ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПИРОМЕТРОВ ЛУЧ

Измерения в промышленности и научных исследованиях имеют исключительно важное значение для обеспечения необходимого качества продукции и техпроцессов, разработки новых технологий, материалов и т. п. Температурные измерения во всём объёме измерений составляют, пожалуй, не менее половины. До настоящего времени измерение температуры в промышленности осуществляется в основном с помощью термометров сопротивления и термопар. Эти методы называют контактными, т.к. датчик должен иметь температуру объекта в результате хорошего контакта с ним. Это и определяет главные недостатки контактного метода: большая инерционность, сложность и даже невозможность установки датчика, например, для измерения температуры заготовки в печи, в индукторе. В силу этих недостатков уже много десятилетий ведутся поиски других методов измерения температуры. Самым известным бесконтактным методом является измерение пирометрами, которые воспринимают излучение нагретого объекта и преобразуют его в электрический сигнал, который обрабатывается соответствующим образом. Обычно расстояние до объекта составляет от 1 до 10 метров. В последнее время наблюдается стремительный рост объёма пирометрических измерений.

Важнейшей особенностью пирометрических измерений является то, что результат измерения зависит от излучательной способности объекта. Идеальным излучателем является так называемое абсолютно чёрное тело (АЧТ), коэффициент излучения которого ε = 1. Реальные объекты имеют ε < 1, и в силу этого показания пирометра занижаются. Причём, чем меньше ε, тем больше методическая погрешность измерения.

Пирометры бывают трёх типов: пирометры полного излучения, пирометры частичного излучения, пирометры спектрального отношения. Пирометры первого типа воспринимают излучение объекта во всём диапазоне спектра излучения (практически 0,1 - 30 мкм), их воспринимающим элементом является миниатюрная термопара, встроенная в оптическую систему прибора. Пирометры второго типа воспринимают излучение в узком участке спектра. Пирометры третьего типа используют несколько узких участков спектра, чаще всего два. Самыми популярными являются пирометры второго типа. У них в сравнении с пирометрами 1 типа меньше погрешность измерения при ε < 1. К тому же они обладают более высоким быстродействием. Пирометры третьего типа в первую очередь имеют целью исключение методической погрешности, т. е. погрешности из-за неравенства ε "единице". Однако этого удаётся достичь не для всех объектов, а только для так называемых "серых тел", т. е. для объектов, у которых ε не зависит от температуры и от участков спектра, используемых в приборах. Большинство реальных объектов не отвечает этим требованиям. Кроме того, пирометры спектрального отношения сложны и, значит, дороги.
Другим неприятным моментом при измерениях пирометром является "загрязнение" поверхности объекта: шлаки на поверхности расплавов, окалина на поверхности разогретых заготовок.
Шлаки и окалина обычно имеют более низкую температуру, чем объект, и, попадая в поле зрения пирометра, уменьшают его показания. Поэтому непосредственно перед измерением температуры расплава с его поверхности убирают шлаки. В пирометре частичного излучения, как правило, предусматривают режим запоминания максимального значения. В этом режиме пятно визирования пирометра перемещают по поверхности объекта (сканируют объект). При этом влияние шлаков и окалины резко уменьшается.

С влиянием коэффициента излучения на точность измерения борются следующими способами:

1.  Определяют коэффициент ε экспериментально. Для этого измеряют температуру объекта образцовой термопарой и пирометром. Затем в пирометре с помощью переключателей устанавливают такой коэффициент, чтобы показания пирометра совпадали с показаниями термопары. Впредь перед измерениями на данном объекте в пирометре устанавливают этот коэффициент, и таким образом измерения не будут иметь методической погрешности.

2.  Если нет возможности осуществить первый способ, коэффициент излучения определяют приблизительно по справочным данным. При этом можно значительно уменьшить погрешность измерения.

3.  Третий способ основан на том, что в промышленных условиях не обязательно измерять абсолютное значение температуры. Используя главное свойство пирометра - высокую воспроизводимость его показаний, техпроцесс настраивают по показаниям прибора, а не по значению действительной температуры объекта. При этом измерения будут иметь погрешность, но для данного объекта в данных условиях она будет постоянной. Фирмой Рида-С (Самара) разработаны и выпускаются серийно пирометры частичного излучения ЛУЧ с различными диапазонами измерения от 350 до 1800 °С. Основной их особенностью является простота конструкции, что обеспечивает высокую надежность при низкой цене.

