Пірометри і похибки при безконтактному вимірюванні температури

Унікальну можливість за 1 секунду отримати інформацію про температуру об'єкта, навіть якщо відстань становить 1,5,10 і більше метрів, в залежності від бренду, оптичного дозволу, та інших характеристик, дають спеціалізовані безконтактні пірометри.

Простота дистанційних вимірювань температури, конкуренція на ранці вимірювальних приладів, зниження цін на інфрачервоні термометри, можливість купити пірометр дешевше, призвело до масового "проникненню" цих дуже зручних цифрових вимірювачів температури як на виробництво, так і в побуті.

Однак для отримання достовірних результатів, порівнянних з контактними методами, наприклад термометром з термопарою, необхідно враховувати ряд факторів, що впливають на похибки інфрачервоних термометрів.

Як мінімум потрібно розуміти природу інфрачервоного випромінювання, мати хоча б мінімальний набір знань з метрології, знати як працює прилад і тоді нарікань на безконтактний метод виміру температури, буде значно менше.
Ми не будемо зупинятися на принципах роботи ІК термометрів, а розповімо про види наявних похибок, починаючи з моменту виробництва і до практичної експлуатації.

Виробничі похибки при проектуванні і виготовленні пірометрів

Якщо розібрати безконтактний термометр, ніякого чарівництва і "секретів" ми не виявимо.

Оптична лінза

Це приймальний пристрій, через який проходять інфрачервоні промені.
Лінза служить для фокусування, щоб усі випромінювання зібралося в одну точку.

Тут згадується фантастичний гіперболоїд інженера Гаріна. Там схожий принцип.

І ось тут криються перші похибки.

Що впливає на точність фокусування ?

1. Матеріал оптики – скло, пластик.
2. Якість обробки (шліфування, полірування, відповідає кривизна поверхні технологічним нормативам).
3. Наскільки правильно встановлена лінза в корпусі – чи немає перекосів.

В нашій практиці зустрічалися випадки, коли пірометри від відомих брендів не проходили повірку. Причому в попередній партії все було нормально, а в наступній вимірювальні прилади показували значну похибку. З'ясувалося, що на оптиці заощадили, вставили дешевий пластик, що відразу ж вплинуло на точність вимірювань.

Ми спеціально почали аналіз похибок саме з лінзи.
Електронні схеми, які обробляють сигнал, можуть спрацювати на відмінно, але без оптичної складової на достовірний результат вимірювання температури розраховувати не доводиться.

Зануримося трохи в світ фізики.

Сферична абберация

Це вид похибки виникає, коли інфрачервоні промені, проходячи через фокусирующую лінзу ІЧ-термометра, відхиляються на різні кути.

Чим ближче промені до краю лінзи, тим на більший кут вони відхиляються і навпаки.
І випромінювання замість крапки, розпливається на пляму.
Тепер помістимо термоперетворювач, що перетворює тепловий потік в електричний сигнал в точку фокусування.

Оскільки частина енергії (більша або менша залежно від ступеня спотворення оптичного), знаходиться за межами розміщення термоперетворювача, сигнал, що передається далі для оцифровки і відображення на дисплеї у вигляді шуканого значення температури, менше ніж по потужності, чим повинен бути.

А значить наприклад замість 30°С, відобразиться 25°С, що абсолютно неприпустимо.
І зробити з цим нічого не можна – вся вина лежить на виробнику пірометрів.
І метод виправлення теж зрозумілий – замінити дефектні лінзи.

Втім якщо потрібен не дорогий прилад і точність до градуси, такі ІЧ-пірометри завжди знайдуть свого покупця.

На думку спадає приказка про "безкоштовний сир" – можна скільки завгодно просити менеджерів інтернет-магазинів вимірювальних приладів підібрати "подешевше і поточніше", але чудес не буває.

За якість доведеться заплатити.

Хроматична абберация

Дистанційний метод вимірювання температури на відміну від контактного способу, заснований на перетворенні потужності інфрачервоного випромінювання (теплового потоку).

