Физические основы под устройство бесконтактного термометра
Далёкий 1900 год стал моментом, когда учёным физикам удалось определить полный электромагнитный спектр. Тогда же были установлены качественные и количественные корреляции, описывающие инфракрасную энергию.
Определение термина «чёрное тело»?
Конвертер излучения, способный поглощать всё входящее излучение при полном исключении проявления эффекта какого-либо отражения или пропускания энергии, учёные характеризуют как «чёрное тело».
Элементы конструкции бесконтактного ручного термометра: 1 – кнопка установки единиц измерения температуры (ºC / ºF); 2 – кнопка установки режима работы; 3 – кнопка включения / выключения; 4 – измеренная температура на дисплее; 5 – красная точка лазера; 6 – детектирующее отверстие; 7 – клавиша активации измерения; 8 – блок питания «Чёрному телу» характерно излучение максимума энергии на каждой длине волны. При этом уровень фона не зависит от угловых величин. «Чёрное тело» рассматривается как основа понимания физических принципов бесконтактного контроля температуры, а также техники калибровки инфракрасных бесконтактных термометров.
Достаточно простой видится конструкция полого «чёрного тела», имеющего небольшое отверстие в одной из конечных областей. Если происходит нагрев до определенного значения температуры, внутри полой области отмечается баланс температуры. Сквозь имеющееся отверстие эта температура излучается. Под каждый температурный диапазон и с учётом применения, роль играют материал и геометрическая структура «чёрного тела».
Если отверстие очень малого диаметра по сравнению с общим объёмом, интерференция идеального состояния крайне мала. Позиционируя измерительный аппарат (бесконтактный термометр) по системному отверстию «чёрного тела», выполняют калибровку измерительного устройства.
Для калибровки таких устройств как бесконтактный термометр используется специальное оборудование, благодаря которому получают и определяют базовую температурную точку На практике простые устройства используют поверхности, которые покрыты пигментированной краской, демонстрируя значения поглощения, плюс излучающую способность для установленного диапазона длин волн. Такого подхода достаточно для калибровки под реальный контроль.
Концепция фона «чёрного тела»
Закон лучистой энергии по Планку устанавливает базовую взаимосвязь под бесконтактное измерение температуры. Этим законом характеризуется удельная величина спектрального излучения (Mλs) «чёрного тела» в область полупространства, с учётом температуры (T) и длины волны (λ).
Увеличение температуры сопровождается смещением удельной максимальной величины спектрального излучения в зону более коротких длин волн. Однако представленную формулу недопустимо применять без ограничений. Но допустимо брать из концепции различные соотношения.
Внедрением спектральной интенсивности излучения под все длины волн от 0 до бесконечности, открываются возможности получения значений фона объекта в целом. Такое соотношение определяется законом Стефана-Больцмана:
MλS = σ · T4 σ = 5,67 · 10–8 WM–2 K–4
Полный фон «чёрного тела» в границах общего диапазона длин волн растёт пропорционально четвёртой степени абсолютной температуры. Закон Планка в графике также демонстрирует, как длина волны под генерацию максимума фона «чёрного тела» сдвигается по факту температурных изменений.
Закон смещения по Вину выводится из формулы Планка методом дифференциации:
λ max · T = 2898 μm · K
Длина волны под максимальное значение излучения, с ростом температуры переходит в область коротких волн.
Что такое «серое тело»?
Лишь немногие тела соответствуют идеалу чёрного тела. Многие тела излучают куда меньше радиации при аналогичной температуре. Излучающая способность (ε) определяет отношение величины излучения в реальном и «чёрном» телах (между нулём и единицей). Инфракрасный датчик воспринимает излучение с поверхности объекта, включая фон окружающей среды, плюс инфракрасное излучение от контрольного объекта:
ε + ρ + τ = 1;
где: ε – излучающая способность, ρ – отражательная способность, τ – степень прозрачности.
Большинство существующих тел остаются непрозрачными в инфракрасном диапазоне, поэтому в таких случаях применимо следующее выражение:
ε + ρ = 1;
демонстрирующее, насколько проще измерять отражение, нежели излучающую способность объекта (тела).
Что такое пирометр, и где он применяется?
