Пирометры (инфракрасные термометры)

Что такое пирометр

Пирометр — это прибор для бесконтактного измерения отраженной температуры любого твердого предмета или жидкости. Он состоит из оптической линзы, приемника луча, преобразователя, дисплея и аккумулятора. Название происходит от др.-греч. πῦρ «огонь, жар» + μετρέω «измеряю». В двух словах принцип действия которого основан на измерении мощности теплового излучения объекта преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света.

Пирометр улавливает лучи, которые идут от нагретого объекта, преобразует их в электрические сигналы и анализирует интенсивность. Результат анализа появляется на дисплее в виде числа или цветной картинки.

В основе функционирования прибора лежат принципы теплового излучения. Согласно закону Макса Карла Эрнста Людвига Планка, тело излучает тепло пропорционально его температуре. Таким образом, измеряя ИК-излучение объекта, удастся вычислить его температуру. Нужно отметить, что каждый объект имеет свой коэффициент эмиссии, который определяет, какую часть он излучает при определённой температуре. Этот коэффициент учитывается при расчёте.

История

Один из первых пирометров изобрёл Питер ван Мушенбрук. Изначально термин использовался применительно к приборам, предназначенным для измерения температуры визуально, по яркости и цвету сильно нагретого (раскалённого) объекта. В настоящее время смысл несколько расширен, в частности, некоторые типы пирометров (такие приборы правильнее называть инфракрасные радиометры) измеряют достаточно низкие температуры (0 °C и даже ниже).

Развитие современной пирометрии и портативных пирометров началось с середины 60-х годов прошлого столетия и продолжается до сих пор. Именно в это время были сделаны важнейшие физические открытия, позволившие начать производство промышленных пирометров с высокими потребительскими характеристиками и малыми габаритными размерами. Первый портативный пирометр был разработан и произведён американской компанией Wahl в 1967 году. Новый принцип построения сравнительных параллелей, когда вывод о температуре тела производился на основе данных инфракрасного приёмника, определяющего количество излучаемой телом тепловой энергии, позволил существенно расширить границы измерения температур твёрдых и жидких тел.

Принципы классификации пирометров

Пирометры можно разделить по нескольким основным признакам:

• Оптические. Позволяют визуально определять, как правило, без использования специальных устройств, температуру нагретого тела, путём сравнения его цвета с цветом эталонной накаливаемой электрическим током металлической нити в специальных измерительных лампах накаливания.
• Радиационные. Оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой спектральной полосе излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения.
• Цветовые (другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения) — позволяют измерить температуру объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных участках спектра.

Температурный диапазон

• Низкотемпературные. Обладают способностью измерять температуры объектов с низкими относительно комнатных температурами, например, температуры холодильных камер холодильников.
• Высокотемпературные. Оценивают лишь температуру сильно нагретых тел, когда определение «на глаз» не представляется возможным. Обычно имеют существенную ошибку в сторону верхнего предела измерения прибора.

Исполнение

• Переносные. Удобны в эксплуатации в условиях, когда необходима требуемая точность измерений, с мобильностью, например для измерения температуры участков трубопроводов в труднодоступных местах. Обычно такие переносные приборы снабжены небольшим дисплеем, отображающим графическую или текстово-цифровую информацию.
• Стационарные. Предназначены для более точного измерения температуры объектов. Используются, в основном, на крупных промышленных предприятиях для непрерывного контроля технологического процесса при производстве расплавленных 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).

Конструкция и функционал пирометра

Основой измерителя является лазерный детектор ИК-излучения. Конструкция состоит из корпуса и объектива, своим видом она напоминает пистолет с дисплеем.

Прибор отличается компактной панелью управления, имеет лазерную наводку и обеспечивает точность измерений. Информация, поступающая в пирометр, преобразуется и отражается на экране.

Отличия пирометров

Чем отличается пирометр от термометра?

