Каталог продукции
Директор ФРУНЗЕ
Александр Вилленович
Доктор технических наук

С какой точностью вы измерите температуру реального объекта пирометром с погрешностью 0,1-0,2%

С КАКОЙ ТОЧНОСТЬЮ ВЫ ИЗМЕРИТЕ ТЕМПЕРАТУРУ РЕАЛЬНОГО ОБЪЕКТА ПИРОМЕТРОМ С ПОГРЕШНОСТЬЮ 0,1…0,25%?
Фрунзе А.В., к.т.н. – ННТП “ТЕРМОКОНТ”

В своей борьбе за потребителя производители стремятся совершенствовать параметры своих изделий. А точность (правильнее говорить о погрешности измерений), наряду с диапазоном измеряемых температур – это основные параметры пирометра. И естественно, заявляя более низкую погрешность, чем у конкурирующего изделия, производитель открыто говорит потребителю о том, что его продукт лучше, чем аналог от его конкурента.
В нулевом приближении это так. Но пирометрия – особая отрасль измерений, где не все столь просто, и где кажущиеся очевидными выводы могут оказаться неверными.

ОСНОВНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ ПИРОМЕТРА – ЧТО ЭТО?
Начнем с того, что заявляемые производителями основные погрешности измерений – это те погрешности, которые присущи их изделиям при поверках и калибровках на идеальных излучателях, так называемых “черных телах” (МЧТ- модель или макет “черного тела”). Такие “черные тела” – обязательное оборудование любой поверочной лаборатории. Их главной особенностью является то, что их коэффициент излучения (иначе: излучательная способность) на любой длине волны практически равен единице (типовые значения – 0,990…0,998). И вот при измерении температуры именно этих излучателей, в лабораторных условиях, при температуре окружающей среды от 20 до 25ºС, пирометры и демонстрируют свои точностные характеристики, которые называют основной погрешностью измерений данного прибора.
Итак, поставщиками вам предложены два пирометра – один с основной погрешностью 0,25%, и другой – с погрешностью 1%. С финансовой стороны вам по карману и тот, и другой. Что выбрать? Памятуя, что скупой платит дважды, вы скорее всего постараетесь выбрать первый – ведь его погрешность ниже, значит, он лучше. А следует ли из этого, что с ним вы будете получать более точные результаты измерений? Нет, не следует! Почему? Да потому что, как я уже сказал, пирометрия – особая отрасль измерений, где все не столь просто.

ВЛИЯНИЕ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ
Начнем с того, что на результат измерения пирометром в очень большой степени влияет излучательная способность измеряемого объекта. Если кто не знает, что это такое – представьте следующую картину. В нашем распоряжении есть алюминиевый чайник, стенки которого полированы, но на одной из боковин – большое пятно сажи (чайник как-то упал в костер, извлечен оттуда был не сразу, а оттирать въевшуюся сажу не хочется, на скорость закипания она не влияет). Так вот, если вы наведете пирометр на закопченную поверхность кипящего чайника, пирометр покажет 90…95ºС. При наведении на чистую полированную поверхность пирометр даст результат порядка 30…35ºС. И это притом, что чайник кипит, т.е. вода внутри него имеет температуру около 100ºС, и к стенке чайника лучше не прикасаться, иначе ожог обеспечен.
Почему при измерении почти 100-градусной температуры пирометр покажет втрое меньшее значение? Дело в том, что каждый объект характеризуется излучательной способностью, которая описывает его излучательные свойства. Излучательная способность чистого полированного алюминия – от 0,02 до 0,04, т.е. в 25-50 раз меньше, чем у МЧТ (излучательная способность МЧТ, напомню, от 0,99 до 0,999). А излучательная способность закопленной поверхности – порядка 0,95…0,98. То есть, полированная поверхность излучает практически в те же 25-50 раз меньше, чем закопченная. А пирометр трактует это как то, что температура полированной поверхности гораздо ниже, чем у закопченной.
Для того, чтобы устранить эту 60-градусную погрешность (95-35=60), обычное пирометры снабдили органом коррекции по излучательной способности. Вам предлагается так или иначе, в зависимости от конструкции, ввести в пирометр значение излучательной способности того объекта, который вы измеряете. Если введенное значение соответствует истинному, то вы получите правильный результат.
Вот мы и добрались до первого препятствия – “если введенное значение соответствует истинному”. А если не соответствует?
А если не соответствует, то при измерении у вас возникнет дополнительная методическая погрешность за счет ошибочного ввода коэффициента излучения, определяемая соотношением:


