Бесконтактный способ измерения температуры это

Бесконтактный способ измерения температуры это

Библиографическая ссылка на статью:
Плотникова Е.Ю. Бесконтактный способ измерения температуры // Современные научные исследования и инновации. 2020. № 5 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2020/05/92370 (дата обращения: 10.11.2021).

Одним из ключевых факторов, который подвергается ежедневному контролю и измерению как в повседневной жизни человека, так и в производственной деятельности, является температура, способы измерения которых разнообразны, поэтому применяют два метода измерения: контактные и бесконтактные методы измерения температуры.

Бесконтактные методы измерения по сравнению с контактными имеют следующие преимущества:

— при введение преобразовательного элемента в исследуемую среду отсутствует отклонения температурного поля;

— не ограничена максимальная температура измерения;

— измерение температуры объекта без остановки технологического процесса, что позволяет определить точки перегрева.

Однако весомым недостатком бесконтактных измерений температуры является невозможность учета всех возможных связей между термодинамической температурой объекта и тепловой радиацией, определяемой пирометром. Следовательно, необходимо учесть следующие моменты:

— изменение излучательной способности поверхности от длины волны в регистрируемом спектральном диапазоне и от температуры в диапазоне измерений;

— наличие поглощения излучения в среде между измеряемым прибором и объектом контроля;

— геометрические параметры поля зрения прибора и его оптической системы;

— температуру окружающей среды и корпуса прибора.

Рассмотрим подробнее бесконтактные способы измерения температуры.

1. Пирометр – это прибор измерения температуры по тепловому излучению объекта, значение температуры отображается на дисплее прибора или преобразуется в аналоговый сигнал. Пирометры измеряют температуру круговой области, которая ограничена полем зрения прибора и производит усреднении температур в данной зоне. Однако поле зрения пирометра изменяется от его оптического разрешения и расстояния от прибора до объекта измерения.

Основные факторы, влияющие на точность результата измерения температуры пирометром:

1) Пирометр определяет температуру измеряя поток теплового излучения с некоторой части поверхности объекта в рабочей области спектра пирометра.

2) Между пирометром и объектом должны отсутствовать непрозрачные препятствия в рабочей области спектра, так как в результате уменьшения потока излучения, показания пирометра будут занижены.

3)Для корректного проведения измерений необходимо чтобы объект полностью перекрывал поле зрения- область пространства, в пределах которого производится определение температуры. Иначе, во-первых, падающий на датчик поток теплового излучения уменьшится пропорционально сокращению перекрываемой объектом площади, во-вторых, на датчик будет попадать излучение от предметов, расположенных за объектом измерения.

4) Пирометром может быть измерена только поверхностная температура исследуемого объекта, измерение внутренней температуры невозможно.

5) Для настройки и поверки пирометров используются модели абсолютно черного тела.

2. Тепловизор – это прибор измерения температуры по тепловому излучению объекта, предназначенное для определения температуры объекта в виде визуальной картины распределения тепловых полей по поверхности объекта. Тепловизор позволяет получить общую информацию – тепловую картину определенного пространства и конкретное значение температуры интересуемого объекта, размер которого равен или больше размера элементарной ячейки поля зрения тепловизора.

Несмотря на то что определение температуры данными приборами производится по тепловому излучению, они имеют сильное отличие по принципу работы, выполняемым задачам и функциям. При проведении измерений температуры объекта пирометр отображает на дисплее только данные в виде цифр, а вот тепловизор демонстрирует изображение распределения тепла по всему объекту измерения с возможностью записи на внешний накопитель. Также при измерении температуры объекта, имеющего крупные габариты пирометром, необходимо произвести несколько измерений, в отличие от тепловизора на дисплее которого отобразится цельная картина съемки.

Обычные пирометры эффективны на расстоянии от одного до нескольких десятков метров от объекта измерения, то тепловизоры имеют возможность измерения на расстоянии сотни или тысячи метров. Но в основном тепловизоры не применяются для точного определения температуры объекта, а лишь для определения наличия или отсутствия тепла.

