Лазерний термометр: принцип дії. Лазерний дистанційний термометр (фото)

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.

1. Промінь зі зміщенням від оптичної осі. Найпростіша модель застосовується в пристроях з низьким дозволом для великих об’єктів, т. к. поблизу відхилення занадто велика.
2. Коаксіальний промінь. Не відхиляється від оптичної осі. Центр вимірювального плями точно вказується на будь-якій відстані.
3. Подвійний лазер. Діаметр плями маркується двома точками, що позбавляє від необхідності вгадувати або розраховувати діаметр і не веде до помилок.
4. Круговий покажчик зі зміщенням. Показує поле зору, його розмір і зовнішню кордон.
5. 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.