Пирометры и тепловизоры

Пирометры и тепловизоры предназначены для бесконтактного измерения температуры объекта (панели печи, бутара ковша, трубопроводы, электрооборудование). Принцип их работы основан на том, что все нагретые тела излучают инфракрасные волны различной интенсивности в зависимости от температуры до которой они нагреты.

Различают пирометры полного и частичного излучения. Пирометры полного излучения восприимчивы к радиационному излучению всех длин волн. Они рассчитывают температуру объекта по показателю суммарной мощности теплового излучения. Примером такого пирометра может служить стационарный пирометр ТЭРА 50. Его чувствительным элементом являются расположенные по кругу на черном диске напротив визирного окна соединенные последовательно термопары. Термопары размещаются радиально, как спицы в колесе, рабочими спаями в сторону центра диска. Радиационное излучение, проникая внутрь пирометра через визирное окно, попадает на рабочие спаи термопар и нагревает их. Чем выше температура объекта, тем сильнее излучение, тем сильнее нагрев термопар и больше выходной сигнал пирометра. Пирометр ТЭРА 50 имеет выходной сигнал градуировки РК-15 что затрудняет его подключение к современному оборудованию. Достоинством радиационных пирометров является то, что они могут работать при температуре окружающего воздуха более 100°С так как не содержат микроэлектронных компонентов. В настоящее время практически не используются.

Широко распространенные ранее яркостные пирометры измеряли температуру нагретого до свечения объекта, путем сравнения его цвета с цветом эталонной нагретой нити внутри пирометра. Недостатками пирометров данного типа является низкая точность, ограниченный диапазон измерения температур и неудобство в применении.

Наибольшее распространение в настоящее время получили инфракрасные пирометры, принцип работы которых основан на восприятии полупроводниковым чувствительным элементов ИК-излучения от объекта с дальнейшим преобразованием и обработкой сигнала электронной схемой. Разновидностью инфракрасных пирометров являются цветовые пирометры (мультиспектральные). Они позволяют делать вывод о температуре объекта, сравнивая результаты измерения теплового излучения объекта в различных спектрах, тем самым, повышая точность измерения. Достоинством инфракрасных пирометров является их высокая точность, возможность настройки диапазона измерения и выходного сигнала, а также широкий диапазон измеряемых температур. Современные пирометры могут измерять, в том числе и отрицательные температуры. Значение температуры преобразуется в удобный для восприятия вид. Как раз способом отображения измеренного значения температуры и отличаются пирометр и тепловизор.

В пирометре измеренное значение температуры выводится на экран в цифровом виде в удобных для персонала единицах измерения – градусах Цельсия, Фаренгейта или Кельвина. Между основными единицами измерения температуры существует следующая взаимосвязь:
Температура Кельвина°K= °C+ 273,15
Температура Фаренгейта°F= 1,8 * °C+ 32
В тепловизоре кроме IR сенсора установлена видеокамера. Полученное с камеры изображение выводиться на цветной дисплей прибора. Путем наложения изображений с видеокамеры и IR сенсора на дисплее прибора изображение объекта приобретает соответствующую окраску в зависимости от температуры этой части объекта. На дисплее так же отображается градиентная цветовая шкала и цифровое значение температуры части объекта, на которую наведен маркер.Расстояние с которого тепловизором можно произвести измерение температуры с требуемой точностью зависит от размера чувствительной матрицы детектора и углов обзора объектива (FOV). Размер матрицы определяется количеством пикселей по горизонтали и по вертикали - как в цифровых фотоаппаратах. Типовыми размерами матрицы являются 160Х120 и 320Х240 пикселей. Угол обзора (угол зрения, угол визирования) измеряется в градусах и определяет охватываемые размеры пространства при обзоре. Чем меньше угол обзора, тем с большего расстояния можно контролировать температуру объекта без потери качества снимка.
Большинство тепловизоров усредняют измеренное каждым отдельным пикселем матрицы детектора значение температуры. Для расчета температуры в одном пикселе берется усредненное значение температур соседних пикселей матрицы (обычно кубик 3х3 пикселя). Поверку тепловизоров производят с применением эталонных протяженных излучателей в соответствии с ГОСТ Р 8.619-2006.

Для удобства использования тепловизоры и пирометры комплектуются лазерными целеуказателями, позволяющими однозначно определить область объекта, температура которой измеряется.

При целеуказании одиночным лазерным лучом можно определить точку близкую к центру контролируемой зоны. Из-за несовпадения луча лазера с оптической осью объектива пирометра, возникает так называемая ошибка параллакса. При коаксиальном целеуказании лазерный луч выходит из центра объектива и попадает в центр контролируемой зоны. Двойной лазерный целеуказателя позволяет определить не только расположение, но и размер зоны измерения пирометра. Но на близком расстоянии, из-за первоначального сужения области чувствительности возникает ошибка в определении размеров контролируемой зоны. В связи с этим короткофокусные пирометры оборудуются целеуказатели с кросс-лазером. Простому круговому целеуказателю, как видно из рисунка, присущи уже упомянутые ранее недостатки - параллакс и завышенный размер контролируемой зоны при измерениях с близкого расстояния. Целеуказание точным круговым лазером (truespot) лишено всех этих недостатков.
Различные материалы при одной и той же температуре испускают инфракрасное излучение с разной интенсивностью. Интенсивность излучения определяется степенью черноты объекта. Инфракрасное излучение как и любое другое излучение, например солнечный свет, при падении на поверхность тела частично отражается и частично поглощается. Степень черноты Е может принимать значения от 0 до 1. Нулевое значение Е=0 соответствует абсолютно белому телу, то есть абсолютно все падающее на тело излучение отражается обратно. Если абсолютно все упавшее на тело излучение было им поглощено, то такое тело называется абсолютно черным и имеет Е=1. В практике степень черноты может принимать значение от 0,01 до 0,99.