Здесь Тд – действительное значение температуры объекта, – значение температуры объекта, получаемое при вводе ошибочного значения коэффициента излучения,   –   действительное (соответствующее используемому пирометру) значение излучательной способности, а – ошибка ввода коэффициента излучения, т.е. разность между  и тем значением, которое взято из справочной литературы.


Результаты расчета величины дополнительной методическая погрешности вследствие ввода ошибочного значения коэффициента излучения в соответствии с (1) приведены в таблицах 1-3. Расчеты были проведены для трех температур (1600 К, 2000 К и 2600 К) и для длин волн 0,6 мкм, 1 мкм, 1,5 мкм, 2 мкм, 5 мкм, 8 мкм и 12 мкм. При этом в таблице 1 приведены результаты, соответствующие 10%-й погрешности в определении излучательной способности, в таблице 2 – 20%-й, в таблице 3 – 30%-й.

 

Таблица 1.

Темп-ра

0,6мкм

1мкм

1,5мкм

2мкм

5мкм

8 мкм

12 мкм

1600 К

0,0063

0,0105

0,0157

0,0208

0,0504

0,0782

0,1129

2000К

0,0079

0,0131

0,0195

0,0258

0,0622

0,0959

0,1372

2600К

0,0102

0,0169

0,0252

0,0333

0,0793

0,1212

0,1714

 

Таблица 2.

Темп-ра

0,6мкм

1мкм

1,5мкм

2мкм

5мкм

8 мкм

12 мкм

1600 К

0,0120

0,0199

0,0295

0,0390

0,0921

0,1396

0,1958

2000К

0,0150

0,0247

0,0366

0,0483

0,1125

0,1686

0,2333

2600К

0,0194

0,0319

0,0471

0,0619

0,1415

0,2087

0,2835

 

Таблица 3.

Темп-ра

0,6мкм

1мкм

1,5мкм

2мкм

5мкм

8 мкм

12 мкм

1600 К

0,0172

0,0284

0,0420

0,0552

0,1274

0,1893

0,2594

2000К

0,0214

0,0352

0,0519

0,0680

0,1543

0,2260

0,3045

2600К

0,0277

0,0453

0,0664

0,0867

0,1917

0,2731

0,3628

 



Из табл.1 следует, к примеру, что если пирометр работает на длинах волн 1,5…2 мкм, то при 10%-й ошибке при определении коэффициента излучения упомянутая дополнительная погрешность составит от 1,5 до 3,3%, при 20%-й ошибке – от 2,9 до 6,2%, при 30%-й ошибке – от 4,2 до 8,7%. Если пирометр работает на длине волны 12 мкм, то при 10%-й ошибке при определении коэффициента излучения упомянутая дополнительная погрешность составит от 11 до 17%, при 20%-й ошибке – от 19 до 28%, при 30%-й ошибке – от 26 до 36%. Иными словами, эта дополнительная погрешность очень часто является значимой, заметно влияющей на результат измерения (а иногда и просто катастрофической!).
Пользователь считает, что погрешность его измерения равна погрешности измерений, записанной в паспорте пирометра (0,25% или 1%, если речь идет о вышеупомянутых приборах). Реально же она может оказаться, как следует из табл. 3, в пределах 26-36%. А пользователь при этом не только не знает величины этой погрешности, но чаще всего даже не догадывается об ее существовании!

