2 випадки коли термопара виграє у пірометра

Коли читаєш опис тієї чи іншої категорії вимірювальних приладів, мимоволі ловиш себе на думці, що продавець описує переваги та сферу застосування даної товарної групи суворо, не відхиляючись у бік, що не плутати покупця. Але це й загрожує тим, що останній може вибрати не те, що йому потрібно!
Ось якщо, наприклад, говорити про вимірювання температури поверхонь, то тут вибір інструментів по суті зводиться глобально до вибору двох основних підкатегорій - "конкурентів": контактних та безконтактних.

А отже для вибору найбільш відповідного пристрою під локальне завдання потрібно розуміти, що незважаючи на радісні реляції з приводу пірометрів ("і на відстані міряє миттєво і з високими температурами справляється на раз !"), у деяких випадках треба зняти рожеві окуляри і звернути свій погляд на стару добру термопару.
Ці випадки ми розглянемо. І трохи спробуємо зазирнути у майбутнє. 

Поверхні малої площі

Зрозуміло, що поняття "малий" дуже умовне і не визначене. І все ж таки ми ризикнемо перекласти це аморфне визначення на цифри. Під малими ми розумітимемо площі обчислювані одиницями кв.мм. На практиці це може бути мікроконтролер на платі, мікросхемний стабілізатор напруги.

Ми свідомо не згадуємо процесор, оскільки ця штука все-таки велика за мірками радіоелектроніки і для пірометрів з високою оптичною роздільною здатністю, тобто здатними легко "вловити" температурну пляму площею 4-5 см², таке завдання не є надскладним.
Але в цілому це складне завдання і часто важко вирішується. А якщо йдеться про резистор? Або тим більше про SMD-світлодіод або мікро-супресор, для яких нормальним є розмір комара ? Пірометри піднімають лапки вгору. Їм чогось простіше подавай, а не таку дрібноту!
Але чому? Таке питання можуть поставити деякі наші оптимістичні читачі. Доводиться чути від них.

“Ви багато писали про пірометри і переконали нас, що це дійсно прилад, що вирішує проблему вимірювання температури. Навіщо возитися з контактними термометрами, якщо можна просто вибрати коефіцієнт випромінювання, направити на потрібне місце і натиснути на курок !

Так воно і є в теорії, але тільки якщо не забувати про такий, вже згаданий нами параметр, як оптична роздільна здатність і не розривно пов'язана з нею пляма візування і відстань до об'єкта. Чим далі ви віддаляєтеся з ІЧ-термометром, тим більше він "захоплює" у своє приймальне віконце випромінювання з предметів, що є сусідами з тими, що цікавлять нас. Продовжуючи наш радіоелектронний приклад, це буде, наприклад, випромінювання з обв'язки мікрочіпа: конденсатори, діоди, стабілітрони. А оскільки штучний інтелект ще не додумалися вмонтувати в електронний мозок пірометра (про це ми ще нижче поговоримо), він температурно (не вибірково) тупуватий і банально не розуміє, з яких об'єктів він збирає тепло. Це все одно, що змусити пилосос збирати пил, але не чіпати гвинтики, що впали. Засмокче в мішок все. 

Послухайте, так ви коли презентували нам нові моделі тепловізорів, нахвалювали, що там практично кожен має опцію температурних маркерів. Тобто на дисплеї тепловізора ми зможемо побачити найгаряче і найхолодніше місце на платі.

Ну так, підловили на слові ! Майже. Дійсно, сучасні тепловізори можуть стежити і динамічно визначати, наприклад, який радіоелектронний компонент найгарячіший, а значить може бути причиною майбутньої аварії. Це крок упер у порівнянні з пірометрами.
Але й тут не все так гладно.
А якщо нам потрібен не найгарячіший/холодний об'єкт, а скажемо нас цікавить "середнячок". Не найгарячіший і не найхолодніший. Загнали в кут самі себе?
Ні ! Тепер після багатьох написаних слів, настав час згадати про термометри з термопарою.
Відразу відзначимо, що в цьому контексті ми говоримо про термопари, які фізично є крапелькою на кінці дротинки. Ось цим дротом-то і можна акуратно торкнутися компонента, що цікавить нас.
Тільки чого ж у голову лізуть одні недоліки? Напевно, щоб уберегти Вас від помилок.

