Все о пирометрах

Само по себе измерение температуры производится уже достаточно давно. Но есть места и ситуации, где «обычным» термометром не обойтись — попросту потому, что там всё недоступно для прямого замера. В таких случаях, а также при особой опасности измерений, необходимо пользоваться пирометром.

Основной рабочей частью любого пирометра выступает блок, детектирующий инфракрасное излучение. По его спектру и уровню интенсивности можно судить о степени нагрева поверхности объектов ничуть не менее точно, чем при непосредственном контакте с ней. Кроме дистанционного измерителя, предусматривается электронная аппаратура, которая фиксирует результаты промера и показывает их в удобном для восприятия формате. Внешне пирометр похож на лазерные пистолеты, которые показывают в фантастических кинолентах. Данные о температуре выводятся на ЖК-экран, а наводка на нужные поверхности производится с помощью лазерного приспособления.

Также есть собственно термометр (датчик), формирующий электрический сигнал. Предусмотрен специальный блок, который обрабатывает поступающий сигнал. Уже после обработки готовая информация поступает на дисплей. Альтернативное название пирометра — инфракрасный термометр.

Основными характеристиками пирометрического оборудования оказываются:

• разрешение в оптическом диапазоне;

• диапазон температуры;

• скорость действия (особо важна, если степень нагрева быстро меняется).

Почти все современные устройства способны обработать поступившую информацию и выдать её на экран примерно за 1 секунду или даже меньше. Информация может отображаться в аналоговом либо в цифровом формате.

Часто реализуется опция установления наименьшего и наибольшего показателей в серии замеров, а также специальное звуковое или световое уведомление, когда достигается определённый уровень температуры.

Чтобы собранные сведения можно было переместить на ПК, ноутбук, смартфон или на внешний накопитель данных, применяют стандартный USB интерфейс. Но чтобы понять, откуда берутся сами передаваемые данные, нужно разобраться в принципе действия прибора. Любое тело, так или иначе, испускает инфракрасные волны. Чёрные дыры и другие экзотические состояния материи можно вынести за скобки. Когда на материальный объект направлен прибор, это излучение можно зарегистрировать.

Дальность, на которой может производиться замер, определяется величиной измеряемой поверхности и характеристиками воздуха вокруг объекта. Чем он грязнее, тем больше появляется помех, и тем труднее установить реальную температуру. Специфика пирометров позволяет использовать эти приборы:

• при определении температуры малодоступных либо вовсе не доступных объектов;

• установлении степени нагрева движущихся предметов или движущихся частей неподвижных в целом предметов;

• выяснении уровня нагрева находящихся под напряжением, в токсичной среде или иных опасных местах предметов;

• оперативном промере быстрых изменений температуры;

• работе с предметами, которые мало поглощают тепла или недостаточно быстро его проводят.

На серьёзных производствах и на энергетических объектах широкое применение находят стационарные пирометры. Они нужны и металлургам, и нефтепереработчикам, и индустрии химического синтеза.

Принято делить пирометры на низкотемпературные и высокотемпературные (предназначенные для замера показателей свыше 400 градусов). По понятным причинам кондитерский тип относится к первой группе, а аппараты для металлургии, целлюлозно-бумажных и нефтехимических комбинатов — ко второй. В кулинарных целях пирометры используют, чтобы контролировать степень нагрева:

• сиропа;

• супа;

• шоколада;

• карамели;

• глазури;

• мармелада;

• горячих напитков, каш и иных блюд (отдельных продуктов).

Иногда на промышленных объектах и в других областях используют радиационные пирометры. Такие устройства могут измерять температуры не ниже 400–700 градусов. Поэтому их можно применять исключительно там, где есть высокотемпературные технологические процессы и аппараты. Сюда относятся не только металлургия и электроэнергетика, но и:

• строительная сфера;

• выработка стекла и кирпича, керамики;

• выпуск текстиля;

• подготовка печатных изданий;

• криминалистика;

• охранные и пожарные системы;

• научные исследования;

• некоторые инженерные разработки.

Для практических нужд наиболее удобным вариантом часто становится пирометр цифровой с аналоговым выходом. К примеру, PCE IR 10. Следует заметить, что на примере этого устройства можно выделить ещё одну категорию — пирометрическое оборудование, внесённое и не внесённое в государственный реестр РФ. Сам PCE IR 10, увы, в этом списке не числится, что существенно ограничивает его применение в ряде случаев. Что касается термоэлектрических пирометров, то этот вид оборудования основан на эффекте, открытом Т. И. Зеебеком в первой четверти XIX столетия.

Суть в том, что энергия свободных электронов сильно отличается в зависимости от текущей температуры. Когда один из концов проводника прогрет сильнее другого, скорость движения электронов там окажется выше. То, каким образом изготовлен рабочий конец термопары, не влияет на эффективность работы устройства, при условии, что температура во всей поверхности рабочего конца идентична. Слабостью подобного способа измерения является то, что крайне трудно или даже почти невозможно определить реальное сопротивление в проводнике. А оно будет обязательно отличаться от показателей, установленных при градуировке.

