Особенности многоканальных (цветовых) пирометров, выгодно отличающие их от одноканальных инфракрасных термометров и пирометров

            Цветовые пирометры (их еще называют пирометрами спектрального отношения) отличаются тем, что они имеют не менее двух каналов регистрации излучения от измеряемого объекта. Искомая температура определяется такими приборами по отношению сигналов в каналах, в то время как одноканальные инфракрасные термометры и пирометры (яркостные, частичного и полного излучения) определяют температуру по величине принятого каналом сигнала.

Описанное принципиальное различие в способе определения искомой температуры определяет также и те принципиальные преимущества, которыми характеризуются пирометры спектрального отношения в сравнении с одноканальными.

 

1. НЕЗАВИСИМОСТЬ ОТ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ОБЪЕКТА

 

Энергия, которую испускает нагретое тело, зависит не только от температуры этого тела, но и от материала, из которого оно сделано. Различные материалы излучают по-разному, и это учитывается коэффициентом, называемым излучательной способностью. Излучательная способность показывает, какую часть от излучения, испускаемого идеальным излучателем (абсолютно черным телом, АЧТ), находящимся при равной с нашим объектом температуре, излучает наш объект. Значение излучательной способности лежит в пределах от 0,01…0,02 (у полированных металлов) до 0,9…0,98 (дерево, строительные краски, поверхность земли, человеческая кожа и т.д.).

Учет излучательной способности в одноканальных пирометрах осуществляется путем предварительного ввода ее значения в пирометр. В процессе измерения пирометр тем или иным способом компенсирует ослабление излучаемого сигнала, вызванное отличием излучательной способности от 1, после чего отображает измеренную температуру.

Проблема состоит в том, что в цеховых условиях излучательная способность измеряемых объектов чаще всего неизвестна или известна с очень большой погрешостью. Измерить же ее непосредственно с приемлемой точностью потребитель по тем или иным причинам нередко оказывается не в состоянии. В связи с этим вводимое в одноканальный пирометр значение излучательной способности нередко содержит ошибки, что приводит к погрешностям измерений, во много раз большим, чем основная погрешность используемого пирометра.

Сказанное может быть проиллюстрировано следующим примером. Предположим, для измерения температуры 1000-градусного объекта мы используем пирометр частичного излучения с пироприемником, работающим в спектральном диапазоне 8…14 мкм. Основная погрешность пирометра пусть будет равна 1% от измеренного результата. Далее, пусть излучательная способность объекта равна 0,63, а мы ошибочно будем считать, что ее значение равно 0,6. Нетрудно показать, что подобная несущественная на первый взгляд ошибка в значении вводимой величины излучательной способности приведет к тому, что в результате измерения вы получите не 1000°С, а 1037°С, т.е. погрешность измерения окажется практически вчетверо больше основной погрешности прибора.

В отличие от одноканальных, пирометры спектрального отношения вообще не требуют знания излучательной способности и предварительного ввода ее в прибор. Поэтому в цветовых пирометрах принципиально невозможны ошибки за счет использования неправильно определенной излучательной способности измеряемого объекта. Кроме того, благодаря отсутствию необходимости вводить в него значение излучательной способности, работа с цветовым пирометром намного проще, чем с любым яркостным пирометром, пирометром полного или частичного излучения. Все сказанное, естественно, распространяется также и на так называемые инфракрасные термометры, которые, как правило, являются все теми же пирометрами полного или частичного излучения.

 

2. ВОЗМОЖНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕКТОВ С МАЛЫМИ РАЗМЕРАМИ

 

При работе с одноканальными пирометрами (инфракрасными термометрами) принципиально необходимо, чтобы размер измеряемого участка поверхности объекта был больше поля зрения пирометра на выбранном расстоянии и полностью перекрывал его. Если это оказывается не так, то прибор занизит показания, причем занижение может быть довольно значительным.

В качестве примера рассмотрим все тот же уже упоминавшийся пирометр с пироприемником. Предположим, что его поле зрения на расстоянии 2 м от прибора составляет круг диаметром 2 см. Предположим далее, что мы с его помощью измеряем металлическую полосу большой длины толщиной 18 мм. Нетрудно показать, что поскольку такая полоска занимает не все 100% поля зрения прибора, а лишь 96,3% от него, в результате измерения вы получите вместо 1000°С всего 973°С, что втрое превышает основную погрешность измерения используемого пирометра.

В отличие от одноканальных, пирометры спектрального отношения не требуют полного перекрытия измеряемым объектом своего поля зрения. Обычно для пирометров спектрального отношения считается нормальным всего 50%-е заполнение измеряемым объектом его поля зрения, и при этом в большей части диапазона измеряемых температур возникающая за счет этого дополнительная погрешность не превышает 1%. Сравните – 4-процентное неперекрытие поля зрения одноканального пирометра приводит к появлению 3%-й дополнительной ошибки, в то время как у цветового пирометра 50-процентное (!) неперекрытие приводит к втрое меньшей дополнительной ошибке.

