Основы инфракрасного измерения температуры
Введение
Измерение температуры можно разделить на две категории: контактное и бесконтактное. На практике термопары и датчики Pt 100 являются наиболее часто используемыми представителями первой группы. Они должны касаться измеряемого объекта и, в принципе, измерять свою собственную температуру, которая адаптирована к объекту. Это приводит к относительно медленному отклику. Бесконтактные датчики измеряют инфракрасную (ИК) энергию, излучаемую объектом, имеют быстрое время отклика и часто используются для измерения движущихся объектов, а также объектов, находящихся в вакууме или недоступных по другим причинам.
Инфракрасные термометры или пирометры - это высокоразвитые датчики, получившие широкое распространение в научных исследованиях и промышленности. В данной статье в доступной форме описывается теория, на которой основан этот принцип измерения, и то, как эта теория может помочь справиться с различными специфическими параметрами, с которыми сталкиваются потенциальные пользователи.
Инфракрасные термометры или пирометры - это высокоразвитые датчики, получившие широкое распространение в научных исследованиях и промышленности. В данной статье в доступной форме описывается теория, на которой основан этот принцип измерения, и то, как эта теория может помочь справиться с различными специфическими параметрами, с которыми сталкиваются потенциальные пользователи.
Abb. 1 Электромагнитный спектр
Теория и основы
Инфракрасное излучение было открыто в 1666 году сэром Исааком Ньютоном, когда он пропустил солнечный свет через призму и разделил его на цвета радуги. В 1880 году сэр Уильям Гершель сделал следующий шаг, определив относительную энергию отдельных цветов. Он также обнаружил энергию за пределами видимого спектра. В начале 1900-х годов Планк, Стефан, Больцман, Вин и Кирхгоф дали дальнейшее определение деятельности электромагнитного спектра и установили количественные данные и уравнения для описания ИК-энергии.
Инфракрасные термометры измеряют температуру путем измерения инфракрасного излучения, испускаемого всеми материалами и объектами с температурой выше абсолютного нуля (0° Кельвина). В простейшей конструкции линза фокусирует ИК-энергию на детекторе, который преобразует ее в электрический сигнал. После компенсации температуры окружающей среды этот сигнал может быть выведен на дисплей. Такая конфигурация позволяет измерять температуру с определенного расстояния и без контакта с измеряемым объектом. Это делает инфракрасный термометр подходящим для задач измерения, в которых термопары или другие датчики не могут быть использованы или дают неточные результаты. Среди типичных примеров - измерение движущихся или очень маленьких объектов, токоведущих частей или агрессивных химических веществ, измерения в сильных электромагнитных полях, измерение объектов в вакууме или других замкнутых средах, а также приложения, где требуется быстрое время отклика.
Первые проекты инфракрасных термометров появились еще в XIX веке. Некоторые концепции были представлены Чарльзом А. Дарлингом в его книге "Пирометрия", которая была опубликована в 1911 году.
Потребовалось время до 1930 года, прежде чем появилась технология, позволяющая реализовать эти концепции на практике. С тех пор эти приборы подвергались постоянному дальнейшему развитию, в ходе которого были накоплены обширные знания и опыт применения. Сегодня эта концепция зарекомендовала себя как стандартный метод измерения и используется в промышленности и научных исследованиях.
Инфракрасные термометры измеряют температуру путем измерения инфракрасного излучения, испускаемого всеми материалами и объектами с температурой выше абсолютного нуля (0° Кельвина). В простейшей конструкции линза фокусирует ИК-энергию на детекторе, который преобразует ее в электрический сигнал. После компенсации температуры окружающей среды этот сигнал может быть выведен на дисплей. Такая конфигурация позволяет измерять температуру с определенного расстояния и без контакта с измеряемым объектом. Это делает инфракрасный термометр подходящим для задач измерения, в которых термопары или другие датчики не могут быть использованы или дают неточные результаты. Среди типичных примеров - измерение движущихся или очень маленьких объектов, токоведущих частей или агрессивных химических веществ, измерения в сильных электромагнитных полях, измерение объектов в вакууме или других замкнутых средах, а также приложения, где требуется быстрое время отклика.
Первые проекты инфракрасных термометров появились еще в XIX веке. Некоторые концепции были представлены Чарльзом А. Дарлингом в его книге "Пирометрия", которая была опубликована в 1911 году.
Потребовалось время до 1930 года, прежде чем появилась технология, позволяющая реализовать эти концепции на практике. С тех пор эти приборы подвергались постоянному дальнейшему развитию, в ходе которого были накоплены обширные знания и опыт применения. Сегодня эта концепция зарекомендовала себя как стандартный метод измерения и используется в промышленности и научных исследованиях.
Принцип измерения
Как уже говорилось, все тела с температурой выше 0°K излучают инфракрасную энергию. Инфракрасное излучение - это часть электромагнитного спектра, которая находится между видимым светом и радиоволнами. Длина волны ИК-излучения варьируется от 0,7 мкм до 1000 мкм, как показано на рисунке 1. Однако на практике для измерения температуры подходят только длины волн от 0,7 до 20 мкм из этого частотного диапазона. В настоящее время не существует детекторов, которые были бы достаточно чувствительны для измерения небольшого количества энергии, излучаемой выше длины волны 20 мкм. Энергия возрастает пропорционально четвертой мощности температуры.
