Пирометры и погрешности при бесконтактном измерении температуры
Уникальную возможность за 1 секунду получить информацию о температуре объекта, даже если расстояние составляет 1,5,10 и более метров, в зависимости от бренда, оптического разрешения, и других характеристик, дает пирометр — специализированный электронный измеритель температуры.
Простота дистанционных измерений температуры, конкуренция на ранке измерительных приборов, снижение цен на инфракрасные термометры, возможность купить дешевле, привело к массовому “проникновению” этих очень удобных цифровых измерителей температуры как на производство, так и в быту.
Однако для получения достоверных результатов, соизмеримых с контактными методами, например термометром с термопарой, необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на погрешности .
Как минимум нужно понимать природу инфракрасного излучения, иметь хотя бы минимальный набор знаний по метрологии, знать как работает прибор и тогда нареканий на бесконтактный метод замера температуры, будет значительно меньше.
Мы не будем останавливаться на принципах работы ИК термометров, а расскажем о видах существующих погрешностей, начиная с момента производства и до практической эксплуатации.
Производственные погрешности пирометров при проектировании и изготовлении
Если разобрать бесконтактный термометр, никакого волшебства и «секретов» мы не обнаружим.
Оптическая линза 
Это приемное устройство, через который проходят инфракрасные лучи.
Линза служит для фокусировки, чтобы все излучение собралось в одну точку.
Здесь вспоминается фантастический гиперболоид инженера Гарина. Там похожий принцип.
И вот здесь кроются первые погрешности.
Что оказывает влияние на точность фокусировки ?
- Материал оптики – стекло, пластик.
- Качество обработки (шлифовки, полировки, отвечает ли кривизна поверхности технологическим нормативам).
- Насколько правильно установлена линза в корпусе – нет ли перекосов.
В нашей практике встречались случаи, когда экземпляры от известных брендов не проходили поверку. Причем в предыдущей партии все было нормально, а в следующей измерительные приборы показывали значительную погрешность. Выяснилось, что на оптике сэкономили, вставили дешевый пластик, что сразу же повлияло на точность измерений.
Мы специально начали анализ погрешностей именно с линзы.
Электронные схемы, обрабатывающие сигнал, могут сработать на отлично, но без оптической составляющей на достоверный результат измерения температуры рассчитывать не приходиться.
Погрузимся немного в мир физики.
Это вид погрешности возникает, когда инфракрасные лучи, проходя через фокусирующую линзу ИК термометра, отклоняются на различные углы.
Чем ближе лучи к краю линзы, тем на больший угол они отклоняются и наоборот.
И излучение вместо точки, расплывается на пятно.
Теперь поместим термопреобразователь, преобразующий тепловой поток в электрический сигнал в точку фокусировки.
Поскольку часть энергии (большая или меньшая в зависимости от степени оптического искажения), находится за пределами размещения термодатчика, сигнал, передающийся далее для оцифровки и отображения на дисплее в виде искомого значения температуры, меньше чем по мощности, чем должен быть.
А значит например вместо 30°С, отобразится 25°С, что совершенно недопустимо. И поделать с этим ничего нельзя – вся вина лежит на производителе. И метод исправления тоже понятен – заменить дефектные линзы.
Впрочем если нужен не дорогой прибор и точность до градуса, такие пирометры всегда найдут своего покупателя.
На ум приходит поговорка про “бесплатный сыр” – можно сколько угодно просить менеджеров интернет-магазинов измерительных приборов подобрать “подешевле и поточнее”, но чудес не бывает.
За качество придется заплатить.
Дистанционный метод измерения температуры в отличие от контактного способа, основан на преобразовании мощности инфракрасного излучения (теплового потока).
В свою очередь, инфракрасные лучи различаются длинами волн. Большинство устройств настроены на диапазон 8-14 мкм.
И теперь вернемся опять к оптической линзе.
Если материал оптики по-разному пропускает лучи в зависимости от длины волны, то опять же происходит “размытие”. Лучи с короткой длиной волны отклоняются на больший угол и наоборот.
Метод устранения – контроль качества изготовления и материала линзы. Во всяком случае лучи из указанного диапазона 8-14 мкм должны фокусироваться без искажений.
Обратимся к астрономической технике и в частности к телескопам — не важно, установлены ли они на орбите или на земной поверхности.
Чем больше площадь зеркала, тем более слабый сигнал можно получит из глубин космоса.
С пирометрами картина та же.
От площади линзы зависит мощность принимаемого теплового потока.
Это не определяющий показатель, но также оказывающий влияние на точность.
Диаметр линзы особенно важен, когда:
- измеряется низкая температура. Тем меньше амплитуда колебания атомов, тем меньше энергии поступает;
- до объекта далеко;
- размеры исследуемого предмета малы.
