Монохроматичний пірометр гарантує точне вимірювання температури
Точне вимірювання температури в виробничих умовах вимагає наявності спеціалізованих пірометрів, особливо, якщо необхідно провести вимірювання високих температур з нижньою межею в кілька сотень градусів.
Контактний вимір високих температур не завжди прийнятний, в першу чергу через не безпеку для виробничого персоналу. Друга причина – вимір температури розжарених до 1000-3000 градусів заготовок термопарою досить складний і дорогий метод.
Дистанційні вимірювання температури традиційно асоціюються із застосуванням інфрачервоного пірометра, але серйозні обмеження, пов'язані з підбором коефіцієнта випромінювання, впливом середовища між ІЧ лінзою і досліджуваним предметом, не завжди дозволяє провести точне вимірювання температури, від чого залежить відповідність нормам технологічного процесу, стандарти готової продукції, конкурентоспроможність на ринку і фінансовий результат компанії.
Незважаючи на настільки “чарівну” назва, цей оригінальний вимір високих температур базується на простих і зрозумілих принципах, пов'язаних із залежністю яскравості від температури, що можна візуально спостерігати.
Монохроматичний принцип при вимірюванні температури методом яскравості
Наведемо дві аналогії. Якщо взяти плоскогубцями металевий цвях і почати нагрівати в полум'ї пальника, найближча до вогню частина поступово з нагріванням стає спочатку помаранчевою, потім жовтою, і білою.
Також і сонячна поверхня не однорідна і сонячні плями, темніші відрізняються зниженою температурою, відповідно світлі – гарячіші.
Зробимо 2 висновки.
- Чим яскравіше світить нагрітий об'єкт, тим вище його температура. Поряд зі зростаючою яскравістю, зростає і рівень ІЧ випромінювання.
- Подібний принцип починає працювати приблизно з 500°С. При більш низькому показнику, тіло просто не світиться у видимому оком оптичному діапазоні.
Це найбільш важливе обмеження, хоча таким його можна вважати досить умовно. Просто сфера дії дистанційного оптичного термометра більш вузька, він повноправний господар в “високотемпературній” області.
Зате для безконтактного вимірювання температури починаючи навіть з мінусового діапазону вигідно скористатись інфрачервоними пірометрами, оскільки ІЧ випромінювання випускається тілом в ідеалі починаючи з показника вище температури абсолютного нуля, коли починається тепловий рух атомів.
Розглянемо вимір високих температури на прикладі вже зазначеного нами розігрітого цвяха.
Сам показник яскравості не може допомогти провести точне вимірювання температури. Максимум, чим ми можемо оперувати: оціночними поняттями – "світліше - гарячіше”, ”темніше - холодніше”.
Якщо в побуті цим можна і обмежитися, то на виробництві необхідно абсолютно точно знати, на скільки градусів нагрітий металевий злиток, вироблений при безперервногму розливанні заготовок або твердосплавна напайка на токарному різці при термообробці.
✓ Висновок 3. Буде потрібно плавно або дискретно, але головне - точно міняти градації яскравості.
✓ Висновок 4. Після отримання набору градацій яскравості потрібна шкала для перекладу значень в градуси.
Щоб зробити наступний крок до розуміння принципу вимірювання температури методом порівняння яркостей, зауважимо, що нагрів можна здійснювати не тільки відкритим вогнем, а й електричним струмом, сила якого буде відповідати яскравості.
Вимірювання високих температур
Монохроматичний або одноколірний прилад порівнює яскравості двох тіл:
- вимірюваного об'єкта;
- еталонного джерела світла.
Як еталон виступає нитка, знайома нам по лампі розжарювання.
Слід зазначити, що оптичні з'явилися раніше інфрачервоних, і успішно витримали конкуренцію на протязі десятиліть. Їх стихія - вимір високих температур.
Поступово із зростанням рівня технологій вугільна нитка змінилася на вольфрамову, але метод залишився незмінним.
Яскравість нитки залежить від сили струму, який пропускається, що легко спостерігати на світильниках з регулятором. При мінімальній напрузі, нитка ледве світиться, і колір зміщується в помаранчеву частину спектру.
Отже, ніщо не заважає зробити прототип примітивного яркостного пірометра прямо в домашніх умовах кожному, хто хоч трохи знайомий з радіоелектронікою. Втім, навіть цього не потрібно, якщо вміти під'єднати два проводка, мати в наявності амперметр і суворо дотримуватися правил техніки безпеки.
Включивши мультиметр в розрив дроту, що живить лампу і обертаючи регулятор яскравості світильника, можна послідовно фіксувати значення струму і показник яскравості.
Проблема в тому, що нашого словникового запасу не вистачить, щоб описати хоча б десяток градацій, а потрібно як мінімум кілька сотень або навіть тисяч, якщо ми хочемо проводити точне вимірювання температури з дискретністю до 1-го градуса.
Такі саморобки допоможуть зрозуміти, як провести вимір високих температур, але не придатні для практичного застосування з наступних причин.
1 | Ми знайшли залежність між яскравістю і силою струму, але не зробили наступний, логічний крок до встановлення однозначного зв'язку кожного значення яскравості і температури |
---|---|
2 | Заміряти яскравість самої нитки безглуздо, адже потрібні дані температури будь-якого довільного об'єкта, а не самої лампи. Розпечена нитка - всього лише інструмент для порівняльного аналізу |
До речі, якщо згадати нагрів цвяха в полум'і палаючого газу, при бажанні теж можна встановити залежність між кутом повороту рукоятки, що збільшує кількість газу, що подається і яскравістю і зафіксувати дані в таблиці. Зрозуміло, відстань між цвяхом, що нагрівається і полум'ям має залишатися незмінною. В іншому випадку доведеться враховувати ще й відстань, що ускладнить побудову залежностей.
