Оптическое разрешение пирометра это

Содержание

Введение

Радиационные термометры (или пирометры) представляют собой неконтактные температурные датчики, действие которых основано на зависимости температуры от количества теплового электромагнитного излучения, полученного от объекта измерения. Это целая группа приборов, которая включает как приборы, измеряющие температуру точки на объекте, области на объекте, или позволяющие получить картину одномерного и даже двумерного распределение температуры на заданной площади измерения. Радиационные термометры очень широко используются в различных отраслях промышленности: металлургии, производстве стекла и керамики, полупроводников, пластика, бумаги и т.д. Радиационные термометры используются также в медицине, криминалистике, системах спасения людей и охраны.

Главная трудность состоит в измерении температуры тела, излучательная способность которого неизвестна. Объект измерения чаще всего далек от абсолютно черного тела, это может быть окисленная поверхность, полупрозрачное стекло, зеркальная поверхность и т.д. Кроме того, возникают трудности учета излучения, испущенного близлежащей областью и излучения отраженного от соседних объектов. К сожалению, не существует ни одного метода оптической пирометрии, который мог бы охватить весь набор встречающихся ситуаций. Однако разработаны различные подходы, каждый из которых способен преодолеть одну или две вышеупомянутые трудности.

Приборы этого типа имеют множество наименований: оптические пирометры, радиационные пирометры, пирометры полного излучения, автоматические инфракрасные термометры, термометры непрерывного излучения, линейные сканеры, тепловизионные радиометры, поверхностные пирометры, пирометры отношения, двухцветовые пирометры и т.п. Эти наименования больше связаны с назначением приборов. Общий термин, который применим к данному классу приборов и имеет техническое функциональное значение – радиационные термометры.

В последнее время возрос интерес к формированию международной универсальной терминологии в неконтактной термометрии и разработке номенклатуры международных требований к характеристикам радиационных термометров. Так, в 2006-2007 разрабатывался новый стандарт МЭК “Технические требования к радиационным термометрам”. (IEC TS 62492 Radiation thermometers — Part 1: Specifications for Radiation Thermometers). Новый стандарт введен в обращение в марте 2008 г. Об участии российских специалистов в разработке стандартов МЭК cм. раздел РГЭ.
Подробный анализ терминологии в области пирометрии и тенденций в развитии терминов дается в опубликованной на сайте статье директора ООО «ТЕХНО-АС» С.С. Сергеева «Тенденции изменения терминологии в пирометрии». Приглашаем обсудить базовые термины в разделе форума «Термины и определения в области термометрии».
Радиационные термометры представляют собой развивающиеся приборы, множество докладов на международных конференциях и множество публикаций в журналах посвящено совершенствованию неконтактных методов измерения температуры и повышению их точности. Надеемся, что на нашем сайте Вы сможете прочитать статьи о новинках в этой области в разделах «публикации» , «производители неконтактных датчиков температуры», «каталог приборов».

Два основных метода пирометрии

Практическая пирометрия возникла на рубеже 19 и 20-го веков. Примерно тогда же и сформировались два основных метода пирометрии: радиационная (яркостная) пирометрия и цветовая пирометрия. Названия эти с течением времени менялись и корректировались, но суть методов осталась неизменной. Метод яркостной пирометрии (называемой также радиационной пирометрией, пирометрией по излучению) использует зависимость энергетической яркости излучения объекта в ограниченном диапазоне длин волн от его температуры. Другими словами, яркость излучения объекта зависит от его температуры. Следовательно, измерив яркость излучения объекта, мы можем измерить (с той или иной точностью) значение температуры объекта. Таким образом, ключевым элементом радиационного пирометра является приемник излучения, преобразующий приходящую на него энергию излучения в иную физическую величину, чаще всего в ток или в напряжение. Его дополняют оптическая система, собирающая в определенном телесном угле излучение от объекта, и электронная схема с системами питания и индикации, усиливающая, преобразовывающая и отображающая результат измерения.

