Пирометры спектрального отношения: преимущества, проблемы, пути их решения

 

Металлургам с опытом хорошо известно, что при измерении температуры металлов с помощью пирометров спектрального отношения результаты оказываются завышенными, порой до 10%. О причинах этого завышения и о способах борьбы с ним рассказывается в настоящей статье.

Пирометрией называется область науки, конечной задачей которой является измерение температуры нагретых объектов по их излучению. Соответственно и приборы, позволяющие определить температуру объекта по его излучению, называются пирометрами.

Практическая пирометрия возникла на рубеже 19 и 20-го веков. Примерно тогда же и сформировались два основных метода пирометрии, получившие название радиационной пирометрии и оптической пирометрии. Названия эти с течением времени менялись и корректировались, но суть методов осталась неизменной.

Метод радиационной пирометрии основан на использовании зависимости энергетической яркости излучения объекта в ограниченном диапазоне длин волн от его температуры. Другими словами, яркость излучения объекта зависит от его температуры. Следовательно, измерив яркость излучения объекта и совершив определенные преобразования результата измерения яркости, мы можем получить (с той или иной точностью) значение температуры объекта.

Таким образом, ключевым элементом радиационного пирометра является приемник излучения, преобразующий приходящую на него энергию излучения в иную физическую величину (чаще всего в ток или в напряжение). Соответственно, сопутствующими элементами обычно являются оптическая система, собирающая излучение от объекта в определенном телесном угле, и электронная схема с системами питания и индикации, усиливающая, преобразовывающая и отображающая результат измерения.

Метод оптической пирометрии первоначально основывался на зависимости спектрального распределения потока излучения нагретого объекта от температуры в диапазоне видимых длин волн. Другими словами, от температуры нагретого объекта зависел цвет его излучения. Объекты, нагретые до 700-800?С, светят темно-оранжевым светом, при 1000-1200?С цвет свечения становится ярко-оранжевым, постепенно переходящим в желтый, 2000?С воспринимается нашим глазом как ярко-желтый, а после 2500?С свечение приближается к белому цвету.

Долгое время основными элементами цветового сравнения были глаз оператора и нагретая нить накала (или спираль), расположенная в окуляре пирометра в поле зрения оператора. Нить в окуляре совмещалась с изображением измеряемого объекта. Регулируя проходящий через накальную нить электрический ток, оператор подбирал такое его значение, чтобы цвет нити совпадал с цветом измеряемого объекта. При этом при определенном значении тока изображение нити “исчезало” на фоне нагретого объекта, что являлось критерием равенства температуры объекта и нагретой нити. Кстати, отсюда пошло и распространенное в литературе название подобных пирометров – пирометры с исчезающей нитью. Другое название этих пирометров, не менее распространенное – цветовые пирометры.

В силу особенностей человеческого зрения, описанный метод при опоре на восприятие цвета человеческим глазом имеет серьезные ограничения в точности и повторяемости результатов измерений. Поэтому с развитием компонентной базы весьма субъективные визуальные измерения были вытеснены измерениями с помощью нескольких приемников излучения, работающих в различных спектральных диапазонах. Таких приемников может быть и три, и семь, но на практике чаще всего ограничиваются двумя. Таким образом, в настоящее время этот метод основан на зависимости от температуры отношения энергетических яркостей объекта в двух различных областях спектра излучения. Соответственно, этот метод получил название метода пирометрии спектрального отношения.

В первой половине 20-го века пирометры с исчезающей нитью были распространены гораздо шире радиационных пирометров. С середины прошлого века наметилась обратная тенденция – после появления радиационного пирометра “Radiamatic” фирмы “BRAUN” его, как принято сейчас говорить, легальные и нелегальные копии начали вытеснять цветовые пирометры. Пожалуй, и сейчас в мире радиационных пирометров используется больше, чем пирометров спектрального отношения, хотя количество последних в нынешнем столетии заметно увеличилось. И радиационные пирометры, и пирометры спектрального отношения имеют как достоинства, так и недостатки, в силу чего ни те, ни другие не в силах вытеснить друг друга с потребительского рынка.

ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ РАДИАЦИОННЫХ ПИРОМЕТРОВ

 Радиационные пирометры, очевидно, проще пирометров спектрального отношения – у последних принципиально должно быть не менее двух приемников, усилителей и преобразователей, в то время как радиационные пирометры довольствуются одним комплектом всех необходимых узлов.