ОТКУДА БЕРУТ ЗНАЧЕНИЕ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ?
А с какой точностью вы знаете излучательную способность своего объекта? Откуда вы берете ее значение? Этот вопрос сегодня является одним из самых сложных в пирометрии. В подавляющем большинстве случаев значение излучательной способности берут из таблиц, найденных в тех или иных литературных источниках, и из руководств по эксплуатации пирометров. При этом в таблицах нет никакой информации о том, в каком спектральном диапазоне проводились те или иные измерения. А коэффициент излучения – это величина, которая зависит не только от материала объекта, но и от спектрального диапазона пирометра.
 На рис. 1 приведены спектральная излучательная способность типичного низколегированного металла ([5], кривая 1) и спектральные чувствительности яркостного фотодиодного пирометра (кривая 2) и пирометра с термоэлементом спектрального диапазона 8…14 мкм (кривая 3).

Видно, что излучательная способность в области спектральной чувствительности яркостного фотодиодного пирометра находится вблизи значения 0,7, в то время как в области спектральной чувствительности радиационного пирометра – вблизи значения 0,23…0,25. То есть, взяв значение 0,25, более-менее правильное для пирометра с термоэлементом спектрального диапазона 8…14 мкм, и введя его в фотодиодный пирометр с кремниевым фотодиодом, вы допустите ошибку при вводе коэффициента излучения не в 10%, а в 250…300%! Конечно, это один из крайних случаев. Но он призван показать, что погрешность в определении коэффициента излучения может составлять десятки процентов!

Напомню, что при измерении температуры излучателя-МЧТ, где излучательная способность известна с погрешностью менее 1%, упомянутые в начале раздела пирометры могут показать результаты, действительно отличающиеся от истинных не более чем на 0,25% и 1%. Еще раз подчеркну – при измерении температуры МЧТ.

Но, как следует из табл. 1-3, эти же пирометры при 10%-й погрешности в определении излучательной способности измерят температуру вашего реального объекта с погрешностью от 1% до 12-17%, а при 30%-й погрешности в определении излучательной способности измерят ее с погрешностью от 2% до 26-36%.. При этом меньшие значения соответствуют пирометрам с коротковолновыми фотодиодными приемниками, а большие – пирометрам спектрального диапазона 8…14 мкм. То есть, температура реального объекта измеряется с гораздо большей погрешностью, чем температура МЧТ. Виной тому – ошибки в определении излучательной способности измеряемого объекта.

Таким образом, предполагать, что погрешность измерения пирометром вашего реального объекта равна заявляемой производителем основной погрешности пирометра – это ошибка.Погрешность вашего измерения определится в первую очередь тем, насколько правильно вы определите значение коэффициента излучения измеряемого объекта. Его, скорее всего, вы сможете определить с точностью не лучше 10…20%. А дальше все зависит от того, насколько велика дополнительная методическая погрешность за счет ошибочно введенного ε у используемого вами пирометра. У пирометров, использующих коротковолновые фотодиодные пирометры, она низка. У пирометров спектрального диапазона 8…14 мкм она более чем на порядок выше. Поэтому, если упомянутый в начале статьи однопроцентный пирометр выполнен на фотодиодном кремниевом приемнике, а четвертьпроцентный – на термоэлементе с диапазоном 8…14 мкм, то температуру вашего реального объекта, как это не удивительно, точнее измерит не четвертьпроцентный, а однопроцентный прибор. За счет меньшей дополнительной погрешности при ошибочно вводимом ε. И величина этой дополнительной погрешности никак не может оказаться менее 2-3%.

 

ВЛИЯНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Ну хорошо, скажете вы, а если я все-таки смогу точно измерить излучательную способность своего объекта, и введу коэффициент излучения не с 10%-й ошибкой, а с ошибкой менее 1%? Ведь в этом случае дополнительная погрешность, которой вы нас пугаете, будет примерно на порядок ниже – доли процента у пирометров с коротковолновыми фотодиодами, и 1-3% для пирометров с термоэлементами 8…14 мкм. Так ведь?

