eng
Выпуск #1/2013
А.Неделько
Преимущества и недостатки бесконтактного измерения температуры
Преимущества и недостатки бесконтактного измерения температуры
Просмотры: 5461
Большое разнообразие предлагаемых рынком пирометров затрудняет правильный выбор прибора бесконтактного измерения температуры. В статье сформулированы преимущества и недостатки различных типов пирометров. Приведены основные факторы измерительного эксперимента, влияющие на точность результатов измерения пирометров, что крайне актуально для практиков
Если до начала 70-х годов прошлого столетия основными приборами для пирометрических измерений являлись пирометры с исчезающей нитью накала, то в последние годы, благодаря бурному развитию электронных и цифровых технологий, появилось большое разнообразие приборов для бесконтактного измерения температуры по тепловой радиации (пирометров).
Поэтому для исследователей и инженеров крайне актуален вопрос сравнительной оценки различных типов пирометров, а также определение преимуществ и недостатков самого пирометрического метода. Преимущества пирометрических методов измерения температуры перед контактными известны:
высокое быстродействие, определяемое типом приемника излучения и схемой обработки электрических сигналов. При использовании квантовых приемников излучения (фотодиодов) и быстродействующих аналого-цифровых преобразователей (АЦП) постоянная времени может составлять 10-2–10-6 с;
возможность измерения температуры движущихся объектов и элементов оборудования, находящихся под высоковольтным потенциалом;
отсутствие искажения температурного поля объекта контроля, что особенно актуально при измерении температуры материалов с низкой теплопроводностью (дерево, пластик и др.), а также риска повреждения поверхности и формы в случае мягких (пластичных) объектов;
возможность измерения высоких температур, при которых применение контактных средств измерения либо невозможно, либо они быстро выходят из строя;
возможность работы в условиях повышенной радиации и температуры окружающей среды (до 250˚) при разнесении приемной головки и электроники пирометра с помощью оптоволоконного кабеля.
Но основной недостаток пирометрических измерений температуры – трудность полного учета связей между термодинамической температурой объекта и регистрируемой пирометром тепловой радиацией [1]. Необходимо учитывать изменение излучательной способности поверхности ε от длины волны λ в регистрируемом спектральном диапазоне и от температуры T в диапазоне измерений, наличие поглощения излучения в среде между пирометром и объектом контроля, геометрические параметры поля зрения пирометра и его оптической системы, температуру окружающей среды и корпуса прибора.
Какие же основные факторы влияют на точность результатов измерений пирометром.
Во-первых, известно, что пирометр, измеряя поток теплового излучения с некоторой части поверхности объекта в рабочей области спектра, вычисляет его температуру. Либо, особенно в пирометрах спектрального отношения, используют отношение потоков в двух и более областях спектра [2].
Для расчета плотности излучения в заданном спектральном интервале применяют закон Планка, который является основным и наиболее общим законом в теории теплового излучения:
Вт/см3,
где ε – излучательная способность, С1 и С2 – первая и вторая постоянные Планка, λ – длина волны, Т – температура.
Для непрозрачных тел справедливо выражение: ε = A = 1 – R, где A – коэффициент поглощения, R – коэффициент отражения. Объект с R = 0 (т.е. полностью поглощающий падающее на него излучение), обладает наибольшей излучательной способностью. У него ε = 1, и его называют "абсолютно черным телом" (АЧТ). Реальные объекты имеют излучательную способность меньше 1 и, следовательно, излучают меньше энергии. Проблема заключается в том, что для большинства реальных объектов излучательная способность зависит от температуры и длины волны, т.е. ε = f ( λ, T ), а также от многих других факторов: материала и формы объекта, состояния поверхности, наличия оксидной пленки, конденсата влаги и т.п. (рис. 1).
Дерево, пластик, органические материалы, камень, графит имеют излучательную способность около 0,8–0,95, а у металлов, наоборот, излучательная способность может изменяться в очень широких пределах, все зависит от температуры и длины волны. Поверхность расплавленного металла образует гладкое зеркало, излучательная способность которого может быть менее 0,1, а излучательная способность плавающего на поверхности шлака может достигать значений 0,9–0,95.
