Головна » Прес-Центр » Статті та публікації » Пірометри Dwyer: на гребені прогресу
17.07.2013
Анатолій Слезенко, СВ АЛЬТЕРА
Наука і техніка ніколи не стоять на місці, і з часом все більшого поширення набувають пристрої та прилади, робота яких заснована на інших, принципово інших (наприклад, безконтактних) методах і принципах вимірювання та отримання інформації про одні й ті самі фізичні величини. До одного з таких напрямів належить і пірометрія, або безконтактне вимірювання температури.
У більшості випадків цю фізичну величину можна виміряти звичним контактним способом через пряму взаємодію чутливого елемента датчика з середовищем або об'єктом (типовий приклад – чутливі елементи термопар або термоопорів, що знаходяться у воді або іншому середовищі).
Однак часто буває так, що проводити такі вимірювання небезпечно (об'єкти та електротехнічні елементи під високою напругою: трансформатори, електричні щити, шини; працюючі двигуни; розігрітий бітум; небезпечні промислові умови і т.д.), важко здійснити (висотні будівлі та споруди, важкодоступні місця, об'єкти, що рухаються і т.д.) або в цьому немає постійної необхідності (пошук проривів і втрат на теплотрасах і трубопроводах і т.д.). У таких випадках використовують безконтактні пристрої для визначення температури – пірометри.
Їхню будову, принцип роботи, особливості, параметри та переваги розглянемо далі.
Будь-якому тілу або об'єкту з температурою вище абсолютного нуля (-273,15 °С) незалежно від його агрегатного стану властиве теплове (температурне) випромінювання. Тепловим (температурним) випромінюванням (ТВ) називають:
Рис. 1. Інфрачервоне випромінювання в електромагнітному спектрі
Завдяки своїй електромагнітній природі ТВ, як і світло, поширюється у просторі прямими лініями зі швидкістю світла, що дозволяє вимірювати температурні показники об'єктів і тіл на відстані. На вимірюванні теплової потужності повного випромінювання об'єкта як у видимому, так і невидимому діапазоні і заснований принцип роботи радіаційних інфрачервоних (ІЧ) пірометрів, або пірометрів повного випромінювання.
Їх схематична будова зображена на рис. 2.
Рис. 2. Схематична будова пірометричного датчика:
1 — кнопка включення/вимірювання; 2 – інфрачервоний датчик; 3 – електронний перетворювач; 4 – вимірювальний пристрій; 5 – корпус; 6 – теплове випромінювання (ТВ); 7 – об'єкт виміру; 8 – система лінз; 9 – дисплей
Працюють інфрачервоні безконтактні термометри в такий спосіб. При наведенні на об'єкт вимірювання 7 і натисканні кнопки включення/вимірювання 1 прилад включається, і інфрачервоне теплове випромінювання 6 від об'єкта вимірювання 7 фокусується оптичною системою лінз 8 і передається на інфрачервоний датчик 2 (ІЧ фотодіод). Останній перетворює випромінювання, що потрапляє на нього, в електричний сигнал, пропорційний його потужності (а значить, і температурі об'єкта). Електричний сигнал від датчика 2 перетворюється електронним перетворювачем 3 і надходить на вимірювальний пристрій 4, де обробляється, конвертується у значення температури (у градусах) і виводиться на цифровий дисплей 9.
Можливість проводити вимірювання без прямого, безпосереднього контакту із середовищем або поверхнею вимірювання дозволяють віднести інфрачервоні пірометри до групи приладів неруйнівного контролю. Це означає, що їх можна використовувати в наукових цілях для дотримання чистоти та цілісності експериментів, а також для вимірювання, контролю, діагностики, моніторингу, прогнозування, сертифікації (зокрема, екологічної), сканування та профілактики в різних сферах діяльності людини без втручання в технологічний процес, роботу чи конструкцію об'єкта. При цьому забезпечується об'єктивність і висока точність результатів вимірювання завдяки нечутливості цих пристроїв до зовнішніх впливів (стійкості до перешкод).
1. Показник візування (оптична роздільність). Це один з найважливіших параметрів безконтактних датчиків температури, від якого безпосередньо залежить і точність вимірювань. Саме можливість дистанційного вимірювання є головною перевагою пірометрів перед контактними засобами.
