При подготовке и публикации материала данного руководства наша компания использовала все специализированные знания и необходимую информацию для глубокого понимания затрагиваемой темы. Однако, мы не даем гарантию в отношении применения приборов в соответствии с данной публикацией, в силу развития научного и технического прогресса или обновления законодательной базы в части стандартов применения. Запрещается полное или частичное воспроизведение данной публикации без предварительного согласования с автором или с нарушением авторских прав.

Предисловие

Данная публикация, “Руководство по инфракрасному измерению температуры”, является ответом на многочисленные вопросы, задаваемые ежедневно клиентами нашей компании, на тему технологии бесконтактного измерения температуры.

Бесконтактное измерение поверхностной температуры стало технически возможным примерно в 60-х годах 20 века. Однако, дорогие сенсоры и компоненты измерительных приборов стали барьером на пути его широкого использования в торговле и промышленности. Благодаря новым технологиям производства и снижению цен на отдельные компоненты, данная технология получила успех в 90-х годах 20 века. Доказательством этого, например, является использование ИК технологии в промышленном секторе энергетических установок. Таким образом, сегодня для бесконтактных измерений температуры доступны карманные, удобные в обращении, недорогие измерительные приборы , которые стоят примерно столько же, сколько сенсорный элемент устройства в 70-х годах 20 века.

Приборы бесконтактного измерения температуры применяются главным образом там, где другие приборы (напр. контактные термометры) не могут быть использованы. Данные приборы применяются при измерениях на деталях под напряжением, компонентах вращающихся устройств или при измерении температуры продуктов в упаковке, которую можно повредить зондом при контактном измерении.

Тем не менее, для того чтобы избежать ошибок измерения при использовании данных приборов на основе технологии инфракрасного измерения, необходимо следовать базовым правилам эксплуатации, описанным в данной публикации. Настоящее руководство благодаря наглядным примерам обеспечивает пользователя необходимыми практическими советами при выполнении ежедневных измерительных задач.

Совет Директоров

Буркарт Кнопсе

3

Окна атмосферы:

Что такое окна атмосферы и зачем проводить измерения в этих областях?

В диапазоне так называемых окон атмосферы не существует или почти не существует поглощения или излучения электромагнитного излучения воздухом между объектом измерения и измерительным прибором. Таким образом, на расстоянии менее 1 м от объекта измерения газы, обычно содержащиеся в воздухе, не оказывают никакого воздействия на объект.

Наиболее подходящими диапазонами спектра, например для измерений температур >1000 °С, являются видимая или ближайщая ИК-область спектра, для измерений средних температур -диапазоны спектра от 2 до 2.5 цм и от 3.5 до 4.2 цм. В данных случаях степень излучения энергии высока.

Для измерения низких температур (специальные измерительные приборы Testo) подходящим является диапазон от 8 до 14 цм; таким образом, для оценки подходящего к измерению сигнала требуется широкий диапазон излучения энергии.

1.4 Излучение, отражение, трансмиссия

Как было отмечено выше, каждое тело испускает электромагнитное излучение при температуре выше абсолютного нуля (0° по Кельвину = -273,15 °С).

Уровень излучения, фиксируемый измерительным прибором, состоит из излучения объекта измерения, отражения и прохождения через него внешних излучений. Сумма всегда равняется 100% или 1. Интенсивность излучения зависит от коэффициента излучения е материала.

В итоге:

Коэффициент излучения (8)

способность материала испускать ИК излучение.

Коэффициент отражения (R)

способность материала отражать ИК излучение; он зависит от качества поверхности и типа материала.

Фактор прохождения (Т)

способность материала пропускать ИК-излучение; он зависит от толщины и типа материала. Он указывает на пропускающую способность материала к ИК излучению.

Данные три фактора имеют значения от 0 до 1 (или от 0 до100%).

Примечание:

Для выбора корректного коэффициента излучения, см. Главу 4.3 „Другие практические советы по излучательной способности".

13

1.5 Объект измерения

При любом измерении объект измерения должен находиться на переднем плане.

Задача состоит в том, чтобы точно и быстро определить температуру объекта.