Пирометр схож с обычным комнатным термометром по принципу действия, с единственной разницей в том, что может измерять температуру большего диапазона и на расстоянии. То есть не нужно прикасаться к измеряемому объекту, чтобы узнать его температуру (хотя существуют и контактные пирометры). Это весьма удобно, так как можно измерить очень горячие поверхности (до 300 — 550 °С).
Пирометр нашел применение в следующих областях:
- Электрика. Им производятся замеры температуры соединений. Например, если температура соединения фазной шины и провода 80 — 100 °С, а температура окружающей среды 20 °С, это означает, что контакт слабый, поэтому греется, и его нужно подтянуть.
- Ремонт автомобиля. К примеру, вы заметили, что двигатель вашего автомобиля сильно греется, и вам нужно узнать в чем причина. Вы замеряете температуру на входном патрубке термостата и температуру радиатора. Если разница температур большая, тогда проблема может быть в работе термостата.
- Ремонт электроники и бытовой техники. Можно проверить греется ли процессор или материнская плата в компьютере. Также можно узнать температуру подшипников в движущихся узлах электродвигателей и, если она высокая, тогда производить ремонт.
- Расчет теплопотерь помещения. Пирометр позволит узнать температуру стен, окон и дверей, чтобы можно было рассчитать теплопотери и соответственно утеплить при необходимости.
- Проверка теплоотдачи отопительной системы. Устройство позволит проверить, как греет котел систему индивидуального отопления, или соответствует ли температура батарей в центральном отоплении той, которая заявлена государством (по закону).
Как пользоваться пирометром?
Принцип действия устройства следующий: тепловой (инфракрасный) датчик принимает инфракрасное излучение от объекта и передает его на электронный блок. Электронный блок обрабатывает излучение и выдает показания температуры на дисплей устройства.
На каждом устройстве производитель указывает оптическое разрешение, то есть на каком расстоянии необходимо измерять температуру объекта. Например, на приборе DECO CWQ01 указано оптическое разрешение 12:1. Это означает, что для правильного измерения температуры необходимо расположить прибор на расстоянии равном 12*S, где S — это диаметр пятна, с которого тепловой датчик снимает показание температуры. Предположим нам необходимо узнать температуру процессора компьютера, диаметр которого 3 см. Для точных показаний нам необходимо держать устройство на расстоянии 12 * 3 = 36 см. Если мы будем держать чуть дальше, диаметр замеряемого пятна увеличится (как луч в фонарике) и показания будут сняты не только с процессора, но и с окружающей его платы.
Каждое устройство имеет красный луч маркер
Обратите внимание, что измеряет температуру не он, а датчик, который расположен под излучателем. Луч лишь показывает место замера
Если пирометр поднести слишком близко к объекту, то пятно измерения будет находится ниже луча, и мы снимем показания не с того места, с которого хотели
Именно поэтому важно держать устройство на правильном расстоянии
Также при замерах важно учитывать коэффициент излучения (эмиссии) объектов, которые проверяем. Каждый материал определенным образом излучает тепло, причем степень излучения может быть разной в зависимости от цвета объекта, матовой/зеркальной поверхности и окисленности (в случае металлов)
То есть коэффициент излучения — это соотношение энергии, излучаемой поверхностью материала к энергии излучения абсолютно черного объекта при равной температуре. Для абсолютно черных тел этот коэффициент равен 1. Для остальных же материалов этот коэффициент свой. В таблице ниже приведены коэффициенты для большинства материалов.
История появления «измерителя жара»
Прообразом бесконтактного термометра принято считать устройство из XVIII века. Его создателем стал голландский физик Питер ван Мушенбрук. Во время опытов по тепловому расширению твердых тел в 1731 году он изобрел прибор, который мог измерить температуру раскаленного объекта по мощности его излучения. Новинку прозвали пирометр, от сочетания двух греческих слов – «огонь, жар» и «измеряю». Конечно, современные пирометры сильно расширили свой диапазон работы и могут определять даже отрицательные температуры. Кроме того, уже в 1960-х годах появились переносные, более миниатюрные модели пирометров. Однако, принцип остался практически тем же – измеряется мощность исходящего от объекта теплового излучения, и из этого делается заключение о температуре объекта.
