Безконтактно измерване на температура

Температурата на съоръжения или процеси е сред редовно проследяваните параметри в редица индустриални производства. Често, обаче, контактното и определяне е трудна, а дори и невъзможна задача. В този случай предпочитан метод е безконтактното й измерване, подходящо за определяне на температурата на малки, движещи се или недостижими обекти, на динамични процеси, изискващи бърза реакция, при измерване на температури по-високи от 1000 °С и т. н. Развитието на технологиите в областта дава възможност за избор от различни конструкции термометри, съобразно изискванията на конкретното приложение, но съответно добрият избор зависи от доброто познаване на функциите, предлагани от различните системи за измерване и на основите на технологията за безконтактно измерване. Основни фактори при избора се явяват приложната област, точността и надеждността на уреда, както и неговата цена. Принципно, методите за безконтактно измерване на температурата се базират на интегрално излъчване (радиационен метод); монохроматично излъчване (яркостен метод) и цветови метод.

Топлинно излъчване
Безконтактните методи за измерване на температура се основават на законите на топлинното излъчване на телата. Всяко тяло с температура над абсолютната нула (-273 °C), поради движението на атомите и молекулите, излъчва електромагнитна енергия. Излъчването се осъществява за сметка на преобразуването на енергията на топлинното движение на атомите и молекулите на тялото в енергия на излъчването. Топлинното излъчване има непрекъснат спектър, но интензитетът на излъчваната от телата радиация е в пряка зависимост от температурата им, т. е. с повишаване на температурата на едно тяло правопропорционално се увеличава и неговата излъчвателна способност. При сравнително ниски температури от порядък до 500 °С, обектите излъчват основно инфрачервени лъчи. С увеличаването на температурата, цветът на телата се изменя, от тъмно червен до бял, съдържащ всички вълни на видимия спектър. За най-добри източници на топлинна енергия се смятат телата, които имат свойството изцяло да поглъщат попадналите върху тях електромагнитни вълни. Тези тела се приемат за идеално черни и при термодинамично равновесие те излъчват най-интензивно.

Излъчвателна способност на телата
Излъчвателната способност на телата обикновено се дефинира като отношението на собственото излъчване на дадено тяло (повърхнина), към излъчвателната способност на абсолютно черно тяло (потокът, изпускан от абсолютно черно тяло) при същата температура. Обикновено излъчваната енергия от повърхността на телата не е една и съща при всички дължини на вълните от електромагнитния спектър. Стандартно излъчваната енергия от метални повърхности е по-голяма при по-къси дължини на вълните, а излъчването от огнеупорни материали е по-голямо при по-големи дължини на вълните. Някои материали могат да бъдат с много ниска излъчвателна способност при определена дължина на вълната и висока излъчвателна способност при по-къса или по-дълга дължина на вълната.

Принципно, излъчвателната способност на телата зависи от вида на материала, от състоянието на повърхността им и от температурата им, като може да варира от близо до нулата (за силно отразяващи огледала) до почти 1 (за абсолютно черно тяло). Тъй като излъчвателната способност на дадено тяло зависи от индивидуалните му особености, необходимо е пирометрите да се градуират по излъчването на абсолютно черно тяло. Добре да се има предвид, че уредите за безконтактно измерване са зависими от излъчвателната способност на телата, а също така че могат да отчетат само енергията, излъчвана от непрозрачни обекти. Обекти като стъкло или силиций могат да бъдат прозрачни или полупрозрачни при една дължина на вълната и непрозрачни в друга.

Редица фактори влияят върху избора на подходящ уред за измерване на температурата в дадено приложение. Физичните фактори включват диапазон на температурата, материал, размер на обекта, разстояние, околна температура. Добре е да се има предвид също, че уредите ще отчетат цялата енергия в тяхното зрително поле, съответстващи на работния им спектър. Те също така ще включат в измерването и допълнителни източници на енергия, включително отразената енергия, ако те се намират в зрителното поле.
Сред използваните в практиката уреди са оптичните пирометри, тези за спектрално отношение, радиационните пирометри и инфрачервените термометри.

Оптични пирометри
Те осигуряват лесно и точно измерване на температури в диапазона от около 600 до към 3000 °C. Принципно, оптичните пирометри измерват яркостта във видимия спектър. Съвременните конструкции оптични пирометри, обаче, позволяват измерване и на дължини на вълните в инфрачервената област.

Оптичните пирометри работят на принципа на субективното сравняване от оператор на интензивността на излъчване на обекта с интензивността на излъчване на източник, предварително градуиран по излъчването на абсолютно черно тяло. Обикновено еталонният източник се явява нажежена волфрамова жичка. Тъй като човешкото око може да види отразена енергия “блясък”, това е до известна степен по-ефективен метод при измерване на температурата на ярки обекти в сравнение с инфрачервените термометри. Принципно се използват две технологии за сравняване Едната е чрез изменение на енергийната яркост на еталонния източник при промяна на мощността на нагряване на жичката в широк обхват (фиг.1.), а другата - чрез изменение на енергийната яркост на измервания топлинен източник при преместване на сив оптичен клин като в случая мощността на нагряване на жичката трябва да бъде постоянна.

В първия случай чрез изменение на захранващия ток се получава съвпадение между яркостите на жичката и изследвания обект. Тъй като температурата на нажежаемата жичка е известна от нейното електрическо съпротивление, отчитането на температурата е или чрез измерване на тока през жичката, или чрез калибриране на температурата спрямо контролен резистор, регулиращ тока през лампата.

При оптичните пирометри, работещи с оптичен клин, оптичната система на пирометъра осигурява ясен и увеличен образ на обекта. Включеният в конструкцията на пирометъра въртящ се оптичен клин действа като неутрален филтър на плътност. Енергийната яркост на обекта, наблюдавана през оптичната система, се променя чрез завъртане на оптичния клин, докато интензивността на излъчване на обекта да съвпадне с тази на еталонния източник.

Като предимство на оптичните пирометри обикновено се посочва по-малката температурна грешка, а като недостатъци - субективността при оценка на резултатите от измерванията и липсата на възможност за записване на показанията и предаването им на разстояние. С цел да се избегне субективността при оценката на резултатите, са разработени пирометри с обективен чувствителен елемент, обикновено селективен фотоелектрически чувствителен елемент, който заменя окото.

Обхватът на измерване обикновено е с долна граница от около 650 °С, но при използването на обективен чувствителен елемент тя може да се намали до към 200 °С. Горната граница, която обикновено е до към 2500 °С, може да бъде повишена до 10 000 °С при използването на подходящи филтри и изчезваща нажежаема жичка. Обикновено, максималната стойност на температурата на нажежаване на жичката е ограничена. Например, за волфрам максималната допустима температура е 1500 °С. Посочваната точност на измерване на оптичните термометри обикновено е от порядъка на ±5 °C за температури в диапазона от 800 °C до 1300 °C и ±10 °C за температури от порядъка на 1300 °C - 2000 °C.

Пирометри за спектрално отношение
Този вид пирометри (фиг. 3) са познати още като двуцветни радиационни пирометри. Те определят яркостта на измервания обект при две различни дължини на вълните. Ако стойностите на съответните коефициенти на излъчване са достатъчно близки, измерването на температурата не зависи от абсолютната им стойност. Това се дължи на факта, че като мярка на измерваната температура се използва отношението на яркостите, а не яркостта на излъчване. Тези пирометри са познати като двуцветни, тъй като две дължини на вълните отговарят на различни цветове във видимия спектър, например червен и зелен, червен и син. Работният им диапазон обикновено е от 900 до 3000 °C и от 50 до 3700 °C. Точността на измерване е от 0,5 % до 2 %.

Радиационни пирометри
При радиационния пирометър се използва топлинно действие на пълната енергия на излъчване на обекта както във видимата, така и в невидимата част от спектъра. Ето защо тези прибори се наричат още пирометри на пълното или сумарно излъчване. Използват се различни чувствителни елементи, като сред най-често прилаганите са термобатерия или няколко последователно свързани миниатюрни термодвойки, предварително градуирани по излъчването на абсолютно черно тяло. За възприемане и фокусиране на излъчваната топлинна енергия върху чувствителния елемент се използва оптическа система. Фокусирането може да е посредством леща или със събирателно вдлъбнато огледало. Радиационните термометри се считат за подходящи при измерване на температури от 100 до 4000 °С.

Инфрачервени термометри
Инфрачервени термометри са подходящи за измерване на температурата в широк диапазон. Обхватът им на измерване е от -20 до 4000 °C. Широкият кръг от възможни приложения определя и разнообразието от конструкции и функционални възможности.

Принципно, всички инфрачервени термометри включват няколко основни елемента: оптична система за събиране на енергията, излъчена от обекта; детектор за превръщане на тази енергия в електрически сигнал; емисионна приспособимост за калибриране на термометъра в съответствие със специфичните излъчващи характеристики на обекта и компенсираща електроника на околната температура, за да се гарантира, че температурните промени вътре в термометъра, дължащи се на ефектите на околната среда, няма да повлияят върху точността. Също така е добре да се има предвид, че всички инфрачервени термометри са зависими от начина на предаване на енергията от обекта към детектора. Критични фактори за точността на измерване се явяват зрителното поле (размер на обекта и разстояние), видът на измерваната повърхност, спектралната характеристика, температурният диапазон. Влияние върху измерването оказват и времето за реакция, околната среда и други.

Инфрачервените термометри обикновено работят или в много широк, или в много тесен спектрален обхват.