Пирометр. Что это такое?

Пирометр, бесконтактный термометр, инфракрасный термометр, что это, как устроено, из чего сделано, как с этим работать? Давайте разберемся. И разберем один из таких приборов.  В роли подопытного будет использоваться пирометр производства BENETECH GM-700. Это один из недорогих пирометров для широкого применения.

Итак, для чего нужен этот прибор? Этот инструмент измеряет температуру поверхности какого-либо предмета без физического контакта с ним на расстоянии. Делает это он достаточно быстро (0,5 сек в основном, как и оговаривает производитель, но иногда измерение может затянуться и до нескольких секунд), что дает ему преимущество перед контактными термометрами, которые подвержены инерционности измерений и зависимостью от теплового контакта с поверхностью. Измерение температуры на расстоянии и без физического контакта является очень удобным и практичным методом измерения температуры. Данные приборы возможно, а иногда и просто незаменимо использовать в промышленности, электрике, электронике, в бытовых задачах. Приведем несколько примеров. В электрике очень часто встречаются такие типы соединений как скрутки, клеммные колодки и другие типы соединения проводов. Качество таких соединений характеризуется надежностью и площадью контакта между соединяемыми проводами под нагрузкой. Если контактное сопротивление будет велико, то скрутка или соединение будет греться и может привести к пожару. Для контроля качества соединения используется метод контроля температуры соединения – если соединение слабое, окислилось или в нем образовался какой-либо дефект, под нагрузкой это соединение из-за высокого контактного сопротивления начнет греться, что и позволяет нам выявить пирометр самым безопасным способом без прикосновения к контактам электропроводки. Если дом неэффективно удерживает тепло в холодное время года, то пирометр позволит быстро определить места утечки тепла на стыках, окнах, дверях и т.д. Причем не будет необходимости лезть в каждый угол, ведь пирометр способен сделать это с расстояния. В электронике часто следствием неправильной работы схемы является нагрев компонентов. Здесь также пирометр способен локализовать проблему и измерить степень нагрева той или иной области схемы. В общем, сфера применения этого измерительного прибора ограничивается фантазией и необходимостью.

Справедливости ради необходимо отметить, что со всеми этими задачами справится намного лучше и нагляднее тепловизор, но это совсем другой уровень приборов и их стоимости.

Почему пирометру удается измерять температуру на расстоянии? Как можно понять из названия прибора, он использует свойство объектов излучать тепловые волны в диапазоне инфракрасного излучения. Данный прибор оснащен датчиком, улавливающим это излучение, и передает на электронную схему, которая на основе получаемых данных высчитывает мощность теплового излучения в единицах измерения тепла – градусы Цельсия или Фаренгейта, как правило.

Для более наглядной демонстрации перейдем к пирометру GM-700 и его разборке. Корпус прибора состоит из пластика, приятного на ощупь. Сначала нужно снять черную крышку с рукоятки, черную крышку спереди и сзади. Крепятся на защелках. Аккуратно отщелкиваем. Два винта откручиваем в области кнопки и оси крышки рукоятки. Теперь разъединить на две половинки мешают только наклейки внутри рукоятки, которые можно разрезать.

Крышка со стороны датчика склеена с лазерным модулем, поэтому стоит быть аккуратным, чтобы не оторвать провода и не нарушить направленность лазера. Крышка со стороны дисплея просто снимается и состоит из стекла, защищающего дисплей и резиновых кнопок.

После разделения корпуса пополам открывается вся начинка прибора. Кнопка с пружинкой (спусковой крючок) нажимает кнопку на печатной плате прибора (такие кнопки используются часто в компьютерных мышках и концевых выключателях).

Не удивительно, но сердцем схемы является черное пятно – микросхема на печатной плате, которая управляет получаемыми данными от датчика температуры и дисплеем с кнопками. Здесь особо не разобраться в тонкостях. Все остальное это лишь необходимая обвязка – стабилизатор напряжения (возле бузера и переключателя единиц измерения), микросхема памяти (в корпусе so-8), резисторы, конденсаторы. Дисплей подключается через резиновые токопроводящие шины. Такой ЖК дисплей без подсветки потребляет очень малый ток, за что очень хорош для использования в портативных устройствах на подобие этого. Подсветка функционально может включаться и выключаться как и лазерный указатель для экономии энергии батарейки – верхняя правая кнопка с соответствующими символами лампочки и точки в треугольнике.

Теперь главный элемент схемы прибора – датчик температуры. Он скрывается в металлической трубке с пластиковыми элементами. Пластиковая трубка состоит из двух половинок и легко достается, внутри нее находится светофильтр, по форме схожий с линзой Френеля, концентрирующей поток ИК излучения на датчике. Внутри пластиковой трубки имеется множество насечек, располагая линзу в которых регулируется фокус для получения оптимальных результатов измерения. Металлическая трубка жестко закреплена без видимого крепежа к печатной плате, на дне которой виден датчик. Датчик похож на популярный MLX90614. Вся эта конструкция для датчика необходима для уменьшения влияния внешних факторов на измерения датчика.

Как видно, прибор устроен достаточно просто. Но пользоваться пирометром в первый раз бывает не совсем просто. Нажать на кнопку и получить результат будет не правильно, так как необходимо учитывать некоторые условия при измерении пирометром.