Пирометр Мушенбрука
Сегодня промышленные пирометры очень популярны – они используются для измерения температуры не только на предприятиях, но и везде, где необходим температурный контроль за производственными процессами. Например, пирометр может измерить температуру даже раскаленного предмета без необходимости как-то дотронуться до него. Идея дистанционного определения температуры отлично подошла и для медицинских целей – при измерении температуры тела. Возможность сделать это бесконтактно стала особенно актуальна в эпоху коронавирусной инфекции. Такие устройства стали более популярны среди населения, приобретались массово школами, поликлиниками, торговыми центрами и т.д. Так, холдинг «Швабе» оснастил бесконтактными термометрами российские школы, а также около 30 тыс. приборов в самый разгар пандемии, летом 2020 года, поставил в Центральную избирательную комиссию для использования на избирательных участках общероссийского голосования.
Виды пирометров
Существует несколько классифицирующих подразделений пирометров:
- По основной используемой методике работы:
- инфракрасные (радиометры), использующие радиационный метод для ограниченного инфракрасного волнового диапазона; для точного наведения на цель снабжены лазерным указателем;
- оптические пирометры, работающие в не менее, чем в двух диапазонах: инфракрасного излучения и спектра видимого света.
- Оптические инструменты в свою очередь делятся на:
- яркостные (пирометры с пропадающей нитью), основанные на эталонном сравнении излучения предмета с величиной излучения нити, сквозь которую пропускается электроток. Значение силы тока и служит показателем измеряемой температуры поверхности объекта.
- цветовой (или мультиспектральный), работающий по принципу сравнения энергетических яркостей тела в различных областях спектра, — используются как минимум два детектирующих участка.
- По способу прицеливания: инструменты с оптическим или лазерным прицелом.
- По используемому коэффициенту излучения: переменный коэффициент или фиксированный.
- По способу транспортировки:
- стационарные, используемые в тяжелой промышленности;
- переносные, используемые на участках производимых работ, для которых важна мобильность.
- Исходя из температурного диапазона измерений:
- низкотемпературные (от -35…-30°С);
- высокотемпературные (от + 400°С и выше).
Как работает?
Принцип действия заключается в определении величины теплового излучения, исходящего от поверхности объекта в инфракрасном или видимом диапазоне спектра.
Упрощенно схема работы выглядит следующим образом. Излучение попадает на специальный датчик. Роль такового выполняет чувствительный элемент, преобразующий физическую величину в электрический сигнал. Чем выше значение температуры объекта, тем больше сила тока, вырабатываемая датчиком. Далее, сигнал преобразуется электроникой и отображается в привычной для человека числовой форме на жидкокристаллическом дисплее для дальнейшего анализа.
Технические характеристики
Как и любой прибор измерения, работа инфракрасного пирометра характеризуется определенными параметрами. Выбор определенной модели осуществляется по их значениям. Рассмотрим самые важные из них.
Оптическое разрешение
Он определяет площадь объекта, на поверхности которого измеряется температура. Он напрямую зависит от угла объектива устройства. Чем он больше, тем значительнее будет площадь измерения температуры. При этом учитывается расстояние до объекта.
Главным условием проведения точного измерения является наложение пятна только на материал поверхности. В случае превышения площади значение температуры будет неточным. Оптическое разрешение – это величина отношения диаметра пятна прибора к расстоянию до объекта. В зависимости от модели оно может быть равным от 2:1 до 600:1. Последнее относится к классу профессиональных устройств, применяемых для снятия показаний нагрева поверхности в тяжелой промышленности. Для бытовых и полупрофессиональных пирометров оптимальный показатель равен 10:1.
Рабочий диапазон
Определяется параметрами пирометрического датчика. В большинстве случаев он составляет от -30°С до 360°С. Учитывая, что теплоноситель в системе отопления может иметь максимальную температуру до 110°С, для бытовых целей можно применять практически все виды пирометров.
Погрешность
Указывает степень колебаний значений температуры в зависимости от точности настроек устройства. В среднем допускаются отклонения около 2% от нормированного показания.
Коэффициент излучения
Это отношение мощности температурного излучения при текущей температуре к такому же параметру эталонного абсолютно черного тела. Для неблестящих материалов он составляет 0,9-0,95. Поэтому большинство устройств дистанционного измерения температуры настроены именно на это значение. Однако, если попытаться ими измерить степень нагрева поверхности блестящего алюминия, то значение на индикаторе будет значительно отличаться от фактического.
