Способы бесконтактного измерения температур

Способы бесконтактного измерения температур

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 методы измерения температуры

Бесконтактные измерения температуры незаменимы в тех случаях, когда нежелательно, невозможно, сложно или опасно обес­печить механический контакт датчика с объектом измерения [1].

Не так легко определить температуру находящегося в движе­нии объекта, например быстродвижущейся бумажной ленты, или вращающегося барабана бетономешалки, или потока горячего асфальта. Иногда поверхность объекта, температура которого ин­тересует, недоступна или небезопасна (например, при оценке перегрева контактного соединения воздушной линии электропе­редачи или высоковольтного трансформатора).

Другая ситуация: объект исследования имеет малые габарит­ные размеры и массу (следовательно, малую теплоемкость) и использование контактных термометров привело бы к очень боль­шой методической погрешности (погрешности взаимодействия) за счет значительного количества тепла, отнимаемого датчиком прибора от объекта и, как следствие, недопустимого искажения режима его работы и, естественно, результата измерения. Особен­но сильно это проявлялось бы при необходимости исследования достаточно быстрых изменений температуры исследуемого объек­та малой массы, например в случае оценки температуры мини­атюрных электронных узлов.

Бесконтактные методы и средства измерений температуры являются так называемыми неинвазивными, т. е. не требуют вмешательства в ход технологического процесса, не создают проблем с установкой датчиков, не требуют контакта с объектом исследова­ния, не порождают погрешностей взаимодействия инструмента с объектом и некоторых других неприятностей.

Еще один класс задач, где использование бесконтактных ме­тодов и средств не только целесообразно, но и неизбежно (так как не имеет альтернативы) − измерение сверхвысоких темпера­тур (например, измерение температуры расплавленных металлов). Возможная верхняя граница контактно-измеряемых температур составляет 2 000. 2 500 град.С, поэтому измерения более высоких тем­ператур производят только бесконтактными методами.

Бесконтактные методы измерения реализованы в различных инфракрасных (ИК) средствах измерения (InfraRed Instrumen­tation) − термометрах и измерительных преобразователях, а так­же в оптических термометрах − пирометрах. Инфракрасные изме­рители обеспечивают измерение температур в широком диапазо­не температур (50. 5000°С). Оптические термометры (пиромет­ры) принципиально пригодны лишь для измерения очень высо­ких температур, при которых поверхность объекта уже, видимо, светится (600 °С и выше). Кроме того, точность и чувствительность измерения оптическими термометрами невысоки.

Важными достоинствами ИК-термометров являются широкие диапазоны измеряемых температур, достаточно высокие точность, чувствительность и быстродействие, хорошие эксплутационные характеристики, сравнительно невысокая стоимость. Однако не так просто реализовать основные преимущества ИК-термометров. Для достоверного результата измерения требуются достаточно высокая квалификация пользователя, знание специфики ИК-измерений, определенный опыт практических обследований [5].

Любое тело, обладающее температурой выше абсолютного нуля (-273 °С), имеет тепловое излучение. С ростом температуры уве­личиваются амплитуда и частота колебаний молекул вещества тела. Человек своими органами чувств (осязанием) воспринима­ет тепло и свет (зрением). Физическая природа колебаний одна и та же (тепловая), но частота колебаний различна и зависит от конкретной степени нагретости объектов. При температуре 600. 1 000 град.С и выше (в зависимости от материала объекта) неко­торое количество энергии тела излучается в видимой глазом части спектра.

В физике используется понятие «оптическое излучение», соот­ветствующее электромагнитному излучению с длинами волн X, расположенными в диапазоне 1 нм. 1 мм. Этот диапазон делится на три части. Рисунок 23 иллюстрирует соотношение поддиапазонов ИК-излучения, видимого (В), ультрафиолетового (УФ) и со­седних излучений. Верхняя ось абсцисс показывает значения ча­стот F, нижняя − соответствующие частотам значения длин волн λ (в логарифмическом масштабе).

Диапазон длин волн X ультрафиолетового излучения составля­ет 1,0 нм. 0,38 мкм. Диапазон длин волн X видимого излучения − 0,38. 0,76 мкм. Диапазон длин воли X ИК-излучения − 0,76. 1000 мкм.

Радиоволны

10 -1 10 -2 10 -4 10 -6 10 -8 10 -10 10 -12 10 -14
Рисунок 23. − Диапазоны частот F и длин волн λ различных излучений

Устройство ИК-термометра

Методы и приборы бесконтактного ИК-измерения основаны на количественной оценке инфракрасного (теплового) излуче­ния объекта. Тепловое излучение обладает практически теми же свойствами, что и видимый человеком свет: распространяется пря­молинейно, способно отражаться, преломляться, проникать сквозь некоторые тела, может быть сфокусировано оптической системой линз (не обязательно прозрачных) и т.д. На рисунке 24 показана упрощенная структура ИК-термометра.

1 − объект; 2 − объектив; 3 − приемник

Рисунок 24 − Упрощенная структура ИК-термометра

Тепловое излучение по­верхности объекта объективом прибора фокусируется на прием­ник, в качестве которого часто выступает термопара. ТермоЭДС термопары усиливается усилителем (Ус), преобразуется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровой код, которым некоторое время хранится в запоминающем регистре (Рг) и представляется на индикаторе результатом измерения. Объектив ИК измерителя одновременно выполняет функцию полосового фильтра частот.

Инфракрасный измеритель может также содержать узлы свя­зи (аналоговой или цифровой) с внешними устройствами. На рисунке 24 показаны аналоговый (АВ) и цифровой (ЦВ) выходы. Наличие у ИК-термометра выхода аналогового сигнала, пропорционального текущему значению измеряемой температуры, позволяет подключить прибор к внешнему аналоговому самопишущему прибору или к цифровому измерительному регистратору.

Для задач длительного мониторинга применяются также инфракрасные измерительные преобразователи. Эти устройства не име­ют индикатора, их выходной аналоговый сигнал представлен то ком (например, 4. 20 мА), пропорциональным измеряемой тем­пературе, или напряжением (например, 0. 5 В). Они предназначены для работы совместно с показывающими приборами или с регистраторами в составе измерительных установок, комплексе и или систем.

Оптические средства измерений температуры по воспринимаемому излучению носят название пирометров. Пирометры делятся на:

− цветовые (основанные на измерении отношения интенсивностей излучения).

− радиационные (воспринимающие полную энергию излучения),

− яркостные (воспринимающие энергию излучения в какой-либо узкой части спектра).

Цветовой пирометр

Схема автоматического цветового пирометра представлена на рисунке 25, а, а на рисунке 25, б приведена его блок-схема сигналов. Излучение объекта 1 фокусируется линзой 2 и передается на модулятор – колеблющееся зеркало 3 с электромагнитным вибратором 4. Отраженное от зеркала излучение передается поочередно через красный (7) и зеленый (6) светофильтры на фотоприемник 10. В начале шкалы интенсивности красного и зеленого участков спектра одинаковы, и поэтому фотоприемник при сканировании излучением фильтров выдает равные напряжения. С ростом температуры объекта интенсивность зеленого излучения возрастает, что вызывает соответствующее увеличение выходного тока усилителя 9. Увеличение тока, в свою очередь, вызывает увеличение амплитуды колебаний зеркала относительно зеленого светофильтра. При этом возрастает поглощение зеленого излучения оптическим клином 8 до выравнивания интенсивностей излучения обоих цветов на входе фотоприемника. Отклонение выходного тока усилителя является мерой искомой температуры объекта. Пирометры такого типа позволяют измерять температуры, превышающие 700°С [1].

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