Реферат пирометры и тепловизоры

Обновлено: 04.07.2024

Теплови́зор - устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее (или в памяти) тепловизора как цветовое поле, где определённой температуре соответствует определённый цвет. Как правило, на дисплее отображается диапазон температуры видимой в объектив поверхности. Типовое разрешение современных тепловизоров — 0,1 °C. Более подробная информация доступна в разделе Термография.

Работа содержит 1 файл

реферат тепловизор.docx

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт: Неразрушающего Контроля

Кафедра: Информационно-Измерительная Техника

Выполнила: студентка группы 1Б82

Проверил: преподаватель кафедры ИИТ

В наиболее бюджетных моделях тепловизоров, информация запис ывается в память устройства и может быть считана через интерфейс подключения к компьютеру. Такие тепловизоры обычно применяют в паре с ноутбуком илиперсональным компьютером и программным обеспечением, позволяющим принимать данные с тепловизора в режиме реального времени.

Различают наблюдательные и измерительные тепловизоры. Первые просто делают изображение в инфракрасных лучах видимым в той или иной цветовой шкале. Измерительные тепловизоры, кроме того, присваивают значению цифрового сигнала каждого пиксела соответствующую ему температуру, в результате чего получается картина распределения температур.

Современные тепловизорные системы начали свое развитие в 60-е годы прошлого столетия, в качестве одноэлементных приемников, изображение в которых строилось посредством точечного смещения оптической аппаратуры . Такие устройства были крайне непроизводительны и позволяли наблюдать за происходящими в объекте температурными изменениями с очень низкой скоростью.

С развитием полупроводниковой техники и появлением фотодиодных ячеек ПЗС, позволяющих хранить принятый световой сигнал, стало возможным создание современных тепловизоров на основе матрицы ПЗС датчиков, сигналы с которых, если говорить упрощённо, расшифровываются дешифратором, обрабатываются в центральном процессоре устройства, выстраиваясь в определенную последовательность, которая затем проецируется на ЖК матрицу в виде распределения температур, обозначенных различными цветами видимой части спектра. Данный принцип построения изображений позволил создать портативные устройства, с высокой скоростью обработки информации, которые позволяют вести контроль за изменением температур в режиме реального времени.

Наиболее перспективным направлением развития современных тепловизоров является применение технологии неохлаждаемых болометров, основанной на сверхточном определении изменения сопротивления тонких пластинок, под действием теплового излучения всего спектрального диапазона. Данная технология активно применяется во всем мире для создания тепловизоров нового поколения, отвечающих самым высоким требованиям по мобильности и безопасности использования. В России производство портативных тепловизоров по технологии неохлаждаемых болометров освоено в 2007 году в ЦНИИ "Циклон".

Тепловизор является дорогостоящим прибором. Его основные элементы — матрица и объектив составляют около 90 % общей стоимости. Матрицы весьма сложны в производстве, но со временем, по заверениям экспертов, их цена может снизиться. С объективами ситуация сложнее: для создания объективов применяются редкие и дорогие материалы (например, германий). В наши дни активно ведутся поиски более дешёвых материалов.

Тепловизоры делятся на:

Стационарные. Предназначены для применения на промышленных предприятиях для контроля за технологическими процессами в температурном диапазоне от −20 до +2000 °C. Такие тепловизоры, зачастую имеют азотное охлаждение, для того, чтобы обеспечить нормальное функционирование приемной аппаратуры. Основу таких систем составляют, как правило, тепловизоры третьего поколения, собранные на матрицах полупроводниковых фот оприемников.
Переносные. Новейшие разработки в области применения тепловизоров на базе неохлаждаемых микроболометров из кремния, позволило отказаться от использования дорогостоящей и громоздкой охлаждающей аппаратуры. Эти приборы обладают всеми достоинствами своих предшественников, таких как малый шаг измеряемой температуры (0,1 °C), при этом позволяют применять тепловизоры в сложных оценочных работах, когда простота использования и портативность играют очень большую роль. Большинство портативных тепловизоров имеют возможность подключения к стационарным компьютерам или ноутбукам для оперативной обработки поступающих данных.

Современные тепловизоры нашли широкое применение как на крупных промышленных предприятиях, где необходим тщательный контроль за тепловым состоянием объектов, так и в небольших организациях, занимающихся поиском неисправностей сетей различного назначения. Так, сканирование тепловизором может безошибочно показать место отхода контактов в системах электропроводки.

Особенно широкое применение тепловизоры получили в строительстве при оценке теплоизоляционных свойств конструкций. Так, к примеру, с помощью тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в строящемся доме и сделать вывод о качестве применяемых строительных материалов и утеплителей.