Як видно з рисунку 3, показник візування – це співвідношення, яке пов'язує між собою відстань S, з якої проводиться вимірювання, та діаметр D вимірюваної області у вигляді плями або «кола» (S:D).
Рис. 3. Графічна ілюстрація показника візування
Цей параметр можна інтерпретувати наступним чином: 1) відстань вимірювання завжди в S разів більша за діаметр D області вимірювання; 2) з відстані S можна виміряти температуру області діаметром D; 3) для діаметра плями D відстань візування не повинна перевищувати S, де S – більше (значення) щодо.
За допомогою малюнка 3 можна визначити, що оптична роздільна здатність зображеного на ньому пірометра Dwyer IR6: S:D=30:1, тобто:
Слід пам'ятати, що одиниці вимірювання по обидва боки співвідношення повинні бути однаковими, а залежність між відстанню S та діаметром D прямо пропорційна, тобто, діаметр D збільшується або зменшується пропорційно відстані S: S:D = 30 см (м, мм, …) : 1 см (м, мм, …) або S:D = 300 см (м, мм, …) : 10 см (м, мм,…).
Дуже важливо також враховувати, що при великій відстані вимірювання і відповідно великому діаметрі області в неї можуть потрапити об'єкти, теплове випромінювання від яких значно знизить точність отриманого значення температури. Простіше кажучи, вимірюватиметься температура не одного обраного, а кількох об'єктів.
Таким чином, можна виділити 3 випадки використання ІЧ пірометрів (див. рис. 4): правильний, небажаний (або критичний) та неправильний. У першому випадку область візування значно менша від загальних розмірів об'єкта (рис. 4а). У другому випадку (рис. 4б) «коло» виміру повністю охоплює частину об'єкта, не виходячи за його межі. Останній випадок (рис. 4в) – неправильний – є прикладом того, як не можна використовувати безконтактні датчики температури через неточні або некоректні одержувані покази.
Рис. 4. Приклади використання пірометра
З викладеного можна зробити висновок, що для вимірювань з великої відстані краще вибирати пристрої з великим показником візування. Для невеликих відстаней підійде ІЧ термометр із меншим показником візування (наприклад, S:D=50:1 — вимірювання з відстані 50 см при діаметрі плями візування 1 см). Для приладів Dwyer для безконтактного вимірювання температури, що пропонує СВ АЛЬТЕРА, показники візування наведені у таблиці наприкінці статті.
2. Показник чорноти (випромінювальна здатність, коефіцієнт чи показник випромінювання). Різні об'єкти (чи одні й самі об'єкти, але у різних умовах) мають різну здатність випромінювати і поглинати енергію у вигляді електромагнітних хвиль. Це означає, що для точного вимірювання температури конкретного об'єкта необхідно знати його показник чорноти, тобто співвідношення енергії, що випромінюється та поглинається, яке може набувати значення від 0,01 до 0,99. Цей параметр дуже важливий, оскільки саме неправильно підібраний коефіцієнт випромінювання найчастіше є основним джерелом похибки та неточних чи некоректних даних.
За цим показником пірометричні датчики діляться на дві великі групи: з фіксованим значенням (як правило, 0,95) і налаштовуваним. Представники останньої групи, безумовно, більш універсальні та придатні для вимірювання температури будь-яких матеріалів та об'єктів згідно з температурним діапазоном пристрою. Асортименти моделей даної групи, що пропонує СВ АЛЬТЕРА: Dwyer IR3, IR4, IR6, IR7, MIT, FST-300. Їхній показник чорноти налаштовується від 0,05 до 1,00 з кроком 0,01.
Багато об'єктів за своїми характеристиками випромінювання-поглинання електромагнітних хвиль мало відрізняються від чорних тіл (їх коефіцієнт випромінювання близький до 1). Для вимірювання температури таких об'єктів можна використовувати безконтактні датчики з постійним показником випромінювання 0,95. У СВ АЛЬТЕРА вони представлені моделями Dwyer IR2 та PIT.
