Вимірювання температури може бути контактним і дистанційним. Найбільш поширені термопари, резисторні датчики і термометри, які потребують зіткненні з об’єктом, т. к. вимірюють свою власну температуру. Роблять вони це повільно, але коштують недорого.
Безконтактні датчики вимірюють ІЧ-випромінювання об’єкта, дають швидкий результат, і зазвичай використовуються для визначення температури рухомих і нестаціонарних тіл, що знаходяться у вакуумі і недоступних через агресивності середовища, особливостей форми або загрози безпеки. Ціна таких пристроїв відносно висока, хоча в деяких випадках можна порівняти з контактними приладами.
Монохромна термометрія
Монохромний спосіб визначення сумарної енергетичної яскравості використовує задану довжину хвилі. Реалізації варіюються від ручних зондів з простим дистанційним вимірюванням до складних переносних пристроїв, що дозволяють одночасно спостерігати об’єкт і його температуру з занесенням показань в пам’ять приладу або їх роздруківкою. Стаціонарні датчики представлені як простими невеликими детекторами з віддаленим розташуванням електроніки, так і високоміцними пристроями з дистанційним PID-управлінням. Волоконна оптика, лазерна прицілювання, водяне охолодження, наявність дисплея і сканера – опціональні варіанти моніторингу технологічних процесів і систем управління.
Конфігурація, спектральна фільтрація, діапазон робочих температур, оптика, час відгуку і яскравості об’єкта є важливими елементами, що впливають на продуктивність і повинні бути ретельно розглянуті в процесі відбору.
Датчик може бути як простим двопровідними, так і складним зносостійким високочутливим пристроєм.
Вибір спектрального відгуку і діапазону робочих температур пов’язаний з конкретними завданнями вимірювання. Короткі довжини хвиль призначені для високих температур і довгі – для низьких. Якщо об’єкти прозорі, наприклад, пластмаси та скла, то необхідна узковолновая фільтрація. Смуга поглинання CH поліетиленової плівки дорівнює 3,43 мкм. Виділення спектра в цьому діапазоні спрощує обчислення коефіцієнта випромінювання. Точно так само стеклоподобные матеріали стають непрозорими при довжині хвилі 4,6 мкм, що дозволяє точно визначити температуру поверхні скла. Область випромінювання 1-4 мкм дає можливість виробляти завмер через оглядові отвори вакуумних і барокамер. Альтернативний варіант – використання волоконно-оптичного кабелю.
Оптика і час відгуку в більшості випадків неістотні, так як поле зору розміром 3 см на відстані 50 см і час відгуку менше 1 с є достатнім. Для невеликого або швидко переміщається переривчастого об’єкта виникає необхідність в невеликому (3 мм в діаметрі) або ще меншому (0,75 мм) плямі вимірювань. Далеке прицілювання (3-300 м) вимагає оптичного регулювання, так як стандартне поле зору приладу стає занадто великим. У деяких випадках для цього використовується метод двохвильовий радіометрії. Оптоволокно дозволяє дистанціювати електроніку від агресивних середовищ, усунути вплив перешкод і вирішити проблему доступу.
Лазерний термометр в основному має регульоване в діапазоні 0,2-5,0 з часу відповіді. Швидкий відгук може підвищити рівень шуму сигналу, а повільний впливає на чутливість. При індукційному нагріванні необхідна миттєва реакція, а для конвеєра – більш повільний відгук.
Монохромна ІЧ-термометрія проста і використовується у випадках, коли для створення високоякісної продукції контроль температури вкрай важливий.
Двохвилева термометрія
Для більш складних задач, де абсолютна точність вимірювань має вирішальне значення, і де продукт піддається фізичному чи хімічному впливу, застосовується двох – і многоволновая радиотермометрия. Концепція з’явилася на початку 1950 років, а останні зміни в конструкції і апаратному забезпеченні підвищили її продуктивність і знизили собівартість.
Метод полягає у вимірюванні спектральної щільності енергії на двох різних довжинах хвиль. Температура об’єкта може бути зчитана безпосередньо з приладу, якщо випромінювальна здатність однакова для кожної довжини хвилі. Показання будуть вірними, навіть якщо полі зору частково перекрито щодо холодними матеріалами, такими як пил, дротяні екрани, і сірі напівпрозорі вікна. Теорія методу проста. Якщо енергетична яскравість обох довжин хвиль однакова (для сірого тіла), то коефіцієнт випромінювання скорочується і ставлення стає пропорційним температурі.
Двохвильовий лазерний термометр застосовується в промисловості і наукових дослідженнях як простий, унікальний датчик, здатний скоротити помилку виміру.
Крім того, створені багатохвильові термометри для матеріалів, що не є сірими тілами, коефіцієнт поглинання яких змінюється з довжиною хвилі. У цих випадках необхідний докладний аналіз поверхневих характеристик матеріалу щодо взаємозв’язку цього коефіцієнта, довжини хвилі, температури і хімічного складу поверхні. При наявності цих даних можна створити алгоритми розрахунку залежності спектрального випромінювання на різних довжинах хвиль від температури.
Правила оцінки
Для оцінки точності вимірювань користувач повинен знати наступне:
- ІЧ-датчики по своїй природі не розрізняють кольори.
- Якщо поверхня блискуча, то прилад встановить не тільки що випускається, але і відбиту енергію.
- Якщо об’єкт прозорий, необхідна ІЧ-фільтрація (наприклад, скло непрозоре при 5 мкм).