Тепловизоры все шире применяются вооруженными силами развитых государств для обнаружения теплоконтрастных целей (живой силы и техники) в любое время суток, несмотря на применяемые противником обычные средства оптической маскировки в видимом диапазоне (камуфляж). Из специализированного разведывательного прибора тепловизор стал важным элементом прицельных комплексов ударной армейской авиации (вертолетов) и бронетехники. Применяются и тепловизионные прицелы для ручного стрелкового оружия, хотя в силу высокой цены широкого распространения они пока не получили.

Тепловизоры также широко применяют в: - Энергетике - Металлургии - При строительстве дорог - Судостроении - Строительстве и эксплуатации железнодорожного полотна, метрополитене - Автомобильной промышленности - Ветеринарии - Искусстве

Контроль теплового режима электротехнических устройств (силовых трансформаторов, электродвигателей, разъединителей, высоковольтных линий электропередач и др.) имеет важное значение для их эксплуатации. Применение тепловизионных устройств позволило значительно сократить время, необходимое для контроля, сделать его достоверным, дешевым и безопасным.

Впервые тепловизионный метод контроля теплового режима электротехнических устройств применен шведской фирмой AGEMA. Разработанный для этой цели тепловизор обеспечивает измерение абсолютной температуры высоковольтных трансформаторов, переключающих и распределительных устройств высокого напряжения, высоковольтных изоляторов. Как показали многократные проверки, повышение температуры объекта на 10 °С должно регистрироваться и учитываться при последующем осмотре; при повышении на 20 °С объект подлежит замене при ближайшем ремонте; при превышении более чем на 30 °С напряжение должно быть отключено, а объект заменен.

Большое значение для повышения надежности электроснабжения имеет заблаговременное обнаружение прогрессирующих перегревов в линиях электропередачи. Контрольные методы, которые применяются в настоящее время для этой цели, трудоемки, связаны с большими материальными затратами и необходимостью частичного отключения оборудования. Этих недостатков лишен тепловизионный метод, который позволяет оценить проводимость контактного соединения по градиенту температуры в области болтового соединения.

0,5 Х,М
Рис. 5.3. График изменения температуры вдоль оси шины в зависимости от расстояния до точки с максимальной температурой Ттах

Успешно осуществляется контроль линий электропередачи с вертолета.

Контроль состояния облицовки плавильных печей.

Сталеплавильные печи облицованы изнутри керамическими огнеупорными материалами. По мере эксплуатации печей часть облицовки изнашивается и разъедается
расплавленным металлом, что связано с опасностью для обслуживающего персонала; поэтому облицовку через определенный срок приходится заменять. Полная замена облицовки больших сталеплавильных печей очень дорога, так как связана с остановкой производства на 3. 4 нед. Наиболее приемлем здесь термографический контроль. Внешняя проверка действующих печей тепловизором может указать на локальные перегревы стальной оболочки, трещины и области обмуровки, где она тоньше нормы. Измерения температуры внешней оболочки, выполненные с помощью тепловизора, могут указать области разрушения обмуровки на рассматриваемом участке. Термограмма позволяет задержать замену обмуровки до тех пор, пока она не станет абсолютно необходимой, т. е. использовать обмуровку в течение максимального возможного времени. Снятая во время работы печи термограмма будет способствовать быстрому обнаружению опасных трещин во время периодического осмотра в охлажденной печи, так как сделать это визуально очень трудно.

Диагностика устройств тягового электроснабжения железных дорог.

С помощью тепловизоров возможна диагностика устройств тягового электроснабжения железных дорог. При этом для массового контроля и выявления неисправностей контактных соединений температурная чувствительность тепловизора должна быть не ниже 5 °С, диапазон измеряемых температур — 20. +150 °С; поле зрении 20 X 10°, мгновенный угол зрения 10 мрад, время кадра 1/12,5 с.

Критерием состояния тарельчатых изоляторов типа ПФ-6А может быть разность температур между их шапкой и тарелкой. У исправного изолятора значения температуры тарелки и шапки не отличаются друг от друга на термограмме, а общая температура изолятора отличается от температуры окружающей среды на 0,2—0,4 °С. Для выявления дефектных изоляторов с помощью тепловизора его температурная чувствительность должна быть не ниже и, I С, диапазон измеряемых температур — 20. +50°С; тюле зрения 3 X о , мгновенный угол зрения 5'.

Наличие хотя бы одного исправного изолятора в гирлянде (в тяговой сети постоянного тока) не позволяет выявить дефектные изоляторы тепловизионным способом, так как через гирлянду не проходит ток утечки. Тепловизоры применяют также для определения состояния изоляции высоковольтных выводов на тяговых подстанциях энергоучастков. Чувствительность тепловизора при этом должна быть не ниже 0,1 °С.

