Пирометр как работает: Принцип действия пирометров

Содержание

принцип действия, схема и т.д.

Пирометр — это продвинутый прибор для определения температуры любого объекта на основе инфракрасного датчика, который считывает невидимое инфракрасное излучение, преобразует показания в температурные и выводит полученное число на дисплей. Максимальный диапазон измерения — 1000°C. Он так же известен, как бесконтактный цифровой термометр или инфракрасный пистолет.

Пирометр — бесконтактный цифровой термометр

Рекомендуем обратить внимание и на другие приборы для измерения температуры.

Хотя пирометры сравнительно недавно начали использоваться в промышленности, тем не менее они находят все более широкое применение для измерения температуры, так как они удобны, дают точные показания и более безопасны, чем другие виды температурных датчиков.

Пирометр может быть чрезвычайно полезным для поиска неисправностей в системах, где избыточный нагрев может быть одной из причин. Например, киповец может использовать пирометр для обнаружения нагретого участка на монтажной плате, не отключая цепь от источника питания либо в непосредственной близи от цепей под напряжением. Также пирометр отлично подойдет для поиска неисправностей в любом оборудовании с вращающимися частями, так как измерение с его помощью не подвергает киповца опасности соприкосновения с вращающимися частями.

Принцип работы пирометра

Основными частями инфракрасного устройства являются: линза, ИК-приемник и дисплей температурных показаний. Инфракрасное излучение, идущее от горячего объекта фокусируется линзой и подается на ИК-приемник.

Упрощенное изображение ИК-датчика и горячего объекта

ИК-приемник ИК-температурного датчика может представлять собой полупроводниковый материал, термопару или термобатарею (группа термопар, соединенных вместе последовательно).

Схема термобатареи

Когда ИК-приемник температурного датчика нагревается, то генерируется напряжение (имеется ввиду, что это термопара или термобатарея) или меняется сопротивление (если речь идет о полупроводниковом материале). Изменение величины напряжения и сопротивления затем преобразуется в соответствующие температурные показания и отображаются на шкале прибора. Если температура объекта уменьшается, то его инфракрасное излучение уменьшается и в данном случае меняющаяся величина сигнала сопротивления и напряжения, посылаемого в приемник будет отображена на шкале как уменьшение температуры.

Для того, чтобы определить температуру объекта бесконтактный цифровой термометр направляется на объект и нажимается спусковой механизм. Показания температуры отображаются на дисплее прибора. С помощью кнопки на приборе можно отображать оказания либо по шкале Цельсия, либо по шкале Фаренгейта.

Особенности работы пирометров

Расстояние между прибором и объектом, чья температура измеряется, не влияет на точность показаний. Однако прибор должен использоваться для диапазона, указанного изготовителем. Кроме того, чем больше расстояние между прибором и объектом, тем большая площадь зондировалась.

Некоторые пирометры имеют спусковые механизмы с двумя положениями. В первом положении спусковой крючок останавливается на полпути, и такое положение служит для сканирования поверхности или участка, где имеется неоднородность нагрева.

В этом положении показания на дисплее меняются в зависимости от количества обнаруженных неоднородных участков. Это положение используется для определения приблизительной температуры объектов. Второе положение спускового механизма — это когда крючок полностью утоплен. Это положение используется для обнаружения объекта с наивысшей температурой, если объектов несколько. Когда крючок находится в этом положении, то показания на дисплее перестанут меняться, как только будет обнаружен объект с наивысшей температурой. Это положение называется «положение удержания наивысшего показания».

Другой особенностью пирометров является наличие переключателя коэффициента излучения. Переключатель коэффициента излучения компенсирует отраженное излучение, которое может повлиять на точность температурных показаний. Объекты отражают инфракрасное излучение, идущее от других объектов помимо собственного инфракрасного излучения. Однако отраженное инфракрасное излучение не является показателем истинной температуры объекта, а бесконтактный термометр не может отличить излучаемые волны от отраженных, пока вы не настроите переключатель коэффициента излучения на объект, чья температура измеряется.

Большинство производителей пирометров поставляют в комплекте с прибором таблицы, где указаны коэффициенты излучения для наиболее часто измеряемых поверхностей.

