Пирометры – это приборы для измерения температуры объектов по их тепловому излучению. Они имеют целый ряд преимуществ в сравнении с контактными термометрами, термопарами и термосопротивлениями, главные из которых – отсутствие механического контакта с измеряемым объектом и относительное быстродействие.
Большинство из нас впервые познакомились с пирометрами во времена ковидной пандемии: это те самые приборы, которыми в поликлиниках и во многих общественных местах измеряли температуру наших рук и лбов. Если температура нормальная – проходите, если повышенная – ну, вы наверняка всё помните, всего-то 4 года с тех пор прошло. Ну и заметили, что пирометр не надо было совать под мышку и ждать 10 минут – всё было быстро и без прикосновения прибора к вам.
Существующие пирометры и их классификация
Существующие пирометры могут быть разделены на три основных класса: пирометры с исчезающей нитью, пирометры спектрального отношения и энергетические пирометры.
Пирометры с исчезающей нитью (еще известные многим производственникам как оптические пирометры) исторически были первыми – они появились в конце XIX века. В окуляре оптической системы такого пирометра на фоне объекта была видна нить лампы накаливания, Вращая соответствующий регулятор, пользователь нагревал нить до такого состояния, что ее цвет совпадал с цветом измеряемого объекта, и нить “исчезала” на его фоне, “исчезновение” было критерием равенства температур нити и объекта. Сейчас такие пирометры ввиду больших погрешностей и невозможности использования в автоматизированных системах повсеместно сняты с производства.
Энергетические пирометры определяют температуру объекта по интенсивности его излучения в одном спектральном интервале. У них один приемник излучения, один усилитель, один преобразователь, и т.д., поэтому при прочих равных характеристиках энергетические пирометры дешевле пирометров спектрального отношения.
Но у них есть ряд существенных недостатков, в первую очередь – необходимость вводить в них перед измерением коэффициент излучения измеряемого объекта, который чаще всего неизвестен и зависит от большого количества параметров (материала объекта, состояния его поверхности, спектральной чувствительности пирометра, температуры измеряемого объекта). Столь сложная зависимость коэффициента излучения делает практически невозможной его точное определение для всего диапазона температур объекта, а если в пирометр введено ошибочное значение коэффициента излучения, это приводит к ошибкам измерения, порой весьма значительным.
Кроме того, к недостаткам энергетических пирометров можно ещё отнести:
· Зависимость результата измерения от наличия находящегося рядом более нагретого объекта;
· Зависимость результата измерения от расстояния между пирометром и объектом;
· Зависимость результата измерения от наличия между пирометром и объектом загрязнённых стёкол;
· Зависимость результата измерения от наличия частично заслоняющих измеряемый объект каких-либо непрозрачных объектов;
· Зависимость результата измерения от формы измеряемого объекта.
Тем не менее, энергетические пирометры на сегодняшний день – самые распространенные.
Пирометры спектрального отношения определяют температуру объекта по отношению интенсивности его излучения в двух различных спектральных интервалах. У них два приемника излучения, два усилителя, два преобразователя аналогового сигнала в цифровую форму и т.д. Поэтому их цена относительно высока. Но у них есть ряд преимуществ перед энергетическими пирометрами, главное из которых – отсутствие необходимости вводить в них перед измерением коэффициент излучения, присущий измеряемому объекту.
В отличие от энергетических пирометров, пирометры спектрального отношения свободны от тех погрешностей, которые описаны выше. Поэтому, несмотря на свою относительную сложность и более высокую, чем у энергетических пирометров, стоимость, пирометры спектрального отношения в последние два десятилетия уверенно потеснили на рынке энергетические пирометры.
Главная проблема пирометров спектрального отношения
Однако идеальных пирометров не существует. И пирометрам спектрального отношения присущ один очень серьёзный недостаток - наличие погрешности обусловлено непостоянством спектральной излучательной способности ελ в диапазоне чувствительности приёмников пирометра. Для объяснения сути этой погрешности обратимся к рис. 3.
Как известно, “несерое” тело [1] отличается от “чёрного” и “серого” тел непостоянством значения спектральной излучательной способности ελ. Для “чёрного” и “серого” тел ελ не зависят от длины волны λ, поэтому на графиках их ελпредставлены горизонтальными прямыми линиями (рис. 3, первый и второй слева рисунки верхнего ряда). Для “несерых тел” (рис. 3, два правых рисунка верхнего ряда) ελизменяется с ростом длины волны λ – в данном примере на третьем слева рисунке вначале ελ имеет значение вблизи 1, далее снижается примерно до 0,5. На четвертом слева – вначале ελимеет значение вблизи 0,5, далее возрастает примерно до 1.