Только так можно добиться оптимального результата и хотя бы в какой-то мере компенсировать негативный эффект. Цветовой прибор, иногда именуемый прибором спектрального отношения или (в зарубежных источниках) логометрическим, имеет свои достоинства. Отечественные разработчики однозначно отдают предпочтение соотношению красного и синего цветов. Чтобы измерять яркость монохроматических потоков, применяется единый приёмник сигнала, имеющий общий усиливающий канал.

Объектом измерения у цветового пирометра может быть не только абсолютно чёрное тело, как при использовании других принципов работы. Ещё одним достоинством такой схемы оказывается то, что она почти не подвержена искажениям, вносимым внешними источниками:

• излучениями;

• перепадами рельефа;

• изменением расстояний между объектами;

• поглотителями волн, оказавшимися между источником и приёмником сигнала.

Суть работы устройства очень проста: оно автоматически замеряет логарифм, описывающий соотношение красных и синих спектральных яркостей. Следующий шаг яркостной прибор делает на основании того установленного физиками факта, что полученный логарифм пропорционально соответствует обратным значениям цветовых температур. Излучение проходит на фотоэлемент или фотосопротивление через оптические компоненты аппарата. В некоторых моделях применяют обтюраторы, вращающиеся благодаря синхронным электродвигателям. Перевод показаний пирометра в градусы по шкале Цельсия осуществляется при помощи градуировочных графиков для каждого поддиапазона.

Но иногда используется немного другой метод — бихроматическая пирометрия. С приёмника излучения снимается 2 сигнала, которые пропорциональны энергетической яркости и длинам волн. Эта методика позволяет отказаться от дополнительных схем и логометров и производить замер фактически напрямую. Цветовые пирометры являются предпочтительным вариантом для мест, где есть стабильное задымление, где собирается много пыли или смотровые стёкла постоянно засоряются. Необходимо понимать при этом, что важный источник погрешностей — нестабильность при работе фотоэлемента — всё равно остаётся, и устранить эту проблему окончательно нельзя.

Отдельного разбора заслуживают профессиональные фотоэлектрические пирометры. Их применяют в высокотемпературных измерениях (когда ориентировочная температура твёрдого тела составляет 600–2000 градусов). Такие устройства являются отличным средством для замера температур в быстро происходящих процессах. Работа происходит следующим образом: фотоэлемент вырабатывает электрический импульс, который пропорционален интенсивности света, попадающего на контакт. Поскольку световой поток пропорционален замеряемой температуре, можно произвести простой расчёт, который показывает необходимую цифру.

Основное влияние на качество замеров оказывают:

• способность поверхности предмета излучать тепловые волны;

• фактическая температура самого тела и окружающих его объектов;

• дистанция между прибором и обследуемым предметом.

Излучательный показатель идеально чёрного тела равен единице, а у идеального зеркала сводится к нулю. Учитывая особенности основной части измеряемых объектов, недорогие пирометры настраиваются на значение излучения 0,95. В физических и инженерных справочниках упоминаются усреднённые значения излучательной способности различных тел. К примеру:

• отполированный алюминий – 0,05;

• отполированная латунь – 0,1;

• чистая вода – 0,974;

• асфальт – 0,93;

• кварц (без обработки) — 0,9;

• круглый лес и доски различного типа, разнообразные пиломатериалы – 0,8-0,9;

• покрытые лаком поверхности – 0,9;

• лёд – 0,97;

• бетон различных марок – 0,7-0,85;

• красный керамический кирпич – 0,75-0,9;

• мрамор – 0,9;

• обожжённая глина – 0,75;

• нержавеющая сталь (в зависимости от марки) — 0,2-0,6.

Если точность замеров критически важна, поверхность могут даже покрывать особыми лаками, излучательная способность которых заранее задана. Но на характеристики излучения влияет и температура нагретого тела — в диапазоне 300–900 градусов ошибка может отличаться очень существенно.

Кроме того, пирометры бюджетной категории не смогут сколько-нибудь точно определить температуры свыше 500 градусов. В этом случае их показания окажутся крайне далеки от реальных значений. Есть и ещё один фактор — полупроводниковые датчики температуры при прогреве воздуха на 10 градусов теряют 1% точности. И это — если сам прибор высокого класса, полностью исправен и хорошо калиброван. На точность замеров влияет и то, не выходит ли пространство, с которого снимают показания, за пределы обследуемого объекта.

Этот показатель (он же степень черноты) определяет важнейшее для пирометрических обследований свойство объекта. Данный индекс вычисляют, деля энергию, испускаемую при конкретной температуре объектом, на энергию, испускаемую при той же температуре абсолютно чёрным телом. Он обычно имеет значения от 0,1 до цифр, близких к единице. Нулевое значение и единичный показатель в реальной практике не встречаются. Коэффициент излучения металла определяется степенью окисления поверхности.

