Інформація
Пошук

Пірометри: призначення і різновиди, особливості інфрачервоних (лазерних) пірометрів

04.01.2022

Що таке пірометр і для чого він потрібен?

Пірометри є безконтактними термометрами — приладами, що вимірюють температуру предметів, обладнання, тіла людей або тварин без безпосереднього фізичного контакту з вимірюваними поверхнями. Тобто, вони проводять дистанційні вимірювання. Через це такі пристрої можуть називати безконтактними термометрами. Втім, таким терміном найчастіше позначають медичні вимірювачі температури.


Крім дистанційного виміру на відстані, у пірометрів є ще одна особливість — швидкість вимірів. Час відгуку у більшості пірометрів становить всього лише 250 або 500 мілісекунд. Таким чином, вимірювання температури не займе багато часу, що зручно при зміні температури у механізму, у якого часто змінюється температура, або ж при перевірці великої кількості людей в безперервному потоці.


Перевага пірометрів полягає в тому, що вони дозволяють провести заміри рухомих об'єктів.


Дистанційне вимірювання температури застосовується в різних сферах. Пірометрами можна вимірювати температуру сипучих, рідких і твердих речовин, предметів, поверхні тіла. Такий метод вимірів необхідний при вимірюванні високих або низьких температур, а також у випадках, коли проведення контактних вимірювань неможливе через ускладнений доступ до вимірюваної поверхні, або ж при температурному контролі рухомих деталей і механізмів, які не можна виміряти без їх зупинки. У промисловості пірометри можуть використовуватися для вимірювання температури на виробничому обладнанні — печей, котлів, розпеченого металу, холодильних камер. В електриці ними можуть користуватися для вимірювання температури трансформаторних обмоток, з'єднань, кабелів. Автомеханіками — для вимірювання температури двигуна, гальмівних колодок. У побуті такі прилади використовуються для вимірів температури опалення та навіть для вимірювання температури нагріву їжі. Також з їх допомогою в лабораторіях можуть заміряти нагрів при хімічних реакціях. У сервісних майстернях — нагрівання мікросхем і акумуляторів. У медицині пірометри застосовуються для швидкого визначення температури тіла.


Відмінність пірометрів від тепловізорів

Відмітна особливість пірометрів від тепловізорів — відображення результатів вимірювань. У пірометрів температура надається у вигляді конкретного числового значення, тоді як тепловізори показують кольорове спектральне зображення або відео вимірюваної області — термограму. Таким чином, відображається розподіл тепла. При відображенні кожен колір буде відповідати певній температурі. При цьому, тепловізори здатні вказувати числове значення температури в потрібній точці.


Також відмінність полягає в більшій площі охоплення (у пірометрів вимірювання зчитуються з певної точки).


Різновиди пірометрів

Всі пірометри можна розділити за принципом роботи, діапазоном вимірюваної температури, конструкцією.


Залежно від принципу роботи виділяють два типи пірометрів — оптичні та інфрачервоні.


Оптичні пірометри також називають візуальними пірометрами. Їхня дія заснована на зіставленні яскравості вимірюваного об'єкта до яскравості нитки розжарювання, вміщеній всередині вимірювального приладу.


Конструкція оптичного пірометра досить проста. Пірометр має циліндричну форму, всередині якої на одному кінці розміщується лінза, а на іншому — окуляр. Також всередині нього є філаментна лампа з ниткою розжарювання, підключеною до батареї живлення, амперметра і реостата. Ця лампа знаходиться між окуляром і лінзою. А перед окуляром розташований фільтр, який перетворює світлове випромінювання в монохроматичне світло.


Принцип роботи наступний — світло від вимірюваного об'єкта потрапляє на лінзу і фокусується нею. Далі лінза направляє випромінювання на лампу розжарювання.


Інтенсивність нитки розжарювання лампи залежить від струму, що протікає через неї. Чим більший струм, тим яскравіше буде світитися нитка розжарювання. В процесі замірів величина струму регулюється до тих пір, поки яскравість нитки напруження не стане аналогічною яскравості об'єкта. Коли яскравість нитки розжарювання і яскравість об'єкта однакові, контур нитки повністю зникає.


Якщо світіння тьмяне, це означає прохолодну температуру. Чим світіння нитки розжарювання яскравіше, тим тепліше поверхня, яка вимірюється.


Для прицілювання у таких приладів є оптичний приціл.


Перевага оптичних пірометрів — здатність вимірювати високі температури з точністю ±5°С. Недоліки — неможливість використання для безперервних вимірювань, висока вартість, погана чутливість до низьких температур.


Інфрачервоні, або лазерні, пірометри працюють за принципом аналізу інфрачервоного випромінювання. Вони випромінюють і приймають відбите випромінювання інфрачервоного спектра.


Інфрачервоне випромінювання — це частина електромагнітного спектра, яка знаходиться між видимим світлом і радіохвилями. Діапазон довжин хвиль інфрачервоного випромінювання становить від 0,7 мкм до 1000 мкм.


Лазерні пірометри складаються фокусувальної лінзи, фільтра, інфрачервоного детектора, аналого-цифрового перетворювача, а також процесора.


В процесі проведення вимірювань інфрачервоне випромінювання потрапляє на лінзу і фокусується. Інфрачервоний датчик перетворює інфрачервоне випромінювання в електричний струм. Сила струму вимірюється і обробляється мікропроцесором. Отриманий струм вимірюється і обробляється мікропроцесором. Сила струму пропорційна температурі.


Прицілювання у інфрачервоних пірометрів здійснюється за допомогою лазерної указки (у більшості моделей вона зроблена такою, що може вимикатися), тому можна бачити точку виміру.


До переваг лазерних пірометрів відносять компактність, можливість вимірювання невеликих температур (в тому числі, низьких, мінусових), невисоку вартість. Недоліками є менша, в порівнянні з оптичними, точність — похибка може становити 2%, а також вплив відстані до досліджуваного предмета на точність вимірювань. Також такі прилади не підходять для вимірювання температури предметів з плоскою поверхнею або поверхнею, що відбиває промені.


Залежно від діапазону вимірюваної температури пірометри поділяються на низько- і високотемпературні. Прилади першого типу мають діапазон від -50°С до +380°С. До високотемпературних відносять пірометри, здатні вимірювати температури від +380°С і вище (наприклад, до 1350°С). Втім, при цьому випускаються моделі, що поєднують можливість визначення як низьких, так і надвисоких температур.


За конструкцією розрізняють стаціонарні та портативні прилади. Стаціонарні призначаються для проведення безперервних вимірювань, тому закріплюються на стійках або обладнанні. Для цього вони забезпечуються кронштейнами. Такі пристрої поширені в промисловості. Портативні пірометри є переносними. Причому ними можна проводити вимірювання температури як з рук, так і зі штатива. Вони застосовуються для разових вимірів і знаходять застосування в промисловості, лабораторіях, в побуті.


Інфрачервоні портативні пірометри: різновиди

Найбільш поширеними пірометрами, що зустрічаються в продажу, є саме портативні моделі інфрачервоних пірометрів. Вони зручні у використанні, легкі, компактні, мають привабливий вигляд. При цьому їхній асортимент досить великий. Тому безконтактні вимірювачі температури даної групи можна розділити на кілька підвидів за такими критеріями, як область застосування і форма приладу.


Поділ за областю застосування лазерних пірометрів умовний. Він визначається діапазоном вимірюваних температур і, що не менш важливо, коефіцієнтом випромінювальної здатності (цей параметр характеризує здатність матеріалів поглинати та випромінювати інфрачервоне випромінювання).


Керуючись переліченими вище характеристиками, можна виділити побутові, медичні та універсальні лазерні пірометри.


Побутові пірометри

Побутові мають широкий діапазон температур — як низьких, так і високих. Нижня межа вимірювань у таких моделей може складати -18°С і навіть -50°С. Верхня межа починається від 280°С і закінчується температурою 1150 або 1350°С. Хоча існують прилади, здатні вимірювати температури до 2250°С. Точність і роздільна здатність вимірювань — 1°С або 2°С.


Такі пірометри в своїй більшості оснащені регулюванням коефіцієнта випромінювальної здатності, який дозволяє вимірювати температуру різних поверхонь. Крім того, деякі моделі дозволяють підключити термопару для більш точного вимірювання температури контактним способом.


Медичні пірометри

Медичні пірометри, або, як їх ще називають, безконтактні термометри, призначені для вимірювання температури людського тіла або для визначення температури людей і тварин. Відповідно, такі прилади розраховуються під коефіцієнт випромінювання людської шкіри або шерсті тварин. Природно, діапазон температур буде меншим, ніж у побутових пірометрів — 32° - 42.9°С. Ще одна відмінність — точність. У медичних пірометрів вона дорівнює 0.1°С або 0.5°С. Крім того, медичні пірометри відрізняються наявністю кольорової індикації, яка служить оповіщенням рівня температури (нормальна, висока або нормальна, підвищена, висока). Додатково може бути присутньою звукова сигналізація при перевищенні певної або заданої температури.


