Бесконтактные
измерители температуры

Для корреспонденции:
117525, Москва,
ул. Днепропетровская д.3, корп. 5
тел. (925) 772-29-91
Email:info@timol.ru

На главную

О компании

Прайс-лист

Документация

Цифровой выход.
Программа Termometr

Выбор
пирометра

Обратная связь

N-фактор. Реакция инфракрасных термометров на излучение.
    ИК-термометр состоит из оптической системы, приемника теплового излучения (детектора) и электронного тракта. Чувствительность детектора может быть различна на разной длине волны. Объекты с температурой от –30 до 2300ºС основную долю энергии излучают в диапазоне длин волн от 0,3 до 20 мкм. Длина волны, на которой объект излучает максимальную энергию в зависимости от собственной температуры, определяется по формуле Вина: 
λмакс=2898/Тк, где Тк- температура объекта в градусах Кельвина
Тк = Тс+273, где Тс- температура в градусах Цельсия.
Например, для комнатной температуры 20ºС максимум излучения лежит на длине волны
                λмакс= 2898/293=9,9мкм, а для температуры 2000ºС  λмакс=2898/2273=1,3мкм.
   В пирометрах  «КМ» детектором теплового излучения является пироэлектрический приемник. Он неселективен, т.е. его чувствительность не зависит от длины волны принимаемого теплового излучения. Спектральные диапазоны, в которых работают пирометры «КМ», определяются полосой пропускания дополнительных селективных фильтров, устанавливаемых перед пироприемником. 
Различные модели пирометров «КМ» работают в разных диапазонах длин волн:
                  1-2,6мкм;  1-4,5мкм; 2,5-3мкм; 2,5-4,5мкм;  3,86мкм;  4,8-5,2мкм; 7-14мкм; 1-15мкм.
   
    В пирометрах «КМ-Термикс» и «КМ-ТермиксК» детекторами теплового излучения являются германиевый и кремниевый фотодиоды соответственно, чувствительность которых зависит от длины волны. Поэтому спектральный диапазон работы «КМ-Термикс»- 1-1,6мкм, а «КМ-ТермиксК»- 0,8-1,1мкм.
Коэффициент передачи тепловой энергии оптических элементов может также зависеть от длины волны.
В «КМ» в качестве оптической системы применяется зеркальная оптика, коэффициент отражения которой не зависит от длины волны. В «КМ-Термикс» и «КМ-ТермиксК» применяется линзовая оптика с пропусканием теплового излучения в диапазоне длин волн от видимого до 2,5÷3мкм.
    Электрический сигнал на выходе детектора (Uдет) на определенной длине волны пропорционален величине излучения объекта, коэффициенту пропускания оптической системы и чувствительности детектора на этой длине волны.
Калибровочная функция термометра, то есть то, как электрический сигнал на выходе детектора (Uдет) меняется от температуры, есть сумма сигналов на всех длинах волн на каждой температуре.
     Каждый термометр может быть охарактеризован эффективной длиной волны λэ. Эффективная длина волны изменяется с температурой, но ее можно посчитать для калибровочной функции термометра в узком интервале температур.

N-фактор.
 На отдельной температуре или узком диапазоне (интервале) температур, калибровочная функция может быть приближена к форме:  Uдет(Т) =КТN.
    Пирометр, измеряющий излучение от высокотемпературного объекта в широком диапазоне длин волн, должен калиброваться приблизительно по форме закона Стефана-Больцмана, т.е. N должно быть около 4.
    Для пирометров с узким диапазоном длин волн значение N выше.
    Если Uдет(Т)=КТN, пирометр может быть охарактеризован как подчиненный закону N-ой силы.
    Приблизительно N можно выразить как:
                                           N= С/λэT,
                                   где:  С-константа,
                                           λэ - эффективная длина волны в мкм,
                                           Т-температура объекта в градусах Кельвина.
    Значение величины N ИК-термометра таково, что позволяет легко оценить эффект влияния коэффициента излучения (излучательной способности) объекта на чувствительность термометра, когда температура объекта - стойкая константа.
     Если объект нагрет до температуры Т и имеет коэффициент излучения ε, то уровень сигнала равен:
                                              Uдет(Т)=εКТN, где К – константа, зависящая от конструкции термометра.
    Uдет термометра прямо пропорционально коэффициенту излучения.
Если коэффициент излучения изменяется на 10%, но температура остается неизменной, Uдет изменится на 10%. Однако электрический сигнал на выходе детектора преобразуется в показания температуры. Как отображаемая температура зависит от изменения коэффициента излучения?   