Кажется, что пирометр — это тот же термометр, раз и тот и другой измеряют температуру. Но между ними больше различий, чем общего:

• У пирометра шире температурный диапазон, поэтому прибор можно использовать при температуре объекта от –50 до 3000 °С, а термометр — от –200 до 800 °С.
• Пирометр быстрее определяет температуру поверхности. В среднем ему требуется 0,5–1,5 секунды, а термометру — 1–10 минут.
• Пирометр точнее определяет температуру. Погрешность пирометра — 0,1–0,2 °С, а термометра — до 2 °С.

Принцип работа пирометра

Нагретые объекты выступают источниками инфракрасного излучения. При этом существует прямая связь — чем сильнее нагрето тело, тем мощнее излучение. Люди не видят ИК-излучение, а пирометры инфракрасные определяют лучи, и по их интенсивности устанавливают температуру предмета.

Работа визуального пирометра основана на определении температуры объекта по тепловому излучению. Такие возможности устройства позволяют контролировать перепады значений и регулировать температурные показатели бытовых и промышленных объектов, в различных частях и деталях.

Инфракрасный температурный бесконтактный термометр улавливает тепловое излучение от нагретого предмета, фокусирует его чувствительной частью, соединенной с приемником.

Если установлена термопара, при нагреве приемника меняются параметры напряжения. Когда используется полупроводник, оценивают изменения сопротивления. Данные преобразуются в температурные показания.

Чтобы провести измерение, прибор наводят на объект, приводят в действие и фиксируют результат. С помощью специальной кнопки можно выбирать формат — шкала по Цельсию или Фаренгейту.

Устройством измеряют температуру по отраженному излучению. Это удобно при контроле параметров труднодоступных деталей. Нет необходимости иметь доступ к нагретой детали, достаточно воспользоваться отражением в зеркале.

На результат влияют отражающие способности материала — чем они выше, тем больше погрешность. Для исключения ошибок учитывают коэффициент эмиссии, который необходимо ввести перед началом измерения.

Функция ввода присутствует не в каждой модели. Простые модификации предназначены измерения температурных показателей из определенных материалов, которые нужно выбрать из меню.

Теперь подробнее разберёмся, как работает пирометр, с учётом этих знаний:

1. Все объекты в мире излучают в ИК-диапазоне, видимое только для специальных приборов. Чем они горячее, тем больше излучают.
2. При активации пирометр посылает луч к объекту, которого мы хотим измерить.
3. Когда луч попадает на горячую поверхность, то интенсивность излучения возрастает, а прибор это замечает. Если объект холоднее, то интенсивность снижается.
4. Детектор прибора замечает, сколько ИК-света излучает объект, затем его электроника проводит математические вычисления

В действительности у современного пирометра принцип действия прост, и оператору несложно им воспользоваться. Например, если нужно узнать температуру чашки горячего чая, не прикасаясь к ней, то достаточно взять пирометр, направить его луч на чашку, и прибор её покажет.

Важно помнить, что пирометр — прибор для измерения температурных параметров на поверхности объекта, а не внутри него. Он очень полезен во многих сферах, где нужно быстро и точно измерить термические характеристики, избегая прямого контакта с объектом.

Особенности работы

На точность показаний не влияет расстояние между пирометром и объектом. При этом прибор должен применяться для диапазона, обозначенного в инструкции.

Предметы и тела отражают не только свое инфракрасное излучение, но и от рядом расположенных поверхностей. При этом отраженное инфракрасное излучение не показывает настоящую температуру. Бесконтактный прибор не различает излучаемые и отраженные волны.

Для точности измерений необходимо произвести настройку с учетом особенностей исследуемого объекта. Для этого у приборов есть переключатель коэффициента излучения. Он компенсирует отраженное излучение, которое снижает точность показаний. При настройке можно обращаться к таблицам с коэффициентами для разных поверхностей.