Як "зникає" нитка
Тепер розглянемо як технічно організовано вимір високих температур, і розберемося яким чином “пропадає” накальная нитка.
Око отримує візуальну інформацію про яскравість через об'єктив, що фокусує зображення нитки розжарювання на тлі світлової плями від нагрітого об'єкта.
Світлофільтр служить для звуження спектра сприйманого сигналу і зменшення інтенсивності, щоб не пошкодити органи зору.
Плавно змінюючи реостатом силу струму, через нитку розжарення, візуально контролюючи, добиваємося, щоб колір нитки розжарювання зрівнявся з кольором обраної для безконтактних вимірювань частини поверхні предмета. Припустимо, що проводиться вимір температури поверхні розжареної металевої заготовки, що спостерігається як біла пляма.
- При слабкій силі струму, нитка світиться червоним кольором (рис.1).
- У міру збільшення струму, нитка поступово розжарюється до білого кольору і стає видимою на білому знову ж фоні (рис. 2).
Насправді фізично вона нікуди не зникає і з'явиться знову після зменшення сили струму. Але принцип вимірювання полягає якраз у візуальному зникненні, в цей момент і проводиться точне вимірювання температури.
Якщо це сталося, подальший перерахунок питання суто технічне за показаннями вбудованого в ланцюг живлення лампи мілліамперметра. Останній вимірювальний прилад може бути безпосередньо відградуйований в градусах Цельсія/Фаренгейта.
Відзначимо важливу перевагу мнохроматичних, на відміну від інфрачервоних – в рази знижений вплив перешкод, пов'язаних з невірно налаштованим коефіцієнтом збільшення, вплив температури навколишнього середовища, включаючи повітря і поруч розташованих предметів, і в особливості середовища між інфрачервоним датчиком і досліджуваним об'єктом.
У виробничих умовах присутнє забруднення пиловими частинками, що утворюються газами і водяною парою. Кожен з цих факторів вносить похибку в точне вимірювання температури, поглинаючи теплове випромінювання.
Наведемо приклад. Якщо між вимірюваною поверхнею і двома безконтактними приладами помістити, наприклад прозоре скло, ІЧ-потік до інфрачервоного пірометру перерветься і провести точне вимірювання температури не вийде, а ось для мнохроматичного приладу це не перешкода – світло які і раніше, буде проникати через скло і вимір можна продовжувати.
Саме тому точне вимірювання високої температури, засноване на візуальному порівнянні яскравості, ідеально підходить для промислового застосування на заводах, в металургійних і машинобудівних цехах, а мнохроматичні дистанційні вимірювачі температури стійко займають свою нішу.
Ще раз нагадаємо особливість і одну з відмінностей монохроматичних пірометрів – нижня межа температур становить не менше 500°С, а найчастіше 800 °С.
При більш низьких цифрах, тьмяне світло не дозволить безпосередньо проводити візуальне спостереження. Вже з однієї цієї причини зрозуміло, що оптичні високотемпературні пристрої затребувані переважно в заводських цехах – в побуті такі температури швидше виняток з правил. Ну хіба що крім зварки.
Для цього необхідний еталон у вигляді чорного тіла. Проводячи виміри нагрітої поверхні через заданий інтервал, наприклад в 1 градус шляхом контактного методу, зіставляється сила струму в амперметрі.
Для розрахунку струму в проміжних точках, застосовується метод інтерполяції. Таким чином після градуювання складається таблиця значень, за якими можна побудувати криву вимірювання високої температури.
Мінуси і плюси
Що не відняти них, так це швидкість вимірювання температури – від включення і натискання на курок до результату на дисплея проходить всього кілька секунд.
- Вивчивши вище принцип вимірювання температури за допомогою візуального порівняння яркостей двох нагрітих тіл, немає сумнівів в тому, що витрати часу на точне вимірювання температури шляхом підстроювання регулятора струму в рази або навіть в десятки разів більше.
- Другий полягає в підвищених витратах енергії для розігріву лампочки розжарювання. Одна справа живити батарейкою “Крона” портативний ІЧ пірометр з мізерним споживанням електрики, інше – розжарювати нитку. Не обійтися без акумулятора або доведеться підключатися до електромережі. Втім, в промислових умовах прилади вбудовуються в конвеєр, місце розташування не змінюється і можна протягнути силовий кабель. Точне вимірювання температури важливіше портативності і навіть рахунків за електрику, яке включиться в собівартість виробленої продукції.
- Третій мінус полягає в особливості зору конкретної людини. З цим зазвичай проблем не виникає і людське око здатне дуже точно розрізняти найменші градації яскравості між ниткою і фоном досліджуваного об'єкта. У всякому разі, наших здібностей вистачає, щоб забезпечити мінімальну похибку, допустиму технологічним процесом. Інше питання, якщо в окуляр буде дивитися фахівець з порушеннями в колірному зорі – наприклад страждає на дальтонізм. Але такий розвиток, швидше виняток з правил і принцип повинен базуватися на медичному допуск персоналу.
Втім, кожен з трьох недоліків з лишком компенсується трьома перевагами: очний результат, стійкість перед перешкодами, не потрібно підстроювання коефіцієнта емісії.