Каталог продукции
Директор ФРУНЗЕ
Александр Вилленович
Доктор технических наук

Позвольте посоветовать

Здравствуйте, коллеги!

Я не оговорился, назвав нас коллегами. Хоть мы с Вами, если так можно выразиться, стоим по разные стороны прилавка, мы, тем не менее, коллеги. Если Вы читаете эту статью, значит Вас интересуют пирометры. А мы, ННТП “ТЕРМОКОНТ”, разрабатываем, производим и продаем пирометры уже больше 25 лет, с середины 80-х. Нас с Вами объединяет пирометрия.

Я – Фрунзе Александр Вилленович, директор ННТП “ТЕРМОКОНТ”. Я не буду в этой вступительной статье рассказывать, каких успехов мы достигли, кому что поставляли – обычно это мало кто читает. Взамен я попытаюсь помочь Вам разобраться в нужных Вам тонкостях пирометрии и научить не делать серьезных ошибок при выборе пирометра из всего того огромного многообразия моделей, которое Вам предлагается как нами, так и не нами.

Поскольку уровень знаний о пирометрах у читающих эту статью разный, начну с информации для совсем неподготовленных. В конце этой заметки – написанная мной статья по пирометрам для Википедии. Однако сей ресурс – свободно редактируемый, и в любой момент некто может начать править мой текст с целью привлечь внимание читателя к предлагаемой им продукции. Поэтому даю исходный вариант этой статьи. Для первого знакомства с пирометрией этого достаточно.

А вот дальнейшее должно быть интересно всем, разве что за исключением десятка гуру в области пирометрии. Речь о том, что нужно знать, выбирая пирометр.

Пирометрия – один из очень сложных разделов измерений, может быть даже и самый сложный. Дело в том, что этому методу измерений присущи более десятка методических погрешностей (подробнее можете прочесть об этом в статьях раздела “Погрешности энергетических пирометров” в разделе “Статьи” нашего сайта www.pyrometer.ru). Эти погрешности имеют место ВСЕГДА, вне зависимости от того, производите ли Вы измерения дорогим импортным пирометром или старым отечественным пирометром марки “Промiнь”. Причем при неудачном выборе пирометра эти методические погрешности могут достигать 10…20% от результата измерений. Многие из Вас неоднократно сталкивались с этим – вроде бы в паспорте приобретенного прибора стоит погрешность менее 1%, а при измерении 1000-градусной заготовки он показывает 890 градусов (или 1045, цифры температуры условные). Я, бывая на предприятиях, не раз слышал примерно следующее: “Да мало ли что там в документах написано! А с какой точностью этот прибор измерит температуру стального листа на нашем стане?” Знакомо? Это ведь именно о той самой методической погрешности, которая может быть больше основной, прописанной в паспорте, и в 5, и в 10, и в 25 раз!

Поэтому вывод №1: при выборе пирометра нельзя ориентироваться только на цену и на диапазон измеряемых температур. Нужно принимать во внимание и спектральный диапазон, и показатель визирования, и много что еще, чтобы минимизировать упомянутые погрешности (подробнее в статье “С какой точностью вы измерите температуру реального объекта пирометром с погрешностью 0,1…0,25%?”).

Далее нужно сказать о следующем. Часто пользователи хотят приобрести как можно более универсальный прибор, чтобы он измерял температуру объектов как вблизи комнатной температуры, так и температуру тысяче-полуторатысячеградусных объектов. Почему – понятно, лишних денег нет даже у олигархов. К тому же ряд фирм предлагает такие приборы, и цены на них вполне сносные, да и характеристики кажутся вполне приличными. Однако в рекламных проспектах на такие приборы производители не пишут, как связана погрешность измерений температуры таким прибором с ошибкой введенного в него коэффициента излучения. В упомянутой выше статье показано, что если Вы введете в такой пирометр коэффициент излучения с ошибкой 10%, то погрешность измерений температуры будет 10%, при 20%-й ошибке ввода коэффициента излучения погрешность будет порядка 20%, и т.д. И это не зависит ни от конструкции прибора, ни от того, “у нас” ли сделан этот прибор, или “у них”. Это определяется физикой, которая одинакова на всех шести континентах.

Поэтому вывод №2: приобретать универсальные пирометры, которые измеряют от комнатных (или даже отрицательных) температур до 1000…1800ºС можно только тогда, когда вы точно знаете коэффициенты излучения объектов, которые Вы собираетесь измерять, а также Вам известно изменение коэффициентов излучения этих объектов при изменении температуры, и оно не превышает в измеряемом диапазоне единиц процентов. Вы располагаете такой информацией о коэффициентах излучения тех объектов, которые Вы собираетесь измерять? Если нет, то хорошо подумайте, прежде чем приобретать такой широкодиапазонный пирометр.

