Пирометрия - настольное пособие. Часть 4. Типы пирометров и аксессуаров к ним.

6. Источники помех

Кроме излучательной способности есть несколько других источников помех, которые влияют на точность проводимых измерений.
Вот некоторые из них:

• Присутствие в области измерения дополнительного источника тепла (например, при измерениях температуры металлов в промышленных печах, где стены печи горячее, чем сам объект измерения) сильно влияющего на измерения. Это дополнительное тепло может отражаться целевым объектом измерения, и значение реальной температуры будет не точным.
• Если целевой объект измерений прозрачен и за ним расположено другое горячее тело, то целевой объект будет пропускать через себя дополнительное тепло, что в свою очередь будет влиять на измерение.
• Наличие пыли, паров воды, дыма и защитного окна отделяющего пирометр и целевой объект также сокращает количество инфракрасного излучения.

7. Типы пирометров

Пирометры можно разделить на две категории: Широкополосные пирометры и узкополосные пирометры.

Примечание: Это не жесткая классификация. Для примера, оптические пирометры можно рассматривать как подмножество узкополосных устройств. Волоконно-оптические пирометры могут быть классифицированы как широкополосные, узкополосные, и пирометры соотношения

Широкополосные пирометры
Широкополосные пирометры являются простым и менее дорогим устройством, которое различают длины волны от 0,3 мкм до верхнего предела от 2,5 до 20 мкм. Само название указывает на то, что эти пирометры способны измерить значительную часть теплового излучения, испускаемого объектом. Они в значительной степени полагаются на теплоотдачу поверхности измерения.

Рис. 8 - Работа двухцветового пирометра

Путь к цели не должен содержать присутствующих в атмосфере частиц водяного пара, пыли, дыма, паров, и газов способных поглощать радиационное излучение, так как они могут ослабить испускаемое излучение от цели, в результате чего точность измерений будет снижена. Кроме того, защитное стекло и оптическая система пирометра должны быть чистыми. Высокое и постоянное излучение на более длинных волнах делает эти пирометры, пригодными для измерения температуры органических материалов.

Узкополосные пирометры
Есть несколько подкатегорий в узкополосных пирометрах, среди них которые:

• Одноцветовые пирометры;
• Пирометры сравнения (двухцветовые пирометры)
• Многоволновой пирометр

Одноцветовые пирометры
Эти пирометры работают в узком диапазоне длин волн. Они также называются моноцветовыми пирометрами. Спектральный отклик этих пирометров, как правило, менее 1 мкм. Они обычно используются для измерения стекла на длине волны 5,14 мкм. Температура металлов также может быть измерена, так как отношение их спектрального диапазона высоко только на узком диапазоне. Спектральный отклик конкретного устройства зависит от типа используемого детектора. Для примера, спектральный отклик пирометра с кремниевым детектором составляет около 0,9 - 1,1 мкм. Эти пирометры могут работать на выбранном диапазоне длин волн с помощью фильтров. Но для этого требуются более чувствительные детекторов и мощные усилители сигнала.

Пирометры соотношения (двухцветовые пирометры)
Эти пирометры измеряют излучаемую энергию объекта между двумя узкими диапазонами длин волн, а затем вычисляют отношение этих двух энергий. Это отношение является функцией температуры объекта. Они называются двухцветовыми пирометрами, потому что две длины волны соответствуют разным цветам в видимой области спектра.
Даже если объект не полностью покрывает пятно, выходной сигнал не изменится. Также, применяя эти пирометры измерение температуры не будет зависеть от коэффициента излучения, следовательно, ошибки, вызванные его изменением, а также влияния типа поверхности, воздействия энергопоглощающих материалов (например дым, смог, водяной пар и т.д.) между пирометром и целью могут быть сведены к минимуму или устранены.
(См. рис. 8) Он используется для измерения высоких температур (например, расплавленного металла).

Многоволновые пирометры
Этот тип пирометров способен измерять более двух длин волн. Их также называют спектропирометрами. Здесь прибор сравнивает все измеренные значения, а затем решает, где находится точная температура.