Метод цветовой оптической пирометрии первоначально основывался на зависимости спектрального распределения потока излучения нагретого объекта от температуры в диапазоне видимых длин волн. Другими словами, от температуры нагретого объекта зависел цвет его излучения. Объекты, нагретые до 700–800°С, светят темно-оранжевым светом, при 1000–1200°С цвет свечения становится ярко-оранжевым, постепенно переходя в желтый, при 2000°С цвет воспринимается нашим глазом как ярко-желтый, а после 2500°С свечение приближается к белому цвету. Долгое время основными элементами цветового сравнения были глаз оператора и нагретая нить накала (или спираль), расположенная в окуляре пирометра в поле зрения оператора. Нить в окуляре совмещалась с изображением измеряемого объекта. Регулируя проходящий через накальную нить электрический ток, оператор подбирал такое его значение, чтобы цвет нити совпадал с цветом измеряемого объекта. При определенном значении тока изображение нити "исчезало" на фоне нагретого объекта, что являлось критерием равенства температуры объекта и нагретой нити. Кстати, отсюда пошло и распространенное в литературе название подобных пирометров – пирометры с исчезающей нитью.
В силу особенностей человеческого зрения описанный метод при опоре на восприятие цвета человеческим глазом имеет серьезные ограничения в точности и повторяемости результатов измерений. Поэтому с развитием компонентной базы весьма субъективные визуальные измерения были вытеснены измерениями с помощью нескольких приемников излучения, работающих в различных спектральных диапазонах. Таких приемников может быть и три, и семь, но на практике чаще всего ограничиваются двумя. Таким образом, в настоящее время этот метод основан на зависимости от температуры отношения энергетических яркостей объекта в двух различных областях спектра излучения. Соответственно, этот метод получил название метода пирометрии спектрального отношения. (Источник: ФОТОНИКА 4/2009)

Спектр электромагнитного излучения

По спектральному диапазону термометры излучения могут быть разделены на следующие виды: полного излучения, широкополосного излучения, узкополосного излучения (монохроматические). Широкополосные пирометры работают обычно в широком диапазоне волн от 0,3 мкм до 2,5 — 20,5 мкм. Для наглядности приведем полный спектр электромагнитного излучения, где указаны границы ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей. (Источник: en.wikipedia.org)

Монохроматические яркостные пирометры

В 21 веке бесконтактные термометры, которые наиболее часто стали называть ИК-термометрами, что означает инфракрасные радиационные термометры, стали особенно востребованным и популярным видом температурных приборов. Существует множество разновидностей пирометров и инфракрасных приборов. Приборы, дающие возможность получить изображение распределения температуры по поверхности объекта называют тепловизорами или тепловизионными камерами. Несмотря на то, что по точности пирометры сильно уступают контактным датчикам температуры, они незаменимы там, где необходимо быстро и безопасно сделать отсчет температуры поверхности. Инфракрасные термометры применяются для диагностики тепловых и электрических линий передачи, источников тока, обнаружения неисправностей, вызванных утечками тепла, коррозией контактов и т.д. Данный вид приборов востребован также там, где трудно или невозможно использовать контактный датчик — для оценки температуры сильнонагретых движущихся объектов, мощных моторов и турбин, расплавленных металлов. Одним из самых новых применений инфракрасных термометров является медицинская диагностика.

Большинство современных ИК термометров представляют собой портативные и, как правило, очень простые в обращении приборы. Однако существуют особенности их применения, которые необходимо учитывать пользователям, рассчитывающим получить наиболее точный результат измерения температуры. Критическими параметрами любого инфракрасного термометра являются оптическое разрешение и излучательная способность.

Оптическое разрешение

Иногда оптическое разрешение называют показателем визирования. Оптическое разрешение определяется отношением диаметра пятна (круга) на поверхности, излучение с которого регистрируется пирометром к расстоянию до объекта. Чтобы правильно выбрать прибор, необходимо знать сферу его применения. Если нужно измерять температуру объекта с расстояния 4 метра, то ИК термометр с оптическим разрешением 4:1 вряд ли подойдет. Диаметр излучающей поверхности будет слишком большой, и в поле зрения термометра попадут посторонние объекты. Лучше выбрать разрешение, по крайней мере, 50:1. Однако если необходимо принимать излучение с небольшого расстояния, то лучше выбрать термометр с разрешением 4:1, т.к у него будет больше минимальная допустимая площадь излучения. Необходимо иметь ввиду, точность измерений температуры может значительно снижаться, если пользователь ошибочно нацеливает ИК термометр на большую площадь, чем площадь измеряемого объекта. У большинства современных термометров имеется специальный лазерный целеуказатель для точного наведения на объект измерения.
.
На рисунке изображен пирометр с оптическим разрешением 6:1 (изображение с сайта компании Fluke) .
.

Излучательная способность (коэффициент излучения)

Коэффициент излучения (называемый иногда «степень черноты») характеризует способность поверхности тела излучать инфракрасную энергию. Этот коэффициент определяется как отношение энергии, излучаемой конкретной поверхностью при определенной температуре к энергии излучения абсолютно черного тела при той же температуре. (см. также раздел СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ). Он может принимать значения от очень малых, ниже 0,1 до близких к 1. ИК термометры, как правило, дают возможность устанавливать для каждого объекта свой коэффициент излучения. Неправильный выбор коэффициента излучения – основной источник погрешности для всех пирометрических методов измерения температуры. Как выбрать степень черноты? Существуют справочные таблицы, показывающие степень черноты для различных материалов и различной обработки поверхности. Таблицы для некоторых распространенных материалов приведены в разделе сайта «Справочник». Необходимо отметить, что на коэффициент излучения сильно влияет окисленность поверхности металлов. Так, если для стали окисленной коэффициент составляет примерно 0,85, то для полированной стали он снижается до 0,075.
Можно также использовать экспериментальные методики. Наиболее распространены в методиках поверки пирометров и тепловизионных термометров следующие методы определения коэффициента излучения.