Сферы применения инфракрасных пирометров

Благодаря способности бесконтактного измерения, приборы встречаются в разных отраслях производства, науки, промышленности, исследований и быта. Удобство, объединённое с точностью, сделали их подходящим инструментом для множества задач. Вот популярные сферы применения:

• Промышленность. Здесь они играют ключевую роль, где их применяют для анализа температуры на разных участках производства, включая металлургию, химическую, пищевую, стеклодувную и керамическую промышленность. Например, пирометры для измерения температуры металла нужны для термоконтроля изделий на разных этапах металлообработки.
• Электроэнергетика. Необходимы для мониторинга температуры электрических компонентов или оборудования под напряжением, таких как трансформаторы, провода, электронные устройства. Они помогают выявить потенциальные проблемы, предотвратить перегрев оборудования.
• Строительство или ремонт. В строительной индустрии используются для термического контроля материалов, таких как бетон, асфальт, кирпич, каркасные панели. Это помогает контролировать процессы, связанные с теплопроводностью материалов, поддерживать качество строительных работ на уровне.
• Автомобильная индустрия. В автосервисе применяются для диагностики или проверки температуры различных компонентов автомобиля, включая двигатель, тормозные системы, охлаждение, кондиционирование или отопление салона. Ещё их используют в гоночных соревнованиях для термоконтроля шин, тормозных дисков.
• Медицина. Незаменимы в больницах или медицинских кабинетах, помогают измерять температуру человеческого тела без контакта с пациентом. Это важно в условиях медицинских учреждений, где необходимо быстро и безопасно узнать этот физиологический показатель человека. Популярны и в ветеринарии.
• Электроника. Инженеры или техники используют их в электронной индустрии, чтобы знать температуру компонентов на печатных платах, внутренних частей электронных устройств. Это помогает выявить неисправности, способные вызывать перегрев и повреждение электроники.
• Сельское хозяйство. В этой сфере они помогают контролировать температуру почвы и растений. На основе их показаний рассчитывается оптимальное время для полива, что увеличивает урожайности.

ИК-пирометры дают пользователям возможность быстро замерять температуру без контактирования с объектом. Это сделало их важным инструментом для множества отраслей или профессиональных областей.

Правила работы с пирометрами

1. Подготовка прибора: Убедитесь, что батарейки в приборе заряжены или установлены новые, чтобы обеспечить корректное функционирование. Включите его, нажав кнопку питания. Она находится на корпусе.
2. Установка единиц измерения: Многие модели позволяют выбирать между градусами Цельсия (°C) или Фаренгейта (°F). Если это необходимо, установите желаемую единицу с помощью кнопки настройки.
3. Наведение на объект: Наведите оптическую часть (окно с лазерной мишенью) на поверхность анализируемого объекта. Лазер поможет вам точно прицелиться.
4. Измерение: Нажмите кнопку в виде спусковой скобы, которая находится на лицевой панели. В момент нажатия, пирометр начнёт излучать ИК-лазерный луч на объект, считывая излучение.
5. Чтение результата: Результат будет отображаться на экране прибора. Это может быть число с указанием единиц (например, «35.7°C» или «96.5°F»). Таким образом, вы увидите текущую температуру измеряемой поверхности.
6. Завершение работы: Если необходимо провести несколько замеров, просто направьте прибор на новый объект, затем повторите процедуру.
7. Выключение прибора: После завершения работы выключите пирометр, чтобы экономить заряд встроенного аккумулятора или батарей. Также в нём предусмотрено автоотключение — если долго не использовать прибор, он отключится самостоятельно.

Этот ИК-прибор значительно упростил задачу термоконтроля во многих сферах. Именно с ним проверка температуры стала быстрым, безопасным и удобным процессом, особенно измерения горячих или труднодоступных объектов.

Рекомендации по работе с пирометрами

а) Не используйте прибор для измерения температуры блестящих или полированных металлических поверхностей (нержавеющая сталь, алюминий и т. п.) – см. Коэффициент излучения.

б) Прибор не может измерять температуру сквозь прозрачные поверхности, такие как стекло. Вместо температуры видимого сквозь стекло объекта будет измерена температура стекла.

в) Пар, пыль, дым и т. п. между оптикой прибора и объектом могут снизить точность измерения. 