Далее несколько слов о полупроцентных, четвертьпроцентных и иных прецизионных приборах. Чтобы завоевать потребителей (то есть Вас), производители (в первую очередь импортные) приписывают своим приборам рекордно низкие значения погрешностей – 0,5%, 0,3%, 0,25% и даже 0,1%! Здорово, да? Умеют же…

Но не надо обольщаться, здесь таится маленькая хитрость. Вам просто не говорят, что эти 0,2 и 0,1 процента – это вовсе не та погрешность, с которой Вы измерите температуру интересующего Вас объекта. Это та погрешность, с которой измеряется температура “черного тела” в поверочной лаборатории при так называемых нормальных условиях (в частности при температуре воздуха +21…23ºС). А как эти 0,1 процента связаны с той погрешностью, с которой Вы измерите Вашу заготовку на рольганге или в печи? Не поверите – никак! Все определят уже упомянутые дополнительный погрешности, причем как методические (присущие ВСЕМ пирометрам), так и инструментальные, связанные с несовершенством конкретного пирометра. Достаточно температуре окружающей среды уйти вверх или вниз на 10 градусов – и у прибора вылезет минимум процентная погрешность, если в нем нет термостабилизации приемника. Какая погрешность вылезет у прибора за счет влияния магнитного поля индукционной печи – в большинстве случаев не знает никто, так как не проводилось соответствующих испытаний. Цифр, показывающих, что подобные испытания все же проводились, в техдокументации на импортные приборы Вы не найдете, есть только слова менеджеров о том, что такого влияния на их продукцию нет. Верить им на слово?

В СССР при проведении Госиспытаний ОБЯЗАТЕЛЬНО проводились испытания, которые показали бы величину дополнительных погрешностей в зависимости от двух этих факторов, да и от ряда других. Но наши ГОСТы импортным производителям – не указ, и они чаще всего такими испытаниями пренебрегают. А менеджеры вынуждены оправдываться – нет, дескать, этих погрешностей…

Поэтому вывод №3: рекордно низкие значения погрешностей, записанные в документации на пирометры, в реальных производственных условиях нереализуемы. Такие приборы оправданы только для поверочных лабораторий, чтобы точно измерять в нормальных условиях температуру “черных тел”. В ваших производственных условиях вылезут и методические погрешности, о которых говорилось выше, и инструментальные, в первую очередь за счет влияния температуры окружающего воздуха и магнитных полей. И дай бог, чтобы совокупная погрешность не превысила 5% (это возможно лишь если Вы не сделаете ошибок, от которых я предостерегал Вас выше). (подробнее все в той же статье “С какой точностью вы измерите температуру реального объекта пирометром с погрешностью 0,1…0,25%?”).

Теперь о пирометрах спектрального отношения. Это замечательные приборы, которые не требуют ввода в них коэффициента излучения (подробнее можете прочесть об этом в статьях раздела “Все о пирометрах спектрального отношения ” здесь же, в разделе “Статьи” нашего сайта). Они практически нечувствительны к наличию промежуточных стекол, их показания не зависят от расстояния от пирометра до объекта, они могут измерять малоразмерные объекты, и т.д. У этих приборов действительно столько преимуществ, что особо эмоциональные менеджеры, упоминая о них, говорят о “волшебстве цветовых пирометров”.

Однако у этих приборов есть один очень серьезный недостаток. Он известен по меньшей мере уже 50 лет, но пользователи старые книги по пирометрии не читают, а производители (особенно импортные) стараются об этом недостатке не говорить. Речь идет о том, что при измерении температуры объектов, у которых излучательная способность изменяется с изменением длины волны, эти пирометры могут завысить или занизить результат измерений. Если крутизна роста/спада излучательной способности с ростом длины волны невелика, занижение/завышение результата измерений будет не очень большим, от единицы до нескольких процентов. При большой крутизне погрешность запросто может вырасти до 10…20% (подробнее в статье “Об одной малоизвестной особенности пирометров спектрального отношения”). И проблема состоит в том, что во-первых, этой неприятной особенностью обладает огромное количество материалов, в первую очередь большинство металлов, а во-вторых, мы чаще всего не располагаем даже приблизительной информацией о спектральной излучательной способности измеряемых материалов. О том, что мы можем сделать в этом случае, да и о том, надо ли вообще что-то делать, в вышеупомянутой статье.

Следовательно, вывод №4: при использовании пирометров спектрального отношения желательно ознакомиться с присущей им проблемой, и с возможными путями ее решения.