Таким образом, благодаря простому принципу работы, обширному диапазону измеряемых температур, малому времени отклика, отсутствию необходимого контакта с объектом, своим функциональным возможностям пирометр дистанционно определяет температуру в определенной точке объекта измерения, но тепловизор еще дополнительно отображает наглядное двухмерное многоцветное изображение распределения тепла по его поверхности.

Библиографический список

1. Неделько А. Преимущества и недостатки бесконтактного измерения температуры/ А.Неделько// Фотоника – 2013. – №1/37. – С. 102-109.
2. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978, – 704 с.
3. Чистяков С. Ф., Радун Д. В. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Высшая школа, 1972, 392 с.

Количество просмотров публикации: Please wait

Источник

Бесконтактные средства измерения температуры

Применение бесконтактных средств измерений позволяет производить измерения температуры движущихся объектов; объектов, расположенных в труднодоступных местах; избегать повреждений средств измерений при контроле высоких температур. Высокое быстродействие, возможность измерения температуры без отключения объекта от техпроцесса, обеспечение безопасности персонала, измерение температуры до 3000 0C — основные преимущества пирометров и тепловизоров.

Пирометр
— это средство измерения температуры по тепловому излучению объекта, предназначенное для отображения значения температуры на индикаторе прибора или преобразования в аналоговый или цифровой сигнал. Пирометры способны измерять температуру круговой зоны, ограниченной полем зрения прибора и усредняют температуру в пределах данной зоны. Зона видимости пирометра зависит от расстояния до объекта и от оптического разрешения пирометра, таким образом варьируя эти два параметра, с помощью пирометра можно измерять как температуру тонкой проволоки, так и среднюю температуру поверхности кузова автомобиля перед покраской.

Тепловизор
— это средство измерения температуры по тепловому излучению объекта, предназначенное для определения значения температуры и преобразования её в визуальную картину распределения тепловых полей по поверхности объекта. Тепловизор позволяет получить обобщенную информацию — тепловую картину некоторой области и конкретное значение температуры интересуемого объекта, размер которого равен или больше размера элементарной ячейки поля зрения тепловизора.

С 2000 года для тех приложений, где применение контактных датчиков температуры серии Метран-200 затруднительно или невозможно, ПГ «Метран» предлагает бесконтактные средства измерения температуры производства фирмы Raytek (Германия). Компания Raytek, одна из ведущих фирм мира, специализирующихся на разработке и изготовлении приборов для бесконтактного измерения температуры. В будущем ПГ «Метран» планируется совместное с компанией Raytek производство бесконтактных средств измерения температуры на собственной производственной базе.

Применение бесконтактных средств измерений позволяет производить измерения температуры движущихся объектов; объектов, расположенных в труднодоступных местах; избегать повреждений средства измерения при контроле высоких температур; предотвращать возможные загрязнения и повреждения измеряемого объекта, при измерении температуры объекта, целостность или стерильность которого нельзя нарушать. В случае, когда необходимо измерить температуру микроскопических объектов, теплоемкость которых мала, бесконтакный способ измерения позволяет избежать искажений температуры объекта, вносимых контактным средством. Неоспоримыми преимуществами бесконтактных средств измерения температуры перед контактными являются следующие:
• высокое быстродействие (до 1 мс) — необходимо в случае измерения температуры быстропротекающих процессов;
• возможность измерения температуры объекта без его отключения от технологического процесса — обнаружение точек перегрева, которые возникают только во время работы объекта;
• обеспечение безопасности персонала, проводящего измерение температуры объектов, находящихся под напряжением, так как работы производятся на расстоянии и не требуют отключения электроэнергии.

Существует ряд технологических процессов, когда применение контактных датчиков невозможно, в таких случаях применение пирометров — это единственно возможный способ контроля температуры. В случае, когда, например, необходимо замерить температуру от 1800 °С до 3000 °С, контактные средства измерения применить невозможно, но бесконтактные приборы легко решают эту задачу.

