем, что оценка яркости производится не глазом наблюдателя, а с помощью фотоприемников — фотоэлементов и фотоумножителей. Действие фотоэлектрического пирометра основано на свойствах фотоэлемента изменять возникающий в нем фототок пропорционально световому потоку. На рис. показана схема фотоэлектрического яркостного пирометра. Тело 1 (лампа накаливания 1′) излучает световой поток, который концентрируется линзой 2 (2′), а затем через светофильтр 3, служащий для изменения пределов измерения, и красный светофильтр попадает на фотоприемник 6. Очередность освещения создается модулятором 5, вибрирующим с частотой 50 Гц. При разных яркостных температурах излучающего тела и лампы накаливания в цепи фотоэлемента возникает переменная составляющая фототека, совпадающая по фазе с фототоком от тела либо от лампы. Переменная составляющая усиливается электронным усилителем, выходной сигнал которого управляет цепью питания лампы до тех пор, пока освещенности измеряемого тела и лампы не уравняются. Сила тока, питающего лампу, измеряется автоматическим электронным потенциометром П, имеющим самопишущее устройство. Предел измерения температуры 800-4000 °С.

Радиационные пирометры действуют по принципу измерения мощности излучения нагретого тела. Испускаемые нагретым телом лучи воспринимаются теплоприемником, состоящим из нескольких последовательно соединенных термопреобразователей (термобатарея), термометра сопротивления и измерительных приборов (милливольтметров, автоматических потенциометров и уравновешенных мостов). Корпус с оптической системой, теплоприемником и другими устройствами называют телескопом радиационного пирометра.

Оптические системы бывают двух разновидностей: рефракторная — преломляющая (с линзой) и рефлекторная — отражающая (с собирательным зеркалом).

Рис. Схема фотоэлектрического яркостного пирометра.

Рис. Схема радиационного пирометра с термобатареей.

Пирометр с рефлекторной оптической системой (рис.) состоит из объективной линзы 1, собирающей лучи, окуляра 2 для наводки телескопа на нагретое тело, ограничивающей диафрагмы 3, установленной на пути лучей от источника излучения, термоэлектрической батареи 4, расположенной в фокусе объективной линзы, цветного стекла 5 для защиты глаза при установке прибора. Улавливаемые пирометром тепловые лучи концентрируются при помощи линзы 1 на термобатарее 4, состоящей из ряда термопреобразователей. По термо-ЭДС, развиваемой этими термопреобразователями, определяется величина измеряемой температуры. Расстояние между излучающим телом и телескопом принимают 0,8-1,3 м. Предел измерения температуры 20-3000 «С.

Радиационные пирометры могут быть установлены стационарно с применением дистанционной передачи, автоматической записи и регулирования температуры.

Источник

Все о пирометрах

Само по себе измерение температуры производится уже достаточно давно. Но есть места и ситуации, где «обычным» термометром не обойтись — попросту потому, что там всё недоступно для прямого замера. В таких случаях, а также при особой опасности измерений, необходимо пользоваться пирометром.

Устройство

Основной рабочей частью любого пирометра выступает блок, детектирующий инфракрасное излучение. По его спектру и уровню интенсивности можно судить о степени нагрева поверхности объектов ничуть не менее точно, чем при непосредственном контакте с ней. Кроме дистанционного измерителя, предусматривается электронная аппаратура, которая фиксирует результаты промера и показывает их в удобном для восприятия формате. Внешне пирометр похож на лазерные пистолеты, которые показывают в фантастических кинолентах. Данные о температуре выводятся на ЖК-экран, а наводка на нужные поверхности производится с помощью лазерного приспособления.

Оптическая система, при помощи которой измеряют температуру, фокусирует инфракрасные волны.

Также есть собственно термометр (датчик), формирующий электрический сигнал. Предусмотрен специальный блок, который обрабатывает поступающий сигнал. Уже после обработки готовая информация поступает на дисплей. Альтернативное название пирометра — инфракрасный термометр.

Принцип работы

Основными характеристиками пирометрического оборудования оказываются:

разрешение в оптическом диапазоне;

скорость действия (особо важна, если степень нагрева быстро меняется).

Почти все современные устройства способны обработать поступившую информацию и выдать её на экран примерно за 1 секунду или даже меньше. Информация может отображаться в аналоговом либо в цифровом формате.

Обычно современная техника работает с носителями информации, чтобы можно было накапливать и затем глубоко анализировать итоги промеров.

Часто реализуется опция установления наименьшего и наибольшего показателей в серии замеров, а также специальное звуковое или световое уведомление, когда достигается определённый уровень температуры.

Чтобы собранные сведения можно было переместить на ПК, ноутбук, смартфон или на внешний накопитель данных, применяют стандартный USB интерфейс. Но чтобы понять, откуда берутся сами передаваемые данные, нужно разобраться в принципе действия прибора. Любое тело, так или иначе, испускает инфракрасные волны. Чёрные дыры и другие экзотические состояния материи можно вынести за скобки. Когда на материальный объект направлен прибор, это излучение можно зарегистрировать.

Дальность, на которой может производиться замер, определяется величиной измеряемой поверхности и характеристиками воздуха вокруг объекта. Чем он грязнее, тем больше появляется помех, и тем труднее установить реальную температуру. Специфика пирометров позволяет использовать эти приборы:

при определении температуры малодоступных либо вовсе не доступных объектов;

установлении степени нагрева движущихся предметов или движущихся частей неподвижных в целом предметов;

выяснении уровня нагрева находящихся под напряжением, в токсичной среде или иных опасных местах предметов;

оперативном промере быстрых изменений температуры;

работе с предметами, которые мало поглощают тепла или недостаточно быстро его проводят.