Для корректного измерения температуры необходимо точно указать пирометру излучательную способность объекта [3,4]. В современной пирометрической практике для ее определения используют следующие способы:
Учитывая данные из справочных таблиц, приводимые обычно в руководстве на пирометр или в справочниках (заметим, этот способ самый простой, но наименее точный);
измерение температуры объекта контактным способом (например, поверхностной термопарой). Затем, изменяя значение излучательной способности на задатчике пирометра, добиваются равенства показаний пирометра и термопары. Если по каким-либо причинам измерение температуры объекта контактным способом невозможно, эту процедуру проводят с образцом материала объекта, нагревая его до температуры, близкой к температуре объекта. Некоторые модели пирометров имеют разъем для подключения термопары и могут измерять температуру контактным и бесконтактным способом одновременно;
просверлив в объекте (или в образце материала объекта) отверстие, внутри него при помощи пирометра измеряют температуру. При этом диаметр отверстия должен соответствовать диаметру поля зрения пирометра, а глубина составлять величину, большую в пять раз, чем диаметр. Тогда излучательную способность созданной таким образом модели АЧТ можно принять равной 1. Затем надо навести пирометр на неповрежденную поверхность объекта и, меняя значение излучательной способности на задатчике пирометра, добиться показаний, близких к полученным ранее по модели АЧТ. Этот способ наиболее трудоемкий и приемлем только в том случае, когда перепад температур по длине отверстия незначителен;
при невысоких температурах иногда часть поверхности объекта окрашивают черной матовой краской, излучательную способность которой можно принять равной 0,95. Далее измеряют температуру окрашенной поверхности пирометром, а затем по описанной выше методике определяют излучательную способность неокрашенной поверхности.
Во-вторых, между пирометром и объектом не должны стоять препятствия, непрозрачные в рабочей области спектра пирометра. В противном случае, из-за уменьшения потока излучения, показания пирометра будут занижены. Объект измерения, напротив, должен быть непрозрачным в данной области спектра. Для примера возьмем обычное оптическое стекло при 25˚С (рис.2).
Когда необходимо измерить температуру самого стекла, следует использовать пирометр, работающий в той области спектра, в которой стекло наименее прозрачно. Как видно из рис.2, при 25˚С такой областью является 5–8 мкм. Если проводить измерения пирометром, работающим в области 1–2 мкм, то будет измерена температура не стекла, а объектов, находящихся за стеклом (следует заметить, что при температуре выше 1 000˚С стекло становится непрозрачным в области 1–2 мкм).
Содержание в воздухе перед объектом значительного количества пыли, дыма или пара снижает точность измерений, так как происходит селективное (в определенном диапазоне длин волн) или сплошное ослабление теплового излучения объекта. Селективное поглощение теплового излучения происходит даже в абсолютно чистом воздухе из-за поглощения газами, входящими в его состав (в основном CO, CO2, H2O), что приводит к зависимости показаний пирометра от расстояния до объекта. Существуют так называемые "окна прозрачности" атмосферы (1–1,7; 2–2,5; 3–5 и 8–14 мкм), в которых поглощение минимально (рис.3). Если использовать в пирометре оптические фильтры (германиевые, кремниевые и др.), то погрешность, возникающая из-за поглощения атмосферой, сведется к минимуму при условии попадания в "окно прозрачности".
Значительные погрешности возникают также при загрязнении поверхностей оптической системы пирометра. Это приводит к необходимости их периодической очистки или, в особо тяжелых условиях, к непрерывному обдуву чистым воздухом.
В-третьих, надо учитывать геометрические параметры оптических систем. Оптическая система формирует поле зрения пирометра – область пространства, в пределах которой измеряют температуру. Для корректного проведения измерений необходимо, чтобы объект полностью перекрывал поле зрения прибора. В противном случае, во-первых, поток теплового излучения, попадающий на приемник (датчик) пирометра от объекта измерения, уменьшится пропорционально сокращению перекрываемой объектом площади. Во-вторых, на приемник будет попадать излучение заднего фона (объектов, расположенных за объектом измерения). Рассмотрим три основных варианта пространственной формы поля зрения пирометра (рис.4).
