1. Главная
2. Низкотемпературные пирометры — надежные помощники связистов, энергетиков и специалистов по климатической технике

<

Во многих сферах человеческой деятельности периодически возникает необходимость измерить температуру объекта без контакта термометра с ним. Определение превышения температуры оборудования выше допустимого значения позволяет заранее предотвратить поломку, а то и избежать серьезной аварии. Бесконтактные методы позволяют быстро определить температуру в труднодоступных местах. Но, даже если объект измерения находится прямо перед вами, все равно, бесконтактным способом можно измерить температуру не более чем за 1 с, когда использование термопары подразумевает измерение в течение как минимум нескольких десятков секунд. Устройства для бесконтактного измерения температуры называют пирометрами.

Принцип работы пирометра

Термин «пирометр» происходит от латинского слова pir, означающего «жар». Ну и «метр» означает измерение. В основе принципа работы пирометра лежит тот факт, что любой предмет с температурой выше абсолютного нуля, то есть выше -273 C, излучает электромагнитные волны. Напомним, что к электромагнитным волнам относятся, помимо прочего, инфракрасный и видимый диапазоны излучения. Существует понятие «абсолютно черное тело», которое поглощает падающее на него излучение любой длины волны при любой температуре. Это некоторое абстрактное понятие, в реальности любое тело хоть немного, но отражает падающее на него излучение.

Важным свойством абсолютно черного тела является однозначная взаимосвязь интенсивности излучения от температуры и частоты. Эта зависимость описывается законом Планка. Именно на этом основан принцип бесконтактного измерения температуры пирометром. Близость реального объекта к абсолютно черному телу по оптическим свойствам характеризуется коэффициентом излучения (иногда именуемым «излучательной способностью»), равным отношению энергии, излучаемой конкретной поверхностью при определенной температуре к энергии излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Данный коэффициент варьируется от 0,1 у полированного металла до 0,99 у сажи.

Первые пирометры, получившие название «с исчезающей нитью», использовались в металлургии для определения температуры расплавленного металла. Оператор смотрел на объект, температуру которого нужно измерить,  через окошко пирометра, в которое была вставлена нить накаливания. Протекающий через нее электрический ток регулировался. Нужно было выставить ручку регулировки таким образом, чтобы оттенки свечения нити накаливания и расплавленного металла совпали. Далее измерялась сила тока и по ней определялась температура нити накаливания. При этом температура нити накаливания совпадает с температурой металла. Такой способ измерения температуры возможен, в частности, для расплавленной стали, температура которой составляет около +1500 C, что дает хорошо заметное свечение оранжево-красного оттенка. Но, чем ниже температура, тем больше в спектре инфракрасная составляющая и тем меньше — видимая. Поэтому уже для температур порядка сотен градусов выше нуля по Цельсию пирометры с исчезающей нитью бесполезны.

Позже появились более сложные пирометры, основанные на анализе, а не сравнении спектров излучения. Они стали проводить измерения не только в видимой, но и в инфракрасной части спектра.

Бесконтактное измерение температуры с помощью пирометра

Следует иметь в виду, что, исходя из самого принципа измерений, пирометры способны определять температуру только на поверхности твердого материала или жидкости. Напрямую измерять температуру воздуха они не способны. Для того, чтобы измерить этот показатель пирометром, нужно выбрать предмет, который заведомо прогрет до температуры воздуха, и провести замер его температуры.
Виды пирометров

Согласно диапазону измеряемых температур, пирометры делятся на две группы: 

• низкотемпературные;
• высокотемпературные.

Низкотемпературные пирометры измеряют температуру как минимум в пределах от комнатной температуры до нескольких сотен градусов выше нуля по Цельсию. Современные низкотемпературные пирометры способны измерять температуру, начиная с нескольких сотен градусов Цельсия ниже нуля. Иногда низкотемпературные называют бесконтактными инфракрасными термометрами. 
Высокотемпературные термометры измеряют температуру не менее +400 C. Конструктивные различия между этими группами заключаются в разных диапазонах спектра излучения, с которыми они работают. Низкотемпературные пирометры ведут измерения только в инфракрасном диапазоне, а высокотемпературные — только в видимом или в видимом и инфракрасном диапазонах.

