Основы АСУ ТП и КИП - в статьях Ua.Automation.com

Инфракрасный (ИК) термометр - это датчик, который определяет температуру объекта путем обнаружения и количественной оценки инфракрасного излучения, испускаемого этим объектом. ИК-термометр можно сравнить с человеческим глазом. Хрусталик глаза представляет собой оптику, через которую излучение (поток фотонов) от объекта достигает светочувствительного слоя (сетчатки) через атмосферу. Это преобразуется в сигнал, который отправляется в мозг. На рис. 1 показано, как работает инфракрасная измерительная система.

Рис.1 Инфракрасная измерительная система

 

Каждая форма материи с температурой выше абсолютного нуля (-273,15 ° C / -459,8 ° F) излучает инфракрасное излучение в зависимости от ее температуры. Это называется характеристическим излучением. Причина этого - внутреннее механическое движение молекул. Интенсивность этого движения зависит от температуры объекта. Поскольку движение молекулы представляет собой смещение заряда, испускается электромагнитное излучение (фотонные частицы). Эти фотоны движутся со скоростью света и ведут себя в соответствии с известными оптическими принципами. Они могут отклоняться, фокусироваться линзой или отражаться отражающими поверхностями. Спектр этого излучения находится в диапазоне длин волн от 0,7 до 1000 мкм. По этой причине это излучение обычно нельзя увидеть невооруженным глазом, см. рис. 2.

 

Однако невидимая часть спектра содержит до 100 000 раз больше энергии. На этом основана инфракрасная измерительная техника. На рис. 3 видно, что максимум излучения смещается в сторону более коротких длин волн при повышении целевой температуры, и что кривые тела не перекрываются при разных температурах. Энергия излучения во всем диапазоне длин волн (площадь под каждой кривой) увеличивается до 4 степени от температуры. Эти отношения были сформулированы Стефаном и Больцманом в 1879 году. Они показывают, что по сигналу излучения может быть измерена достаточно точная температура. На рис. 3 показано типичное излучение тела при различных температурах. Как указано, тела при высоких температурах по-прежнему излучают небольшое количество видимого излучения. Таким образом, каждый может видеть объекты при очень высоких температурах (выше 600 ° C), светящиеся где-то от красного до белого. Опытные сталевары могут достаточно точно определить температуру объекта по цвету. Классический пирометр с исчезающей нитью накала использовался в сталелитейной промышленности с середины 1930-х годов.

 

Рис.3 Радиационная характеристика черного тела в зависимости от его температуры /3/
  

Таким образом, если посмотреть на рис. 3, то цель должна состоять в том, чтобы настроить ИК-термометр на максимально широкий диапазон, чтобы получить как можно больше энергии (соответствующей области под кривой) или сигнала от объекта измерений. Однако в некоторых случаях это не всегда приводит к точным измерениям. Например, на рис. 3 интенсивность излучения увеличивается на 2 мкм - намного больше при повышении температуры на уровне 10 мкм. Чем больше разница яркости при разнице температур, тем точнее работает ИК-термометр. В соответствии со смещением максимума излучения в сторону меньших длин волн с повышением температуры (закон смещения Вина) диапазон длин волн ведет себя в соответствии с диапазоном температур измерения пирометра. При низких температурах ИК-термометр, работающий на 2 мкм, остановится при температурах ниже 600 ° C, практически ничего не видя из-за слишком малой энергии излучения. Еще одна причина применять измерительные устройства для разных диапазонов длин волн - это характер излучения некоторых материалов, известных как не-серые тела (стекло, металлы и пластиковые пленки). На рис. 3 показан идеал - так называемое «черное тело». Однако многие тела генерируют меньше излучения при той же температуре. Связь между реальной излучательной способностью и коэффициентом черного тела известна как коэффициент излучения (ε) и может составлять максимум 1 (тело соответствует идеальному черному телу) и минимум 0. Тела с излучательной способностью менее 1 называются серыми телами. Тела, у которых коэффициент излучения также зависит от температуры и длины волны, называются не серыми телами. Более того, сумма излучения складывается из поглощения (A), отражения (R) и пропускания (T) и равна единице. (См. уравнение ниже и рис. 4)

A + R + T = 1 (1) 

Твердые тела не пропускают в инфракрасном диапазоне (T = 0). В соответствии с законом Кирхгофа предполагается, что все излучение, поглощенное телом и приведшее к повышению температуры, также испускается этим телом. Таким образом, имеем результат для поглощения и излучения: 

A ↔ E = 1 – R (2) 

 

 

Идеальное черное тело также не имеет отражательной способности (R = 0), так что E = 1.
Многие неметаллические материалы, такие как дерево, пластик, резина, органические материалы, камень или бетон, имеют поверхности, которые очень мало отражают, и поэтому имеют высокие коэффициенты излучения от 0,8 до 0,95. (См. значения коэффициента излучения для наиболее распространенных материалов). Напротив, металлы - особенно те, которые имеют полированные или блестящие поверхности - имеют коэффициент излучения около 0,1. ИК-термометры компенсируют это, предлагая различные варианты установки коэффициента излучения, см. также рис. 5 (см. значения излучательной способности для большинства металлов).