Еще один вопрос, который я считаю необходимым прояснить – это минимальный размер измеряемого объекта и связанное с ними измерение малоразмерных объектов. Обычно в рекламных проспектах на пирометры Вам предлагается схема, похожая на рис.1 в статье “О зависимости результатов измерения пирометрами от расстояния до объекта измерений” в разделе “Погрешности энергетических пирометров”. Поле зрения пирометра в области от объектива до отрезка M1-N1 располагается между линиями M-M1 и N-N1, В области правее отрезка M1-N1 – между лучами N-M1 и M-N1. В области M1-N1 диаметр поля зрения – минимальный, у одних пирометров он имеет размер от единиц см до 10…20 см, у других – от 1 мм до 10…20 мм, все зависит от диаметра приемника d, фокусного расстояния объектива пирометра f и расстояния между объективом и приемником f1.

Схема эта – классическое построение в приближении геометрической оптики, первоначально описанное в книжке Т.Гаррисона. Но дело в том, что это – лишь расчетное построение, реальный вид зависимости поля зрения от расстояния, если ее измерить, выглядит так, как на рис. 2 в этой статье. В области “перетяжки” (N1-M1) реальный диаметр поля зрения за счет аберраций уширен в сравнении с расчетным от полутора до трех раз (примерно в полтора раза для кремниевых фотодиодов, примерно в два раза для фотодиодов на индий-галлий-арсениде, и в 2,5…3,5 и более раз – для термоэлементов спектрального диапазона 8…14 мкм). Поэтому, если Вы планируете измерять пирометром малоразмерный объект, например проволоку диаметром 1 мм, то пирометр, у которого расчетное поле зрение 1 мм Вас не устроит, что бы Вам не говорил менеджер, продающий пирометр. Вам нужен прибор, у которого, во-первых, расчетное поле зрения не более 0,3…0,5 мм, а во-вторых, беспараллаксная система визирования, которая по определению исключает неточную наводку на объект измерения (такое возможно, например, из-за неточной заводской юстировки лазеров).

Еще правильнее для решения данной задачи использовать пирометр спектрального отношения. Как показано в статье “Особенности многоканальных (цветовых) пирометров …” в разделе “Все о пирометрах спектрального отношения”, пирометр спектрального отношения может измерять без заметной потери точности температуру объекта, диаметр которого до 3…5 раз меньше (!) минимального диаметра поля зрения (M1-N1 на рис. 1 в статье “О зависимости результатов измерения пирометрами от расстояния до объекта измерений”). Единственная проблема здесь – нижняя граница измерений современных пирометров спектрального отношения – не ниже 500…600ºС.

Отсюда вывод №5: реальный диаметр поля зрения пирометра в области “перетяжки” в полтора-три раза больше расчетного, приводимого в рекламных проспектах, и это надо учитывать при измерениях малоразмерных объектов. Если температура измеряемого объекта позволяет, правильнее в этих случаях использовать пирометры спектрального отношения .

Конечно, это далеко не все тонкости и проблемы. Но для начала достаточно, это – самые распространенные ошибки при выборе пирометра. Поэтому, чтобы Вы их не совершили, еще раз повторю основные моменты:

 

  • при выборе пирометра нельзя ориентироваться только на цену и на диапазон измеряемых температур. Нужно принимать во внимание и спектральный диапазон, и показатель визирования, и много что еще, чтобы минимизировать упомянутые погрешности;

  • приобретать универсальные пирометры, которые измеряют от комнатных (или даже отрицательных) температур до 1000…1800ºС можно только тогда, когда вы точно знаете коэффициенты излучения объектов, которые Вы собираетесь измерять, а также Вам известно изменение коэффициентов излучения этих объектов при изменении температуры, и оно не превышает в измеряемом диапазоне единиц процентов. Вы располагаете такой информацией о коэффициентах излучения тех объектов, которые Вы собираетесь измерять? Если нет, то хорошо подумайте, прежде чем приобретать такой широкодиапазонный пирометр;

  • рекордно низкие значения погрешностей, записанные в документации на пирометры, в реальных производственных условиях нереализуемы. Такие приборы оправданы только для поверочных лабораторий, чтобы точно измерять в нормальных условиях температуру “черных тел”. В ваших производственных условиях вылезут и методические погрешности, о которых говорилось выше, и инструментальные, в первую очередь за счет влияния температуры окружающего воздуха и магнитных полей. И дай бог, чтобы совокупная погрешность не превысила 5%;

  • при использовании пирометров спектрального отношения желательно ознакомиться с присущей им проблемой, и с возможными путями ее решения;

  • реальный диаметр поля зрения пирометра в области “перетяжки” в полтора-три раза больше расчетного, приводимого в рекламных проспектах, и это надо учитывать при измерениях малоразмерных объектов. Если температура измеряемого объекта позволяет, правильнее в этих случаях использовать пирометры спектрального отношения.

Пирометры соответствуют общим техническим требованиям ГОСТ 28243-96

Пирометр — (от греч. pýr — огонь и... метр), прибор для измерения температуры непрозрачных тел по их излучению. Принцип действия основан на измерении мощности или спектральных характеристик теплового излучения объекта, осуществляемом преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света.

