eng
В процессе измерения температуры реальных объектов возникают причины, способные свести на нет все преимущества пирометра с экстремально низкой погрешностью. Они приведут к тому, что погрешность результатов измерений составит не доли процентов, а даже 10% и более. Поэтому при выборе пирометра надо ориентироваться не на минимальную погрешность, указанную в его паспорте, а на специфические особенности прибора, которые сделают его оптимальным для ваших задач и сведут дополнительные погрешности к минимуму. И помните, что этот вопрос лучше обсуждать со специалистом. Он укажет на те проблемы, о которых менеджер по продажам умолчит.
В своей борьбе за потребителя производители стремятся совершенствовать параметры своих изделий. А точность (правильнее говорить о погрешности измерений) наряду с диапазоном измеряемых температур – это основные параметры пирометра. И естественно, заявляя более низкую погрешность, чем у конкурирующего изделия, производитель открыто говорит потребителю о том, что его продукт лучше, чем аналог от его конкурента.
В нулевом приближении это так. Но пирометрия – особая отрасль измерений, где не все столь просто, и где очень легко совершить неверный выбор из-за незнания особенностей, присущих этому виду измерений.
ОСНОВНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ ПИРОМЕТРА – ЧТО ЭТО?
Начнем с того, что заявляемые производителями погрешности измерений – это те погрешности, которые присущи их изделиям при поверках и калибровках на идеальных излучателях, так называемых "черных телах" (МЧТ – модель или макет "черного тела"). Такие "черные тела" – обязательное оборудование любой поверочной лаборатории. Главная особенность этих излучателей в том, что их коэффициент излучения (иначе – излучательная способность) на любой длине волны практически равен единице (типовые значения: 0,990–0,998). И вот при измерении температуры именно этих излучателей, в лабораторных условиях, при температуре окружающей среды 20–25˚С, пирометры и демонстрируют свои точностные характеристики, которые называют основной погрешностью измерений данного прибора.
Итак, поставщики предложили вам два пирометра – один с основной погрешностью 0,25%, другой – с погрешностью 1%. С финансовой стороны вам по карману любой. Что выбрать? Памятуя, что скупой платит дважды, вы, скорее всего, выберете первый – ведь его погрешность ниже, значит, он лучше. Но, как я уже сказал, пирометрия – особая отрасль измерений, где все не столь просто.
ВЛИЯНИЕ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ
Начнем с того, что на результат измерения пирометром в очень большой степени влияет излучательная способность измеряемого объекта. Напомним, что это такое. Представьте следующую картину: в нашем распоряжении есть алюминиевый чайник, стенки которого полированы, но на одном боку – большое пятно сажи (чайник как-то упал в костер, извлечен оттуда был не сразу, а оттирать въевшуюся сажу не хочется, на скорость закипания она не влияет). Так вот, если вы наведете пирометр на закопченную поверхность кипящего чайника, то пирометр покажет 90–95˚С. При наведении на чистую полированную поверхность пирометр выдаст результат порядка 30–35˚С. И заметьте, чайник-то при этом кипит, то есть вода внутри него имеет температуру около 100˚С, и к стенке чайника лучше не прикасаться – иначе ожог обеспечен.
Почему же при измерении почти 100-градусной температуры пирометр покажет втрое меньшее значение? Дело в том, что каждый объект характеризуется излучательной способностью, которая описывает его излучательные свойства. Излучательная способность чистого полированного алюминия – от 0,02 до 0,04, то есть в 25–50 раз меньше, чем у МЧТ (излучательная способность МЧТ, напомню, 0,99–0,998). А излучательная способность закопченной поверхности – порядка 0,95–0,98. То есть, полированная поверхность излучает практически в те же 25–50 раз меньше, чем закопченная. А пирометр трактует это как факт, что температура полированной поверхности гораздо ниже, чем у закопченной.
Для того, чтобы устранить эту 60-градусную погрешность ( 95˚ – 35˚ = 60˚С ), обычно пирометры снабжают устройством коррекции результатов по излучательной способности. Вам предлагается так или иначе, в зависимости от конструкции, ввести в пирометр значение излучательной способности того объекта, который вы измеряете. Если введенное значение соответствует истинному значению, то вы получите правильный результат.
