Поверка пирометра - доверяй, но поверяй !

Поверка пирометра необходима для подтверждения заводской точности, для последующего проведения бесконтактного измерения температуры в течение всего срока службы с погрешностью, не превышающей паспортных данных.

Зачем нужна поверка и для чего делается

“Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры” – вспоминаются слова великого ученого Д.И. Менделеева.
Все верно, но вот с какой точностью измерять температуру ?


Первым делом, еще на этапе выбора, в первую очередь мы обращаем внимание на диапазон измерения.

Во вторую, а может в третью или в четвертую очередь на точность.

Причем погрешность интересует в разной степени категории покупателей.
Возьмем ИК - пирометр, купленный для производственных нужд и погрешность инфракрасного бесконтактного измерителя температуры – только один из элементов системы контроля качества готовой продукции.

Но как говорится в известной поговорке про звенья цепи – где тонко, там и рвется, и не хотелось бы, чтобы этим звеном стал прибор.

При дистанционных измерениях на погрешность температуры влияет как минимум десяток факторов.

Более того, несмотря на все достижения современной пирометрии, до сих пор нет возможности абсолютно точно бесконтактно измерить температуру с точностью до градуса для так называемых серых тел, по причине чрезвычайной сложности для установления точного значения коэффициента излучения.

В особенности если это касается металлов, сплавов, отражающая способность которых зависит от:

• химического состава;
• степени механической обработки;
• окислов на поверхности;
• длины волны;
• температуры;
• паразитного теплового потока от соседних объектов;
• загазованности;
• пыли и пара в воздухе.

И это далеко не полный перечень.

Но сегодня разговор пойдет о начальной метрологической процедуре - поверке, а не о тонкостях измерения температуры в процессе последующей эксплуатации. 

После выбора пирометра, мы смотрим в интернете перечень организаций, оказывающих услуги по поверке, направляем его по почте, оплачиваем услуги и ждем результатов.
В связи с этим акцентируем внимание на нескольких моментах.

1. Указанная на сайте интернет-магазина цена не включает услуги по поверке
   Если конечно не сделана специальная пометка такого типа, например : “в стоимость входит поверка” или ”акция – поверяем бесплатно”.
   
   
   Но это скорее исключение из правил и маркетинговый ход, причем далеко не всегда оправданный по той причине, что пирометры покупают не только юридические лица для дистанционного контроля температуры ответственных технологических процессов, но и частные лица, которым поверка просто не нужна.
   
   Им не всегда принципиально важно, составляет отклонение 3% или 5 % - для множества задач встречающихся в быту, абсолютно не имеет значения, высвечивается на дисплее – 202 или 212 градусов.
   
   А значит, в поверке такие покупатели не нуждаются, и платить за метрологическую процедуру они не имеют не малейшего желания, тем более что сумма может оказаться соизмеримой со стоимостью самого прибора.
   
   Правда это касается относительно недорогих устройств.
   
   Как видно из ориентировочного прайса, чем шире диапазон температуры, тем больше цена за поверку.
   
   Это может быть связано с увеличением контрольных точек, в которых поверяется пирометр, а следовательно с ростом трудозатрат, а также с амортизацией используемого для поверки прецизионного измерительного оборудования.
   
   
   Чем выше класс, больше коэффициент визирования, диапазон измеряемых температур, а уж тем более если это пирометр – регистратор с портом USB или совсем уж редкий с картой памяти, то в таком варианте стоимость поверки составит всего 5-10 % от цены.

2. В чем заключается суть поверки ?
   
   
   
   Производитель гарантирует отклонение температуры от истинного значения в пределах не больше чем погрешность, указанная в технических характеристиках.
   
   Компания, оказывающая услуги по поверке, как раз и проверяет, чтобы заявления изготовителя не расходились с реальностью.
   
   Поверочная процедура проводится на калиброванном высокоточном измерительном оборудовании от всемирно известных торговых марок, включая модель абсолютно черного тела, жидкостный термостат, о чем речь пойдет ниже.
   
   
    
   Межповерочный интервал устанавливается решением научно-технической комиссии по метрологии Госпотребстандарта Украины и обычно составляет 1 год

   
   В большинстве случаев и гарантия распространяется на тот же период.