Инфракрасный сенсор воспринимает разные типы объектов (твердые тела, жидкости или газы) измерения по разному. Это зависит от самого материала и его поверхности, поэтому, например, температура многих органических продуктов измеряется без применения специальных действий, а металлы, особенно с отражающими поверхностями требуют специальной подготовки измерения.

Если коэффициент отражения и фактор прохождения равны 0, то Вы имеете идеальный объект измерения, так называемый “Излучатель черного тела", излучательная энергия которого может быть рассчитана по закону излучения Планка. Идеальное тело данного типа имеет коэффициент излучения е = 1.

• Излучатель черного тела (Идеальный излучатель) Поглощает и излучает 100 %. Коэффициент излучения г = 1.

• Серый излучатель (8 меньше 1)

Многие тела, существующие в природе, называются "Серые излучатели”. Они обладают теми же характеристиками, что и Излучатель черного тела, только интенсивность излучения ниже. Она корректируется настройкой коэффициента излучения. Коэффициент излучения, таким образом, это отношение между “черной” и "серой” интенсивностью излучения.

• Цветной излучатель

Цветными излучателями называются материалы, для которых коэффициент излучения зависит от длины волны и температуры. Это означает, что такое тело имеет разный коэффициент излучения, напр. при 200 °С и при 600 °С. Это относится ко всем металлам. В данном случае необходимо убедиться, что коэффициент излучения 8 определяется при правильном измерении температуры.

2.3 Схема устройства измерительной системы

Профиль термометра testo 825

Тепловое излучение концентрируется благодаря линзе (в данном случае линза Френеля) и передается на сенсор. Сенсор трансформирует тепловое излучение в электрическое напряжение, которое повышается усилителем и передается в микропроцессор. Процессор сравнивает измеренную температуру с температурой окружающей среды и выводит показания на дисплей.

Принцип измерения - оптический, поэтому линза должна всегда быть чистая и без повреждений.

18

2.4 Какие параметры влияют на результат измерения?

a)    Объект измерения

•    Температура объекта измерения

•    Коэффициент излучения объекта измерения

b)    Измерительный прибор

•    Характеристика температуры прибора(точка сравнения)

Измерительный прибор определяет следующие значения:

SM = сигнал, полученный от объекта измерения

SU ⁼ Сигнал Окружающей температуры (обычно равен температуре инструмента)

Если известен коэффициент излучения г, то эффективный сигнал SW рассчитывается так:

SM-SU

SW - - +    SU

S

Температура объекта измерения - это функция определенного эффективного сигнала SW:

Т объекта измерения = f (SW)

В измерительном приборе температура объекта рассчитывается из эффективного сигнала SW через функцию линеаризации.

3. Коэффициент излучения

3.1 Типичные коэффициенты излучения

• Продукты

Как и все органические материалы, пищевые продукты имеют хорошую излучательную способность и поэтому не возникает никаких проблем при измерении их температуры с помощью ИК технологии.

• Промышленность

Коэффициент излучения разных водонепроницаемых материалов зависит от длины волны

Коэффициент излучения разных материалов зависит от длины волны (схематическое представление)

• Металы белого цвета

Имеют очень маленький коэффициент излучения в диапазоне от 8 до14 цм, и поэтому их температуру трудно измерять.

=>Требуется применение покрытий, увеличивающих излучательную способность, напр. краска, масляная пленка или самоклеющаяся пленка testo (№ заказа 0554 0051), на объект измерений. Можно измерять контактным термометром.

• Оксиды металлов

В данной группе не существует постоянных показателей. Коэффициент излучения находится между 0.3 и 0.9, а также сильно зависит от длины волны.

^Определите излучательную способность посредством сравнительного измерения контактным термометром или примените покрытия с определенным уровнем излучательной способности.