Таблиця коефіцієнтів випромінювання (показників чорноти) матеріалів
Матеріал | Температура | ε |
Алюміній, світлий листовий | 170 °C | 0,04 |
Азбест | 20 °C | 0,96 |
Асфальт | 20 °C | 0,93 |
Бавовна | 20 °C | 0,77 |
Цемент | 25 °C | 0,93 |
Свинець, сірий окислений | 20 °C | 0,28 |
Свинець, сильно окислений | 20 °C | 0,28 |
Толь (покрівельний матеріал) | 20 °C | 0,93 |
Лід, гладкий | 0 °C | 0,97 |
Лід, неровный | 0 °C | 0,99 |
Залізо оброблене наждаком | 20 °C | 0,24 |
Залізо, світле, витруєне | 150 °C | 0,13 |
Залізо, виплавлене | 100 °C | 0,80 |
Залізо, листове | 20 °C | 0,77 |
Залізо, трохи поржавіле | 20 °C | 0,61 |
Залізо, що сильно поржавіло | 20 °C | 0,85 |
Орна земля | 20 °C | 0,38 |
Грунт, чорна глина | 20 °C | 0,66 |
Плитка | 25 °C | 0,93 |
Гіпс | 20 °C | 0,90 |
Скло | 90 °C | 0,94 |
Золото, поліроване | 130 °C | 0,02 |
Гума, жорстка | 23 °C | 0,94 |
Гума, м'яка сіра | 23 °C | 0,86 |
Деревина | 70 °C | 0,94 |
Галька | 90 °C | 0,95 |
Корок | 20 °C | 0,70 |
Корунд, наждак (жорсткий) | 80 °C | 0,86 |
Тепловідведення, темно. анодовано. | 50 °C | 0,98 |
Мідь, потьмяніла | 20 °C | 0,04 |
Мідь, з оксидною плівкою | 130 °C | 0,76 |
Мідь полірована | 20 °C | 0,03 |
Мідь, темна, оксидна | 20 °C | 0,78 |
Пластик (ПЕ, ПП, ПВХ) | 20 °C | 0,94 |
Листя | 20 °C | 0,84 |
Мармур, білий | 20 °C | 0,95 |
Мін. покриття фарбою | 100 °C | 0,93 |
Латунь, оксидна | 200 °C | 0,61 |
NATO-зелений | 50 °C | 0,85 |
Папір | 20 °C | 0,97 |
Фарфор | 20 °C | 0,92 |
Шифер | 25 °C | 0,95 |
Чорна фарба (матова) | 80 °C | 0,97 |
Шовк | 20 °C | 0,78 |
Срібло | 20 °C | 0,02 |
Сталь (термооброблена поверхня) |
200 °C | 0,52 |
Сталь, оксидна | 200 °C | 0,79 |
Глина, обпалена | 70 °C | 0,91 |
Інвертован. фарба | 70 °C | 0,94 |
Вода | 38 °C | 0,67 |
Цегла, мертель, штукатурка | 20 °C | 0,93 |
Білий цинк (забарв.) | 20 °C | 0,95 |
3. Похибка вимірювання (точність). Цей параметр прямо вказує на точність одержуваних даних без урахування додаткових факторів, тобто враховуються лише технічні особливості пристроїв без впливу ззовні. Неправильно підібраний коефіцієнт випромінювання або занадто велика відстань вимірювання, коли в область візування потрапляють інші об'єкти, можуть лише збільшити похибку (чи зменшити точність).
Для інфрачервоних безконтактних термометрів Dwyer, які пропонує компанія СВ АЛЬТЕРА, цей показник становить від ±0,5 до ±2°C або ±2% від виміряного значення. За основну приймається та похибка (або ±2°C, або ±2%), яка є більшою для поточного виміряного значення.
Наприклад, якщо виміряне значення t°=45°C, похибка дорівнюватиме 2°C, оскільки 2% від 45°C дорівнює 0,9°C, що менше 2°C. Якщо поточне значення t°=700°C, похибка дорівнюватиме 2% від 700°C: 700*0,02=±14°C, оскільки це значення більше 2°C.
При цьому можна простежити однозначну тенденцію до зменшення точності зі збільшенням вимірюваної температури, що характерно для всіх безконтактних вимірювачів цієї фізичної величини.
4. Температурний діапазон. Обмежується мінімальним та максимальним значеннями, які доступні для вимірювання конкретним пристроєм.
