Оптические переменные влияния

Бесконтактное измерение температуры основано на оптическом методе измерения. Оптические свойства пирометра оказывают большое и часто недооцениваемое влияние на точность измерений. Во многих случаях при проверке погрешности измерений сравниваются только параметры, указанные в техническом паспорте. Однако простая, неправильно подобранная или неправильно настроенная оптика может привести к очень серьезным ошибкам измерений. В следующем отчете объясняются принципы и последствия ошибок оптического изображения и спецификации оптических параметров пирометров. В нем представлен способ, с помощью которого пользователь может сам контролировать качество оптики пирометра.

Сферическая аберрация (ошибка диафрагмы)
Лучи света, проходящие близко к краю линзы, фокусируются на другом расстоянии, чем лучи света, проходящие от центра. В результате изображение получается слегка размытым. Сферическая аберрация может быть уменьшена в оптических системах, состоящих из нескольких линз, путем комбинирования нескольких поверхностей линз соответствующим образом.

Хроматическая аберрация (продольная цветовая аберрация)
Фокусное расстояние линз зависит от длины волны. Свет или излучение с разной длиной волны фокусируется в разных точках. В результате изображение объекта получается с цветными краями вокруг изображения. Хроматическую аберрацию можно значительно уменьшить, если использовать оптику с коррекцией для двух (ахромат) или трех (апохромат) длин волн (рис. 2). Материалы линз подбираются таким образом, чтобы аберрации линз компенсировали друг друга для двух или трех длин волн.

Для определения оптики указывается либо размер пятна измерения для определенного расстояния, либо коэффициент расстояния, т.е. отношение расстояния измерения к диаметру поля измерения.

Размер пятна измерения пирометров основан на фиксированном проценте от максимальной энергии, которая может быть получена в полупространстве. 100 % соответствует бесконечно большому объекту измерения. Размер измерительного поля обычно основан на 90, 95 или 98 % от максимальной энергии, которая может быть получена (рис. 3).

Если компонент излучения основан на 95 % вместо 90 %, это приводит к увеличению измерительного поля. Поэтому информация о размере поля измерения сопоставима только в том случае, если она относится к одному и тому же проценту. Некоторые производители не указывают процентное содержание излучения или определяют его как низкое. В результате в технических характеристиках эти производители изображают очень маленькое измерительное поле, прекрасно понимая, что им пришлось бы указать значительно большее значение, если бы они определили его иначе. Кроме того, некоторые производители указывают размер измерительного поля без учета допусков на линзы.

В пирометрах различают приборы с фокусируемой оптикой и оптикой с фиксированным фокусом. Измерительное поле находится в фокусе только на фокусном расстоянии. Если пирометр работает вне фокусного расстояния, равномерное распределение инфракрасного излучения на датчике уже не обеспечивается (рис. 4).

Излучение, полученное через измерительную поверхность, регистрируется в разной степени. Изменения температуры в центре оказывают большее влияние, чем в периферийной области измерительного поля.

Это особенно влияет на калибровку пирометра перед "черным телом". Отверстие печи должно быть в несколько раз больше, чем измерительное поле пирометра. Для приборов с простой оптикой и большим измерительным полем в качестве калибровочного источника необходимо использовать очень большие излучатели, чтобы уменьшить погрешности измерений, которые могут возникнуть при калибровке. Это один из основных источников погрешности, обусловливающих высокую погрешность измерений недорогих приборов.

В частности, при измерении небольших объектов, которые лишь немного превышают зону измерения пирометра, неправильная настройка фокусировки может привести к значительным ошибкам измерения. Однако даже если пирометр смотрит на измеряемый объект через отверстия, смотровые стекла, стенки печи или зрительные трубы, плохо отрегулированная оптика или неправильная фокусировка могут быстро привести к сужению конуса обзора и, следовательно, к неправильным измерениям. Если измерения проводятся на объектах, размеры которых значительно превышают измерительное поле пирометра, то при использовании простой оптики отображаемая температура будет меняться при изменении размеров объекта измерения или расстояния до него. На рис. 5 показано сравнение уменьшенного отображения измеренного значения для высококачественной и простой оптики в зависимости от диаметра объекта измерения. При использовании простой оптики измеренное значение значительно уменьшается при изменении размера объекта измерения. Изменение расстояния измерения имеет тот же эффект при постоянном размере объекта. Это означает, что приборы с простой оптикой отображают разные измеренные значения на разных расстояниях измерения. Этот источник погрешности необходимо учитывать, особенно при использовании простых ручных приборов, которые, безусловно, используются на разных расстояниях. Этот эффект называется эффектом размера источника (SSE) и является более или менее значительным источником погрешности во всех пирометрах. Причинами являются ошибки формирования изображения в оптике, рассеянный свет и отражение от оптических компонентов и деталей корпуса, а также дифракция, обусловленная волновой природой света. Эффект размера источника уменьшается по мере уменьшения длины волны измерения. Это влияние можно минимизировать путем тщательной коррекции ошибок оптического изображения, использования антибликовых оптических компонентов и исключения паразитного света и отражений в приборе. На практике пользователь может минимизировать эту погрешность, точно сфокусировавшись на расстоянии измерения.