21

Содержание

Предисловие ......................................................... 3

Содержание ..........................................................4

1.    Что такое тепловое излучение? - Принципы..................................6

1.1    Преимущества технологии ИК измерения ................................8

1.2    Немного истории....................................................9

1.3    Электромагнитный спектр...........................................10

Атмосферные окна.................................................12

1.4    Излучение, отражение, трансмиссия ...................................13

1.5    Объект измерения.................................................14

Излучатель черного тела............................................14

Реальное тело..................... 15

Серый излучатель, Цветной излучатель................. 16

2.    Структура ИК измерительного прибора.....................................17

2.1    Логическая схема .................................................17

2.2    Сенсор .......................................... 17

2.3    Схема устройства измерительной системы ..............................18

2.4    Какие параметры влияют на результат измерения?........ 19

Объект измерения, Измерительный прибор..............................19

3.    Коэффициент излучения....................................... 20

3.1    Типичные коэффициенты излучения: Продукты, Промышленность..............20

Металлы белого цвета, Оксиды маталлов................................21

Неметаллы, Влияние цвета на результат измерения........................22

3.2    Влияние на результаты измерений (примеры) .......................... 23

3.3    Таблица коэффициентов излучения основных материалов ...................24

4

• Светлые неметаллы / темные неметаллы / пластик / продукты

Такие объекты, как белая бумага, керамика, гипс, древесина, резина, темная древесина, камень, темные краски, обладают коэффициентом излучения приблизительно 0.95 при длине волны выше 8 рм.

=> Большинство органических материалов (напр. пищевые продукты) обладают коэффициентом излучения приблизительно 0.95. Поэтому, данная величина вводится в приборы в качестве установки по умолчанию или постоянной, для того, чтобы избежать ошибок измерения из-за неправильной (невнимательной) установки значения излучательной способности.

Влияние цвета на результат измерения

Светлые и темные неметаллы не очень отличаются друг от друга по их излучательным способностям в случае увеличения длины волны. Например, не имеет значения, черный, синий, красный или белый цвет имеют объекты измерения.

Объект излучения, окрашенный в белый цвет с температурой от +40 °С до +70 °С выделяет столько же излучения, сколько и излучатель черного цвета, так как их тепловое излучение, в основном, выделяется при длинных волнах > 6 цм (за диапазоном видимости).

Считается, что как неметаллы, так и пластик, резина и т.д. при температуре обработки от +50 °С до +300 °С излучают энергию с длиной волны больше 5 цм (где коэффициент излучения очень высок).

Такая же ситуация с металлами, особенно со сплавами железа, которые при обработке свыше +650 °С выделяют излучение при малой длине волны (и высоким коэффициентом излучения).

22

Содержание

4. Применение и практические советы .......................................25

4.1    Ошибка источника/неполадки/компенсация в ИК измерительных приборах ......25

4.2    Решение разнообразных измерительных задач ...........................29

Примеры бесконтактного измерения ...................................30

Примеры применений .............................................. 33

4.3    Другие практические советы .........................................38

ИК измерительные приборы .........................................38

Поверка и калибровка ..............................................40

Коэффициент излучения ............................................40

4.4    Итоги: Контактное или бесконтактное измерение?

- Рекомендации компании Testo......................................41

Бесконтактное ИК измерение температуры ..............................41

Контактное измерение температуры....................................43

Приложение: Табпиид коэффициентов излучения

1. Что такое тепловое излучение? - Принципы

Всем известно, что в повседневной жизни все тела излучают электромагнитные волны, т.е излучают тепло, в зависимости от их температуры. В процессе теплового излучения энергия перемещается, что позволяет измерять температуру тела на расстоянии.

Тепловая энергия и характеристики длины волны ее излучения напрямую зависит от температуры тела, излучающего данную энергию.

В идеале, объект измерения поглощает всю энергию (поглощение) и превращает ее в свое собственное тепловое излучение (излучение). В данном случае мы ссылаемся на так называемый “Излучатель черного тела”. Данное тело является эталоном для идеального измерения, хотя на обычные тела влияют дополнительные виды излучения. Поэтому, для того чтобы достичь наиболее приемлемых результатов на практике с использованием ИК измерительных систем, необходимо точно определить источники влияния, излучения и передачи энергии (см. также 1.4) или устранить влияние излучения на объекты измерения.

Это можно сделать с помощью эталонных измерений, используя контактные термометры или благодаря какому-либо изменению поверхности, чтобы наиболее эффективно применить ИК технологию. Возможно, например, покрасить поверхность измерения или использовать катализатор или клей, пластиковое покрытие или бумажные наклейки.