Однією з головних переваг пірометрів, що ґрунтується на принципі їх роботи, є можливість вимірювання негативних, високих та надвисоких температур (до 3000-4000°C). Слід пам'ятати, що діапазон температур повинен бути якомога вужчим і близьким до максимального значення (наприклад, для температури порядку 400°C підійдуть Dwyer IR3 та IR4 c діапазоном -60…+500°C, для t°~ 800°C – Dwyer IR6 і т.д.).
Загальне температурне «охоплення» пірометрів Dwyer, представлених в асортименті СВ АЛЬТЕРА: від –70°C до +1000°C. Конкретні значення для кожного пристрою наведені у таблиці наприкінці статті.
5. Лазерний цілевказівник. Для більш точного орієнтування, наведення на об'єкт та позначення області вимірювання сучасні пірометри оснащені лазером. Серед запропонованих СВ АЛЬТЕРА моделей з лазерним цілевказівником можна виділити: Dwyer IR3, IR4, IR5, MIT, FST-300.
Важливо: у безконтактних датчиках температури з одним лазерним променем точка наведення, як правило, не збігається з оптичним центром системи лінз та зони вимірювання відповідно, а лише наближена до нього.
Деякі пірометри мають подвійний лазер, промені якого утворюють діаметр плями ("кола") візування за допомогою двох точок на об'єкті. У СВ АЛЬТЕРА вони представлені моделями Dwyer серії IR6 та IR7.
6. Швидкодія (показник інерції, інерційність, час відгуку). Інфрачервоні термометри, як і контактні датчики температури, характеризуються часом реакції чи спрацьовування. Вона визначається тимчасовим проміжком з моменту зміни потужності теплового випромінювання на вході в об'єктив пірометра (і, відповідно, температури) до моменту формування вихідного сигналу з відхиленням не більше 2% і виведення на дисплей значення, що встановилося.
У сучасних пірометрах (зокрема фірми Dwyer) це значення, як правило, не перевищує 1 с, що на порядок менше, ніж у контактних засобів вимірювання.
7. Роздільна здатність (роздільність). Найчастіше цей параметр плутають з похибкою чи точністю вимірів. Роздільна здатність пірометричного датчика – це характеристика екрану приладу, а саме – це дискретність відображення його показань. Вона ніяк не пов'язана з факторами та умовами, що впливають на процес вимірювання і сам пірометр, а залежить лише від його технічних характеристик та дисплея. Для таких пристроїв роздільною здатністю є кількість десяткових знаків, що відображаються після коми.
Роздільна здатність безконтактних датчиків температури Dwyer становить 0,1°C або °F.
8. Сигналізація досягнення налаштовуваних мінімуму/максимуму. У сучасних ІЧ датчиках температури передбачена сигналізація (візуальна та/або звукова) про досягнення та перевищення встановлених верхньої та нижньої меж, або уставок.
Ця опція доступна у представлених СВ АЛЬТЕРА пірометрах Dwyer FST-300, IR3, IR6, IR7, які мають одночасно обидва види сигналізації – візуальну у вигляді індикації та звукову, а Dwyer IR4 – лише вбудовану індикацію.
9. Додатковий вхід під термопару. Призначений для підключення контактного датчика температури типу «термопара» і може застосовуватися для локального вимірювання та підключення до термопари за місцем (якщо пристрій візуалізації або реєстрації знаходиться далеко або взагалі відсутній).
Також цей вхід можна використовувати для калібрування пірометра під конкретний об'єкт (якщо на ньому вже встановлена термопара, то з її допомогою можна дізнатися «контактне» значення температури, потім підібрати відповідний показник чорноти і підлаштувати прилад під цей конкретний об'єкт).
Процес вимірювання будь-якої фізичної величини (зокрема і температури) завжди відбувається за наявності у вимірювальному каналі певних перешкод різної природи. Це властиво всім датчикам, тому цілком доречно буде вказати найважливіші фактори, параметри, причини та джерела цих перешкод і для пірометрів.
Як було описано вище, основними джерелами похибок при вимірюванні з допомогою пірометричних датчиків є неправильно підібраний коефіцієнт випромінювання (або показник чорноти) і температура об'єкта вимірювання. Важливими при цьому є матеріал об'єкта вимірювання (це безпосередньо пов'язано зі значенням показника чорноти) та температура навколишнього середовища, в якій проводиться вимірювання (особливо для пірометрів без температурної компенсації).