Испытание автопокрышек.

Тепловые процессы, протекающие в автопокрышках, имеют важное значение для их эксплуатации. При заводских испытаниях автомобильных и авиационных покрышек на специальных стендах стремятся выявить влияние на распределение температуры по структуре покрышки таких факторов, как скорость ее вращения, изменение этой скорости, давление воздуха в камере и нагрузка на колесо. Необходимо знать влияние каждого из этих факторов в отдельности и их совместное воздействие. Эти воздействия не одинаковы для разных точек покрышки и зависят от ее конструкции. Однако обычная термограмма показывает только среднюю температуру в каждом концентрическом слое покрышки, в результате чего положение области перегрева не может быть локализовано.

Пирометры и тепловизоры предназначены для бесконтактного измерения температуры объекта (панели печи, бутара ковша, трубопроводы, электрооборудование). Принцип их работы основан на том, что все нагретые тела излучают инфракрасные волны различной интенсивности в зависимости от температуры до которой они нагреты.

Различают пирометры полного и частичного излучения. Пирометры полного излучения восприимчивы к радиационному излучению всех длин волн. Они рассчитывают температуру объекта по показателю суммарной мощности теплового излучения. Примером такого пирометра может служить стационарный пирометр ТЭРА 50. Его чувствительным элементом являются расположенные по кругу на черном диске напротив визирного окна соединенные последовательно термопары. Термопары размещаются радиально, как спицы в колесе, рабочими спаями в сторону центра диска. Радиационное излучение, проникая внутрь пирометра через визирное окно, попадает на рабочие спаи термопар и нагревает их. Чем выше температура объекта, тем сильнее излучение, тем сильнее нагрев термопар и больше выходной сигнал пирометра. Пирометр ТЭРА 50 имеет выходной сигнал градуировки РК-15 что затрудняет его подключение к современному оборудованию. Достоинством радиационных пирометров является то, что они могут работать при температуре окружающего воздуха более 100°С так как не содержат микроэлектронных компонентов. В настоящее время практически не используются.

Широко распространенные ранее яркостные пирометры измеряли температуру нагретого до свечения объекта, путем сравнения его цвета с цветом эталонной нагретой нити внутри пирометра. Недостатками пирометров данного типа является низкая точность, ограниченный диапазон измерения температур и неудобство в применении.

В пирометре измеренное значение температуры выводится на экран в цифровом виде в удобных для персонала единицах измерения – градусах Цельсия, Фаренгейта или Кельвина. Между основными единицами измерения температуры существует следующая взаимосвязь:

Температура Кельвина ° K = ° C + 273,15

Температура Фаренгейта ° F = 1,8 * ° C + 32

В тепловизоре кроме IR сенсора установлена видеокамера. Полученное с камеры изображение выводиться на цветной дисплей прибора. Путем наложения изображений с видеокамеры и IR сенсора на дисплее прибора изображение объекта приобретает соответствующую окраску в зависимости от температуры этой части объекта. На дисплее так же отображается градиентная цветовая шкала и цифровое значение температуры части объекта, на которую наведен маркер.

Расстояние с которого тепловизором можно произвести измерение температуры с требуемой точностью зависит от размера чувствительной матрицы детектора и углов обзора объектива ( FOV ). Размер матрицы определяется количеством пикселей по горизонтали и по вертикали - как в цифровых фотоаппаратах. Типовыми размерами матрицы являются 160Х120 и 320Х240 пикселей. Угол обзора (угол зрения, угол визирования) измеряется в градусах и определяет охватываемые размеры пространства при обзоре. Чем меньше угол обзора, тем с большего расстояния можно контролировать температуру объекта без потери качества снимка.

Большинство тепловизоров усредняют измеренное каждым отдельным пикселем матрицы детектора значение температуры. Для расчета температуры в одном пикселе берется усредненное значение температур соседних пикселей матрицы (обычно кубик 3х3 пикселя). Поверку тепловизоров производят с применением эталонных протяженных излучателей в соответствии с ГОСТ Р 8.619-2006.

Для удобства использования тепловизоры и пирометры комплектуются лазерными целеуказателями, позволяющими однозначно определить область объекта, температура которой измеряется.

При целеуказании одиночным лазерным лучом можно определить точку близкую к центру контролируемой зоны. Из-за несовпадения луча лазера с оптической осью объектива пирометра, возникает так называемая ошибка параллакса. При коаксиальном целеуказании лазерный луч выходит из центра объектива и попадает в центр контролируемой зоны. Двойной лазерный целеуказателя позволяет определить не только расположение, но и размер зоны измерения пирометра. Но на близком расстоянии, из-за первоначального сужения области чувствительности возникает ошибка в определении размеров контролируемой зоны. В связи с этим короткофокусные пирометры оборудуются целеуказатели с кросс-лазером. Простому круговому целеуказателю, как видно из рисунка, присущи уже упомянутые ранее недостатки - параллакс и завышенный размер контролируемой зоны при измерениях с близкого расстояния. Целеуказание точным круговым лазером ( true spot ) лишено всех этих недостатков.