Кривая (рис. 2) показывает энергию, излучаемую черным телом в диапазоне температур от 700 K до 1300 K. Как видно, большая ее часть находится за пределами видимого диапазона. ИК-излучение не воспринимается человеческим глазом, но все же полезно думать об этом излучении как о видимом свете, чтобы понять принцип действия и проблемы, возникающие при применении.
Во многих отношениях ИК-излучение действительно ведет себя как видимый свет. ИК-излучение распространяется по прямой линии от источника излучения и может отражаться или поглощаться объектами на пути луча. От большинства объектов, непрозрачных для человеческого глаза, ИК-излучение частично отражается и частично поглощается объектом. Часть поглощенной энергии отражается внутрь, а часть излучается снова. Это относится и к прозрачным для человеческого глаза объектам, таким как стекло, газы и тонкая прозрачная пластиковая пленка. Кроме того, часть излучения проникает сквозь объект. Рисунок 3 иллюстрирует эти процессы. В совокупности эти процессы дают то, что мы называем коэффициентом излучения объекта или материала.
Кривая (рис. 2) показывает энергию, излучаемую черным телом в диапазоне температур от 700 K до 1300 K. Как видно, большая ее часть находится за пределами видимого диапазона. ИК-излучение не воспринимается человеческим глазом, но все же полезно думать об этом излучении как о видимом свете, чтобы понять принцип действия и проблемы, возникающие при применении.
Во многих отношениях ИК-излучение действительно ведет себя как видимый свет. ИК-излучение распространяется по прямой линии от источника излучения и может отражаться или поглощаться объектами на пути луча. От большинства объектов, непрозрачных для человеческого глаза, ИК-излучение частично отражается и частично поглощается объектом. Часть поглощенной энергии отражается внутрь, а часть излучается снова. Это относится и к прозрачным для человеческого глаза объектам, таким как стекло, газы и тонкая прозрачная пластиковая пленка. Кроме того, часть излучения проникает сквозь объект. Рисунок 3 иллюстрирует эти процессы. В совокупности эти процессы дают то, что мы называем коэффициентом излучения объекта или материала.
Abb. 2 Радиационные свойства черных тел
Abb. 3 Теплообмен и излучение
Как и в случае с видимым светом, чем более отполирована поверхность, тем больше энергии она отражает. Поэтому обработка поверхности также влияет на коэффициент излучения. При измерении температуры это особенно важно для объектов, которые не пропускают ИК-излучение и имеют низкий коэффициент излучения. Объект из полированной нержавеющей стали имеет значительно меньший коэффициент излучения, чем тот же объект с шероховатой поверхностью. После механической обработки, например, после точения, шероховатый объект имеет множество мелких канавок и неровностей, которые значительно снижают отражательную способность заготовки.
Закон сохранения энергии гласит, что сумма коэффициентов переданной, отраженной и испущенной (поглощенной) ИК-энергии должна быть равна 1.
σλ + αλ + τλ = 1
Кроме того, коэффициент излучения равен коэффициенту поглощения:
ελ = αλ
применяется следующее:
ελ = 1 - σλ + τλ
Закон сохранения энергии гласит, что сумма коэффициентов переданной, отраженной и испущенной (поглощенной) ИК-энергии должна быть равна 1.
σλ + αλ + τλ = 1
Кроме того, коэффициент излучения равен коэффициенту поглощения:
ελ = αλ
применяется следующее:
ελ = 1 - σλ + τλ
Abb. 4 Сравнение черного тела, серого тела и разноцветных прожекторов
Коэффициент можно использовать в уравнении Планка как переменную, описывающую свойства поверхности относительно длины волны. Для непрозрачных объектов уравнение можно упростить следующим образом:
ελ = 1 - σλ
Объекты, которые не отражают и не пропускают инфракрасное излучение, называются черными телами. Естественное черное тело не известно. В теоретических целях и для расчетов других объектов черное тело имеет коэффициент излучения 1,0. На практике наилучшее приближение к истинному черному телу достигается при использовании ИК-непроницаемой сферы с небольшим цилиндрическим входным отверстием. Внутренняя поверхность такого объекта имеет коэффициент излучения 0,998.
Коэффициент излучения - это мера отношения теплового излучения, испускаемого серым телом и черным телом при одинаковой температуре. Серое тело - это объект, который имеет одинаковый коэффициент излучения на всех длинах волн и испускает меньше инфракрасного излучения, чем черное тело. Излучатель Бунда - это объект, коэффициент излучения которого изменяется в зависимости от длины волны, как, например, у металлов.
ελ = 1 - σλ
Объекты, которые не отражают и не пропускают инфракрасное излучение, называются черными телами. Естественное черное тело не известно. В теоретических целях и для расчетов других объектов черное тело имеет коэффициент излучения 1,0. На практике наилучшее приближение к истинному черному телу достигается при использовании ИК-непроницаемой сферы с небольшим цилиндрическим входным отверстием. Внутренняя поверхность такого объекта имеет коэффициент излучения 0,998.
Коэффициент излучения - это мера отношения теплового излучения, испускаемого серым телом и черным телом при одинаковой температуре. Серое тело - это объект, который имеет одинаковый коэффициент излучения на всех длинах волн и испускает меньше инфракрасного излучения, чем черное тело. Излучатель Бунда - это объект, коэффициент излучения которого изменяется в зависимости от длины волны, как, например, у металлов.
Различные материалы также имеют разные коэффициенты излучения и, следовательно, испускают ИК-излучение с разной интенсивностью при заданной температуре. Обычно это не зависит от цвета, если только материал краски не отличается от материала объекта. Примером такого случая может служить краска с металлическим эффектом, содержащая большое количество алюминиевых частиц. Большинство красок имеют одинаковый коэффициент эмиссии, не зависящий от цветового тона. Алюминий же имеет совсем другой коэффициент эмиссии, что приводит к другому коэффициенту эмиссии для краски с металлическим эффектом.
Помимо состава и структуры поверхности объекта, третий фактор оказывает косвенное влияние на коэффициент эмиссии: спектральный диапазон датчика. Он не оказывает прямого влияния на объект, но влияет на то, как датчик воспринимает спектр, излучаемый объектом.
Частично прозрачные материалы, такие как стекло, пластик или силикон, могут быть измерены в определенном диапазоне в сочетании с соответствующими селективными фильтрами.
Помимо состава и структуры поверхности объекта, третий фактор оказывает косвенное влияние на коэффициент эмиссии: спектральный диапазон датчика. Он не оказывает прямого влияния на объект, но влияет на то, как датчик воспринимает спектр, излучаемый объектом.
Частично прозрачные материалы, такие как стекло, пластик или силикон, могут быть измерены в определенном диапазоне в сочетании с соответствующими селективными фильтрами.
Abb. 5 Коэффициент эмиссии различных материалов в зависимости от длины волны
Из предыдущих параграфов стало ясно, что коэффициент излучения является особенно важным параметром при измерении температуры в инфракрасном диапазоне. Если коэффициент излучения измеряемого объекта точно не известен и не учитывается при измерении, то очень маловероятно, что полученные значения будут точными. Существует два способа определения коэффициента излучения. Либо коэффициент эмиссии можно взять из таблиц, либо определить путем сравнительного измерения. Однако, поскольку данные в таблицах обычно определяются в идеализированных лабораторных условиях, влияние окружающей среды, которое вызывает огромные отклонения, особенно при низких коэффициентах, не учитывается. В таблицах также не указаны температура и длина волны измерения. В качестве первого приближения табличные значения, конечно, очень полезны. Для сравнительного измерения объект измерения измеряется термопарой или другим датчиком температуры, чтобы впоследствии установить коэффициент излучения на ИК-термометре таким образом, чтобы он показывал ту же температуру. Как правило, большинство непрозрачных неметаллических материалов имеют высокий и относительно стабильный коэффициент эмиссии от 0,85 до 0,95. Для большинства неокисленных металлических материалов коэффициент эмиссии находится в диапазоне от 0,2 до 0,5, за исключением золота, серебра и алюминия, которые имеют еще более низкий коэффициент эмиссии. Поэтому температуру этих металлов трудно измерить инфракрасными термометрами, так как отражающая составляющая окружающего излучения имеет тот же порядок величины или выше, чем излучение объекта.
Хотя почти всегда можно определить коэффициент излучения материала, проблемы возникают, когда материал не имеет постоянного коэффициента излучения, а изменяется с температурой. Это относится к большинству металлов, а также к некоторым другим материалам, таким как кремний или высокочистая монокристаллическая керамика. В этом случае сравнительное измерение и регулировка должны проводиться при критической для процесса температуре.
Уравнения и формулы, на которых основано измерение температуры, давно известны и проверены. Маловероятно, что пользователю придется использовать эти формулы в своей повседневной работе с ИК-термометрами. Однако знание этих основ позволяет лучше понять, как те или иные переменные и параметры влияют друг на друга. Наиболее важные формулы приведены в кратком виде:
1. Закон излучения Кирхгофа
Для данной температуры T и длины волны l излучательная способность e равна поглощательной способности
e = α
Из этого следует, что лучистый поток øλ реального объекта равен потоку излучения черного тела øs при той же температуре, умноженному на излучательную способность объекта
øλ = ε * øs
2. Закон Стефана-Больцмана
Чем больше температура T объекта, тем больше излучаемая мощность P для данной излучательной способности ε и излучающей поверхности A (k = постоянная)
P = k*ε*A*T4
3. Закон смещения Вина
Длина волны, на которой находится максимум энергии излучения, с увеличением температуры смещается в коротковолновый диапазон.
λmax = 2,89 * 103 мкмК/Т
4. Уравнение Планка
Это уравнение описывает связь между длиной волны, температурой T и мощностью излучения
Хотя почти всегда можно определить коэффициент излучения материала, проблемы возникают, когда материал не имеет постоянного коэффициента излучения, а изменяется с температурой. Это относится к большинству металлов, а также к некоторым другим материалам, таким как кремний или высокочистая монокристаллическая керамика. В этом случае сравнительное измерение и регулировка должны проводиться при критической для процесса температуре.
Уравнения и формулы, на которых основано измерение температуры, давно известны и проверены. Маловероятно, что пользователю придется использовать эти формулы в своей повседневной работе с ИК-термометрами. Однако знание этих основ позволяет лучше понять, как те или иные переменные и параметры влияют друг на друга. Наиболее важные формулы приведены в кратком виде:
1. Закон излучения Кирхгофа
Для данной температуры T и длины волны l излучательная способность e равна поглощательной способности
e = α
Из этого следует, что лучистый поток øλ реального объекта равен потоку излучения черного тела øs при той же температуре, умноженному на излучательную способность объекта
øλ = ε * øs
2. Закон Стефана-Больцмана
Чем больше температура T объекта, тем больше излучаемая мощность P для данной излучательной способности ε и излучающей поверхности A (k = постоянная)
P = k*ε*A*T4
3. Закон смещения Вина
Длина волны, на которой находится максимум энергии излучения, с увеличением температуры смещается в коротковолновый диапазон.
λmax = 2,89 * 103 мкмК/Т
4. Уравнение Планка
Это уравнение описывает связь между длиной волны, температурой T и мощностью излучения
Концепция инфракрасных термометров
Инфракрасный термометр состоит из следующих функциональных блоков:
1. Линза, фокусирующая энергию, излучаемую объектом.
2. Детектор, преобразующий лучистую энергию в электрический сигнал.
3. Настройка коэффициента излучения для соответствия термометра свойствам измеряемого объекта.
4.Компенсация температуры окружающей среды, которая предотвращает включение температуры термометра в выходной сигнал.
В течение многих лет большинство коммерчески доступных ИК-термометров следовали этой концепции. Они были ограничены в применении и, оглядываясь назад, не обеспечивали удовлетворительных результатов измерений. Однако по стандартам того времени они были вполне адекватными и очень надежными.
1. Линза, фокусирующая энергию, излучаемую объектом.
2. Детектор, преобразующий лучистую энергию в электрический сигнал.
3. Настройка коэффициента излучения для соответствия термометра свойствам измеряемого объекта.
4.Компенсация температуры окружающей среды, которая предотвращает включение температуры термометра в выходной сигнал.
В течение многих лет большинство коммерчески доступных ИК-термометров следовали этой концепции. Они были ограничены в применении и, оглядываясь назад, не обеспечивали удовлетворительных результатов измерений. Однако по стандартам того времени они были вполне адекватными и очень надежными.
Abb. 6 Блок-схема ИК-термометра
Современные ИК-термометры основаны на этой базовой концепции, но со временем были значительно усовершенствованы. Наиболее важными отличиями являются использование различных типов детекторов, селективная фильтрация ИК-сигнала, линеаризация и усиление сигнала детектора, а также стандартизированные выходные сигналы температуры, такие как 4-20 мА или 0-10 В постоянного тока. На рисунке 6 показана блок-схема современного инфракрасного пирометра.
Вероятно, наиболее значительный прогресс в измерении температуры с помощью ИК-излучения был достигнут с появлением селективных фильтров для ИК-излучения. Это позволило использовать более чувствительные детекторы и более стабильные усилители сигнала. Если в ранних ИК-термометрах для получения полезного выходного сигнала детектора требовался широкий ИК-спектр, то для современных детекторов вполне достаточно полосы пропускания в 1 мкм и более. Необходимость сужения спектра и выбора определенных длин волн обусловлена тем, что часто необходимо проводить измерения через среду, температура которой не должна учитываться при измерении из-за содержания углерода или водорода. Кроме того, иногда необходимо измерять температуру объектов или газов, которые проницаемы в широком диапазоне ИК-спектра. Некоторые примеры избирательного ограничения спектра:
- 8 - 14 мкм: Влияние влажности также исключается на больших расстояниях.
- 7,9 мкм: позволяет измерять тонкие пластиковые пленки, которые пропускают ИК-излучение на большой площади.
- 3,86 мкм: эффективно подавляются помехи от CO2 и водяного пара в пламени и выхлопных газах при горении.
Вероятно, наиболее значительный прогресс в измерении температуры с помощью ИК-излучения был достигнут с появлением селективных фильтров для ИК-излучения. Это позволило использовать более чувствительные детекторы и более стабильные усилители сигнала. Если в ранних ИК-термометрах для получения полезного выходного сигнала детектора требовался широкий ИК-спектр, то для современных детекторов вполне достаточно полосы пропускания в 1 мкм и более. Необходимость сужения спектра и выбора определенных длин волн обусловлена тем, что часто необходимо проводить измерения через среду, температура которой не должна учитываться при измерении из-за содержания углерода или водорода. Кроме того, иногда необходимо измерять температуру объектов или газов, которые проницаемы в широком диапазоне ИК-спектра. Некоторые примеры избирательного ограничения спектра:
- 8 - 14 мкм: Влияние влажности также исключается на больших расстояниях.
- 7,9 мкм: позволяет измерять тонкие пластиковые пленки, которые пропускают ИК-излучение на большой площади.
- 3,86 мкм: эффективно подавляются помехи от CO2 и водяного пара в пламени и выхлопных газах при горении.
Температурный диапазон играет важную роль в выборе наиболее подходящей длины волны для измерения. Уравнение Планка показывает, как показано на рис. 2 для черного тела, что максимум кривой излучения смещается в сторону коротковолнового диапазона с увеличением температуры. Даже в тех случаях, когда не требуется избирательный выбор спектрального диапазона, может быть выгодно ограничить спектральный диапазон как можно более узким участком коротких волн. Одно из преимуществ заключается в том, что эффективный коэффициент излучения многих объектов наиболее высок для металлов с более короткими длинами волн. Кроме того, это ограничение благоприятно сказывается на точности, поскольку на датчики с узким спектральным диапазоном меньше влияют изменения коэффициента излучения измеряемого объекта, как видно на рисунке 7.
Abb. 7 Abhängigkeit des fehlingestellten Emissionsgrades bei unterschiedlichen Wellenlängen
Конструктивный дизайн
ИК-термометры выпускаются в различных конфигурациях, отличающихся оптикой, электроникой, технологией, размерами и корпусом. Однако общим является цепочка обработки сигнала, которая начинается с ИК-сигнала и заканчивается электронным выходным сигналом. Эта общая измерительная цепочка начинается с оптической системы, состоящей из линз и/или оптических волокон, фильтров и детектора.
С точки зрения применения, поле зрения - это важнейшая характеристика оптики, т.е. насколько большим будет пятно измерения на заданном расстоянии. Отношение расстояния измерения к диаметру пятна измерения описывается коэффициентом расстояния. На практике можно выбирать между пирометрами с фиксированным фокусным расстоянием и фокусируемой оптикой. Приборы с фиксированной оптикой фокусируются только на объекте в точке фокусировки. На других расстояниях диаметр пятна измерения увеличивается непропорционально расчетному отношению расстояний. Такая оптика подходит в основном для крупных объектов. Для небольших объектов или больших расстояний рекомендуется использовать оптику с фокусировкой. Благодаря возможности регулировки расстояния измерения пирометры с фокусируемой оптикой можно использовать гораздо более гибко.
При определении и сравнении диаметра измерительного пятна важно знать, к какому проценту мощности излучения относится спецификация. Например, измерительное пятно, рассчитанное на 98 % энергии, в два раза больше, чем диаметр, рассчитанный на 90 % мощности. Это может привести к значительным погрешностям измерений, особенно при использовании небольших мишеней того же размера, что и измерительное пятно пирометра.
Еще одним аспектом оптики является наведение на цель. В устройствах без прицельного приспособления линза крепится к поверхности и измеряет температуру поверхности. Это относится прежде всего к стационарным датчикам, которые нацелены на достаточно крупные объекты и где не требуется точное измерение. Для небольших объектов или приборов, измеряющих на больших расстояниях, необходимо прицельное приспособление в виде оптики через линзу, светового пятна или лазерного луча.
Чувствительность пирометра определяется использованием нескольких различных детекторов и фильтров. Как видно из рис. 8, наибольшей чувствительностью обладают детекторы на основе сульфида свинца, а наименьшей - термобатареи. Большинство детекторов работают либо по фотоэлектрическому принципу (падающее ИК-излучение вызывает сигнал напряжения), либо на основе фотопроводимости (падающее ИК-излучение изменяет сопротивление).
Из-за низкой энергии излучения при низких температурах требуются соответственно широкополосные спектральные диапазоны и, соответственно, большие длины измерительных волн. При более высоких температурах чувствительность значительно снижается с помощью узкополосных фильтров. Это минимизирует помехи, зависящие от длины волны.
С точки зрения применения, поле зрения - это важнейшая характеристика оптики, т.е. насколько большим будет пятно измерения на заданном расстоянии. Отношение расстояния измерения к диаметру пятна измерения описывается коэффициентом расстояния. На практике можно выбирать между пирометрами с фиксированным фокусным расстоянием и фокусируемой оптикой. Приборы с фиксированной оптикой фокусируются только на объекте в точке фокусировки. На других расстояниях диаметр пятна измерения увеличивается непропорционально расчетному отношению расстояний. Такая оптика подходит в основном для крупных объектов. Для небольших объектов или больших расстояний рекомендуется использовать оптику с фокусировкой. Благодаря возможности регулировки расстояния измерения пирометры с фокусируемой оптикой можно использовать гораздо более гибко.
При определении и сравнении диаметра измерительного пятна важно знать, к какому проценту мощности излучения относится спецификация. Например, измерительное пятно, рассчитанное на 98 % энергии, в два раза больше, чем диаметр, рассчитанный на 90 % мощности. Это может привести к значительным погрешностям измерений, особенно при использовании небольших мишеней того же размера, что и измерительное пятно пирометра.
Еще одним аспектом оптики является наведение на цель. В устройствах без прицельного приспособления линза крепится к поверхности и измеряет температуру поверхности. Это относится прежде всего к стационарным датчикам, которые нацелены на достаточно крупные объекты и где не требуется точное измерение. Для небольших объектов или приборов, измеряющих на больших расстояниях, необходимо прицельное приспособление в виде оптики через линзу, светового пятна или лазерного луча.
Чувствительность пирометра определяется использованием нескольких различных детекторов и фильтров. Как видно из рис. 8, наибольшей чувствительностью обладают детекторы на основе сульфида свинца, а наименьшей - термобатареи. Большинство детекторов работают либо по фотоэлектрическому принципу (падающее ИК-излучение вызывает сигнал напряжения), либо на основе фотопроводимости (падающее ИК-излучение изменяет сопротивление).
Из-за низкой энергии излучения при низких температурах требуются соответственно широкополосные спектральные диапазоны и, соответственно, большие длины измерительных волн. При более высоких температурах чувствительность значительно снижается с помощью узкополосных фильтров. Это минимизирует помехи, зависящие от длины волны.
Для оптимизации реакции систем ИК-датчиков необходимо учитывать спектральную кривую детектора и его характеристики.
Электроника ИК-термометра линеаризует выходной сигнал детектора, чтобы в итоге сформировать линейный сигнал тока 0 (4) - 20 мА или напряжения 0 (2) - 10 В. В настоящее время линеаризация часто выполняется программно с помощью микропроцессора.
Это позволяет достичь большей точности при больших диапазонах измерений по сравнению с аналоговой линеаризацией.
Сигнал также может быть оцифрован и выведен на интерфейс или подан на контроллер, индикатор или самописец. В зависимости от конфигурации ИК-термометры имеют дополнительные функции, такие как сигнализация, регулируемая память мин/макс для прерывистых измерений, регулируемые интервалы измерения и время отклика, а также функции выборки и удержания.
Как уже упоминалось в начале, преимуществом бесконтактного измерения температуры является короткое время отклика. Термоэлектрические детекторы для низкотемпературных устройств достигают времени отклика 30 мс. Фотоэлектрические высокотемпературные датчики имеют время отклика 2 мс.
Если в приложении используется датчик с быстрым временем отклика, другие компоненты контура управления также должны обеспечивать соответствующую скорость обработки или приведения в действие.
Электроника ИК-термометра линеаризует выходной сигнал детектора, чтобы в итоге сформировать линейный сигнал тока 0 (4) - 20 мА или напряжения 0 (2) - 10 В. В настоящее время линеаризация часто выполняется программно с помощью микропроцессора.
Это позволяет достичь большей точности при больших диапазонах измерений по сравнению с аналоговой линеаризацией.
Сигнал также может быть оцифрован и выведен на интерфейс или подан на контроллер, индикатор или самописец. В зависимости от конфигурации ИК-термометры имеют дополнительные функции, такие как сигнализация, регулируемая память мин/макс для прерывистых измерений, регулируемые интервалы измерения и время отклика, а также функции выборки и удержания.
Как уже упоминалось в начале, преимуществом бесконтактного измерения температуры является короткое время отклика. Термоэлектрические детекторы для низкотемпературных устройств достигают времени отклика 30 мс. Фотоэлектрические высокотемпературные датчики имеют время отклика 2 мс.
Если в приложении используется датчик с быстрым временем отклика, другие компоненты контура управления также должны обеспечивать соответствующую скорость обработки или приведения в действие.
Abb. 8 Спектральная кривая различных датчиков
Монохроматическое измерение: измерение температуры на одной длине волны
Одноволновое измерение температуры измеряет энергию, излучаемую поверхностью при определенной длине волны. Конструкции этих приборов варьируются от портативных зондов с простым внешним дисплеем до сложных портативных приборов, в которых температура отображается в смотровом окне, через которое фокусируется объект. Также доступны функции памяти и печати. Спектр стационарных онлайн-датчиков варьируется от простых небольших детекторов с внешней электроникой до надежных и сложных узлов со встроенными ПИД-регуляторами. Волоконная оптика, прозрачная оптика, лазерные прицельные устройства, водяное охлаждение и сканерные системы - вот варианты, которые используются для мониторинга и управления технологическими процессами. В последнее время пирометры предлагаются даже со встроенной видеокамерой, что позволяет не только проводить измерения, но и визуально наблюдать за точкой измерения из диспетчерской. Существуют значительные различия в размерах, производительности, надежности, гибкости и обработке сигнала.
При планировании и разработке приложений конфигурация датчика, фильтры, температурный диапазон, оптика, время отклика и коэффициент излучения являются важными критериями, которые должны быть подробно рассмотрены.
Выбор ИК-спектрального диапазона и температурного диапазона всегда должен рассматриваться в сочетании с конкретным применением. Из спектральных кривых, показанных на рис. 2, видно, что короткие длины волн лучше подходят для высоких температур, в то время как низкие температуры следует измерять в более длинноволновом диапазоне. Если измерению подлежат прозрачные объекты, такие как стекло или пластиковые пленки, необходим узкополосный селективный фильтр. Полиэтиленовая пленка, например, имеет диапазон поглощения CH 3,43 мкм, при котором она непроницаема для ИК-излучения. Аналогично, многие стеклоподобные материалы имеют непрозрачный диапазон около 5 мкм. И наоборот, датчик с фильтром в диапазоне до 2 мкм позволяет проводить измерения через стеклянное окно, например, в вакуумных камерах или камерах давления. Другой вариант измерения в камерах с ограниченными точками измерения или высокой температурой окружающей среды - использование волоконно-оптических кабелей.
Измерение ИК-температуры с помощью одной длины волны - это универсальная, но простая технология, достаточная для многих применений, в которых контроль температуры продукта необходим для обеспечения стабильного качества продукции.
При планировании и разработке приложений конфигурация датчика, фильтры, температурный диапазон, оптика, время отклика и коэффициент излучения являются важными критериями, которые должны быть подробно рассмотрены.
Выбор ИК-спектрального диапазона и температурного диапазона всегда должен рассматриваться в сочетании с конкретным применением. Из спектральных кривых, показанных на рис. 2, видно, что короткие длины волн лучше подходят для высоких температур, в то время как низкие температуры следует измерять в более длинноволновом диапазоне. Если измерению подлежат прозрачные объекты, такие как стекло или пластиковые пленки, необходим узкополосный селективный фильтр. Полиэтиленовая пленка, например, имеет диапазон поглощения CH 3,43 мкм, при котором она непроницаема для ИК-излучения. Аналогично, многие стеклоподобные материалы имеют непрозрачный диапазон около 5 мкм. И наоборот, датчик с фильтром в диапазоне до 2 мкм позволяет проводить измерения через стеклянное окно, например, в вакуумных камерах или камерах давления. Другой вариант измерения в камерах с ограниченными точками измерения или высокой температурой окружающей среды - использование волоконно-оптических кабелей.
Измерение ИК-температуры с помощью одной длины волны - это универсальная, но простая технология, достаточная для многих применений, в которых контроль температуры продукта необходим для обеспечения стабильного качества продукции.
Измерение соотношения: измерение температуры на двух или более длинах волн
Учитывая, что коэффициент излучения играет важную роль в точном измерении температуры инфракрасными термометрами или наличие промежуточных сред на пути луча, неудивительно, что исследователи стремятся разработать датчики, способные измерять температуру независимо от этих помех. Распространенным и проверенным подходом к этому является измерение соотношения или многоцветное измерение. Этот метод измеряет соотношение энергии на двух различных длинах волн, а не абсолютное количество энергии на одной длине волны. Слово "многоцветное измерение" происходит от старой идеи сочетания видимых цветов с температурой. Эта идея, а значит и термин, уже несколько устарели, но все еще широко используются.
Эффективность этой концепции основана на том, что изменения свойств поверхности объекта измерения или препятствия, расположенные в конусе зрения объекта измерения, воспринимаются обоими детекторами одинаково. Поэтому соотношение между выходными сигналами датчиков остается неизменным, как и измеряемая температура. На рис. 9 показана упрощенная иллюстрация пирометра, работающего по этому принципу.
Эффективность этой концепции основана на том, что изменения свойств поверхности объекта измерения или препятствия, расположенные в конусе зрения объекта измерения, воспринимаются обоими детекторами одинаково. Поэтому соотношение между выходными сигналами датчиков остается неизменным, как и измеряемая температура. На рис. 9 показана упрощенная иллюстрация пирометра, работающего по этому принципу.
Abb. 9 Verhältnismessung
Измеряя отношение, а не абсолютное значение, можно избежать неточностей, вызванных неизвестным или изменяющимся коэффициентом излучения в условиях, описанных выше. Температура также измеряется правильно, если часть поля зрения закрыта более холодными материалами, такими как пыль, пар, светильники или окна.
Пока среда между объектом и датчиком не ослабляет определенные длины волн, отношение остается постоянным, а значит, и температура, измеряемая термометром, также остается постоянной.
Поэтому этот метод подходит для задач, которые трудно или невозможно решить с помощью других методов измерения, например, измерение температуры в цементных печах или измерение через окно, которое запотевает во время процесса, как в случае вакуумной плавки металлов. Однако следует отметить, что эти динамические изменения должны одинаково восприниматься обоими датчиками, т.е. изменения должны одинаково влиять на все длины волн.
Конечно, у этого метода есть и ограничения, которые необходимо учитывать. Измерение соотношения не подходит для цветных излучателей, таких как алюминий. Кроме того, его нельзя использовать для измерения через окна с изменяющимся пропусканием или горячий пирекс. Кроме того, этот метод имеет тенденцию регистрировать и измерять фоновые температуры, если они выше температуры измеряемого объекта.
Пока среда между объектом и датчиком не ослабляет определенные длины волн, отношение остается постоянным, а значит, и температура, измеряемая термометром, также остается постоянной.
Поэтому этот метод подходит для задач, которые трудно или невозможно решить с помощью других методов измерения, например, измерение температуры в цементных печах или измерение через окно, которое запотевает во время процесса, как в случае вакуумной плавки металлов. Однако следует отметить, что эти динамические изменения должны одинаково восприниматься обоими датчиками, т.е. изменения должны одинаково влиять на все длины волн.
Конечно, у этого метода есть и ограничения, которые необходимо учитывать. Измерение соотношения не подходит для цветных излучателей, таких как алюминий. Кроме того, его нельзя использовать для измерения через окна с изменяющимся пропусканием или горячий пирекс. Кроме того, этот метод имеет тенденцию регистрировать и измерять фоновые температуры, если они выше температуры измеряемого объекта.
На рисунке 10 показан пример различных продуктов, коэффициент выбросов которых изменяется в зависимости от температуры. Например, часто предполагается, что графит имеет высокий и постоянный коэффициент эмиссии. На самом деле все наоборот - коэффициент эмиссии увеличивается с 0,4 до 0,65 в диапазоне от 20°C до 1100°C.
Для цветных излучателей, коэффициент эмиссии которых меняется в зависимости от длины волны, существуют многоцветные термометры, измеряющие энергию целого диапазона длин волн. Такому применению предшествует детальный анализ свойств поверхности соответствующего продукта. Необходимо проанализировать взаимосвязь между коэффициентом эмиссии, температурой, длиной волны и химическим составом поверхности. Эти данные могут быть использованы для создания алгоритмов, позволяющих значимо связать излучение на разных длинах волн с температурой.
Если в поле зрения попадает среда, размер частиц которой соответствует одной из длин волн, используемых для измерения, соотношение также искажается.
Несмотря на эти ограничения, измерение соотношения работает чрезвычайно хорошо в ряде приложений. В некоторых приложениях этот метод является лучшим, если не единственным разумным решением для измерения температуры.
Для цветных излучателей, коэффициент эмиссии которых меняется в зависимости от длины волны, существуют многоцветные термометры, измеряющие энергию целого диапазона длин волн. Такому применению предшествует детальный анализ свойств поверхности соответствующего продукта. Необходимо проанализировать взаимосвязь между коэффициентом эмиссии, температурой, длиной волны и химическим составом поверхности. Эти данные могут быть использованы для создания алгоритмов, позволяющих значимо связать излучение на разных длинах волн с температурой.
Если в поле зрения попадает среда, размер частиц которой соответствует одной из длин волн, используемых для измерения, соотношение также искажается.
Несмотря на эти ограничения, измерение соотношения работает чрезвычайно хорошо в ряде приложений. В некоторых приложениях этот метод является лучшим, если не единственным разумным решением для измерения температуры.
Abb. 10 Для многих материалов коэффициент эмиссии меняется с температурой. На этом рисунке показаны некоторые распространенные материалы.
Резюме
На рисунке 11 еще раз показаны основные элементы приложения. Наиболее важным аспектом здесь является поверхность измеряемого объекта. При выборе подходящего прибора необходимо учитывать размер измеряемого объекта, температурный диапазон, коэффициент излучения, спектральную чувствительность и время отклика.
Кроме того, при выборе подходящего прибора необходимо учитывать условия окружающей среды, например, наличие пламени, ИК-нагревателей, индукционных печей, а также характер атмосферы (пыль, загрязненные окна, дым, жара и т. д.).
Кроме того, при выборе подходящего прибора необходимо учитывать условия окружающей среды, например, наличие пламени, ИК-нагревателей, индукционных печей, а также характер атмосферы (пыль, загрязненные окна, дым, жара и т. д.).
Abb. 11 Störeinflüsse
Инфракрасное измерение температуры - это зрелая технология, которая постоянно оптимизируется и адаптируется для новых применений. Она ежедневно доказывает свою эффективность в самых разных отраслях промышленности, а также в научных исследованиях. При правильном понимании технологии и учете всех соответствующих параметров применения этот метод измерения, как правило, дает желаемые результаты при условии тщательной установки прибора. Аккуратность в данном контексте означает, что датчик работает в пределах своих технических характеристик и что были приняты достаточные меры предосторожности для защиты оптики от загрязнений и отложений.
Поэтому одним из критериев при выборе производителя термометров должно быть наличие защитных и монтажных аксессуаров. Также следует учитывать, насколько эти аксессуары позволяют быстро снять и при необходимости заменить датчик. При соблюдении этих рекомендаций современные инфракрасные термометры часто работают более надежно, чем датчики с термопарой или Pt100.
Поэтому одним из критериев при выборе производителя термометров должно быть наличие защитных и монтажных аксессуаров. Также следует учитывать, насколько эти аксессуары позволяют быстро снять и при необходимости заменить датчик. При соблюдении этих рекомендаций современные инфракрасные термометры часто работают более надежно, чем датчики с термопарой или Pt100.