В чем разница между оптическими и инфракрасными пирометрами

Представленные десятки разновидностей пирометров на рынке Украины от множества брендов, от китайских до европейских или производства США – как простенькие, совсем без кнопок, только при наличии неизменного курка, так и высокотемпературные регистраторы температуры, с цветным дисплеем, находятся на пике современных технологий – оптики и электроники.
Но сама смелая идея получать значение температуры на удалении была реализована в виде готового прибора еще более столетия назад ! Когда братья Райт только совершали свои первые полеты на придуманном прообразе самолета.
Каким образом ? Если в те времена еще до первых транзисторов и тем более микросхем были еще десятилетия.
Как оказалось это все совершенно не нужно. Но самое интересное, что даже сейчас чтобы измерить температуру, достаточно простых стрелочных аналоговых приборов. Но такой вариант больше подходит для производственных задач и для высоких температур, когда исследуемый предмет начинает раскаляться и светиться.

1. Речь идет о так называемых оптических пирометрах. Но эти устройства все таки довольно редки, в продаже их практически не встретишь – поставки только под специальные задачи. Цена высокая, обслуживание сложное. Чтобы получить значение температуры, нужен определенный опыт.
2. Другие дело – инфракрасные. В буквальном смысле ручные. Даже самые "навороченные" можно носить в руке и получить результат, просто нажав на курок.

Вот о первых и вторых, мы и поговорим.

Яркость расскажет о температуре

Разные группы используют различные участки спектра излучения тел. Что это значит?
Если мы будем нагревать гвоздь в огне газовой горелки, то он начнет светиться более ярким светом (даже как говорится в поговорке, его можно довести до белого каления), становясь оранжевым, красным в зависимости от степени нагрева.

Возникает простая идея. А что если построить таблицу, сопоставив видимым значениям яркостей, реальную температуру. Например такую.

Что это дает ? Достаточно один раз вывести такую зависимость и потом лишь по внешнему виду (цвету) нагреваемого объекта можно сразу определить его температуру.
Другой вопрос что эта таблица грубовата. Надо брать интервал хотя бы в 1 градус, но тогда проблема в том, что не хватит богатства нашей речи, чтобы описать словами цветовое измерение температуры в интервале например от 20 градусов (комнатная температура) до 1000 градусов.
Но самое главное, что установлена зависимость цвета от температуры. Обращаем внимание, что мы ведем речь исключительно о видимой части спектра. То есть то, что мы видим непосредственно нашими глазами. А слова можно заменить например уровнями напряжения или силой тока.
Но нагретое тело испускает и в другом инфракрасном спектре, именно поэтому и носят такое название ИК-термометры.
Поток лучистой невидимой энергии, который они собирают, наблюдать невозможно. Наши органы чувства бессильны. Инфракрасные лучи мы не ощущаем, как например и ультразвук или ультрафиолетовое излучение.

Итак, мы подошли вплотную к оптическим пирометрам. В первом приближении понятно как они работают - измеряют яркость в видимом спектре. Есть и другие особенности:

• при их применении оператор принимает прямое участие в процессе измерения, соответственно должен обладать более высокой квалификацией, в отличие от пользователей инфракрасных, где от человека требуется только направить прибор на объект и нажать на курок;
• диапазон измерения температур находится в пределах от 700 до 3200 градусов, а с использованием специальным фильтров до 7000 градусов.

Почему столь широкий интервал ?
Дело в том, что при температурах в 100-200-300 ℃ светимость в оптическом диапазоне очень низкая и определить ее визуально не представляется возможным. Например если мы кипятим чайник, то нет возможности по внешнему виду сказать, горячий он или нет - низкотемпературный нагрев.

Как происходит процесс измерения ? Нужен эталон, светимость которого можно менять. Эта лампа или нить накала. Это калиброванные элементы, для которых заранее существует шкала зависимости протекающего тока от их яркости.
То есть у нас есть разогретый объект и другой светящий эталонный объект на его фоне. С помощью реостата (переменного сопротивления), мы подстраиваем ток, а значит меняем яркость свечения эталона. Как только 2 яркости сравняются, по таблице или если измерительный прибор сразу отградуирован в единицах измерения температуры, мы и получаем искомое значение.
Такие пирометры еще называются с исчезающей нитью, потому что нить на фоне объекта, как только сравнивается по яркости, в прямом смысле слова исчезает.

Серьезное преимущество их в том, что они могут измерять температуру малых по габаритам и тонких предметов, например трубы малого диаметра.
Для инфракрасных существует ограничение – предмет должен целиком помещаться в так называемое поле зрение. Если он выходит за его пределы, то может влиять паразитное излучение от соседних объектов, искажая результат. А определить входит предмет полностью в пятно визирования (другое название поля зрения) или не входит, очень сложно, поскольку инфракрасные лучи не видимы. Частично в этом может помочь лазерная указка, направляемая в центр.
А вот для оптических бесконтактных все проще. Для лица, осуществляющего замеры, по сути требуется только единственное - чтобы объект (или даже часть его) был на фоне нити накаливания, чтобы можно было зрительно сопоставить яркости двух объектов.
Да, это не мгновенно, надо покрутить и посмотреть, но еще раз повторимся – плюс это широчайший диапазон. Что касается того, что придется настраивать ток и это потребует времени, то оптические приборы для дистанционного измерения температуры хороши для периодических замеров, когда спешить некуда.

Скоростные инфракрасные – данные по щелчку курка

Здесь принцип действия радикально другой. Прежде всего используется ИК часть спектра излучения. Лучи с нагретого тела поступают на входную линзу для фокусирования в одной точке внутри прибора. Эта тепловая энергия, пропорциональная температуре, поступает на инфракрасный детектор – преобразователь и преобразуется в электрический сигнал. Это напряжение измеряется единицами вольт (учитывая, что элементом питания является Крона 9В).

Но возникает проблема с разной излучающей способностью тел, а именно соотношением между отраженной, поглощенной и излученной энергией. Это так называемый коэффициент излучения или эмиссии – безразмерная величина, принимающая значения в интервале от 0,1 до 1,0.
Основное отличие профессиональных приборов, в отличие от простейших в том, что этот показатель можно задать вручную, откорректировав таким образом итоговый результат, который получится точнее.

Приведем пару примеров. Полированная сталь или например снег, большую часть энергии отражают. Как следствие, в приемную систему поступает инфракрасный поток пониженный интенсивности и мы получим результат, отличающийся от реальности на несколько градусов, а т и десятков градусов.
Какое значение коэффициента задавать ?
Есть два пути.

1. Воспользоваться специальными таблицами, которых много в интернете, или они идут часто в распечатанном виде в комплекте поставки.
2. Использовать вспомогательный контактный датчик, который выдает эталонный результат температуры. Имея это значение и подстраивая коэффициент эмиссии, можно добиться минимальной разницы между дистанционным методом измерения температуры и контактным.