Назначение

Пирометры применяют для дистанционного измерения температуры объектов в промышленности, в быту, в сфере ЖКХ, на транспорте, в тепло- и электроэнергетике, в аэрокосмической отрасли, в научных исследованиях и в других отраслях. Пирометры незаменимы при измерении температуры движущихся объектов, объектов в опасных зонах, объектов, нагретых до очень высоких температур.

Предположительно первый пирометр изобрёл Питер ван Мушенбрук. Изначально термин использовался применительно ко всем приборам, измеряющим температуру, превышающую предельную для ртутных термометров, при этом измерения температуры сильно нагретого (раскалённого) объекта осуществлялось визуально, по яркости и цвету. В настоящее время смысл термина несколько изменен: во-первых, к пирометрам относят только бесконтактные приборы для измерения температуры, а во-вторых, современные пирометры производят измерения во всем диапазоне используемых в хозяйственной деятельности температур, причем многие пирометры (такие приборы правильнее называть инфракрасные радиометры) измеряют достаточно низкие температуры (0 °C и даже ниже).

Развитие пирометрии ведет свой отсчет с первой четверти 20-го века, когда появилось большое количество оптических (визуальных) пирометров, и были разработаны средства их калибровки. С середины 60-х годов, с развитием полупроводниковой электроники и с появлением физических датчиков, преобразующих оптическую энергию в электрические сигналы, пирометрия испытала второе рождение. Следующий этап качественного изменения пирометрии пришелся на конец 80-х – начало 90-х годов, когда в пирометрию пришла микроэлектроника и микропроцессорная техника. Благодаря этому в настоящее время производятся пирометры с высокой точностью измерений, прекрасными потребительскими характеристиками, в т.ч. малыми габаритными размерами в весом.

Классификация пирометров

Пирометры можно разделить по нескольким основным признакам:

По принципу действия:

  • Энергетические. Позволяют измерять температуру нагретого тела по величине излучаемого объектом теплового потока. Имеют один приемник излучения. В свою очередь подразделяются на:

  • Радиационные. Измеряют температуру по величине теплового потока во всем диапазоне длин волн теплового излучения (от 0,2…1 мкм до 10…20 мкм). Иногда такие пирометры называют пирометрами полного излучения.

  • Частичного излучения. Измеряют температуру по величине теплового потока в ограниченном (но достаточно широком) диапазоне длин волн теплового излучения (например, от 7…8 мкм до 10…14 мкм).

  • Яркостные. Измеряют температуру по величине теплового потока в узком диапазоне длин волн теплового излучения (например, от 0,9 до 1,1 мкм, или от 1 до 1,5…1,6 мкм).

  • Спектрального отношения (другое название: мультиспектральные) Позволяют измерять температуру нагретого тела по спектральным характеристикам излучаемого объектом теплового потока. В свою очередь подразделяются на:

  • Двухспектральные. Измеряют температуру по отношению сигналов на двух различных длинах волн (в двух различных спектральных диапазонах). Имеют два приемника излучения с различающимися спектральными характеристиками чувствительности.

  • Многоспектральные. Измеряют температуру по отношению сигналов на нескольких различных длинах волн (в нескольких различных относительно узких спектральных диапазонах). Имеют три и более приемника излучения с различающимися спектральными характеристиками чувствительности.

Ранее пирометры спектрального отношения часто называли цветовыми. К ним относили так называемые пирометры с исчезающей нитью (другое название: оптические). Они позволяли визуально определить температуру нагретого тела путем сравнения его цвета с цветом разогреваемой оператором эталонной нити, совмещенной в окуляре визирной системы пирометра с измеряемым объектом.

Согласно современным воззрениям, методы цветовой пирометрии и пирометрии спектрального отношения являются различными методами, поскольку из одинакового цвета (спектрального распределения) излучения двух объектов следует одинаковое отношение сигналов на двух различных длинах волн (в двух различных спектральных диапазонах). Обратное утверждение, вообще говоря, неверно. Пирометры с исчезающей нитью поэтому должны быть выделены в отдельный класс – класс цветовых пирометров. Однако в связи с тем, что подобные приборы практически повсеместно сняты с производства, цветовыми пирометрами становятся спекрометры со специально разработанным программным обеспечением.

По диапазону измеряемых температур:

  • Низкотемпературные. Диапазон измерений – от отрицательных до +200…500ºС. Чаще всего это пирометры полного излучения или частичного излучения со спектральным диапазоном от 2…8 до 12…14 мкм. Таким спектральным диапазоном обладают тепловые приемники (термоэлементы) и пироэлектрические приемники излучения.