К сожалению, не совсем так. И вот почему. Из литературы [2], [5] известно, что спектральная излучательная способность объекта часто является функцией температуры. На рис. 2 приведены графики зависимостей для динамной стали при нагреве в азотно-водородной атмосфере для температур 427ºС, 527ºС, 627ºС, 727ºС, 827ºС и 927ºС [5]. Очевидно, что найденный для пирометра, к примеру, со спектральной характеристикой (2) коэффициент излучения для 927ºС отличается от коэффициента излучения для 427ºС почти в два раза.

Практически то же самое можно сказать и об изменении коэффициента излучения для пирометров спектрального диапазона 1…1,5 мкм, и для пирометров, работающих в длинноволновой части спектра (8…14 мкм, характеристика (3)). И вот эта температурная зависимость спектральной излучательной способности делает процедуру нахождения коэффициента излучения с высокой степенью точности практически невозможной.

Описанная температурная зависимость излучательной способности приводит к появлению еще одной дополнительной систематической методической погрешности измерений. Это все та же погрешность за счет ошибочного ввода коэффициента излучения. Но ошибка является не следствием вашего незнания, а следствием того, что различным значениям температуры объекта соответствуют разные значения коэффициента излучения, и правильно определенный и введенный в пирометр на одной из температур, этот коэффициент будет ошибочным на других температурах.

Для оценки этой погрешности предположим, что мы нашли точное значение коэффициента излучения для яркостного пирометра при температуре объекта с рис. 2, равной 627ºС, и ввели его в пирометр. Какова будет погрешность измерения объекта при температурах 427ºС и 927ºС?

Вначале рассчитаем погрешность измерения для коротковолнового яркостного пирометра (λ = 0,6 мкм). Подставив в (1) значения Тд = 1200К,   =  0,5,  = +0,15,  λ = 10-6 м, получим, что  0.021. Подставляя Тд = 700К,   =  0,5,  = -0,15,  λ = 10-6 м, получим, что -0,017. То есть, в обоих случаях дополнительная систематическая методическая погрешность имеет величину примерно 2%.

Далее рассчитаем погрешность измерения для яркостного пирометра, работающего на длине волны λ = 1,5 мкм. Подставив в (1) значения Тд = 1200К,   =  0,48,  = +0,19,  λ = 1,5*10-6 м, получим, что 0,040. Подставляя Тд = 700К,   =  0,48,  = -0,14,  λ = 1,5*10-6 м, получим, что -0,026. То есть, дополнительная систематическая методическая погрешность в данном случае имеет величину примерно от 2,5 до 4%.

И далее рассчитаем погрешность измерения для яркостного пирометра, работающего на длине волны λ = 12 мкм). Подставив в (1) значения Тд = 1200К,   =  0,20,  = +0,08,  λ = 12*10-6 м, получим, что  0,252 . Подставляя Тд = 700К,   =  0,20,  = -0,5,  λ = 12*10-6 м, получим, что . То есть, дополнительная систематическая методическая погрешность в данном случае имеет величину примерно от 20 до 25%.
Необходимо отметить, что для пирометров частичного излучения с широкополосными приемниками соотношение (1) неприменимо. Один из вариантов возможного расчета получаемой дополнительной методической погрешности описан в [4] и состоит в следующем. Вначале рассчитывают градуировочную характеристику пирометра:

          
где   - соответственно нижняя и верхняя границы спектральной чувствительности соответствующего приемника, - планковская функция, - это спектральная характеристика чувствительности приемника, α - размерный коэффициент пропорциональности.

