Использование пирометров в метрологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Метрология (от греч. мера, измерительный инструмент и от др.-греч. мысль, причина) -- наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью. Средством метрологии является совокупность измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих требуемую точность.

Метрология проникает во все науки и дисциплины, имеющие дело с измерениями и является для них единой наукой. Основные понятия, которыми оперирует метрология, это измерение, средство измерений, метрология, методики выполнения измерений.

Метрология состоит из 3 разделов:

· теоретическая -- рассматривает общие теоретические проблемы (разработка теории и проблем измерений, физических величин, их единиц, методов измерений.

· Прикладная -- изучает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии. В её ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения.

· Законодательная -- устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений.

Цели и задачи метрологии:

· создание общей теории измерений;

· образование единиц физических величин и систем единиц;

· разработка и стандартизация методов и средств измерений, методов определения точности измерений, основ обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений (так называемая «законодательная метрология»);

· создание эталонов и образцовых средств измерений, поверка мер и средств измерений. Приоритетной подзадачей данного направления является выработка системы эталонов на основе физических констант.

Также метрология изучает развитие системы мер, денежных единиц и счёта в исторической перспективе.

Аксиомы метрологии:

· любое измерение есть сравнение.

· любое измерение без априорной информации невозможно.

· результат любого измерения без округления значения является случайной величиной.

Классификация измерений:

По способу получения измерения:

· прямые -- когда физическая величина непосредственно связывается с ее мерой;

· косвенные -- когда искомое значение измеряемой величины установлено по результатам прямых измерений величин, которые связаны с искомой величиной известной зависимостью;

· совокупные -- когда используются системы уравнений, составляемых по результатам измерения нескольких однородных величин;

· совместные -- производятся с целью установления зависимости между величинами. При этих измерениях определяется сразу несколько показателей.

По характеру изменения измеряемой величины:

· статические -- связаны с такими величинами, которые не изменяются на протяжении времени измерения;

· динамические -- связаны с такими величинами, которые в процессе измерений меняются (температура окружающей среды).

По количеству информации:

· однократные

· многократные

По отношению к основным единицам измерения:

· абсолютные (используют прямое измерение одной основной величины и физической константы);

· относительные -- базируются на установлении отношения измеряемой величины, применяемой в качестве единицы. Такая измеряемая величина зависит от используемой единицы измерения.

Место разрабатываемой темы в общем курсе «Метрология, стандартизация и сертификация» и связь ее с другими разделами дисциплины.

1. Основные понятия и термины разрабатываемой темы

Единство измерений - такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.

Точность измерений характеризуется близостью их результатов к истинному значению измеряемой величины. Точность - величина, обратная погрешности (о ней речь пойдет ниже). Измерительная техника - это практическая, прикладная область метрологии. Измеряемыми величинами, с которыми имеет дело метрология, являются физические величины, т.е. величины, входящие в уравнения опытных наук (физика, химия и др.), занимающихся познанием мира эмпирическим (т. е. опытным) путем.

Пирометр -- прибор для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света.

Температура (от лат. Temperatura -- надлежащее смешение, нормальное состояние) -- скалярная физическая величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

Излучение -- процесс испускания и распространения энергии в виде волн и частиц.

Радиационный пирометр - пирометр, применяемый для измерения радиационных температур, т.е. прибор для бесконтактного определения температур тел по их суммарному тепловому излучению во всём диапазоне длин волн.

Инфракрасное излучение -- электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны^[1] л = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (л ~ 1--2 мм).

Видимое излучение -- электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок^[1][2] спектра с длинами волн приблизительно от 380 (фиолетовый) до 780 нм (красный)^[3]. Такие волны занимают частотный диапазон от 400 до 790 терагерц. Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова).

2. Изложение разрабатываемой темы

2.1 Принципы построения, характеристики и применение оптических и радиационных бесконтактных термометров (пирометров)

Пирометром называют прибор, который измеряет температуру по тепловому электромагнитному излучению и предоставляет информацию в форме, удобной для пользователя.

Бесконтактный термометр или пирометр - прибор, рассчитанный для бесконтактного измерения температуры тел. Они принадлежат к категории приборов неразрушающего контроля. Измерение мощи теплового излучения объекта совершается преимущественно в диапазонах видимого света и инфракрасного излучения. Изобретение пирометра присваивают Питеру Мушенброку (Pieter van Musschenbroeck).