  • Среднетемпературные. Диапазон измерений от 200…250 до 15000…2200ºС Чаще всего это коротковолновые фотодиодные яркостные пирометры (спектральный диапазон от 1,0…2,0 до 1,6…4 мкм), либо пирометры спектрального отношения с диапазоном измеряемых температур от 600…700 до 18000…2000ºС и диапазоном чувствительности приемников от 0,9 до 1,7 мкм).

  • Высокотемпературные. Диапазон измерений от 900…1000 до 3000…3500ºС Чаще всего это достаточно коротковолновые фотодиодные яркостные пирометры (спектральный диапазон от 0,6 до 1,1 мкм), либо пирометры спектрального отношения с диапазоном чувствительности приемников от 0,6 до 1,7 мкм).

Ранее многие фирмы производили еще и широкодиапазонные пирометры, с диапазоном измерений от отрицательных до +1500…1800ºС. Они представляли собой низкотемпературные пирометры со значительно расширенной верхней границей диапазона измерений. Однако используемые в них тепловые приемники часто перегревались при наведении на высокотемпературные объекты. К тому же приемники со спектральным диапазоном от 2…8 до 12…14 мкм характеризуются гораздо большими, чем коротковолновые приемники, значениями погрешностей измерений. В связи с этим мировые лидеры в производстве пирометров в настоящее время подобные пирометры не производят.

По исполнению

  • Переносные. Удобны в эксплуатации в условиях, когда необходимо лишь изредка измерять температуру одного или нескольких относительно близко расположенных объектов. Обычно снабжены небольшим дисплеем, отображающим графическую или текстово-цифровую информацию. Иногда имеют энергонезависимую память, позволяющую хранить от десятка до нескольких тысяч результатов измерений, производить измерения непрерывной серией, определять максимум, минимум и среднее значение в серии измерений, разность между максимумом и минимумом.

  • Стационарные. Предназначены для непрерывного измерения и документирования длительных (от десятков минут до десятков суток) технологических процессов. Обычно устанавливаются на определенном месте, наводятся на нужный объект (или на нужную область объекта), фиксируются в таком состоянии и осуществляют измерение с передачей информации на самописцы (токовый выход 0…20 мА или 4…20 мА) или на винчестер компьютера (выход по стандарту RS-232/RS-485).

Стационарные пирометры разделяются еще на одноблочные и двухблочные. У последних измерительная головка вынесена в отдельный узел или блок и соединена с блоком основной электроники кабелем.

По конструкции визирной и оптической системы

  • С прицельной планкой. На верхней панели пирометра устанавливают прицельную планку, как у стрелкового оружия. Пирометры с подобной визирной системой приемлемы для измерений температуры большеразмерных объектов, когда точность наведения не очень важна.

  • С оптическим прицелом. Аналогичны приборам с прицельной планкой, но вместо нее установлен оптический прицел (обычно оружейный). Точность наведения чуть выше, чем у приборов с прицельной планкой, но для измерения малоразмерных объектов пирометры с такой визирной системой также непригодны.

  • С лазерным прицелом. Обычно используют при измерении температуры объектов до 1000ºС, поскольку излучение от сильно нагретых объектов сопоставимо или значительно превышает интенсивность отраженного от объекта лазерного луча. Если прибор формирует только один лазерный пучок, то его ось чаще всего смещена относительно оптической оси приемника с объективом, и такой прибор также плохо пригоден для точного наведения на объект измерений. Если прибор формирует два или более лазерных пучков, то оптическая ось приемника с объективом лежит как правило в центре отрезка между пучками (если их два) или в центре окружности (если их несколько, и они расположены на окружности). Если на заводе-изготовителе лазеры съюстированы правильно относительно оптической оси приемника с объективом, то с таким прицелом возможно достаточно точное наведение пирометра на центр объекта измерения.

Вышеописанные визирные системы называют параллаксными, поскольку между оптической осью визира и оптической осью приемника с объективом существует смещение (параллакс) от 10…20 до 60…70 мм. Трудности с наведением на малоразмерные объекты компенсируются относительной дешевизной пирометров с такими визирными системами, что выгодно отличает их при измерениях большеразмерных объектов.

  • С беспараллаксным визиром. Такой визир является (в отличие от оптического прицела, независимого от приемника пирометра) составной частью достаточно сложной оптической системы пирометра. В окуляре визира пользователь видит изображение измеряемого объекта, и черную точку (или перекрестье) в центре окуляра. Черная точка (перекрестье) точно соответствует тому месту с поверхности объекта, излучение от которого попадает на приемник излучения. Благодаря отсутствию параллакса, пирометры с подобной системой визирования позволяют легко измерять малоразмерные объекты, и точно регистрировать область измерения на поверхности объектов больших размеров.