Взаємопов'язані між собою і такі параметри, як показник випромінювання та температура навколишнього середовища: при великій різниці температур об'єкта та навколишнього середовища та неправильно виставленому показнику чорноти результат може бути як сильно спотвореним, неправильним (10 і більше градусів), так і близьким до дійсного, реального (1 градус і менше). Саме тому необхідно підбирати якомога точніший, правильний або близький коефіцієнт випромінювання, якщо температура об'єкта сильно відрізняється від температури середовища, в якому проводиться вимірювання. Крім того, кінцевий результат безпосередньо залежить від згаданої вище різниці температур – чим вона більша, тим більша ця залежність та вплив на вимірювальний процес.
Бруд, пара, пил, газ та інші речовини між датчиком та об'єктом також можуть дуже негативно вплинути на виміряні значення та суттєво спотворити їх.
Тому вимірювати температуру при великій концентрації таких перешкод не можна.
Впливає на результат вимірювання та стан поверхні об'єкта. Наприклад, забарвлена тонким шаром білої прозорої фарби поверхня, що не має більшого коефіцієнта випромінювання, збільшує його після фарбування до значень порядку 0,9...0,95. Сюди можна віднести пил, іній, бруд тощо. безпосередньо на поверхні об'єкта, температура яких і вимірюватиметься (замість температури самої поверхні). В такій ситуації необхідне очищення (за можливості) поверхні перед використанням пірометра.
Процес вимірювання можемо проходити в різних умовах, тому не слід забувати про деякі його особливості.
Наприклад, вироби з кварцу та скла, крім високого коефіцієнта випромінювання, не пропускають інфрачервоне випромінювання. Це означає, що через них не можна вимірювати температуру за допомогою ІЧ пірометрів, оскільки це буде температура скла, а не об'єкта.
Схожа ситуація спостерігається і з різного роду плівками та покриттями. Їхня пропускна здатність інфрачервоного випромінювання і коефіцієнт випромінювання залежать від товщини плівки: що товща плівка, то більше ІЧ випромінювання вона пропускає.
Температуру великих та об'ємних джерел ІЧ випромінювання (вогонь, гарячі гази тощо) у конкретній точці виміряти неможливо – лише якесь наближене середнє значення на певній ділянці, але не більше.
Більшість матеріалів та об'єктів (неметали, органіка, зокрема продукти харчування, скло тощо) мають високий коефіцієнт випромінювання на рівні 0,95. Тому в деяких пірометрів цей параметр є нерегульованим і встановлений на вказаному вище значенні. Для вимірювання температури таких об'єктів нічого маніпуляцій проводити не треба.
Температура дротів і волокон за допомогою пірометрів, як правило, не вимірюється – їх розміри не дозволяють зробити це без великих похибок та спотворень.
Для неоднорідних (наприклад, метал з корозією), матових та інших поверхонь з низьким показником чорноти (випромінювальною здатністю) останній параметр необхідно збільшити. Зробити це можна за допомогою різноманітних покриттів: фарби, плівок і т.д.
Головні переваги пірометричних пристроїв вимірювання температури:
Перші зразки ІЧ пірометрів з'явилися наприкінці 1980-х років.
Сьогодні сфера застосування пірометрів воістину безмежна — сучасні моделі широко використовуються у всіх галузях промисловості, а також знайшли своє місце і в побуті.
Вони можуть застосовуватися для вимірювання температури
Рис. 5. Вимірювання температури бітуму за допомогою пірометра Dwyer IR2
Рис. 6. Вимірювання температури електротехнічних компонентів за допомогою пірометра Dwyer IR4
Рис. 7. Вимірювання температури мікросхеми за допомогою пірометра Dwyer IR2
Рис. 8. Вимірювання температури м'ясних виробів за допомогою пірометра Dwyer FST-300
Рис. 9. Вимірювання температури компонентів автомобільного двигуна за допомогою пірометра Dwyer IR6 (IR7)
Рис. 10. Вимірювання температури заготівлі, що рухається по лінії за допомогою пірометра Dwyer IR4
Рис. 11. Вимірювання температури деталі розливного автомата за допомогою пірометра Dwyer IR2
та інших об'єктів, а також:
Рис. 12. Сканування та діагностика за допомогою пірометра Dwyer IR4
Пірометр – багатофункціональний універсальний пристрій для вимірювання температури. Це чудова альтернатива контактним засобам у тих випадках, коли останні використовувати недоречно, нераціонально чи небезпечно для життя та здоров'я людини.
