У чому різниця між оптичними та інфрачервоними пірометрами

Представлені десятки різновидів пірометрів на ринку України від різних брендів, від китайських до європейських або виробництва США – як простенькі, зовсім без кнопок, тільки при наявності незмінного курка, так і високотемпературні реєстратори температури, з кольоровим дисплеєм, знаходяться на піку сучасних технологій – оптики і електроніки.
Але сама смілива ідея отримувати значення температури на видаленні була реалізована у вигляді готового приладу ще понад століття тому! Коли брати Райт тільки здійснювали свої перші польоти на придуманому прообразі літака.
Яким чином ? Якщо в ті часи ще до перших транзисторів і тим більше до мікросхем були ще десятиліття.
Як виявилося це все абсолютно не потрібно. Але найцікавіше, що навіть зараз щоб виміряти температуру, досить простих стрілочних аналогових приладів. Але такий варіант більше підходить для виробничих завдань і для високих температур, коли досліджуваний предмет починає розжарюватися і світитися.

1. Йдеться про так звані оптичні пірометри. Але ці пристрої все-таки досить рідкісні, в продажу їх практично не зустрінеш – поставки тільки під спеціальні завдання. Ціна висока, обслуговування складне. Щоб отримати значення температури, потрібен певний досвід.
2. Інші справа – інфрачервоні. У буквальному сенсі ручні. Навіть самі "наворочені" можна носити в руці і отримати результат, просто натиснувши на курок.

Ось про перших і других, ми і поговоримо.

Оптичні пірометри – яскравість розповість про температуру

Різні групи використовують різні ділянки спектру випромінювання тел. Що це означає?
Якщо ми будемо нагрівати цвях у вогні газового пальника, то він почне світитись більш яскравим світлом - спочатку помаранчевим, червоним залежно від ступеня нагріву.

Виникає проста ідея. А що якщо побудувати таблицю, зіставивши видимим значенням яскравості, реальну температуру. Наприклад таку.

Що це дає? Досить один раз вивести таку залежність і потім лише за зовнішнім виглядом (кольором), об'єкта, що нагрівається,  можна відразу визначити його температуру.
Інше питання що ця таблиця грубувата. Треба брати інтервал хоча б в 1 градус, але тоді проблема в тому, що не вистачить багатства нашої мови, щоб описати словами колірний вимір температури в інтервалі наприклад від 20 градусів (кімнатна температура) до 1000 градусів.
Але найголовніше, що встановлена залежність кольору від температури. Звертаємо увагу, що ми ведемо мову виключно про видиму частину спектра. Тобто те, що ми бачимо безпосередньо нашими очима. А слова можна замінити наприклад рівнями напруги або силою струму.
Але нагріте тіло випромінює і в іншому інфрачервоному спектрі, саме тому і носять таку назву ІЧ пірометри.
Потік променевої невидимої енергії, який вони збирають, спостерігати неможливо. Наші органи чуття безсилі. Інфрачервоні промені ми не відчуваємо, як наприклад і ультразвук або ультрафіолетове випромінювання.

Отже, ми підійшли впритул до оптичних пірометрів. У першому наближенні зрозуміло як вони працюють - вимірюють яскравість у видимому спектрі. Є й інші особливості:

• при їх застосуванні оператор бере пряму участь в процесі вимірювання, відповідно повинен мати більш високу кваліфікацією, на відміну від користувачів інфрачервоних, де від людини вимагається лише направити прилад на об'єкт і натиснути на курок;
• діапазон виміру температур знаходиться в межах від 700 до 3200 градусів, а з використанням спеціальних фільтрів до 7000 градусів.

Чому настільки широкий інтервал?
Справа в тому, що при температурах в 100-200-300 ℃ світність в оптичному діапазоні дуже низька і визначити її візуально не представляється можливим. Наприклад якщо ми кип'ятимо чайник, то немає можливості за зовнішнім виглядом сказати, гарячий він чи ні - низькотемпературний нагрів.

Як відбувається процес вимірювання? Потрібен еталон, світність якого можна змінювати. Ця лампа або нитка розжарення. Це калібровані елементи, для яких заздалегідь існує шкала залежності струму, що протікає, від їх яскравості.
Тобто у нас є розігрітий об'єкт і інший, еталонний, що світить на його тлі. За допомогою реостата (змінного опору), ми підстроюємо струм, а значить міняємо яскравість світіння зразка. Як тільки 2 яскравості зрівняються, по таблиці або якщо вимірювальний прилад відразу відградуйований у одиницях виміру температури, ми і отримуємо шукане значення.
Такі пірометри ще називаються зі зникаючою ниткою, тому що нитка на тлі об'єкта, як тільки порівнюється по яскравості, в прямому сенсі слова зникає.

Серйозна перевага їх в тому, що вони можуть вимірювати температуру малих за габаритами і тонких предметів, наприклад труби малого діаметра.
Для інфрачервоних існує обмеження – предмет повинен цілком поміщатися в так зване поле зору. Якщо він виходить за його межі, то може впливати паразитне випромінювання від сусідніх об'єктів, спотворюючи результат. А визначити чи входить предмет повністю в пляму візування (інша назва поля зору) або не входить, дуже складно, оскільки інфрачервоні промені невидимі. Частково в цьому може допомогти лазерна указка, яку направляють в центр.
А ось для оптичних безконтактних все простіше. Для особи, яка здійснює виміри, по суті потрібно тільки єдине - щоб об'єкт (або навіть частина його) був на тлі нитки розжарювання, щоб можна було візуально порівняти яскравості двох об'єктів.
Так, це не миттєво, треба покрутити і подивитися, але ще раз повторимося – плюс це найширший діапазон. Що стосується того, що доведеться налаштовувати ток і для цього потрібен час, то оптичні прилади для дистанційного вимірювання температури гарні для періодичних вимірів, коли поспішати нікуди.

Швидкісні інфрачервоні – дані по кліку курка

Тут принцип дії радикально інший. Перш за все використовується ІЧ частина спектра випромінювання. Промені з нагрітого тіла надходять на вхідну лінзу для фокусування в одній точці всередині приладу. Ця теплова енергія, пропорційна температурі, надходить на інфрачервоний детектор – перетворювач і перетворюється в електричний сигнал. Ця напруга вимірюється одиницями вольт (враховуючи, що елементом живлення є Крона 9В).

Але виникає проблема з різною здатністю тіл випромінювати, а саме співвідношенням між відбитою, поглиненою і енергією, яка випромінюється. Це так званий коефіцієнт випромінювання або емісії - безрозмірна величина, що приймає значення в інтервалі від 0,1 до 1,0.
Основна відмінність професійних пірометрів, на відміну від найпростіших в тому, що цей показник можна задати вручну, відкоригувавши таким чином підсумковий результат, який вийде точніше.

Наведемо кілька прикладів. Полірована сталь або наприклад сніг, більшу частину енергії відображають. Як наслідок, в приймальню систему надходить інфрачервоний потік зниженої інтенсивності і ми отримаємо результат, що відрізняється від реальності на кілька градусів, а т і десятків градусів.
Яке значення коефіцієнта задавати?
Є два шляхи.

1. Скористатися спеціальними таблицями, яких багато в інтернеті, або вони йдуть часто в роздрукованому вигляді в комплекті поставки.
2. Використовувати допоміжний контактний датчик, який видає еталонний результат температури. Маючи це значення і підлаштовуючи коефіцієнт емісії, можна домогтися мінімальної різниці між дистанційним методом вимірювання температури і контактним.