Различные материалы при одной и той же температуре испускают инфракрасное излучение с разной интенсивностью. Интенсивность излучения определяется степенью черноты объекта. Инфракрасное излучение как и любое другое излучение, например солнечный свет, при падении на поверхность тела частично отражается и частично поглощается. Степень черноты Е может принимать значения от 0 до 1. Нулевое значение Е=0 соответствует абсолютно белому телу, то есть абсолютно все падающее на тело излучение отражается обратно. Если абсолютно все упавшее на тело излучение было им поглощено, то такое тело называется абсолютно черным и имеет Е=1. В практике степень черноты может принимать значение от 0,01 до 0,99.

Большинство органических материалов имеют показатель черноты равный 0,95, в то время как некоторые металлы – 0,20 и даже менее. То есть сам по себе цвет объекта не определяет степень его черноты. Например, серая штукатурка или листовой асбест имеют такую же степень черноты как у сажы. Степень черноты влажного снега равна 0,8, полированного алюминия - 0,05. Нанесение тонкого слоя прозрачного белого лака на любую поверхность, не обладающую высокой степенью черноты, увеличивает ее значение до 0,8. 0,95.

Для того, чтобы определить показатель черноты конкретного материала, существует два метода. Первый, это найти показатель черноты по специальной таблице черноты материалов. В ней рассчитаны показатели черноты большинства существующих материалов. Однако следует учесть, что данные приведенные в таблице рассчитаны опытным путем для идеальных поверхностей, и не могут учитывать коррозию, окисление или неоднородность поверхности на практике. Существует и второй способ. Для этого, нужно измерить температуру поверхности контактным способом, например, переносным измерителем или градусником, и соответственно подкорректировать показатель черноты в пирометре.

Опытным путем установлено, что, например, при измерении температуры подины и панелей дуговой сталеплавильной печи в тепловизоре и пирометре устанавливается Е=0,92. При измерении температуры футеровки разогретого сталеразливочного ковша Е=0,84.

Стационарные пирометры предназначены для непрерывного бесконтактного измерения температуры. Стационарные пирометры, как правило, не отображают графически значение измеренной температуры, но зато имеют выходной сигнал тока или напряжения. Современные модели, кроме того, могут иметь дополнительный выходной сигнал градуировки ХА или ХК. В этом случае они являются полным аналогом обычной термопары, и могут работать с вторичными приборами, имеющими входа для подключения термопар.

Общим недостатком пирометров можно считать то, что пламя от работающих горелок печей и т.п. попадая в поле зрения пирометров, искажает их показания. Чтобы выбивающиеся языки пламени не влияли на измерение температуры используют пирометры со спектральным диапазоном 3,5…4 мкм. Пирометры имеют различные области применения и диапазон измеряемых температур в зависимости от спектрального диапазона IR сенсора.

Спектральный диапазон, мкм	Основные применения	Диапазон измеряемых температур, °С
0,65	Применение в металлургии для замены пирометров с исчезающей нитью	600 … 4000
0,7. 1,1	Измерение температур расплавов металлов, в том числе сквозь защитные стекла	300 … 4000
1,0. 1,6	Измерение температур поверхности металлов, полупроводников, стекломассы на глубине	200 … 2000
2,0. 2,6	Измерение температур черных и цветных металлов в металлургии и металлообработке	150 … 1800
3,40. 3,45	Измерение температуры тонких пленок полиэтилена, полипропилена, полиуретана, полистирола	50 … 600
3,8. 3,9	Измерение температуры сквозь пламя и газы	300 … 2500
4,8. 5,2	Измерение температуры поверхности стекла, керамики и черных металлов	100 … 2500
7,9	Измерение температур тонкого пластика, тонких пленок полиэфиров перфторуглеродов, низкотемпературные технологические процессы производства изделий из стекла	0 … 600
7 … 10	Измерение низких температур сквозь технологические окна из CaF2 или Si	0 … 600
6,5 … 14	Широкий спектр применения для измерения низких температур	-20 … 400
7 … 14	Широкий спектр применения для измерения низких и средних температур	-40 … 950
8 … 14	Широкий спектр применения для измерения низких и средних температур	-50 … 1100
7 … 20	Технологические процессы с низкими температурами	-40 … 800

Пирометры часто монтируются на специальных фурмах, к которым осуществляется подвод сжатого или вентиляторного воздуха для охлаждения корпуса и визирного окна пирометра. Одновременно сжатый воздух сдувает пыль с визирного окна. При измерении высоких температур перед визирным окном монтируют защитное стекло, которое одновременно является частотным фильтром, пропуская радиационное излучение с определенными длинами волн.