После этого находят функцию, обратную градуировочной .  Погрешность ввода коэффициента излучения приводит к изменению сигнала на выходе приемника с  на , которые с помощью функции, обратной градуировочной, пересчитываются в значения температуры   Проведенный для пирометра с характеристикой (3) с рис. 1 расчет показал, что если пользователь “методом подкручивания” или любым другим методом подберет значение коэффициента излучения на температуре 727ºС такое, что пирометр на этой температуре будет измерять наш объект с минимальной погрешностью, то при измерении 427-градусного объекта с этим подобранным значением коэффициента излучения результат окажется заниженным на 19,7%, а при измерении 927-градусного объекта – завышенным на 18%!

 

Рис. 2 Семейство зависимостей для динамной стали при нагреве в азотно-водородной атмосфере для температур 427ºС, 527ºС, 627ºС, 727ºС, 827ºС и 927ºС.

 

 

Результаты расчетов сведены в табл. 4.

Таблица 4

Спектр. диап., мкм /

тип приемника излучения

Погрешность измерения температуры за счет температурной зависимости при температурах:

427ºС

927ºС

0,9…1,1 / Si-фотодиод

2,1

1,7

1,0…1,7 / InGaAs-фотодиод

4

2,6

8…14 / термоэлемент

19,7

18

 

Таким образом, за счет температурной зависимости излучательной способности измеряемого объекта даже при правильно введенном в пирометр коэффициенте излучения для определенной температуры дополнительная методическая погрешность при измерении других температур может достигать 20%-й величины! И если речь идет о материале, спектральная излучательная способность которого неизвестна, то мы ничего не можем сказать о величине этой дополнительной погрешности. И в итоге реальная погрешность измерения как правило на порядок-полтора превзойдет инструментальную погрешность пирометра, как бы вы не пытались найти точное значение коэффициента излучения для ввода в пирометр.

А знаете ли вы температурную зависимость коэффициента излучения объектов, которые вам предстоит измерить, с точностью 10%? Или хотя бы 20%? Согласитесь, чаще всего нет. Более того, если вы залезете в справочную литературу, то обнаружите, что подобных измерений практически не проводилось. То небольшое количество экспериментальных данных, которое есть в [5], говорит, что при изменении температуры большинства металлов их излучательная способность может изменяться в 1,5…2 раза. Рис. 2 показывает, что при температуре 700ºС коэффициент излучение материала на длине волны 1,0 мкм равен 0,35, а при температуре 1200ºС – более 0,6. На длинах волн 8…14 мкм коэффициент излучения равен соответственно 0,15 и 0,25. Изменение коэффициента излучения с ростом температуры – свыше 60%! Схожие данные – и для других металлов, которые были измерены в [5]. Как следует из табл. 4, за счет этого пирометры с приемниками на основе фотодиодов при этом дадут вам погрешность измерений до 4…6%. Пирометр на термоэлементе по этой причине ошибется на 20%!!!

Многие эксплуатационщики сталкивались с этим – вроде бы при одной температуре им удалось подобрать значение ε, при котором пирометр на термоэлементе измеряет разумно с их точки зрения. Но вот измеряемая температура ушла вверх на 250…300ºС, и прибор начинает показывать что-то несусветное. Вывод очевиден – прибор “дурит”, наверное, его надо ремонтировать. На самом же деле прибор в полном порядке – просто с изменением температуры изменилось значение ε (на 10…20% или более), о чем оператор чаше всего не знает. А следствием будет 10…25%-я погрешность измерения прибором температуры. Причем в полном соответствии с законами физики. И вне зависимости от того, отечественный прибор, или импортный – физика ведь одинакова на всех шести континентах!

Таким образом, если вы не знаете точных значений коэффициента излучения для вашего объекта и для вашего пирометра во всем диапазоне измеряемых температур, то погрешность измерения температуры реального объекта практически никогда не будет менее 4-6%. Но может достигать и 10, и 20%, в зависимости от типа пирометра и характера зависимости коэффициента излучения от температуры.

 

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Теперь коснемся еще одной проблемы – зависимости результатов измерений пирометрами от температуры окружающей среды.