Існує кілька підвидів медичних пірометрів: безконтактні і контактно-безконтактні. Прилади першого підвиду використовують для дистанційного вимірювання температури в області чола, а пристрої другого підвиду дозволяють проводити як безконтактні виміри з чола, так і для контактних вимірів з вуха.


Універсальні пірометри

Безконтактні портативні вимірювачі температури універсального типу характеризуються наявністю декількох режимів роботи, кожен з яких має певний температурний діапазон і коефіцієнт випромінюючої здатності. При цьому діапазон температур в режимі вимірювання температури предметів аналогічний низькотемпературним побутовим пірометрам. Роздільна здатність і точність у них також залежить від режиму вимірювань.


Форма лазерних пірометрів

Конструкція (форма) приладу впливає на хват для утримання і на зручність користування. Вона буває пістолетоподібною і тестерною. Рідше зустрічаються пірометри у вигляді ручки. Однак варто зазначити, що існують і більш екзотичні виконання — кишенькові (у вигляді брелока або пульта від телевізора). Але вони зустрічаються ще рідше, ніж перераховані вище.


Пірометри-пістолети — найбільш поширена конструкція. Вони схожі на пістолет: мають «дуло» — блок з лінзою, інфрачервоним датчиком і лазерним прицілом, а також рукоятку, на якій є курок. Такі пірометри утримуються в руці вертикально, при цьому не загороджуючи лицьову частину з віконцем для прийому випромінювання.


Пірометри у вигляді пістолета зустрічаються серед усіх підвидів — побутових, медичних та універсальних.


Тестерні пірометри виконані у вигляді однооб'ємного приладу, який аналогічний формі мультиметрів. Такі засоби дистанційного вимірювання температури нечисленні і на даний момент представлені лише компанією UNI-T.


У таких пірометрів приціл і приймальне віконце розташовані у верхньому торці, тому для проведення вимірювань прилад потрібно утримувати горизонтально. При цьому пірометри даної конструкції більш компактні, ніж пірометри-пістолети. Тому їх ще називають міні-пірометрами.


Пірометри-ручки зроблені у вигляді ручок або пенала. Вони ще менші, ніж міні-пірометри. Характеризуються мінімальним функціоналом — такі прилади здатні виміряти температуру без додаткових індикацій і налаштувань. Утримання в руці при вимірюванні аналогічно до міні-пірометрів.


Характеристики інфрачервоних пірометрів

Основними характеристиками є діапазон вимірюваних температур, одиниці виміру, оптична роздільна здатність, коефіцієнт випромінюючої здатності, час відгуку, наявність або відсутність додаткових функцій.


Діапазон температур досить різноманітний. Він може відрізнятися мінімальною і максимальною вимірюваною температурою і діапазоном охоплення. Найменший діапазон у медичних пірометрів. Найбільший — у побутових. Конкретні діапазони варіюються. Хіба що, можна виділити прилади з діапазоном від --50°С до +380°С, які зустрічаються частіше, ніж інші.


Існує кілька одиниць вимірювання температури, тому пірометри можуть відрізнятися їх переліком. Базовими є моделі, здатні вимірювати лише в градусах Цельсія (°С). Більш універсальні дозволяють відображати температуру і в градусах Цельсія (°С), і в градусах Фаренгейта (°F). «Просунуті» моделі, крім °С і °F, дають можливість вимірювати температуру в градусах Кельвіна (°K).


Оптична роздільна здатність вказує співвідношення відстані від приладу до вимірюваної поверхні з розміром точки, з якої береться замір. У більшості пірометрів воно становить 12:1. Також випускаються прилади з оптичною роздільною здатністю 10:1 і 50:1.


Коефіцієнт випромінюючої здатності характеризує здатність предмета випромінювати теплове випромінювання. У дзеркальної металевої поверхні він складає 0.1, а у чорної матової металевої поверхні дорівнює 1. Для кращої точності коефіцієнт випромінюючої здатності у пірометра і вимірюваної поверхні повинен збігатися. Цей параметр може бути фіксованим (0.95), або ж таким, що налаштовується (в діапазоні від 0.1 до 1).


Час відгуку є параметром, який характеризує швидкість зчитування інфрачервоного випромінювання і обробки даних. У більшості моделей він дорівнює 150 мс, 250 мс, 500 мс.


Перелік додаткових функцій різниться у пірометрів різних підвидів. Наприклад, у медичних може бути присутньою звукова індикація про перевищення температури. У побутових — можливість підключення термопари для контактних вимірювань, відображення мінімальних і максимальних температур, обчислення різниці температур, обчислення середньої температури, збереження вимірів, підключення до смартфонів.