То насколько точным и эффективным будет измерение зависит от объекта измерения и окружающей среды. Специально для этого мы подготовили в данной публикации классификацию случаев применения приборов согласно объектам измерений и типам их поверхностей.

Дополнительная информация об этом представлена в Главе 4 “Применения и практические советы” настоящего руководства.

1.1 Преимущества технологии ИК измерения

В последние несколько лет мы наблюдаем всплеск применения ИК измерительных систем.

Следующие факторы несомненно играют важную роль в этом развитии.

•    Технология инфракрасного измерения обеспечивает легкую регистрацию температурных данных даже при быстрых и динамичных процессах. К тому же бесспорным преимуществом технологии является малое время реакции сенсоров и систем.

•    Системы снабжены надежными современными сенсорами и улучшенной электроникой микропроцессоров.

•    Благодаря отсутствию обратной связи, т.е влияния на объект измерения, он-лайн измерения могут проводиться на чувствительных поверхностях и стерильных продуктах, также как и на опасных участках объектов или в труднодоступных местах.

Еще одним из немаловажных аспектов этого, в дополнение к техническим преимуществам,

является доступность и ценовая политика, направленная на потребителя, благодаря оптимизации

производства, специализирующегося на изготовлении большого количества приборов.

ИК измерительные приборы температуры в основном используются:

...на объектах слабой теплопроводности, таких как керамика, резина, пластик и т.д. Сенсор прибора для контактного измерения способен отображать корректные показания температуры, если он принимает температуру объекта измерения. В случае с измерением объектов слабой теплопроводимости время реакции очень большое.

.для движущихся компонентов, напр. на движущемся конвейере, вращающихся колесах, металлопрокатных станках ит.п.

•    ...для объектов,требующих бесконтактного измерения, напр. свежевыкрашенные части, стерильные или агрессивные среды.

•    ...для измерений малых и больших объектов при выборе различной оптики(линз).

•    ...для объектов под напряжением, напр. электрических компонентах, электрических шинах, трансформаторах и т.п.

•    ...для малых и легких компонентов, напр. компонентах и всех объектах измерения, из которых контактный зонд извлечет слишком много тепловой энергии, таким образом сделает измерение невозможным.

1.2 Немного истории...

1800 Гершель открыл ИК-спектр посредством экспериментов с жидким термометром с ИК абсорбирующем шариком

1900 Открыты законы излучения Планка

1938 Издана книга, “Оптическая пирометрия” (применение техники измерения)

Измерение очень высоких температур было прерогативой термометров излучения вплоть до 1960-х годов. После этого, однако, были разработаны различные типы ресиверов излучения, также чувствительных к излучению с длиной волны более 5цм и, поэтому, способными к точным и надежным измерениям температуры даже тех объектов, температура которых намного ниже температуры замерзания воды.

9

Объяснение схематического изображения

Свет является электромагнитной волной, которая излучается по прямой линии со скоростью света.* Согласно частоте или ее эквиваленту - длине волны она всегда подчинена фундаментальному закону природы, но воспринимается людьми абсолютно по другому. Существует восприятие света или тепла, другие же виды излучений, такие как рентгеновское излучение не воспринимается вообще или воспринимается посредством оказанного воздействия на людей (напр., ультрафиолетовое излучение приводит к загару). Спектр электромагнитного излучения распространяется примерно на длину 23 в десятой степени.

Свет, главным образом, является только видимой частью электромагнитного излучения, которая называется VIS (видимая), и существует в диапазоне длины волны от 380 нм (фиолетовый) до 750 нм (красный). Пределы данного диапазона определяются чувствительностью человеческого глаза.

Излучение с меньшей длиной волны называется ультрафиолетовым излучением (UV), которое при длине волны меньше 200 нм также известно как вакуумный ультрафиолет (VUV).

В диапазоне большой длины волны, ближняя ИК-область спектра (NIR) граничит с видимым светом. Ее диапазон от 750 нм до 2.5 рм. Затем следует средняя ИК-область спектра (собственно ИК). Она существует в диапазоне от 2.5 рм до 25 pm. Дальняя ИК-область спектра (FIR) существует в диапазоне длины волны от 25 рм до приблиз. 3 мм.

В данном случае частицы не принимаются во внимание.