Приемниками излучения пирометров являются чаще всего полупроводниковые элементы – болометры, фотодиоды, пироэлектрики, термоэлементы. И как у всяких полупроводниковых компонентов, их характеристики зависят от температуры окружающей среды. У приемников это выражается в том, что при изменении температуры среды выходной сигнал приемника изменяется, притом что входной оптический сигнал остается неизменным.

По опыту автора, изменение температуры окружающей среды на каждые 10ºС у пирометра с приемником из кремниевого фотодиода приводит к дополнительной погрешности порядка 1% при температурах объекта от 500 до 1000ºС. То есть, идеально откалиброванный при температуре 22ºС пирометр, с основной погрешностью 0,25% при 32ºС будет характеризоваться погрешностью порядка 1%, при 42ºС – погрешностью порядка 2%, и т.д. Для пирометров с приемниками на основе InGaAs-фотодиодов и термоэлементов дополнительная погрешность на каждые 10ºС изменения окружающей температуры чуть больше (порядка 1,3…1,5%). То есть, если в пирометре не приняты меры, которые исключают появление упомянутой дополнительной погрешности, можете смело рассматривать экстремально низкие значения погрешностей пирометров, заявляемые их производителями, как рекламный ход.

Скорее всего эти заявленные погрешности (от 0,1% до 0,4%) – правда. Но лишь при окружающей температуре вблизи 21…23ºС. А если у вас в цеху зимой +10ºС, а летом +33ºС, то ни о каких десятых долях процента говорить не приходится.

О каких мерах исключения дополнительной погрешности за счет температуры окружающей среды может идти речь? В первую очередь это термостабилизация приемного узла. Достаточно застабилизировать температуру приемного узла с точностью 1-2 градуса – и никакой дополнительной погрешности за счет окружающей температуры не будет, о ней можно забыть.

Второй путь – введение соответствующих поправок. В пирометре должен быть датчик температуры окружающей среды, и соответствующая программа, корректирующая чувствительность приемника. Причем именно чувствительность, а не смещение по постоянному току.

Если хоть один из этих механизмов в пирометре есть, то это гарантированно отражено в его описании/руководстве по эксплуатации. Если такой информации в фирменном руководстве вы не найдете – будьте уверены, прибор имеет дополнительную процентную погрешность на каждые 10ºС изменения температуры окружающей среды, что бы при этом вам не говорили менеджеры, продающие его.

Иногда они, правда, говорят, что предлагаемый прибор сделан мировым лидером, имеющим большой опыт, и что приемники пирометра этого лидера не имеют такой погрешности. Про лидеров – почти наверняка правда, про большой опыт – тоже. А вот про то, что приемники мировых лидеров лучше остальных – мягко говоря, неправда. Законы физики, как я уже говорил, одинаковы на всех континентах. И температурный уход кремниевых фотодиодов, к примеру, практически одинаков, будь то прекрасный фотодиод фирмы Hamamatsu, или менее ценимый, но вполне качественный отечественный ФД-24К выпуска 30-летней давности.

ВЛИЯНИЕ НЕПРОСЛЕЖИВАЕМОСТИ К ПЕРВИЧНЫМ ЭТАЛОНАМ

О том, что непрослеживаемость пирометров к первичным эталонам вносит свои дополнительные погрешности, метрологи заговорили в последние 10 лет. Дело в том, что если вы калибруете пирометр на излучателе, который характеризуется, к примеру, 0,5%-й погрешностью, то погрешность калибруемого прибора не может быть ниже 0,5%. Даже если он идеально калиброван на этом излучателе, и его показания расходятся с показаниями излучателя менее чем на 0,1%, погрешность пирометра будет не 0,1%, а 0,5%. Ведь основная погрешность – это не погрешность относительно излучателя, а погрешность относительно международной температурной шкалы. А с ней упомянутый излучатель расходится в данном примере на 0,5%.

Долгое время западные производители не считали нужным сверять свои образцовые излучатели с национальными эталонами температуры. В качестве погрешности они приводили отклонения результатов измерений от температуры имеющихся в их распоряжении излучателей. Отсюда и рекордно низкие погрешности таких приборов – 0,1…0,2%. Просто неучтены погрешности самогó излучателя.