Основними відмінними характеристиками та перевагами цих приладів є можливість вимірювання температур на відстані та в широкому діапазоні (низьких та надвисоких), простота у використанні, надійність, точність, швидкодія та ергономічність.
Похибка у вимірюванні пірометрами найчастіше виникає через неправильно підібраний коефіцієнт випромінювання (або показника чорноти) та відстань до об'єкта.
Під час проведення вимірювань необхідно враховувати деякі особливості використання пірометрів, щоб уникнути неправильних, некоректних та спотворених даних.
Сучасні моделі використовуються в різних сферах діяльності людини для найрізноманітніших завдань, і пропоновані компанією СВ АЛЬТЕРА пірометри американської фірми Dwyer – їхнє відмінне рішення.
Порівняльна таблиця пірометрів Dwyer
Модель |
IR7 | IR6 | IR4 | IR3 | |
Зображення |
|||||
Призначення |
Загальне |
||||
Показник візування |
50:1 | 30:1 | 20:1 | 12:1 | |
Показник чорноти |
налаштування | Є |
Є |
Є |
Є |
значення | 0,10...1,00 | 0,10...1,00 | 0,05...1,00 | 0,05...1,00 | |
Точність |
±2% або ±2 °С | ±2% або ±2 °С | ±1% або ±1 °С | ±2% або ±2 °С | |
Температурний діапазон |
-60...+1000 °С | -60...+900 °С | -70...+760 °С | -60...+500 °С | |
Лазерний цілевказівник |
Є |
Є |
Є |
Є | |
Інерційність |
1 с |
||||
Роздільна здатність |
0,1 °С або F |
||||
Сигналізація мін/макс |
звукова |
Є |
Є |
Є |
Є |
візуальна |
Є |
Є |
Є |
Є |
|
Додатковий вхід під термопару типу К (ХА – хромель-алюмель) |
Немає |
Немає |
Є |
Є |
|
Габарити, мм: В x Ш x Г |
231,78 x 46,04 x 150,42 | 231,78 x 46,04 x 150,42 | 176,21 x 39,29 x 71,9 | 176,21 x 39,29 x 71,9 | |
Вага, г |
386,1 | 386,1 | 179 | 179 |
Порівняльна таблиця пірометрів Dwyer (продовження)
Модель |
IR2 | MIT | PIT |
FST-300 |
|
Зображення |
|||||
Призначення |
Загальне |
Невеликі відстані, невисокі температури |
Невеликі відстані, невисокі температури, зручне транспортування |
Харчова промисловість |
|
Показник візування |
12:1 | 6:1 | 1:1 | 2,5:1 | |
Показник чорноти |
налаштування |
Немає | Є |
Немає |
Є |
значення | 0,95 | 0,05...1,00 | 0,95 | 0,10...1,00 | |
Точність |
±2% або ±2 °С | ±2% або ±2 °С |
±2% |
±0,5 °С | |
Температурний діапазон |
-60...+500 °С | -55...+250 °С | -33...+220 °С |
-55...+250 °С (-55...+330 °С) |
|
Лазерний цілевказівник |
Є |
Є |
Немає |
Є |
|
Інерційність |
1 с |
||||
Роздільна здатність |
0,1 °С або F |
||||
Сигналізація мін/макс |
звукова |
Є |
Немає |
Немає |
Немає |
візуальна |
Є |
Є |
Немає |
Є |
|
Додатковий вхід під термопару типу К (ХА – хромель-алюмель) |
Немає |
Немає |
Немає |
Немає |
|
Габарити, мм: В x Ш x Г |
176,21 x 39,29 x 71,9 | 103,99 x 50,8 x 200,64 |
86,92 x ∅ 15,03 (диаметр) |
160,34 x 38,1 x 22,23 | |
Вага, г |
179 | 65 | 113,4 | 98,1 |