Поскольку прозрачные для оптического диапазона предметы могут сами давать инфракрасное излучение, измерение температуры объекта пирометром, работающим в инфракрасном диапазоне, через прозрачные окна дает неправильные результаты.

Наведение на объект измерений

В современных пирометрах обязательно есть оптическая система, сужающая пятно, «обозреваемое» датчиком излучения. При измерении температуры пирометром его оптическую систему нужно точно навести на предмет, температуру которого требуется измерить.

Важной характеристикой пирометра является оптическое разрешение, иначе именуемое показателем визирования. Оно определяется соотношением D:S, где D – расстояние от пирометра до объекта измерения, S – диаметр пятна, в пределах которого пирометр измеряет температуру. Значение D:S у массовых моделей пирометров лежит в пределах от 4:1 до 50:1. Максимально возможное расстояние от пирометра до измеряемого объекта определяется тем, что пятно не должно выходить за пределы исследуемого объекта. Например, нам нужно измерить температуру предмета прямоугольной формы размерами 10x20 см. Длина его диагонали составляет 22,36 см. Соответственно, можно вписать прямоугольник в круг с таким диаметром, то есть именно такой максимальный диаметр может иметь обозреваемое пирометром пятно. При показателе визирования 8:1 максимальное расстояние, с которого можно будет провести измерения, составит 8*22,36 см = 178,9 см.

Более дорогие модели пирометров имеют, как правило, более высокий коэффициент визирования. Но, чем выше данный коэффициент, тем точнее надо «целиться» в объект измерений. Поэтому, если вы не намерены измерять температуру на большом расстоянии, то есть смысл выбрать модель с относительно небольшим значением коэффициента визирования.

Пирометр Greenlee TG-1000 является одной из немногих моделей средней ценовой категории,
в которых можно менять коэффициент излучения

Для наведения на цель в низкотемпературных пирометрах используются либо оптический визир, либо луч лазера. Современные промышленные пирометры, как правило, имеют лазерное наведение. Для того, чтобы точно измерить температуру, нужно навести луч лазера на центр измеряемого объекта.

Повышение точности измерений

При измерении температуры низкотемпературным пирометром по умолчанию предполагается, что коэффициент излучения исследуемой поверхности равен 0,95. Значительное отклонение этого коэффициента от значения 0,95, особенно в меньшую сторону, приводит к большим погрешностям. В моделях низкой и средней ценовых категорий с этим обстоятельство просто мирятся. В моделях высокой ценовой категории предусмотрена возможность ввода коэффициента излучения для данного материала (определяется по прилагаемой таблице), в результате пирометр вносит необходимые поправки и в итоге дает правильный результат измерений. Иногда можно встретить и пирометры средней ценовой категории, например, Greenlee TG-1000, где есть возможность внесения коэффициента излучения.

В пирометре Greenlee TG-2000 предусмотрена возможность подключения внешнего термощупа

Промышленные низкотемпературные пирометры профессионального уровня имеют погрешность измерения около +/- 2 C. Для обеспечения более высокой точности (вплоть до +/- 0,1 С) требуется калибровка на конкретных образцах. Например, в пирометре Greenlee TG-2000 предусмотрена возможность подключения термощупа (приобретается отдельно), с помощью которого можно продублировать измерения бесконтактным способом. Далее подбирается коэффициент излучения, при котором контактные и бесконтактные измерения дают одинаковый результат. Потом этим коэффициентом можно пользоваться для изделий из данного материала.

Пирометр Greenlee TG-1000 входит в набор инструментов SK-27 Prof-P1

Тем не менее, точность +/- 2 С вполне достаточна для использования при обслуживании телекоммуникационной и электроэнергетической аппаратуры, а также систем отопления. Не самая высокая, но достаточная для практических применений точность компенсируется простотой и оперативностью использования прибора, а также его компактными размерами. Вот почему пирометры входят в состав многих наборов инструментов для электриков и специалистов по климатической технике. Например, пирометр Greenlee TG-1000 входит в набор SK-27 Prof-P1. Маленький, но многофункциональный пирометр органично дополнил набор инструментов для специалистов, осуществляющих обслуживание инженерных систем зданий.

Примеры оборудования: