|
Принципы работы пирометров Optris
Своими глазами мы видим мир в видимом свете. В то время как этот свет составляет лишь небольшую долю спектра излучения, невидимый свет занимает большую часть оставшегося спектрального диапазона. Излучение невидимого света несет в себе гораздо больше дополнительной информации.
Инфракрасная система измерения температуры
Каждое тело с температурой выше абсолютного нуля (-273,15°С = 0 К) излучает со своей поверхности электромагнитное излучение, которое пропорционально его внутренней температуре. Частью так называемого внутреннего излучения является инфракрасное излучение, которое может использоваться для измерения температуры тела. Это излучение проникает через атмосферу. При помощи линзы (входная оптическая система) лучи фокусируются на приемнике, который генерирует электрический сигнал, пропорциональный этому излучению. Сигнал усиливается и посредством последующей цифровой обработки преобразовывается в выходной сигнал, пропорциональный температуре объекта. Значение измерения может отображаться на дисплее или выдаваться в виде аналогового выходного сигнала, который обеспечивает простую связь с системами управления процессов.
Объект Оптика Датчик Электроника Дисплей
Инфракрасная система
Преимущества бесконтактного измерения температуры очевидны – этот способ позволяет:
· выполнять измерения температуры движущихся или перегретых объектов и объектов, которые находятся в тяжелых рабочих условиях
· обеспечивать очень быстрое время реакции и время экспозиции
· выполнять измерения без взаимодействия, не влияя на объект измерения
· выполнять неразрушающий контроль
· выполнять продолжительные измерения без механического износа
Уильям Гершель (1738-1822)
Открытие инфракрасного излучения
В поисках нового оптического материала в 1800 году Уильям Гершель случайно открыл инфракрасное излучение. Он зачернил кончик чувствительного ртутного термометра. Этот термометр и стеклянная призма, которая проводила солнечные лучи на таблицу, составили его систему измерения. При помощи этой системы он проверил уровень нагревания разных цветов спектра. Медленно смещая зачерненный кончик термометра по цветам спектра, он заметил увеличение температуры в фиолетовом и красном спектре. Еще больше температура увеличивалась за пределами красного части спектра. И, наконец, он обнаружил максимальную температуру далеко за пределами красной части спектра. На сегодняшний день эта область называется «областью инфракрасной длины волны».
Спектр электромагнитного излучения
Спектр в физическом смысле – это интенсивность смеси электромагнитных волн как функции длины волны или частоты. Спектр электромагнитного излучения охватывает область длины волны приблизительно 23 десятичных степеней и изменяется от сектора к сектору по происхождению, созданию и применению излучения. Все типы электромагнитного излучения имеют одинаковые принципы дифракции, рефракции, отражения и поляризации. Скорость их распространения соответствует скорости света в нормальных условиях: результат произведения длины волны и частоты является постоянным:
Инфракрасное излучение занимает очень ограниченную часть всего диапазона электромагнитного спектра: оно начинается в видимом диапазоне приблизительно на длине волны 0,78 мкм и заканчивается на длинах волн приблизительно 1000 мкм.
Для измерения инфракрасной температуры важную роль играет диапазон 0,7…14 мкм. Выше этих длин волны уровень энергии такой низкий, что датчикам не хватает чувствительности для ее определения.
Физические принципы
Приблизительно в 1900 году Планк, Стефан, Больцман, Вин и Кирхгоф точно определили электромагнитный спектр и установили качественные и количественные корреляции для описания инфракрасной энергии.
Черное тело
Черное тело является излучателем, который поглощает всё поступающее излучение. Ни отражения, ни пропускания не происходит.
Черное тело излучает максимум энергии, возможной при такой длине волны. Концентрация излучения не зависит от углов. Черное тело является основой для понимания физических основ бесконтактного измерения температуры и калибровки инфракрасных термометров.
Схема черного тела:
1 – керамический трубка, 2 – нагреватель, 3 – трубка из Al2O3, 4 – апертура
Черное тело имеет простую конструкцию. С одной стороны теплового пустотелого тела имеется небольшое отверстие. Если тело нагревается и его температура достигает определенного уровня, внутри полости устанавливается сбалансированная температура. Это отверстие испускает идеальное черное излучение данной температуры. Для каждого диапазона температуры и целевого применения конструкция этих черных тел зависит от материала и геометрической формы. Если это отверстие очень маленькое относительно всей поверхности, интерференция идеального состояния очень маленькое. Если направить измерительное устройство на это отверстие, температуру, излучаемую изнутри, можно назвать черным излучением, которое можно использовать для калибровки вашего измерительного устройства. В действительности простые системы используют поверхности, которые покрываются пегментированой краской и показывают значения коэффициента поглощения и излучения равные 99% в пределах необходимого диапазона длины волны. Обычно это существенно для калибровок реальных измерений.
Принципы излучения черного тела
Закон излучения Планка показывает основную зависимость для бесконтактных измерений температуры: он описывает спектральное удельное излучение М?S черного тела в полушаговом интервале в зависимости от его температуры Т и длины волны ?.
С = скорость света
С1 = 3,47 х 10-16 Вт м2
С2 = 1,44 х 10-2 К м
h = постоянная Планка
На рисунке ниже показано графическое описание формулы в зависимости от значения ? при разных температурах.
Видимый спектр Длина волны в мкм
При увеличении температуры максимум спектрального удельного излучения смещается к более коротким длинам волн. Поскольку формула является абстрактной, ее нельзя использовать для большинства практических применений. Но из нее можно вывести различные зависимости. Объединяя мощность спектрального излучения для всех длин волн от 0 до бесконечности, можно получить значение испускаемого излучения всего тела. Эта зависимость называется законом Стефана-Больцмана.
Полное испускаемое излучение черного тела в пределах всего диапазона длины волны увеличивается пропорционально четвертой степени от его абсолютной температуры. Графический рисунок закона Планка также показывает, что длина волны, которая используется для генерации максимума испускаемого излучения черного тела, смещается при изменении температур. Закон смещения Вина можно вывести из формулы Планка путем дифференцирования.
Длина волны, показывающая максимум излучения, с увеличением температуры смещается в сторону диапазона коротких волн.
Серое тело
Только несколько тел являются идеальным черными. Многие тела при такой же температуре излучают гораздо меньше излучения. Коэффициент излучения ? определяет отношение значения излучения реального и черного тела. Это значение находится в диапазоне от нуля до единицы. На инфракрасный датчик попадает излучение, испускаемое с поверхности объекта, а также излучение, отражаемое от окружающих объектов, и возможно инфракрасное излучение, проникающее от объекта измерения:
Большинство тел не показывает коэффициент пропускания в инфракрасном спектре, поэтому применимо следующее:
Этот факт очень полезен, так как гораздо легче измерять отражение, чем коэффициент излучения.
Конструкция и принцип работы инфракрасных термометров
Блок-схема инфракрасного термометра
На рисунке показана общая конструкция инфракрасного термометра. При помощи входной оптической системы излучение объекта фокусируется на инфракрасном датчике. Датчик генерирует соответствующий электрический сигнал, который затем усиливается и может использоваться для дальнейшей обработки. Путем цифровой обработки сигнал преобразовывается в выходное значение, пропорциональное температуре объекта. Результат отображается либо на дисплее, либо может использоваться в качестве аналогового сигнала для последующей обработки. Чтобы компенсировать влияние фона, второй датчик регистрирует температуру измерительного устройства и его оптического канала соответственно. Таким образом, измерение температуры объекта измерения в основном происходит в три этапа:
1. Преобразование полученного инфракрасного излучения в электрический сигнал.
2. Компенсация фонового излучения от термометра и объекта
3. Линеаризация и вывод данных температуры.
Кроме отображаемого значения температуры термометры также поддерживают такие линейные выходы, как 0/4-20 мА, 0-10 В и термопары, которые позволяют подключаться к системам управления процессами. Более того, большинство инфракрасных термометров предлагают цифровой интерфейс (USB, RS232, RS485) для последующей цифровой обработки сигнала, и доступа к параметрам устройства.
Инфракрасные датчики
Самой важной частью инфракрасного термометра является приемник излучения, который называют датчиком.
Существует две основных группы инфракрасных датчиков.
Инфракрасные датчики
/ \
Тепловые датчики Квантовые датчики
Термоэлектрический датчик
Пироэлектрический датчик
Болометрический датчик фокальной плоскости (для ИК камер)
Тепловые датчики
В этих датчиках температура чувствительного элемента изменяется из-за поглощения электромагнитного излучения. Это ведет к измененному свойству датчика, которое зависит от температуры. Такое изменение свойства будет электрически анализироваться, и использоваться в качестве стандарта для поглощенной энергии.
Термопары
Если соединение между двух проводов из разных металлических материалов нагревается, термоэлектрический эффект приводит к созданию электрического напряжения. Долгое время этот эффект измерения при помощи термопар использовался для контактного измерения температуры. Если соединение нагревается из-за поглощенного излучения, этот элемент называется термопарой излучения. На рисунке показаны термопары, выполненные из висмута/сурьмы, которая наноситься на чип вокруг поглощающего элемента. Если температура датчика увеличивается, это приводит к пропорциональному увеличению напряжения, которое может захватываться в конце групп связей.