В свою чергу інфрачервоні промені розрізняються довжинами хвиль. Більшість пристроїв налаштовані на діапазон 8-14 мкм.

І тепер повернемося знову до оптичної лінзи.

Якщо матеріал оптики по-різному пропускає промені в залежності від довжини хвилі, то знову ж відбувається "розмиття".
Промені з короткою довжиною хвилі відхиляються на більший кут і навпаки.
Метод усунення – контроль якості виготовлення і матеріалу лінзи.
У всякому разі промені з зазначеного діапазону 8-14 мкм повинні фокусуватися без спотворень.

Площа лінзи

Звернемося до астрономічної техніки і зокрема до телескопів - не важливо, чи встановлені вони на орбіті або на земній поверхні.
Чим більше площа дзеркала, тим більш слабкий сигнал можна отримає з глибин космосу.

З безконтактними пірометрами та ж картина.
Від площі лінзи залежить потужність теплового потоку, що "захоплюється".

Це не визначальний показник, але також виявляє вплив на точність.

Діаметр лінзи особливо важливий, коли:

• вимірюється низька температура. Тим менше амплітуда коливання атомів, тим менше енергії надходить;
• до об'єкта далеко;
• розміри досліджуваного предмета малі.

З іншого боку, один з видів оптичних спотворень – сферична абберация зростає із збільшенням площі.

Тому виробнику інфрачервоних пірометрів потрібно знайти баланс між діаметром, якістю виконання оптики, матеріалом, і точністю установки лінз.

Хоча знову ж таки, якщо немає необхідності віддалятися на десятки метрів, і на розумні відхилення в значенні температури можна закрити очі, достатнього бюджетного дистанційного вимірювача температури.

Фокусна відстань

Припустимо лінза виготовлена з високоякісного оптичного скла, оброблена на прецизионном обладнанні.
Але якщо при збірці і установці в корпус, допущений найменший перекіс, похибка одразу зросте.

Точність термоелектричного перетворювача

Кожен датчик має свою власну похибку.
Тим більше напівпровідникові сенсори, в яких розкид характеристик може досягати значних величин.
Це визначається складністю самого технологічного процесу і сильним впливом зовнішніх факторів (передусім температури і радіації).

Похибка АЦП

Чим більше розрядність аналого-цифрового перетворювача – "серця" будь-якої цифрової техніки, тим вища точність вимірювань.

З іншого боку, збільшення розрядності безпосередньо впливає на ціну пірометра.

Таким чином, підсумкова виробнича похибка підсумовується, і достовірність результату вносить вклад:

• оптика;
• термоперетворювач;
• АЦП.

Переважна більшість безконтактних термометрів мають підсумкову паспортну похибку в межах ±2 градуси.

Звернемо увагу на ще один важливий момент.

Повірка полягає у відповідності реальної похибки паспортними даними.

Організація, яка виконує цю метрологічну процедуру, не оцінює якість виготовлення, не розбирається в причинах, а просто дає висновок – пройшов вимірювальний прилад повірку чи ні.

Завершуючи тему виробничих похибок, зазначимо, що їх можна розділити ще за двома критеріями:

• недосконалість або допущені помилки при виготовленні (проектуванні) всієї серії;
• недоліки конкретного приладу.

Пояснимо різницю.

У першому випадку, наприклад вибрано низькоякісне оптичне скло для всіх пристроїв.

У другому випадку, допустимо при складанні, працівник помилився і вставив криво лінзу в один з пірометрів при партії 100000 штук.

В останньому випадку це заводський брак через людського фактора, але в цілому за цього шлюбу не можна судити про всю партії приладів.

З іншого боку, якщо покупцеві попадеться саме цей екземпляр, доведеться розбиратися з продавцем.

По хорошому, ІНФРАЧЕРВОНИЙ термометр потрібно просто замінити. Безкоштовно і без скандалу.
І Закон "Про захист прав споживачів" дає таку можливість.
14 днів більш ніж достатньо для перевірки та тестування.