Для точности измерения многие модели оборудуются лазерной указкой. Световое пятно располагается не в центре, а указывает оптимальную границу области измерения.
Как пользоваться
После приобретения прибора необходимо внимательно ознакомиться с инструкцией. Несмотря на несложные правила эксплуатации, неправильные действия могут привести к значительным искажениям температурных значений. Порядок измерения степени нагрева материала с помощью пирометра:
- Включить устройство.
- Направить раструб на измеряемую поверхность.
- С помощью лазерной указки определить границу пятна измерения.
- После активации на экране появятся значения температур. В зависимости от модели они могут быть записаны в память устройства или будут заменены значениями следующих измерений.
Как видно, на практике пирометром может пользоваться каждый. Поэтому он становится обязательным прибором измерения для работников компаний, занимающихся проектированием и монтажом автономных систем отопления.
Виды и типы пирометров
Измерители нагрева
Для измерения температуры нагрева металла применяют специальные приборы — пирометры различного типа.
Термоэлектрический пирометр
Термоэлектрический пирометр (термопара) представляет собой закрытую с одной стороны трубку 5 (рис. 4.23) из жаропрочного сплава, в которую вставлены изолированные друг от друга фарфоровыми втулками 4 две проволочки 1 и 6 из разных сплавов. Рабочие концы проволочек сваривают друг с другом, образуя ’’горячий спай” 7. Два других конца подключают к чувствительному милливольтметру или (при непрерывной регистрации температуры) самописцу.
Рис. 4.24. Оптический пирометр: 1 — объектив, 2 — лампочка, 3 — окуляр, 4 — миллиамперметр, 5 — реостат, 6 — матовое стекло
Под действием нагрева в горячем спае возникает электродвижущая сила, измеряемая милливольтметром 3. Для удобства использования шкалу прибора градуируют не в вольтах, а в градусах. В пирометрах, предназначенных для измерения температур до 900 ° С, термопара изготовлена из хромель-алюмелевых проволочек; для измерения температур до 1300 … 1400 ° С используют платинородиево-платиновую термопару. Пирометр, изготовленный нужной длины, вставляют горячим спаем в рабочую зону печи через отверстие 2 в ее своде или поде.
Рис. 4.23. Термоэлектрический пирометр: 1, 6 — проволочки, 2 — отверстие в своде или поде печи, 3 — милливольтметр, 4 — фарфоровые втулки, 5 — трубка, 7 — спай
Оптический пирометр
Оптический пирометр (рис. 4.24) является переносным прибором и предназначен дня периодическом проверки температуры нагреваемого металла. Принцип его действия основан на сравнении цветов нагретого металла и нити лампочки накаливания. При наведении пирометра на заготовку лучи от нагретого металла попадают в объектив 1 и проходят через матовое стекло 6 в окуляр 3 с красным светофильтром. Между матовым стеклом и окуляром установлена лампочка накаливания 2, яркость свечения которой регулируется реостатом 5. Яркость свечения должна быть такой, чтобы цвет нити полностью совпадал с цветом поверхности заготовки, т. е. нить на фоне заготовки должна как бы исчезать. В этот момент стрелка миллиамперметра 4, градуировка шкалы которого выполнена в градусах, покажет температуру нити лампочки, а следовательно,и металла заготовки.
Радиационный пирометр
Радиационный пирометр (ардометр) является наиболее современным прибором дня измерения температуры. Конструкция его аналогична конструкции оптического пирометра, но вместо лампочки устанавливается микротермопара. На ней с помощью оптической системы, состоящей из окуляра и объектива, фокусируют лучи от заготовки. Электродвижущая сила, возникающая в горячем спае термопары, регистрируется милливольтмером. Ардометры применяют для измерения температуры от 900 до 1800 °С.
При ручной ковке конструкционных сталей, допускающих деформирование в широком интервале температур, кузнецы определяют степень нагрева металла приближенно на глаз по цвету каления. Для черных металлов цвета каления соответствуют определенным температурам, выраженным в градусах Цельсия; освещение дневное, в тени.
Фотоэлектрический пирометр
Фотоэлектрическим пирометром (миллископом) измеряют температуру путем сравнения с помощью фотоэлемента интенсивностей излучения нагретого металла и нити эталонной лампы накаливания. Фотоэлектрические пирометры обладают высокими точностью и быстродействием, что позволяет эффективно применять их для контроля температуры в быстропротекающих процессах электроконтактного и индукционного нагрева.