Этот параметр обозначает площадь обследуемого объекта. Важно: в некоторых источниках вместо «оптического разрешения» говорят про «показатель визирования». Расчёт очень прост: определяют соотношение диаметра окружности, испускаемые с которой лучи могут быть зафиксированы пирометром, и дистанции до объекта. При замерах с близкого расстояния оптическое разрешение должно быть 4: 1 или иного небольшого значения. Но уже при работе на удалении в 3–5 м придётся использовать устройства с повышенным разрешением (иначе на результат измерения повлияют посторонние объекты и воздушные массы). Важно: пятно измерения накладывается строго на материал поверхности.

Этот показатель определяется тем, насколько совершенен основной датчик пирометра. У большинства приборов он составляет от -30 до +360 градусов. В бытовых областях использования этого вполне достаточно. Так, в отопительных и кондиционирующих системах температура всё равно не превышает 110 градусов. Однако для профессионального применения, в промышленности и энергетической сфере особенно, придётся выбирать более совершенную технику.

Для индустрии и других «серьёзных» применений рекомендуется использовать стационарные аппараты с повышенным уровнем точности. Они способны замерять температуры от -50 до +2000 градусов. Но конечно, требуется учитывать нюансы конкретного применения техники.

А вот работникам ЖКХ и частным пользователям гораздо лучше подойдут компактные аппараты. Так как они питаются от аккумуляторов, нужно обязательно выяснять, сколько часов подряд проработает устройство, или сколько замеров оно может сделать. Инфракрасный пирометр идеально подойдёт для обследования труб горячего водоснабжения или теплоизоляции домов. Важно: когда предстоит хотя бы периодически работать на стройке или ином запылённом объекте — надо применять двухцветные или трёхцветные модели. Необходимо обращать внимание и на длину волн.

Устройства, рассчитанные на 6–14 мкм, идеально подойдут для замера прогрева камня, резиновых поверхностей, грунта, электрического кабеля. Но металл и подобные ему конструкционные материалы излучают в основном волны с меньшей частотой (и, соответственно, большей длиной). Если планируется работать с небольшими объектами или с чётко очерченными областями (двигатели и котлы, конвекторное оборудование, станки, отдельные стены и участки кровли), желательно наличие лазерного указателя. Геометрия прицела прямо влияет на радиус наведения. Точечные указатели нужны, когда замер делается на дистанции 20–30 м, а при удалении не более чем на 7 м предпочтителен круглый прицел.

Прочие тонкости таковы:

• форма «пистолета» наиболее практична и удобна;

• подсветка дисплея выручит, если планируется работать при слабой видимости;

• чем больше величина встроенной памяти, тем лучше;

• очень полезно подключение к USB кабелю;

• ценным свойством будет и сохранение полученных результатов замера до активации следующей программы.

Среди пирометров бюджетного класса выгодно выделяется ADA TemPro 700 A00224. Производитель заявляет про возможность измерения температур от -50 до +700 градусов. Эффективность замеров обеспечивается оптическим разрешением на уровне 12 к 1. Для питания достаточно единственной батарейки 9 В. Повысить точность работы помогает лазерный прицел; но есть и минус — придётся использовать коэффициенты материалов для расчёта.

Elitech P 550 легче предыдущей версии, однако, также оборудован лазерным блоком. Следует учитывать, что при замере отрицательных температур погрешность может составлять 3 градуса. Вдобавок наибольший уровень температуры составляет +550 градусов, из-за чего изделие и отошло только на вторую строчку рейтинга. Питание организовано точно так же, как и у лидера. Точность показаний в целом обеспечена.

Как альтернативу можно рассматривать RGK PL-12. Этот прибор предназначен для точечного замера в промышленной практике. Ошибка измерения в положительной области 1%, в отрицательной 2,5 градуса. Инженеры добились оптического разрешения 12 к 1. Устройство оборудовано двулучевым лазером и довольно легко (0,163 кг), но подобрать коэффициент для исчисления непросто.

В профессиональном сегменте выделяются:

• Testo 845;

• Bosch GIS 1000 C Professional 0601083301;

• Fluke 572-2 4328074 57378;

• CEM DT-9860 481011.

Конечно же, следует внимательно прочитать инструкцию. Даже незначительные отклонения от рекомендованных действий приводят к очень серьёзным ошибкам. Бесконтактный метод измерения таков:

• запускают устройство;

• ориентируют раструб на обследуемую поверхность;

• устанавливают контур измеряемого пятна (визуально либо с использованием лазерной указки);

• дожидаются появления значений температуры на дисплее.

Необходимо учитывать влияние угла на измерение температуры.

Необходимости рассчитывать именно сами углы в геометрическом смысле этого слова нет. Для большего удобства расчётов желательно исходить из оптического отношения — оно позволяет дать не менее качественный результат. А вот калибровка пирометра в домашних условиях проводиться не должна — всё равно она проводится гораздо более глубоко в процессе производства.

Далее смотрите видео о том, что такое пирометры и как ими пользоваться.