Термопары наиболее распространенное устройство для измерения температуры

Термистор чувствительный к изменениям температуры элемент, изготовленный из полупроводникового материала

Термометр сопротивления RTD электрический температурный датчик, использующий изменения сопротивления, которое противодействует протеканию тока

Манометр прибор для измерения давления, который используется на производстве

Биметаллический термометр это прибор для измерения температуры, принцип работы которого основан на расширении и сжатии твердых тел

Как работает пирометр

Можно ли получить данные о температуре удаленно ? При этом быстро, за время не превышающее нескольких секунд ? Только бесконтактно ! Контактные термометры на это не способны. Во-первых, они требуют непосредственного прикосновения, что далеко не всегда возможно, во-вторых, из-за инерционности теплового датчика (термопара, изменение сопротивления или другие методы).

Проблема решена давно – уже несколько десятилетий, с дистанционным измерением температуры успешно справляются стационарные или ручные пирометры, воспринимая излученные интересующим объектом инфракрасные лучи.

Инфракрасная энергия

Эти приборы особенно востребованы в следующих случаях:

Труднодоступные места: большая высота или глубина, сложно приблизиться (мешает технологическое оборудование)
Высокая загазованность, выделение опасных для здоровья работников испарений.
Слишком высокая температура, достигающая тысячи и более градусов.
Быстро движущиеся и вращающиеся детали машин.
Высоковольтное электрическое напряжение.

Чтобы получить максимально точный результат, не допускать ошибок при измерениях температуры на расстоянии, необходимо четко понимать как работает пирометр.

Но прежде чем ответить на вопрос, как функционируют инфракрасные термометры (это их альтернативное название, уже “прижившееся” в Украине), рассмотрим базовые понятия, которые нам в этом помогут.

Различные виды тел, с температурой выше абсолютного нуля, то есть практически все объекты во вселенной и в том числе на земле, излучают энергию во множестве спекторов и на разных длинах волн. Например Солнце генерирует как инфракрасную тепловую энергию, достигающую поверхности нашей планеты с расстояния в 150 млн. км, так и радиационное излучение, ультрафиолет и т.д.
Но нас интересует только ИК часть спектра, которая в свою очередь разделяется на коротковолновое излучение, ближнее и дальнее.

В интернет магазинах представлены преимущественно пирометры с длиной волны 8-14 мкм.

То есть для измерения температуры на расстоянии “отсекаются” не только другие диапазоны, но нас интересуют только волны со строго заданной длиной.

Коэффициент излучения

Любой нагретый объект характеризуется тремя энергетическими показателями:

излучение;
поглощение;
отражение.

Нас интересует их соотношение, чтобы вычислить коэффициент излучения. Если например предмет излучает 80 % всей ИК энергии, то его коэффициент излучения составляет 0,8.
Это очень важный момент. Простейшие и как правило более дешевые по цене виды пирометров, не имеют настройки на коэффициент излучения (иногда применяется термин коэффициент эмиссии). Надо признать, что для большинства поверхностей, встречающихся в быту (дерево, стена, шифер, камень, асфальт, ткани и т.д.) это не имеет большого значения и погрешность будет удовлетворительная, поскольку отражается в среднем 0,8-0,95 всей энергии.

То есть в измеритель поступает максимум информации о температуре, за исключением той части энергии, которая поглощается объектом. Но ее удельный вес не велик.

В недорогих пирометрах коэффициент излучения установлен на заводе на уровне 0,95 и не может быть изменен.

Проблемы возникают с полированными, шлифованными металлами, в которых коэффициент эмиссии слишком мал. Например алюминий или латунь излучают меньше 1 % энергии и для точного и корректного измерения температуры их поверхности, необходимо купить пирометр с настройкой коэффициента эмиссии, который пригодится и в дальнейшем практически для всего спектра материалов, поскольку позволяет менять настройку в пределах 0-0,1 %, причем точечно, с очень мелким шагом 0,01.

В передней части корпуса расположена линза. Это важный оптический элемент.

В дешевых бесконтактных термометрах качество материала лизы оставляет желать лучшего, что вызывает высокую погрешность. Такие приборы зачастую не проходят проверку.

