Что такое пирометрия?! Методы пирометрии. Классификация пирометров.

Мы все привыкли к измерению температуры различных тел контактным способом – при помощи термометров. Обычный ртутный термометр находится в аптечке каждой семьи, термометры расширения (кондуктометрический термометр), активно применяются в промышленности. Однако, сегодня, мы расскажем о принципиально «новом», доселе многим неизвестном, и ещё пока редком методе бесконтактного измерения температуры различных тел.

Возможно, регулярные читатели наших статей скажут, что мы уже писали про тепловизоры, и даже не один раз. Однако, нам есть, что Вам ответить: тепловизоры – это дорогие профессиональные приборы, с огромным функционалом. Зачастую, иметь тепловизор на вооружении, у небольших фирм и обычных пользователей, попросту, нет финансовой возможности и острой необходимости.

Тогда, для профессионалов, которые каждый день сталкиваются с необходимостью измерения температуры различных тел и сред, идеальным решением станет пирометр.

Пирометр – это прибор, который предназначается для измерения температуры практически любого тела бесконтактным методом на расстоянии (чаще всего до трех метров).

Пирометр Bosch PTD-1

Соответственно, пирометрия – это совокупность, или сумма способов и методов получения информации о температуре нагретых тел на расстоянии.

В основе работы пирометра лежит принцип восприятия электромагнитных лучей (энергии), излучаемых любым материальным телом, причем, интенсивность и спектр излучения этой энергии имеет прямую зависимость от температуры этого материального тела.

Кстати, вы заметили, что в начале статьи, мы поместили слово «новый» (метод) в кавычки?! Всё дело в том, что первый пирометр был изобретен ещё в 1731 году Питером ван Мушенбруком – голландским ученым, который изготовил пирометр для проведения своих опытов по тепловому расширению твердых тел. Это был далеко не тот пирометр, который вы можете найти в нашем каталоге, однако, сам факт построения такого прибора – открытие.

Сам термин «пирометрия» - появился ещё в начале 20 века, однако толчок к развитию, пирометрия получила только в 60-х годах прошлого столетия. Именно в то время были проведены опыты и сделаны открытия, которые и позволили производить портативные пирометры с высокими потребительскими характеристиками в промышленных масштабах. Первый переносной пирометр был разработан в недрах компании Wahl в 1967 году. С тех пор, пирометры совершенствуются, и сегодня, благодаря современным принципам построения параллелей сравнения, когда температура тела измеряется на основе полученных данных с инфракрасного приемника, границы, в которых происходит измерение температур твердых и жидких тел, существенно расширились.

Стационарный оптический пирометр для промышленного применения Raytek

Вообще, основных методов в пирометрии всего два:

- Радиационный метод;

- Оптический метод.

Конечно, с момента их появления, технологии шагнули далеко вперед, поэтому и сами приборы – пирометры усовершенствовались, усложнились, стали более точными, однако, суть методов осталась неизменной. Рассмотрим оба метода более подробно.

1. Радиационный метод пирометрии – основан на зависимости яркости и интенсивности энергетического излучения от температуры материального тела в некотором ограниченном волновом диапазоне – обычно, в инфракрасном. Именно поэтому, приборы использующие такой метод называются инфракрасными пирометрами (или инфракрасными радиометрами или термометрами).

Пирометр инфракрасный TESTO 830-T1

Принцип действия инфракрасного (ИР) пирометра достаточно прост: поскольку существует пропорциональная зависимость между яркостью излучения предмета и его температурой, то измерив яркость и пересчитав её, можно получить достоверное значение температуры. Т.е. основым и главным элементом пирометра, работающего радиационным методом, является специальный датчик, который преобразует яркость тепловой энергии ИР-диапазона в электрический сигнал. Здесь яркость теплового луча фиксируется оптической системой, обрабатывается датчиком. Электрический сигнал с датчика поступает в блок обработки информации, после чего, результат измерения выводится на дисплей.