Распространены яркостные, цветовые и радиационные пирометры. Основным типом является яркостной пирометр, обеспечивающий наибольшую точность измерений температуры в диапазоне 103-104 К. В простейшем визуальном яркостном пирометре с исчезающей нитью объектив фокусирует изображение исследуемого тела на плоскость, в которой расположена нить (ленточка) эталонной лампы накаливания.

По принципу работы разделяют два типа пирометров: одно спектральные (яркостные) и мультиспектральные. Последние принимают излучение в двух и более спектральных диапазонах, температура объекта устанавливается путём сопоставления мощностей в различных диапазонах.

Оптический пирометр предназначен для измерения температуры путем сравнения яркостей свечения тел, он оснащен лампой накаливания. Яркость нити лампы регулируется током, проходящим через лампу. Принцип работы оптического пирометра построен на уравнивании яркостей исследуемого тела и нити лампы накаливания. При этом используется график зависимости температуры нити накаливания от величины тока, проходящего через лампу.

Основное применение пирометры находят в электроэнергетике, теплоэнергетике, при производстве пластмасс и стекла, в космонавтике. Многие типы пирометров - такие приборы вернее называть инфракрасными радиометрами - измеряют особенно низкие температуры. В особенности распространенный диапазон измеряемой пирометрами температуры - от -32 до +900 градусов по Цельсию, реже до +2200 градусов.

Для измерения температуры тел, у которых a " const в оптическом диапазоне спектра, применяют цветовые пирометры. Этими пирометрами определяют отношение яркостей обычно в синей и красной областях спектра b1(l1, T)/b2(l2, T) (например, для длин волн l1 = 0,48 мкм и l2 = 0,60 мкм). Шкала прибора прокалибрована в С и показывает цветовую температуру Tc. Истинная температура Т тела определяется по формуле.

Цветовые пирометры менее точны, менее чувствительны и более сложны, чем яркостные; применяются в том же диапазоне температур.

Портативные пирометры используются при контроле механического оборудования, для измерения температуры пищевых продуктов.

Стационарные пирометры (инфракрасные датчики температуры) применяются для постоянного контроля температуры производственных процессов.

К важным техническим характеристикам пирометров относятся: погрешность и диапазон измерения температуры, скорость измерения, точность системы прицеливания, удобство интерфейса пользователя, качество дисплея и характер представления данных, разрядность индикатора, объем архивируемой информации, степень защиты от окружающей среды, включая защиту от электромагнитных помех.

Некоторые современные модели пирометров оснащают вмонтированной цифровой фотокамерой, что гарантирует немедленное измерение температуры с одновременным получением фотографии объекта, точно демонстрирующей измеряемую площадь, при этом цифровые фотографии заносятся в память и фиксируются данные о температуре, времени измерений. Основные параметры пирометров:

1. Выбор диапазона температур зависит непосредственно от объекта, контроль температуры которого осуществляется.

2. Тип прицельного устройства определяется полностью размерами объектов, температуру которых необходимо определить, а также расстоянием до этих объектов. Контроль температуры малых и значительно удаленных объектов требует дорогих прицельных устройств.

3. Тип индикатора определяется условиями эксплуатации, в основном значением температуры, при которой планируется использовать прибор.

4. Показатель визирования, по аналогии с типом прицельного устройства выбирается в зависимости от размеров объектов и расстояния до них. Показатель визирования пирометра зависит прямопропорционально от удаленности объекта и обратно - пропорционально от его размеров. Важно также, чтобы при измерении температуры удаленного объекта в поле зрения инфракрасного термометра не попадали посторонние предметы.

5. Расстояние до минимального поля зрения - согласно основным оптическим законам, поле зрения прибора будет увеличиваться пропорционально увеличению расстояния от прибора до объекта, при выборе прибора необходимо учесть расстояние, на котором наиболее часто будут проводиться измерения температуры.

Принцип работы пирометра

По большому счету любой инфракрасный термометр является идеальным профессиональным диагностическим инструментом для проведения технического обслуживания, обеспечивающим максимальную точность измерения температуры на любом расстоянии.