Виды и сферы применения

На серьёзных производствах и на энергетических объектах широкое применение находят стационарные пирометры. Они нужны и металлургам, и нефтепереработчикам, и индустрии химического синтеза.

Отмечается, что стационарное оборудование имеет более высокий класс точности, чем портативные аналоги. Существует немало вариантов, рассчитанных на измерение температуры от -30 до +3500 градусов. Разница между конкретными моделями обусловлена не только набором функций, но и быстродействием основных элементов, и величиной погрешности при замере.

Принято делить пирометры на низкотемпературные и высокотемпературные (предназначенные для замера показателей свыше 400 градусов). По понятным причинам кондитерский тип относится к первой группе, а аппараты для металлургии, целлюлозно-бумажных и нефтехимических комбинатов — ко второй. В кулинарных целях пирометры используют, чтобы контролировать степень нагрева:

горячих напитков, каш и иных блюд (отдельных продуктов).

Иногда на промышленных объектах и в других областях используют радиационные пирометры. Такие устройства могут измерять температуры не ниже 400–700 градусов. Поэтому их можно применять исключительно там, где есть высокотемпературные технологические процессы и аппараты. Сюда относятся не только металлургия и электроэнергетика, но и:

выработка стекла и кирпича, керамики;

подготовка печатных изданий;

охранные и пожарные системы;

некоторые инженерные разработки.

Для практических нужд наиболее удобным вариантом часто становится пирометр цифровой с аналоговым выходом. К примеру, PCE IR 10. Следует заметить, что на примере этого устройства можно выделить ещё одну категорию — пирометрическое оборудование, внесённое и не внесённое в государственный реестр РФ. Сам PCE IR 10, увы, в этом списке не числится, что существенно ограничивает его применение в ряде случаев. Что касается термоэлектрических пирометров, то этот вид оборудования основан на эффекте, открытом Т. И. Зеебеком в первой четверти XIX столетия.

Суть в том, что энергия свободных электронов сильно отличается в зависимости от текущей температуры. Когда один из концов проводника прогрет сильнее другого, скорость движения электронов там окажется выше. То, каким образом изготовлен рабочий конец термопары, не влияет на эффективность работы устройства, при условии, что температура во всей поверхности рабочего конца идентична. Слабостью подобного способа измерения является то, что крайне трудно или даже почти невозможно определить реальное сопротивление в проводнике. А оно будет обязательно отличаться от показателей, установленных при градуировке.

Поэтому пирометры с термопарой стараются оснащать высокоомными и имеющими малое электрическое сопротивление компонентами.

Только так можно добиться оптимального результата и хотя бы в какой-то мере компенсировать негативный эффект. Цветовой прибор, иногда именуемый прибором спектрального отношения или (в зарубежных источниках) логометрическим, имеет свои достоинства. Отечественные разработчики однозначно отдают предпочтение соотношению красного и синего цветов. Чтобы измерять яркость монохроматических потоков, применяется единый приёмник сигнала, имеющий общий усиливающий канал.

Объектом измерения у цветового пирометра может быть не только абсолютно чёрное тело, как при использовании других принципов работы. Ещё одним достоинством такой схемы оказывается то, что она почти не подвержена искажениям, вносимым внешними источниками:

изменением расстояний между объектами;

поглотителями волн, оказавшимися между источником и приёмником сигнала.

Суть работы устройства очень проста: оно автоматически замеряет логарифм, описывающий соотношение красных и синих спектральных яркостей. Следующий шаг яркостной прибор делает на основании того установленного физиками факта, что полученный логарифм пропорционально соответствует обратным значениям цветовых температур. Излучение проходит на фотоэлемент или фотосопротивление через оптические компоненты аппарата. В некоторых моделях применяют обтюраторы, вращающиеся благодаря синхронным электродвигателям. Перевод показаний пирометра в градусы по шкале Цельсия осуществляется при помощи градуировочных графиков для каждого поддиапазона.

Но иногда используется немного другой метод — бихроматическая пирометрия. С приёмника излучения снимается 2 сигнала, которые пропорциональны энергетической яркости и длинам волн. Эта методика позволяет отказаться от дополнительных схем и логометров и производить замер фактически напрямую. Цветовые пирометры являются предпочтительным вариантом для мест, где есть стабильное задымление, где собирается много пыли или смотровые стёкла постоянно засоряются. Необходимо понимать при этом, что важный источник погрешностей — нестабильность при работе фотоэлемента — всё равно остаётся, и устранить эту проблему окончательно нельзя.

Отдельного разбора заслуживают профессиональные фотоэлектрические пирометры. Их применяют в высокотемпературных измерениях (когда ориентировочная температура твёрдого тела составляет 600–2000 градусов). Такие устройства являются отличным средством для замера температур в быстро происходящих процессах. Работа происходит следующим образом: фотоэлемент вырабатывает электрический импульс, который пропорционален интенсивности света, попадающего на контакт. Поскольку световой поток пропорционален замеряемой температуре, можно произвести простой расчёт, который показывает необходимую цифру.

Источник

Поделиться с друзьями
Моя стройка
Adblock
detector