1. Довго чекати. Термопари – інерційні штуки. Для настирливих та терплячих. Ну гаразд ще з часом. Якщо температура вкрай потрібна, можна і почекати. Але тримати руку в одному положенні, не зміщуючись ні на 1 мм, дуже складно. Якщо не використовувати спеціальні пристрої у вигляді штативів та тримачів.
2. Міряти температури деталей на платі під напругою ще той челендж. При сучасному щільному монтажі можна запросто: або закоротити дві доріжки і спалити всю плату або якщо вимірювати температуру, наприклад, симістора в регуляторі числа обертів колекторного електродвигуна, може банально "бахнути". І вже точно треш це вимірювати термопарою нагрівання трансформатора або магнетрону в мікрохвильовій печі. Тут розуміти треба, куди (і коли) можна тикати термопарою, а куди - у жодному разі.

Якщо ж напруги немає, то термопари - цілком прийнятний варіант для предметів малої площі. Пірометри у цьому сенсі дуже грубі. Їм якусь болванку подавай або хоча б об'єкт розміром з цеглу, тут вони допоможуть. І своєю дистанційною безконтактністю є абсолютно безпечними навіть для електротехнічних рішень. Температуру вони покажуть, але яку?

Матеріали змінної випромінювальної здатності

Чим ще термопари хороші, як і їх низькотемпературні кухонні брати – харчові термометри – так це своєю "універсальністю". Розтлумачимо цей термін. Піромери та тепловізори отримують інформацію про температуру не безпосередньо, а за допомогою "посередника" – інфрачервоного випромінювання. А посередник цей дуже не надійний і примхливий ! Знімайте вдруге рожеві окуляри. Це ми тим, хто думає, що “треба просто натиснути на курок”. Натиснути справді просто. Та тільки ще до цього натискання налаштувати пірометр дуже вже непросто !

А що налаштовувати ? Коефіцієнт емісії. Не всі прилади це дозволяють робити і ми говоритимемо тільки про ті, хто таку опцію має.

Але мало ще її мати.
Треба ще вміти її налаштувати !

І ось тут, до речі, термопара служить неоціненну допоміжну службу. Наведе тк би мовити різкість на температурно-підсліпуваті очі пірометра.
Ми одного разу поставили собі за мету (і це чесно перед нашими читачами – пиши про те, що знаєш і що можеш зробити сам) підлаштувати коефіцієнт емісії так, що різниця температур між контактним і дистанційним методом не перевищувала 2 %. Чому така цифра? Це нормальна похибка інфрачервоних пірометрів. Вище точності, на жаль, досягти не вдасться. Це не прецизійна техніка.
Як ми це зробили ?

1. Взяли пірометр із регулюванням коефіцієнта емісії і термопару.
2. Встановили коефіцієнт емісії у довільне значення.
3. Торкнулися термопарою предмета і записали температуру.
4. Збільшили/зменшили коефіцієнт емісії на 0.1. І виміряли температуру. Тепер уже пірометром.
5. Якщо розбіжність збільшилася, значить рухаємося не в той бік. І повторюємо.

Таким чином вдалося досягти практично ідеальної точності! Тобто пірометр видав те саме значення, як і термопара! Краса ?
До речі зазначене завдання вирішується набагато простіше і дешевше, якщо вибрати моделі і з термопарою і з налаштуванням коефіцієнта емісії. 2 в1 – вигідна та корисна покупка.
Так, краса. Якщо протягом найближчих годин/днів ви вимірюватимете лише один матеріал, на якому ми "натренували" пірометр за допомогою термопари.

Тим, хто дивився відомий бойовик "Термінатор-2", звичайно ж запам'ятався Термінатор Т-1000 з рідкої ртуті, який міг набувати різного вигляду. Ось на цьому прикладі добре пояснювати, як пірометр би вдруге підняв би лапки вгору, тому що якби його налаштували термопарою на випромінювальну здатність ртуті, то як тільки б Термінатор з рідко-ртутного монстра матерілізувався б у офіцера поліції, пірометр б продовжував безтурботно "вірити", що вимірює температуру ртуті, а не тканини мундира представника американського правопорядку.

