4.2.2. Пирометры (инфракрасные термометры)

Пирометры (инфракрасные (ИК) бесконтактные термометры), выручают там, где применение обычных контактных приборов затруднительно или невозможно.

Принцип действия пирометров базируется на детектировании невидимого инфракрасного излучения, испускаемого всеми предметами. Инфракрасное излучение – это часть электромагнитного спектра, расположенная между видимым светом и радиоволнами. Длина инфракрасных волн обычно измеряется микронами, а весь инфракрасный спектр лежит в пределах 0,7-1000 микрон. В температурных измерениях на практике используется полоса 0,7-14 микрон [13].

Попадающая в термометр энергия складывается из собственного излучения объекта, отраженного и проникающего через объект излучения других предметов. Полезную информацию несет только первая составляющая, а основной задачей ИК-термометрии является ее выделение и компенсация всех побочных эффектов [13].

Количество энергии, излучаемой любым нагретым телом, характеризуется его излучательной способностью – потоком энергии с единичной поверхности тела в единичном диапазоне длин волн. В физике существует идеальная модель радиатора, излучающая максимально возможную энергию – так называемое абсолютно черное тело. Отношение излучательных способностей реального и абсолютно черного тел называется коэффициентом излучения (ε). Для абсолютно черного тела ε=1, а для реальных тел всегда меньше 1. Абсолютно черные тела поглощают и переизлучают всю энергию, падающую на них, поэтому они идеальны для инфракрасных измерений температуры. Излучательная способность абсолютно черного тела подчиняется закону Планка и зависит от температуры и частоты излучения (рис.4.54) [13]. Все реальные тела имеют коэффициент излучения менее 1. Они делятся на серые – тела с ε=const во всем диапазоне волн, и несерые, у которых ε изменяется с длиной волны. Большинство окружающих нас предметов близки по оптическим свойствам к серым телам, их коэффициент в инфракрасном диапазоне колеблется в пределах 0,9-0,95. Такой вид спектра сильно облегчает применение ИК-метода измерения температуры. Противоположностью серых тел с точки зрения оптики являются газы, спектр которых состоит из узких полос, их температуру измерить обычным ИК-термометром невозможно.

Рис.4.54. Спектры абсолютно черного, серого и несерого тел

Оптика ИК-термометра схожа с используемой в фотографии. Объектив (рис. 4.55) собирает инфракрасное излучение от зоны измерения и фокусирует его на датчике. Задача объектива состоит в том, чтобы в поле зрения датчика попал только исследуемый объект, а результат измерения был изолирован от влияния других предметов [13].

Рис. 4.55. Пирометр

ИК-термометры выпускаются с различными видами прицелов:

• Лазерный луч со смещением. Эта простейшая конструкция прицела используется в приборах с низким разрешением (для измерения температуры крупных предметов с небольших расстояний). При таком способе нацеливания есть постоянное смещение между лазерным лучом и центром зоны измерения [13].

• Коаксиальный лазерный луч. Объектив этих приборов устроен так, что лазерный луч выходит из его центра, что позволяет нацеливать прибор в центр нужной зоны без поправки на любых дистанциях [13].

• Двойной лазер. Два расходящихся лазерных луча обозначают диаметр зоны измерения на больших расстояниях, что облегчает измерение температуры небольших объектов на больших расстояниях [13].

• Кросс-лазер. С его помощью можно не только навести термометр на объект, но и обеспечить оптимальное расстояние до объекта, поместив его в фокус объектива. Недостатком кросс-лазерного прицела, как и однолучевого лазера, является неопределенность размера зоны измерения вблизи фокуса [13].

• Круговой лазер. Несколько лазерных лучей, выходящих из одной точки, располагаются по конической окружности, образуя круговую зону прицеливания. Это простейший способ показать не только местоположение области измерения, но и ее размер и форму [13].

• Точный круговой лазер (true sport). Это наиболее совершенный лазерный прицел. Источники лазерных лучей расположены вокруг объектива. Наклонные лучи образуют гиперболоид вращения, сечение которого с удалением от объектива сначала уменьшается, а затем возрастает. Минимальное сечение соответствует фокусу объектива прибора. Этот прицел точно обозначает зону измерения на любом расстоянии от объектива термометра (рис.4.56) [13].

Рис. 4.56. Тип лазерного прицела true sport ИК-термометров