Вот мы и добрались до первого препятствия – "если введенное значение соответствует истинному". А если не соответствует? А если не соответствует, то при измерении у вас возникнет дополнительная методическая погрешность за счет ошибочного ввода коэффициента излучения, определяемая соотношением
.
Здесь – действительное значение температуры объекта, – значение температуры объекта, получаемое при вводе ошибочного значения коэффициента излучения, – действительное (соответствующее используемому пирометру) значение излучательной способности, а – ошибка ввода коэффициента излучения, т.е. разность между и тем значением, которое взято из справочной литературы.
В таблице приведены рассчитанные значения относительной погрешности как функции длины волны λ для трех значений действительной температуры, равных 1600К, 2000К и 2600К для вольфрама (значения взяты из [1]). Погрешность в определении излучательной способности выбиралась равной 10%.
Из анализа таблицы видно следующее. 10%-ная погрешность в измерении излучательной способности приводит к погрешности 0,6–1% в измерении действительной температуры объекта, если измерения проводятся на длине волны, равной 0,6 мкм, к погрешности порядка 1,5–2,5% при измерении на длине волны 1,5 мкм и 11–17% при измерении на длине волны λ = 12 мкм.
ОТКУДА БЕРУТ ЗНАЧЕНИЕ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ?
А с какой точностью вы знаете излучательную способность своего объекта? Откуда вы берете ее значение? Этот вопрос сегодня является одним из самых сложных в пирометрии. В подавляющем большинстве случаев значение излучательной способности берут из таблиц, найденных в тех или иных литературных источниках, и из руководств по эксплуатации пирометров. При этом в таблицах нет никакой информации о том, в каком спектральном диапазоне проводились те или иные измерения. А коэффициент излучения – это величина, которая зависит не только от материала объекта, но и от спектрального диапазона пирометра.
Обратимся к рисунку. Очевидно, что кривая излучательной способности металла (кривая 1) пересекает кривую спектральной чувствительности яркостного фотодиодного пирометра (кривая 2) вблизи значения 0,7. В то же время кривую спектральной чувствительности пирометра на основе термоэлемента со спектральной чувствительностью в интервале 8–14 мкм (кривая 3) она пересекает вблизи значения 0,23–0,25. Это означает, что если принять значение коэффициента излучательной способности металла 0,25 (более-менее правильное для второго пирометра), но ввести это значение в фотодиодный пирометр с Si-фотодиодом, то вы обязательно допустите ошибку в 250–300%! А вовсе не в 10%. Конечно, этот пример – крайний случай. Но он призван показать, что погрешность в определении коэффициента излучения может составлять десятки процентов!
Напомню, при измерении температуры излучателя-МЧТ, где излучательная способность известна с погрешностью менее 1%, пирометры могут показать результаты, отличающиеся от истинных не более чем на 0,25% и 1%. Но эти же пирометры при 10%-ной погрешности в определении излучательной способности измерят температуру вашего реального объекта с погрешностью от 1% до 12–17%. При этом меньшие значения соответствуют пирометрам с коротковолновыми фотодиодными приемниками, а большие – пирометрам спектрального диапазона 8–14 мкм. А если погрешность в измерении излучательной способности будет в два – два с половиной раза выше, то и погрешность в измерении температуры вашего объекта при измерении пирометрами со спектральным диапазоном 8–14 мкм превысит 25–30%! И это при том, что собственная инструментальная погрешность такого пирометра обычно на порядок-полтора ниже этих значений.
Таким образом, предполагать, что погрешность измерения пирометром вашего реального объекта равна заявляемой производителем основной погрешности пирометра – это ошибка. Погрешность вашего измерения определится в первую очередь тем, насколько правильно вы определите значение коэффициента излучения измеряемого объекта. Его чаще всего вы сможете определить с погрешностью не менее 10–20%. А дальше все зависит от того, насколько велика дополнительная методическая погрешность за счет ошибочно введенного ε у используемого вами пирометра. У пирометров, использующих коротковолновые фотодиодные приемники она низка. У пирометров спектрального диапазона 8–14 мкм она более чем на порядок выше. Поэтому если упомянутый в начале статьи однопроцентный пирометр выполнен на фотодиодном кремниевом приемнике, а четвертьпроцентный – на термоэлементе с диапазоном 8–14 мкм, то температуру вашего реального объекта, как это ни удивительно, точнее измерит не четвертьпроцентный, а однопроцентный прибор. За счет меньшей дополнительной погрешности при ошибочно вводимом ε. И величина этой дополнительной погрешности никак не окажется менее 1–2%.
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Теперь коснемся еще одной проблемы – зависимости результатов измерений пирометрами от температуры окружающей среды.
Приемниками излучения пирометров являются чаще всего полупроводниковые элементы – болометры, фотодиоды, пироэлектрики, термоэлементы. И как у всяких полупроводниковых компонентов, их характеристики зависят от температуры окружающей среды. У приемников это выражается в том, что при изменении температуры среды выходной сигнал приемника изменяется, при том что входной оптический сигнал остается неизменным.
По опыту замечу, изменение температуры окружающей среды на каждые 10˚С у пирометра с приемником из Si-фотодиода приводит к дополнительной погрешности порядка 1% при температурах объекта 500–1000˚С. То есть, идеально откалиброванный при температуре 22˚С пирометр, с основной погрешностью 0,25%, при 32˚С будет характеризоваться погрешностью порядка 1%, а при 42˚С – погрешностью порядка 2% и т.д. Для пирометров с приемниками на основе InGaAs-фотодиодов и термоэлементов дополнительная погрешность на каждое увеличение температуры окружающей среды на 10˚С будет чуть больше − порядка 1,3–1,5%. То есть, если в пирометре не предусмотрена возможность исключать появление описанной дополнительной погрешности, можете смело рассматривать экстремально низкие значения его погрешностей, заявленные производителями, как рекламный ход.
Скорее всего, эти заявленные погрешности (от 0,1% до 0,4%) – правда. Но лишь при окружающей температуре вблизи 21–23˚С. А если у вас в цехе зимой 10˚С, а летом 33˚С, то ни о каком достижении десятых долей процента говорить нельзя.
О каких мерах исключения дополнительной погрешности возникающей из-за изменения температуры окружающей среды, может идти речь? В первую очередь это термостабилизация приемного узла. Достаточно обеспечить стабильность температуры приемного узла с точностью 1–2 градуса – и никакой дополнительной погрешности за счет колебаний температуры окружающей среды не будет, о ней можно забыть.
Второй путь – введение соответствующих поправок. В пирометре должен быть датчик температуры окружающей среды и соответствующая программа, корректирующая чувствительность приемника. Причем именно чувствительность, а не смещение по постоянному току.
Если хоть один из этих механизмов в пирометре есть, то это гарантированно отражено в его описании/руководстве по эксплуатации. Если такой информации в фирменном руководстве вы не найдете – будьте уверены, прибор имеет дополнительную процентную погрешность на каждые 10˚С изменения температуры окружающей среды, что бы при этом вам ни говорили менеджеры, продающие его.
Иногда они, правда, говорят, что предлагаемый прибор сделан мировым лидером, имеющим большой опыт, и что приемники пирометра этого лидера не имеют такой погрешности. Про лидеров – почти, наверняка, правда, и про большой опыт – тоже. А вот про то, что приемники мировых лидеров лучше остальных, – мягко говоря, неправда. Законы физики одинаковы на всех континентах. И температурный уход Si-фотодиодов, к примеру, практически одинаков, будь то прекрасный фотодиод фирмы Hamamatsu или менее ценимый, но вполне качественный отечественный ФД-24К выпуска 30-летней давности.
ВЛИЯНИЕ НЕПРОСЛЕЖИВАЕМОСТИ К ПЕРВИЧНЫМ ЭТАЛОНАМ
О том, что непрослеживаемость пирометров к первичным эталонам вносит свои дополнительные погрешности, метрологи заговорили в последние 10 лет. Дело в том, что если вы калибруете пирометр на излучателе, который характеризуется, к примеру, 0,5%-ной погрешностью, то погрешность калибруемого прибора не может быть ниже 0,5%. Даже если он идеально калиброван на этом излучателе, и его показания расходятся с показаниями излучателя менее чем на 0,1%, погрешность пирометра будет не 0,1%, а 0,5%. Ведь основная погрешность – это не погрешность относительно излучателя, а погрешность относительно международной температурной шкалы. А с ней упомянутый излучатель расходится в данном примере на 0,5%.
Долгое время западные производители не считали нужным сверять свои образцовые излучатели с национальными эталонами температуры. Сейчас метрологи заставляют их это делать. Но информация о погрешностях сличений до нас не доходит. А жаль. Если, к примеру, кто-то из мировых лидеров предлагает вам прибор с основной погрешностью 0,1%, то это значит, что излучатель, на котором был калиброван этот прибор, должен иметь погрешность хотя бы втрое меньшую. А есть ли такой излучатель у этого лидера? С основной погрешностью 0,03%?! И подкрепляется ли это сертификатом соответствующего главного метрологического института страны, в которой работает этот производитель? Или это только слова дилера, продающего вам прибор?
ВЛИЯНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ВИЗИРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Для упрощения конструкции большинство пирометров делают с нефокусируемой оптической системой. Плоскость, которая сопряжена с плоскостью приемника, обычно находится на расстоянии 0,5 м или 1 м от объектива пирометра. Именно в этой плоскости размер измеряемого объекта минимален. И именно на этом расстоянии от излучателя обычно располагается пирометр во время калибровки.
Но производители обычно умалчивают, что при изменении расстояния от пирометра до объекта результат измерения изменяется, даже если температура объекта остается неизменной [3]. Это происходит потому, что площадь объекта, с которой пирометр принимает тепловые лучи, и телесный угол, под которым из точек объекта видна выходная линза объектива пирометра, изменяются при варьировании расстояния несинхронно. Поскольку расчет реальной площади объекта, с которой пирометр принимает тепловые лучи, − весьма затруднительное занятие, соответствующие математические модели, отражающие изменение теплового потока с изменением расстояния, не разработаны. Но это не значит, что этого изменения не существует. Оно существует, и при изменении расстояния с 1 м до 2 м результат измерения пирометром со спектральной характеристикой, описываемой кривой 3 (см.рисунок), может измениться на 2–4%. Для пирометра со спектральной характеристикой, описываемой кривой 2, эта величина заметно ниже (немного менее 0,5%). Как видите, и за счет этого фактора экстремально низкие значения погрешности измерений (0,1–0,3%) окажутся для вас нереализуемыми. То есть за счет того, что вы измеряете объекты на иных расстояниях, чем то, на котором калибровали пирометр, вы получаете реальную заметно большую погрешность, чем основная погрешность, заявленная производителем.
Справедливости ради надо отметить, что у правильно сконструированных пирометров с фокусируемой оптической системой эта погрешность отсутствует.
Что касается системы визирования, то учтите, что ее влияние сказывается при измерении малоразмерных объектов. Дополнительную погрешность в несколько процентов вы можете получить, если поле зрения пирометра на выбранном расстоянии сопоставимо с размером объекта, а вы при этом не можете точно навести пирометр на объект измерения из-за неудачно выбранного визира. Поэтому, если размеры объекта минимальны, используйте пирометры с хорошим беспараллаксным визиром.
ВЛИЯНИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ФАКТОРА
Есть еще один неприятный фактор, влияющий на точность измерения. Это – человеческий фактор. Не сумели установить без ошибки коэффициент излучения – результат измерения будет включать в себя погрешность, причем иногда значительную [4]. Избавиться от этой погрешности позволяют пирометры спектрального отношения, лишенные органов коррекции.
ВЛИЯНИЕ СПЕЦИАЛИЗАЦИИ ПРИБОРА
Если вы попытаетесь измерить температуру алюминиевой заготовки обычным пирометром, не предназначенным для измерения температуры алюминия, скорее всего, результат будет очень плохим, погрешность измерения превысит все разумные границы. Это произойдет потому, что излучательная способность алюминия очень низка, на уровне 0,02–0,03. То есть сигнал от алюминиевой заготовки в 30–50 раз меньше, чем от МЧТ. Чтобы скомпенсировать ослабление за счет излучательной способности, сигнал, пришедший на пирометр, надо усилить в 30–50 раз. Одновременно с этим во столько же раз возрастут и присущие пирометру шумы. И если пирометр не содержит технических решений, минимизирующих эти шумы, погрешность измерения будет на один-два порядка больше собственной инструментальной погрешности пирометра.
Еще один пример – измерение температуры металлов пирометром, характеристика которого подобна кривой 3 (см. рисунок). Дело в том, что у большинства металлов излучательная способность с ростом λ снижается до значений 0,1–0,3. Погрешность измерения излучательной способности величиной 0,05 составляет в данном случае от 16 до 50%, что соответствует дополнительной погрешности в первом приближении от 15 до 40–50%. Поэтому приобретая пирометр со спектральным диапазоном 8–14 мкм для измерения температуры металла, помните, что даже получить одно-двухпроцентную погрешность окажется крайне затруднительно − что "однопроцентным" пирометром, что "четвертьпроцентным".