Принцип действия бесконтактного термометра заключается в измерении силы теплового излучения, исходящего от объекта преимущественно в диапазонах видимого света и инфракрасного излучения.

Изначально термин "пирометр" использовался для обозначения прибора, предназначенного для измерения температуры по яркости предельно нагретого предмета. На сегодняшний день понятие несколько расширилось, поскольку, с развитием технологий появились абсолютно новые приборы - инфракрасные.

Пирометры можно разделить по нескольким основным признакам:

Яркостные. Позволяют визуально определять, как правило, без использования специальных устройств, температуру нагретого тела, путем сравнения его цвета с цветом эталонной нити.

Радиационные. Оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой полосе спектрального излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения.

Цветовые (другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения) -- позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах.

Радиационные пирометры градуируются по абсолютно черному телу и показывают так называемую "радиационную" температуру.

У оптоволоконных пирометров оптическая головка и блок обработки сигнала разгорожены между собой жаростойким оптоволоконным кабелем, длина которого может быть до десяти метров, что допускает располагать блок обработки сигнала в безопасной области для его работы, а оптическую головку в непосредственной близости от объекта контроля. Они могут быть также укомплектованы специальными защитными керамическими (СКК) или металлическими чехлами.

В стандартный комплект поставки портативного пирометра входит сам прибор, программное обеспечение на компакт-диске, термопара, USB кабель, мягкая сумка, инструкция по эксплуатации, ремешок, паспорт.

2.1.1 Оптические пирометры

Принцип действия оптических пирометров основан на использовании зависимости плотности потока монохроматического излучения от температуры. На (рис. 11) представлена схема оптического пирометра с "исчезающей" нитью, принцип действия которого основан на сравнении яркости объекта измерения и градуированного источника излучения в определенной длине волны.

Изображения излучателя 1 линзой 2 и диафрагмой 4 объектива пирометра фокусируется в плоскости нити накаливания лампы 5. Оператор через диафрагму 6 линзу 8 окуляра и красный светофильтр 7 на фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок реостата 11, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и добивается уравнивания яркости нити и яркости излучателя. Если яркость нити меньше яркости тела, то она на его фоне выглядит черной полоской, при большей температуре нити она будет выглядеть, как светлая дуга на более темном фоне. При равенстве яркости излучателя и нити последняя "исчезает" из поля зрения оператора. Этот момент свидетельствует о равенстве яркостных температур объекта измерения и нити лампы. Питание лампы осуществляется с помощью батареи 10. Прибор 9, фиксирующий силу тока, протекающего в измерительной цепи, заранее проградуирован в значениях зависимости между силой тока и яркостной температурой АЧТ, что позволяет производить считывание результата в ⁰С.

Данный тип пирометров позволяет измерять температуру от 700 до 8000 ⁰С. Для оптических пирометров промышленного применения в интервале температур 1200ё2000 ⁰С основная допустимая погрешность измерения составляет ±20 ⁰С. На точность измерения влияют неопределенность и изменяемость спектральной степени черноты, возможное изменение интенсивности излучения за счет ослабления в промежуточной среде, а так же за счет отражения посторонних лучей.

2.1.2 Радиационные пирометры

Радиационные термометры (или пирометры) представляют собой неконтактные температурные датчики, действие которых основано на зависимости температуры от количества теплового электромагнитного излучения, полученного от объекта измерения. Это целая группа приборов, которая включает как приборы, измеряющие температуру точки на объекте, области на объекте, или позволяющие получить картину одномерного и даже двумерного распределение температуры на заданной площади измерения. Радиационные термометры очень широко используются в различных отраслях промышленности: металлургии, производстве стекла и керамики, полупроводников, пластика, бумаги и т.д. Радиационные термометры используются также в медицине, криминалистике, системах спасения людей и охраны.