1. Определите действительную температуру объекта с помощью контактного датчика — термопары, термометра сопротивления и т.д. Затем измерьте температуру с помощью пирометра и подберите такую степень черноты, чтобы показания пирометра совпали с показаниями контактного датчика.
2. При сравнительно низких температурах объекта (до 250°С) можно наклеить на участок поверхности объекта ленту черного цвета (например, электроизоляционную). Затем измерьте температуру ленты с помощью пирометра при установленной степени черноты 0,95. После этого измерьте с помощью пирометра незакрытую лентой часть объекта и подберите такую степень черноты, чтобы показания пирометра совпали с результатом измерения ленты.
3. Если часть объекта может быть окрашена, окрасьте ее матовой черной краской, которая имеет степень черноты около 0,98. Затем измерьте температуру окрашенного участка с помощью пирометра при установленной степени черноты 0,98. После этого измерьте с помощью пирометра неокрашенную часть объекта и подберите такую степень черноты, чтобы показания пирометра совпали с результатом измерения на окрашенном участке.
(источник: методика поверки ИК-пирометров «Термоскоп-100» ООО «Инфратест»). .

Следует отметить, что коэффициент излучения зависит от длины волны. Он тем выше, чем короче длина волны. Кроме того, ошибка, вызванная неточным определением коэффициента излучения, будет пропорциональна эффективной длине волны.

В случаях, когда, например, надо измерять температуру поверхности частично окисленного металла преимущество коротковолновых пирометров очевидно, т.к. окисленный слой будет иметь высокую и стабильную излучательную способность скорее при короткой длине волны, чем при длинной. Кроме того, коротковолновые яркостные пирометры обычно менее подвержены влиянию атмосферного поглощения, чем пирометры широкого спектра. Если поглощение вызвано частицами или каплями на пути визирования, уменьшенное значение погрешности при коротких волнах будет иметь меньшую относительную зависимость измерений температуры от энергии.

Поэтому там, где требуется высокая точность измерения температуры поверхности рекомендуется использовать коротковолновый яркостный пирометр.

Название “коротковолновый” – относительное, например при Т=1000°С 1мкм – короткая длина волны; в то время как при Т=10°С 10 мкм также считается короткой длиной.

За критерий эффективной длины волны для отнесения пирометра к достаточно “коротковолновому” принимается максимальная длина волны, которая должна быть настолько короткой, чтобы обеспечить достаточную энергию для получения необходимого отношения сигнал-шум от детектора при минимальной измеряемой температуре.

При выполнении теоретического анализа эффективной длины волны обычно исходят из предположения, что пирометры используют узкий диапазон волн и поэтому изменение показаний в зависимости от изменения температуры может быть определено по закону Планка.

где I(ν)dν — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне частот от ν до ν + dν.

это выражение эквивалентно следующему:

где u (l) d l — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне длин волн от l до l + d l

Спектральный диапазон пирометра. Эффективная длина волны

На практике, большинство приемников излучения имеет существенно широкий диапазон волн и даже использование фильтров не достаточно ограничивает диапазон волн, чтобы можно было считать его строго монохроматическим. Однако кривая энергии в зависимости от длины волны очень крутая при короткой длине волны, и показания пирометров четко согласуются в значительном температурном диапазоне с расчетами Планка, соответствующими длине волны близкой к “отсечной” верхней длине волны системы приемник-фильтр. Понятие эффективной длины волны является весьма удобным для оценки скорости изменения энергии (и следовательно показаний пирометра) с изменением температуры, а также погрешности, возникающей от ошибки в определении коэффициента излучения поверхности.

В МЭК 62942 дано следующее определение спектрального диапазона и эффективной длины волны пирометра:

4.1.1.9 Спектральный диапазон

Спектральный диапазон приводится в мкм или нм. Спектральный диапазон определяется как нижний и верхний предел длины волны при достижении спектральной чувствительности 50 % от пика чувствительности. Может также приводится основная (эффективная) длина волны и полная ширина полосы пропускания, в которой чувствительность достигает 50 % от пика чувствительности (полная ширина на половине максимума (FWHM)).
Общепринято для монохроматичеких пирометров приводить эффективную длину волны в спектральном диапазоне и полную ширину на половине максимума (FWHM), а для широкополосных пирометров приводить верхний и нижний предел.