Еще одно преимущество радиационных пирометров – более высокая, чем у пирометров спектрального отношения, разрешающая способность. Это “забронировало место” для радиационных пирометров в различных эталонных установках.

Далее, в силу ряда причин радиационные пирометры вне конкуренции при измерении температур ниже 300…400?С, и при работе в узких спектральных диапазонах – например, при контроле температуры стекла, измерении через пламя, и т.д. Трудно также предположить, что в обозримом будущем пирометрами спектрального отношения можно будет измерять температуру алюминия и его сплавов в диапазоне до 500?С.

Сказанное предрекает радиационной пирометрии еще долгие годы жизни. Но увы, метод радиационной пирометрии обладает рядом “врожденных” существенных недостатков, на которых мы кратко остановимся.

Основная проблема радиационной пирометрии – зависимость результатов измерений от излучательной способности объекта. Чтобы было понятнее, представьте себе два полированных алюминиевых чайника, один из которых только снят с полки магазина, а другой, изрядно закопченный, более десятка лет ежегодно вывозился в туристичесие походы и на слеты. Представьте также, что оба они залиты под завязку водой и доведены до кипения. Если мы попробуем измерить температуру стенок этих чайников хорошо настроенным радиационным пирометром, то при измерении закопченого чайника пирометр покажет температуру от 90 до 98 градусов, а при измерении блестящего полированного – от 25 до 35 градусов. При этом вода в них кипит, т.е. температура внутренних поверхностей обеих стенок около 100 градусов.

Парадоксальное на первый взгляд явление объясняется просто. При одной и той же температуре различные тела излучают по разному – одни сильнее, другие – слабее. В термодинамике принято, что излучательная способность идеального излучателя – “абсолютно черного тела” – равна 1, а излучательная способность реальных тел (естественно меньшая, чем у идеального излучателя) лежит в диапазоне от 0,02…0,03 до 0,98..0,99. То есть, если тело излучает вдвое меньше, чем “абсолютно черное тело”, то его излучательная способность равна 0,5, если на 20% меньше – то 0,8, и т.д. Излучательная способность стенки закопченного чайника близка к единице, и составляет 0,95…0,96, в то время как у полированного она немногим больше 0,1. Соответственно, полированный излучает почти в 10 раз меньше, чем закопченный, а радиационный пирометр трактует это как то, что температура полированного чайника заметно ниже 100 градусов.

Отметим, что излучательная способность в литературе традиционно обозначается буквой ?.

Чтобы исправить ситуацию, разработчики радиационных пирометров снабжают свои изделия органом регулировки, который фактически регулирует коэффициент усиления усилителя сигнала приемника. Шкала этого органа регулировки делается, как правило, от 0…0,1 до 1,0. Если вы установили эту регулировку в положение 0,1, то сигнал от приемника дополнительно усилится в 10 раз, если 0,2 – в 5 раз, если 0,67 – в 1,5 раза, и т.д. Таким образом, вам предоставляется возможность получить правильный результат измерений для объектов с любой излучательной способностью – будь она равна любому значению из диапазона от 0,1 до 0,99.

Это замечательное техническое решение – назовем его коррекцией по излучательной способности – имеет один серьезнейший недостаток. При измерении объекта вы должны довольно точно знать его излучательную способность. В ряде случаев можно требуемую информацию получить из справочников. Но очень часто в них или нет данных на ваш объект, или приведенные данные некорректные (к примеру, справедливы для пирометра, работающего в ином спектральном диапазоне, чем ваш). Так что вместо задачи по измерению температуры объекта перед вами встает задача определения правильного значения коэффициента коррекции. И иногда вторая задача оказывается вовсе не проще первой.

Добавим к сказанному, что помимо зависимости от излучательной способности, радиационные пирометры имеют и ряд иных существенных недостатков:

– результаты измерения зависят от расстояния до измеряемого объекта,

– результаты измерения зависят от формы объекта,

– результаты измерения зависят от запыленности и загазованности промежуточной среды,

– результаты измерения зависят от наличия защитных стекол,

– результаты измерения зависят от наличия непрозрачных объектов в поле зрения пирометра,

– результаты измерения зависят от боковых засветок при работе с крупноразмерными объектами,

– результаты измерения зависят от переотражений измеряемым объектом излучения сильно нагретых объектов, расположенных рядом.