2. Оптический метод пирометрии – основан на зависимости спектра излучения от температуры минимум в двух диапазонах: диапазоне инфракрасного излучения и диапазоне видимого спектра. Т.е. для данного метода, использован принцип зависимости цвета излучения от температуры объекта.

Например, тела, нагретые до температуры 700-800 °С – обладают темно-оранжевым свечением. Для тел, температура которых составляет около 1000 градусов Цельсия, характерен ярко-оранжевый цвет излучения. Тела, температурой в 2000 °С – испускают ярко-желтое свечение, а температурой 2500 °С – почти белое.

Оптический пирометр с выносным датчиком Raytek

Существуют два основных типа оптических пирометров:

- Яркостный пирометр – прибор, который способен определять температуру тела, при помощи визуального сравнения излучения пердмета с излучением эталонной нити. Т.е. оператор, смотрит в окуляр на измеряемый объект, регулируя при этом величину излучения нити путем пропускания через эту нить электрического тока. Нить в окуляре должна быть совмещена с изображением объекта. Необходимо подобрать такое значение электрического тока, при котором цвет излучения нити совпадёт с цветом объекта и как-бы «растворится» в нём. По такому значению тока и определяют температуру нагретого тела. Яркостные пирометры, зачастую называют пирометрами с исчезающей нитью.

- Цветовой пирометр (по другому - пирометр спектрального отношения или мультиспектральный пирометр) – прибор, который сравнивает энергетические яркости объекта в разных областях спектра. Т.е. в пирометре этого типа используется несколько датчиков (минимум два), которые и измеряют яркость свечения объекта в двух и более частях спектра, после чего, оценивается их соотношение. Мультиспектральные пирометры обладают максимальной точностью в определении температуры объекта, именно поэтому, на сегодняшний день, профессионалы выбирают именно эти оптические пирометры.

Отечественный пирометр спектрального отношения ДПР-1 «СОВА»

В начале 20 века, яркостные пирометры были распространены повсеместно, однако, начиная с середины 60-х годов, ситуация начала меняться. Были выпущены компактные, точные и удобные инфракрасные радиационные пирометры, которые постепенно вытеснили яркостные пирометры с рынка. Сегодня, практически все портативные пирометры – это приборы, работающие по радиационному методу. Это связано в первую очередь с тем, что они стоят дешевле оптических, проще и удобнее в применении, и могут обеспечить достаточно высокую точность измерения. Однако, оптические пирометры, и в частности пирометры спектрально отношения, обладают своими достоинствами.

Рассмотрим достоинства и недостатки приборов различного типа более подробно.

1) Достоинства и недостатки инфракрасных пирометров.

- Достоинства:

Основным достоинством радиационного инфракрасного пирометра является сравнительно простая конструкция, вследствие чего, такой пирометр имеет невысокую стоимость, но высокую надежность и малые размеры. Благодаря использованию только одного приёмника, преобразователя и усилителя (в отличие от оптического пирометра, у которого таких комплектов минимум два), радиационный пирометр ломается реже и стоит дешевле.

Пирометр инфракрасный Condtrol IR-T1

Другим преимуществом инфракрасного пирометра является хорошая разрешающая способность (выше, чем у любого оптического пирометра идентичной ценовой категории). Радиационные пирометры прекрасно измеряют температуру тел, нагретых до 300-400°С и выше. К тому же, приспособлены для работы в необычных условиях и узких спектральных диапазонах, например, при проведении измерения через открытый огонь.

Эксклюзивным преимуществом радиационного пирометра является способность измерения низких температур – до -50°С (пирометры другого типа не способны на это).

Именно эти преимущества и обусловили широкое распространение пирометров этого типа.

- Недостатки:

Существенным недостатком инфракрасных пирометров является зависимость конечного результата измерения от излучательной способности предмета измерения. Что это означает? Возьмем две металлические емкости – одну абсолютно новую (светлую и блестящую), а вторую – сильно окисленную (матовую и темную). Нальем в обе емкости воду и доведем до температуры кипения (100°С), после чего, проведем измерение инфракрасным пирометром. Значение температуры по пирометру, для окисленной емкости будет соответствовать действительности – примерно 95°С, а для новой – нет (будет ниже 50°С). Это можно объяснить тем, что, из-за не одинаковой излучательной способности, при прочих равных условиях и идентичной температуре, разные объекты будут излучать разное количество световой энергии.