С другой стороны, один из видов оптических искажений – сферическая абберация растет с увеличением площади.
Поэтому производителю нужно найти баланс между диаметром, качеством исполнения оптики, материалом, и точностью установки линз.
Хотя опять же, если нет необходимости удаляться на десятки метров, и на разумные отклонения в значении температуры можно закрыть глаза, достаточного бюджетного прибора.
Предположим линза изготовлена из высококачественного оптического стекла, обработана на прецизионном оборудовании.
Но если при сборке и установке в корпус, допущен малейший перекос, погрешность сразу вырастет.
Точность термоэлектрического преобразователя
Каждый датчик имеет свою собственную погрешность.
Тем более полупроводниковые сенсоры, в которых разброс характеристик может достигать значительных величин.
Это определяется сложностью самого технологического процесса и сильным влиянием внешних факторов (прежде всего температуры и радиации).
Чем больше разрядность аналого-цифрового преобразователя – “сердца” любой цифровой техники, тем выше точность измерений.
С другой стороны, увеличение разрядности напрямую влияет на цену.
Таким образом, итоговая производственная погрешность суммируется, и в достоверность результата вносит вклад:
| оптика |
| термоэлектрический преобразователь |
| АЦП |
Подавляющее большинство ИК-пирометров имеют итоговую паспортную погрешность в пределах ±2 градуса.
Обратим внимание на еще один важный момент.
Поверка заключается в соответствии реальной погрешности паспортным данным.
Организация, которая выполняет эту метрологическую процедуру, не оценивает качество изготовления, не разбирается в причинах, а просто дает заключение – прошел измерительный прибор поверку или нет.
Завершая тему производственных погрешностей, отметим, что их можно разделить еще по двум критериям:
- несовершенство или допущенные ошибки при изготовлении (проектировании) всей серии;
- недостатки конкретного экземпляра.
В первом случае, например выбрано низкокачественное оптическое стекло для всех устройств.
Во-втором случае, допустим при сборке, работник ошибся и вставил криво линзу в один из пирометров при партии 100000 штук.
В последнем случае это заводской брак из-за человеческого фактора, но в целом по этому браку нельзя судить о всей партии.
С другой стороны, если покупателю попадется именно этот экземпляр, придется разбираться с продавцом.
По хорошему, нужно просто сделать замену. Бесплатно и без скандала.
И Закон “О защите прав потребителей” дает такую возможность.
14 дней более чем достаточно для проверки и тестирования.
“Субъективные” погрешности и ошибки в методологии измерений
Коэффициент эмиссии и отражательная способность
Если взять зеркало, то при определенном расположении, можно будет пускать зайчики – это и есть отраженный сигнал в видимом для нас, оптическом диапазоне.
А вот с темной тканью так не получится. Как бы мы не старались.
Это пример различной отражающей способности.
Такая же картина и в инфракрасной области. Некоторые предметы больше отражают тепловое излучение, другие – поглощают.
Несмотря на все перечисленные нами производственные погрешности при разработке и изготовлении:
- Во-первых, мы не можем на это повлиять.
- Во-вторых, надо признать, что за последние годы качество изготовления, да и контактных тоже, изрядно подросло.
А вот без учета отражательной способности поверхностей, даже самый точный, брендовый и дорогой инструмент покажет «температурную кашу».
Хорошо термометру с термопарой – он этой проблемы лишен начисто. Поскольку присутствует непосредственное соприкосновение с объектом. Нет “посредников” в виде ИК лучей.
А теперь возьмем бесконтактный измеритель температуры и два материала: полированная сталь и латунь.
Первая деталь отличается высоким коэффициентом отражения и в линзу попадет лишь малая часть потока тепла. Латунь отражает значительно хуже.
Коэффициенты отражения различаются в разы.
В простейших моделях устанавливается постоянный коэффициент эмиссии равный 0,95.
Справедливости ради надо сказать, что для большинства прежде всего бытовых задач этого достаточно.
Достаточно бросить взгляд на приведенную таблицу.
Но для более точных замеров, желательно купить пирометр с настройкой коэффициента эмиссии, чтобы пользователь мог самостоятельно в зависимости от вида материала, степени механической обработки, окисленности и других факторов, подстроить свой измерительный прибор.
Как узнать, какой нужно устанавливать коэффициент эмиссии ?
Нужен так называемый эталон, согласно с терминологией Закона “О метрологии”, передающую информацию об измеряемой величине.
В качестве эталона обычно выступает термометр с одной или несколькими термопарами.
Алгоритм настройки очень простой.
| 1 | Касаемся контактным термометром поверхности |
| 2 | Ждем, пока показания стабилизируются |
| 3 | Записываем или запоминаем значение температуры |
| 4 | Меняем коэффициент эмиссии пирометра, пока разница между результатом контактного и дистанционного методов не будет минимальной |
Конечно при переходе к материалам с другой отражательной способностью, процедуру нужно повторить.
