Как устроены и работают бесконтактные термометры

Бесконтактные термометры или пирометры являются сегодня удобными приборами для дистанционного измерения температуры разнообразных объектов, жидкостей или твердых тел. Они широко применяются в теплоэнергетике для оперативного контроля температуры важных участков, в электроэнергетике — для обеспечения пожаробезопасности, в лабораторных условиях, на предприятиях, в строительстве для расчета теплопотерь, в быту, в охранных системах и много где еще.

Первый подобный прибор был изобретен в далеком 1731 году голландским физиком Питером ван Мушенбруком, и измерения производились визуально, можно было по цвету раскаленного тела судить о его температуре. Но современные типы пирометров сильно расширили область своего применения, и позволяют измерять даже температуры близкие к нулю градусов Цельсия и ниже. Однако принцип остался в целом тем же — измеряется мощность исходящего от объекта теплового излучения, и из этого делается заключение о его температуре. Измерения осуществляются в инфракрасном и видимом диапазоне спектра.

В 1967 году американская компания Wahl представила первый переносной пирометр, поскольку именно в 60-е годы были сделаны важнейшие научные открытия, положившие начало развитию направления создания промышленных пирометров, обладающих достаточно высокими характеристиками при небольших габаритах. Принцип на основе построения сравнительных параллелей, с применением инфракрасного приемника, способного определить количество излучаемой объектом тепловой энергии, позволил значительно расширить диапазон температурных измерений как для жидких, так и для твердых тел.

На данный момент пирометры очень популярны, и широко используются для бесконтактного измерения на расстоянии температуры объектов в быту, в сфере ЖКХ, на предприятиях, — везде, где требуется контроль за температурой различных процессов на этапах производства и в процессе работы многих устройств. Пирометры дают возможность безопасно измерить температуру даже раскаленного тела, без необходимости физически контактировать с ним.

Пирометры бывают оптическими, радиационными и цветовыми. Первые позволяют осуществить визуальное сравнение цвета нагретого тела с цветом эталонной нити, и таким образом определить его температуру. Радиационные пересчитывают мощность теплового излучения, и могут измерять довольно широкий спектр температур. Цветовые сравнивают тепловое излучение объекта в различных спектрах, и производят затем вычисление его температуры, такие пирометры также отличаются широким спектром измерения.

Все пирометры можно также разделить на низкотемпературные и высокотемпературные. Низкотемпературные позволяют измерять даже температуры ниже нуля, а высокотемпературные отличаются высоким верхним пределом измерений.

По типу исполнения пирометры различаются на переносные и стационарные. Последние используются на крупных промышленных предприятиях для очень точного и непрерывного контроля за технологическим процессом, например при производстве расплавов пластиков и металлов. Переносные пирометры популярны в быту и в качестве портативных термометров на различных производствах, они наглядно представляют информацию о температуре на дисплее в текстовом или графическом виде.

Устройство и функционирование современного инфракрасного пирометра можно описать следующим образом. Тепловой луч, принятый прибором, фокусируется оптической системой, и затем попадает на датчик температуры (это первичный пирометрический преобразователь), на выходе пирометрического преобразователя получается в результате электрический сигнал, значение которого пропорционально значению температуры исследуемого объекта. Полученный от датчика сигнал проходит далее через электронный преобразователь (это вторичный пирометрический преобразователь), и попадает в измерительно-счетное устройство и в нем обрабатывается. Результат вычислений отображается на дисплее, в наиболее популярных моделях — в виде цифр.

Так, для получения точного значения температуры поверхности исследуемого объекта, пользователю достаточно лишь включить прибор, навести его на исследуемый объект и нажать на пусковую кнопку. Результат измерения отобразится на дисплее в виде цифр или графически в виде разноцветного изображения, где спектрально области низких, средних и высоких температур будут выделены разными цветами.

Основные технические характеристики пирометров:

• оптическое разрешение (выпускаются модели с разрешением от 2:1 до 600:1);

• измеряемый температурный диапазон ( максимальный — от -50° C до +4000° C );

• разрешение измерения — типичные значения 0,1° C или 1° C;

• точность измерения (оптимальной считается ± 1,5%);

• быстродействие (современные пирометры требуют не более 1 секунды);

• коэффициент излучения — может быть настраиваемым или фиксированным;

• способ нацеливания — лазерный целеуказатель или оптическое наведение.

Наиважнейшими параметрами пирометров являются настройка степени черноты объекта и оптическое разрешение (показатель визирования) прибора. Оптическое разрешение пирометра характеризуется отношением расстояния от пирометра до поверхности тела к диаметру круглого пятна на поверхности тела (область точного измерения температуры ограничена этим пятном ), температура которого измеряется.

Так, если требуются температурные измерения с небольшого расстояния, применяют пирометр с небольшим разрешением, например, 4:1, а если измерения планируется проводить с нескольких метров, то разрешение должно быть побольше, чтобы посторонние объекты не попали в поле зрения прибора. Зачастую пирометры оснащаются лазерным целеуказателем для более точного наведения прибора на исследуемый объект.

Степень черноты или коэффициент излучения материала характеризует отражающую способность самого материала, температура которого дистанционно измеряется пирометром. Для инфракрасного термометра, коими и являются популярные сегодня пирометры, данный показатель крайне важен. Он определяет отношение излучаемой исследуемой поверхностью энергии к энергии излучаемой абсолютно черным телом при той же температуре, и значение данного параметра лежит в диапазоне от 0 до 1. Так, окисленная сталь обладает степенью черноты 0,85, а полированная — 0,075.

На многих торговых интернет-площадках, да и в магазинах электроники, сегодня широко представлены портативные пирометры с лазерным нацеливанием, которые отлично подойдут для бытовых нужд, а также специальные медицинские пирометры на замену ртутным градусникам. Для промышленных же целей применяются более точные и более дорогие пирометры, обладающие кроме прочего вспомогательными средствами передачи информации и возможностью соединения с компьютером и специальными устройствами.

Смотрите также: Датчики температуры — терморезисторы