Главная трудность состоит в измерении температуры тела, излучательная способность которого неизвестна. Объект измерения чаще всего далек от абсолютно черного тела, это может быть окисленная поверхность, полупрозрачное стекло, зеркальная поверхность и т.д. Кроме того, возникают трудности учета излучения, испущенного близлежащей областью и излучения отраженного от соседних объектов. К сожалению, не существует ни одного метода оптической пирометрии, который мог бы охватить весь набор встречающихся ситуаций. Однако разработаны различные подходы, каждый из которых способен преодолеть одну или две вышеупомянутые трудности. Приборы этого типа имеют множество наименований: оптические пирометры, радиационные пирометры, пирометры полного излучения, автоматические инфракрасные термометры, термометры непрерывного излучения, линейные сканеры, тепловизионные радиометры, поверхностные пирометры, пирометры отношения, двух цветовые пирометры и т.п. Эти наименования больше связаны с назначением приборов. Общий термин, который применим к данному классу приборов и имеет техническое функциональное значение - радиационные термометры. 

2.2 Спектр электромагнитного излучения

По спектральному диапазону термометры излучения могут быть разделены на следующие виды: полного излучения, широкополосного излучения, узкополосного излучения (монохроматические). Широкополосные пирометры работают обычно в широком диапазоне волн от 0,3 мкм до 2,5 - 20,5 мкм.

Для наглядности приведем полный спектр электромагнитного излучения, где указаны границы ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей.

2.3 Оптическое разрешение

Иногда оптическое разрешение называют показателем визирования. Оптическое разрешение определяется отношением диаметра пятна (круга) на поверхности, излучение с которого регистрируется пирометром к расстоянию до объекта. Чтобы правильно выбрать прибор, необходимо знать сферу его применения. Если нужно измерять температуру объекта с расстояния 4 метра, то ИК термометр с оптическим разрешением 4:1 вряд ли подойдет. Диаметр излучающей поверхности будет слишком большой, и в поле зрения термометра попадут посторонние объекты. Лучше выбрать разрешение, по крайней мере, 50:1. Однако если необходимо принимать излучение с небольшого расстояния, то лучше выбрать термометр с разрешением 4:1, т.к у него будет больше минимальная допустимая площадь излучения. Необходимо иметь в виду, точность измерений температуры может значительно снижаться, если пользователь ошибочно нацеливает ИК термометр на большую площадь, чем площадь измеряемого объекта. У большинства современных термометров имеется специальный лазерный целеуказатель для точного наведения на объект измерения.

На рисунке изображен пирометр с оптическим разрешением 6:1



2.4 Спектральный диапазон пирометра. Эффективная длина волны

пирометр оптический спектр

На практике, большинство приемников излучения имеет существенно широкий диапазон волн и даже использование фильтров не достаточно ограничивает диапазон волн, чтобы можно было считать его строго монохроматическим.

Однако кривая энергии в зависимости от длины волны очень крутая при короткой длине волны, и показания пирометров четко согласуются в значительном температурном диапазоне с расчетами Планка, соответствующими длине волны близкой к “отсечной” верхней длине волны системы приемник-фильтр.

Понятие эффективной длины волны является весьма удобным для оценки скорости изменения энергии (и следовательно показаний пирометра) с изменением температуры, а также погрешности, возникающей от ошибки в определении коэффициента излучения поверхности.

В МЭК 62942 дано следующее определение спектрального диапазона и эффективной длины волны пирометра:

4.1.1.9 Спектральный диапазон

Спектральный диапазон приводится в мкм или нм. Спектральный диапазон определяется как нижний и верхний предел длины волны при достижении спектральной чувствительности 50 % от пика чувствительности. Может также приводится основная (эффективная) длина волны и полная ширина полосы пропускания, в которой чувствительность достигает 50 % от пика чувствительности (полная ширина на половине максимума (FWHM)). Общепринято для монохроматичеких пирометров приводить эффективную длину волны в спектральном диапазоне и полную ширину на половине максимума (FWHM), а для широкополосных пирометров приводить верхний и нижний предел.

Приведем таблицу из МЭК 62942 (приложение 1), демонстрирующую изменение показаний пирометра, соответствующее изменению принимаемого излучения на 1 %, при опорной температуре пирометра 23 °С. Изменение в индицируемой температуре соответствующее изменению принятого пирометром потока излучения рассчитывалось.



В следующей таблице приведена погрешность, обусловленная 10% изменением излучательной способности при 500°С.



3. Контрольные вопросы по теме и правильные ответы на них

1. Каково устройство и назначение оптического пирометра?