Как правильно выбирать термодетектор
При выборе пирометра, соответствующего ожиданиям, необходимо руководствоваться следующими критериями:
- Температурный диапазон. Для домашнего использования подойдет недорогой инфракрасный пирометр с диапазоном от – 50 до + 500 градусов. Этого достаточно, чтобы определить температуру двигателя авто, степень нагрева воды, духовки, мяса, посуды для приготовления. В промышленных условиях, при измерении нагрева металлов, производственного оборудования и прочего может потребоваться прибор с большими возможностями, но такие устройства стоят дороже.
- Оптическое разрешение. Показатель определяет, на каком расстоянии можно проводить замеры. Устройства со значением до 10:1 измерят температуру на расстоянии до 1 м, показатель до 30:1 точно отражает нагрев на отдалении до 3 м. Модели с разрешением более от 50:1 и выше могут измерять температуру на большем расстоянии.
- Когда нужно проводить много измерений, нужен пирометр, способный сохранять показатели. Также отлично подходят модели с фото и видеосъемкой измерений.
- Время отклика. Если необходимо измерять поверхности, температура которых быстро меняется, необходим прибор с минимальным временем отклика. Например, при работе с электропроводкой показателя в 1с недостаточно, лучше выбрать быстрый термодетектор, способный проводить сканирование за 0,5с. Дорогие профессиональные модификации обладают наименьшим показателем – около 0,15 с.
- Определение уровня влажности. Функция встречается в профессиональных устройствах и позволяет измерить влажность воздуха. Данная опция необходима, чтобы следить за климатом в помещении, определять вероятность выпадения конденсата и образования плесени.
Существует еще один важный показатель – коэффициент эмиссии. У бытовых моделей он равен 0,95, такие устройства подходят для измерения материалов с матовым покрытием – резины, пластика, бетона или кирпича. Глянцевые поверхности имеют меньший коэффициент, для работы с такими материалами нужна модель с регулируемым показателем.
Виды пирометров
Для определения температуры различных объектов пирометры делятся на 2 типа:
- Оптические пирометры
- Инфракрасные / радиационные пирометры
Оптические пирометры
Оптические пирометры используются для регистрации теплового излучения видимого спектра. Температура измеряемых горячих объектов будет зависеть от излучаемого ими видимого света.
Фото — пример оптического пирометра
Оптические пирометры визуально сравнивают откалиброванный источника света и поверхность целевого объекта.
Когда температура нити накала и поверхности объекта одинакова, тогда интенсивность теплового излучения, вызванного нитью накала, сливается с поверхностью целевого объекта и становится невидимой.
Когда происходит этот процесс, ток, проходящий через нить накала, преобразуется в уровень температуры.
Инфракрасные
Инфракрасные или радиационные пирометры предназначены для обнаружения теплового излучения в инфракрасной области, которая обычно находится на расстоянии 2–14 мкм.
Фото — пример инфракрасного пирометра
Этот тип пирометра измеряет температуру целевого объекта по испускаемому излучению.
Это излучение можно направить на термопару для преобразования в электрические сигналы. Поскольку термопара способна генерировать более высокий ток, равный выделяемому теплу.
Инфракрасные пирометры состоят из пироэлектрических материалов, таких как:
- поливинилиденфторид (PVDF);
- триглицинсульфат (TGS);
- танталат лития (LiTaO3).
Как правильно выбрать пирометр
Выбор устройства зависит в первую очередь от того, где и в каких целях оно будет использоваться. Некоторые модели лучше подходят для измерения температуры тела, другие предназначены для кулинарных целей.
Какой пирометр выбрать для дома
Самыми популярными в домашнем применении являются портативные приборы инфракрасного действия. Стационарное устройство с работой от сети в бытовых целях вряд ли пригодится, несмотря на высокую точность. При выборе пирометра для дома нужно учитывать:
- температурный диапазон, в быту будет достаточно разброса от — 50 до 380 °С;
- точность, погрешность прибора должна составлять не более 3 градусов;
- дальность действия — пирометры бывают контактными и бесконтактными, при использовании последних нужно учитывать оптическое разрешение, или требуемое расстояние до объекта;
- скорость, в быту удобно пользоваться приборами, обладающими откликом от 0,1 до 0,15 секунд.