Приведем таблицу из МЭК 62942 (приложение 1), демонстрирующую изменение показаний пирометра, соответствующее изменению принимаемого излучения на 1 %, при опорной температуре пирометра 23 °С

Изменение в индицируемой температуре соответствующее изменению принятого пирометром потока излучения рассчитывалось как:

В следующей таблице приведена погрешность, обусловленная 10% изменением излучательной способности при 500°С.

Из приведенных данных следует, что всегда следует выбирать пирометр с самой короткой длиной волны, которая позволяет провести необходимые измерения самой низкой температуры в диапазоне измерения.

Кроме сложности учета коэффициента излучения объекта, яростные пирометры имеют ряд иных существенных недостатков, их результаты зависят от: расстояния до измеряемого объекта, формы объекта, запыленности и загазованности промежуточной среды, наличия защитных стекол и непрозрачных объектов в поле зрения пирометра, боковых засветок при работе с крупноразмерными объектами, переотражений измеряемым объектом излучения сильно нагретых объектов, расположенных рядом. Как видите, факторов, мешающих получению радиационными пирометрами точных результатов, набирается с десяток. Именно поэтому пользователи все чаще и чаще задумываются об использовании пирометров спектрального отношения, более дорогих, чем радиационные, но свободных от многих вышеперечисленных недостатков.

Пирометры спектрального отношения

Пирометры спектрального отношения определяют температуру объекта по отношению сигналов от двух приемников, работающих на разных длинах волн. Такой принцип измерения температуры позволяет избавиться от большинства недостатков, свойственных яркостным пирометрам. Зависимость сигнала от расстояния одинакова для обоих приемников пирометра спектрального отношения, поэтому на отношение сигналов она не влияет. Форма измеряемого объекта, запыленность и загазованность промежуточной среды одинаково влияют на сигналы с обоих приемников, оставляя неизменным их отношение.

Пирометры спектрального отношения нечувствительны к боковым засветкам от крупноразмерных объектов, наличию небольших непрозрачных объектов в поле зрения пирометра, к наличию защитных стекол, например стекол смотровых окон в вакуумных камерах. Отношение сигналов по-прежнему остается неизменным. Да и отличие значения коэффициента излучения?измеряемого объекта от 1 чаще всего приводит к одинаковому уменьшению сигналов с обоих приемников. Поэтому отношение сигналов слабо зависит от излучательной способности ?объекта.

Необходимо отметить два основных недостатка пирометров спектрального отношения. Во-первых, пирометр спектрального отношения сложнее радиационного, априори состоит из большего числа элементов, труднее калибруется. Поэтому стоимость таких пирометров больше, чем монохроматические. Во-вторых, излучательная способность измеряемого объекта все же? влияет на результаты измерений. Точнее, результат измерения пирометра спектрального отношения зависит не столько от величины излучательной способности или от ее изменения от объекта к объекту, сколько от спектральной зависимости коэффициента излучения от длины волны. С ростом длины волны спектральная излучательная способность снижается. Это приводит к тому, что сигнал длинноволнового приемника пирометра спектрального отношения оказывается заниженным по сравнению с коротковолновым. По этой причине показания пирометра спектрального отношения оказываются завышенными нередко более чем на 10%.

В некоторых современных пирометрах спектрального отношения применяется специальная техника автоматической коррекции влияния изменения коэффициента излучения от длины волны. Для ряда материалов, в том числе высоколегированных сталей, была исследована зависимость коэффициента излучения от длины волны и подобрана универсальная корректирующая кривая, подходящая как для чистого железа и высоколегированных сталей, так и для ряда других металлов (никель, кобальт и т.п.). При этом для большинства этих металлов коррекция возможна до уровня, при котором погрешность измерений в диапазоне температур от 600 до 2400°С составляет всего 1–1,5% (для кобальта –до 2%). Указанный способ коррекции не только сохраняет все преимущества, которыми обладают пирометры спектрального отношения, но и избавляет пользователя от необходимости вводить в прибор корректирующий коэффициент, значение которого ему неизвестно, и заменяет механическую подстройку. Поэтому измерения температуры многих металлов выполняются без роста погрешности во всем диапазоне измеряемых температур. (Источник: А.Фрунзе « Пирометры спектрального отношения: преимущества, недостатки и пути их устранения», ФОТОНИКА 4/2009)

Чтобы измерить температуру бесконтактным методом, используется пирометр, в народе его еще называют инфракрасный термометр. Это высокоточное оборудования позволяет измерять температуру, находясь в нескольких метрах от объекта.