Чтобы верно измерять температуру при помощи пирометра необходимо следовать правилам:

• Поверхность объекта измерения должна находиться в прямой видимости.
• Между объектом и пирометром не должно быть посторонних тел или объектов, в том числе пыль, дым, пар и т.д. Дело в том, что любая преграда будет вносить влияние на измерение температуры, т.к. все объекты имеют ИК излучение. Даже загрязнение линзы пирометра будет вносить искажения в измерения.
• Расстояние между объектом и пирометром должно быть таким, чтобы в области измерения был только объект, температура которого измеряется, полностью или частично. Этот параметр у пирометров может быть различным и характеризуется как D:S – оптическое разрешение. Это есть отношение расстояния между пирометром и измеряемым объектом (D) к диаметру измеряемой поверхности (S). Чем ближе объект, тем меньше область измерения и ее диаметр и, наоборот, при удалении объекта от пирометра его площадь измерения будет увеличиваться. Таким образом, если площадь измерения будет слишком велика по отношению к объекту, и в области измерения будут присутствовать другие объекты, то результат измерения температуры будет усреднен между температурами всех объектов, входивших в область измерения, что даст заведомо неправильный или неточный результат. Рекомендуется выбирать такое, расстояние до объекта, чтобы область измерения была в 2 раза меньше самого объекта.
• Необходимо учитывать коэффициент излучения предмета, температура которого измеряется. Различные материалы (вода, железо, кожа) имеют различный коэффициент излучения (отношение энергии теплового излучения «серого тела» согласно Закону Стефана Больцмана, к излучению «абсолютно черного тела» при той же температуре, для более подробного ознакомления можно скачать таблицу в приложениях к статье). Для удобства измерения пирометр GM-700 имеет возможность в настройках задать этот коэффициент, с учетом которого будет отображаться измеренная температура (параметр EMS - emissivity). Для этого при помощи кнопки mode выбираем режим EMS и кнопками со стрелками вверх и вниз настраиваем этот коэффициент. Если не удается правильно измерить температуру блестящих или отполированных предметов, то необходимо на пирометре установить другой коэффициент излучения или наклеить липкую ленту на поверхность или окрасить в черный цвет поверхность объекта. При этом нужно подождать пока краска или лента примет температуру объекта.

Таблица коэффициентов излучения из инструкции к пирометру GM-700 (полная отсканированная версия инструкции в приложениях к статье):

Ну, и напоследок немного о самом пирометре GM-700.

• Диапазон температур -50..700°C (-58..1292°F)
• Погрешность 0..700°C (32..1292°F): ±1,5°C(±2,7°F) или ±1,5%, -50..0°C (-58..1292°F): ±3°C (±5°F) (Для оценки брать большее значение)
• Цена деления 0,1°C или 0,1°F
• Время отклика 500 мс, 95% откликов
• Спектральный отклик 8 - 14 мкм
• Коэффициент излучения 0,10..1,00 настраивается (0,95 предустановленно)
• Расстояние до пятна измерения D:S 12:1
• Рабочая температура 0..40°C (32..1292°F)
• Рабочая влажность 10..95% относительной влажности без конденсации, до 30°C (86°F)
• Питание батарейки на 9 В, щелочные или никель-кадмиевые
• Типичный срок службы батарейки (щелочные) модели без лазера: 22 часа, модели с лазером: 12 часов
• Вес 222 г
• Размеры 111 x 50 x 172 мм

При нажатии кнопки mode на экране последовательно сменяются режимы работы MAX-MIN-DIF-AVG-HAL-LAL-STO-EMS (если режим не отображается, значит, сейчас устройство работает в главном режиме). Для выбора конкретного режима нажмите кнопку set.

• MAX: измерение максимальной температуры
• MIN: измерение минимальной температуры
• DIF: При нажатии кнопки set прибор вычисляет и отображает разницу температуры относительно предыдущего измерения.
• AVG: измерение средней температуры
• HAL: настройка сигнализации о высокой температуре - при выбранном режиме HAL нажимайте кнопки со стрелками вверх или вниз, чтобы установить температуру срабатывания датчика слишком высокой температуры, по окончании подтвердите значение, нажав кнопку set. Если измеренная температура больше заданной, на экране отображается значок HI и пирометр запищит.
• LAL: настройка сигнализации о низкой температуре - при выбранном режиме HAL нажимайте кнопки со стрелками вверх или вниз, чтобы установить температуру срабатывания датчика слишком низкой температуры, по окончании подтвердите значение, нажав кнопку set. Если измеренная температура ниже заданной, на экране отображается значок LOW и пирометр запищит.
• STO: хранение данных - если выбран режим STO, при нажатии кнопки set  на экране отображается символ DATA. После считывания показаний температуры, нажмите кнопку sto cal, чтобы запомнить это значение, затем кнопку со знаком подсветки - показывается содержимое памяти устройства. Устройство поддерживает 12 ячеек памяти. Чтобы в режиме обычного измерения посмотреть данные, записанные в память, нажмите кнопку sto cal. Для удаления всех значений из памяти удерживайте кнопку sto cal в течение 3 секунд.
• EMS: Установка коэффициента излучения - нажимайте кнопки со стрелками вверх или вниз для установки значения коэффициента, кнопка set  записывает введенное значение и возвращает устройство в основной режим.

Результаты измерения пирометром различных объектов (продукты на нижней полке морозильника, продукты на верхней полке морозильника, батарея отопления, кипящая вода):

Реальная погрешность измерений составила около 2-3% (возможно в силу механического вмешательства при разборке или других факторов, таких как пар от кипящей воды, например).

Теги:

• Пирометр
• ИК