Бесконтактные методы измерения температур

 

В течение ряда лет ведется поиск и усовершенствование средств, позволяющих определить температуру компонентов тех­нологических систем дистанционно, без непосредственного сопри­косновения датчика с поверхностью, температура которой кон­тролируется. Успехи техники регистрации инфракрасного излу­чения создали условия, благодаря которым бесконтактные способы измерения находят все более широкое применение в практике технологических экспериментов.

Из бесконтактных методов, применя­емых в технологической практике, выде­лим большую группу исследований, вы­полняемых с помощью фотоэлектрических устройств.

Схема одного из таких ус­тройств показана на рисунке 2.3. Устройство предназначено для измере­ния температуры контактной площадки между инструментом и заготовкой при выглаживании поверхностей. Кристалл 2, прозрачный для инфракрасных лучей, укрепленный в державке 3, приводится в соприкосновение с заготовкой 1. Микроскоп 4 для измерения плотности потока инфракрасного излучения имеет объектив 5, окуляр 10 с сеткой 11, подвиж­ное прозрачное зеркало 6 и фоторези­стор 7. Микроскоп фокусируют на пятно контакта между инструментом 2 и заго­товкой 1, в связи с чем тепловой поток фокусируется на приемник излучения 7. Сигнал последнего передается через уси­литель 8 на регистрирующий прибор 9, отградуированный по температурам. Площадь участка, с которого прибор может принять сигнал, не более 0,04x0,07 мм². Это дает возможность не только определить наибольшую температуру на контактной пло­щадке между инструментом и материалом заготовки, но и судить о законе распределения температур на этой площадке.

 

Рисунок 2.3. Схема устрой­ства для измерения тем­пературы при выглажи­вании поверхностей за­готовок

 

Аналогично устроены приборы для измерения температуры ра­диационным методом в том случае, если требуется определить температуру тел, непрозрачных для инфракрасного излучения. В этом случае оптическая система прибора фокусируется непосред­ственно на поверхность, температура которой измеряется. Если деталь вращается, то прибор выдает сведения о средней темпера­туре участка, на который сфокусирован его луч.

В акустическом методе измерения температуры от генератора акустических колебаний импульс звука определенной длины волны λ₁, направляют на объект, температуру которого измеряют. Исследования покалывают, что отраженный импульс имеет длину волны λ₂, зависящую от темпе­ратуры поверхности, от которой он отразился. Направляя отра­женную волну через фильтр в анализатор, определяют разность Δ= λ₁- λ₂, и по ней судят о температуре поверхности твердого тела.

В последние годы созданы бесконтактные приборы, так назы­ваемые тепловизоры и пирометры, позволяющие измерять температуру и наблюдать температурное поле на поверхности твердого тела. Прибор позволяет путем калибровки по телам с заранее известной температурой оценить температуры, которым соответствует тот или иной цвет наблюдае­мого поля на экране.

Пирометр — прибор для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света.

Пирометры применяют для дистанционного определения температуры объектов в промышленности, быту, сфере ЖКХ, на предприятиях, где большое значение приобретает контроль температур на различных технологических этапах производства (сталелитейная промышленность, нефтеперерабатывающая отрасль). Пирометры могут выступать в роли средства безопасного дистанционного измерения температур раскаленных объектов, что делает их незаменимыми для обеспечения должного контроля в случаях, когда физическое взаимодействие с контролируемым объектом невозможно из-за высоких температур. Их можно применять в качестве теплолокаторов (усовершенствованные модели), для определения областей критических температур в различных производственных сферах.

 

Классификация пирометров

Пирометры можно разделить по нескольким основным признакам:

· Оптические. Позволяют визуально определять, как правило, без использования специальных устройств, температуру нагретого тела, путем сравнения его цвета с цветом эталонной нити.

· Радиационные. Оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой полосе спектрального излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения.

· Цветовые (другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения) — позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах.

Температурный диапазон

· Низкотемпературные. Обладают способностью показывать температуры объектов, обладающих даже отрицательными значениями этого параметра.

· Высокотемпературные. Оценивают лишь температуру сильно нагретых тел, когда определение «на глаз» не представляется возможным. Обычно имеют сильное смещение в пользу «верхнего» предела измерения.

Исполнение

· Переносные. Удобны в эксплуатации в условиях, когда необходима высокая точность измерений, в совокупности с хорошими подвижными свойствами, например для оценки температуры труднодоступных участков трубопроводов. Обычно снабжены небольшим дисплеем, отображающим графическую или текстово-цифровую информацию.

· Стационарные. Предназначены для более точной оценки температуры объектов. Используются в основном в крупной промышленности, для непрерывного контроля технологического процесса производства расплавов металлов и пластиков.

 

Визуализация величин

· Текстово-цифровой метод. Измеряемая температура выражается в градусах на цифровом дисплее. Попутно можно видеть дополнительную информацию.

· Графический метод. Позволяет видеть наблюдаемый объект в спектральном разложении областей низких, средних и высоких температур, выделенных различными цветами.

Вне зависимости от классификации, пирометры могут снабжаться дополнительными источниками питания, а также средствами передачи информации и связи с компьютером или специализированными устройствами (обычно через шину RS-232).