Функциональные возможности пирометров позволяют, кроме текущего значения температуры, фиксировать максимальную, минимальную температуру объекта, их разницу, а также среднюю температуру за промежуток времени. Наличие цифрового интерфейса у пирометров (RS-232, RS-485, Hart-протокол) позволяет перенастраивать прибор и контролировать значение измеряемой температуры непосредственно с персонального компьютера. Специальное программное обеспечение пирометров позволяет создавать отчеты в виде графиков и формировать базы данных.

Пирометры и тепловизоры имеют перед контактными датчиками температуры, как ряд преимуществ, так и некоторые недостатки — зависимость показаний от расстояния до измеряемого объекта, от отражательных свойств измеряемой поверхности, от излучения прямо не попадающих в поле зрения пирометра областей измеряемого объекта. Для того чтобы выбрать способ измерения, нужно оценить все за и против.

ПГ «Метран» предлагает сегодня большой выбор портативных переносных и стационарных пирометров для различных применений, а также доступный по цене тепловизор. Предлагаемые приборы имеют сертификаты России, Украины и Белорусии, руководства по эксплуатации и методики поверки на русском языке. ПГ «Метран» обеспечивает квалифицированную техническую поддержку, сервисное обслуживание продукции, предлагает услуги по ремонту, периодической поверке и калибровке.

Переносные пирометры измеряют температуру в диапазоне от -30°С до 3000°С с погрешностью до 0,75% от измеряемой величины, могут запоминать до 100 значений температуры, передавать данные измерений по цифровому выходу на персональный компьютер.

Стационарные пирометры измеряют температуру от -40°С до 3000°С с погрешностью до 0,3% от измеряемой величины, имеют оптическое разрешение до 300:1, время отклика до 1 мс и выходные сигналы — термопары типа J/K/E/N/T/R/S, 0-5 В, 4-20 мА, интерфейсы RS-485 или RS-232, механическое реле.

Тепловизор имеет следующие технические характеристики:
• неохлаждаемая микроболометрическая матрица 160 x 120 ячеек;
• диапазон измеряемых температур от 0 оС до 250 оС;
• спектральный диапазон 7-14 мкм;
• ЖКИ дисплей с тремя градациями яркости изображения для разных условий работы;
• оптическое разрешение 90:1, минимальное расстояние до объекта измерения 60 см;
• лазерный прицел — указатель центра зоны съемки;
• память до 100 снимков и данных;
• время непрерывной работы без перезарядки — 5 часов;
• связь с персональным компьютером по USB-порту.

Все эти приборы специально разработаны и откалиброваны для решения проблем измерения температуры в промышленности. В настоящее время бесконтактный метод измерения температуры широко востребован в энергетике. Он применяется для диагностики электрооборудования под напряжением, для технического обслуживания энергооборудования. С помощью пирометров и тепловизоров можно быстро и безопасно контролировать температуру электрических двигателей, корпусов трансформаторов, кожухов шинопроводов, оборудования электрических подстанций, обнаруживать осушенные участки высоковольтных кабельных линий, котролировать температуру электроизоляторов. В жилищно-коммунальном хозяйстве с помощью пирометров и тепловизоров производят контроль температуры труб подачи и забора воздуха, измеряют температуру теплотрасс, определяют места утечек тепла, проводят инспекцию кровли. Бесконтактный метод измерения температуры позволяет сократить время проведения измерений и обезопасить персонал, продлить срок службы средства измерения и расширить диапазон измеряемых температур. Дешевизна бесконтактного метода контроля температуры, его оперативность и доступность позволяют использовать пирометры и тепловизоры практически на любом предприятии.

Благодаря своей простоте в работе, широкому диапазону измеряемых температур, малому времени отклика, отсутствию необходимости контактировать с объектом, своим функциональным возможностям бесконтактные средства измерения температуры находят широкое применение не только там, где это единственно возможное средство измерения, но и постепенно начинают вытеснять контактные датчики температуры.