Предположим, что и “чёрное”, и “серое”, и оба “несерых” тела, спектральные излучательные характеристики которых приведены на рис. 3, находятся при одной и той же температуре 1000 оС. Также предположим, что мы собираемся измерить температуру каждого из этих тел пирометром спектрального отношения, спектральные характеристики чувствительности приёмников которого приведены на рис. 3 во втором ряду под спектральными излучательными способностями “чёрного”, “серого” и обоих “несерых” тел. Также предположим, что максимальные значения чувствительности коротковолнового и длинноволнового каналов, а также ширина спектрального диапазона каналов одинаковы, т.е. левая и правая гауссоиды на любом из рисунков второго ряда идентичны (обычно это не так, но для анализа причин появления рассматриваемой погрешности это значения не имеет).
Каждый из рисунков третьего ряда представляет собой функциональное произведение находящихся выше них спектральных излучательных способностей “чёрного”, “серого”, и “несероых” тел (рисунков верхнего ряда) на спектральные характеристики чувствительности приёмников (рисунков второго ряда). В то же время сигналы, вырабатываемые приемниками, пропорциональны интегралам от этих функциональных произведений, т.е. площадям под соответствующими кривыми рисунков третьего ряда. Иными словами, сигнал, вырабатываемый коротковолновым приёмником, пропорционален площади под левой (синей) гауссоидой на каждом из рисунков третьего ряда, а вырабатываемый длинноволновым приёмником – площади под правой (красной) гауссоидой.
Для выбранного на рис. 3 примера площади под левой и под правой гауссоидами для “чёрного тела” (левый рисунок 3-го ряда) равны друг другу. Назовём для определённости спектральным отношением отношение площади под левой гауссоидой к площади под правой.
Очевидно, для “чёрного тела” спектральное отношение в выбранном примере равно единице. Поскольку пирометры калибруют именно по “чёрному телу”, то температуре 1000 оС соответствует единичное значение спектрального отношения на калибровочной характеристике пирометра (левый рисунок нижнего ряда).
Для других температур спектральное отношение будет иным. Именно для нашего конкретного примера температуре 1200 оС соответствует спектральное отношение, равное 2, температуре 850 оС – спектральное отношение, равное 0,5. Измерив эти спектральные отношения для всех температур в рабочем диапазоне пирометра, нанесём их на график, и получим калибровочную характеристику применённого пирометра (калибровочная характеристика или калибровочная функция – это зависимость спектрального отношения от температуры, т.е. та, которая на левый нижнем рисунке, кривая а; градуировочная характеристика, или градуировочная функция – это зависимость температуры, отображаемой пирометром, от спектрального отношения, кривая б на трех правых рисунках нижнего ряда).
Предположим далее, что мы теперь измерим этим же пирометром спектрального отношения температуру “серого тела”. Поскольку в выбранном примере излучательная способность “серого тела” равна 0,5, то для него площади по левой и под правой гауссоидами (второй слева рисунок третьего ряда) будут ровно вдвое меньше площадей под левой и под правой гауссоидами для “чёрного тела”. Но при этом площади под левой и под правой гауссоидами для “серого тела” будут равны друг другу, что является следствием того, что излучательная способность “серого тела” неизменна во всём диапазоне длин волн.
Таким образом, спектральное отношение и в этом случае будет равно единице. На градуировочной характеристике пирометра (второй слева рисунок нижнего ряда) измеренному пирометром единичному значению спектрального отношения соответствует температура 1000 ºС (это следует из того, что, как было сказано выше, при калибровке на черном теле именно единичное значение соответствовало тысячеградусной температуре). То есть, при измерении температуры “серого тела” вне зависимости от значения его излучательной способности результат, полученный правильно калиброванным пирометром спектрального отношения, будет правильным.
А вот далее предположим, что мы этим же пирометром спектрального отношения измерим температуру первого “несерого тела”. Как следует из третьего слева рисунка верхнего ряда, для него значение ελ в области чувствительности коротковолнового приёмника близко к единице. Поэтому сигнал с выхода коротковолнового приёмника, пропорциональный площади под левой гауссоидой, будет почти таким же, как и в случае с “чёрным телом”.
В области чувствительности длинноволнового приёмника значение ελ “несерого тела” значительно меньше, около 0,5. Поэтому площадь под правой гауссоидой на третьем слева рисунке третьего ряда примерно вдвое меньше площади под левой гауссоидой. Следовательно, в этом случае спектральное отношение окажется примерно равным двум. Как следует из третьего слева рисунка нижнего ряда, на градуировочной характеристике спектральному отношению, равному 2, в выбранном примере соответствует температура 1200 ºС. Таким образом, в рассматриваемом примере пирометр спектрального отношения при измерении температуры 1000-градусного “несерого тела 1” даст результат, завышенный на 200 ºС, т.е. 1200 ºС. И причиной этого является не плохая калибровка, а снижение спектральной излучательной способности ελэтого тела с ростом длины волны излучения.