"Суб'єктивні" похибки та помилки в методології вимірювань

Коефіцієнт емісії і відбивна здатність

Якщо взяти дзеркало, то при певному розташуванні, можна буде пускати зайчики – це і є відбитий сигнал у видимому для нас, оптичному діапазоні.

А ось з темною тканиною так не вийде.
Як би ми не старалися.

Це приклад різної відбивної здатності.

Така ж картина і в інфрачервоній області.
Деякі предмети більше віддзеркалюють теплове випромінювання, інші – поглинають.

Незважаючи на всі перераховані нами виробничі похибки при розробці та виготовленні:

• по-перше, ми не можемо на це вплинути;
• по-друге, треба визнати, що за останні роки якість виготовлення пірометрів, так і контактних термометрів теж, неабияк зросла.

А ось без урахування відбивної здатності поверхонь, навіть самий точний, брендовий і дорогий інструмент покаже "температурну кашу".

Добре термометру з термопарою – він цієї проблеми позбавлений начисто.
Оскільки є безпосереднє зіткнення з об'єктом.
Немає "посередників" у вигляді інфрачервоного випромінювання.

А тепер візьмемо безконтактний вимірювач температури і два матеріали:

1. Полірована сталь
2. Латунь.

Перша деталь відрізняється високим коефіцієнтом відбиття і в прилад для вимірювання температури потрапить лише мала частина потоку тепла.

Латунь відображає значно гірше.

Коефіцієнти відбиття різняться в рази.
У найпростіших моделях встановлюється постійний коефіцієнт емісії дорівнює 0,95.
Справедливості заради треба сказати, що для більшості насамперед побутових завдань цього достатньо.

Досить кинути погляд на наведену таблицю.

Але для більш точних вимірів, бажано придбати пірометр з налаштуванням коефіцієнта емісії, щоб користувач міг самостійно в залежності від виду матеріалу, ступеня механічної обробки, окислення та інших факторів, підлаштувати свій вимірювальний прилад.

Як дізнатися, який потрібно встановлювати коефіцієнт емісії ?

Потрібен так званий еталон, згідно з термінологією Закону україни "Про метрологію", яка передає інформацію про вимірюваній величині, в даному випадку інфрачервоному термометру.

В якості еталону зазвичай виступає термометр з однією або кількома термопарами.

Алгоритм налаштування дуже простий.

1. Торкаємося контактним термометром поверхні.
2. Чекаємо, поки показання стабілізуються.
3. Записуємо або запам'ятовуємо значення температури.
4. Міняємо коефіцієнт емісії ІК термометра, поки різниця між результатом контактного та дистанційного термометрів не буде мінімальною.

Звичайно при переході до матеріалів з іншої відбивною здатністю, процедуру потрібно повторити.

Хоча, якщо набір вимірюваних матеріалів обмежений, наприклад: свинець, сталь, кераміка, для кожного з них достатньо один раз записати свої, "персональні" коефіцієнти і просто встановлювати відповідне значення.

В цьому плані дуже зручно, коли в одному корпусі інтегровано два приладу для виміру температури: інфрачервоний термометр з налаштуванням коефіцієнта емісії та термопара – такі модифікації представлені в продажу.

Оптична роздільна здатність, відстань і розмір об'єкта

Перед початком вимірювань, якщо раніше не доводилося вимірювати температуру дистанційно, в обов'язковому порядку рекомендуємо зробити 2 кроки:

1. Ознайомитися з технічними характеристиками.
2. Прочитати хоча б кілька статей, де роз'яснюється, що таке оптичне дозвіл і як цей показник впливає на похибку вимірювань.

Показник візирування (інша назва оптичної роздільної здатності) – одна з найважливіших характеристик, від якої залежить:

• дальність дистанції;
• розмір об'єкта.