Ответ: Оптический пирометр применяется для измерения температуры нити лампы. Основной частью пирометра является лампа накаливания с дугообразной нитью, расположенной в фокусе объектива.

2. Для чего предназначен радиационный пирометр?

Ответ: Оценивает температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения.

3. Что представляют собой радиационные термометры?

Ответ: Радиационные термометры (или пирометры) представляют собой неконтактные температурные датчики, действие которых основано на зависимости температуры от количества теплового электромагнитного излучения, полученного от объекта измерения.

4. В каких величинах приводится спектральный диапазон?

Ответ: Спектральный диапазон приводится в мкм или нм.

5. Радиационные пирометры градуируются…..

Ответ: по абсолютно черному телу

6. Принцип действия бесконтактного термометра?

Ответ: Принцип действия бесконтактного термометра заключается в измерении силы теплового излучения, исходящего от объекта преимущественно в диапазонах видимого света и инфракрасного излучения.

7. Что входит в стандартный комплект поставки портативного пирометра?

Ответ: В стандартный комплект поставки портативного пирометра входит сам прибор, программное обеспечение на компакт-диске, термопара, USB кабель, мягкая сумка, инструкция по эксплуатации, ремешок, паспорт.

8. Чем определяется оптическое разрешение?

Ответ: Оптическое разрешение определяется отношением диаметра пятна (круга) на поверхности, излучение с которого регистрируется пирометром к расстоянию до объекта.

9. Какие два типа пирометров разделяют по принципу работы?

Ответ: Односпектральные (яркостные) и мультиспектральные

10. Для чего используют портативные пирометры?

Ответ: Портативные пирометры используются при контроле механического оборудования, для измерения температуры пищевых продуктов.

4. Разработка тестов по теме

1. Что измеряет пирометр?

А. Плотность

Б. Давление

В. Температуру

Г. Влажность

Ответ: В2. Какой пирометр выполняет более точные измерения?

А. Яркостные

Б. Цветовые

В. Радиационные

Ответ: А

2. Какой прицел точно обозначает зону измерения на любом расстоянии от пирометра?

А. Одиночный

Б. Кросс - лазер

В. Двойной

Г. Точный круговой(TRUE SPOT)

Ответ: Г

3. Цветовой пирометр…

А. Визуально определяет температуру путем сравнения его цвета с цветом эталонной нити.

Б. Оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения.

В. позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах.

Список литературы

1. Никифоров О.Н. Сертификация продукции, товаров и услуг. Правовые аспекты. /Пособие для студентов, преподавателей, продавцов и покупателей и для предпринимателей. - СПб, 1996 г.

2. Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. -- Москва «Металлургия», 1980

3. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. -- М.: Советское радио, 1978. -- 400 с.

4. Кременчугский Л.С., Ройцина О.В. Пироэлектрические приемники излучения. -- Киев: Наук. думка, 1979. -- 381 с.

5. Температурные измерения. Справочник. -- Киев: Наукова думка, 1989, 703 с.

6. Р 50.2.038-2004. ГСОЕИ. Рекомендации по метрологии. Измерения прямые однократные. Оценивание погрешностей и неопределённости результата из-мерений.

7. МИ 2083-90. ГСИ. Измерения косвенные. Определение результатов измерений и оценивание их погрешностей.

8. Раннев Г.Г., Тарасенко А.П. Методы и средства измерений: Учебник для вузов.- М.: Издательский центр «Академия», 2004.- 336 с.

9. Исаев И.И., Малинский В.Д. Метрология и стандартизация в сертификации. -- М.: ИПК Изд-во стандартов, 1996.

10. Ересан В.Г. Сертификация. Отечественная и зарубежная практика. -- М.: Центр «Наука и техника», 1994.

11. Володарский В.Я. Метрология. Теория и практика. -- М.: ВНИИМС, 2000.

12. Земельман М.А. Метрологические основы технических измерений. -- М.: Изд-во стандартов, 1991.

13. http://www.tehno.com/group.phtml?gid=B00120034677

14. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3358.html

15. http://slovari.yandex.ru/~%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%91%D0%A1%D0%AD/%D0%9F%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D1%8B/

16. http://www.ncontrol.ru/catalog/Teplovizionnyj-kontrol/Pirometry

Размещено на Allbest.ru