Сейчас такое оборудование используется не только в промышленности, энергетики, медицине и других областях, есть и бытовые аппараты. Стоимость мобильных моделей невысокая, поэтому они эффективно применяются для контроля хранения продуктов, медикаментов, ими оснащаются пожарные команды и т.д.

Виды пирометров

Пирометр представляет собой сложное устройство, при помощи которого на расстоянии можно измерить температуру объекта в диапазоне от -50 до +3000 градусов. Есть много технологий измерения и расшифровки инфракрасного излучения. Такие приборы классифицируют:

По методу работы:

• Инфракрасные пирометры, у них также есть другое название — радиометры, в основе их работы лежит радиационный метод, а для точности наведения, они оснащаются лазерными прицелами.

• Оптические, они работают в диапазонах видимого и инфракрасного излучения.

Оптические приборы имеют свою классификацию:

• Яркостные, их принцип работы основан на сравнении цвета излучения встроенной нити и исследуемого объекта.
• Цветовой, работает на основе сравнения яркости тела в разных областях спектра.

По способ перемещения. Они могут быть оптическими или лазерными.

По коэффициенту излучения. Он может быть фиксированным или переменным.

По способу перемещения:

• Стационарные устройства используются в разных отраслях промышленности.

• Мобильные варианты используются в быту или там, где важна мобильность прибора.

По диапазону измерений:

• Низкотемпературные пирометры могут измерять отрицательные температуры от -50 градусов.
• Высокотемпературные — они позволяют измерять температуру +400 и больше градусов.

Устройство прибора

Несмотря на то, что существует большой выбор приборов, которое отличается по размерам, возможностям и своему назначению, устройство у них практически одинаковое.

Стандартные приборы внешне походят на пистолет, и в своем составе имеют такие элементы:

Если присутствует лазерное наведение, то объект должен находиться в зоне прямой видимости. У оптоволоконных моделей есть оптоволоконный кабель, который можно изгибать. Недостатком оптоволоконных моделей является то, что кабель надо расположить от объекта на определенном расстоянии, что не всегда удобно, зато сам измерительный прибор будет находиться на безопасном расстоянии вне зоны действия высокого давления, электромагнитных излучений и т.д.

• Пирометр может иметь аналоговый или цифровой экран.
• Чтобы обеспечить точность измерений, диаметр измеряемой поверхности, должен быть не менее 15 мм.
• Кроме визуального контроля температуры, пирометры имеют и звуковое оповещение, оно срабатывает, когда достигается определенная граница измерений.
• При выполнении нескольких измерений, есть возможность определить среднее значение.
• Имеется возможность сохранения в памяти полученную информацию.
• В большинстве современных устройствах уже есть USB выход, что позволяет быстро и просто считывать с них информацию.

Принцип действия

Рабочими элементами в инфракрасном пироскопе являются линза, приемник инфракрасного излучения и экран, на котором можно увидеть результаты измерений. От исследуемого объекта идет инфракрасное излучение, которое при помощи линзы фокусируется, а затем направляется в приемник, который может быть в виде полупроводника или термопары, а когда их несколько, то термобатареи.

Когда ИК-приемник нагревается, то изменяется напряжение, в случае использования термопары или сопротивление, когда используются полупроводники. Эти изменения при помощи электронной системы преобразуются в показания температуры и выводятся на дисплей.

Изменение температуры измеряемого объекта приводит к изменению его инфракрасного излучения и это все отражается на экране пироскопа. Для проведения измерений, надо просто навести пироскоп на исследуемый объект, нажать на спусковой крючок и зафиксировать полученный результат. При помощи кнопки, можно выбрать измерение температуры по шкале Фаренгейта или Цельсия.

Область применения

Основные сферы деятельности, где могут использоваться пирометры:

• Строительство и теплоэнергетика. В этой области они используются для расчета теплопотерь зданий, также они помогают искать повреждения теплоизоляционного слоя на трубах, стенах и других объектах.
• Бытовое применение. В бытовых условиях при помощи таких приборов определяют температур тела, воды, еды, деталей автомобилей и др.
• Промышленность. Такие приборы позволяют на расстоянии анализировать температуру различных процессов, как в машиностроении, металлургии, так и в других областях промышленности.
• Наука. Здесь они используются для определения точной температуры веществ и предметов, во время проведения различных опытов и исследований.

Как выбрать пирометр

Существует большой выбор моделей указанного оборудования. Приобрести пирометр для бытовых нужд можно в специализированных магазинах. Во время его приобретения, надо обращать внимание на следующие характеристики:

• Диапазон измеряемых температур, надо учитывать, с какой целью вы его собираетесь использовать.
• Спектральный диапазон, он должен соответствовать тому спектру, в котором планируете выполнять измерения.
• Тип прицела, он может быть лазерным или оптическим, его выбор зависит от расстояния до объекта.
• Оптическое разрешение, этот параметр характеризует расстояние до объекта и его размер.
• Прибор одно- или двухцветный, первый вариант более популярный, а второй используют, когда обследуемый объект движется или быстро меняет температуру.
• Наличие звуковой сигнализации, она срабатывает, когда значения температуры выходят за установленные пределы.
• Способ вывода результатов, они могут просто выводиться на экран, запоминаться или передаваться на компьютер.