Первый вариант: приемник расположен перед фокусом или в фокусе линзовой либо зеркальной оптической системы. Поле зрения в этом случае будет представлять собой усеченный конус, расходящийся от пирометра (рис.4а). Второй вариант, когда приемник расположен за фокусом оптической системы. Поле зрения вначале сужается, а после прохождения "перетяжки" расширяется под углом, несколько большим угла сужения (рис.4б). Третий случай − когда оптическая система представляет диафрагму с калиброванным отверстием малого диаметра. Поле зрения, как и в первом случае, образует расходящийся от пирометра усеченный конус, наименьший диаметр которого равен диаметру отверстия (рис.4в).
В качестве параметра, определяющего диаметр поля зрения пирометра, обычно используют "показатель визирования" η, равный отношению диаметра поля зрения к расстоянию до точки измерения (рис.5). Следует отметить, что корректно рассчитать диаметр поля зрения пирометра на произвольном расстоянии, используя показатель визирования, можно только в случае, изображенном на рис.4в. В первом и втором вариантах (рис.4,а и 4б) такой расчет будет давать большую ошибку, так как для них η = f ( L ). Наиболее точно рассчитать диаметр поля зрения возможно при использовании диаграммы поля зрения пирометра, на которой приводится диаметр (или радиус) поля зрения в зависимости от расстояния до объекта измерения (рис.6).
Четвертое условие, влияющее на результат измерения, учет того, что пирометром может быть измерена только температура поверхности объекта. Измерение температуры внутри объекта возможно лишь путем нарушения его целостности (что справедливо и для контактных средств измерения).
Пятое условие: для настройки и поверки пирометров необходимо использовать модели АЧТ, излучательная способность которых близка к единице и определена с высокой точностью. Конструктивно модель АЧТ обычно представляет собой равномерно нагретую полость с выходным отверстием для визирования пирометра (рис.7).
Учет в реальном измерительном эксперименте на практике перечисленных факторов способен повысить точность результатов измерений температуры тел пирометром.
Литература
Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. – М.: Сов. радио, 1978.
Поскачей А.А., Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. – М.: Энергоатомиздат, 1988.
Поскачей А.А., Чарихов Л.А. Погрешности пирометров излучения и некоторые пути их снижения. – Методы и средства оптической пирометрии. М.: Наука, 1983.
De Witt, Nutter. Theory and Practice of Radiation Thermometry. – New York:John Wiley&Son, 1988.
Поэтому для исследователей и инженеров крайне актуален вопрос сравнительной оценки различных типов пирометров, а также определение преимуществ и недостатков самого пирометрического метода. Преимущества пирометрических методов измерения температуры перед контактными известны:
высокое быстродействие, определяемое типом приемника излучения и схемой обработки электрических сигналов. При использовании квантовых приемников излучения (фотодиодов) и быстродействующих аналого-цифровых преобразователей (АЦП) постоянная времени может составлять 10-2–10-6 с;
возможность измерения температуры движущихся объектов и элементов оборудования, находящихся под высоковольтным потенциалом;
отсутствие искажения температурного поля объекта контроля, что особенно актуально при измерении температуры материалов с низкой теплопроводностью (дерево, пластик и др.), а также риска повреждения поверхности и формы в случае мягких (пластичных) объектов;
возможность измерения высоких температур, при которых применение контактных средств измерения либо невозможно, либо они быстро выходят из строя;
возможность работы в условиях повышенной радиации и температуры окружающей среды (до 250˚) при разнесении приемной головки и электроники пирометра с помощью оптоволоконного кабеля.
Но основной недостаток пирометрических измерений температуры – трудность полного учета связей между термодинамической температурой объекта и регистрируемой пирометром тепловой радиацией [1]. Необходимо учитывать изменение излучательной способности поверхности ε от длины волны λ в регистрируемом спектральном диапазоне и от температуры T в диапазоне измерений, наличие поглощения излучения в среде между пирометром и объектом контроля, геометрические параметры поля зрения пирометра и его оптической системы, температуру окружающей среды и корпуса прибора.
Какие же основные факторы влияют на точность результатов измерений пирометром.