КОЭФФИЦИЕНТ ИЗЛУЧЕНИЯ

В теории и практике измерений температур пирометрами частичного излучения важным параметром является коэффициент излучения ε объекта измерения. Пирометр при настройке и поверке градуируют по модели абсолютно черного тела АЧТ. Для АЧТ ε = 1,0. Для реальных объектов ε < 1, причем величина ε зависит в первую очередь от состояния поверхности объекта. Чем выше отражательная способность объекта, тем выше коэффициент отражения и ниже ε. С некоторым приближением можно записать

где r - коэффициент отражения. Поэтому, например, для стали с не окисленной поверхностью ε будет меньше, чем с окисленной. А для полированной поверхности ε будет еще меньше. Обычно объект измерения находится в окружении более "холодных" предметов, поэтому отраженная составляющая будет "холодней" собственного излучения. В результате измеренное значение температуры будет меньше действительного. С повышением температуры объекта влияние отраженного излучения снижается, следовательно, ε объекта повышается.

1.    Определение коэффициента ε экспериментально.
а) Одновременно измеряется температура объекта образцовой термопарой и пирометром. Затем в пирометре подбирается /устанавливается/ такой коэффициент ε, чтобы разница между показаниями пирометра и термопары была минимальной или в пределах допустимой погрешности. Впредь, перед измерениями на этом объекте в пирометре устанавливается этот коэффициент и, таким образом, измерения не будут иметь методическую погрешность. Данный подход позволяет иметь в дальнейшем при замерах пирометром  результат с погрешностью, не превышающей 0,5-1 % от величины измеряемой температуры /паспортные данные пирометра ЛУЧ/.
б) Образец материала нагревается до определенной температуры, как-либо точно измеренной. Температура поверхности образца измеряется пирометром. Значение коэффициента излучения подбирается до тех пор, пока прибор не покажет известную температуру образца. Найденное значение коэффициента ε фиксируется и используется для дальнейших измерений температуры этого материала.
Установленное в пирометре значение ε будет соответствовать коэффициенту излучения данного объекта (для данной температуры, данного материала и условий измерения). Впредь можно при измерениях на этом объекте использовать полученный ε.

2. Если нет возможности осуществить первый способ, коэффициент излучения определяют приблизительно по справочным данным или по физическим свойствам /цвет, искра и т.п./. При этом можно добиться значительного уменьшения погрешности измерения, чем при работе с установленным  ε =1 /который выставляется при поставке прибора по умолчанию/.

Можно пользоваться пирометром, установив ε = 1. При этом используются такие качества пирометра, как воспроизводимость результатов измерения и высокая разрешающая способность. Это означает, что при измерении температуры объекта погрешность измерения будет постоянна для определенного значения действительной температуры. Этого вполне достаточно, чтобы выявить отклонение температуры и оптимально отладить технологический процесс.

ПОКАЗАТЕЛЬ ВИЗИРОВАНИЯ

Важным параметром пирометра является показатель визирования. Показатель визирования ПВ - это отношение диаметра D пятна визирования (то, что "видит" прибор) к расстоянию L между пирометром и объектом:
ПВ = D / L.
Показатель визирования записывается в виде отношения: 1:30, 1:50, 1:100 и т.д.. Очевидно, что, чем меньше ПВ, тем меньше по размерам может быть объект. Или: для одного и того же объекта пирометр с меньшим ПВ позволит проводить измерения с большего расстояния. Таким образом, чем меньше ПВ, тем лучше. Однако при малых ПВ очень мала мощность излучения, воспринимаемая пирометром. А это приводит к тому, что у пирометров с малым ПВ "зарезается" нижняя граница диапазона измерения. Поэтому, чем ниже температура объекта, тем больший требуется показатель визирования.

Пятно визирования

Правильное наведение пирометра на объект измерения - залог точных измерений. Пирометры частичного излучения ЛУЧ требуют, чтобы объект полностью перекрывал пятно визирования.
 

На рис. 1 приведены примеры расположения пятна визирования относительно объекта измерения.

Первый вариант - правильный: объект с гарантированным запасом перекрывает пятно визирования.

Второй вариант - нежелательный: размеры объекта сопоставимы с пятном визирования, при небольшом уменьшении геометрических размеров объекта или частичного ухода объекта пирометр будет занижать.

Третий вариант - неправильный: пятно визирования больше объекта, пирометр будет всегда занижать.
Если при прицеливании пятно визирования выходит за границы объекта, необходимо приблизиться к объекту.

Также необходимо исключить наличие различного рода помех, на трассе пирометр - объект измерения, экранирующих поле обзора.

Следует иметь в виду, что у переносных пирометров типа ЛУЧ пятно прицеливания смещено вверх относительно пятна визирования на 17 мм (рис. 2).

При необходимости пятно прицеливания надо сместить на 17 мм вверх (например, если h ≤ 2d).

Если выполняется условие h >> 17 мм, где h - высота объекта, то пятно прицеливания можно считать пятном визирования.

Если h ≥ 2d = 2L* ПВ, где d -  диаметр пятна прицеливания, то необходимо прицеливаться по верхнему краю объекта.

Показания пирометров типа ЛУЧ не зависят от расстояния до измеряемого объекта в пределах от 0 до L , т.е. приблизится к объекту можно вплотную.