Основные меры предосторожности при работе с пирометрами

• Убедитесь, что батарея заряжена или замените её перед использованием.
• При измерении выбирайте наиболее репрезентативную область поверхности объекта, которую вы хотите измерить.
• Помните, что температура измеряется только на поверхности, а не внутренней части объекта.
• Держитесь на нужном расстоянии от измеряемого объекта, в соответствии с характеристиками используемой модели.
• Убедитесь, что лазерный указатель (если он есть) или измерительный прицел направлены точно на цель.
• Учтите, что разные материалы имеют разные коэффициенты эмиссии. Не забывайте про его настройку для минимизации погрешности.
• Избегайте направления лазерного луча в глаза, чтобы не допустить повреждения зрения.
• При работе с высокотемпературными объектами носите защитные очки и одежду.
• Учитывайте факторы, которые способны повлиять на точность, такие как атмосферные условия, пыль, пар, а также другие загрязнители.
• Периодически калибруйте прибор с помощью эталонных источников температуры или контрольных (поверочных) приборов.
• Если вам необходимо сохранить данные измерений, заведите журнал или используйте мобильное приложение для записи результатов.

Важные характеристики пирометров

Поле обзора. При измерении убедитесь, что измеряемый объект больше, чем размер пятна, внутри которого проводится измерение. Чем меньше объект, тем ближе нужно располагать к нему прибор. Если точность измерения особенно важна, размер объекта должен превышать размер пятна по крайней мере в два раза.

Расстояние и размер пятна. При увеличении расстояния (D) до объекта, величина пятна (S), температура которого измеряется, также увеличивается.

Нахождение горячей точки. Для того, чтобы найти горячую точку, наведите пирометр на интересующую вас область и водите им вверх и вниз, пока горячая точка не будет найдена.

Оптическое разрешение — это соотношение между удаленностью объекта и диаметром пятна измерений. Данный показатель определяет функционал устройства и его стоимость. В некоторых моделях предусмотрена настройка температуры — максимальной, минимальной или средней.

Благодаря наличию функции непрерывного замера температуры приборы могут определять места тепловой утечки и неисправных электрических элементов. Пирометры бесконтактные перемещают по поверхности и отслеживают изменения.

Диапазон температур — минимальная и максимальная отметка определяемых значений. При выборе прибора необходимо учитывать температуру объектов, которые планируется исследовать. Бытовые модели рассчитаны на измерение от -50 до +500 ºС. Чем выше диапазон, тем дороже устройство.

Время отклика — важный параметр, если необходимо производить много измерений, либо при быстрых изменениях температуры. Профессиональные модели имеют скорость отклика 0,15 сек, это позволяет выполнять большой объем работы в минимальные сроки. Для бытовых вариантов достаточно быстродействия в 1 сек.

В зависимости от модификации современные приборы обладают следующим функционалом:

• Встроенной памятью для хранения проведенных замеров.
• Функцией определения минимальной и максимальной температуры при нескольких измерениях.
• Звуковой сигнализацией при достижении выставленного порогового значения.
• USB для подключения к компьютеру или переноса данных на флеш-накопитель.

Коэффициент излучения – это термин, используемый для описания свойств материалов при излучении ими энергии.

Большинство (90% типичных случаев) органических материалов и окрашенных или покрытых оксидами поверхностей имеют коэффициент излучения 0,95, который установлен в приборе по умолчанию. Измерение блестящих или полированных металлических поверхностей будет неточным. Для проведения измерений покройте поверхность такого объекта клейкой лентой или чёрной матовой краской, а затем дайте такому покрытию время, чтобы приобрести температуру находящегося под ним объекта. После этого можно измерить температуру ленты или окрашенной поверхности.

