Способы и средства измерений температуры бесконтактным способом

курс лекций: Методы и средства измерений, испытаний и контроля лекция 14 Способы и средства измерений температуры бесконтактными способами № Содержание В ВВЕДЕНИЕ 1 способы и средства измерений силы электрического тока (лекция 1) 2 способы и средства измерений электрического напряжения (лекция 2) 3 способы и Средства измерений показателей качества электрических измерений (лекция 3) 4 Электронно-лучевые осциллографы (лекция 4) 5 способы и средства измерений частоты (лекция 6) 6 Многофункциональные измерительные приборы (лекция 7) 7 способы и Средства измерения параметров электрических цепей (лекция 8) 8 способы и средства измерений температуры контактным способом (лекция 9) 14 способы и средства измерений температуры бесконтактным способом (лекция 10) 14.0 Введение 2 14.1 Пирометры 6 14.2 Тепловизоры 8 Примечание – Нумерация страниц, рисунков и таблиц сквозная в пределах раздела 14. 14 Методы и средства измерений температуры бесконтактными способами 14.0 Введение Предварительно ответим на вопрос. Миллионы лет Земля принимает лучистую энергию от Солнца. По какой причине Земля не перегревается? Ответ может быть только одним: часть энергии Земля утилизирует для себя, а лишней делится с Космосом. Но каким образом Земля отдаёт энергию Космосу? Известные три способа передачи тепловой энергии: излучение, теплопроводность, конвекция. Конвекция предполагает перемещение теплой или холодной массы вещества (жидкости или газы) в область с другой температурой. Так, например, перемещаются воздушные массы Земли, резко изменяя погоду в течении одних-двух суток. Земля, возможно, делиться с Космосом частью своего вещества, но, похоже, неохотно – можно и растранжирить. Теплопроводность происходит между физическими телами, имеющими массу, при соприкосновениях. Земля «погружена» в вакуум – обмениваться не с чем. Остаётся только излучение, но Земля не Солнце. Она может только отражать часть солнечной света (энергии) в Космос и поэтому она видна лунатикам. Оказывается, что Земля, как и Солнце, излучает, но только в т.н. тепловом (инфракрасном) спектре. Более детальное изучение вопроса показывает, что лучи это т.н. электромагнитные волны, основной характеристикой которых является длина волны. На рисунке 14.1 представлена шкала электромагнитных волн, в пределах которых различают в частности диапазон длин волн инфракрасного излучения (ИИ). Этот диапазон с одной стороны примыкает к диапазону видимого излучения (света), а с другой к – диапазону радиоизлучения. Диапазон ИИ включает волны с длинами от 1 мкм до 100 мкм. Мы не будем в этом курсе подробно знакомиться с тепловыми процессами, отметим только, что любое тело с температурой, отличной от температуры абсолютного нуля, передаёт тепловую энергию в окружающее пространство способом излучения. Рисунок 14.1 – Шкала электромагнитных волн Бесконтактные измерители. Уже давно созданы измерительные приборы, которые позволяют «улавливать» и измерять инфракрасную энергию на расстоянии. Обобщённая схема таких измерений представлена на рисунке 14.2. Рисунок 14.2 – Схема бесконтактного измерения температуры Структура бесконтактных измерителей температуры (БИТ) содержит: объектив, приёмник инфракрасного излучения, блок обработки и блок отображения информации – дисплей. Объектив необычный – он из германиевого стекла, которое пропускает инфракрасное излучение. Матричный приёмник излучения это преобразователь инфракрасной энергии в электрические сигналы. Блок обработки осуществляет сложную (особенно в тепловизоре) математическую обработку с целью выделения и последующего отображения полезной измерительной информации. Среди БИТ различают две группы приборов: пирометры и тепловизоры (рисунки 14.3 и 14.4). Подробнее рассмотрим эти разновидности дальше. Рисунок 14.3 – Внешний вид современных пирометров Рисунок 14.4 – Внешний вид современных тепловизоров БИТ находят применение в тех случаях, когда нельзя или малоэффективно применять контактные способы измерения температуры: - объект контроля находится далеко (высоко), например, перегретые изоляторы высоковольтных опор; - объект представляет опасность при касании: те же изоляторы, токоведущие линии или оборудование (рисунок 14.5); - объект контроля представляет собой массивное сооружение, имеет большую поверхность для контроля, а значит, требует много времени на поточечное исследование (тепловизоры); - другое. Рисунок 14.5 – Примеры использования тепловизоров Следует иметь в виду, что, наряду с важными преимуществами, бесконтактные средства измерений имеют особенности и недостатки. Особенности применения бесконтактных измерителей температуры: • следует иметь в виду, что БИТ измеряют только температуру поверхности объекта контроля • в измерение температуры поверхности объекта вносится погрешность, обусловленная действием т.