Источник

Бесконтактный термометр способ измерения температуры

Главная страница » Бесконтактный термометр способ измерения температуры

Любому объекту (телу), температура которого превышает абсолютный нуль (–273,15°C), присущ эффект поверхностной генерации электромагнитных лучей. Уровень такого излучения пропорционален внутренней температуре объекта (тела). Частью этого внутреннего фона является инфракрасное излучение, на основе которого допустимо создать бесконтактный термометр под разное назначение. Рассмотрим технологические принципы и физические эффекты, способствующие созданию устройства бесконтактного температурного контроля.

Система инфракрасного измерения температуры

На первый взгляд система инфракрасного измерения (бесконтактного термометра) проста. Инфракрасное излучение свободно проникает в атмосферу. С помощью линзы бесконтактного термометра инфракрасные лучи допустимо сфокусировать на элементе детектора. В результате детектор выдаёт электрический сигнал, величина которого пропорциональна величине излучения.

Сформированный сигнал усиливается, подвергается цифровой обработке, после чего подаётся на выход схемы. Значение измерения отображается на дисплее бесконтактного термометра, либо выводится аналоговым сигналом. При этом обеспечивается простое подключение к системам управления термометром.

Промышленным производством освоен выпуск бесконтактных термометров разного назначения и применения, в том числе широкое распространение нашли приборы бытового назначения

Бесконтактный термометр демонстрирует явные преимущества бесконтактного контроля температуры:

• контроль температур объектов, включая опасные среды;
• мгновенная реакция и время фиксации результата;
• измерение без непосредственной связи с объектом;
• стабильное измерение;
• долгосрочная работа без механических повреждений конструкции.

Спектр электромагнитного излучения для бесконтактного термометра

Термин «спектр» с физической точки зрения рассматривается, как правило, интенсивностью электромагнитных волн или функцией длины волны (частоты волны). Спектром электромагнитного излучения охватывает область длин волн от сектора к сектору, исходя из происхождения, формирования, применения излучения.

Все виды электромагнитного излучения следуют одинаковым принципам:

Скорость расширения представлена как постоянный результат умножения длины волны на частоту:

λ · f = c

Инфракрасное излучение охватывает крайне ограниченную долю диапазона электромагнитного спектра. Начало отмечено видимым диапазоном (0,78 мкм), а конец охвата — длины волн 1000 мкм. Диапазон 0,7 — 14 мкм оптимален под инфракрасное измерение температуры – работа бесконтактного термометра. За пределами этого диапазона уровень энергии недостаточен для чувствительности детекторов.

Физические основы под устройство бесконтактного термометра

Далёкий 1900 год стал моментом, когда учёным физикам удалось определить полный электромагнитный спектр. Тогда же были установлены качественные и количественные корреляции, описывающие инфракрасную энергию.

Определение термина «чёрное тело»?

Конвертер излучения, способный поглощать всё входящее излучение при полном исключении проявления эффекта какого-либо отражения или пропускания энергии, учёные характеризуют как «чёрное тело».

Элементы конструкции бесконтактного ручного термометра: 1 – кнопка установки единиц измерения температуры (ºC / ºF); 2 – кнопка установки режима работы; 3 – кнопка включения / выключения; 4 – измеренная температура на дисплее; 5 – красная точка лазера; 6 – детектирующее отверстие; 7 – клавиша активации измерения; 8 – блок питания

«Чёрному телу» характерно излучение максимума энергии на каждой длине волны. При этом уровень фона не зависит от угловых величин. «Чёрное тело» рассматривается как основа понимания физических принципов бесконтактного контроля температуры, а также техники калибровки инфракрасных бесконтактных термометров.

Достаточно простой видится конструкция полого «чёрного тела», имеющего небольшое отверстие в одной из конечных областей. Если происходит нагрев до определенного значения температуры, внутри полой области отмечается баланс температуры. Сквозь имеющееся отверстие эта температура излучается. Под каждый температурный диапазон и с учётом применения, роль играют материал и геометрическая структура «чёрного тела».