Отсюда, в частности, следует, что при одинаковом показателе визирования цветовые пирометры позволяют измерять объекты с гораздо меньшими размерами, чем одноканальные приборы. Кроме того, цветовые пирометры менее критичны к точности наведения прибора на измеряемый объект.

 

3. НЕЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ЗАЩИТНЫМ ЭКРАНАМ И ПОГЛОЩАЮЩИМ СРЕДАМ

 

Независимо от фирмы-производителя, все одноканальные пирометры и инфракрасные термометры чувствительны к наличию между измеряемым объектом и прибором прозрачных защитных экранов, водяных паров, углекислоты и некоторых других газов, пыли, взвесей и т.д. Например, 8-мм защитный экран из стекла К-8 ослабляет излучение измеряемого объекта таким образом, что результат измерения может оказаться заниженным на 3…5%. На 1000°С это составляет от 30 до 50 градусов. Показания цветового пирометра в этих условиях чаще всего остаются неизменными, поскольку сигналы на выходе обоих каналов ослабляются примерно в одинаковое число раз.

Отсюда следует, что при наличии защитных экранов или поглощающей промежуточной среды цветовые пирометры, в отличие от любых яркостных пирометров, пирометров полного или частичного излучения, позволяют производить измерения практически без потери точности.

 

4. НЕЗАВИСИМОСТЬ ПОКАЗАНИЙ ОТ РАССТОЯНИЯ ДО ОБЪЕКТА

 

Также независимо от фирмы-производителя, все одноканальные пирометры и инфракрасные термометры характеризуются зависимостью результатов измерений от расстояния между пирометром и объектом. Причина этого состоит в том, что освещенность приемника излучения падает пропорционально квадрату расстояния от объекта до пирометра, а площадь поверхности объекта, излучение с которой попадает на приемник, растет медленнее, чем падает освещенность. В итоге, если не приняты специальные меры,  при удалении одноканального пирометра от измеряемого объекта результат измерения будет монотонно снижаться, хотя температура объекта будет оставаться неизменной.

Показания цветового пирометра в этих условиях остаются неизменными, поскольку сигналы обоих каналов с ростом расстояния до объекта ослабляются точно в одинаковое число раз.

Отсюда следует, что показания цветовых пирометров, в отличие от любых яркостных пирометров, пирометров полного или частичного излучения, принципиально не зависят от расстояния между пирометром и измеряемым объектом.

 

5. ОТСУТСТВИЕ ОШИБОК ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ОБЪЕКТОВ БОЛЬШИХ РАЗМЕРОВ

 

Поскольку любая оптическая система неидеальна, она всегда захватывает некоторое количество лучей от тех частей измеряемого объекта, которые лежат далеко за пределами поля зрения пирометра. Вследствие этого при измерении одноканальными инфракрасными термометрами и пирометрами (независимо от того, яркостными, частичного и полного излучения) нагретых объектов большой площади показания этих приборов оказываются заметно завышенными.  

Показания цветового пирометра в этих условиях остаются неизменными, поскольку сигналы обоих каналов возрастают при измерении нагретых объектов большой площади точно в одинаковое число раз.

Отсюда следует, что показания цветовых пирометров, в отличие от любых яркостных пирометров, пирометров полного или частичного излучения, принципиально не зависят от площади поверхности измеряемого объекта.

 

ТАКИМ ОБРАЗОМ, ПИРОМЕТРЫ СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ ИМЕЮТ ПО КРАЙНЕЙ МЕРЕ 7 ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ ПРЕИМУЩЕСТВ В СРАВНЕНИИ С ЛЮБЫМИ ОДНОКАНАЛЬНЫМИ ИНФРАКРАСНЫМИ ТЕРМОМЕТРАМИ И ПИРОМЕТРАМИ (НЕЗАВИСИМО ОТ ТОГО, ЯРКОСТНЫМИ, ЧАСТИЧНОГО И ПОЛНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ):

 

1. В цветовых пирометрах принципиально невозможны ошибки за счет использования неправильно определенной излучательной способности измеряемого объекта;

2. При одинаковом показателе визирования цветовые пирометры позволяют измерять объекты с гораздо меньшими размерами, чем одноканальные приборы;

3. Цветовые пирометры менее критичны к точности наведения прибора на измеряемый объект;

4. При наличии защитных экранов или поглощающей промежуточной среды цветовые пирометры, в отличие от любых инфракрасных термометров, яркостных пирометров, пирометров полного или частичного излучения, позволяют производить измерения практически без потери точности;

5. Показания цветовых пирометров, в отличие от любых одноканальных инфракрасных термометров и пирометров, принципиально не зависят от расстояния между пирометром и измеряемым объектом;

6. Показания цветовых пирометров, в отличие от любых инфракрасных термометров, яркостных пирометров, пирометров полного или частичного излучения, принципиально не зависят от площади поверхности измеряемого объекта;

7. Благодаря отсутствию необходимости вводить в цветовой пирометр значение излучательной способности, работа с ним намного проще, чем с любым яркостным пирометром, пирометром полного или частичного излучения.