На величину излучательной способности, также, оказывает влияние физическое состояние объекта (газ, жидкость или твердое тело), фактура его поверхности (матовая или гладкая), наличие защитных покрытий или пленок, ржавчины, накипи и других естественных образований. Считается, что излучательная способность абсолютно черного объекта равняется единице (1), а зеркала – нулю (0). На практике же коэффициент излучающей способности колеблется от 0,02 до 0,99.

Погрешность, вызванную излучательной способностью, можно компенсирвоать благодаря специальным регуляторам, которые ставятся на современные приборы. Такой регулятор позволяет подстроить пирометр под свойства конкретного исследуемого тела. Регулятор помогает скорректирвоать результаты измерений и добиться высочайшей точности при измерении температуры практически любого объекта.

Регулятор позволяет добавить коэффициент для увеличения точности измерений. Таблица коэффициентов излучения для различных материалов в алфавитном порядке представлена ниже.

Материал поверхности	Коэффициент излучения	Материал поверхности	Коэффициент излучения
	- ε -		- ε -
Алюминиевая Фольга	0,04	Молибден полированный	0.05 - 0.18
Алюминиевый лист	0,09	Мрамор белый	0,95
Алюминий грубой обработки	0,07	Мягкая сталь	0.20 - 0.32
Алюминий полированный	0.039 - 0.057	Никель, окисленный	0.59 - 0.86
Алюминий сильно окисленный	0.2 - 0.31	Никель, полированный	0,072
Асфальт	0,93	Окись Магния	0.20 - 0.55
Базальт	0,72	Олово неокисленное	0,04
Бериллий	0,18	Опилки	0,75
Бетон	0,85	Песок	0,76
Бетонные плитки	0,63	Пластмассы	0,91
Бумага офисная	0,55	Платина, полируемая пластина	0.054 - 0.104
Висмут	0,34	Поверхность, обработанная прессованием углеродом	0,98
Вода	0.95 - 0.963	Полируемая Медь	0.023 - 0.052
Вольфрам полированный	0,04	Полость черного тела	1
Вольфрамовая нить	0.032 - 0.35	Провод нихромовый	0.65 - 0.79
Гипс	0,85	Ртуть жидкая	0,1
Гипс	0,98	Свинец окисленный	0,43
Глинозем, обработка пламенем	0,8	Свинец чистый неокисленный	0.057 - 0.075
Гранит	0,45	Серебро полированное	0.02 - 0.03
Дуб	0,91	Слой металла, нанесенный на медь гальваническим способом	0,03
Железо полированное	0.14 - 0.38	Сталь нержавеющая	0,85
Железо, грубый слиток	0.87 - 0.95	Сталь нержавеющая полированная	0,075
Железо, пластина покрытая красной ржавчиной	0,61	Сталь нержавеющая 301	0.54 - 0.63
Железо, темно-серая поверхность	0,31	Стекло	0,92
Инконель окисленный	0,71	Стекло, пирекс	0.85 - 0.95
Кадмий	0,02	Сурьма полированная	0.28 - 0.31
Каучук, мягкий	0,86	Титан полированный	0,19
Каучук, твердая глянцевая пластина	0,94	Углерод, не окисленный	0,81
Кирпич, огнеупорная глина	0,75	Углеродистая нить	0,77
Красный кирпич	0,9	Фарфор глазурованный	0,92
Кремниевый Карбид	0.83 - 0.96	Хлопковая ткань	0,77
Ламповая сажа	0,96	Хром полированный	0.08 - 0.36
Латунь окисленная при 600oC	0,6	Черная краска силиконовая	0,93
Латунь полированная	0,03	Черная краска эмаль	0,8
Лед	0,97	Черная краска эпоксидная	0,89
Магний полированный	0.07 - 0.13	Черная оптическая диафрагма	0,95
Медная необработанная пластина	0,22	Чистое золото высокой полировки	0.018 - 0.035
Медно-никелевый сплав полированный	0,059	Чугун после плавки	0,44
Медь нагретая и покрытая толстым окисным слоем	0,78	Чугун, после плавки и тепловой обработки	0.60 - 0.70