Поверка пирометров производиться с помощью абсолютно черного тела (АЧТ) - специальной установки, в которой керамический стакан (на дно стакана и фокусируют пирометр) разогревается электрическими нагревателями до высоких температур, при которых степень его черноты приближается к единице.

Пирометры – бесконтактные измерители температуры по-прежнему являются незаменимыми элементами цепей контроля и управления в целом ряде отраслей промышленности – металлургической, машиностроительной, электронной, химической, медико-биологической и т.д. Им нет альтернативы при измерении температуры движущихся (например металл на прокатном стане), труднодоступных или находящихся в опасных зонах (подстанции высокого напряжения) объектов. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 0С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы и получили название бесконтактный.

Содержание

Введение …………………………………………………………………………..3
Классификация. Принцип действия. Схема конструкции. …………………….4
1.1.Пирометры частичного излучения ………………………………………….4
1.2. Пирометры спектрального излучения …………………………………. 8
1.3. Пирометры суммарного излучения ……………………………………. 10
Заключение ……………………………………………………………………. 14
Список литературы ……………………………………………………………. 15

Работа состоит из 1 файл

Министерство образования и науки РТ.docx

Министерство образования и науки РТ

По курсу "Технологические измерения и приборы"

Классификация. Принцип действия. Схема конструкции. …………………….4

1.1.Пирометры частичного излучения …………………… …………………….4

1.2. Пирометры спектрального излучения …………………………………. 8

1.3. Пирометры суммарного излучения ……………………………………. 10

Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами.

Принцип действия пирометра заключается в измерении силы теплового излучения, исходящего от объекта преимущественно в диапазонах видимого света и инфракрасного излучения.

Односпектральными. Такие пирометры принимают излучения только в одном спектральном диапазоне. Односпектральные пирометры в свою очередь подразделяются на радиационные (мощность теплового излучения переводится в температуру) и яркостные (в диапазоне красного света измеряются яркости эталонного объекта и объекта измерения). В эту подгруппу входят пирометры полного излучения.
Мультиспектральными. Также их называют цветовыми или пирометрами спектрального отношения.

На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:

1. пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения;

2. пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;

3. пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.

Классификация. Принцип действия. Схема конструкции.

1.1.Пирометры частичного излучения

К данному типу пирометров, измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические оптические пирометры и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.

Принцип действия оптических пирометров основан на использовании зависимости плотности потока монохроматического излучения от температуры. На (рис. 11) представлена схема оптического пирометра с "исчезающей" нитью, принцип действия которого основан на сравнении яркости объекта измерения и градуированного источника излучения в определенной длине волны.

Изображения излучателя 1 линзой 2 и диафрагмой 4 объектива пирометра фокусируется в плоскости нити накаливания лампы 5. Оператор через диафрагму 6 линзу 8 окуляра и красный светофильтр 7 на фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок реостата 11, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и добивается уравнивания яркости нити и яркости излучателя. Если яркость нити меньше яркости тела, то она на его фоне выглядит черной полоской, при большей температуре нити она будет выглядеть, как светлая дуга на более темном фоне. При равенстве яркости излучателя и нити последняя "исчезает" из поя зрения оператора. Этот момент свидетельствует о равенстве яркостных температур объекта измерения и нити лампы. Питание лампы осуществляется с помощью батареи 10. Прибор 9, фиксирующий силу тока, протекающего в измерительной цепи, заранее проградуирован в значениях зависимости между силой тока и яркостной температурой АЧТ, что позволяет производить считывание результата в 0С.

Данный тип пирометров позволяет измерять температуру от 700 до 8000 0С. Для оптических пирометров промышленного применения в интервале температур 1200¸2000 0С.основная допустимая погрешность измерения составляет ±20 0С. На точность измерения влияют неопределенность и изменяемость спектральной степени черноты, возможное изменение интенсивности излучения за счет ослабления в промежуточной среде, а так же за счет отражения посторонних лучей.

Фотоэлектрические пирометры частичного излучение обеспечивают непрерывное автоматическое измерения и регистрацию температуры. Их принцип действия основан на использовании зависимости интенсивности излучения от температуры в узком интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных устройствах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.

Фотоэлектрические пирометры частичного излучения делятся на две группы:

1) пирометры, в которых мерой температуры объекта является непосредственно величина фототока приемника излучения;

2) пирометры, которые содержат стабильный источник излучения, при чем фотоприемник служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника и объекта.