Достоинства инфракрасных пирометров:

• Простая конструкция, поэтому они редко ломаются.
• Удобная и несложная эксплуатация.
• Невысокая стоимость.
• Мобильность.
• Хорошая разрешающая способность.
• Способность проводить измерения температуры до — 50 градусов.

Наличие большого числа преимуществ, делают пирометр популярным и распространенным, но есть у него и некоторые недостатки:

• Результат измерений будет зависеть от излучательной способности предмета, температура которого измеряется. Для компенсации такой погрешности, на современных приборах есть соответствующие регулировки.
• На точность проводимых измерений имеет влияние расстояние между прибором и объектом.

Главное преимущество оптических пирометров в том, что точность измерений не зависит от излучательной способности предмета и от расстояния до него. Современные оптические пироскопы будут давать погрешность в 1 градус в диапазоне температур 600-2400°С. Основным их недостатком является высокая цена. Такие пирометры менее популярные, по сравнению с инфракрасными приборами.

Особенности работы

Чтобы получить максимально точные результаты измерений, надо четко соблюдать расстояние, с которого оно выполняется, узнать его можно из инструкции к каждому прибору.

Некоторые пирометры имеют спусковой механизм, который работает в двух положениях. Если клавишу нажать до половины, то можно сканировать неоднородные по температуре участки. На дисплее результат будет постоянно меняться. Во втором положении, определяется наивысшая температура, после чего она фиксируется на экране.

Наличие переключателя коэффициента излучения помогает правильно настроить пирометр и получить точные результаты. В комплекте с пироскопом, обычно есть таблица, согласно которой проводятся такие настройки.

Как и любые другие приборы, пирометры имеют свои недостатки, но благодаря им можно измерять температуру объекта бесконтактно, что делает их в некоторых случаях просто незаменимыми. Современные бытовые устройства имеют доступную стоимость и способны обеспечивать необходимую точность измерений.

Инфракрасные термометры (или по другому пирометры) предназначены для измерения температуры бесконтактным способом. Принцип действия пирометра основан на измерении мощности теплового излучения объекта в инфракрасном диапазоне. Англоязычное написание: pyrometer, infrared thermometer.
Объектами измерения пирометра могут быть как твердые предметы, так и сыпучие, а также жидкости. Применение пирометров возможно не только в промышленности, но и в радиолюбительской практике, а также быту.

Перечислим лишь некоторые из задач, где может пригодится пирометр:

• измерение нагрева корпусов микросхем, транзисторов, теплоотводов, трансформаторов;
• определение места перегревания выключателей, контакторов и пускателей;
• определение местонахождения перегрева подшипников;
• определение места проводки, скруток и соединений;
• проверка оконных и дверных рам на предмет утечки тепла;
• выявление горячих и холодных труб;
• проверка потерь тепла через изоляцию, обнаружение плохой изоляции в стенах зданий;
• определение температуры пищи

Пирометры незаменимы там, где необходимо измерить уровень температуры в труднодоступном или опасном месте, на движущемся объекте. Еще одним достоинством бесконтактного способа измерения температуры является то, что пирометр не вступает в непосредственный контакт с измеряемым объектом, и в следствии этого отсутствует влияние измерителя на температурное поле нагретого тела. Ну и конечно же немаловажным фактором является скорость измерения температуры — не более 1-2 секунд.

Основные параметры пирометров

Одной из основных характеристик бытовых пирометров является диапазон измеряемых температур. Даже недорогие пирометры способны измерять в диапазоне от -50 до 1000 градусов С, что позволяет перекрыть самый широкий спектр задач.

Немаловажным параметром является точность измерения. Как правило, в Китайских пирометрах среднего ценового диапазона (продающихся на AliExpress, DealExtreme, TinyDeal и др. площадках) точность составляет 1ºC. При чем точность может зависеть от диапазона, скажем в диапазоне 0. 1000 градусов точность будет 1.5 ºC, а в отрицательном диапазоне -50. 0 точность будет уже ниже: 3ºC.
Хочу обратить особое внимание, что некоторые путают точность (accuracy) с разрешением (resolution). Нечестные продавцы таким образом также могут ввести покупателя в заблуждение, сделав в описании акцент на разрешении 0.1ºC, и при этом где-нибудь маленьким шрифтом упомянуть точность в 5%. Поэтому при покупке пирометра следует различать и не путать эти две характеристики.