Термопара TS80
Пироэлектрические датчики
Конструкция пироэлектрического датчика
На рисунке показана обычная конструкция пироэлектрического датчика. Этот чувствительный элемент состоит из пироэлектрического материала с двумя электродами. Поглощенное инфракрасное излучение приводит к изменению температуры чувствительного элемента, что в свою очередь из-за пироэлектрического эффекта ведет к изменению нагрузки на поверхность. Созданный таким образом выходной электрический сигнал обрабатывается предусилителем. Из-за природы создания нагрузки в пироэлектрическом элементе поток излучения должен постоянно и переменно прерываться. Преимуществом частотно-избирательного пердусиления является более хорошее отношение сигнал-шум.
Болометры
Болометры используют температурную зависимость электрического сопротивления. Чувствительный элемент состоит из резистора, свойства которого изменяются, когда он поглощает тепло. Изменение сопротивления приводит к изменению напряжения сигнала. Материал доложен иметь высокий температурный коэффициент электрического сопротивления, чтобы работать с высокой чувствительностью и высокой удельной обнаружительной способностью.
Болометры, которые работают при комнатной температуре, используют температурный коэффициент металлических резисторов (например, черные слоеные и тонкие слоеный болометры), а также полупроводниковые резисторы (например, термисторные болометры). На сегодняшний день инфракрасные тепловизоры основываются на следующих технологических разработках:
Полупроводниковая технология заменяет механические сканеры. Матрицы фокальной плоскости производятся на основе тонких слоеных болометров. Для этого в качестве альтернативной технологии используются окись ванадия или аморфный кремний. Эти технологии значительно улучшают соотношение цена-качество. Самый последний стандарт включает в себя матрицы 160х120 и 320х240.
Квантовые датчики
Главным различием между квантовыми и тепловыми датчиками является их более высокая скорость реакции на поглощенное излучение. Работа квантовых датчиков основывается на фотоэффекте. Ударные фотоны инфракрасного излучения приводят к увеличению электронов в более высоком уровне энергии внутри полупроводникового материала. Когда электроны падают обратно, генерируется электрический сигнал (напряжение или мощность). Кроме того возможно изменение электрического сопротивления. Эти сигналы можно точно анализировать. Квантовые датчики являются очень быстрыми (нс…мкс).
Температура чувствительного элемента теплового датчика изменяется относительно медленно. Значения постоянных времени тепловых датчиков обычно больше, чем значения постоянных времени квантовых датчиков.
С грубым приближением можно сказать, что постоянные времени тепловых датчиков можно измерять в миллисекундах, в то время как постоянные времени квантовых датчиков можно измерять наносекундах или даже микросекундах. Несмотря на быстрое расширение областей применения квантовых датчиков, существует большое количество задач, где предпочтительнее использовать тепловые датчики. Поэтому они позиционируются одинаково с квантовыми датчиками.
Преобразование инфракрасного излучения в электрический сигнал и вычисление температуры объекта.
По закону Стефана-Больцмана электрический сигнал датчика представляет собой следующее:
Так как еще должно учитываться отражаемое излучение окружающей среды и собственное излучение инфракрасного термометра, формула выглядит следующим образом:
U – сигнал датчика
Тоб. – температура объекта
Токр. – температура фонового излучения
Тпир. – температура устройства
С – удельная постоянная устройства
Так как инфракрасные термометры не охватывают весь диапазон длины волны, экспонент n зависит от длины волны ?. В диапазоне от 1 до 14 мкм n равняется значению между 17 и 2 (на длинных волнах он равен значению между 2 и 3, а в коротковолновом диапазоне между 15 и 17).
Таким образом, температура объекта определяется по следующей формуле
Результаты этих вычислений для всех температур сохраняются в виде полосы кривых в ЭСППЗУ инфракрасного термометра. Таким образом, гарантируется быстрый доступ к данным, а также быстрое вычисление температуры.
Коэффициент излучения
Формула показывает, что для определения температуры посредством измерения излучения коэффициент излучения имеет существенное значение. Коэффициент излучения представляет собой отношение тепловых излучений, которые испускаются серым и черным телом при одинаковой температуре. Максимальный коэффициент излучения для черного тела равен 1. Серое тело – это объект, который имеет одинаковый коэффициент излучения на всех длинах волн и испускает меньше инфракрасного излучения, чем черное тело (?<1). Тела, коэффициент излучения которых зависит от температуры и от длины волны, называются несерыми или селективными телами (например, металлы) |