Самыми важными характеристиками пирометра, определяющими точность измерения температуры являются:

· оптическое разрешение;

· настройка степени черноты объекта.

Радиационные термометры (или пирометры) представляют собой неконтактные температурные датчики, действие которых основано на зависимости температуры от количества теплового электромагнитного излучения, полученного от объекта измерения. Это целая группа приборов, которая включает как приборы, измеряющие температуру точки на объекте, области на объекте, или позволяющие получить картину одномерного и даже двумерного распределение температуры на заданной площади измерения. Радиационные термометры очень широко используются в различных отраслях промышленности: металлургии, производстве стекла и керамики, полупроводников, пластика, бумаги и т.д. Радиационные термометры используются также в медицине, криминалистике, системах спасения людей и охраны.

Главная трудность состоит в измерении температуры тела, излучательная способность которого неизвестна. Объект измерения чаще всего далек от абсолютно черного тела, это может быть окисленная поверхность, полупрозрачное стекло, зеркальная поверхность и т.д. Кроме того, возникают трудности учета излучения, испущенного близлежащей областью и излучения отраженного от соседних объектов. К сожалению, не существует ни одного метода оптической пирометрии, который мог бы охватить весь набор встречающихся ситуаций. Однако разработаны различные подходы, каждый из которых способен преодолеть одну или две вышеупомянутые трудности.

Приборы этого типа имеют множество наименований: оптические пирометры, радиационные пирометры, пирометры полного излучения, автоматические инфракрасные термометры, термометры непрерывного излучения, линейные сканеры, тепловизионные радиометры, поверхностные пирометры, пирометры отношения, двухцветовые пирометры и т.п. Эти наименования больше связаны с назначением приборов. Общий термин, который применим к данному классу приборов и имеет техническое функциональное значение – радиационные термометры.

В последнее время возрос интерес к формированию международной универсальной терминологии в неконтактной термометрии и разработке номенклатуры международных требований к характеристикам радиационных термометров. Так, в 2006-2007 разрабатывался новый стандарт МЭК “Технические требования к радиационным термометрам”. (IEC TS 62492 Radiation thermometers - Part 1: Specifications for Radiation Thermometers). Новый стандарт введен в обращение в марте 2008 г.

 

Методы пирометрии

Практическая пирометрия возникла на рубеже 19 и 20-го веков. Примерно тогда же и сформировались два основных метода пирометрии: радиационная (яркостная) пирометрия и цветовая пирометрия. Названия эти с течением времени менялись и корректировались, но суть методов осталась неизменной. Метод яркостной пирометрии (называемой также радиационной пирометрией, пирометрией по излучению) использует зависимость энергетической яркости излучения объекта в ограниченном диапазоне длин волн от его температуры. Другими словами, яркость излучения объекта зависит от его температуры. Следовательно, измерив яркость излучения объекта, мы можем измерить (с той или иной точностью) значение температуры объекта. Таким образом, ключевым элементом радиационного пирометра является приемник излучения, преобразующий приходящую на него энергию излучения в иную физическую величину, чаще всего в ток или в напряжение. Его дополняют оптическая система, собирающая в определенном телесном угле излучение от объекта, и электронная схема с системами питания и индикации, усиливающая, преобразовывающая и отображающая результат измерения.

Метод цветовой оптической пирометрии первоначально основывался на зависимости спектрального распределения потока излучения нагретого объекта от температуры в диапазоне видимых длин волн. Другими словами, от температуры нагретого объекта зависел цвет его излучения. Объекты, нагретые до 700–800°С, светят темно-оранжевым светом, при 1000–1200°С цвет свечения становится ярко-оранжевым, постепенно переходя в желтый, при 2000°С цвет воспринимается нашим глазом как ярко-желтый, а после 2500°С свечение приближается к белому цвету. Долгое время основными элементами цветового сравнения были глаз оператора и нагретая нить накала (или спираль), расположенная в окуляре пирометра в поле зрения оператора. Нить в окуляре совмещалась с изображением измеряемого объекта. Регулируя проходящий через накальную нить электрический ток, оператор подбирал такое его значение, чтобы цвет нити совпадал с цветом измеряемого объекта. При определенном значении тока изображение нити "исчезало" на фоне нагретого объекта, что являлось критерием равенства температуры объекта и нагретой нити.

Кстати, отсюда пошло и распространенное в литературе название подобных пирометров – пирометры с исчезающей нитью.

В силу особенностей человеческого зрения описанный метод при опоре на восприятие цвета человеческим глазом имеет серьезные ограничения в точности и повторяемости результатов измерений. Поэтому с развитием компонентной базы весьма субъективные визуальные измерения были вытеснены измерениями с помощью нескольких приемников излучения, работающих в различных спектральных диапазонах. Таких приемников может быть и три, и семь, но на практике чаще всего ограничиваются двумя. Таким образом, в настоящее время этот метод основан на зависимости от температуры отношения энергетических яркостей объекта в двух различных областях спектра излучения. Соответственно, этот метод получил название метода пирометрии спектрального отношения.