На (рис. 12) приведена схема фотоэлектрического пирометра, относящегося ко второй группе пирометров. В нем в качестве приемника излучения применяется фотоэлемент. Поток от излучателя 1 линзой 2 и диафрагмой 3 объектива фокусируется на отверстии 7 в держателе светофильтра 5 таким образом, чтобы изображение визируемого участка поверхности излучателя перекрывало данное отверстие. В этом случае величина светового потока, падающего на катод фотоэлемента 6, расположенного за светофильтром, определяется яркостью излучателя, т. е. его температурой. В держателе светофильтра расположено еще одно отверстие 8, через которое на фотоэлемент попадает поток от лампы обратной связи 17. Световые потоки от излучателя 1 и лампы 17 подаются на катод попеременно с частотой 50 Гц, что обеспечивается с помощью вибрирующей заслонки 9. Возвратно-поступательное движение заслонки обеспечивается с помощью катушки возбуждения 10 и постоянного магнита 12. В вибраторе происходит перемагничивание стального якоря 11, который с частотой 50 Гц поочередно притягивается полюсами магнита 12 и перемещает заслонку 9.

При различии световых потоков излучателя 1 и лампы 17 в токе фотоэлемента появится переменная составляющая, имеющая частоту 50 Гц и амплитуду, пропорциональную разности данных потоков. Усилитель 13 обеспечивает усиление переменной составляющей, а фазовый детектор 14 последующее ее выпрямление. Полученный выходной сигнал подается на лампу, что вызывает изменение силы тока накаливания. Это будет происходить до тех пор, пока на катоде фотоэлемента световые потоки от двух источников не уравняются. Следовательно, ток лампы обратной связи однозначно связан с яркостной температурой объекта измерения.

В цепь лампы 17 включено калиброванное сопротивление 16, падение напряжения на котором пропорционально силе тока и измеряется быстродействующим потенциометром 15, снабженным температурной шкалой. Окуляр 4 обеспечивает наводку устройства на объект измерения.

В фотоэлектрических пирометрах с пределами измерения от 500 до 1100 0С применяют кислородно-цезиевый фотоэлемент, а в приборах со шкалой 800¸4000 0С вакуумный сурьмяно-цезиевый. Сочетание последнего с красным светофильтром обеспечивает получение эффективной длины волны пирометра 0.65±0.01 мкм, что приводит к совпадению показаний фотоэлектрического пирометра с показаниями визуального оптического пирометра.

Оптические пирометры, с исчезающей нитью.

Принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью основан на сравнении монохроматической яркости излучения накаленного тела с монохроматической яркостью излучения нити специальной пирометрической лампы накаливания. Принципиальная схема оптического пирометра типа ОППИР-017 приведена на рис.1а.

Оптическая система пирометра представляет собой телескоп с объективом (1) и окуляром (4). Перед окуляром помещен красный светофильтр (3). Спектральная характеристика пропускания светофильтра подбирается с учетом спектральной чувствительности глаза так, чтобы при рассматривании объекта через светофильтр наибольшая видимая яркость соответствовала бы длине волны около 0,65 мкм. В фокусе объектива находится вольфрамовая нить пирометрической лампочки (5). Нить лампочки питается от аккумулятора; ее накал можно регулировать вручную реостатом (6). В поле зрения телескопа наблюдатель видит участок излучающей поверхности накаленного тела (объекта измерения) и на этом фоне – нить лампочки (рис.1б). Если яркости нити и накаленного тела неодинаковы, нить будет видна более темной или более светлой, чем фон. Регулируя накал нити реостатом, наблюдатель добивается равенства яркостей, при этом изображение нити сольется с фоном и станет неразличимо (нить "исчезнет"). В этот момент яркостная температура нити равна яркостной температуре объекта измерения. Глаз весьма чувствителен к различению яркостей и момент "исчезновения" нити улавливается с достаточной уверенностью. Показывающий прибор (8), включенный в цепь нити накаливания, градуируется по образцовому пирометру или по температурным лампам, в °С яркостной температуры.

Как указывалось выше, если объект измерения по своей излучающей способности близок к абсолютно черному телу, то показываемая пирометром яркостная температура равна истинной температуре объекта. Однако излучающая способность реальных физических тел не достигает излучающей способности абсолютно черного тела. Поэтому при одинаковой яркости излучения, т.е. при одинаковой яркостной температуре, истинная температура Т реального физического тела будет выше яркостной температуры ТS, показываемой оптическим пирометром. Соотношение истинной и яркостной температур определяется выражением

где, Т и ТS - истинная и яркостная температуры в градусах абсолютной шкалы;

- длина волны света, в котором измеряется яркостная температура (для оптических пирометров обычно = 0,65 мкм);

с2 - 1,438 см/град. – постоянная;

- коэффициент излучательной способности (коэффициент черноты) реального тела для длины волны .