Сейчас метрологи заставляют западных производителей это делать. Но информация о погрешностях сличений до нас не доходит. А жаль. Если, к примеру, кто-то из мировых лидеров предлагает вам прибор с основной погрешностью 0,1%, то это значит, что излучатель, на котором был калиброван этот прибор, должен иметь погрешность хотя бы втрое меньшую. А есть ли такой излучатель у этого лидера? С основной погрешностью 0,03%?! И подкрепляется ли это сертификатом соответствующего главного метрологического института страны, в которой работает этот производитель? Или это только словами дилера, продающего вам прибор?

 

ВЛИЯНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ВИЗИРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Для упрощения конструкции большинство пирометров делают с нефокусируемой оптической системой. Плоскость, которая сопряжена с плоскостью приемника, обычно находится на расстоянии 0,5 м или 1 м от объектива пирометра. Именно в этой плоскости размер измеряемого объекта минимален. И именно на этом расстоянии от излучателя обычно располагается пирометр во время калибровки.

Но производители обычно умалчивают, что при изменении расстояния от пирометра до объекта результат измерения изменяется, даже если температура объекта остается неизменной [3]. Это происходит потому, что площадь объекта, с которой пирометр принимает тепловые лучи, и телесный угол, под которым из точек объекта видна выходная линза объектива пирометра, изменяются с изменением расстояния несинхронно. Поскольку расчет реальной площади объекта, с которой пирометр принимает тепловые лучи, весьма затруднителен, соответствующие математические модели, отражающие изменение теплового потока с изменением расстояния, не разработаны. Но это не значит, что этого изменения не существует. Оно существует, и при изменении расстояния с 1 м до 2 м результат измерения пирометром со спектральной характеристикой 3 (рис. 1) может измениться на 2…4%. Для пирометра со спектральной характеристикой 2 эта величина заметно ниже, немного менее 0,5%. Как видите, и за счет этого фактора экстремально низкие значения погрешности измерений (0,1…0,3%) окажутся нереализуемыми вами – за счет того, что вы измеряете объекты на иных расстояниях, нежели на том, при котором калибровался пирометр, вы получаете реальную погрешность заметно более, чем заявленная производителем основная погрешность.

Справедливости ради надо отметить, что у правильно сконструированных пирометров с фокусируемой оптической системой эта погрешность отсутствует.

Что касается системы визирования, ее влияние сказывается при измерении малоразмерных объектов. Если поле зрения пирометра на выбранном расстоянии сопоставимо с размером объекта, и вы из-за неудачно выбранного визира не можете точно навести пирометр на объект измерения, вы легко можете при измерении получить дополнительную погрешность в несколько процентов. Поэтому, если размеры объекта минимальны, используйте пирометры с хорошим беспараллаксным визиром.

 

ВЛИЯНИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ФАКТОРА

Есть еще один неприятный фактор, влияющий на точность измерения. Это – человеческий фактор. Установленный с ошибкой коэффициент излучения – и результат измерения будет включать в себя погрешность, причем иногда значительную [4]. Избавиться от этой погрешности позволяют пирометры спектрального отношения, лишенные органов коррекции.

 

ВЛИЯНИЕ СПЕЦИАЛИЗАЦИИ ПРИБОРА

Если Вы попытаетесь измерить температуру алюминиевой заготовки обычным пирометром, не предназначенным для измерения температуры алюминия, скорее всего результат будет очень плохим, погрешность измерения превысит все разумные границы. Это произойдет потому, это излучательная способность алюминия очень низка, на уровне 0,02…0,03. То есть, сигнал от алюминиевой заготовки в 30…50 раз меньше, чем от МЧТ. Чтобы скомпенсировать ослабление за счет излучательной способности, сигнал, пришедший на пирометр, надо усилить в 30-50 раз. Одновременно с этим во столько же раз возрастут и присущие пирометру шумы. И если пирометр не содержит технических решений, минимизирующих эти шумы, погрешность измерения будет на один-два порядка больше собственной инструментальной погрешности пирометра.