В то же время, по данным НПУЦ "Энергомет" [5], излучательная способность многих огнеупоров в этом спектральном диапазоне приближается или превышает значение 0,9. И для температуры таких объектов пирометр со спектральным диапазоном 8–14 мкм вполне пригоден. Погрешность 0,2–0,3% получить вам, скорее всего при этом не удастся, но на уровне 1–2% – вполне реально.
Заключение
Таким образом, мы рассмотрели шесть различных причин появления дополнительных погрешностей от 1–2% до 15% и более при измерении температуры пирометром. Эти погрешности, всегда имеющие место в процессе измерения реальных объектов, сведут на нет все преимущества пирометра с экстремально низкой погрешностью (на уровне 0,1–0,25%).
Так стоит ли гнаться за "четвертьпроцентными" (или еще более точными) пирометрами? Весь вопрос в том, какую задачу вы пытаетесь решить. Если оснастить поверочную лабораторию – то да, безусловно. Вы будете измерять таким пирометром температуру МЧТ, поэтому влияние излучательной способности на результат измерения исключается. Обычно в лаборатории поддерживается нормальная температура окружающей среды, поэтому ее изменения влияют минимально. Прибор вы установите на том расстоянии, на котором рекомендует производитель, и влияние изменения расстояния тоже будет исключено. И тогда прекрасные точностные характеристики прибора будут реализованы. Если прибор предназначается для измерения не МЧТ, а реальных объектов на производстве или в научных исследованиях, – то нет.
Названные условия измерений приведут к тому, что погрешность результатов будет не доли процентов, а минимум единицы, в предельно же нехорошем стечении обстоятельств – даже 15% и более. Поэтому надо ориентироваться не на минимум погрешности, а на специфические особенности прибора, которые делают его либо неудачным для вашего случая, либо, наоборот, оптимальным. И здесь справедливо следующее правило: чем более коротковолновым является спектральный диапазон используемого прибора, тем меньше сказываются при работе с ним все дополнительные методические погрешности. Если вы можете позволить себе не интересоваться температурами ниже 500˚С, выбирайте пирометр на основе кремниевого фотодиода, у него дополнительные погрешности минимальны. Если же вам все же нужно вести измерения в диапазоне от 200 до 500˚С, то используйте пирометр на InGaAs-фотодиоде. У него погрешности выше, чем у предыдущего, но всего раза в полтора. Ну а если без измерения температур вблизи комнатной вам не обойтись, вам придется использовать пирометр спектрального диапазона 8–14 мкм со всеми его погрешностями (другого-то ничего для этого температурного диапазона нет). Но не рассчитывайте на точные измерения этим пирометром объектов, нагретых до температуры 500˚С и выше.
ЛИТЕРАТУРА
Излучательные свойства твердых материалов. Под ред. А.Е.Шейндлина – М.: Энергия, 1974.
Беленький А.М., Дубинский М.Ю., Ладыгичев М.Г., Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М. Измерение температуры: теория, практика, эксперимент: Справочное издание. Т.2. – М.: Теплотехник, 2007.
Линевег Ф. Измерение температур в технике: Справочник/ Пер. с нем. – М.: Металлургия, 1980.
Фрунзе А.В. Влияние методических погрешностей пирометра на выбор прибора. – Фотоника, 2012, № 3, с.46–51.
Беленький А.М. и др. Радиационные характеристики объектов контроля температуры в металлургии: Справочник.– М.: Изд-во МИСИС, 2000.
В нулевом приближении это так. Но пирометрия – особая отрасль измерений, где не все столь просто, и где очень легко совершить неверный выбор из-за незнания особенностей, присущих этому виду измерений.
ОСНОВНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ ПИРОМЕТРА – ЧТО ЭТО?
Начнем с того, что заявляемые производителями погрешности измерений – это те погрешности, которые присущи их изделиям при поверках и калибровках на идеальных излучателях, так называемых "черных телах" (МЧТ – модель или макет "черного тела"). Такие "черные тела" – обязательное оборудование любой поверочной лаборатории. Главная особенность этих излучателей в том, что их коэффициент излучения (иначе – излучательная способность) на любой длине волны практически равен единице (типовые значения: 0,990–0,998). И вот при измерении температуры именно этих излучателей, в лабораторных условиях, при температуре окружающей среды 20–25˚С, пирометры и демонстрируют свои точностные характеристики, которые называют основной погрешностью измерений данного прибора.