   Но поверка и гарантия – разные вещи

   
   Хотя изредка задают и такой вопрос.
   Гарантия предоставляется при условии соблюдения правил эксплуатации, тогда погрешность будет соответствовать заявленным данным.
   Так зачем же тогда делать поверку, если точность и так должна быть обеспечена производителем и входит в условия гарантии ?
   Ответ такой.
   Когда продавец отправляет заказчику прибор, конечно он отвечает за него. Но все предусмотреть и выявить на этапе заводского контроля невозможно. Например в одну из смен поступили некачественные комплектующие - оптические линзы и партия ушла с браком, который не выявлен.
   
   
   
   При покупке пирометра без поверки, покупатель доверяет производителю и начинает измерять в полной уверенности, что погрешность не превысит заданных значений. В подавляющем большинстве случаев это так и происходит.
   
   Но утверждать без поверки, что это именно так на 100 %, нельзя.
   
   Необходимо четко себе представлять, что поверка подразумевает, как отмечалось выше, только контроль соответствия заявленной погрешности реальной, полученной в результате поверочных процедур.
   
   Если в ходе эксплуатации, неверно установлен коэффициент эмиссии или другие настройки, получены  повреждения или линза покрылась пылью, то апелляции, что “у меня поверен пирометр, а температуру показывает не правильно” не будут приняты к рассмотрению.
   
   Это не есть функция поверки.
    

   Рассмотрим 2 метрологических термина
   1. Измерения - отображение физических величин при помощи эксперимента и вычислений с применением технических средств.
   2. Методика выполнения измерений - совокупность правил и процедур, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с необходимой точностью.

   
   Так вот, если в процессе бесконтактного измерения температуры, как впрочем и контактного, если используется пирометр с термопарой, допущены нарушения в методике измерения или прибор пришел в негодность, поверка здесь совсем не причем.
   
   Процедуру поверки можно сравнить с действиями нотариуса. Приходит клиент, просит выписать доверенность на его авто на другого человека.
   Нотариус же не проверяет, в каком состоянии автомобиль, вообще на ходу ли он. Может авто завтра попадет в аварию. Но это все будет потом. Нотариус удостоверяет только ФАКТ. Здесь и сейчас.

   Так и поверка – устанавливается только факт точности, гарантированной производителем
   И возможно только два варианта – пирометр проходит поверку или нет

   Соответствие заявленным характеристикам подтверждается или нет. Правда есть и третий, “страховочный” вариант – калибровка, но это отдельная тема.

Государственный реестр и метрологическая аттестация средств измерений

Приведем еще несколько терминов из области метрологии, и изучим необходимую нормативную базу, прежде чем непосредственно перейдем к методике поверки.

Калибровка все чаще заменяет устаревшее понятие градуировка. Впрочем, они взаимозаменяемы, если в эти понятия вкладывается правильный смысл.

Согласно Положения о Государственном реестре средств измерительной техники, утвержденного Приказом Госпотребстандарта Украины от 22.08.2005 N 218 (далее - Положение), указанный документ регламентирует порядок ведения и внесения в Реестр средств измерительной техники и распространяется на :

• специально уполномоченный орган государственной власти в сфере метрологии;
• предприятия, организации всех форм собственности, производящие на территории Украины контрольно-измерительные приборы;
• СПД - физические лица;
• производители (экспортеры) иностранных государств.

Интеграция Украины в мировое сообщество не обошла и отрасль измерительной техники.

Реализовывать на территории нашего государства можно как импортные измерительные приборы, так и отечественного производства.

Но сначала немного тезисов по поводу реестра средств измерительной техники (далее - СИТ).

Этот документ состоит из разделов.
Контрольно-измерительные приборы сгруппированы по виду измеряемых физических величин. Их довольно много, но нас интересует раздел ”температурные и теплофизические измерения”.

Реестр представляет собой таблицу и состоит из следующих столбцов:

1. Номер в Госреестре.
2. Наименование СИТ.
3. Тип СИТ.
4. Производитель СИТ.
5. Код измерения.

Чего только нет в этом разделе !
Здесь и преобразователи термоэлектрические и счетчики тепла и контактные цифровые измерители теплопроводности и даже ”измеритель цифровой” и “прибор регистрирующий”.
Что первый измеряет, а второй регистрирует ? Не понятно. Но речь сейчас все-таки о пирометрах, хотя и с ними единообразия в названиях нет.

Можно встретить:

• просто “пирометры”;
• ИК-пирометры;
• “частичного излучения”.

Понятно, что это одни и те же приборы, но все-таки разнобой… 
По-видимому, метрологический орган записывает так, как указывает производитель, с учетом конструктивных особенностей и области применения.

Теперь разберемся с включением в реестр и с поверкой.

Не все ли равно включен прибор для измерения температуры в реестр или нет ?
Главное чтобы была пройдена поверка ? И да и нет.

Положение четко гласит : ”отсутствие средств измерительной техники в Государственном реестре не может быть основанием для запрета использования этих средств на территории Украины”.
Но далее идет важное дополнение: ”при условии подтверждения нормированных метрологических характеристик и способности этих средств к использованию путем осуществления их государственной регистрации”.
Государственный реестр предназначен для государственной регистрации типов СИТ, допущенных к серийному производству в Украине или завезенные партиями из-за рубежа.

То есть возможно три варианта: без поверки, с поверкой, с включением в реестр.

Процедура поверки

Поверка проводится в сроки до 7 дней.
К измерителю температуры должен прилагаться комплект сопроводительных документов:

• название, марка и серийный номер;
• результаты предыдущей поверки (если проводилась);
• название и адрес организации, которая заказывает услугу.

Поверочные процедуры включают ряд строго регламентированных последовательных этапов при температуре окружающего воздуха 23~25°С и влажности 30~80%.

1. Внешний осмотр
   
   
   Этот пункт мало чем отличается от многочисленных видео в интернете, после распаковки измерительных приборов.
   
   Взять в руки, проверить на отсутствие видимых повреждений, посмотреть, чтобы линза не треснула, дисплей был целым, в наличии были все кнопки и курок на месте.
   
   Это этап поверки к счастью может выполнить любой клиент, после долгого выбора, решивший пирометр купить от понравившегося бренда, и лично или получив посылку на почте, затаив дыхание, раскрывает долгожданную коробочку, еще пахнущую заводским запахом.
   
   Впрочем и следующий пункт тоже сделать по силам обычному пользователю.
2. Опробование в эксплуатации
   
   Вставить источник питания.
   Посмотреть как светится дисплей.
   Навести лазерный указатель, нажать на курок. В общем, обычные процедуры, но в методике поверки указано, что выполнить все следует в соответствии с руководством по эксплуатации.
   Так что по полной программе необходимо испытать все технические возможности.
3. Определение погрешности измерений температуры бесконтактным методом
   
   А вот в этом пункте нужна измерительная аппаратура, теоретические знания и практический опыт.
   Компания, производящая поверку, берет за свои услуги деньги и дорожит репутацией. Поэтому никакой самодеятельности и ошибок быть не должно.
   Ведь это сфера оказания услуг и сарафанное радио может как привести новых клиентов, так и отправить в не бытие. Более того за нарушение правил и условий поверки руководители предприятий несут ответственность в соответствии с законодательством.
   Это интересный раздел, внутренняя кухня поверки. Но самое заманчивое конечно в измерительной аппаратуре.
   Пирометры поверяются по модели абсолютного черного тела.
   Источники излучения в виде модели абсолютного черного тела
   
   Почему модели ? Абсолютное черное тело (АЧТ) имеет коэффициент излучения, равный единице, чего достичь невозможно, как и температуры абсолютного нуля. Чуть-чуть, а не хватает.
   Впрочем, на это можно закрыть глаза, если ознакомиться с характеристиками этого рабочего эталона.
   “Черные тела” выпускаются на разные интервалы температур.
   Рассмотрим одно из них - модель M340 производства Mikron Instruments Co (США).
   
   Прибор предназначен для поверки и калибровки в диапазоне температур -20~+150 °С:
   • инфракрасных пирометров;
   • измерителей теплового потока;
   • радиометров;
   • спектрографических анализаторов;
   • систем формирования инфракрасного изображения.

   
   Технические характеристики абсолютного черного тела M340 Mikron впечатляют - коэффициент излучения без одной сотой единица.

   Язык не повернется назвать АЧТ лишь моделью. Уж очень близок коэффициент теплового излучения к идеальному, причем погрешность в плюс составляет всего “0.005”, а в минус вообще отсутствует.
   Впрочем по-другому нельзя – поверка серьезное дело.
   Также обратим внимание на диаметр апертуры – 51 мм. От этого зависит расстояние, на которое приближается поверяемый пирометр и показатель оптического визирования.
   
   Иными словами, апертура – это размер окошка, через которое исходит тепловой поток.
   
   В приборе используется термоэлектрическое устройство для нагревания/охлаждения АЧТ с точностью до 0.1°С.
   Интересно, что могут быть достигнуты температуры и в отрицательной области шкалы Цельсия. С другой стороны это насущная метрологическая необходимость – пирометры в абсолютном большинстве рассчитаны на измерение не только высоких, но и низких температур.
   И последний показатель, на который обратим внимание, время стабилизации температуры, не превышающее до 10 минут. После прогрева и контроля температуры на цифровом дисплее АЧТ, можно начинать.
    
   Следует отметить, что само АЧТ должно быть поверено
   
   Следующее устройство – классический прибор для оснащения лабораторий при подогреве реактивов: жидкостный термостат или в просторечии так называемая водяная баня.
   Только он со столь впечатляющими характеристиками, что большинство его лабораторных “собратьев” завидуют ему белой завистью.
   
   Термостат жидкостный FLUKE серии 6000 предназначен для поверки промышленных термопреобразователей.
   
   С водяной баней каждый сталкивался хотя бы раз на кухне. Основное отличие – отсутствие непосредственного контакта теплоносителя и колбы или другого сосуда.
   Температура водяной бани зависит от типа теплоносителя. Если вода – максимум это точка кипения. Если масло – несколько сотен градусов и т.д.
   
   
   Устройство отличается непревзойденной точностью поддержания температуры – точность до тысячных долей градуса ! Этого невозможно достичь без цифрового терморегулятора и постоянного перемешивания. Причем нормируется даже такой показатель как градиент температуры по вертикали и горизонтали.
   Надо сказать, что и остальные измерительные приборы FLUKE, входят в категорию ТОП по точности, надежности, и будем говорить честно по цене и купить их в Украине не так просто.
   
   
   Поскольку пирометры во всем диапазоне обладают различной погрешностью (как правило отклонение выше в нижней и верхней части диапазона – в областях низких или высоких температур), поверка проводится в нескольких контрольных точках. Каждый из них обладает ошибкой измерения или погрешностью, выше которой показания считаются недостоверными.
   Если провести анализ технических характеристик на сайте интернет магазинов измерительных приборов, большинство пирометров обладают отклонениями в пределах  ±1°С, ±2°С, ±3°С.
   Предположим имеется экземпляр с погрешностью бесконтактного измерения температуры при нагреве объекта до 700°С в пределах ±2°С.
   Значит, на дисплее может наблюдаться значение от 698 до 702°С и важно, чтобы указанное в паспорте отклонение не превышало предельных значений.
   Если говорить строго с точки зрения метрологии, при поверке добавляется погрешность самого АЧТ, но она столь мала, что ею пренебрегают.
   Оптическая линза поверяемого прибора в обязательно порядке должна быть идеально очищена при помощи спирта и ткани без ворсинок.
   АЧТ настраивается на заданную температуру и стабилизируется по времени для нагрева или охлаждения.
   Используя управляющие кнопки, устанавливается коэффициент эмиссии, равный 1.0. Если он будет ниже, будут завышены показания.
   При поверке, пирометр необходимо наводить точно в центр дна АЧТ, поскольку стенки могут быть горячее.
   Но сделать это не так просто, если держать прибор в руке, тем более, если приходится проводить ряд измерений температур в нескольких контрольных точках.
   Проблема в том, что руки от напряжения дрожат и точной фокусировки достичь не возможно.