Еще один пример – измерение температуры металлов пирометром с характеристикой 3 (рис. 1). Дело в том, что у большинства металлов излучательная способность с ростом длины волны снижается до значений 0,1…0,3. Погрешность измерения излучательной способности величиной 0,05 составляет в данном случае от 16 до 50 процентов, что соответствует дополнительной погрешности в первом приближении от 4 до 13%.Поэтому приобретая пирометр со спектральным диапазоном 8…14 мкм для измерения температуры металла, помните, что даже получить одно-двухпроцентную погрешность окажется крайне затруднительно, что однопроцентным пирометром, что четвертьпроцентным.

В то же время, по данным НПУЦ “Энергомет” [5], излучательная способность многих огнеупоров в этом спектральном диапазоне приближается или превышает значение 0,9. И для температуры таких объектов пирометр со спектральным диапазоном 8…14 мкм вполне пригоден. Погрешность 0,2…0,3% получить вам, скорее всего при этом не удастся, но на уровне 2…3% - вполне реально.

 

ВЫВОДЫ

Таким образом, мы рассмотрели 7 различных причин, которые при измерении температуры пирометром приводят к появлению дополнительных погрешностей от 4…6% до 15…20% и более. Эти погрешности, всегда имеющие место в процессе измерения реальных объектов, сведут на нет все преимущества пирометра с экстремально низкой погрешностью (на уровне 0,1…0,25%).

Так стоит ли гнаться за четвертьпроцентными (или еще более точными) пирометрами? Весь вопрос в том, какую задачу вы пытаетесь решить.

Если оснастить поверочную лабораторию – то да, безусловно. Вы будете измерять таким пирометром температуру МЧТ, поэтому влияние излучательной способности на результат измерения исключается. Обычно в лаборатории нормальная температура окружающей среды, поэтому влияние ее изменения тоже минимально. Прибор вы установите на том расстоянии, на котором рекомендует производитель, и влияние изменения расстояния тоже будет исключено. И тогда прекрасные точностные характеристики прибора будут реализованы.

Если прибор предназначается для измерения не МЧТ, а реальных объектов на производстве или в научных исследованиях – то нет. Упомянутые причины приведут к тому, что погрешность результатов измерений будет не доли процентов, а минимум единицы, в предельно нехорошем стечении обстоятельств – даже 15% и более. Причем как для пирометров с основной погрешностью 0,2%, так и для пирометров с основной погрешностью 1%.

Поэтому надо ориентироваться не на минимум погрешности, а на специфические особенности прибора, которые делают его либо неудачным для вашего случая, либо наоборот, оптимальным. И здесь справедливо следующее правило: чем короче спектральный диапазон используемого прибора, тем меньше сказываются при работе с ним все дополнительные методические погрешности. Если вы можете позволить себе не интересоваться температурами ниже 500ºС, выбирайте пирометр на основе кремниевого фотодиода, у него дополнительные погрешности минимальны. Если же вам все же нужно вести измерения в диапазоне от 200 до 500ºС, то используйте пирометр на индий-галлий-арсенидном фотодиоде. У него погрешности выше, чем у предыдущего, но всего раза в полтора.

Ну а если без измерения температур вблизи комнатной вам не обойтись, вам придется использовать пирометр спектрального диапазона 8…14 мкм со всеми его погрешностями (другого-то ничего для этого температурного диапазона нет!). Но не рассчитывайте на точные измерения этим пирометром объектов, нагретых до температуры 500ºС и выше, даже если производитель и заявил, что пирометр обладает 1%-й погрешностью.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

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

2. 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.

3. Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. Пер. с нем. – М.: «Металлургия», 1980. – 544 с.

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

5. 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.

 

 

 

 

Код счетчика Я.Метрики