Информация
Поиск

Пирометры: предназначение и разновидности, особенности инфракрасных (лазерных) пирометров

04.01.2022

Что такое пирометр и для чего он нужен?

Пирометры являются бесконтактными термометрами — приборами, измеряющими температуру предметов, оборудования, тела людей или животных без непосредственного физического контакта с измеряемыми поверхностями. То есть, они проводят дистанционные измерения. Из-за этого такие могут называть бесконтактными термометрами. Впрочем, таким термином чаще всего обозначают медицинские измерители температуры.


Помимо дистанционного замера на расстоянии, у пирометров есть ещё одна особенность — скорость замеров. Время отклика у большинства пирометров составляет всего лишь 250 или 500 миллисекунд. Таким образом, измерение температуры не займёт много времени, что удобно при изменении температуры у механизма с часто изменяющейся температурой, либо же при проверке большого количества людей в непрерывном потоке.


Преимущество пирометров состоит в том, что они позволяют провести замеры движущихся объектов.


Дистанционное измерение температуры применяется в различных сферах. Пирометрами можно измерять температуру сыпучих, жидких и твёрдых веществ, предметов, поверхности тела. Такой метод замеров необходим при измерении высоких или низких температур, а также в случаях, когда проведение контактных измерений невозможно из-за затруднённого доступа к измеряемой поверхности, либо же при температурном контроле движущихся деталей и механизмов, которые нельзя измерить без их остановки. В промышленности пирометры могут использоваться для измерения температуры — печей, котлов, раскалённого металла, холодильных камер. В электрике ими могут пользоваться для замера температуры трансформаторных обмоток, соединений, кабелей. Автомеханиками — для измерения температуры двигателя, тормозных колодок. В быту такие приборы используются для замеров температуры отопления и даже для измерения температуры нагрева пищи. Также с их помощью в лабораториях могут замерить нагрев при химических реакциях. В сервисных мастерских — нагрев микросхем и аккумуляторов. В медицине пирометры применяются для быстрого определения температуры тела.


Отличие пирометров от тепловизоров

Отличительная особенность пирометров от тепловизоров — отображение результатов измерений. У пирометров температура предоставляется в виде конкретного числового значения, тогда как тепловизоры показывают цветное спектральное изображение или видео измеряемой области — термограмму. Таким образом, отображается распределение тепла. При отображении каждый цвет будет соответствовать определённой температуре. При этом, тепловизоры способны указывать числовое значение температуры в выбранной точке.


Также отличие состоит в большей площади охвата (у пирометров измерения считываются с определённой точки).


Разновидности пирометров

Все пирометры можно разделить по принципу работы, диапазону измеряемой температуры, конструкции.


В зависимости от принципа работы выделяют два типа пирометров — оптические и инфракрасные.


Оптические пирометры также называют визуальными пирометрами. Их действие основано на сопоставлении яркости измеряемого объекта к яркости нити накаливания, помещённой внутри измерительного прибора.


Конструкция оптического пирометра довольно проста. Пирометр имеет цилиндрическую форму, внутри которой на одном конце размещается линза, а на другом — окуляр. Также внутри него имеется филаментная лампа с нитью накаливания, подключённой к батарее питания, амперметру и реостату. Эта лампа находится между окуляром и линзой. А перед окуляром расположен фильтр, который преобразовывает световое излучение в монохроматический свет.


Принцип работы следующий — свет от измеряемого объекта попадает на линзу и фокусируется ею. Дальше линза направляет излучение на лампу накаливания.


Интенсивность нити накала лампы зависит от протекающего через неё тока. Чем больше ток, тем ярче будет светиться нить накаливания. В процессе измерений величина тока регулируется до тех пор, пока яркость нити накала не станет аналогичной яркости объекта. Когда яркость нити накала и яркость объекта одинаковы, контур нити полностью исчезает.


Если свечение тусклое, это означает прохладную температуру. Чем свечение нити накаливания ярче, тем теплее измеряемая поверхность.


Для прицеливания у таких приборов есть оптический прицел.


Преимущество оптических пирометров — способность измерять высокие температуры с точностью ±5°С. Недостатки — невозможность использования для непрерывных измерений, высокая стоимость, плохая чувствительность к низким температурам.