Часто пирометры с беспараллаксной системой визирования снабжают объективами, фокусируемыми на объект измерения, что позволяет резко снизить характерную для энергетических пирометров зависимость результатов измерений от расстояния между объектом и пирометром. Но большинство пирометров имеет объектив с постоянной фокусировкой, настроенный на расстояние 1 м от пирометра (это расстояние может изменяться производителем от 0,3 м до 2…3 м).

Также нужно отметить, что объективы пирометров бывают зеркальными (с лавсановой защитной пленкой) или линзовыми. Зеркальные объективы характеризуются несколько меньшими аберрациями, чем линзовые, но защищающая их пленка легко повреждаема, что снижает эксплуатационную надежность пирометров с зеркальной оптикой.

По показателю визирования

  • Широконаправленные. Показатель визирования (отношение диаметра пятна визирования в плоскости фокусировки объектива к расстоянию от пирометра до этой плоскости) обычно лежит в пределах от 1/6 до 1/15. То есть, на расстоянии 1 м от пирометра пятно визирования составит соответственно от 16 см до 7 см. Таким показателем визирования обладают обычно простейшие низкотемпературные пирометры.

  • Средненаправленные. Показатель визирования лежит в пределах от 1/25 до 1/150. При этом пятно визирования на расстоянии 1 м составит соответственно от 40 мм до 7 мм. Таким показателем визирования обладает большинство пирометров.

  • Узконаправленные. Показатель визирования лежит в пределах от 1/200 до 1/1000. При этом пятно визирования на расстоянии 1 м составит соответственно от 5 мм до 1 мм. Таким показателем визирования как правило обладают пирометры, специально сконструированные под определенные задачи.

Необходимо отметить, что перечисленные выше диаметры пятна визирования – это расчетные диаметры. Реальные диаметры пятна визирования обычно в 1,5…3 раза больше расчетных, в зависимости от качества оптической системы. Очевидно, что одиночная линза формирует пятно визирования большего диаметра, чем многолинзовый фотообъектив. Также нужно учитывать, что уширение пятна визирования у пирометров с узкополосными коротковолновыми приемниками меньше, чем у пирометров с относительно длинноволновыми термоэлементами, т.к. у последних значительно ниже крутизна градуировочной характеристики.

Основные источники погрешности пирометров

Пирометрия является очень сложной областью измерений. Причина заключается в том, что на поток излучения, принимаемый приемником (приемниками) пирометра напрямую влияет не только температура измеряемого нагретого объекта, но и его излучательная способность. Поэтому наряду с инструментальными погрешностями, присущими самим пирометрам, при измерениях имеют место еще и систематические методические погрешности, которых можно насчитать десяток. Каждая из них может увеличить суммарную погрешность измерений в неблагоприятном случае до 10…20% от измеренного результата, даже если собственная инструментальная погрешность пирометра составляет доли процента.

Для коррекции результатов измерений энергетических пирометров в них необходимо тем или иным предусмотренным производителем способом ввести так называемый коэффициент коррекции (другие названия – коэффициент излучения, коэффициент черноты, степень черноты и т.п.). Этот коэффициент прямо связан с излучательной способностью измеряемого объекта. При правильном его выборе погрешность измерения пирометра не превышает 1-2%. Однако проблема его правильного выбора сегодня является самой сложной в практической пирометрии. Обычно значения коэффициента излучения выбирают из справочной литературы или из руководств по эксплуатации тех или иных пирометров Однако надо иметь ввиду, что коэффициент излучения зависит не только от материала измеряемого объекта, но и от спектральных характеристик используемого пирометра, поэтому к выбору этого коэффициента из литературных данных нужно подходить осторожно. И кроме того, коэффициент излучения может сильно зависеть от температуры измеряемого объекта. Допустимо находить коэффициент излучения методом подбора – зачеканить в измеряемый объект термопару, нагреть его до температуры, примерно соответствующей температуре техпроцесса, измерить температуру объекта по термопаре и затем подобрать в пирометре такое значение коэффициента коррекции, при котором он покажет ту же температуру, что и термопара.

Помимо погрешности за счет неучета или неправильного учета коэффициента излучения, энергетические пирометры обладают еще целым рядом погрешностей: за счет переотражения излучения близко расположенных нагретых объектов, за счет виньетирования измеряемого объекта посторонним телом, за счет влияния промежуточных сред (защитных стекол, водяного пара, углекислого газа),. Дополнительно на пирометры с термоэлементами влияет температура окружающей среды, а на пирометры с пироэлементами – нестабильность частоты модуляции. Производители пирометров обычно стараются свести погрешности за счет этих факторов к минимуму.