Типичные величины коэффициента излучения

Материал	Коэффициент излучения	Материал	Коэффициент излучения
Цинк (окисленный)	0,1	Гальванизированное железо	0,3
Луженая сталь	0,1	Золото (полированное)	0,1
Серебро (полированное)	0,1	Красный кирпич (не шлифованный)	от 0,75 до 0,9
Обожженная глина	0,75	Асбест	0,95
Бетон	0,7	Мрамор	0,9
Карбид кремния	0,85	Штукатурка	0,9
Окись алюминия (мелкозернистая)	0,25	Окись алюминия (крупнозернистая)	0,45
Двуокись кремния (мелкозернистая)	0,4	Двуокись кремния (крупнозернистая)	0,55
Силикат циркония до 500°С	0,85	Силикат циркония при 850°С	0,6
Кварц (необработанный)	0,9	Уголь (графит)	0,75
Уголь (сажа)	0,95	Лесоматериалы (различные)	от 0,8 до 0,9
Эмаль (любого цвета)	0,9	Масляная краска (любого цвета)	0,95
Лакированные изделия	0,9	Матовая черная краска	от 0,95 до 0,98
Лакированный алюминий	0,5	Вода	0,98
Резина (гладкая)	0,9	Резина (негладкая)	0,98
Пластмассы (различные, твердые)	от 0,8 до 0,95	Пластмассовая пленка	от 0,5 до 0,95
Полиэтиленовая пленка	от 0,2 до 0,3	Бумага и картон	0,9
Полированный силикон	0,7	Чугун (полированный)	0,2
Чугун (обработанный при 100°С)	0,45	Чугун (обработанный при 1000°С)	от 0,6 до 0,7
Сталь	0,6	Мягкая сталь	от 0,3 до 0,5
Листовая сталь (оксидированная)	0,9	Чугунные листы (ржавые)	от 0,7 до 0,85
Чугун (необработанный) ржавый	0,95	Расплавленный чугун	0,3
Расплавленная мягкая сталь	от 0,3 до 0,4	Нержавеющая сталь (полированная)	0,1
Нержавеющая сталь (разная)	от 0,2 до 0,6	Алюминий (полированный)	0,1
Алюминий (высоко оксидированный)	0,25	Оксид алюминия при 260°С	0,6
Оксид алюминия при 800°С	0,3	Алюминиевые сплавы	от 0,1 до 0,25
Латунь (полированная)	0,1	Латунь (неполированная)	0,2
Оксид латуни	0,6	Медь (полированная)	0,05
Медь листовая	0,8	Расплавленная медь	0,15
Свинец (чистый)	0,1	Свинец (оксидированный при 25°С)	0,3
Свинец (оксидированный, 200°С)	0,6	Никель (чистый)	0,1
Никель листовой (оксидированный)	от 0,4 до 0,5	Нихром	0,7
Нихром (оксидированный)	0,95

Как выбрать пирометр? Основные критерии выбора

При выборе нужного устройства потребуется учитывать несколько критериев, чтобы он соответствовал конкретным требованиям и задачам. Рассмотрим некоторые модели пирометров и разберёмся, как выбрать нужный прибор в зависимости от решаемой задачи:

1. Диапазон измерения температуры. Разными моделями поддерживаются различные диапазоны. Например, если часто приходится измерять высокие температуры, выбирайте приборы, способные работать в более широком диапазоне.
2. Точность измерения. Это важный параметр, особенно в научных и промышленных задачах.
3. Скорость измерения. Некоторые устройства работают быстрее. Если нужно проводить много измерений за минимальное время, учитывайте скорость работы прибора.
4. Дополнительные функции. Подумайте о дополнительных функциях, которые могут пригодиться в вашей работе.
5. Расстояние измерения. Учитывайте максимальное расстояние, которое поддерживается прибором для дистанционного измерения температуры.
6. Цена и бюджет. Важно учесть ваш бюджет. Возможно, придётся балансировать между характеристиками и стоимостью. 
7. Области применения. Например, если нужен прибор для среднетемпературных измерений до 600°C.

Выбор прибора зависит от задачи и сферы, в которой будет применяться бесконтактный термометр. Убедитесь, что выбранный прибор соответствует параметрам и требованиям вашей работы или исследования.