Инфракрасные, или лазерные, пирометры работают по принципу анализа инфракрасного излучения. Они излучают и принимают отражённое излучение инфракрасного спектра. Работа таких устройств состоит в сравнении теплового излучения от объекта, температуру которого вы пытаетесь измерить, с излучением, создаваемым внутренним источником тепла (температура которого точно известна).


Инфракрасное излучение — это часть электромагнитного спектра, которая находится между видимым светом и радиоволнами. Диапазон длин волн инфракрасного излучения составляет от 0,7 мкм до 1000 мкм.


Лазерные пирометры состоят из фокусирующей линзы, фильтра, инфракрасного детектора, аналого-цифрового преобразователя, а также процессора.


В процессе проведения измерений инфракрасное излучение попадает на линзу и фокусируется. Инфракрасный датчик преобразовывает инфракрасное излучение в электрический ток. Полученный ток измеряется и обрабатывается микропроцессором. Сила тока пропорциональна температуре.


Прицеливание у инфракрасных пирометров осуществляется с помощью лазерной указки (у большинства моделей она сделана отключаемой), поэтому можно видеть точку замера.


К преимуществам лазерных пирометров относят компактность, возможность измерения небольших температур (в том числе, низких, минусовых), невысокую стоимость. Недостатками являются меньшая, в сравнении с оптическими, точность — погрешность может составлять 2%, а также влияние расстояния до изучаемого предмета на точность измерений. Также такие приборы не подходят для измерения температуры предметов с плоской или отражающей поверхностью.


В зависимости от диапазона измеряемой температуры пирометры делятся на низко- и высокотемпературные. Приборы первого типа обладают диапазоном от -50°С до +380°С. К высокотемпературным относят пирометры, способные измерять температуры от +380°С и выше (например, до 1350°С). Впрочем, при этом выпускаются модели, сочетающие возможность определения как низких, так и сверхвысоких температур.


По конструкции различают стационарные и портативные приборы. Стационарные предназначаются для проведения непрерывных измерений, поэтому закрепляются на стойках или оборудовании. Для этого они снабжаются кронштейнами. Такие устройства распространены в промышленности. Портативные пирометры являются переносными. Причём ими можно проводить измерения температуры как с рук, так и со штатива. Они применяются для разовых замеров и находят применение в промышленности, лабораториях, в быту.


Инфракрасные портативные пирометры: разновидности

Наиболее распространёнными пирометрами, встречающимися в продаже, являются именно портативные модели инфракрасных пирометров. Они удобны в использовании, лёгкие, компактные, имеют привлекательный вид. При этом их ассортимент достаточно большой. Поэтому бесконтактные измерители температуры данной группы можно разделить на несколько подвидов по таким критериям, как область применения и форма прибора.


Разделение по области применения лазерных пирометров условное. Оно определяется диапазоном измеряемых температур и, что не мене важно, коэффициентом излучающей способности (этот параметр характеризует способность материалов поглощать и излучать инфракрасное излучение).


Руководствуясь вышеперечисленными характеристиками, можно выделить бытовые, медицинские и универсальные лазерные пирометры.


Бытовые пирометры

Бытовые имеют широкий диапазон температур — как низких, так и высоких. Нижний предел измерений у таких моделей может составлять -18°С и даже -50°С. Верхний предел начинается от 280°С и заканчивается температурой 1150 или 1350°С. Хотя существуют приборы, способные измерять температуры до 2250°С. Точность и разрешение измерений — 1°С или 2°С.


Такие пирометры в своём большинстве оснащены регулировкой коэффициента излучающей способности, которая позволяет измерять температуру разных поверхностей. Кроме того, некоторые модели позволяют подключить термопару для более точного измерения температуры контактным способом.


Медицинские пирометры

Медицинские пирометры, или, как их ещё называют, бесконтактные термометры, предназначены для измерения температуры человеческого тела или для определения температуры людей и животных. Соответственно, такие приборы рассчитываются под коэффициент излучения человеческой кожи или шерсти животных. Естественно, диапазон температур будет меньшим, чем у бытовых пирометров — 32° - 42.9°С. Ещё одно отличие — точность. У медицинских пирометров она равняется 0.1°С или 0.5°С. Кроме того, медицинские пирометры отличаются наличием цветовой индикации, которая служит оповещением уровня температуры (нормальная, высокая или нормальная, повышенная, высокая). Дополнительно может присутствовать звуковая сигнализации при превышении определённой или заданной температуры.