Пирометры спектрального отношения свободны ото всех методических погрешностей, присущих энергетическим пирометрам. Для измерений в эти приборы не надо вводить никакой коэффициент излучения, они практически нечувствительны к наличию защитных стекол перед объектом, или посторонних объектов в поле зрения, частично заслоняющих измеряемый объект. Они обычно невосприимчивы к запылению (в разумных пределах) защитных окон в вакуумных камерах, у них практически нет зависимости результатов измерений от расстояния между пирометром и объектом. Далее, ими можно без потери точности измерять температуру малоразмерных объектов, площадь которых в два-четыре раза меньше площади пятна поля зрения. Все это обеспечило стремительный рост продаж пирометров спектрального отношения в последние два десятилетия.

Однако при измерении пирометрами спектрального отношения температуры объектов, спектральная излучательная способность которых изменяется с изменением длины волны, у пирометров спектрального отношения также возникает дополнительная погрешность, величина которой зависит от крутизны изменения спектральной излучательной способности с ростом длины волны излучения. Эта погрешность систематическая, т.е. повторяющаяся при измерении одного и того же материала в одних и тех же условиях одним и тем же пирометром спектрального отношения. Поэтому в случае использования такого пирометра в системе управления/контроля техпроцессом этой погрешностью можно пренебречь, потому что главное в управлении – повторяемость, а она пирометром обеспечивается. Если необходимы более точные измерения, нужно осуществлять коррекцию согласно.

Применения

Теплоэнергетика — для быстрого и точного контроля температуры на участках не доступных или мало доступных для другого вида измерения.

Электроэнергетика — контроль и пожарная безопасность, эксплуатация объектов

Транспорт, в т.ч. железнодорожный — контроль температуры букс и ответственных узлов грузовых и пассажирских вагонов, контроль любых движущихся трущихся частей..

Черная и цветная металлургия, металлургия благородных металлов – контроль температуры в процессах плавки, трансформирования и термообработки.

Машиностроение, автомобильная промышленность – контроль процессов термообработки.

Нефтяная и газовая промышленность – контроль температуры объектов инфраструктуры, в т.ч. трубопроводов.

Лабораторные исследования — при проведении исследований активных веществ в активных средах, а также в тех случаях, при которых контактный метод нарушает чистоту эксперимента (например, тело настолько мало что при измерении контактным методом потеряет существенную часть теплоты, или просто слишком хрупкое для такого типа измерения). Применяется в авиации и в космонавтике (контроль, опыты)

Строительство — пирометры применяют для определения теплопотерь в зданиях жилого и промышленного назначения, на теплотрассах, для эффективного нахождения прорывов теплоизоляционной оболочки.

Биологическая и пищевая промышленность – контроль температуры процессов без риска внести недопустимые ингредиенты.

Животноводство – выявление заболевших животных.

Химическая, стекольная, целлюлозно-бумажная промышленность – контроль температуры технологических процессов.

Электроника – контроль нагрева и перегрева электронных узлов, блоков и отдельных электронных компонентов.

Бытовое применение — измерение температуры тела, пищи при приготовлении, и многое другое.

Отдельная большая область применения пиросенсоров - датчики движения в системах охраны зданий. Датчики реагируют на изменение инфракрасного излучения в помещении.

Литература

Книги

  • Гаррисон Т.Р. Радиационная пирометрия. – М.: «Мир», 1964. – 248 с.

  • Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел. В 2 томах. Т.1. – М.: «Наука», 1965. – 224 с.

  • Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. — Москва «Металлургия», 1980 – 544 с.

  • Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники. — М.: Советское радио, 1978. — 400 с.

  • Кременчугский Л. С., Ройцина О. В. Пироэлектрические приемники излучения. — Киев: Наук. думка, 1979. — 381 с.

  • Температурные измерения. Справочник. — Киев: Наукова думка, 1989, 703 с.

  • Рибо Г. Оптическая пирометрия, пер. с франц., М. — Л., 1934

  • Гордов А. Н. Основы пирометрии, 2 изд., М., 1971.

  • Лисиенко В.Г., Шлеймович Е.М., Ладыгичев М.Г., Санников С.П., Щелоков Я.М. Температура: теория, практика, эксперимент. Справочное издание: В 3-х томах. Т.1, книга 2 – М.: Теплотехник, 2009 – 340 с.

  • Излучательные свойства твердых материалов. Под ред. Шейндлина А.Е. – М.: «Энергия», 1974. – 471 с.

  • Свет Д.Я. Объективные методы высокотемпературной пирометрии при непрерывном спектре излучения. – М.: «Наука», 1968. – 240 с.

  • Поскачей А.А., Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. – М.: «Энергоатомиздат», 1988. – 471 с.

  • Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. – М.: «Наука», 1982. – 296 с.

  • Большой энциклопедический словарь. Физика. Под ред. Прохорова А.М.. – М.:Научное издательство “Большая Советская Энциклопедия”, 1999. – 944 с., илл.

