Бесконтактный термометр: технология измерения температуры объекта на дистанции

Бесконтактный термометр: технология измерения температуры объекта на дистанции

Любому объекту (телу), температура которого превышает абсолютный нуль (–273,15°C), присущ эффект поверхностной генерации электромагнитных лучей. Уровень такого излучения пропорционален внутренней температуре объекта (тела). Частью этого внутреннего фона является инфракрасное излучение, на основе которого допустимо создать бесконтактный термометр под разное назначение. Рассмотрим технологические принципы и физические эффекты, способствующие созданию устройства бесконтактного температурного контроля.

Система инфракрасного измерения температуры

На первый взгляд система инфракрасного измерения (бесконтактного термометра) проста. Инфракрасное излучение свободно проникает в атмосферу. С помощью линзы бесконтактного термометра инфракрасные лучи допустимо сфокусировать на элементе детектора. В результате детектор выдаёт электрический сигнал, величина которого пропорциональна величине излучения.

Сформированный сигнал усиливается, подвергается цифровой обработке, после чего подаётся на выход схемы. Значение измерения отображается на дисплее бесконтактного термометра, либо выводится аналоговым сигналом. При этом обеспечивается простое подключение к системам управления термометром.

ТЕРМОМЕТРЫ

Бесконтактный термометр: технология измерения температуры объекта на дистанции

Промышленным производством освоен выпуск бесконтактных термометров разного назначения и применения, в том числе широкое распространение нашли приборы бытового назначения

Бесконтактный термометр демонстрирует явные преимущества бесконтактного контроля температуры:

  • контроль температур объектов, включая опасные среды;
  • мгновенная реакция и время фиксации результата;
  • измерение без непосредственной связи с объектом;
  • стабильное измерение;
  • долгосрочная работа без механических повреждений конструкции.

Спектр электромагнитного излучения для бесконтактного термометра

Термин «спектр» с физической точки зрения рассматривается, как правило, интенсивностью электромагнитных волн или функцией длины волны (частоты волны). Спектром электромагнитного излучения охватывает область длин волн от сектора к сектору, исходя из происхождения, формирования, применения излучения.

Все виды электромагнитного излучения следуют одинаковым принципам:

  • дифракции,
  • преломления,
  • отражения,
  • поляризации.

Скорость расширения представлена как постоянный результат умножения длины волны на частоту:

λ · f = c

Инфракрасное излучение охватывает крайне ограниченную долю диапазона электромагнитного спектра. Начало отмечено видимым диапазоном (0,78 мкм), а конец охвата — длины волн 1000 мкм. Диапазон 0,7 — 14 мкм оптимален под инфракрасное измерение температуры – работа бесконтактного термометра. За пределами этого диапазона уровень энергии недостаточен для чувствительности детекторов.

Физические основы под устройство бесконтактного термометра

Далёкий 1900 год стал моментом, когда учёным физикам удалось определить полный электромагнитный спектр. Тогда же были установлены качественные и количественные корреляции, описывающие инфракрасную энергию.

Определение термина «чёрное тело»?

Конвертер излучения, способный поглощать всё входящее излучение при полном исключении проявления эффекта какого-либо отражения или пропускания энергии, учёные характеризуют как «чёрное тело».

HT-8200

Бесконтактный термометр: технология измерения температуры объекта на дистанции

Элементы конструкции бесконтактного ручного термометра: 1 – кнопка установки единиц измерения температуры (ºC / ºF); 2 – кнопка установки режима работы; 3 – кнопка включения / выключения; 4 – измеренная температура на дисплее; 5 – красная точка лазера; 6 – детектирующее отверстие; 7 – клавиша активации измерения; 8 – блок питания

«Чёрному телу» характерно излучение максимума энергии на каждой длине волны. При этом уровень фона не зависит от угловых величин. «Чёрное тело» рассматривается как основа понимания физических принципов бесконтактного контроля температуры, а также техники калибровки инфракрасных бесконтактных термометров.

Достаточно простой видится конструкция полого «чёрного тела», имеющего небольшое отверстие в одной из конечных областей. Если происходит нагрев до определенного значения температуры, внутри полой области отмечается баланс температуры. Сквозь имеющееся отверстие эта температура излучается. Под каждый температурный диапазон и с учётом применения, роль играют материал и геометрическая структура «чёрного тела».