- У дев’яти з десяти випадків абсолютно точне вимірювання не потрібно. Повторне зняття показань та відсутність зміщення забезпечать необхідну точність. Коли енергетична яскравість змінюється і обробка даних утруднена, слід зупинитися на двох – і багатохвильовий радіометрії.
Елементи конструкції
Термометр лазерний безконтактний працює за принципом: ІК-енергія на вході в і сигнал на виході. Базова ланцюг пристрою складається з збирає оптики, лінз, спектральних фільтрів, і детектора в якості зовнішнього інтерфейсу. Динамічна обробка здійснюється по-різному, але її можна звести до посилення, термічної стабілізації, лінеаризації та перетворення сигналу. Звичайне віконне скло використовується при коротковолновом випромінюванні, кварц для середніх частот, і германій або сульфід цинку для діапазону 8-14 мкм, оптоволокно – при довжинах хвиль 0,5-5,0 мкм.
Поле зору
Лазерний дистанційний термометр характеризується полем зору (ПЗ) – розміром плями контролю температури на заданому відстані. Зміна діаметру поля зору прямо пропорційно зміні дистанції між термометром і об’єктом вимірювання. Його значення залежить від виробника і впливає на ціну приладу. Існують моделі з ПЗ менше 1 мм для точкових вимірювань і з оптикою дальньої дії (7 см на відстані 9 м). Робоча відстань не впливає на точність показань, якщо об’єкт заповнює всі пляма вимірювання. При цьому максимальна втрата сигналу не повинна перевищувати 1%.
Прицілювання
Звичайні ІК-термометри проводять заміри без додаткових пристосувань. Це допустимо для роботи з об’єктами великого розміру, наприклад, паперовим полотном, де точкова точність не потрібна. Для невеликих або віддалених об’єктів використовується промінь лазера. Створено кілька варіантів лазерного прицілювання.
- Промінь зі зміщенням від оптичної осі. Найпростіша модель застосовується в пристроях з низьким дозволом для великих об’єктів, т. к. поблизу відхилення занадто велика.
- Коаксіальний промінь. Не відхиляється від оптичної осі. Центр вимірювального плями точно вказується на будь-якій відстані.
- Подвійний лазер. Діаметр плями маркується двома точками, що позбавляє від необхідності вгадувати або розраховувати діаметр і не веде до помилок.
- Круговий покажчик зі зміщенням. Показує поле зору, його розмір і зовнішню кордон.
- 3-точковий коаксіальний покажчик. Промінь розділяється на три яскраві точки, розташовані на одній лінії. Середня крапка позначає центр плями, а зовнішні відзначають його діаметр.
Прицілювання надає ефективну допомогу при направленні термометра точно на об’єкт вимірювання.
Фільтри
У термометрах використовуються короткохвильові фільтри для високотемпературних вимірювань (> 500 °C) і довгохвильові фільтри для низьких температур (-40 °С). Кремнієві детектори, наприклад, стійкі до нагрівання, а невелика довжина хвилі знижує похибку вимірювання. Інші селективні фільтри використовуються для пластикової плівки (3,43 мкм і 7,9 мкм), скла (5,1 мкм) та полум’я (3,8 мкм).
Датчики
Більшість датчиків або фотоелектричні, генеруючі напруження при дії ІЧ-випромінювання, або фотопровідні, тобто змінюють свій опір під дією джерела енергії. Вони швидкі, високочутливі, мають прийнятним температурним дрейфом, який може бути подоланий, наприклад, термисторной схемою температурної компенсації, автоматичної нуль-схемою, обмеженням амплітуди і ізотермічної захистом.
У ланцюзі ІЧ-термометра вихідний сигнал детектора порядку 100-1000 мкВ піддається тысячекратному посилення, регулюється, линеаризируется, і, в підсумку, являє собою лінійний сигнал струму або напруги. Його оптимальне значення 4-20 мА, що мінімізує зовнішні перешкоди. Цей сигнал може бути поданий на порт RS-232 або на ПІД-регулятор, віддалений дисплей або записуючий пристрій. Інші варіанти використання сигналу:
- включення/вимикання сигналізації;
- утримання пікового значення;
- регульований час відгуку;
- у схемі вибірки і зберігання.
Швидкодія
Інфрачервоний лазерний термометр в середньому має часом відгуку близько 300 мс, хоча при використанні кремнієвих детекторів можна досягти значення 10 мс. У багатьох інструментах час відгуку змінюється для того, аби демпфірувати вхідний шум і регулювати їх чутливість. Не завжди необхідно мінімальний час відгуку. Наприклад, при індукційному нагріві час має бути в діапазоні 10-50 мс.
Характеристики лазерних термометрів
Etekcity Lasergrip 630 – інфрачервоний 2-лазерний термометр, ціна $35,99. Характеристики:
- діапазон температур -50 … +580 °C;
- точність +/- 2%;
- овідношення відстані до розміру плями 16:1;
- випромінювальна здатність 0,1 – 1,0;
- час відгуку <500 мс;
- дозвіл 1 °C.
Лазерний термометр (фото) також інформує про найбільшою, найменшою і середній температурі. Вимірювальне пляма зміщена на 2 см нижче точки прицілювання. Лазерне наведення найбільш точно в місці перетину променів (36 см).
Amprobe IR-710 – інфрачервоний лазерний термометр, ціна $49,95. Характеристики:
- діапазон температур -50 … +538 °C;
- мінімальний розмір плями 20 мм;
- точність +/- 2%;
- овідношення відстані до розміру плями 12:1;
- випромінювальна здатність 0,95;
- час відгуку 500 мс;
- дозвіл 1 °C.
Даний лазерний термометр (фото), крім поточної температури, також відображає її мінімальне і максимальне значення.