АНАЛИЗ  ОСНОВНЫХ  ПРОБЛЕМ  И  ПОИСК  ПЕРСПЕКТИВНЫХ  НАПРАВЛЕНИЙ  РАЗВИТИЯ  ОТРАСЛИ  БЕСКОНТАКТНОЙ  ТЕРМОМЕТРИИ

Брао  Ирина  Петровна

аспирант  кафедры  Информационно-измерительных  технологий

НУ  «Львовская  политехника»,  Украина,  г.  Львов

E-mail: 

THE  ANALYSIS  OF  MAIN  PROBLEMS  AND  SEARCH  OF  PERSPECTIVE  DIRECTIONS  OF  DEVELOPMENT  OF  THE  INDUSTRY  OF  CONTACTLESS  THERMOMETRY

Brao  Irina

postgraduate  Student  of  Department  of  Information  Measuring  Technology  NU  "Lviv  Polytechnic",  Ukraine,  Lviv

АННОТАЦИЯ

Проведена  сравнительная  характеристика  контактных  и  бесконтактных  средств  измерения  температуры  для  оценки  целесообразности  дальнейшего  развития  отрасли  бесконтактной  термометрии.  Для  определения  основных  факторов,  приводящих  к  снижению  точности  средств  пирометрии,  осуществлен  аналитический  обзор  основных  методов  и  средств  бесконтактного  измерения  температуры.

ABCTRACT

Comparative  characteristics  of  contact  and  non-contact  temperature  measurement  devices  to  assess  the  feasibility  of  further  development  of  the  field  of  of  noncontact  thermometry  was  performed.  To  identify  the  main  factors  leading  to  reduced  accuracy  of  pyrometry,  analytical  overview  of  the  main  methods  and  tools  for  non-contact  temperature  measurement  was  made.

Ключевые  слова:  температура;  излучение;  пирометрия.

Keywords :  temperature;  radiation;  pyrometry.

Введение 

Ни  одно  научное  исследование  или  процесс  производства  не  может  обойтись  без  измерений,  без  измерительной  информации.  И  ни  у  кого  нет  сомнения  относительно  того,  что  без  развития  методов  и  средств  измерения  прогресс  в  науке  и  технике  невозможен.  Температурные  измерения,  в  частности,  имеют  очень  важное  значение  в  процессе  дальнейшего  прогресса  научных  исследований  и  развития  приоритетных  отраслей  народного  хозяйства,  таких  как  химическая,  нефтехимическая,  горно-металлургическая  промышленность,  медицина,  сельское  хозяйство,  машиностроение,  транспорт,  строительство,  медицина  и  т.  д.  Особую  роль  они  играют  в  развитии  сравнительно  новых  отраслей,  таких  как  криоэнергетика,  ядерная  и  космическая  техника,  а  это  требует  постоянного  поиска  путей  улучшения  существующих  и  создание  новых  средств  измерения  температуры  с  высокими  метрологическими  и  эксплуатационными  характеристиками. 

Как  показывает  проведенный  анализ,  наибольшего  развития  и  широкого  внедрения  заслуживают  бесконтактные  методы  измерения.  По  сегодняшний  день  существует  ряд  существенных  нерешенных  проблем,  решение  которых  позволило  бы  повысить  точность  и  метрологическую  надежность  бесконтактных  средств  измерения  температуры,  что,  в  свою  очередь,  сделало  бы  их  применение  более  эффективным.

Контактные  и  бесконтактные  методы  измерения  температуры:  преимущества  и  недостатки 

Существуют  два  основных  класса  средств  измерения  температуры:  контактные  и  бесконтактные.  Контактные  основаны  на  непосредственном  контакте  первичного  измерительного  преобразователя  температуры  с  исследуемым  объектом,  в  результате  чего  в  идеальном  случае  должно  наступить  состояние  термодинамического  равновесия  преобразователя  и  объекта.  Этому  способу  присущи  свои  недостатки:  температурное  поле  объекта  искажается  при  введении  в  него  термоприемника;  температура  преобразователя  всегда  отличается  от  истинной  температуры  объекта;  верхний  предел  измерения  температуры  ограничен  свойствами  материалов,  из  которых  изготовлены  температурные  преобразователи.  Кроме  того,  ряд  задач  измерения  температуры  в  недоступных  и  движущихся  объектах  не  может  быть  решен  контактным  способом. 

Контактным  средствам  измерения  температуры  свойственны  погрешности,  обусловленные,  в  частности,  изменением  температуры  объекта  вследствие  изменения  его  температурного  поля  внесенным  термоприемником,  а  также  неизбежным  отводом  или  притоком  тепла,  обусловленным  разницей  температур  термоприемника  и  объекта  в  результате  теплообмена  термоприемника  с  окружающей  средой  [1]. 

Бесконтактные  средства  измерения  температуры  главным  образом  основаны  на  восприятии  их  термоприемником  спектра  энергии  электромагнитного  излучения,  что  излучает  любое  тело  с  температурой  выше  абсолютного  нуля. 

Бесконтактным  средствам  измерения  температуры  свойственны,  в  частности,  погрешности,  связанные  с  тем,  что  фундаментальные  физические  законы,  лежащие  в  основе  их  работы,  сбываются  только  для  абсолютно  черного  тела  (АЧТ),  от  которого  по  свойствам  излучения  отличаются  все  реальные  излучатели  (тела  и  среды)  [8].  Согласно  закону  Кирхгофа  любое  физическое  тело  излучает  энергии  меньше  чем  АЧТ,  нагретое  до  той  же  температуры.  Поэтому  бесконтактные  средства  для  измерения  температуры,  отградуированые  по  черному  излучателю,  при  измерении  температуры  реального  объекта  покажут  другую  температуру,  чем  его  истинная  термодинамическая.  Таким  образом,  точность  измерения  температуры  при  этом  в  значительной  степени  зависит  от  адекватности  воспроизведения  условий  градуировки  и  эксплуатации  бесконтактных  средств.

Определение  температуры  объекта-излучателя  по  измеренным  характеристикам  излучения  описывается  законом  Планка  [3],  который  устанавливает  обобщенную  связь  между  спектральной  плотностью  излучения,  длиной  волны  излучения  и  температурой  излучателя.  На  основании  анализа  этого  закона  можно  выделить  три  основных  направления  создания  средств  определения  температуры  бесконтактным  способом.  А  именно:  радиационная  или  интегральная  (полного  излучения)  пирометрия,  основанная  на  использовании  закона  Стефана-Больцмана  [2];  оптическая  пирометрия,  которая  базируется  на  анализе  энергетических  характеристик  монохроматического  излучения;  пирометрия  спектрального  отношения,  в  основе  которой  лежит  соотношение  Вина  [2]. 

Анализ  основных  характеристик  направлений  пирометрии:  преимущества  и  недостатки 

Радиационная  пирометрия  основывается,  как  известно,  на  зависимости  температуры  от  интенсивности  потока  электромагнитного  излучения,  полученного  от  объекта  измерения.  Радиационные  пирометры  применяются  для  измерения  температур  в  диапазоне  от  -40  °С  до  2500  °С.  Особое  преимущество  перед  методами  оптической  пирометрии  и  пирометрии  спектрального  отношения  они  имеют  при  бесконтактных  измерениях  невысоких  температур,  что  стало  возможным  лишь  сравнительно  недавно,  благодаря  использованию  новых  эффективных  методов  и  средств  охлаждения  их  теплоприемных  элементов.  Также  к  преимуществам  средств  радиационной  пирометрии  можно  отнести  простоту  конструкции,  и,  как  следствие,  умеренную  цену,  высокую  надежность  и  компактность;  наличие  высокой  чувствительности  и  разрешение  способности  по  сравнению  с  измерительными  средствами  других  видов  пирометрии. 

Основным  недостатком  радиационных  пирометров  является  непосредственное  влияние  показателя  излучательной  способности  на  результат  измерения  температуры,  что  существенно  ограничивает  их  метрологические  характеристики.  Кроме  этого,  радиационные  пирометры  имеют  ряд  других  недостатков,  которые  влияют  на  точность  измерения:  зависимость  результатов  измерения  от  расстояния  до  измерительного  объекта,  формы  объекта,  запыленности  и  загазованности  промежуточной  среды,  наличие  защитных  стекол  и  непрозрачных  объектов  в  поле  зрения  информационного  канала  пирометра,  вероятность  боковых  засветок  при  работе  рядом  с  крупногабаритными  высокотемпературными  объектами  и  т.  д. 

Пирометрия  спектрального  отношения  заключается  в  измерении  опять  же  определенной  мнимой  температуры  так  называемой  «цветовой  температуры»  объекта  по  отношению  интенсивностей  потока  излучения  в  двух  определенных  участках  спектра,  каждая  из  которых  характеризуется  определенной  эффективной  длиной  волны.  Такой  принцип  измерения  температуры  позволяет  несколько  уменьшить  негативное  влияние  на  метрологические  характеристики  пирометров  спектрального  отношения  упомянутых  выше  недостатков,  присущих  радиационным  пирометрам. 

Так  как  зависимость  сигнала  от  расстояния  до  измеряемого  объекта  одинакова  для  обоих  приемников  пирометра  спектрального  отношения,  на  отношение  сигналов  она  не  влияет;  форма  измеряемого  объекта,  запыленность  и  загазованность  промежуточной  среды  одинаково  влияют  на  сигналы  с  обоих  приемников,  оставляя  при  этом  неизменным  их  отношение  [4].  Пирометры  спектрального  отношения  нечувствительны  к  боковой  засветке  от  крупноразмерных  объектов,  наличия  небольших  непрозрачных  объектов  в  поле  зрения  пирометра,  к  наличию  защитных  стекол,  например  стекол  смотровых  окон  в  вакуумных  камерах. 

Основным  преимуществом  пирометров  данного  типа  следует  считать  то,  что  для  прецизионного  измерения  термодинамической  температуры  нет  необходимости  в  точном  определении  значения  показателя  излучательной  способности  ε  [5].  Другими  словами,  так  как  отличие  значения  ε  измеряемого  объекта  от  единицы  чаще  всего  приводит  к  одинаковому  уменьшению  сигналов  от  двух  приемников,  как  уже  было  сказано  выше,  при  этом  остается  неизменным  их  отношение,  что  не  имеет  негативного  влияния  на  результат  измерения. 

Проблематика  пирометрии  спектрального  отношения.  Поиск  путей  улучшения  метрологических  характеристик 

Существуют  два  основных  существенных  недостатка  пирометров  спектрального  отношения,  устранение  которых  сделает  использование  их  значительно  эффективнее  и  выведет  их  на  новый  уровень  развития.  Первый  недостаток  —  цена.  Пирометр  спектрального  отношения  сложнее  радиационного,  априори  состоит  из  большего  количества  элементов,  тяжелее  калибруется.  Вторым  недостатком  является  то,  что  излучательная  способность  измеряемого  объекта  ε,  как  уже  отмечалось  выше,  хотя  и  не  напрямую,  но  влияет  на  результаты  измерения.  Точнее,  результат  измерения  пирометра  спектрального  отношения  зависит  не  столько  от  абсолютного  значения  излучательной  способности  или  от  ее  изменения  от  объекта  к  объекту,  сколько  от  спектральной  зависимости  ε  =  f  (λ)  [6].  Для  примера  на  рис.  1  приведены  спектральные  зависимости  излучательной  способности  ε_λ  для  некоторых  металлов:  Fe,  Ni,  Cu,  Ag,  Co  [8].  Следует  отметить,  что  они  характеризуют  большинство  металлов  и  их  сплавов.

Рисунок  1.  Спектральные  зависимости  излучательной  способности  ε_λ  от  длины  волны  для  некоторых  металлов

На  рисунке  видно,  что  все  зависимости  имеют  однотипный  характер  —  с  ростом  длины  волны  спектральная  излучательная  способность  ε_λ  снижается.  Это  приводит  к  тому,  что  сигнал  длинноволнового  приемника  пирометра  спектрального  отношения  оказывается  заниженным  по  сравнению  с  коротковолновым.  По  этой  причине  показания  пирометра  спектрального  отношения  оказываются  завышенными  нередко  более,  чем  на  10  %.  Аналитически  рассчитать  значение  погрешности,  вызванной  снижением  ε_λ,  возможно  только  в  случае,  если  полосы  пропускания  приемников  очень  узкие,  не  более  10—12  нм.  Следует  добавить,  что  информация  по  ε_λ  для  большинства  материалов,  температуру  которых  нужно  измерять,  крайне  скудна  или  вовсе  отсутствует.  Именно  по  этим  причинам  вопрос  о  коррекции  показаний  пирометров  спектрального  отношения  при  измерении  температуры  объектов  с  излучательной  способностью,  что  зависит  от  длины  волны,  до  сих  пор  остается  нерешенным. 

Выводы 

На  основании  проведенного  аналитического  обзора  контактных  и  бесконтактных  методов  измерения  температуры,  оценки  их  преимуществ  и  недостатков,  определено,  что  приоритет  в  дальнейшем  прогрессе  и  развития  следует  предоставить  бесконтактным  методам  температуры.  Проанализировав  основные  направления  развития  пирометрии,  выделены  несколько  проблем,  решение  которых  принесет  немалую  пользу  в  сфере  использования  бесконтактных  средств  измерения.  Существенная  из  них  —  устранение  влияния  на  результат  измерения  спектральной  зависимости  ε  =  f  (λ)  и  других  влияющих  факторов,  повысит  точность  измерения  температуры  пирометрами  спектрального  отношения.  В  качестве  варианта  решения  этой  проблемы  предложено  рассчитать  оптимальное  количество  длин  волн,  на  которых  должно  осуществляться  измерение.

Список  литературы:

1.Брамсон  М.А.  Справочные  таблицы  по  инфракрасному  излучению  нагретых  тел.  Т.1.  М.:  Наука,  1964. 

2.Излучательные  свойства  твердых  материалов:  Справочник  /  Под  ред.  Шейндлина  А.Е.  М.:  Энергия,  1974. 

3.Магунов  А.Н.  Спектральная  пирометрия  (обзор).  Приборы  и  техника  эксперимента,  2009,  №  4. 

4.Рибо  Г.  Оптическая  пирометрия.  М.-Л.:  ГТТИ,  1934. 

5.Температурные  измерения.  Справочник/  Под  ред.  Геращенко  О.А.  Киев:  Наукова  думка,  1989. 

6.Куинн  Т.  Температура/  Пер.  с  англ.  М.:  Мир,  1985. 

7.Фрунзе  А.  Пирометры  спектрального  отношения.  Преимущества,  недостатки,  пути  их  устранения.  Фотоника  4/2009. 

8.Dr.  Alexander  Dmitriyev.  Laser  pyrometry  offers  practical  temperature  measurement.  Heat  treating  progress,  may/june  2005.