Коэффициент излучательной способности всегда меньше единицы и больше нуля и колеблется в этих пределах в зависимости от материала, его состояния (жидкое, твердое) и шероховатости поверхности. Значительное влияние на величину коэффициента черноты оказывает наличие пленки окисла на поверхности раскаленного металла. Так, например, углеродистая сталь для = 0,65 мкм имеет в твердом состоянии = 0,35, в жидком - 0,37; наличие пленки окисла на твердой поверхности стали увеличивает коэффициент черноты до 0,8.

Для определения истинной температуры объекта в показания оптического пирометра необходимо вносить поправку, определяемую на основе формулы (1) или по таблицам, составленным по той же формуле. При этом величина поправки может быть значительной. Например, при коэффициенте черноты = 0,35 и яркостной температуре 2400°С истинная температура составляет 2795°С.

Колебания коэффициента черноты в зависимости от состава и температуры металла и состояния его наблюдаемой поверхности являются одним из основных источников погрешностей измерения температуры оптическими пирометрами.

Во избежание перегрева нити, ее температура не должна превышать 1500°С, поэтому при измерениях в диапазоне более высоких температур перед лампой устанавливается поглощающий светофильтр (7), уменьшающий видимую яркость излучения объекта.

Отечественные пирометры выпускаются с диапазонами измерения 1200-3200 и 1500-6000°С. Диапазон измерения прибора может быть разбит на два поддиапазона, в этом случае пирометр имеет две шкалы. Переход с одного диапазона на другой осуществляется введением или выведением поглощающего светофильтра.

Для питания оптического пирометра типа ОППИР-017 применяется сдвоенный щелочной аккумулятор НКН-10. Сила тока в лампе регулируется реостатом. Электроизмерительный показывающий прибор представляет собой дифференциальный амперметр с двумя рамками, который реагирует на изменение тока в цепи питания и напряжения на параметрической лампе. При этом автоматически учитывается изменение сопротивления нити лампы от температуры ее накала. Время установления показания после включения прибора не превышает 8с. Основная допустимая погрешность измерения яркостной температуры зависит от диапазона температур и составляет от 1 до 25% от верхнего предела используемой, шкалы прибора.

Для дистанционного измерения температуры используются пирометры и тепловизоры. Они полезны там, где обычные термометры неэффективны — например, строительство, энергетика, химическая промышленность. Эти приборы определяют степень нагрева объекта на расстоянии, что делает их применение безопасным. Они показывают, не вышел ли из строя электрический прибор, насколько хорошо работает отопительная система, нет ли прорех в теплоизоляционных материалах. Последнее особенно важно для выбора дома или квартиры, надежно защищенной от холодов.

Что такое тепловизор и типы устройства

Это измерительный прибор, который определяет температуру одного или нескольких объектов. Он работает как камера, снимающая в инфракрасном диапазоне. Все физические тела, температура которых выше абсолютного нуля, испускают тепловое излучение — именно его улавливает аппарат. Предметы отображаются на экране тепловизора в виде тепловой диаграммы. Это цветная картинка, накладываемая на реальное изображение объекта, каждый оттенок которого соответствует определенной температуре.

Устройства могут быть:

Стационарными – характеризуются высокой чувствительностью и разрешающей способностью.
Поворотными – имеют функцию свободного вращения для более удачного управления.
Многоканальными – как следует из названия, имеют несколько оптических каналов, в набор функций также входит высокая скорость поворота, точность позиционирования. Инновационные аппараты поддерживают оцифровку с видеосжатием.

Что такое пирометр и типы устройства

Пирометр — устройство с ограниченной функциональностью по сравнению с тепловизором. Оно представляет собой компактный прибор, который также улавливает инфракрасное излучение от объекта, попадающее на измерительный датчик, и выводит измеренную таким способом температуру на небольшой экран.

Устройство может быть контактным или бесконтактным.

Контактные

Контактный тип оснащается выносными зондами. Они касаются объекта для определения температуры. Такие измерители нужны в пищевой промышленности, ресторанном бизнесе, чтобы определить, насколько горячее блюдо или посуда. Также они используются в лабораторных исследованиях. Есть приборы, способные измерить температуру воздуха.

Бесконтактные

Бесконтактные пирометры более распространены. Они помогают определить температуру там, где касаться объекта нельзя в результате:

чрезмерного нагрева;
ограниченности доступа к исследуемому объекту;
опасности получить удар током;
движения шестеренок и иных механизмов, способных нанести травмы.