Время измерения — в целом все пирометры достаточно быстродейственны и измеряют температуру за 0.5-1 сек.

Возможность настройки коэффициента излучения EMS (Emissivity). Материалы с разной структурой поверхности имеют разные способности излучать и поглощать энергию. А т.к. пирометр измеряет температуру бесконтактным способом, то к примеру для отражающих материалов — алюминий, золото, вольфрам, металл, способность отражения будет 70-80%, а для бумаги, воды, кирпича 10-20%. Коэффициент излучения определяется отношением энергии, излучаемой объектом при заданной температуре к энергии, испускаемой абсолютным излучателем при той же температуре. Коэффициенты излучения колеблются в пределах от 0.1 до 1.0. И если в приобретаемом пирометре нед возможности подстройки EMS, то для отражающих материалов температура будет сильно отличаться от реальной. В интернете существуют специальные таблицы коэффициентов излучения для основных материалов.

Немаловажной характеристикой всех инфракрасных измерителей температуры является оптическое разрешение (более корректное название: показатель визирования). В англ. варианте называется FOV — Field of Vision или distance-to-spot ratio (D:S ratio). Бывает 12:1, 16:1, 20:1 и т.д. При увеличении расстояния до объекта измерения (D) диаметр пятна (S), на площади которого прибор измеряет температуру, становится больше. Зависимость диаметра пятна от расстояния до объекта для прибора показана на следующем рисунке:

Т.е. чем больше величина показателя визирования, тем уже пятно. Как правило, рисунок с значениями D:S указывается на корпусе пирометра. Пирометры с большей величиной показателя визирования стоят дороже. Пирометр с показателем визирования 20:1, при прочих равных будет существенно дороже чем пирометр с величиной 10:1.

С параметрами разобрались, идем далее.

Некоторые люди путают пирометры с тепловизорами. Это 2 совершенно разных класса устройств, хотя оба в той или иной степени предназначены для анализа данных о температуре объекта. Тепловизор используется для измерения и отображения распределения температуры на исследуемой поверхности объекта. Т.е. он позволяет визуализировать картину теплового излучения наблюдаемого объекта.

Если в пирометре для снятия показания температуры с объекта используется лишь один ИК датчик, то в тепловизорах это целая матрица датчиков чувствительных к инфракрасному излучению. Плюс сложная конструкция линзы, электроника для обработки сигналов с датчиков в реальном времени и устройство отображения.

Самые известные фирмы на рынке тепловизоров: Flir и Fluke. Стоимость тепловизоров как правило начинается от 1000$. Хотя относительно недавно появилась недорогая модель Flir One — приставка к IPhone, которая стоит около 400$. А также Seek Thermal стоимостью 200$, с вариантами и для iPhone и для Android.
Если не стоит задача визуализировать температуру движущихся объектов, или объектов у которых быстро меняется температура поверхности, то можно сделать сканирующий тепловизор своими руками, на основе веб-камеры, датчика MLX90614, платы Arduino и пары серво. Подключение к ПК или ноутбуку для обработки и отображения. Обработка данных происходит при помощи кросплатформенного программного обеспечения написанного на Java. О бойдется такой DIY-вариант весьма недорого — стоимость комплектующих в районе 100$. Статья: сканирующий тепловизор своими руками

Найти пирометры к примеру на площадке AliExpress можно в разделе " Temperature Instruments ". Небольшая таблица популярных моделей инфракрасных термометров:

Диапазон температур	Точность	D:S	EMS	Цена
GM300	-50. 330°C	1.5 °C, 3°C	12:1	0.95 фикс.	15$
GM320	-50. 330°C	1.5 °C, 3°C	12:1	0.95 фикс.	15$
GM550	-50. 550°C	1.5 °C, 3°C	12:1	0.95 фикс.	20$
GM700	-50. 700°C	1.5 °C, 3°C	12:1	0.1. 1.0	32$
GM900	-50. 900°C	1.5 °C, 3°C	12:1	0.1. 1.0	38$
GM1150	-50. 1150C	1.5 °C, 3°C	20:1	0.1. 1.0	65$
GM1150A	-18. 1150C	1.5 °C, 3°C	50:1	0.1. 1.0	80$
GM1350	-18. 1350C	1.5 °C, 3°C	50:1	0.1. 1.0	110$

Точность в 3°C — при отрицательном значении температур. А 1.5 °C — при положительном

В данном обзоре мы рассмот рим пирометр GM1150 . Это достаточно популярная модель. Хотя и не самая дешевая. Отличается тем, что имеет показатель визирования 20:1, ну и конечно же увеличенный диапазон рабочих температур. Х отя максимальный потолок 1150 ° C, не всем нужен в быту.

Характеристики модели GM1150

Диапазон измеряемых температур	-50. 1150 °C
Точность измерения	1.5 °C
Показатель визирования D:S	20:1
Коэффициент излучения (EMS)	0.1. 1.0
Разрешение (на экране)	0.1 °C
Время измерения	0.5 с
Длина волны	8. 14 мкм
Питание	9В (крона)
Размеры	60х141х200мм
Вес	270 г

Как правило, пирометры "GM" выпускаются под брендом "Benetech". У некоторых продавцов в описании товара можно найти картинки с отличием оригинала от подделки (да-да! Китайцы тоже подделывают Китайцев!). Хотя скорее всего они ничем существенным не различаются, качество скорее всего будет и там и там одинаково средним.

Датчик для измерения температуры и лазерный целеуказатель как правило у пирометров разделены. На фото выше то, что находится выше представляет собой лазерный целеуказатель, а ниже находится сенсор для измерения температуры. При наведении пирометра на измеряемый объект следует учитывать расстояние между ними, т.к. как правило сенсор будет "смотреть" на 2-4 см ниже отметки лазерного указателя. А еще лучше, предварительно потестировать на трубах отопления или других подходящих объектах, чтобы выявить точное место куда смотрит сенсор относительно точки целеуказателя. К примеру в моем экземпляре сенсор смотрел не только ниже, но и левее на 3-4 см.

Назначение кнопок управления интуитивно понятно, и стандартны для этого типа устройств. Есть инструкция с описанием назначения кнопок, а также множество мануалов в интернете. Хотя лично мне это ничего не понадобилось, взяв в руки первый раз этот прибор я разобрался со всеми функциями сразу же.

Пирометр эргономически достаточно удобен и хорошо лежит в руке. Снизу есть закладная с резьбой позволяющая закрепить прибор на штативе. Хотя ось измерения при этом будет смотреть под углом вверх, а не строго горизонтально. В батарейном отсеке есть переключатель градусов: Фаренгейт — Цельсия.

При практическом использовании пирометр показал достаточно хорошую точность измерения температуры. Показания сравнивались с контактным датчиком на основе DS18B20, а также с ручным цифровым термометром на основе термопары. Единственное уточнение — что показания температуры на отражающих поверхностях (сталь, алюминий и т.д.) скачут до 20%. Зависит это от угла, под которым производится измерения.

Насколько такой прибор может быть полезен радиолюбителю? Давайте поставим задачу измерить нагрев SMD-транзистора на плате. Возьмем пирометр модели GM330 с D:S ratio 12:1 и посчитаем диаметр пятна на расстоянии 100мм. Диаметр будет 100/12 = 8.3мм. Т.е. под измерение попадет не только сам транзистор, но и плата, а может быть и близлежащие компоненты. У пирометра с показателем визирования 20:1 ситуация будет чуть получше: 100/20 = 5мм, но как видно для SMD это все равно недостаточно. Если взять пирометр 50:1, то диаметр пятна составит 2мм, но и стоимость такого прибора будет составлять почти 100$. Прибавьте еще сюда тот фактор, что нужно в уме постоянно корректировать точку лазерного указателя и реальное расположение пятна измерения.

Давайте разберем пирометр и посмотрим на его начинку.

Накладка на LCD-экран снимается достаточно легко. Также как и накладка сенсора и целеуказателя.

На фото выше видно, что модуль лазерного целеуказателя просто вставлен в пластиковую накладку. Причем посадочное отверстие в пластике не сильно длинное. Соответственно никакой сверхточности там не может быть. Из-за этого он и косит влево. С другой стороны есть поле для деятельности и можно самому отцентрировать и настроить как нужно.

Сердцем пирометра является микроконтроллер C8051F310 компании Silicon Labs, в основе которого как видно из названия лежит ядро 8051. Даташит (PDF)

Дополнение 01.11.2017

Через три года использования обнаружился следующий "косяк" — при длительном измерении температуры (к примеру 2-3 минуты и более) пирометр начинает занижать температуру, видимо из-за внутреннего нагрева датчика. К примеру при включении пирометра точка А показывала 20 градусов, после этого измеряем другие точки 1 мин и более и возвращаемся вновь к точке А, а она уже показывает 18 градусов. И чем больше измеряем, тем больше разница с первоначальным измерением. По видимому в приборе отсутствует компенсация нагрева датчика. К сожалению не знаю, то ли эта проблема сразу была, то ли появилась со временем, поэтому когда покупаете подобный прибор- хорошо погоняйте его в режиме непрерывных измерений и потом сравните с первоначальной точкой с известной температурой.

В видео вы можете посмотреть на пирометр в работе.