    Изменение уровня сигнала Uдет связано с изменением абсолютной температуры следующим образом:  
                                                      ΔТ/Т=(1/N)×(ΔU/U)
    Следовательно, если уровень сигнала на выходе детектора Uдет изменится на 10%, указанная абсолютная температура изменится на 10%/N. Т.к. Uдет пропорционально ε, то чем выше значение N, тем меньше зависимость считываемой температуры от изменения коэффициента излучения объекта.
    Помня, что N = C/λэТ, можно сделать вывод о том, что при прочих равных условиях, термометр с самой короткой эквивалентной длиной волны позволяет получить самое высокое значение N и наименьшую зависимость от изменения коэффициента излучения объекта.
Преимущество большого значения  N простирается на эффекты любой переменной, которая изменяет уровень сигнала Uдет.
    Загрязненная оптическая система или поглощение теплового излучения частицами, газами или испарениями оказывают меньшее  действие, если N имеет более высокое значение.

    Таким образом, вне зависимости от  фактора, вызывающего изменение теплового потока на приемнике
излучения, ошибка при измерении температуры тем меньше, чем короче длина волны и уже спектральный диапазон работы пирометра.
В качестве примера рассмотрим применение различных моделей в металлургии.
Сравнение моделей «КМ1300» и «КМ-ТермиксК 1100» (далее ТК1100) при неточной установке излучательной способности ɛ.
Главное отличие данных моделей состоит в том, что пирометр «КМ1300» работает в спектральном диапазоне 1-15мкм, а пирометр «ТК1100» - в спектральном диапазоне 0,8-1,1мкм.
Предположим, что реальный объект имеет температуру Тоб=830°С и излучательную способность ε=0,59.
Теория.
Теоретический расчет показывает, что при ошибочной установке на пирометрах излучательной способности ε=0,49 (ошибка составит 0,1) показания пирометров будут различаться следующим образом:
модель «КМ1300» покажет температуру Т=881°С, при этом погрешность измерения составит ∆Т=51°С,
модель «ТК1100» покажет температуру Т=847°С с погрешностью измерения ∆Т=17°С.
Таким образом, точность измерения температуры у пирометра «ТК1100» в 3 раза выше, чем у пирометра «КМ1300».
Эксперимент.
Пирометры «КМ1300» и «ТК1100» при установке на них излучательной способности ԑ=0,59 показывают по реальному объекту температуру Т=830°С.
При ошибке в оценке излучательной способности объекта на 0,1 и установке на пирометрах ε=0,49 показания пирометров существенно различаются:
модель «КМ1300» показывает температуру Т= 885°С, погрешность при этом составляет ∆Т=55°С.
модель «ТК1100» показывает температуру Т=845°С, погрешность при этом составляет ∆Т=15°С.
Т.е. в данном случае точность измерения температуры пирометром «ТК1100» в 3-4 раза выше, чем пирометром «КМ1300».
Теоретический расчет и экспериментальные данные дают хорошее совпадение.
Вывод:
лучше использовать пирометр, работающий на наиболее короткой длине волны и с наиболее узким спектральным диапазоном. При этом нижняя граница рабочего температурного диапазона пирометра должна быть чуть меньше нижней границы измеряемого температурного диапазона. В процессе измерений не должно быть фоновых засветок на рабочей длине волны пирометра.

Рекомендации по выбору пирометра с оптимальным спектральным диапазоном вы найдете в разделе «Пирометры для решения особых задач».


Вернуться назад

 

Copyright © 2011 "Тимол". Все права защищены.