Хотя, если набор измеряемых материалов ограничен, например: свинец, сталь, керамика, для каждого из них достаточно один раз записать свои, “персональные” коэффициенты и просто устанавливать соответствующее значение.
В этом плане очень удобно, когда в одном корпусе интегрировано два прибора для измерения температуры – такие модификации представлены в продаже.
Оптическое разрешение, расстояние и размер объекта
Перед началом измерений, если прежде не приходилось измерять температуру удаленно, в обязательном порядке рекомендуем сделать 2 шага:
- Ознакомиться с техническими характеристиками.
- Прочитать хотя бы пару статей, где разъясняется, что такое оптическое разрешение и как это показатель влияет на погрешность измерений.
Показатель визирования (другое название оптического разрешения) – одна из важнейших характеристик, от которой зависит:
- дальность дистанции;
- размер объекта.
Для недорогих моделей, этот показатель составляет 8:1 или 12:1.
А вот для промышленных и 50:1 не предел.
Заметим, что пирометры с высоким оптическим разрешением как правило используются для контроля высокотемпературных технологических операций или когда приблизиться опасно для жизни по другим причинам: электрическое напряжение, газообразование, брызги и др.
Что такое показатель визирования, вы можете увидеть на картинке. Но нас интересует не сама это величина с точки зрения теории, а как она влияет на точность измерений температуры. Оранжевый овал слева – это так называемое пятно визирования.
Объект измерения должен обязательно помещаться в него полностью.
В противном случае в приемную оптику будет попадать излучение и от близлежащих объектов и тогда погрешность зашкалит. Конечно при условии, что температурная разница между соседними объектами будет велика – допустим десятки градусов. Если же измеряется температура стены, то теоретически пятно визирования не имеет большого значения.
Но вот на практике, например если половина стены утеплена, то переводя прибор с одной половины на другую, мы увидим разницу.
Особенно это заметно по раскраске термограммы, которую выдает тепловизор для энергоаудита.
В реальности как рассчитать, зная показатель визирования (он всегда приведен в технических характеристиках), на какое расстояние можно отойти ?
Пропорция очень простая. Только нужно еще учитывать и размер объекта. Если предмет имеет высоту 1 метр и оптическое разрешение составляет 30:1, максимум на сколько можно отойти – 30 метров.
А если размер уменьшится до 50 см ? К счастью, зависимость линейная, поэтому раз размер уменьшился в 2 раза, во столько же раз уменьшится и расстояние: 30/2=15 метров.
Просто считать, когда перед нами квадрат или круг.
А если объект имеет криволинейную форму ? Придется хотя бы “на глаз” прикинуть минимальное расстояние между двумя точками объекта, чтобы выполнить базовое условие – он должен полностью помещаться в поле зрения.
Повторяемость результата
Представим себе, что нужно измерить температуру детали, вышедшей после термообработки. 
ИК-термометр прошел поверку, произведен на предприятии известного бренда, оптическое разрешение и расстояние соответствуют друг другу и т.д.
Нажимаем на курок и получаем значение. Потом еще раз, “для гарантии”.
Повторяемость результата – это разница между двумя последовательными измерениями.
И это касается вообще любых измерительных приборов. Если разница равна нулю, это идеальный результат. А если не равна ? Разберемся, что влияет на повторяемость результата.
Вернемся к нашему примеру.
Если деталь нагрета до высокой температуры, то уже за секунды значение может упасть например с 700 до 600 градусов.
И где истина ? Инструмент в обоих случаях покажет правильный результат.
Поэтому для объектов, которые быстро охлаждаются или нагреваются, нужно четко прописывать условия измерения – например ровно через 1 секунду после термообработки.
А если деталь имеет постоянную температуру и два последовательные измерения показывают разный результат ?
В теории такого не должно быть.
Но на практике вероятны такие сценарии.
| 1 | Рука сместилась влево вправо, деталь (полуфабрикат или заготовка), “ушла” из поле зрения прибора и про точный результат можно забыть. В этом случае для многочасовых замеров необходимо устанавливать на штатив. Разъем под треногу есть не у всех, а в основном у регистраторов – самописцев температуры |
| 2 | Представим, что металлическая деталь подвергается закалке, нормализации или отпуску и наружный слой постепенно покрывается оксидной пленкой из-за реакции взаимодействии с кислородом при повышенной температуре. А ведь коэффициент эмиссии остается неизменным и температура “плывет” |
Все это влияет на повторяемость измерений.
Таким образом при дистанционных замерах температуры, необходимо учитывать весь комплекс факторов, влияющих на погрешность.
Источник