Большинство органических материалов имеют показатель черноты равный 0,95, в то время как некоторые металлы – 0,20 и даже менее. То есть сам по себе цвет объекта не определяет степень его черноты. Например, серая штукатурка или листовой асбест имеют такую же степень черноты как у сажы. Степень черноты влажного снега равна 0,8, полированного алюминия - 0,05. Нанесение тонкого слоя прозрачного белого лака на любую поверхность, не обладающую высокой степенью черноты, увеличивает ее значение до 0,8...0,95.
Для того, чтобы определить показатель черноты конкретного материала, существует два метода. Первый, это найти показатель черноты по специальной таблице черноты материалов: black.rar . В ней рассчитаны показатели черноты большинства существующих материалов. Однако следует учесть, что данные приведенные в таблице рассчитаны опытным путем для идеальных поверхностей, и не могут учитывать коррозию, окисление или неоднородность поверхности на практике. Существует и второй способ. Для этого, нужно измерить температуру поверхности контактным способом, например, переносным измерителем или градусником, и соответственно подкорректировать показатель черноты в пирометре.
Опытным путем установлено, что, например, при измерении температуры подины и панелей дуговой сталеплавильной печи в тепловизоре и пирометре устанавливается Е=0,92. При измерении температуры футеровки разогретого сталеразливочного ковша Е=0,84.
Стационарные пирометры предназначены для непрерывного бесконтактного измерения температуры. Стационарные пирометры, как правило, не отображают графически значение измеренной температуры, но зато имеют выходной сигнал тока или напряжения. Современные модели, кроме того, могут иметь дополнительный выходной сигнал градуировки ХА или ХК. В этом случае они являются полным аналогом обычной термопары, и могут работать с вторичными приборами, имеющими входа для подключения термопар.

Общим недостатком пирометров можно считать то, что пламя от работающих горелок печей и т.п. попадая в поле зрения пирометров, искажает их показания. Чтобы выбивающиеся языки пламени не влияли на измерение температуры используют пирометры со спектральным диапазоном 3,5…4 мкм. Пирометры имеют различные области применения и диапазон измеряемых температур в зависимости от спектрального диапазона IR сенсора.

Спектральный диапазон, мкм	Основные применения	Диапазон измеряемых температур, °С
0,65	Применение в металлургии для замены пирометров с исчезающей нитью	600 … 4000
0,7...1,1	Измерение температур расплавов металлов, в том числе сквозь защитные стекла	300 … 4000
1,0...1,6	Измерение температур поверхности металлов, полупроводников, стекломассы на глубине	200 … 2000
2,0...2,6	Измерение температур черных и цветных металлов в металлургии и металлообработке	150 … 1800
3,40...3,45	Измерение температуры тонких пленок полиэтилена, полипропилена, полиуретана, полистирола	50 … 600
3,8...3,9	Измерение температуры сквозь пламя и газы	300 … 2500
4,8...5,2	Измерение температуры поверхности стекла, керамики и черных металлов	100 … 2500
7,9	Измерение температур тонкого пластика, тонких пленок полиэфиров перфторуглеродов, низкотемпературные технологические процессы производства изделий из стекла	0 … 600
7 … 10	Измерение низких температур сквозь технологические окна из CaF2 или Si	0 … 600
6,5 … 14	Широкий спектр применения для измерения низких температур	-20 … 400
7 … 14	Широкий спектр применения для измерения низких и средних температур	-40 … 950
8 … 14	Широкий спектр применения для измерения низких и средних температур	-50 … 1100
7 … 20	Технологические процессы с низкими температурами	-40 … 800

Пирометры часто монтируются на специальных фурмах, к которым осуществляется подвод сжатого или вентиляторного воздуха для охлаждения корпуса и визирного окна пирометра. Одновременно сжатый воздух сдувает пыль с визирного окна. При измерении высоких температур перед визирным окном монтируют защитное стекло, которое одновременно является частотным фильтром, пропуская радиационное излучение с определенными длинами волн.

В качестве замены дорогостоящих платиновых и платиново-родиевых термопар можно использовать ИК-термопары. ИК-термопара состоит из керамического чехла, аналогичного чехлу термопары, оптического кабеля и инфракрасного пирометра. Чехол помещается во внутреннее пространство печи и нагревается. Пирометр через оптический кабель «видит» внутреннюю часть разогретого торца чехла и измеряет его температуру.

Поверка пирометров производиться с помощью абсолютно черного тела (АЧТ) - специальной установки, в которой керамический стакан (на дно стакана и фокусируют пирометр) разогревается электрическими нагревателями до высоких температур, при которых степень его черноты приближается к единице.