Во-первых, известно, что пирометр, измеряя поток теплового излучения с некоторой части поверхности объекта в рабочей области спектра, вычисляет его температуру. Либо, особенно в пирометрах спектрального отношения, используют отношение потоков в двух и более областях спектра [2].
Для расчета плотности излучения в заданном спектральном интервале применяют закон Планка, который является основным и наиболее общим законом в теории теплового излучения:
Вт/см3,
где ε – излучательная способность, С1 и С2 – первая и вторая постоянные Планка, λ – длина волны, Т – температура.
Для непрозрачных тел справедливо выражение: ε = A = 1 – R, где A – коэффициент поглощения, R – коэффициент отражения. Объект с R = 0 (т.е. полностью поглощающий падающее на него излучение), обладает наибольшей излучательной способностью. У него ε = 1, и его называют "абсолютно черным телом" (АЧТ). Реальные объекты имеют излучательную способность меньше 1 и, следовательно, излучают меньше энергии. Проблема заключается в том, что для большинства реальных объектов излучательная способность зависит от температуры и длины волны, т.е. ε = f ( λ, T ), а также от многих других факторов: материала и формы объекта, состояния поверхности, наличия оксидной пленки, конденсата влаги и т.п. (рис. 1).
Дерево, пластик, органические материалы, камень, графит имеют излучательную способность около 0,8–0,95, а у металлов, наоборот, излучательная способность может изменяться в очень широких пределах, все зависит от температуры и длины волны. Поверхность расплавленного металла образует гладкое зеркало, излучательная способность которого может быть менее 0,1, а излучательная способность плавающего на поверхности шлака может достигать значений 0,9–0,95.
Для корректного измерения температуры необходимо точно указать пирометру излучательную способность объекта [3,4]. В современной пирометрической практике для ее определения используют следующие способы:
Учитывая данные из справочных таблиц, приводимые обычно в руководстве на пирометр или в справочниках (заметим, этот способ самый простой, но наименее точный);
измерение температуры объекта контактным способом (например, поверхностной термопарой). Затем, изменяя значение излучательной способности на задатчике пирометра, добиваются равенства показаний пирометра и термопары. Если по каким-либо причинам измерение температуры объекта контактным способом невозможно, эту процедуру проводят с образцом материала объекта, нагревая его до температуры, близкой к температуре объекта. Некоторые модели пирометров имеют разъем для подключения термопары и могут измерять температуру контактным и бесконтактным способом одновременно;
просверлив в объекте (или в образце материала объекта) отверстие, внутри него при помощи пирометра измеряют температуру. При этом диаметр отверстия должен соответствовать диаметру поля зрения пирометра, а глубина составлять величину, большую в пять раз, чем диаметр. Тогда излучательную способность созданной таким образом модели АЧТ можно принять равной 1. Затем надо навести пирометр на неповрежденную поверхность объекта и, меняя значение излучательной способности на задатчике пирометра, добиться показаний, близких к полученным ранее по модели АЧТ. Этот способ наиболее трудоемкий и приемлем только в том случае, когда перепад температур по длине отверстия незначителен;
при невысоких температурах иногда часть поверхности объекта окрашивают черной матовой краской, излучательную способность которой можно принять равной 0,95. Далее измеряют температуру окрашенной поверхности пирометром, а затем по описанной выше методике определяют излучательную способность неокрашенной поверхности.
Во-вторых, между пирометром и объектом не должны стоять препятствия, непрозрачные в рабочей области спектра пирометра. В противном случае, из-за уменьшения потока излучения, показания пирометра будут занижены. Объект измерения, напротив, должен быть непрозрачным в данной области спектра. Для примера возьмем обычное оптическое стекло при 25˚С (рис.2).
Когда необходимо измерить температуру самого стекла, следует использовать пирометр, работающий в той области спектра, в которой стекло наименее прозрачно. Как видно из рис.2, при 25˚С такой областью является 5–8 мкм. Если проводить измерения пирометром, работающим в области 1–2 мкм, то будет измерена температура не стекла, а объектов, находящихся за стеклом (следует заметить, что при температуре выше 1 000˚С стекло становится непрозрачным в области 1–2 мкм).
Содержание в воздухе перед объектом значительного количества пыли, дыма или пара снижает точность измерений, так как происходит селективное (в определенном диапазоне длин волн) или сплошное ослабление теплового излучения объекта. Селективное поглощение теплового излучения происходит даже в абсолютно чистом воздухе из-за поглощения газами, входящими в его состав (в основном CO, CO2, H2O), что приводит к зависимости показаний пирометра от расстояния до объекта. Существуют так называемые "окна прозрачности" атмосферы (1–1,7; 2–2,5; 3–5 и 8–14 мкм), в которых поглощение минимально (рис.3). Если использовать в пирометре оптические фильтры (германиевые, кремниевые и др.), то погрешность, возникающая из-за поглощения атмосферой, сведется к минимуму при условии попадания в "окно прозрачности".
Значительные погрешности возникают также при загрязнении поверхностей оптической системы пирометра. Это приводит к необходимости их периодической очистки или, в особо тяжелых условиях, к непрерывному обдуву чистым воздухом.
В-третьих, надо учитывать геометрические параметры оптических систем. Оптическая система формирует поле зрения пирометра – область пространства, в пределах которой измеряют температуру. Для корректного проведения измерений необходимо, чтобы объект полностью перекрывал поле зрения прибора. В противном случае, во-первых, поток теплового излучения, попадающий на приемник (датчик) пирометра от объекта измерения, уменьшится пропорционально сокращению перекрываемой объектом площади. Во-вторых, на приемник будет попадать излучение заднего фона (объектов, расположенных за объектом измерения). Рассмотрим три основных варианта пространственной формы поля зрения пирометра (рис.4).
Первый вариант: приемник расположен перед фокусом или в фокусе линзовой либо зеркальной оптической системы. Поле зрения в этом случае будет представлять собой усеченный конус, расходящийся от пирометра (рис.4а). Второй вариант, когда приемник расположен за фокусом оптической системы. Поле зрения вначале сужается, а после прохождения "перетяжки" расширяется под углом, несколько большим угла сужения (рис.4б). Третий случай − когда оптическая система представляет диафрагму с калиброванным отверстием малого диаметра. Поле зрения, как и в первом случае, образует расходящийся от пирометра усеченный конус, наименьший диаметр которого равен диаметру отверстия (рис.4в).
В качестве параметра, определяющего диаметр поля зрения пирометра, обычно используют "показатель визирования" η, равный отношению диаметра поля зрения к расстоянию до точки измерения (рис.5). Следует отметить, что корректно рассчитать диаметр поля зрения пирометра на произвольном расстоянии, используя показатель визирования, можно только в случае, изображенном на рис.4в. В первом и втором вариантах (рис.4,а и 4б) такой расчет будет давать большую ошибку, так как для них η = f ( L ). Наиболее точно рассчитать диаметр поля зрения возможно при использовании диаграммы поля зрения пирометра, на которой приводится диаметр (или радиус) поля зрения в зависимости от расстояния до объекта измерения (рис.6).
Четвертое условие, влияющее на результат измерения, учет того, что пирометром может быть измерена только температура поверхности объекта. Измерение температуры внутри объекта возможно лишь путем нарушения его целостности (что справедливо и для контактных средств измерения).
Пятое условие: для настройки и поверки пирометров необходимо использовать модели АЧТ, излучательная способность которых близка к единице и определена с высокой точностью. Конструктивно модель АЧТ обычно представляет собой равномерно нагретую полость с выходным отверстием для визирования пирометра (рис.7).
Учет в реальном измерительном эксперименте на практике перечисленных факторов способен повысить точность результатов измерений температуры тел пирометром.
Литература
Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. – М.: Сов. радио, 1978.
Поскачей А.А., Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. – М.: Энергоатомиздат, 1988.
Поскачей А.А., Чарихов Л.А. Погрешности пирометров излучения и некоторые пути их снижения. – Методы и средства оптической пирометрии. М.: Наука, 1983.
De Witt, Nutter. Theory and Practice of Radiation Thermometry. – New York:John Wiley&Son, 1988.
Отзывы читателей