Если отверстие очень малого диаметра по сравнению с общим объёмом, интерференция идеального состояния крайне мала. Позиционируя измерительный аппарат (бесконтактный термометр) по системному отверстию «чёрного тела», выполняют калибровку измерительного устройства.

Для калибровки таких устройств как бесконтактный термометр используется специальное оборудование, благодаря которому получают и определяют базовую температурную точку

На практике простые устройства используют поверхности, которые покрыты пигментированной краской, демонстрируя значения поглощения, плюс излучающую способность для установленного диапазона длин волн. Такого подхода достаточно для калибровки под реальный контроль.

Концепция фона «чёрного тела»

Закон лучистой энергии по Планку устанавливает базовую взаимосвязь под бесконтактное измерение температуры. Этим законом характеризуется удельная величина спектрального излучения (Mλs) «чёрного тела» в область полупространства, с учётом температуры (T) и длины волны (λ).

Увеличение температуры сопровождается смещением удельной максимальной величины спектрального излучения в зону более коротких длин волн. Однако представленную формулу недопустимо применять без ограничений. Но допустимо брать из концепции различные соотношения.

Внедрением спектральной интенсивности излучения под все длины волн от 0 до бесконечности, открываются возможности получения значений фона объекта в целом. Такое соотношение определяется законом Стефана-Больцмана:

MλS = σ · T 4 [Watt m 2 ] σ = 5,67 · 10 –8 WM –2 K –4

Полный фон «чёрного тела» в границах общего диапазона длин волн растёт пропорционально четвёртой степени абсолютной температуры. Закон Планка в графике также демонстрирует, как длина волны под генерацию максимума фона «чёрного тела» сдвигается по факту температурных изменений.

Закон смещения по Вину выводится из формулы Планка методом дифференциации:

λ max · T = 2898 μm · K

Длина волны под максимальное значение излучения, с ростом температуры переходит в область коротких волн.

Что такое «серое тело»?

Лишь немногие тела соответствуют идеалу чёрного тела. Многие тела излучают куда меньше радиации при аналогичной температуре. Излучающая способность (ε) определяет отношение величины излучения в реальном и «чёрном» телах (между нулём и единицей). Инфракрасный датчик воспринимает излучение с поверхности объекта, включая фон окружающей среды, плюс инфракрасное излучение от контрольного объекта:

ε + ρ + τ = 1;

где: ε – излучающая способность, ρ – отражательная способность, τ – степень прозрачности.

Большинство существующих тел остаются непрозрачными в инфракрасном диапазоне, поэтому в таких случаях применимо следующее выражение:

ε + ρ = 1;

демонстрирующее, насколько проще измерять отражение, нежели излучающую способность объекта (тела).

Конструкция и работа бесконтактных термометров

На картинке ниже показана блок-схема конструкция бесконтактного инфракрасного термометра. Посредством входной оптики излучение от объекта направлено на инфракрасный детектор. Этот компонент формирует в результате электрический сигнал для последующего усиления и дальнейшей обработки.

Типичное исполнение бесконтактного термометра блочной схемой: 1 – инфракрасный детектор; 2 – предварительный усилитель сигнала; 3 – преобразователь; 4 – микропроцессор; 5 – цифро-аналоговый преобразователь; 6 – выход линейный (4 – 20 мА); 7 – цифровой интерфейс

Цифровая обработка заключается в преобразовании входного сигнала в выходное значение, пропорциональное температуре контрольного объекта. Результат температуры либо отображается на информационном дисплее бесконтактного термометра, либо может использоваться в качестве аналогового сигнала для дальнейшей обработки.

Чтобы компенсировать влияния окружающей среды, второй детектор бесконтактного термометра измеряет температуру измерительного элемента и оптического канала, соответственно. Следовательно, температура объекта измерения, как правило, генерируется тремя этапами:

1. Преобразование полученного инфракрасного излучения в электрический сигнал.
2. Компенсация фонового излучения от термометра и объекта.
3. Линеаризация и вывод информации о температуре на бесконтактном термометре.