Линза предназначена для фокусировки поступающего инфракрасного излучения.
То есть все тепло сосредотачивается в одной точке.
Именно в этой точке, уже внутри устройства, и расположен термодетектор, основная задача которого преобразовать нагрев в аналоговый электрический сигнал.

Это самый главный момент в работе пирометра – найден способ преобразовать температуру в измеряемую электрическую величину. Поскольку дальше, как говорится, дело техники – стандартный аналогово-цифровой преобразователь и вывод значения температуры на дисплей.

Что такое пятно визирования

Линза имеет диаметр в среднем около 2 см. Тогда возникает вопрос, как же тогда в такое маленькое оптическое приспособление попадает излучение например с элемента оборудования высотой 1 метр ?
Абсолютно правильный вопрос.

Поэтому при выборе пирометра, наряду с имеющейся опцией подстройки коэффициента эмиссии, следует в обязательном порядке обращать внимание на такой показатель как пятно визирования. Другое его название, которое используется на равных, это оптическое разрешение.

Сейчас мы разберем, что это такое, но сразу отметим, что чем больше это значение, тем с более дальнего расстояния можно измерить температуру мелких объектов.

Оптическое разрешение это относительная величина и может иметь значения 4:1, 8:1, 16:1, 30:1, 50:1, 75:1 и другие.

С ростом этого показателя, во-первых, ощутимо возрастает стоимость, а во-вторых, сфера применения смещается от бытового применения к промышленному.

Итак, разбираемся с пятном визирования.

Смотрим на рисунок, поскольку это один из важных элементов “картинки”, которая помогает понимать, как работает пирометр.
Наши глаза не позволяют наблюдать тепловые лучи, поэтому придется представлять, что излучение поступает в линзу в виде конуса.

Чем дальше мы отходим, тем у объектов большего размера мы можем измерить температуру.

Отношение дистанции к высоте (длине, ширине) объекта это и есть оптическое разрешение.

Но если взять два прибора, один с коэффициентом 8:1, а другой с 16:1, то с одного и того же расстояния, второй может измерить температуру объекта размером в 2 раза меньше. Вот в чем ценность этой величины !

Это вопрос безопасности	Если закупаются пирометры с большим оптическим разрешением, это снижает риски для персонала. Отошел и меряй. Ни раскаленные брызги, ни пар, ни гудящий трансформатор не страшны
Это расширяет возможности	Если например исследуемое тело находится на дальнем растоянии, а подойти ближе мешают станки или роботы.

Поэтому перед началом измерений, нужно в обязательном порядке высчитать дистанцию по пропорции, исходя из размеров объекта, чтобы в приемное устройство попадало тепло только с этого объекта, а никакого другого, расположенного рядом с ним. Иначе произойдет смешение температур и искажение результата.
Это расчет так называемого предельного расстояния. То есть подойти ближе можно, а дальше – нельзя.
Помочь в точном направлении на объект поможет лазерная указка, встраиваемая в большинство пирометров, которая направляется в центр исследуемого объекта. Это важно, поскольку если сместиться влево-вправо, в приемное устройство начнет поступать так называемое паразитное излучение от соседних с измеряемым объектов.

Что такое пирометр? Типы, преимущества, области применения и т. д.

Содержание

Измерение температуры является важным параметром для любой отрасли. При измерении температуры требуется высокая степень точности.

A Пирометр — это устройство, которое используется для измерения высокой температуры без контакта с каким-либо устройством. Пирометр использует тепло/излучение тела объекта для измерения температуры.

Пирометр предлагает следующие функции, такие как

⇒ Бесконтактное измерение температуры

⇒ Простое измерение в труднодоступных местах

⇒ Очень точная и надежная технология измерения температуры

Пирометр Определение

относительно высокие температуры. Пирометр работает по принципу излучения или тепла от тела объекта для измерения температуры, поэтому его преимущество заключается в измерении температуры без прикосновения к измеряемому материалу.

Согласно современному определению, пирометр — это бесконтактное устройство для измерения теплового излучения объекта для измерения температуры поверхности.

