Монохроматический пирометр гарантирует точное измерение температуры
Точное измерение температуры в производственных условиях требует, чтобы был в наличии специализированный пирометр, в особенности, если необходимо провести измерение высоких температур с нижней границей в несколько сотен градусов.
Контактное измерение высоких температур не всегда приемлемо, в первую очередь из-за не безопасности для производственного персонала. Вторая причина – измерение температуры раскаленных до 1000-3000 градусов заготовок термопарой достаточно сложный и дорогой метод.
Дистанционные измерения температуры традиционно ассоциируются с применением инфракрасного пирометра, но серьезные ограничения, связанные с подбором коэффициента излучения, влиянием среды между ИК линзой и исследуемым предметом, не всегда позволяет провести точное измерение температуры, от чего зависит соответствие нормам технологического процесса, стандарты готовой продукции, конкурентоспособность на рынке и финансовый результат компании.
Несмотря на столь “волшебное” название, оригинальное измерение высоких температур базируется на простых и понятных принципах, связанных с зависимостью яркости от температуры, что можно визуально наблюдать.
Монохроматический принцип при яркостном методе измерения температуры
Приведем две аналогии. Если взять плоскогубцами металлический гвоздь и начать нагревать в пламени горелки, ближайшая к огню часть постепенно с нагревом становится сначала оранжевой, потом желтой, и белой.
Также и солнечная поверхность не однородна и солнечные пятна, более темные отличаются пониженной температурой, соответственно светлые – более горячие.
Сделаем 2 вывода.
- Чем ярче светит нагретый объект, тем выше его температура. Наряду с возрастающей яркостью, растет и уровень ИК излучения.
- Подобный принцип начинает работать приблизительно с 500°С. При более низком показателе, тело просто не светится в видимом глазом оптическом интервале.
Это наиболее важное ограничение, хотя таковым его можно считать весьма условно. Просто сферу действия дистанционный оптический пирометр имеет более узкую, он полноправный хозяин в “высокотемпературной” области.
Зато для бесконтактного измерения температуры начиная даже с минусового диапазона выгодно применить инфракрасный пирометр, поскольку ИК излучение испускается телом в идеале начиная с показателя выше температуры абсолютного нуля, когда начинается тепловое движение атомов.
Рассмотрим измерение высоких температуры на примере уже отмеченного нами разогретого гвоздя.
Сам показатель яркости не может помочь провести точное измерение температуры. Максимум, чем мы можем оперировать: оценочными понятиями – ”светлее - горячее”, ”темнее -холоднее”.
Если в быту этим можно и ограничиться, то на производстве необходимо абсолютно точно знать, на сколько градусов нагрет металлический слиток, произведенный при непрерывной разливке заготовок или твердосплавная напайка на токарном резце при термообработке.
✓ Вывод 3. Потребуется плавно или дискретно, но главное - точно менять градации яркости.
✓ Вывод 4. После получения набора градаций яркости потребуется шкала для перевода значений в градусы.
Чтобы сделать следующий шаг к пониманию принципа измерения температуры методом сравнения яркостей, заметим, что нагрев можно осуществлять не только открытым огнем, но и электрическим током, сила которого будет соответствовать яркости.
Принцип измерения высоких температур
Монохроматический или одноцветный пирометр сравнивает яркости двух тел:
- измеряемого объекта;
- эталонного источника света.
В качестве эталона выступает нить, знакомая нам по лампе накаливания.
Следует отметить, что оптические появились раньше инфракрасных, и успешно выдержали конкуренцию на протяжении десятилетий. Их стихия - измерение высоких температур.
Постепенно с ростом уровня технологий угольная нить сменилась на вольфрамовую, но метод остался неизменным.
Яркость нити зависит от силы пропускаемого тока, что легко наблюдать на светильниках с регулятором. При минимально подаваемом напряжении нить еле светится, и цвет смещается в оранжевую часть спектра.
Следовательно, ничто не мешает сделать прототип примитивного яркостного пирометра прямо в домашних условиях каждому, кто хоть немного знаком с радиоэлектроникой. Впрочем, даже этого не нужно, если уметь подсоединить два проводка, иметь в наличии амперметр и строго соблюдать правила техники безопасности.
Включив мультиметр в разрыв провода, питающего лампу и вращая регулятор яркости светильника, можно последовательно фиксировать значение тока и показатель яркости.
Проблема в том, что нашего словарного запаса не хватит, чтобы описать хотя бы десяток градаций, а нужно как минимум несколько сотен или даже тысяч, если мы хотим проводить точное измерение температуры с дискретностью до 1-го градуса.
Такие самоделки помогут понять, как провести измерение высоких температур, но не пригодны для практического применения по следующим причинам.
| 1 | Мы нашли зависимость между яркостью и силой тока, но не сделали следующий, логичный шаг к установлению однозначной связи каждого значения яркости и температуры |
|---|---|
| 2 | Замерять яркость самой нити бессмысленно, ведь нужны данные температуры любого произвольного объекта, а не самой лампы. Раскаленная нить - всего лишь инструмент для сравнительного анализа |
Кстати, если вспомнить нагрев гвоздя в пламени горящего газа, при желании тоже можно установить зависимость между углом поворота рукоятки, увеличивающей количество подаваемого газа и яркостью и зафиксировать данные в таблице. Разумеется, расстояние между нагреваемым гвоздем и пламенем должно оставаться неизменным. В противном случае придется учитывать еще и расстояние, что усложнит построение зависимостей.
Как "исчезает" нить
Теперь рассмотрим как технически организовано измерение высоких температур, и разберемся каким образом “пропадает” накальная нить.
Глаз получает визуальную информацию о яркости через объектив, фокусирующий изображение нити накаливания на фоне светового пятна от нагретого объекта.
Светофильтр служит для сужения спектра воспринимаемого сигнала и уменьшения интенсивности, чтобы не повредить органы зрения.
Плавно меняя реостатом силу тока, через нить накаливания, визуально контролируя, добиваемся, чтобы цвет нити накаливания сравнялся с цветом выбранной для бесконтактных измерений части поверхности предмета. Предположим, что проводится измерение температуры плоскости раскаленной металлической заготовки, наблюдаемой как белое пятно.
- При слабой силе тока, нить светится красным цветом (рис.1).
- По мере увеличения тока, нить постепенно раскаляется до белого цвета и становится не видимой на белом опять же фоне (рис. 2).
На самом деле физически она никуда не исчезает и появится вновь после уменьшения силы тока. Но принцип измерения состоит как раз в визуальном исчезновении, в этот момент и производится точное измерение температуры.
Если это произошло, дальнейший пересчет вопрос чисто технический по показаниям встроенного в цепь питания лампы миллиамперметра. Последний измерительный прибор может быть непосредственно отградуирован в градусах Цельсия/Фаренгейта.
Отметим важное преимущество яркостных, в отличие от инфракрасных – в разы сниженное влияние помех, связанных с неверно настроенным коэффициентом увеличения, влияние температуры окружающей среды, включая воздух и рядом расположенных предметы, и в особенности среды между инфракрасным датчиком и исследуемым объектом.
В производственных условиях присутствует загрязнение пылевыми частицами, образующимися газами и водяным паром. Каждый из этих факторов вносит погрешность в точное измерение температуры, поглощая тепловое излучение.
Приведем пример. Если между измеряемой поверхностью и двумя бесконтактными приборами поместить, например прозрачное стекло, ИК-поток к инфракрасному пирометру прервется и провести точное измерение температуры не получится, а вот для яркостного прибора это не преграда – свет по-прежнему будет проникать через стекло и измерение можно продолжать.
Именно поэтому точное измерение высокой температуры, основанное на визуальном сравнении яркостей, идеально подходит для промышленного применения на заводах, в металлургических и машиностроительных цехах, а яркостные дистанционные измерители температуры устойчиво занимают свою нишу.
Еще раз напомним особенность и одно из отличий монохроматических пирометров – нижний предел температур составляет не менее 500°С, а зачастую 800 °С.
При более низких цифрах, тусклый свет не позволит непосредственно проводить визуальное наблюдение. Уже по одной этой причине понятно, что оптические устройства востребованы преимущественно в заводских цехах – в быту такие температуры скорее исключение из правил. Ну разве что кроме электродуговой сварки.
Для этого необходим эталон в виде черного тела. Производя замеры нагретой поверхности через заданный интервал, например в 1 градус путем контактного метода, сопоставляется сила тока в амперметре.
Для расчета тока в промежуточных точках, применяется метод интерполяции. Таким образом после градуировки составляется таблица значений, по которым можно построить кривую измерения высокой температуры.
Минусы и плюсы
Что не отнять у них, так это скорость измерения температуры – от включения и нажатия на курок до результата на дисплея проходит всего несколько секунд.
- Изучив выше принцип измерения температуры при помощи визуального сравнения яркостей двух нагретых тел, нет сомнений в том, что затраты времени на точное измерение температуры путем подстройки регулятора тока в разы или даже в десятки раз больше.
- Второй заключается в повышенных затратах энергии для разогрева лампочки накаливания. Одно дело питать батарейкой “Крона” портативный ИК пирометр с мизерным потреблением электричества, другое – раскалять нить. Не обойтись без аккумулятора или придется подключаться к электросети. Впрочем, в промышленных условиях приборы встраиваются в конвейер, место расположения не меняется и можно протянуть силовой кабель. Точное измерение температуры важнее портативности и даже счетов за электричество, которое включится в себестоимость производимой продукции.
- Третий минус состоит в особенностях зрения конкретного человека. С этим обычно проблем не возникает и человеческий глаз способен очень точно различать малейшие градации яркости между нитью и фоном исследуемого объекта. Во всяком случае, наших способностей хватает, чтобы обеспечить минимальную погрешность, допустимую технологическим процессом. Другой вопрос, если в окуляр будет смотреть специалист с нарушениями в цветовом зрении – например страдающий дальтонизмом. Но такое развитие, скорее исключение из правил и яркостный принцип должен базироваться на медицинском допуске персонала.
Впрочем, каждый из трех недостатков с лихвой компенсируется тремя преимуществами: точный результат, помехоустойчивость, не требуется подстройка коэффициента эмиссии.