Для недорогих моделей пірометрів, цей показник становить 8:1 або 12:1.

А ось для промислових приладів і 50:1 не межа.

Зауважимо, що інфрачервоні термометри з високим оптичним дозволом, як правило, використовуються для контролю високотемпературних технологічних операцій або коли наблизитися небезпечно для життя інших причин: електрична напруга, газоутворення, бризки і ін.

Що таке показник візирування, ви можете побачити на картинці. Але нас цікавить не сама це величина з точки зору теорії, а як вона впливає на точність вимірювань температури. Оранжевий овал зліва – це так зване пляма візування.

Об'єкт вимірювання має обов'язково міститися в нього повністю.

В іншому випадку в приймальню оптику буде потрапляти випромінювання і від прилеглих об'єктів і тоді похибка зашкалить. Звичайно за умови, що температурна різниця між сусідніми об'єктами буде велика – припустимо десятки градусів. Якщо ж вимірюється температура стіни, то теоретично пляма візування не має великого значення.

Але от на практиці, наприклад, якщо половина стіни утеплена, то переводячи прилад з однієї половини на іншу, ми побачимо різницю.
Особливо це помітно по розмальовці термограми, яку видає тепловізор для енергоаудиту.
У реальності як розрахувати знаючи показник візирування (він завжди наведено в технічних характеристиках), на яку відстань можна відійти ?

Пропорція дуже проста. Тільки треба враховувати розмір об'єкта. Якщо предмет має висоту 1 метр і оптичне дозвіл складає 30:1, максимум наскільки можна відійти – 30 метрів.

А якщо розмір зменшиться до 50 см ? На щастя, залежність лінійна, тому раз розмір зменшився в 2 рази, у стільки ж разів зменшиться і відстань: 30/2=15 метрів.

Просто вважати, коли перед нами квадрат або коло.
А якщо об'єкт має криволінійну форму ?
Доведеться хоча б на око прикинути мінімальна відстань між двома точками об'єкта, щоб виконати базова умова – він повинен повністю поміщатися в полі зору.

Повторюваність результату
Уявімо собі, що треба виміряти температуру деталі, що вийшла після термообробки.

Пірометр пройшов повірку, проведений на підприємстві відомого бренду, оптична роздільна здатність, і відстань відповідають один одному, і т. д.
Натискаємо на курок і отримуємо значення. Потім ще раз, "для гарантії".

Повторюваність результату – це різниця між двома послідовними вимірюваннями.

І це стосується взагалі будь-яких вимірювальних приладів.
Якщо різниця дорівнює нулю, це ідеальний результат. А якщо не дорівнює ? Розберемося, що впливає на повторюваність результату.

Повернемося до нашого прикладу.
Якщо деталь нагріта до високої температури, то вже за секунди значення може впасти наприклад з 700 до 600 градусів.

І де істина ? Інструмент в обох випадках покаже правильний результат.

Тому для об'єктів, які швидко охолоджуються або нагріваються, потрібно чітко прописувати умови вимірювання – наприклад рівно через 1 секунду після термообробки.

А якщо деталь має постійну температуру і два послідовні вимірювання показують різний результат ?

В теорії такого не повинно бути.

Але на практиці можливі такі сценарії.

1. Рука змістилася вліво-вправо, деталь (напівфабрикат або заготівля), "пішла" з поля зору приладу і про точний результат можна забути. В цьому випадку для багатогодинних вимірів необхідно встановлювати на штатив. Роз'єм під триногу є не у всіх, а в основному у реєстраторів – самописців температури.
2. Уявімо, що металева деталь піддається загартуванню, нормалізації або відпустки та зовнішній шар поступово покривається оксидною плівкою з-за реакції взаємодії з киснем при підвищеній температурі. А адже коефіцієнт емісії залишається незмінним і температура "пливе".

Все це впливає на повторюваність вимірів.

Таким чином при дистанційних вимірах температури, необхідно враховувати весь комплекс факторів, що впливають на похибку.