Существует несколько подвидов медицинских пирометров: бесконтактные и контактно-бесконтактные. Приборы первого подвида используют для дистанционного измерения температуры в области лба, а устройства второго подвида позволяют проводить как бесконтактные замеры со лба, так и для контактных замеров с уха.


Универсальные пирометры

Бесконтактные портативные измерители температуры универсального типа характеризуются наличием нескольких режимов работы, каждый из которых имеет определённый температурный диапазон и коэффициент излучающей способности. При этом диапазон температур в режиме измерения температуры предметов аналогичен низкотемпературным бытовым пирометрам. Разрешение и точность у них также зависит от режима измерений.


Форма лазерных пирометров

Конструкция (форма) прибора влияет на хват для удержания и на удобство использования. Она бывает пистолетообразной и тестерной. Реже встречаются пирометры в виде ручки. Однако стоит отметить, что существуют и более экзотические исполнения — карманные (в виде брелока или пульта от телевизора). Но они встречаются ещё реже, чем перечисленные выше.


Пирометры-пистолеты — наиболее распространённая конструкция. Они похожи на пистолет: имеют «дуло» — блок с линзой, инфракрасным датчиком и лазерным прицелом, а также рукоятку, на которой имеется курок. Такие пирометры удерживаются в руке вертикально, при этом не загораживая лицевую часть с окошком для приёма излучения.


Пирометры в виде пистолета встречаются среди всех подвидов — бытовых, медицинских и универсальных.


Тестерные пирометры выполнены в виде однообъёмного прибора, который аналогичен форме мультиметров. Такие средства дистанционного измерения температуры малочисленны и на данный момент представлены лишь компанией UNI-T.


У таких пирометров прицел и приёмное окошко расположены в верхнем торце, поэтому для проведения измерений прибор нужно удерживать горизонтально. При этом пирометры данной конструкции более компактны, чем пирометры-пистолеты. Поэтому их ещё называют мини-пирометрами.


Пирометры-ручки сделаны в виде ручек или пенала. Они ещё меньше, чем мини-пирометры. Характеризуются минимальным функционалом — такие приборы способны измерить температуру без дополнительных индикаций и настроек. Удержание в руке при измерении аналогично мини-пирометрам.


Характеристики инфракрасных пирометров

Основными характеристиками являются диапазон измеряемых температур, единицы измерения, оптическое разрешение, коэффициент излучающей способности, время отклика, наличие или отсутствие дополнительных функций.


Диапазон температур довольно разнообразен. Он может отличаться минимальной и максимальной измеряемой температурой и диапазоном охвата. Наименьший диапазон у медицинских пирометров. Наибольший — у бытовых. Конкретные диапазоны варьируются. Разве что, можно выделить приборы с диапазоном от -50°С до +380°С, которые встречаются чаще, чем остальные.


Существует несколько единиц измерения температуры, поэтому пирометры могут отличаться их перечнем. Базовыми являются модели, способные измерять лишь в градусах Цельсия (°С). Более универсальные позволяют отображать температуру и в градусах Цельсия (°С), и в градусах Фаренгейта (°F). «Продвинутые» модели, помимо °С и °F, дают возможность измерять температуру в градусах Кельвина (°K).


Оптическое разрешение указывает соотношение расстояния от прибора до измеряемой поверхности с размером точки, с которой берётся замер. У большинства пирометров оно составляет 12:1. Также выпускаются приборы с оптическим разрешением 10:1 и 50:1.


Коэффициент излучающей способности характеризует способность предмета излучать тепловое излучение. У зеркальной металлической поверхности он составляет 0.1, а у чёрной матовой металлической поверхности равен 1. Для наилучшей точности коэффициент излучающей способности у пирометра и измеряемой поверхности должен совпадать. Этот параметр может быть фиксированным (0.95), либо же настраиваемым (в диапазоне от 0.1 до 1).


Время отклика является параметром, характеризующим скорость считывания инфракрасного излучения и обработки данных. У большинства моделей он равняется 150 мс, 250 мс, 500 мс.


Перечень дополнительных функций различается у пирометров разных подвидов. Например, у медицинских может присутствовать звуковая индикация о превышении температуры. У бытовых — возможность подключения термопары для контактных измерений, отображение минимальных и максимальных температур, вычисление разницы температур, вычисление средней температуры, сохранение замеров, подключение к смартфонам.