Если отверстие очень малого диаметра по сравнению с общим объёмом, интерференция идеального состояния крайне мала. Позиционируя измерительный аппарат (бесконтактный термометр) по системному отверстию «чёрного тела», выполняют калибровку измерительного устройства.

ЦИФРОВОЙ

Бесконтактный термометр: технология измерения температуры объекта на дистанции

Для калибровки таких устройств как бесконтактный термометр используется специальное оборудование, благодаря которому получают и определяют базовую температурную точку

На практике простые устройства используют поверхности, которые покрыты пигментированной краской, демонстрируя значения поглощения, плюс излучающую способность для установленного диапазона длин волн. Такого подхода достаточно для калибровки под реальный контроль.

Концепция фона «чёрного тела»

Закон лучистой энергии по Планку устанавливает базовую взаимосвязь под бесконтактное измерение температуры. Этим законом характеризуется удельная величина спектрального излучения (Mλs) «чёрного тела» в область полупространства, с учётом температуры (T) и длины волны (λ).

Увеличение температуры сопровождается смещением удельной максимальной величины спектрального излучения в зону более коротких длин волн. Однако представленную формулу недопустимо применять без ограничений. Но допустимо брать из концепции различные соотношения.

Внедрением спектральной интенсивности излучения под все длины волн от 0 до бесконечности, открываются возможности получения значений фона объекта в целом. Такое соотношение определяется законом Стефана-Больцмана:

MλS = σ · T4 [Watt m2] σ = 5,67 · 10–8 WM–2 K–4

Полный фон «чёрного тела» в границах общего диапазона длин волн растёт пропорционально четвёртой степени абсолютной температуры. Закон Планка в графике также демонстрирует, как длина волны под генерацию максимума фона «чёрного тела» сдвигается по факту температурных изменений.

Закон смещения по Вину выводится из формулы Планка методом дифференциации:

λ max · T = 2898 μm · K

Длина волны под максимальное значение излучения, с ростом температуры переходит в область коротких волн.

Что такое «серое тело»?

Лишь немногие тела соответствуют идеалу чёрного тела. Многие тела излучают куда меньше радиации при аналогичной температуре. Излучающая способность (ε) определяет отношение величины излучения в реальном и «чёрном» телах (между нулём и единицей). Инфракрасный датчик воспринимает излучение с поверхности объекта, включая фон окружающей среды, плюс инфракрасное излучение от контрольного объекта:

ε + ρ + τ = 1;

где: ε – излучающая способность, ρ – отражательная способность, τ – степень прозрачности.

Большинство существующих тел остаются непрозрачными в инфракрасном диапазоне, поэтому в таких случаях применимо следующее выражение:

ε + ρ = 1;

демонстрирующее, насколько проще измерять отражение, нежели излучающую способность объекта (тела).

Конструкция и работа бесконтактных термометров

На картинке ниже показана блок-схема конструкция бесконтактного инфракрасного термометра. Посредством входной оптики излучение от объекта направлено на инфракрасный детектор. Этот компонент формирует в результате электрический сигнал для последующего усиления и дальнейшей обработки.

НЕКОНТАКТ

Бесконтактный термометр: технология измерения температуры объекта на дистанции

Типичное исполнение бесконтактного термометра блочной схемой: 1 – инфракрасный детектор; 2 – предварительный усилитель сигнала; 3 – преобразователь; 4 – микропроцессор; 5 – цифро-аналоговый преобразователь; 6 – выход линейный (4 – 20 мА); 7 – цифровой интерфейс

Цифровая обработка заключается в преобразовании входного сигнала в выходное значение, пропорциональное температуре контрольного объекта. Результат температуры либо отображается на информационном дисплее бесконтактного термометра, либо может использоваться в качестве аналогового сигнала для дальнейшей обработки.

Чтобы компенсировать влияния окружающей среды, второй детектор бесконтактного термометра измеряет температуру измерительного элемента и оптического канала, соответственно. Следовательно, температура объекта измерения, как правило, генерируется тремя этапами:

  1. Преобразование полученного инфракрасного излучения в электрический сигнал.
  2. Компенсация фонового излучения от термометра и объекта.
  3. Линеаризация и вывод информации о температуре на бесконтактном термометре.