Пирометры волоконно-оптические
Оптические пирометры можно рассматривать как подмножество узкополосных устройств. Волоконно-оптические пирометры могут быть классифицированы как широкополосные, узкополосные, или как устройства соотношения. Эти устройства используют оптическое волокно (световод), чтобы направить излучение к детектору (рис. 9.). Спектральный отклик этих волокон распространяется примерно на 2 мкм, поэтому данные устройства хорошо применимы для измерения минимальной температуры объектов в 100 ° С. Оптическая головка, стекловолокно и блок обработки сигналов вместе образует волоконно-оптический пирометр. Оптическая головка не содержит электронных компонентов. В основном они используется там, где видимый путь к цели не четкий (например, в барокамерах). Вот некоторые преимущества, присущие волоконной оптике по сравнению с другими пирометрами:

• Они не подвержены влиянию сильных электромагнитных полей, следовательно, могут быть легко использованы, где присутствует такой тип помех.
• Они могут быть размещены в труднодоступных местах.
• Так как они не содержат электрического тока, поэтому они идеально подходят для взрывоопасных зон.
• Оптическая головка и оптоволокно не содержат каких-либо электронных компонентов, поэтому им не требуется охлаждение, и, следовательно, они могут быть использованы для измерения высоких температур (около 250°C). Однако блок пирометра требует охлаждения.
• Диаметр оптического волокна довольно мал, следовательно, можно добиться получения малого размера пятна.

В оптическом волокне захваченное излучение передается полным внутренним отражением. Внутренний слой называется ядром, а внешний слой - оболочкой. Сигнал передается без потерь. Оптическое волокно состоит либо из моно-волокна или из мульти-волокна.

Рис. 9. Волоконно-оптический пирометр

Сравнение моноволокна и мульти-волокна, приводится ниже:

• Неисправность в моно-волокне может быть немедленно обнаружена в отличии от мульти-волокна.
• Моноволокно не подвержено износу, но в мульти-волокне оболочка отдельного волокна может быть повреждена из-за трения между ними.
• Мульти-волоконая оптика относительно дешевле, а также их минимальный радиус искривления делает их полезными во многих приложениях.

8. Аксессуары

Пирометры доступны с различными функциями и аксессуарами для решения широкого спектра задач измерения. Здесь мы перечислили некоторые из этих механических и электрических / электронных аксессуаров.

Механические приспособления:

1. Охлаждающие аксессуары: Способствует пирометру, который эксплуатируется при высоких температурах окружающей среды и поддерживает внутреннюю температуру электроники в пирометре.
   • Радиационная защита
   • Охлаждающие пластины
   • Охлаждающая рубашка
2. Монтажные устройства: Используются для крепления пирометра в определенной позиции.
   • Угловые скобы
   • Регулируемые позиционирующие устройства
3. Системы фланцев: Используется для крепления пирометров к печам, контейнерам или трубам.
   • Монтажная труба
   • Плоские фланцы
   • Шаровой монтаж
4. Аксессуары для наведения на цель: Очень полезные аксессуары для визуализации размера пятна при измерении движущихся объектов и для измерений в условиях слабой освещенности.
   • Лазерные указатели
   • Оптические прицелы
5.  Блоки воздушной продувки: они прикрепляются к переднему концу датчика, и защищают оптику пирометра от пыли, дыма, влаги и других загрязнений. Данный аксессуар имеет форму круглого сопла, которое и обеспечивает положительное давление воздуха в передней части объектива.
6. Усилитель коэффициента излучения: Он используется при измерении блестящих и сильно отражающих металлических поверхностей с очень низкой излучающей способностью при низких температурах. Аксессуар представляет собой позолоченное вогнутое зеркало, которое устанавливается рядом с объектом измерения. Падающее излучение проходит несколько внутренних отражений между объектом измерения и усилителем излучения, благодаря которому энергия инфракрасного излучения механически повышается. Это механическое увеличение энергии измеряется пирометром через небольшое отверстие в вогнутом зеркале, которое улучшает качество измерения температуры
7. Сканеры: Сканеры используются для перемещения размера пятна взад и вперед по цели измерения. Он используется для измерения температуры движущихся объектов. Сканеры могут быть встроены или прикреплены к передней части оптики пирометра, что дает возможность их использовать пирометр как линейный сканер.

Электрические / электронные аксессуары:

• Индикаторы и контроллер: Это устройство отображает измеренный сигнал как температуру в °F или °C. Они доступны как в виде простой цифровой панели, так и в виде сложных многоканальных процессоров.
• Аналоговые преобразователи: преобразуют выходной сигнал 2-проводного оборудования из 4 до 20 мА в 0 до 20 мА.
• Цифровые преобразователи: Преобразует сигнал RS 485 в сигнал RS 232.
• Шлюзы: позволяет преобразовывать RS 485 сигналы в несколько шинных систем.
• Калибраторы: Используются для проверки точности пирометров.