Помимо отображаемого значения температуры, бесконтактные термометры также поддерживают линейные выходы (0/4 — 20 мА, 0 — 10В) и элементы термопары. Такая возможность позволяет легко подключаться к системам управления термометром.

Кроме того, большинство используемых в настоящее время бесконтактных инфракрасных термометров имеют цифровые интерфейсы (USB, RS232, RS485), применяемые для дальнейшей обработки цифрового сигнала и для обеспечения доступа к параметрам устройства.

Детекторы бесконтактных термометров

Одним из важных элементов каждой конструкции бесконтактного инфракрасного термометра является приёмник излучения — детектор. Существуют и применяются в конструкциях термометров две основные группы инфракрасных датчиков:

Тепловые детекторные элементы термометров

Первая группа чувствительных детекторных элементов термометров, в свою очередь, разделена ещё на ряд приборов:

• термоэлементы,
• пироэлектрические детекторы,
• болометры.

Тепловые детекторы бесконтактных термометров характерны тем, что здесь температура чувствительного элемента изменяется по причине поглощения электромагнитного излучения. Этот момент приводит к изменению свойства детектора, которое зависит от температуры. Изменение свойства электрически анализируется и используется в качестве стандарта поглощённой энергии.

Один из вариантов конструкции современного инфракрасного детектора, из числа тех чувствительных элементов, что применяются в составе бесконтактных инфракрасных термометров

Термопарам конструктивно присуще соединение двух проводников из разных металлических материалов. Когда точка соединения нагревается, термоэлектрический эффект приводит к появлению электрического напряжения. На контактных термометрах этот эффект термопары использовался в течение длительного времени.

Пироэлектрический детектор — чувствительный элемент на основе пироэлектрического материала с двумя электродами. Поглощённое инфракрасное излучение приводит к изменению температуры чувствительного элемента, что приводит к изменению поверхностной нагрузки вследствие пироэлектрического эффекта. Созданный таким образом электрический выходной сигнал обрабатывается предварительным усилителем.

Болометры используют температурную зависимость электрического сопротивления. Чувствительный элемент состоит из резистора, который изменяется при поглощении тепла. Изменение сопротивления приводит к изменению напряжения сигнала. Болометры, которые работают при комнатной температуре, используют температурный коэффициент металлических резисторов, а также полупроводниковых резисторов.

Бесконтактный термометр и квантовые детекторные элементы

Явной отличительной от тепловых чертой квантовых детекторов является более быстрая реакция на поглощённое излучение. Режим работы квантовых детекторов основан на фотоэффекте. Фотоны инфракрасного излучения приводят к увеличению электронов до более высокого энергетического уровня внутри полупроводникового материала.

Квантовый детектор – продукт производства одной из широко известных компаний, однако предназначенный для целей несколько иных, нежели бесконтактное измерение температуры

Когда электроны перетекают обратно, генерируется электрический сигнал (напряжение или мощность). Также возможно изменение электрического сопротивления. Эти сигналы могут быть проанализированы точным способом. Квантовые детекторы – быстро реагирующие, чувствительные элементы бесконтактных современных термометров.

Температура чувствительного элемента теплового детектора изменяется относительно медленно. Временные константы тепловых детекторов обычно больше, чем временные константы квантовых детекторов. Проще говоря, постоянные времени тепловых детекторов можно измерять в миллисекундах, тогда как постоянные времени квантовых детекторов допустимо измерять в наносекундах или даже микросекундах.

Несмотря на быстрое развитие в области квантовых детекторов, по-прежнему существует множество применений конструкций бесконтактных термометров, в которых предпочтительно используются тепловые детекторы. Вот почему эти элементы бесконтактных термометров пока что остаются востребованными на одинаковом уровне с более продвинутыми квантовыми детекторами.

При помощи информации: OPTRIS

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Z-Сила — публикации материалов интересных полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мульти-тематическая информация — СМИ .

Источник