  • Беленький А.М., Дубинский М.Ю., Ладыгичев М.Г., Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М. Измерение температуры: теория, практика, эксперимент. Справочное издание: В 3-х томах. Т.2 – М.: Теплотехник, 2007 – 736 с.

  • Магунов А.Н. Спектральная пирометрия. - М.: ФИЗМАТЛИТ. 2012. - 248 с.

Журналы

  • Белозеров А. Ф., Омелаев А. И., Филиппов В. Л. Современные направления применения ИК радиометров и тепловизоров в научных исследованиях и технике. // Оптический журнал, 1998, № 6, с.16.

  • Крутиков В.Н., Фрунзе А.В. О прослеживаемости современных пирометров к первичному эталону единицы температуры и о классификации методов пирометрии //Измерительная техника – 2012. - №2 – С.32-37.

  • Радиационные характеристики объектов контроля температуры в металлургии. Справочник. Беленький А.М. и др. – М.: изд-во Московского Государственного Института Стали и Сплавов, 2003 – 29 с., илл.

  • Фрунзе А.В. Влияние методических погрешностей пирометра на выбор прибора //Фотоника – 2012. - № 3 – С.46-51; № 4 – С.56-60.

  • Скобло В. С. К оценке дальности действия тепловизионных систем. // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2001. Т.44, № 1, с. 47.

  • Захарченко В. А., Шмойлов А. В. Приемник инфракрасного излучения // Приборы и техника эксперимента, 1979, № 3, с.220.

  • Исмаилов М. М., Петренко А. А., Астафьев А. А., Петренко А. Г. Инфракрасный радиометр для определения тепловых профилей и индикации разности температур. // Приборы и техника эксперимента, 1994, № 4, с.196.

  • Мухин Ю. Д., Подъячев С. П., Цукерман В. Г., Чубаков П. А. Радиационные пирометры для дистанционного измерения и контроля температуры РАПАН-1 и РАПАН-2 // Приборы и техника эксперимента, 1997, № 5, с.161.

  • Афанасьев А. В., Лебедев В. С., Орлов И. Я., Хрулев А. Е. Инфракрасный пирометр для контроля температуры материалов в вакуумных установках // Приборы и техника эксперимента, 2001, № 2, с.155-158.

  • Фрунзе А.В. Пирометры спектрального отношения: преимущества, недостатки и пути их устранения //Фотоника – 2009. -№ 4 – С.32-37.

  • Фрунзе А.В. Методические погрешности современных пирометров и способы их минимизации //Метрология – 2012. - №7 – С.25-38.

  • Авдошин Е. С. Светопроводные инфракрасные радиометры (обзор) // Приборы и техника эксперимента, 1988, № 2, с.5.

  • Авдошин Е. С. Волоконный инфракрасный радиометр. // Приборы и техника эксперимента, 1989, № 4, с.189.

  • Сидорюк О. Е. Пирометрия в условиях интенсивного фонового излучения. // Приборы и техника эксперимента, 1995, № 4, с.201.

  • Порев В. А. Телевизионный пирометр // Приборы и техника эксперимента, 2002, № 1, с.150.

  • Фрунзе А.В. Измерение температуры материалов пирометрами спектрального отношения и их коррекция // Металлообработка. 2009. № 5. С.40-42.

  • Самойлов М. Л., Фрунзе А. В. Повышение точности измерений температуры “несерых тел” широкополосным пирометром спектрального отношения // Метрология. 2010. № 6. С. 23–31.

  • Фрунзе А.В. Повышение точности измерений широкополосными пирометрами спектрального отношения температуры металлов //Приборы – 2010. - №12 – С.23-32

  • Широбоков А. М., Щупак Ю. А., Чуйкин В. М. Обработка тепловизионных изображений, получаемых многоспектральным тепловизором «Терма-2». // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2002. Т.45, № 2, с.17.

  • Букатый В. И., Перфильев В. О. Автоматизированный цветовой пирометр для измерения высоких температур при лазерном нагреве. // Приборы и техника эксперимента, 2001, № 1, с.160.

  • Chrzanowski K., Bielecki Z., Szulim M. Comparison of temperature resolution of single-band, dual-band and multiband infrared systems // Applied Optics. 1999. Vol. 38 № 13. p. 2820.

  • Фрунзе А.В., Новые пирометры ДИЭЛТЕСТ для металлообработки // Металлообработка – 2007. - №4 – С.33-37.

  • Фрунзе А.А., Фрунзе А.В.. Метод определения коэффициента излучения для коррекции энергетического пирометра // Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. - Труды VI международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи. 15-20 октября 2012 г. НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МИСиС", г. Москва. – С.511-520.

  • Chrzanowski K., Szulim M. Error of temperature measurement with multiband infrared systems // Applied Optics. 1999. Vol. 38 № 10. p. 1998.

Код счетчика Я.Метрики