н. отражённой и проникающей энергий (рисунок 14.6). Эти энергии не только от солнца, как показано на рисунке, но и других нагретых тел, которые находятся рядом. Поэтому важно уметь выбирать время суток (влияние солнца) и ракурс объекта, чтобы минимизировать эти погрешности. Рисунок 14.6 – Особенности применения бесконтактных измерителей температуры • оказывается, что разные тела, одинаково нагретые, излучают инфракрасную энергию по-разному: одни – хорошо, другие – плохо. Так, например, блестящие металлические поверхности (алюминий, медь, сталь) хорошо отражают, но плохо излучают. В общем случае способность излучения инфракрасной энергии описывается коэффициентом излучения ε. Хорошо излучающие поверхности (фарфор) имеют коэффициент излучений ε=0,92. Плохо излучающие поверхности, например, неокисленный алюминий, имеют ε=0,06. В общем случае диапазон возможных значений ε=0,0…1,0. Существуют таблицы с экспериментально полученными значениями ε для разных материалов. Но это только отчасти облегчает проблему выявления значения ε: в ряде случаев идентифицировать материал бывает сложно. БИТ имеют обычно возможность для подстройки измерительного канала под требуемое значения ε. Но есть ограничение: измерять не рекомендуется, когда ε<0,6 – велика вероятность существенного влияния отражённой и проходящей инфракрасной энергии. Иногда существует возможность улучшить излучательную способность контролируемой поверхности и довести её до значений 0,8…0,95. Для этого необходимо поверхность покрасить или наклеить на неё самоклеющуюся плёнку. 14.1 Пирометры. Пирометры – относительно простые БИТ среди представленных выше разновидностей. Они измеряют интегральную температуру контролируемой поверхности, ограниченную окружностью («пятно») с диаметром, который возрастает с ростом расстояния до объекта (рисунок 14.7). Рисунок 14.7 – Схема измерения температуры с помощью пирометра Рассмотрим в качестве примера характеристики пирометра типа РСЕ-779 (рисунок 14.8). Рисунок 14.8 – Внешний вид пирометра типа PCE-779 РСЕ-779 – это компактный пирометр с возможностью подключения контактного датчика температуры – термопары. Пирометр имеет двойной лазерный визир, который указывает границы контролируемой поверхности объекта (как это показано на рисунке 14.7). Таблица 14.1 – Технические характеристики РСЕ-779 Пирометр Термопара Диапазон измерений, °C -50 ... +850 -50 ... +1370 Погрешность измерений <0 °C – ± 4 °C <500 °C – ± 1,5 % + 1 °C >500 °C – ± 2 % + 2 °C Оптическое разрешение 30:1 Время реакции, мс 250 Спектральный диапазон контролируемой температуры, мкм 8 ... 14 Диапазон изменения коэффициента излучения 0,1 ... 1,0 Дополнительные функции Хранение и отображение максимального, минимального и среднего значения температуры Дисплей Жидкокристаллический Напряжение питания от батареи, В 9 Условия эксплуатации 0 ... 50 °C / 10 ... 95 % отн. влажн. Масса, г 280 Габаритные размеры, мм3 95 × 85 × 190 14.2 Тепловизоры. Тепловизоры представляют собой более сложные БИТ. С их помощью получают тепловизионные картины. Это изображения температурных полей изучаемого объекта. Температурные поля раскрашиваются в привычные для нас цвета и полутона. Холодными синими и зелёными тонами изображаются низкие температуры, а красными и жёлтыми – высокие. Часто палитры цветов могут выбираться пользователем. Рисунок 14.9 – Изображения современного тепловизора типа Fluke Ti200 Область применения рассматриваемого тепловизора самая широкая и это видно из представленных ниже характеристик. Для нас особенно интересно, что Ti200 позволяет контролировать температурное состояние электронных печатных плат во время работы (рисунок 14.10). Такой контроль позволяет выявлять проблемные места платы во время работы и прогнозировать выход её из строя. Рисунок 14.10 – Тепловизионная картина электронной печатной платы Другая важная особенность Ti200 это способность отображать на дисплее наряду с температурной картиной также изображение объекта в видимом спектре – так, как мы это видимом в дисплее фотоаппарата. Это удобно для идентификации узлов исследуемого объекта при анализе. Таблица 14.2 – Технические характеристики Ti200. Температура Диапазон измеряемых температур, °C от -20 до +650 Погрешность измерения температуры, ºC ±2 Экранная подстройка коэффициента излучения Задается числом или из таблицы Качество изображений Тип приемника излучения Матрица (200 × 150) пикселей Всего пикселей, тыс. 30 Спектральный диапазон ИК, мкм От 7,5 до 14 Фотокамера видимого диапазона 5,0 мегапиксела Характеристики штатного инфракрасного объектива Поле зрения, ° 24 × 17 Минимальное расстояние фокусировки, см 15 Способ фокусировки Автоматический Получение изображений и сохранение данных Носитель данных Карта µSD, встроенная флеш-память, USB-карта Просмотр содержимого памяти Полноразмерный просмотр и просмотр в виде миниатюр Другие функциональные особенности Голосовая аннотация Максимальное время записи к одному изображению - 60 с, возможен просмотр записи на дисплее Подключение по Wi-Fi и видеозапись Да Общие характеристики Рабочая температура, ºС От -10 до +50 Относительная влажность, % От 10 до 95 Ударопрочный сенсорный экран ЖК-дисплей, диагональ 8,9 см, подсветка Органы управления и настройки Единицы измерения °C или °F по выбору Выбор языка Установка даты/времени Выбор коэффициента излучения Элементы питания Литиевый аккумулятор Время автономной работы, час, макс 4, при 50% яркости ЖК-дисплея и средней интенсивности эксплуатации Время зарядки аккумуляторов, час 2,5 Питание от сети Через сетевой адаптер Функции энергосбережения Настраиваемые пользователем режимы сниженного энергопотребления и отключения питания Тест на падение 2 метра со стандартным объективом Размеры (В × Ш × Д), см3 28 × 12 × 17 Масса с аккумулятором, кг 1,0