Помимо отображаемого значения температуры, бесконтактные термометры также поддерживают линейные выходы (0/4 — 20 мА, 0 — 10В) и элементы термопары. Такая возможность позволяет легко подключаться к системам управления термометром.

Кроме того, большинство используемых в настоящее время бесконтактных инфракрасных термометров имеют цифровые интерфейсы (USB, RS232, RS485), применяемые для дальнейшей обработки цифрового сигнала и для обеспечения доступа к параметрам устройства.

Детекторы бесконтактных термометров

Одним из важных элементов каждой конструкции бесконтактного инфракрасного термометра является приёмник излучения — детектор. Существуют и применяются в конструкциях термометров две основные группы инфракрасных датчиков:

  1. Тепловые.
  2. Квантовые.

Тепловые детекторные элементы термометров

Первая группа чувствительных детекторных элементов термометров, в свою очередь, разделена ещё на ряд приборов:

  • термоэлементы,
  • пироэлектрические детекторы,
  • болометры.

Тепловые детекторы бесконтактных термометров характерны тем, что здесь температура чувствительного элемента изменяется по причине поглощения электромагнитного излучения. Этот момент приводит к изменению свойства детектора, которое зависит от температуры. Изменение свойства электрически анализируется и используется в качестве стандарта поглощённой энергии.

ДЛЯ ДЕТЕЙ

Бесконтактный термометр: технология измерения температуры объекта на дистанции

Один из вариантов конструкции современного инфракрасного детектора, из числа тех чувствительных элементов, что применяются в составе бесконтактных инфракрасных термометров

Термопарам конструктивно присуще соединение двух проводников из разных металлических материалов. Когда точка соединения нагревается, термоэлектрический эффект приводит к появлению электрического напряжения. На контактных термометрах этот эффект термопары использовался в течение длительного времени.

Пироэлектрический детектор — чувствительный элемент на основе пироэлектрического материала с двумя электродами. Поглощённое инфракрасное излучение приводит к изменению температуры чувствительного элемента, что приводит к изменению поверхностной нагрузки вследствие пироэлектрического эффекта. Созданный таким образом электрический выходной сигнал обрабатывается предварительным усилителем.

Болометры используют температурную зависимость электрического сопротивления. Чувствительный элемент состоит из резистора, который изменяется при поглощении тепла. Изменение сопротивления приводит к изменению напряжения сигнала. Болометры, которые работают при комнатной температуре, используют температурный коэффициент металлических резисторов, а также полупроводниковых резисторов.

Бесконтактный термометр и квантовые детекторные элементы

Явной отличительной от тепловых чертой квантовых детекторов является более быстрая реакция на поглощённое излучение. Режим работы квантовых детекторов основан на фотоэффекте. Фотоны инфракрасного излучения приводят к увеличению электронов до более высокого энергетического уровня внутри полупроводникового материала.

ДЕТЕКТОРЫ

Бесконтактный термометр: технология измерения температуры объекта на дистанции

Квантовый детектор – продукт производства одной из широко известных компаний, однако предназначенный для целей несколько иных, нежели бесконтактное измерение температуры

Когда электроны перетекают обратно, генерируется электрический сигнал (напряжение или мощность). Также возможно изменение электрического сопротивления. Эти сигналы могут быть проанализированы точным способом. Квантовые детекторы – быстро реагирующие, чувствительные элементы бесконтактных современных термометров.

Температура чувствительного элемента теплового детектора изменяется относительно медленно. Временные константы тепловых детекторов обычно больше, чем временные константы квантовых детекторов. Проще говоря, постоянные времени тепловых детекторов можно измерять в миллисекундах, тогда как постоянные времени квантовых детекторов допустимо измерять в наносекундах или даже микросекундах.

Несмотря на быстрое развитие в области квантовых детекторов, по-прежнему существует множество применений конструкций бесконтактных термометров, в которых предпочтительно используются тепловые детекторы. Вот почему эти элементы бесконтактных термометров пока что остаются востребованными на одинаковом уровне с более продвинутыми квантовыми детекторами.

При помощи информации: OPTRIS

Источник