Types of Pyrometer

The pyrometer can be classified into mainly two types based on it’s working principle,

⇒ Optical Pyrometer

⇒ Infrared/Radiation Pyrometer

Optical Pyrometer

На изображении выше видны части оптического пирометра.

⇒ С левой стороны находится окуляр или наблюдатель , а с правой стороны – оптическая линза .

⇒ Лампа , которая генерирует эталонную температуру с помощью источника питания и реостата.

⇒ Амперметр для измерения тока для расчета температуры.

⇒ 9.0007 абсорбционный экран устанавливается между объективом и опорной лампой.

⇒ красный фильтр r между эталонной лампой и окуляром или наблюдателем.

Любой объект, температура которого равна абсолютному нулю, излучает или генерирует излучение. Это излучение зависит от температуры объекта.

Оптический пирометр использует это излучение для измерения температуры объекта. Яркость измеряемого объекта сравнивается с яркостью лампы при эталонной температуре.

Эталонная температура определяется лампой, яркость которой можно регулировать с помощью реостата, как показано на рисунке выше.

Как это работает?

Излучение источника улавливается оптическим объективом. Линза помогает сфокусировать тепловое излучение на лампе.

Наблюдатель начинает наблюдать яркость нити накала лампы. Нить накала эталонной лампы накладывается на температуру источника. Наблюдатель начинает изменять значение реостата.

Может быть три варианта, например,

A. Когда нить « ТЕМНАЯ ». Тогда исходный объект горячее, чем эталонная температура, или мы можем сказать, что температура нити ниже, чем температура источника.

B. Когда нить « BRIGHT ». Тогда исходный объект холоднее, чем эталонная температура, или мы можем сказать, что температура нити выше, чем температура источника.

C. Когда нить « ИСЧЕЗАЕТ ». Таким образом, мы можем сказать, что температура исходного объекта и эталонная температура совпадают.

В это время можно измерить ток для расчета температуры.

Преимущества

Сборка проста и портативна.
Обеспечивает очень высокую точность с допуском ±5 ºC.
Нет необходимости находиться в прямом контакте с объектом, температура которого измеряется.
Полезен для измерения температуры движущихся объектов.
Его можно легко использовать в местах, где возможен физический подход к измерению температуры.

Недостаток

Измерение полностью основано на интенсивности света, оно может быть полезно только для измерения относительно высокой температуры.

Инфракрасный/радиационный пирометр

Как показано на рисунке, радиационный пирометр имеет такую же оптическую систему, как и оптическая линза, зеркало и регулируемый окуляр . Тепловая энергия передается через оптическую линзу на зеркало. Зеркало фокусирует эту энергию на детекторе.

Детектор может быть либо термобатареей , либо фотоумножителями . Фотоумножители работают намного быстрее, чем термобатареи. Таким образом, измерение температуры происходит намного быстрее при использовании фотоумножителей. Детектор преобразует собранную тепловую энергию в сигнал электрического тока и передает его на блок управления или дисплей температуры.

Преимущества

Обладает высокой производительностью и умеренной стоимостью.
Имеет быстрый отклик.
Обладает хорошей стабильностью.
Нет необходимости в физическом контакте с измеряемым объектом.

Недостаток

Конструкция радиационного пирометра сложна.
Излучательная способность материала мишени может повлиять на измерение.

Применение пирометра

Вот несколько примеров использования пирометра для измерения температуры,

⇒ Измерение температуры доменной печи.

⇒ Металлургическая промышленность

⇒ Работа металлургической печи, где температура является критическим параметром.

⇒ Паровой котел

⇒ Газотурбинные двигатели

⇒ Воздушный шар.

Если вам нравится этот блог, поделитесь им с друзьями и коллегами и оставьте свой отзыв в разделе комментариев ниже.

Вы можете прочитать больше статей о приборостроении и найти книги, которые расширят ваши знания в области приборостроения ⇒

Книги по приборостроению и управлению
Книги по ПЛК
Книги по SCADA

Спасибо за внимание!

Рубрики Инструменты Теги ИНСТРУМЕНТАЦИЯ

Принцип работы пирометра | Типы пирометров

Когда измеряемая температура очень высока и физический контакт с измеряемой средой невозможен или нецелесообразен, используются оптические пирометры, основанные на принципе теплового излучения. Эти типы принципов работы пирометров используются в условиях, когда агрессивные пары или жидкости могут разрушить термопары, термометр сопротивления и термистор при контакте с измеряемой средой.

Радиационный пирометр Принцип работы измеряет лучистое (энергетическое) тепло, испускаемое или отражаемое горячим объектом. Тепловое излучение представляет собой электромагнитное излучение, испускаемое в результате воздействия температуры, и находится в диапазоне длин волн 0,1–100 мкм.

В соответствии с принципом теплового излучения энергия, излучаемая горячим телом, зависит от его температуры. Согласно рис. 13.54, тепло, излучаемое горячим телом, фокусируется на детекторе излучения. Детектор излучения зачернен и поглощает все или почти все падающее на него излучение (если температура очень мала по сравнению с температурой горячего тела, то

Следовательно, тепло, полученное детектором, пропорционально четвертой степени абсолютная температура горячего тела

Радиационный пирометр бывает двух типов.

Пирометры полного излучения
Инфракрасные пирометры

Пирометр полного излучения (TRP):

Пирометр полного излучения принимает практически все излучение от горячего тела и фокусируется на горячем теле и фокусируется на чувствительном датчике температуры, таком как термопара, болометр, термобатарея и т. д. Всего излучение включает в себя как видимое, так и инфракрасное излучение.

Принцип работы пирометра полного излучения состоит из элемента, принимающего излучение, и измерительного устройства, непосредственно показывающего температуру. На рис. 13.55 показан радиационный пирометр зеркального типа.

В пирометрах этого типа блок диафрагмы вместе с зеркалом используется для фокусировки излучения на преобразователях, чувствительных к лучистой энергии. Расстояние от линзы (зеркала) до преобразователя регулируется для правильной фокусировки. Преимущество зеркального расположения состоит в том, что, поскольку нет линзы, отсутствуют как поглощение, так и отражение.

Наличие любой поглощающей среды между мишенью и преобразователями снижает получаемое излучение, и показания пирометра становятся низкими.

Из-за четвертого степенного закона (q пропорционально T ⁴ ) характеристики пирометра полного излучения нелинейны и имеют плохую чувствительность в более низких диапазонах температур. Поэтому пирометры полного излучения нельзя использовать для измерения температуры ниже 600 °С, так как при более низких температурах вносятся погрешности.

Таким образом, пирометры полного излучения используются в основном в диапазоне температур 1200 °С – 3500 °С.

Выходной сигнал пирометров полного излучения, с усилением или без, обычно подается на прибор PMMC или на самобалансирующийся потенциометр. Выходной сигнал может подаваться на записывающее устройство или контроллер.

Инфракрасные пирометры:

Инфракрасный пирометр Принцип работы: пирометры частичного или селективного излучения. При температуре выше 550 °C поверхность начинает излучать энергию видимого света, и одновременно происходит пропорциональное увеличение энергии инфракрасного излучения.

Применяются принципы инфракрасного излучения с использованием термопар, термоэлементов и болометров. Также для инфракрасных преобразователей чаще всего используются различные типы фотоэлектрических преобразователей. Наиболее полезными преобразователями, используемыми в промышленности, являются фотогальванические элементы. Эти ячейки, используемые в радиационных пирометрах, реагируют на длину волны в инфракрасном диапазоне и могут использоваться для измерения температуры до 400 °C.

Инфракрасное излучение фокусируется на фотогальваническом элементе, как показано на рис. 13.56. Необходимо следить за тем, чтобы ячейка не перегревалась. Ядро излучения, проходящего в ячейку, определяется площадью первой диафрагмы.

Защитное окно выполнено из тонкого стекла и служит для защиты кюветы и фильтра от физических повреждений. Фильтр используется в диапазоне температур от 1000 °C до 1200 °C, чтобы уменьшить инфракрасное излучение, проходящее через фотоэлемент. Это помогает предотвратить перегрев фотоэлемента.

Все инфракрасные системы основаны на передаче энергии инфракрасного излучения, излучаемой нагретым телом, к детектору в измерительной системе. Головка датчика фокусируется на объекте, температура которого измеряется и/или контролируется.