Бесконтактные измерители отображают уровень нагрева практически сразу после наведения прибора на объект и нажатия на кнопку. Они подразделяются на: инфракрасные, лазерные и оптические. Инфракрасные — самые распространенные, они фиксируют тепловое излучение, определяют его мощность.

Лазерные пирометры относятся к профессиональным. Они оснащаются целеуказателем — лазерным лучом, позволяющим определить температуру указанной точки с максимальной точностью. Иногда центральный луч дополняется вторым, который задает радиус фокусного пятна. Так удается измерить усредненную температуру указанной области.

Оптический подвид наделяется сложной оптикой. Благодаря этому он измеряет температуру на больших расстояниях. Это новинки измерительной техники, появившиеся недавно.

От пирометра до современного тепловизора

Ввиду своих технических характеристик пирометр имеет ограниченное применение. Он подходит для измерения температуры одной конкретной точки. Чтобы охватить широкую поверхность или большой объект, приходится измерять его в разных местах, запоминать или записывать числа, затем рисовать температурные графики. Это требует немалых трудозатрат, что приводит к погрешностям и неточностям измерения.

Для автоматизации таких измерений были изобретены термографы. Они основывались на пирометрах, которые были изобретены первыми. Термографы показывали картинку в виде температурного графика, построенного с применением точек различных оттенков. Однако из-за того, что они тоже были не слишком удобны, в 1954 году были созданы тепловизоры. Современные тепловизоры значительно отличаются не только от прирометров, но и своих предшественников. С их помощью можно за считанные часы измерить температуру поверхности, выявить утечки теплого воздуха, обнаружить точки промерзания и сырости. В своей работе я применяю тепловизор Testo 875-2i, что помогает мне и мои клиентам определить все слабые места в теплозащите дома.

Как устроен и работает тепловизор

То, как отражаются результаты исследования — главное, чем отличается пирометр от тепловизора. Отображение тепловой диаграммы — картинки, окрашенной в различные цвета в соответствии со степенью температурного излучения — становится возможным благодаря технологиям, похожим на те, которые используются в нынешних видеокамерах.

Прибор оборудуется объективом, сделанным из германия. Этот дорогой металл придает устройству необходимую чувствительность и долговечность. Попавшее в фокус объектива излучение передается на специальную матрицу, которая преобразует невидимые инфракрасные лучи в электромагнитный сигнал. Сигнал обрабатывается в электронном модуле и передается на жидкокристаллический дисплей в виде тепловой диаграммы.

Таким образом на экране отображается снимаемый объект, окрашенный в цвета, соответствующие его температуре. Благодаря различным оттенкам можно определить места сквозняков, области, где теплоизоляционный материал намок, порвался или был прогрызен мышами. Картинка отображает щели, трещины, мостики холода. На ней можно заметить даже теплокровных вредителей. Такое свойство прибора позволяет использовать его в спасательных операциях, поскольку он отображает людей, находящихся под завалами, либо скрытые очаги возгорания при пожарах, когда оценить ситуацию визуально мешает дымовая завеса. С его помощью также выслеживают диких животных охотники.

Основные отличия тепловизора от пирометра

Главное отличие пирометра от тепловизора — охват площади и способ отображения информации.

Пирометр содержит только один температурный датчик. Соответственно, он измеряет температуру лишь в одном месте, попавшем в фокус. Полученное значение выводится на экран в числовом виде. Зачастую эти устройства лишены функции запоминания результата, ей оснащаются только профессиональные приборы, поэтому каждое число приходится запоминать самостоятельно или записывать.

Эти свойства определяют область использования пирометров. Они хороши в научных исследованиях, в контроле температурных показателей электрических приборов — например, компьютерных процессоров или иных устройств, подверженных нагреву. Иногда они применяются в медицине для быстрого определения температуры тела. Однако найти с их помощью мелкие щели в теплоизоляции очень трудно, в отличие от тепловизора.

Тепловизоры фиксируют объект целиком. Их дальность действия значительно выше. В некоторых моделях она достигает сотен метров, в отличие от пирометров. На тепловой диаграмме видны все температурные колебания, что очень удобно для обнаружения щелей, трещин, мостов холода. Чувствительная матрица приборов состоит из сотен измерительных точек — чем их больше, тем более чутко реагирует устройство.

Главное преимущество пирометра — компактность. Он легко помещается в ладони. Тепловизоры тоже бывают компактными, однако аппараты высокого класса зачастую довольно габаритны. Второе преимущество пирометров — доступность. В силу сравнительной простоты конструкции они намного дешевле технологически более сложных тепловизоров.

Основные достоинства тепловизора — многофункциональность, многообразие, дальность действия и детальность исследования объекта.

Сравнение тепловизора и пирометра

Более наглядно разницу между пирометром и тепловизором можно увидеть в таблице.

Читайте также: