Измерение температуры по тепловому излучению



Предыдущая | Следующая

 

Измерение температуры по тепловому излучению ПИРОМЕТРЫ Пирометры — бесконтактные измерители температуры по-прежнему являются важными 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.
Большая часть пирометров разрабатывалась и выпускалась на Украине: на Каменец-Подольском приборостроительном заводе (КППЗ), Харьковском заводе «Прибор» и во Львовском НПО «Термоприбор». В целом парк приборов СССР составлял 200-300 тыс. приборов, большую часть которых (до 70-80 %) составляли визуальные пирометры с исчезающей нитью типа «Проминь».
Серийный выпуск пирометров в ограниченных объемах (всего около 15-25 % от общего количества) проводился в Москве, Ленинграде, Свердловске, Горьком и в настоящее время прекращен.
Основную массу парка приборов составляли приборы с основной погрешностью 1-5 %.
Использование современной элементной базы существенно расширило возможности этих приборов и позволило наделить их новыми свойствами — помимо измерения они могут теперь проводить обработку полученной информации и осуществлять сложные действия по управлению технологическим процессом. Снизился их вес, уменьшились габариты, приборы стали проще и удобнее в эксплуатации.
Все это оказалось возможным благодаря применению в приборах новой элементной базы, включающей микропроцессоры. Использование электроники нового поколения позволило также снизить процент отказов приборов как за счет уменьшения количества используемых элементов, так и за счет высокой надежности каждого из них. Кроме того, более корректно учитывается влияние излучательной способности измеряемого объекта и температуры окружающей среды, что позволило повысить точность измерений в цеховых условиях. Высокая стабильность источников опорного напряжения и цифровое преобразование сигнала приемника излучения в температуру создали предпосылки для увеличения межповерочного интервала пирометров.
Все более широкое применение получает радиационная термометрия в технологических процессах, ранее традиционно использовавших контактные методы, причем диапазон измерений расширился в сторону низких температур до минус 50оС, расширяется область применения тепловизоров, очень актуально внедрение неконтактных методов измерения температуры в энергетической промышленности. Значительно сократилась доля визуальных пирометров, еще в 1980-е гг. составлявшая более 70 %, в настоящее время, по-видимому, она не превышает 25-30 %.
Общее число применяемых пирометров в России, по оценке ВНИИМ, — 50-70 тыс. Структура парка включает следующие основные группы приборов:
— сканирующие пирометры (тепловизоры) — 3-5 %;
— пирометры полного и частичного излучения — 70-75 %;
— пирометры спектрального отношения — 10-15 %;
— монохроматические пирометры — 15-20 %.
Среди российских производителей пирометров существенную долю рынка занимают фирмы «Техно-Ас» (г. Коломна), «Кельвин» (г. Москва), «Инфратест» (г. Екатеринбург), «Диэлтест» (г. Москва), «Эталон» (г. Омск).
Перед контактными методами измерения температуры пирометрические обладают следующими преимуществами:
— высоким быстродействием, определяемым типом приемника излучения и схемой обработки электрических сигналов. При использовании квантовых приемников излучения (фотодиодов) и быстродействующих аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) постоянная времени может составлять 10-2—10-6 с.;
— возможностью измерения температуры движущихся объектов и элементов оборудования, находящихся под высоковольтным потенциалом;
— отсутствием искажения температурного поля объекта контроля, что особенно актуально при измерении температуры материалов с низкой теплопроводностью (дерево, пластик и др.), а также риска повреждения поверхности и формы в случае мягких (пластичных) объектов;
— возможностью измерения высоких температур, при которых применение контактных средств измерения либо невозможно, либо время их работы очень невелико;
— возможностью работы в условиях повышенной радиации и температуры окружающей среды (до 250°С) при разнесении приемной головки и электроники пирометра с помощью оптоволоконного кабеля.
Основными недостатками пирометрических измерений температуры являются трудности полного учета связей между термодинамической температурой объекта и регистрируемой пирометром тепловой радиацией. Необходимо учитывать изменение излучательной способности поверхности?? от длины волны?? в регистрируемом спектральном диапазоне и от температуры T в диапазоне измерений, наличие поглощения излучения в среде между пирометром и объектом контроля, геометрические параметры поля зрения пирометра и его оптической системы, температуру окружающей среды и корпуса прибора.
Рассмотрим основные факторы, влияющие на точность результатов измерений пирометром, более подробно:
1. Как известно, пирометр вычисляет температуру объекта, измеряя поток теплового излучения с некоторой части его поверхности в рабочей области спектра (либо используя отношение потоков в двух и более областях спектра — в пирометрах спектрального отношения).
Для расчета плотности излучения в заданном спектральном интервале применяют закон Планка, который является основным и наиболее общим законом в теории теплового излучения:
E (?,T )?? C , Вт/см3, где ????? e???? 1? ????????? ? — излучательная способность, С 1 и С2 — первая и вторая постоянные Планка, ? — длина волны, Т — температура.
Объект, полностью поглощающий падающее на него излучение, обладает наибольшей излучательной способностью ? = 1 и называется «абсолютно черным телом» (АЧТ). Реальные объекты имеют излучательную способность меньше 1 и, следовательно, излучают меньше энергии.
Проблема заключается в том, что для большинства реальных объектов излучательная способность зависит от температуры и длины волны, т. е.?? = f (?, T), а также от многих других факторов — материала и формы объекта, состояния поверхности, наличия оксидной пленки, конденсата влаги и т. п.
Дерево, пластик, органические материалы, камень, графит имеют излучательную способность около 0,8-0,95, в противоположность им излучательная способность металлов может изменяться в очень широких пределах, зависит от температуры и длины волны. Поверхность расплавленного металла образует гладкое зеркало, излучательная способность которого может быть менее 0,1, а излучательная способность плавающего на поверхности шлака может достигать значений 0,9-0,95.
Для корректного измерения температуры необходимо точно указать пирометру излучательную способность объекта, для определения которой можно воспользоваться справочными данными либо некоторыми практическими методами.
2. Между пирометром и объектом не должно быть препятствий, не прозрачных в рабочей области спектра пирометра, в противном случае в результате уменьшения потока излучения показания пирометра будут занижены. Объект измерения, напротив, должен быть непрозрачным в данной области спектра. Значительные погрешности возникают также при загрязнении поверхностей оптической системы пирометра, что приводит к необходимости их периодической очистки, или, в особо тяжелых условиях, к непрерывному обдуву чистым воздухом.
3. Оптическая система формирует поле зрения пирометра — область пространства, в пределах которой производится измерение температуры. Для корректного проведения измерений необходимо, чтобы объект полностью перекрывал поле зрения. В противном случае, во-первых, поток теплового излучения, попадающий на приемник (датчик) пирометра от объекта измерения, уменьшится пропорционально сокращению перекрываемой объектом площади, во-вторых, на приемник будет попадать излучение заднего фона (объектов, расположенных за объектом измерения). В качестве параметра, определяющего диаметр поля зрения пирометра, обычно используют показатель визирования??? равный отношению диаметра поля зрения к расстоянию до точки измерения. Наиболее точно рассчитать диаметр поля зрения возможно при использовании диаграммы поля зрения пирометра, на которой приводится диаметр (или радиус) поля зрения в зависимости от расстояния до объекта измерения.
4. Пирометром может быть измерена только температура поверхности объекта, измерение температуры внутри объекта возможно лишь путем нарушения его целостности (что справедливо и для контактных средств измерения).
5. Для настройки и поверки пирометров необходимо использовать модели АЧТ, излучательная способность которых близка к единице и определена с высокой точностью.
Стабильность и точность пирометров в настоящее время во многом зависит от качества датчиков, которое существенно меняется в зависимости от изготовителя, а также в значительной мере от качества элементов и сборки оптической системы.
НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ Приемники излучения являются незаменимыми элементами инфракрасных приборов и предназначены для преобра зования энергии оптического излучения в электрическую энергию, более удобную для непосредственного измерения.
По принципу действия приемники делят на две большие группы: тепловые и фотонные. Тепловые приемники основаны на изменении тех или иных свойств при изменении температуры, образующейся под воздействием падающего лучистого потока, независимо от его спектрального состава. Различают следующие типы тепловых приемников:
— болометры, у которых при изменении температуры меняется электрическое сопротивление чувствительного элемента;
— термоэлементы, использующие термоэлектрический эффект;
— пироэлектрические приемники, основанные на изменении параметров сегнетоэлектрика под действием падающего лучистого потока;
— оптико-акустические приемники, в основе которых лежит свойство увеличения объема газа при повышении температуры.
В фотонных приемниках имеет место прямое взаимодействие между падающими фотонами и электронами материала чувствительного элемента. Типы фотонных приемников следующие:
— фотоэлементы и фотоумножители, основанные на внешнем фотоэффекте, при котором электроны эмитируются с поверхности чувствительного слоя под действием падающего лучистого потока;
— фоторезисторы, основанные на внутреннем фотоэффекте, заключающемся в образовании свободных электронов в твердом теле и изменении его электропроводности при поглощении квантов излучения;
— приемники с р-п переходом, которые, в свою очередь, делят на:
— вентильные фотоэлементы, состоящие из двух различных контактирующих веществ (металлопроводник, два полупроводника), на границе которых при облучении возникает фотоэлектродвижущая сила; фототок в цепи вентильных фотоэлементов возникает при отсутствии внешнего питающего напряжения;
— фотодиоды — вентильные фотоэлементы, у которых в качестве контактирующих веществ применяют полупроводники с различным типом проводимости;
фотодиоды работают как с приложенным внешним электрическим напряжением, так и в режиме генератора тока;
— фототранзисторы, устройства, подобные фотодиодам, но представляющие собой системы с п-р-п или р-п-р переходами и обладающие свойством внутреннего усиления фототока.
По спектральному диапазону чувствительности приемники разделяют на неселективные, чувствительность которых не зависит от длины волны падающего излучения, и селективные, чувствительность которых ограничена определенным длинноволновым пределом.
По конструктивным признакам приемники излучения классифицируют на одноэлементные и многоэлементные (мозаичные), а также на неохлаждаемые, работающие при температурах, близких к 300К, и охлаждаемые приемники, работающие при температурах 195К, 78К и ниже 20К. Основными требованиями, предъявляемыми к приемникам излучения, предназначенным для работы в инфракрасной аппаратуре, являются:
— определенный спектральный диапазон чувствительности, соответствующий характеристикам теплового излучения — высокий порог чувствительности;
— малый уровень собственных шу — слабая зависимость выходного сигнала от частоты модуляции падающего лучистого потока (малая инерционность);
— линейная зависимость выходного сигнала от величины падающего лучистого потока в широком диапазоне изменений последнего;
— слабая зависимость внутреннего сопротивления от температуры;
— одинаковая чувствительность по всей рабочей площадке;
— малый вес и габариты.
К основным параметрам приемников излучения относят порог чувствительности, интегральную чувствительность, уровень шумов, сопротивление (темновое) и постоянную времени.
В настоящее время к наиболее распространенным в пирометрии типам приемников (датчиков) можно отнести:
— фотодиоды. Si фотодиоды имеют максимум спектральной чувствительности в диапазоне 0,6-0,9 мкм, высокую температурную и временную стабильность параметров. Применяются при измерении температур от 500oС и выше. InGaAS фотодиоды с максимумом в диапазоне 1,5-2,3 мкм используются для измерения температур 300-2000oС. Стабильность этих фотодиодов значительно хуже кремниевых и предпочтительно их термостатирование. Быстродействие фотодиодов очень велико и достигает величин 10-9 с и менее.
Предпочтительным считается включение фотодиода в режиме генератора тока (сопротивление нагрузки близко к нулю);
— термобатарейные приемники излучения. Применяются для измерения низких температур и комплектуются оптическим фильтром с полосой пропускания 8-14 мкм, в которой влияние поглощения ИК-излучения атмосферой минимально.
Быстродействие термобатарей невелико и достигает 10-1 с. Диапазон измеряемых с их помощью температур обычно составляет от — 50oС до 1000oС, при измерении более высоких температур фотодиоды обеспечивают значительно большую точность. Также необходимо компенсировать температуру холодных спаев термобатареи, для чего в ее корпусе устанавливается терморезистор;
— пироэлектрические приемники.
Требуют механической модуляции потока излучения, что усложняет конструкцию прибора и снижает его надежность. Высокая чувствительность пироэлектриков в диапазоне 4-20 мкм позволяет применять в качестве оптической системы калиброванное отверстие в непрозрачном материале. Быстродействие пироэлектриков достаточно велико, но ограничивается частотой модуляции потока излучения. В силу указанных особенностей их используют достаточно редко;
— фоторезисторы. Использование фоторезисторов представляется целесообразным в спектральном диапазоне 3-5 мкм, в котором существует окно прозрачности атмосферы для ИК-излучения. Сильная температурная зависимость чувствительности фоторезистора от его температуры приводит к необходимости термостатирования корпуса датчика и модуляции измеряемого потока излучения. Несмотря на то, что по быстродействию фоторезисторы приближаются к фотодиодам, быстродействие в случае механической модуляции будет определяться ее частотой.
К достоинствам фоторезисторов можно отнести высокую чувствительность, что позволяет использовать простые оптические системы в виде калиброванных отверстий.
В наших разработках в различное время находили применение пироэлектрические датчики, фоторезисторы, фотодиоды и термобатареи. От исполь зования пироэлектрических датчиков пришлось отказаться ввиду низкой стабильности параметров и проблем с механической модуляцией. С внедрением в схемотехнических решениях современной элементной базы, в частности операционных усилителей, стабилизированных прерыванием, появилась возможность непосредственного усиления сигналов постоянного тока, генерируемых термобатареями и фотодиодами без преобразования в переменные. Цифровая обработка результатов измерений позволила отказаться от капризных и сложных в настройке аналоговых логарифматоров и получить приемлемый динамический диапазон. Большая часть некачественных датчиков попадает на российский рынок из Китая под логотипами известных фирм, что вынуждает устанавливать прямые контакты с зарегистрированными дилерами. В выпускаемых серийно ОАО НПП «Эталон» пирометрах применяются следующие типы датчиков: термобатареи фирмы «Perkin Elmer» устанавливаются в пирометры ПП-1, ПТ-1; Si и InGaAS фотодиоды фирмы «Hamamatsu» нашли применение в стационарных пирометрах ПД-4 и ПД-7, сдвоенный фотодиод «Hamamatsu» используется в пирометре спектрального отношения ПД-8. В стационарном пирометре СТ-1 используется фоторезистор ФР-611 производства российской фирмы «Гириконд».
Среди последних разработок ОАО НПП «Эталон» хотелось бы выделить представителей новой линейки пирометров — стационарный оптоволоконный пирометр ПД-7 (рис. 1) и стационарный термобатарейный пирометр ПТ-1.
Пирометры серии ПД-7 разработаны для массового применения в металлургии, машиностроении, химической промышленности. Предназначены для измерения температур расплавов металла, сыпучих веществ, полупроводников, расплава стекла на глубине. В качестве датчика теплового излучения в пирометрах применяются термостатированные InGaAs фотодиоды «Hamamatsu» с максимумом спектральной чувствительности на 1,55 мкм. В пирометрах этой серии удалось добиться следующих технических характеристик:
Пирометр состоит из двух частей: приемника ИК-излучения и блока обработки сигнала, соединенных между собой оптоволоконным кабелем, по которому передается инфракрасное излучение от объекта контроля. Приемник ИК-излучения и оптоволоконный кабель выдерживают температуру окружающей среды до 200°С кратковременно. Гибкий оптоволоконный кабель и маленькие габариты приемника позволяют измерять температуру в труднодоступных местах. Приемник ИК-излучения и оптоволоконный кабель не чувствительны к воздействию электромагнитных полей.
Металлорукав из нержавеющей стали защищает оптоволоконный кабель от механических повреждений и влияния агрессивной окружающей среды.
Высокий показатель визирования пирометра (не менее 1:150) позволяет контролировать температуру объекта на расстоянии 1000 мм с пятном визирования 6 мм. Лазерная подсветка поля зрения позволяет точно навести пирометр на объект контроля.
Дополнительно пирометр ПД-7 может быть укомплектован специальным защитным керамическим или металлическим чехлом, на дно которого фокусируется приемник ИК-излучения (рис. 2).
Такая схема позволяет измерять температуру среды, в которой находится защитный чехол — аналог термопары. Пирометр успешно прошел государственные испытания на утверждение типа.
Стационарные пирометры серии ПТ-1 разработаны для измерения температур от — 50oС до 1000oC (рис. 3).
В пирометры этой модели устанавливаются термобатарейные датчики «Perkin Elmer» с встроенным оптическим фильтром, обеспечивающим полосу пропускания 8-14 мкм. Датчик расположен в пассивном (неподогреваемом) термостате, компенсация температуры окружающей среды проводится посредством измерения температуры встроенного в датчик терморезистора и математической обработки полученных результатов. Отсутствие подогрева позволило существенно снизить потребляемую пирометром мощность. В оптическую систему пирометров устанавливается германиевая оптика и два лазерных модуля для наведения на объект измерений. В настоящее время пирометры подготавливаются для проведения государственных испытаний на утверждение типа и подтверждения следующих параметров:
Входящее в комплект поставки пирометров программное обеспечение Piro Visual (рис. 4), совместимое с Windows 95/98/XP, позволяет:
• идентифицировать пирометры;
• отображать текущее, минимальное и максимальное значения температуры (рис. 5);
задавать коэффициент коррекции излучательной способности;
• сигнализировать о неисправности прибора или выходе параметров за допустимые значения;
• производить визуализацию измерений в виде графика в режиме реального времени;
• вести непрерывную запись измерений в файл на жестком диске;
• выводить графики или их фрагменты на принтер;
• изменять внутренние настройки пирометра;
• настраивать токовый выход;
• проводить калибровку пирометров.