А что будет, если спектральная излучательная способность будет не убывать с ростом длины волны, как на третьем слева рисунке верхнего ряда, а возрастать? Как на правом рисунке верхнего ряда? Объекты с такими спектральными характеристиками тоже есть.
В этом случае сильнее будет ослаблен сигнал не длинноволнового, а коротковолнового пирометра. Отношение коротковолнового сигнала к длинноволновому в данном случае не увеличится, а уменьшится. Это произойдет потому, что синяя гауссоида в этом случае будет уменьшенной, т.е. примерно такой же, какая она на втором слева рисунке третьего ряда. А вот красная гауссоида будет неослабленной, т.е. примерно такой, какая она на первом рисунке третьего ряда. Поскольку ελ для правого столбца с области коротковолнового сигнала выбрано нами вдвое меньшим, чем в области длинноволнового, то спектральное отношение будет равно примерно 0,5. А это на градуировочной кривой (правый рисунок нижнего ряда) будет соответствовать более низкой температуре, чем 1000 ºС (в нашем примере вблизи 850 ºС). Т.е., если спектральная излучательная способность измеряемого объекта с ростом длины волны возрастает, пирометр спектрального отношения покажет заниженный результат. А если убывает – завышенный. Величина этого завышения или занижения зависит от крутизны изменения спектральной излучательной способности (т.е., для понимания – от угла наклона графика ее зависимости к оси Ох).
Рассматриваемая погрешность присуща всем пирометрам спектрального отношения, вне зависимости от их производителя, конструктивного исполнения и использованной элементной базы.
Примеры: типичные спектральные излучательные способности ελ некоторых металлов
Для примера ниже приведены широко известные зависимости спектральной излучательной способности ελ для вольфрама (рис. 4), типичной динамной и низкоуглеродистой сталей (рис. 5). Хорошо видно, что в во всех трех приведенных зависимостях есть как области, где ελ растет с ростом длины волны, так и области, где она уменьшается. Такие зависимости спектральной излучательной способности характерны практически для всех металлов, для которых были проведены подобные измерения.
Следовательно, указанная проблема будет всегда проявляться при измерении пирометрами спектрального отношения температуры металлов. Но если крутизна роста или спала зависимости ελ от длины волны велика, как для вольфрама (рис. 4), то описываемая погрешность будет заметной (до 300-400 градусов при температуре вольфрама свыше 2000 ºС. Если же крутизна спада невелика, как для сталей на рис. 5 вблизи длины волны 2 мкм, то погрешность измерений будет почти на порядок меньше.
Что делать?
Исключение этой погрешности осуществляется следующим образом. Если полосы спектральной чувствительности приемников пирометра узки (не более 10…20 нм), то значение действительной температуры находят из соотношения (9.19 г) в [2]. Для широкополосных пирометров нужно воспользоваться методом, описанным в [3]. Но технически и то, и другое сложно, в первую очередь потому, что пользователь не располагает спектральными излучательными характеристиками измеряемого им объекта, их измерения требуют сложного оборудования и весьма квалифицированных исполнителей.
Но в большинстве практических случаев можно обойтись без этой коррекции. Дело в том, что результаты измерений исправным пирометром спектрального отношения повторяемы. Если вы используете этот пирометр для контроля температуры в технологическом цикле, то вам нужно подобрать регулировкой условий цикла правильную температуру – ту, при которой продукция, прошедшая этот цикл, будет оптимальной. И зафиксировать те показания пирометра спектрального отношения, которые были в ходе реализации этого “правильного” цикла. Эти показания скорее всего будут отличными от действительного значения температуры процесса. Но не беда. Если этот пирометр и завтра, и через неделю покажет в ходе процесса то же самое измеренное значение – значит, температура процесса правильна, процесс идет оптимальным образом. Занесите это значение температуры в технологическую карту процесса и ведите процесс с опорой на неё.
Литература
1. Пирометрия XXI века: монография. А.В. Фрунзе. – Москва; Вологда. Инфра-Инженерия, 2024. – 192 с.
2. Измерение температур в технике. Справочник. Пер. с нем. / Линевег Ф. – М.: «Металлургия», 1980. – 544 с.
3. Самойлов, М.Л. Повышение точности измерений температуры “несерых тел” широкополосным пирометром спектрального отношения / М.Л. Самойлов, А.В. Фрунзе // Метрология – 2010. – №6. – С.23-31.
Автор: Фрунзе Александр Вилленович, доктор технических наук, разработчик пирометров ДИЭЛТЕСТ И ТЕРМОКОНТ (с 1987 года), автор 5 научных книг и учебных пособий по пирометрии, а также более чем 80 статей по этой тематике в научных и научно-прикладных журналах.
Сайт, где можно найти пирометр почти под любые задачи