8.4. Використання пірометра для безконтактного вимірювання температури.

Вимірювання температури безконтактними пірометричними засобами за останні роки набули пріоритету в вимірюваннях температури поверхні різних об’єктів порівняно з контактними засобами вимірювання температури. Діапазон температур має доволі широкі межі від −50 до +3000 ^оС. Вони є незамінними в енергетиці, металургійний, машинобудівній, електронній, хімічній, харчовій та інших галузях промисловості де необхідна оперативність в вимірюванні температури та прийняті рішень. Їм немає альтернативи при вимірюванні температури об’єктів що рухаються (наприклад метал на прокатному стані, рухомі частини автомобілів тощо), на об’єктах, де необхідна інформація о часових змінах температури, у важкодоступних або недоступних за розташуванням об’єктів (підстанції високої напруги, що перебувають у небезпечних зонах; естакадні теплові комунікації) габаритні об’єкти (поверхні парових та водогрійних котлів, печей обпалу, ємкостей для зберігання та транспортування рідких та газових сполук) тощо.

Пірометр — прилад для безконтактного вимірювання температури непрозорих тіл за їх тепловим випромінюванням в оптичному діапазоні спектра 0,46…14 мкм. Принцип дії полягає на вимірюванні потужності теплового випромінювання об’єкта дослідження. Кожне тіло випромінює електромагнітні хвилі. Інтенсивність і спектр випромінювання визначаються законом Кірхгофа, а закон Планка установлює залежність між абсолютною температурою та спектральним розподілом енергетичним яскравості тіла.

Сучасні пірометри це малогабаритні, прості і зручні в експлуатації, та надійні прилади для оперативного вимірювання поверхневої температури, в яких в якості приймача використовують напівпровідникові фотоелементи на основі InSb, InGaAs, які дозволяють фіксувати інфрачервоне випромінювання з довжинами хвиль від 0,76 до14 мкм.

Використання сучасної мікропроцесорної елементної бази істотно збільшило можливості цих приладів і дозволило наділити їх новими властивостями таки як: миттєвим вимірюванням температури (1< с), виводом значення температури в вигляді зручної візуальної інформації, проводити обробку отриманої інформації в вигляді усереднених значень по поверхні, визначені мінімумів та максимумів з цих значень, записом поточних значень і введенням їх на комп’ютер з можливою подальшою графічною демонстрацією динаміки температури тощо.

Знання особливостей та можливостей пірометра є основною вимогою до використання приладу, а саме:

1. Вимірювання повинні проводитись під прямим кутом до вимірювальної поверхні.

2. Слід ознайомитись з діапазоном температур, що може вимірювати пірометр, точністю та похибкою, яка для більшості пірометрів знаходиться в межах 2,5…0,75 %, для певного діапазону температур.

3. Необхідно знати випромінювальну здатність поверхні досліджуваного об’єкта.

Для наближених вимірювань можливо використовувати значення ступеня чорноти =0,90…0,96, яка в деяких пірометрах є фіксованою величиною =0,94…95. Близькі до цієї ступені чорноти мають більшість оточуючих тіл: цегляна кладка, штукатурка, деревина, фарби, скло, папір, пластики тощо. У довідниковій літературі можна уточнити ступінь чорноти поверхні для певного матеріала і в температурному діапазоні. Але металеві поверхні мають значну розбіжність в ступені чорноти: від дзеркальних тіл ― полірована латунь =0,031, алюміній =0,05, залізо =0,06, мідь =0,023, до окислених та шорстких поверхонь ― латунь =0,61, алюміній =0,2, залізо =0,95, мідь =0,78.

Для усунення даного недоліку частинку дослідної поверхні фарбують чи на неї наклеюють матеріал з відомим ступенем чорноти, наприклад плівку «аракал», копіювальний папір тощо, і вимірюють температуру до та після наклеювання та визначають ступінь чорноти за рівняннями:

(8.8)

За даним визначенням потрібно ще вимірювати температуру оточуючого повітря біля досліджуваного об’єкту.

В випадку, коли на пірометрі є функція зміни ступені чорноти (коефіцієнт емісії, коеф. випромінювання), ці розрахунки непотрібні, а достатньо виміряти температуру поверхні з відомим ступенем чорноти. Після, навести пірометр на дослідну ділянку і регулюванням ступеня чорноти довести температуру на табло до значення температури з відомим ступенем чорноти поверхні. Ця ступінь чорноти буде шуканою для даної поверхні.

4. Діаметр вимірювального кола. Цим діаметром обмежена площа вимірювальної ділянки, в межах якої вимірюється температура. Місце знаходження центра ділянки вказує лазерний промінь. У дорогих пірометрах лазерний промінь обмежує цю ділянку точками в вигляді кола, що значно спрощує вимірювання. Розміри плями на коротких відстанях показані на корпусі пірометра, на відстані 3 м і більше, ці розміри теж можливо визначити за співвідношенням, записаного на корпусі приладу у вигляді D:S (D:L), де коефіцієнт оптичного вирішування D та відстань до об’єкта S (L). Для визначення діаметра плями d потрібно поділити дійсну відстань до об’єкта на коефіцієнт оптичного вирішування ― d=S/D.

У табл. 8.1 наведені співвідношення D:S, відстані до об’єкта та діаметри вимірювального кола для пірометрів, що продаються на ринку України та рекламуються, як прилади спеціально для вимірювання температури на промислових теплоенергетичних об’єктах.

Таблиця 8.1

D:S	1:1	2,5:1	6:1	10:1	12:1	20:1	30:1	33:1	50:1	60:1	75:1
L(S), м	Діаметр вимірювального кола (плями)d, м
1 м	1,0	0,4	0,167	0,100	0,083	0,050	0,033	0,030	0,020	0,017	0,013
1,5 м	1,5	0,6	0,250	0,150	0,125	0,075	0,050	0,045	0,030	0,025	0,020
2 м	2,0	0,8	0,333	0,200	0,167	0,100	0,067	0,061	0,040	0,033	0,027
3 м	1,5	1,2	0,500	0,300	0,250	0,150	0,100	0,091	0,060	0,050	0,040
4 м	4,0	1,6	0,667	0,400	0,333	0,200	0,133	0,121	0,080	0,067	0,053
5 м	5,0	2,0	0,833	0,500	0,417	0,250	0,167	0,152	0,100	0,083	0,067
10 м	10	4,0	1,667	1,000	0,833	0,500	0,333	0,303	0,200	0,167	0,133
15 м	15	6,0	2,500	1,500	1,250	0,750	0,500	0,455	0,300	0,250	0,200
20 м	20	8,0	3,333	2,000	1,667	1,000	0,667	0,606	0,400	0,333	0,267
30 м	30	12	5,000	3,000	2,500	1,500	1,000	0,909	0,600	0,500	0,400

При вимірюванні слід пам’ятати, що вимірювальне коло повинно бути мінімум в два рази меншим, ніж вимірювальний об’єкт.

Недоцільно розглядати вимірювальне коло більше за 0,5 м, інакше можливі викривлення пов’язані з нерівномірністю розподілу температур по поверхні, за ступенем чорноти поверхні, впливом довкілля, тощо. Фірма «Raytek» для своїх приладів рекомендує доцільний діаметр вимірювального кола не більше за 0,167 м або 16,7 см, відповідну при цьому і відстань до об’єкта для різних за оптичного визначення пірометрів наведено у табл. 8.1. та позначено сірою смужкою.