Погрешности измерений на практике при бесконтактном измерении температуры

К бесконтактному измерению температуры, известному также как пирометрия, многие практикующие специалисты относятся скептически. Технические данные производителей подтверждают, что пирометры являются очень точными и прецизионными измерительными приборами. Помимо правильного выбора пирометра, подходящего для конкретного применения, особенно важно учитывать свойства материала и влияние окружающей среды на объекте.

Ошибок измерения можно избежать при правильном использовании. Ниже описаны наиболее распространенные причины ошибок и способы их уменьшения.

Пирометры измеряют тепловое излучение, испускаемое объектом. Инфракрасное излучение, испускаемое объектом, зависит от свойств его материала и поверхности. Это свойство излучения описывается излучательной способностью ε. Для точного измерения температуры излучательная способность должна быть установлена на приборе. Неправильно установленная излучательная способность может привести к значительным погрешностям. На рисунке 1 показано отклонение температуры (ΔT) для трех измеренных значений в зависимости от длины волны, если на приборе установлена излучательная способность 80% вместо излучательной способности 90%. Эта ошибка увеличивается с увеличением длины волны или температуры. Поэтому следует выбирать наименьший диапазон длин волн, доступный для требуемого диапазона измерений.

Особенно при измерении металлических поверхностей с неизвестной или сильно колеблющейся излучательной способностью погрешность измерения значительно уменьшается при выборе более короткой длины волны. Излучательная способность металлов увеличивается с уменьшением длины волны. В то же время влияние погрешности уменьшается, если излучательная способность установлена неправильно.

Оптимальные условия наблюдаются, когда пирометр имеет четкое поле зрения объекта. Если на пути луча пирометра присутствуют такие среды, как пыль, газы, дым, защитные стекла или непрозрачные материалы, они приводят к снижению температурного излучения объекта.

Если потери на передачу известны, напр. при измерении через защитное стекло (τ=0,95), их можно компенсировать, изменив излучательную способность прибора.

_εdevice= _εobject- _τbeam path

_εdevice = излучательная способность, устанавливаемая на приборе
_εobject = излучательная способность объекта
τbeam _path = пропускание объектов на пути луча

Более проблематично, если на линзах или защитных стеклах со временем скапливается пыль, масло или испарения. В этом случае пирометр измеряет более низкую температуру по мере увеличения загрязнения. Поэтому необходима регулярная очистка линз. Устройства для очистки воздуха продлевают цикл очистки. Недавно на рынке появились пирометры со встроенным индикатором уровня загрязнения. При загрязнении линзы генерируется сигнал тревоги.

Решающим фактором для отображаемой температуры объекта является мощность излучения ΦΣ, попадающая на детектор пирометра_.

Согласно следующей формуле, в дополнение к компоненте излучения измеряемого объекта, она включает в себя компонент фонового излучения, состоящий из отражения и пропускания компонентов окружающего излучения.

_ΦΣ= _Φε+ _Φτ+ _Φρ

ε = излучательная способность измерительной поверхности
τ = пропускательная способность объекта измерения
ρ = отражательная способность измерительной поверхности.che

Влияние фонового излучения на погрешность уменьшается тем сильнее, чем больше излучательная способность объекта и чем выше температура объекта по сравнению с температурой окружающей среды.Это влияние проблематично, например, при использовании пирометров на выходе из печей непрерывного действия. Погрешность измерения может быть уменьшена, если выравнивание оптики предотвращает отражение теплового излучения от печи на поверхности измеряемого объекта. Источники излучения в инфракрасном диапазоне, такие как лампы накаливания, лучистые нагреватели или лазеры, иногда вызывают сильное инфракрасное излучение, которое на практике недооценивается.

Специально для лазерных применений выпускаются приборы с блокирующими фильтрами для предотвращения влияния высокоэнергетического лазерного излучения на очень низкое инфракрасное излучение.

Погрешности изображения в оптике, рассеянный свет и отражение от оптических компонентов и деталей корпуса, а также дифракция, обусловленная волновой природой света, приводят к тому, что часть обнаруженного излучения попадает на датчик вне заданного поля измерения. Оптика принимает часть излучения за пределами измерительного поля. Это влияние оптики известно как "эффект размера источника". Производитель может минимизировать это влияние путем тщательной коррекции ошибок оптического изображения, использования антибликовых оптических компонентов и предотвращения отражений в приборе. Высококачественная оптика уменьшает влияние этих ошибок. Эффект "размера источника" наименьший в фокусной точке оптики. Поэтому в пирометрах с фокусируемой оптикой этот эффект может быть значительно уменьшен при правильной настройке расстояния измерения.

По физическим причинам оптическая погрешность увеличивается с ростом длины волны. Поэтому для коррекции оптической погрешности в длинноволновых измерительных приборах и, следовательно, в приборах для низких диапазонов измерения требуется еще больше усилий. Это негативно сказывается на более дешевых пирометрах, измеряющих от комнатной температуры и выше, так как отображаемое значение очень сильно зависит от выбранного расстояния измерения.

Если объект значительно больше измерительного пятна пирометра и область находится почти на одном уровне температуры, этим эффектом можно практически пренебречь. В противном случае погрешность можно уменьшить, если использовать прибор с фокусируемой оптикой и точным совмещением с объектом. Для точной юстировки пирометра рекомендуется использовать пилотный свет, прицел через объектив или встроенную видеокамеру.

С помощью пирометра соотношения анализируется отношение плотностей излучения двух различных спектральных диапазонов. В упрощенном виде следующая формула применима к измеренной температуре с двумя центральными длинами волн _λ1 и _λ2.

1÷_TM = (1 ÷_TW) + (_(λ1 - _λ2) ÷ (_C2 - _(λ1 - _λ2)) - (ln _{ε1÷_ε2}))

_TM = излучательная способность измерительной поверхности
_TW = пропускательная способность объекта измерения
_C2 = отражательная способность измерительной поверхности

Если излучательные способности _ε1 и _ε2 одинаковы для обеих длин волн, измеренная температура соответствует температуре объекта. Таким образом, пирометр с коэффициентом излучения измеряет независимо от излучательной способности поверхности, если излучательные способности _ε1 и _ε2 одинаковы. Теоретически, пирометры с коэффициентом рекомендуется использовать, если излучательная способность объекта измерения колеблется. На практике, однако, это зависит от конкретной области применения и применяется редко. Из-за формирования коэффициента погрешность измерения пирометра с коэффициентом может быть значительно больше, чем спектрального пирометра, если излучательная способность двух измерительных длин волн колеблется и различается. Металлы, в частности, и особенно цветные металлы, демонстрируют изменение излучательной способности в зависимости от длины волны.

Потери при пропускании, такие как пыль, пар или дым, с другой стороны, часто вызывают однородное ослабление интенсивности излучения. По сравнению со спектральными пирометрами, измеренное значение пирометров соотношения остается постоянным в этих условиях.

Инновационные пирометры коэффициента позволяют одновременно измерять и рассчитывать температуру на обеих спектральных длинах волн и температуру коэффициента. Это позволяет при вводе в эксплуатацию решить, какое измерение - спектральным пирометром или пирометром соотношения - обеспечивает более воспроизводимые и точные значения во всем диапазоне измерений.