   

   
   При практическом применении, особенно это касается высокотемпературных бесконтактных регистраторов – самописцев температуры, рекомендуется ставить инфракрасный пирометр на штатив-треногу, удобную для многочасового мониторинга температуры нагретых деталей, заготовок, и передачи данных на ноутбук для сохранения информации и построения температурных графиков в режиме онлайн.
   При поверке также используется ряд вспомогательных, но более сложных приспособлений, включая зажимы, поворотные столики с лимбом отсчета углового поворота с точностью до 1 градуса, регулировкой по высоте и прецизионные рельсы, для перемещения измерителя температуры вдоль оптической оси АЧТ.
   
   Фокусирующая линза улавливает инфракрасное излучение и показания отображаются на дисплее.
   Измерение температуры производится на дистанции, обеспечивающей минимальный диаметр поля зрения оптической линзы.
   При этом апертура АЧТ также должна превышать этот показатель.
   В каждой контрольной точке проводится серия из нескольких измерений, данные усредняются и подсчитывается среднее значение.
   
   Далее рассчитывается отклонение по формуле:
   
   Поверка считается пройденной, если отклонения во всем диапазоне температур, не превышают паспортных данных.
    
   Если хотя бы в одной контрольной точке, погрешность выходит за пределы, проводится еще одно повторное испытание
   
   Если в ходе повторного теста, отклонение опять превысит допустимое значение, поверка считается не пройденной

4. Определение погрешности измерений температуры контактным методом
   
   Если инфракрасный пирометр дополнительно снабжен термопарой - контактным датчиком температуры, поверка расширяется и на контактный метод измерения.
   
   
   
   Устройство предназначено для точного измерения температуры и содержит 2 независимых  канала для контроля температуры сразу в 2-х точках и высчитывает разность температур.
   
   DTI-1000 может использоваться в качестве рабочего температурного эталона при поверке.
   
   Высокую точность гарантируют погружные платиновые датчики температуры марки DTI-1000 и микропроцессорный блок обработки полученных данных.
   
   
   Погрешность определяется методом сравнения показаний  с данными эталонного прибора для измерения температуры.
   
   Контрольные замеры проводятся в нескольких точках диапазона, включая нижний и верхний предел.
   
   Контактный датчик пирометра и погружной термощуп эталонного цифрового измерителя температуры погружаются в термостат, выдерживаются для установления стационарного теплового равновесия, не менее 15 минут.
   
   Снимаются пара показаний, заносится в журнал наблюдений, и рассчитываются отклонения.
   
   Значения погрешности не должны превышать заданные паспортные отклонения.
5. Определение показателя визирования
   
   В предметной плоскости пирометра устанавливается АЧТ с излучающей поверхностью, перекрывающей поле зрения с холодной маской, которая создает систему отверстий с изменяющимся диаметром.
   Необходимо исходить из начальных условий:
   • размеры маски должны обеспечить полное перекрытие излучающей плоскости АЧТ;
   • коэффициент теплового излучения маски не должен превышать 0.1;
   • расстояние от передней плоскости до излучающей поверхности АЧТ должно обеспечивать минимальный размер поля зрения.
   
   
   
   
   На первом этапе дистанционное измерение температуры производится при полностью открытой маске (диаметр максимальный).
   
   Последовательно уменьшая диаметр отверстия, доходим до момента, когда значение температуры начнет отличаться на величину более, чем погрешность для заданного диапазона температур (указано в паспорте пирометра).
   
   После этого, измеряется расстояние от объектива до излучающей поверхности АЧТ.
    

   ---

   Показатель визирования рассчитывается как отношение диаметра к измеренному расстоянию и сравнивается со значением, указанным в технических характеристиках

   ---

   
   Смысл поверочной процедуры показателя визирования состоит в фиксации момента, когда на определенном расстоянии, к тепловому излучению, улавливаемому пирометром, начнет добавляться “прохладное” ИК излучение от холодной маски, что явно видно по дисплею, на котором скачком изменится значение.