Как видите, факторов, мешающих получению радиационными пирометрами точных результатов, набирается с десяток. Именно поэтому пользователи все чаще и чаще задумываются об использовании пирометров спектрального отношения, более дорогих, чем радиационные, но свободных от всех вышеперечисленных недостатков.

МНОЖЕСТВО ДОСТОИНСТВ ПИРОМЕТРОВ СПЕКРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ

Как уже было сказано, практически все выпускаемые сегодня пирометры спектрального отношения имеют два приемника, чувствительных на разных длинах волн, и определяют температуру по отношению сигналов от этих приемников. Такой принцип измерения температуры позволяет избавиться от всех вышеперечисленных недостатков, свойственных радиационным пирометрам. Зависимость сигнала от расстояния одинакова для обоих приемников пирометра спектрального отношения, поэтому на отношение сигналов она не влияет, и у пирометров спектрального отношения нет зависимости результатов измерений от расстояния. Одинаково влияет на сигналы с обоих приемников, оставляя неизменным их отношение, и форма измеряемого объекта, и запыленность, загазованность промежуточной среды. Пирометры спектрального отношения нечувствительны к наличию небольших непрозрачных объектов в поле зрения пирометра, и нечувствительны к наличию перед пирометров защитных стекол (например, стекол смотровых окон в вакуумных камерах). На их измерения не сказываются боковые засветки от крупноразмерных объектов, т.к. эти засветки одинаковым образом увеличивают показания обоих приемников, при этом отношение сигналов по-прежнему остается неизменным.

Да и отличие от 1 излучательной способности измеряемого объекта чаще всего приводит к одинаковому уменьшению сигналов с обоих приемников, так что отношение сигналов в очень многих случаях не зависит от ?. То есть, при использовании пирометра спектрального отношения вам не нужно искать правильное значение излучательной способности – корректный результат измерения обычно получается и без знания ?.

 ДВА НЕДОСТАТКА ПИРОМЕТРОВ СПЕКРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ

Во-первых – цена. Пирометр спектрального отношения сложнее радиационного, априори состоит из большего числа элементов, труднее калибруется. Отсюда и более высокие цены на них, за дополнительные узлы и дополнительную работу платить приходится больше.

Во-вторых, как ни прискорбно, влияние на результаты измерений излучательной способности измеряемого объекта. Точнее, результат измерения пирометра спектрального отношения зависит не столько величины излучательной способности или от ее изменения от объекта к объекту, сколько от спектральной зависимости ?. В последнем предложении предыдущего раздела неспроста после слов “корректный результат измерения” поставлено слово “обычно”. Да, обычно все хорошо, гораздо лучше, чем с радиационным пирометром. Но одна проблема все же есть, и еще год назад рещение ее было весьма сложным.

На рис. 1 приведены спектральные зависимости излучательной способности ?_? для 5 металлов – Fe, Ni, Cu, Ag, Co [1]. Отметим, что схожими зависимостями характеризуется большинство металлов и их сплавов.

 

Рис. 1. Зависимости ?_? от ?, для Fe, Ni, Cu, Ag, Co.

Как следует из рисунка, все зависимости имеют однотипный характер – с ростом длины волны спектральная излучательная способность ?_? снижается. Последнее приводит к тому, что сигнал длинноволнового приемника пирометра спектрального отношения оказывается заниженным. Соответственно, отношение сигнала от коротковолнового приемника к сигналу от длинноволнового возрастает, что характерно для “абсолютно черного тела” с более высокой температурой, чем та, что есть у измеряемого металла. По этой причине, как уже упоминалось во введении, при измерении объектов с ?_?, аналогичной приведенным на рис. 1, показания пирометра спектрального отношения оказываются завышенными, причем нередко более чем на 10%.

Аналитически рассчитать величину погрешности, вызванной снижением ?_?, возможно лишь в том случае, если полосы пропускания приемников очень узки, не более 10-12 нм. Однако в последнее время подавляющее большинство пирометров спектрального отношения делается на основе двухслойных фотодиодных структур, верхний слой которой чувствителен в коротковолновой области спектра, нижний – в длинноволновой. Полосы спектральной чувствительности этих приемников составляют десятки и сотни нм, что исключает возможность упомянутого аналитического расчета погрешности, обусловленной непостоянством ?_?. Добавим к этому, что информация по ?_? для большинства материалов, которые нужно измерять в промышленности, крайне скудна или вовсе отсутствует [2]. Именно по этим причинам вопрос о коррекции показаний пирометров спектрального отношения при измерении температуры объектов с излучательной способностью, зависящей от длины волны, так долго не был решен.

Долгое время пользователи мирились с этим, так как во многих случаях важно не столько точное знание измеряемой температуры, сколько соблюдение ее повторяемости в ходе технологического процесса. Однако прогресс в приборостроении не обошел и пирометрию, и производители вынуждены были искать способы снижения этой погрешности.

РУЧНАЯ КОРРЕКТИРОВКА И ЕЕ ПРОБЛЕМЫ

Самым простым оказалось снабдить пирометры спектрального отношения дополнительным органом регулировки, который позволяет корректировать отношение сигналов от приемников излучения примерно до полутора раз как в ту, так и в другую сторону. Таким образом, зная реальную температуру измеряемого объекта, можно “подкрутить ручку” таким образом, чтобы показания пирометра были правильными.

Однако работу по определению значений этих корректирующих коэффициентов производители пирометров негласно переложили на плечи пользователей. В то же время информации о том, каково значение этого коэффициента для измеряемых пользователем объектов, в справочной литературе нет. И пользователь, как и раньше, должен снова крутить ручку, но теперь уже у пирометра спектрального отношения, который изначально предполагался свободным от подобных органов корректировки.

Но и это еще не все. Дело в том, что даже если вы нашли значение этого корректирующего коэффициента для измеряемого вами металла при какой-то температуре, то использовать найденный коэффициент при измерении этого же металла, но при других температурах нельзя, т.к. это приведет к ошибочным результатам. Данные таблицы 1 иллюстрируют это утверждение.

В качестве объекта измерения используется медь. Реальная температура объекта приведена в первой строке таблицы. Во второй приведены показания цветового пирометра при измерении температуры без использования корректирующего коэффициента (т.е. с корректирующим коэффициентом, равным 1). Значения корректирующего коэффициента, необходимые для точного измерения соответствующей температуры, приведены в третьей строке (знак “минус” говорит о том, что корректировка необходима в сторону снижения). Как нетрудно заметить, коэффициенты отличаются друг от друга, причем тот, который соответствует температуре 1200?С, больше соответствующего температуре 600?С почти на 25%.

Таблица 1.

Температура объекта (Сu)	600	700	800	900	1000	1100	1200
Нескорректированные показания	641	754	870	990	1112	1238	1368
Корректирующий коэффициент	-1,2758	-1,3190	-1,3642	-1,4113	-1,4605	-1,5107	-1,5625
Показания при исполь-зовании коэфф. -1,4113	561	672	788	900	1019	1141	1266

Предположим, мы подобрали такое значение корректирующего коэффициента, чтобы пирометр правильно измерял объект при температуре 900?С. Четвертая строка таблицы показывает, каковы будут показания пирометра при использовании этого коэффициента (в данном случае -1,4113) при измерении других температур.

Нетрудно заметить, что уже на температурах 800 и 1000?С погрешность измерения при использовании коэффициента, идеально подобранного для 900?С, составляет 2%. При измерении на 1200?С эта погрешность превышает 5%, а на 600?С – 6%. Это конечно меньше 11%-ной погрешности, которая была при измерении объекта при 1200?С нескорректированным пирометром, но о том, что с коэффициентом, подобранным для 900?С, можно получать корректные результаты при измерении того же объекта, но при любых других температурах, надо забыть.

 ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ ПОКАЗАНИЙ

Указанные два серьезнейших недостатка снижения погрешности измерений цветовых пирометров путем ручной корректировки отношения сигналов побудили разработчиков пирометров ДИЭЛТЕСТ найти другой способ коррекции, свободный от указанных проблем. Он освобождает пользователя от самостоятельного определения коэффициентов, неизвестных ему заранее, и одинаково хорошо корректирует показания во всем диапазоне измерений пирометра. Суть его состоит в следующем.

Как упоминалось выше, аналитический учет величины погрешности, вызванной непостоянством ?_?, возможно лишь в том случае, если полосы пропускания приемников не более 10-12 нм. В остальных случаях расчеты могут быть проведены только численными методами, с использованием компьютеров.

В то же время благодаря развитию компьютерной техники и программного обеспечения численные методы интегрирования давно уже перестали быть проблемой. Поэтому численный расчет корректирующего сигнала для приемника с известной спектральной характеристикой и материала с известной зависимостью излучательной способности от длины волны сопоставим по уровню сложности со студенческими курсовыми работами.

Типичные спектральные характеристики фотоприемника, используемого в пирометрах ДИЭЛТЕСТ-ТЦхх, приведены на рис. 2.

Рис. 2. Спектральные характеристики приемника, используемого в пирометрах ДИЭЛТЕСТ.

Расчет проводился в следующей последовательности. Вначале определялась градуировочная характеристика пирометра:
                                                                                                                                         


где E?(T) – спектральная плотность энергетической яркости МЧТ, Вт?м3?ср; S? – спектральная чувствительность приемника (коротковолнового или длинноволнового), А/Вт; ?1, ?2, ?3, ?4 – нижняя и верхняя границы спектральной чувствительности коротковолнового и длинноволнового приемников соответственно, м.
Затем для значений температур от 600?С до 3000?С с шагом 1?С рассчитывалось значение спектрального отношения, получаемое при измерении объекта с выбранной ??:

                                                                                                                                            

Получаемые при расчете по (2) значения  Qобъекта (Т)  использовались в качестве аргумента при расчете функции, обратной к (1).

КОРРЕКЦИЯ ПОКАЗАНИЙ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТАЛЛОВ В ПИРОМЕТРАХ ДИЭЛТЕСТ

Краткие результаты расчета по формулам (1) и (2) сведены в табл. 2.
Табл. 2

T, ?С	Fe	Ni	Cu	Ag	Co
600	+35	+39	+41	+24	+11
800	+51	+57	+70	+41	+17
1000	+70	+78	+112	+64	+24
1200	+92	+102	+168	+93	+34
1400	+116	+130	+241	+128	+44
1600	+143	+161	+332	+172	+57
1800	+172	+196	+444	+224	+72
2000	+203	+235	+581	+285	+89
2200	+236	+278	+744	+358	+109
2400	+272	+326	-	+441	+132
2600	+310	+378	-	-	+157
2800	-	-	-	-	+186

 

Видно, что для всех ??, приведенных на рис. 1, величины корректирующих сигналов ведут себя схожим образом. Во всех случаях показания завышены. При этом для Fe, Ni и особенно Co, характеризующихся не очень крутым спадом ?? с ростом ?, завышения на 1600?С не превышают 161?С, в то время как для Ag, и особенно Cu величины завышений в 2 раза больше. Последнее обусловлено более сильным ослаблением сигнала длинноволнового приемника для Ag и Cu.
Знание величины корректирующих сигналов позволяет вводить программную коррекцию в пирометр спектрального отношения при работе с металлами.
Указанный метод коррекции показаний при измерении температуры металлов тел введен в пирометры серии ДИЭЛТЕСТ. Для ряда материалов, в том числе высоколегированных сталей, была исследована зависимость ?? от ?. Как оказалось, для ДИЭЛТЕСТ-ТЦхх можно подобрать универсальную корректирующую кривую, подходящую как для чистого железа и высоколегированных сталей, так и для ряда других металлов (никель, кобальт и т.п.). При этом для большинства этих металлов коррекция возможна до уровня, при котором погрешность измерений в диапазоне температур от 600 до 2400?С составляет всего 1-1,5% (для кобальта – до 2%).
Коррекция показаний осуществляется переводом в положение “ВКЛ” тумблера коррекции, установленного на задней панели прибора (рис. 3).

Рис. 3

Указанный способ коррекции не только сохраняет все преимущества, которыми обладают пирометры спектрального отношения, но и избавляет пользователя от необходимости вводить в прибор корректирующий коэффициент, значение которого ему неизвестно. То есть, пирометры спектрального отношения ДИЭЛТЕСТ-ТЦхх не только позволяют корректировать показания при измерении температуры многих металлов без роста погрешности во всем диапазоне измеряемых температур, но достигается это без вращения оператором ручек подстройки.

Литература: 

1. Брамсон М.А. Справочные таблицы по инфракрасному излучению нагретых тел. Т.1. М., «Наука», 1964, 322 с. с илл.

2. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник. Под общ. ред. А.Е. Шейндлина. М., «Энергия», 1974, 472 с. с илл.

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

 Фрунзе А.В.