В зависимости от температуры инфракрасное излучение, испускаемое объектом измерения, находится в диапазоне длин волн от 0,6 до 20 мкм, то есть обычно выше видимого света. Во-первых, это означает, что оптика должна быть скорректирована с учетом диапазона длин волн, используемого пирометром. Если пользователь хочет фокусироваться визуально или приборы оснащены видеокамерой в качестве вспомогательного средства для прицеливания, оптика должна быть сконструирована таким образом, чтобы оптические ошибки изображения корректировались одинаково как для видимого, так и для инфракрасного диапазона длин волн. В простых устройствах используются объективы без цветокоррекции или с коррекцией только для одной длины волны. В этом случае точки фокусировки инфракрасного и видимого излучения не совпадают (рис. 2). Если пирометр фокусируется через визирное устройство, он не оптимально сфокусирован для инфракрасного излучения.

Особенно при использовании лазеров для отображения точки измерения, точка лазера не соответствует расстоянию измерения с простыми линзами.

Эти ошибки могут быть устранены, насколько это возможно, только с помощью оптически сложных двухлинзовых или трехлинзовых систем. Пирометры серии CellaTemp PA, например, имеют высококачественную прецизионную оптику с широкополосной антибликовой системой линз.

Это означает, что даже провода диаметром 0,3 мм могут быть правильно измерены с точки зрения температуры.

Свойства пирометра по формированию изображения могут быть легко проверены пользователем. Для этого пирометр настраивается на определенный источник излучения.

Размер области излучения должен быть в несколько раз больше, чем измерительное поле пирометра. Теперь установите открытую ирисовую диафрагму на фокусном расстоянии (a) пирометра перед источником излучения и с помощью пирометра определите температуру при значении излучательной способности ε = 1 (рис. 6). Рекомендуется проводить измерения в конце диапазона измерений пирометра, так как при более высоких температурах оптические погрешности измерений становятся более заметными. Тогда излучательная способность пирометра должна быть установлена на 0,98, что приведет к увеличению отображаемой температуры.

Затем диаметр ирисовой диафрагмы необходимо уменьшать до тех пор, пока отображаемая температура не будет соответствовать исходному значению. Диаметр отверстия ирисовой диафрагмы соответствует размеру измерительного поля по отношению к 98 % энергии излучения. Отношение к расстоянию измерения a дает отношение расстояний D = . Затем это измерение следует повторить для размеров измерительного поля 95 % и 90 % и сравнить результат с данными, указанными в брошюре производителя.

Это позволяет легко проверять и сравнивать фактические оптические свойства изображения, включая влияние ошибок объектива, различных устройств.

На рисунке 7, например, показаны диаметры объектов измерения для 90 % и 95 % лучистой энергии. При 90 % разница в размерах измерительного поля остается относительно небольшой: Ø 14 мм для простой оптики и Ø 10,2 мм для высококачественной оптики. Однако при 95 % (Ø 24 мм для простой оптики и Ø 11,5 мм для высококачественной оптики) показатели уже сильно отличаются. Поэтому, чтобы иметь возможность указать лучшее (меньшее) значение диаметра измерительного поля, некоторые производители предпочитают указывать значение для меньшего опорного значения излучения (например, 90 %). Таким образом, простая оптическая система кажется значительно лучше, чем она есть на самом деле.

Для пирометров с пилотным светом, видеокамерой или визированием через объектив тест также может быть использован для определения того, является ли расстояние фокуса от измерительного поля и поля зрения одинаковым и соответствует ли маркировка измерительного поля положению и размеру измерительной поверхности пирометра.

При выборе пирометров, помимо сравнения метрологических параметров, следует также внимательно изучить оптические свойства. Поскольку информация, предоставляемая некоторыми производителями в их брошюрах, к сожалению, часто бывает недостаточной, следует подробно расспросить, как определялось указанное поле измерения и учитывались ли в спецификации погрешности объектива и допуски на юстировку. Сравнение различных пирометров возможно только в том случае, если оптические характеристики и эталонные значения идентичны. В критических случаях вам следует самостоятельно проверить качество и спецификацию информации в брошюре, как описано выше, чтобы подстраховаться. В конце концов, что толку от пирометра, у которого погрешность электрических измерений значительно меньше 1 %, но, с другой стороны, использование простых линз и оптических установок приводит к значительно большим погрешностям измерений?