Віримо, що штучний інтелект дістанеться незабаром і до вимірювальної техніки і пірометри зможуть самі визначати, який предмет перед ними та підлаштовувати під нього коефіцієнт емісії !

Ось це буде не крок, а просто величезний ривок уперед. І тоді відійдуть у минуле веб-архіву таблиці – "динозаври" на кількох сторінках з коефіцієнтами емісії, які треба було вручну вводити в пам'ять пірометра… І не просто вводити, а підбирати. Чи не надто архаїчно для 2025 року ?

Галузь вимірювальних пртборв досить консервативна і не зазнала значних радикальних змін за останнє десятиліття. Окрім хіба що кольорових дисплеїв. Але це більш косметичні маркетингові зміни. На відміну від тих самих смартфонів, які старіють вже за півроку-рік.
Так, наші пропозиції щодо самонастроювання пірометрів здаються фантастикою. Але ж хтось повинен робити сміливі прогнози? Не буздумно-некомпетентно, а на підставі своєї експертизи. Тим більше, що завдання класифікації вже вирішується нейронними мережами вже зараз на раз-два-три. Достатньо навести приклад розпізнавання осіб.
Однак, ми відійшли від теми. Термінатор-2 Т-1000 – приклад показовий, але кіношно-фантастичний.
А ось металургія – галузь цілком земна.
Розплавлений метал (чи скромний це трудяга-чавун, чи благородно-зніжене золото), що плаває в чані, це одна справа, а розлитий за формами і охолоджений у злитках - інше. А ось відслужило своє століття і залізо, що проржавіло – і зовсім третє.
Один і той же метал залежно від агрегатного (рідкий, твердий) стану, домішок, оксидів на поверхні, шорсткості змінює свою здатність, що відбиває, в рази!
У чому проблема? Та в тому, що якщо покласти поруч:

• свіжовиплавлену сталь;
• окислену;
• відполіровану;
• пофарбовану.

І якщо при цьому кожен зразок матиме одну і ту ж температуру, що перевіряється термопарою (це як не крути але еталон!), пірометр видасть різні значення !

Чому? Тому що потужність вихідного інфрачервоного випромінювання буде різною. Один зразок краще відбиває, інший поглинає.
Пірометр перебуває в повному дезинформації щодо цього факту … Він працює із тією інформацією, яку йому дають.
Ще раз тримаємо кулаки за якнайшвидше "розуміння" пірометрів! Про що ми писали трохи вище за текстом. Та й тепловізорів за одне з ними.
Так ось приклад із металами це і є проблема змінної випромінювальної здатності. І ось термопара, оскільки не використовує посередників (у вигляді ІЧ-променів), а просто бере і торкається фізично, вона показуватиме завжди достовірну інформацію. Пірометри ж, на жаль, ні…

P.S. Перша частина "Термінатора" вийшла 1984 року. І режисер Джеймс Кемерон чекав з тих пір понад п'ять років, доки будуть розроблені технології комп'ютерної анімації, що дозволять втілити його новаторські ідеї до крутого кінопродукту, який став культовим. Техніка не встигала! І друга частина побачила світ лише 1991 року. Давайте вірити в те, що так буде і з пірометрами. І незабаром нам не доведеться ніколи більше писати статті на тему “як підлаштувати коефіцієнт емісії пірометра за даними термопари”. А про що ж писати тоді? Давайте помріємо.

1. Уявіть, що до категорії товарів додасться новий фільтр при виборі пірометрів “наявність ІІ” (ІІ-штучний інтелект) поряд зі звичними: діапазон температури, оптична роздільна здатність тощо.
2. А фільтр “з підстроюванням коефіцієнта емісії” навпаки зникне як застарілий рудимент.

А писати ми будемо на тему, пірометри якого бренду швидше і точніше САМІ підлаштовуються під випромінювальну здатність об'єктів. Заманливо?! А ми віримо в це і чекаємо.