Но это всё для стандартных материалов. А что же делать, когда необходимо измерить температуру материалов, не приведенных в таблице? Например, если степень окисления старой металлической емкости может различаться, то и коэффициент может быть различным. В таких случаях, необходимо пользоваться специальными таблицами или методиками определения излучательной способности, которые должны идти в комплекте с прибором.

Вторым недостатком инфракрасных пирометров (да-да, мы всё ещё говорим про недостатки) является точность, которая напрямую зависит от расстояния от прибора до объекта измерения. Именно поэтому, специалисты советуют для измерения температуры раскаленных или труднодоступных объектов выбирать пирометры обладающие высоким оптическим разрешением. Ведь, именно благодаря этому параметру, определяется расстояние до объекта, на котором оператор может находиться, не искажая точность измерений.

2) Достоинства и недостатки оптических мультиспектральных пирометров:

Пирометры спектрального отношения, как мы уже говорили, измеряют температуру объекта, путем вычисления значения отношения сигналов с двух и более приемников, работающих в разном диапазоне волн. В теории, такой метод должен был исключить основные проблемы, которые присущи инфракрасным пирометрам. Ведь зависимость качества сигнала от расстояния для обоих датчиков абсолютно одинакова, и поэтому не сказывается на их отношении. Таким образом, точность прибора не зависит ни от расстояния до объекта, ни от его излучательной способности. Но это в теории, а на практике, дело обстоит совсем не так. На практике, по опыту проведенных измерений выяснилось, что даже при оптическом методе определения температуры, излучательная способность, хотя и косвенно, но оказывает влияние на результаты измерений, тем самым приводя к существенным погрешностям (до 10%). Если сложить сюда и другие недостатки оптических пирометров: низкая надежность, высокая стоимость и др., то становится понятно, почему инфракрасные радиационные приборы пользуются большим спросом.

Однако, благодаря современным цифровым технологиям, появились приборы, обладающие особыми алгоритмами расчета корректирующего сигнала для оптических пирометров. В таких «улучшенных» пирометрах погрешность составляет всего 1% для температур от 600 до 2400°С, что очень хорошо. Стоимость же таких приборов в разы больше чем обычных приборов без коррекции.

Пирометр цифровой мультиспектральный Raytek Raynger-3i

Таким образом, современный оптический пирометр: наиболее точный, но, в то же время, более дорогой и менее удобный.

Помимо классификации по принципу действия, пирометры можно разделить по следующим признакам:

1. В зависимости от температурного диапазона:

- Высокотемпературные – для сильно нагретых объектов.

- Низкотемпературные – для объектов даже с минусовой температурой

2. В зависимости от исполнения

- Переносные – в основном это радиационные пирометры,

- Стационарные – используются в промышленности для непрерывного контроля производственного процесса.

3. По способу визуализации результатов измерения

- Текстово-цифровые – температура показывается в градусах.

- Графические – на картинке выделяются различными цветами области высоких, средних и низких температур. Объект представлен в спектральном разложении. Приборы такого типа называют тепловизорами.

В качестве заключения, необходимо упомянуть о том, что пирометр – это высокоточный измерительный прибор, который предназначен для бесконтактного измерения температуры. И хотя пирометры не лишены недостатков, но они помогают специалистам в их ежедневной работе. Наибольшее распространение инфракрасные пирометры получили неслучайно. Они используются в промышленности и в быту, они доступны по деньгам, надежны, просты в эксплуатации и способны обеспечить более чем приемлемую точность при замерах температуры.