Также при сравнении пирометров и выборе лучшего можно учесть дополнительные параметры. Некоторые модели могут измерять влажность. Полезно, если устройство способно сохранять результаты проведенных тестов во встроенной памяти.
Какой пирометр лучше выбрать для кондитера
При выборе пирометра для производства выпечки в цехе или дома можно купить бесконтактный прибор с диапазоном от — 50 до + 400 °С. Но лучше всего в кулинарии себя показывают модели с термопарой, ее подсоединяют к основному блоку и проводят замер контактным способом, чтобы получить наиболее точные результаты. Потом тест повторяют дистанционно для сравнения показателей, разница достигает обычно нескольких градусов.
В кулинарии лучшими остаются контактные пирометры с термопарой
Как выбрать медицинский пирометр
Медицинские приборы часто используют вместо обычных градусников. Выбирать устройство нужно по таким параметрам:
- контактное или бесконтактное действие, приспособления первого вида точнее, хотя вторые можно использовать для нескольких человек без дезинфекции;
- точность, для медицинского пирометра важна минимальная погрешность;
- функционал, полезно, если прибор оснащен звуковым сигналом и может сообщить об окончании измерения.
Важно! Большой температурный диапазон медицинскому устройству не требуется.
Как выбрать бесконтактный инфракрасный пирометр
Лучшие пирометры для измерения температуры бесконтактным методом очень популярны в быту. Такие устройства демонстрируют высокую точность и отличаются универсальностью. Измерять ими можно, в том числе, очень горячие, опасные или труднодоступные объекты.
При выборе необходимо смотреть на несколько характеристик:
- Диапазон. Если определять предстоит только температуру тела и слабое тепловое излучение поверхностей, можно выбрать прибор с небольшими значениями. Для кулинарного применения нужно покупать модель с широким диапазоном, причем желательно, чтобы даже очень большие температуры отстояли от максимально возможных показаний устройства.
- Спектральная чувствительность. Лучше выбирать прибор, работающий на коротких волнах, он подойдет для большинства бытовых измерений.
- Цветность. Обычно для домашнего применения хватает возможностей одноцветных пирометров. Двуцветные модели стоит выбирать, если предстоит оценивать температуру очень маленьких и горячих объектов, а также предметов, излучение которых частично перекрыто какими-либо загрязнениями и препятствиями.
При выборе домашнего пирометра, прежде всего, нужно оценить его тепловой диапазон
Лучшими считаются инфракрасные устройства, оснащенные лазерным прицелом. Они помогают измерить температуру объекта в конкретной выбранной точке и таким образом снизить вероятную погрешность.
Как выбрать пирометр для измерения температуры
Если прибор предстоит использовать вместо градусника, в первую очередь нужно определиться с его типом — контактный или бесконтактный. Устройства из последней категории советуют выбирать для маленьких детей. А вот взрослым и подросткам лучше пользоваться пирометрами контактного действия — лобными или ушными. Они дают более точные показания и практически не уступают ртутным термометрам.
Наиболее популярные модели
ЭОП-66
Пирометр ЭОП-66 применяется при осуществлении научно-лабораторных исследований. Рассчитан он на измерение показателей поверхностей предметов при температуре от +900 до +10000°С,
Данная стационарная модель оснащена телескопом, который состоит из объектива и окулярного микроскопа. Двухлинзовый объектив располагает возможностью фокусировки на дистанции до 25,4 см, а его оптическое разрешение составляет 3:1
Обратите внимание: телескоп данного прибора фиксируется на основании и плавно передвигается в горизонтальной плоскости
Кельвин ИКС 4-20
Это пирометр высокой точности, который обладает универсальным спектром определения температурных показателей: от -50 до +350 °С, весьма высокая скорость действия – 0,2 с. Применение инструмента предусмотрено в диапазоне 8-14 мкм.
Данный пирометр совмещает в себе возможности как мобильного, так и стационарного устройства. Это обусловлено компактными размерами (17х17х22 см) и наличием посадочного гнезда крепления объектива М12. Производитель гарантирует абсолютную водо- и пыленепроницаемость. Так, представленную модель пирометра возможно использовать в сложных производственных и строительно-промышленных отраслях.