Итак, поставщики предложили вам два пирометра – один с основной погрешностью 0,25%, другой – с погрешностью 1%. С финансовой стороны вам по карману любой. Что выбрать? Памятуя, что скупой платит дважды, вы, скорее всего, выберете первый – ведь его погрешность ниже, значит, он лучше. Но, как я уже сказал, пирометрия – особая отрасль измерений, где все не столь просто.
ВЛИЯНИЕ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ
Начнем с того, что на результат измерения пирометром в очень большой степени влияет излучательная способность измеряемого объекта. Напомним, что это такое. Представьте следующую картину: в нашем распоряжении есть алюминиевый чайник, стенки которого полированы, но на одном боку – большое пятно сажи (чайник как-то упал в костер, извлечен оттуда был не сразу, а оттирать въевшуюся сажу не хочется, на скорость закипания она не влияет). Так вот, если вы наведете пирометр на закопченную поверхность кипящего чайника, то пирометр покажет 90–95˚С. При наведении на чистую полированную поверхность пирометр выдаст результат порядка 30–35˚С. И заметьте, чайник-то при этом кипит, то есть вода внутри него имеет температуру около 100˚С, и к стенке чайника лучше не прикасаться – иначе ожог обеспечен.
Почему же при измерении почти 100-градусной температуры пирометр покажет втрое меньшее значение? Дело в том, что каждый объект характеризуется излучательной способностью, которая описывает его излучательные свойства. Излучательная способность чистого полированного алюминия – от 0,02 до 0,04, то есть в 25–50 раз меньше, чем у МЧТ (излучательная способность МЧТ, напомню, 0,99–0,998). А излучательная способность закопченной поверхности – порядка 0,95–0,98. То есть, полированная поверхность излучает практически в те же 25–50 раз меньше, чем закопченная. А пирометр трактует это как факт, что температура полированной поверхности гораздо ниже, чем у закопченной.
Для того, чтобы устранить эту 60-градусную погрешность ( 95˚ – 35˚ = 60˚С ), обычно пирометры снабжают устройством коррекции результатов по излучательной способности. Вам предлагается так или иначе, в зависимости от конструкции, ввести в пирометр значение излучательной способности того объекта, который вы измеряете. Если введенное значение соответствует истинному значению, то вы получите правильный результат.
Вот мы и добрались до первого препятствия – "если введенное значение соответствует истинному". А если не соответствует? А если не соответствует, то при измерении у вас возникнет дополнительная методическая погрешность за счет ошибочного ввода коэффициента излучения, определяемая соотношением
.
Здесь – действительное значение температуры объекта, – значение температуры объекта, получаемое при вводе ошибочного значения коэффициента излучения, – действительное (соответствующее используемому пирометру) значение излучательной способности, а – ошибка ввода коэффициента излучения, т.е. разность между и тем значением, которое взято из справочной литературы.
В таблице приведены рассчитанные значения относительной погрешности как функции длины волны λ для трех значений действительной температуры, равных 1600К, 2000К и 2600К для вольфрама (значения взяты из [1]). Погрешность в определении излучательной способности выбиралась равной 10%.
Из анализа таблицы видно следующее. 10%-ная погрешность в измерении излучательной способности приводит к погрешности 0,6–1% в измерении действительной температуры объекта, если измерения проводятся на длине волны, равной 0,6 мкм, к погрешности порядка 1,5–2,5% при измерении на длине волны 1,5 мкм и 11–17% при измерении на длине волны λ = 12 мкм.
ОТКУДА БЕРУТ ЗНАЧЕНИЕ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ?
А с какой точностью вы знаете излучательную способность своего объекта? Откуда вы берете ее значение? Этот вопрос сегодня является одним из самых сложных в пирометрии. В подавляющем большинстве случаев значение излучательной способности берут из таблиц, найденных в тех или иных литературных источниках, и из руководств по эксплуатации пирометров. При этом в таблицах нет никакой информации о том, в каком спектральном диапазоне проводились те или иные измерения. А коэффициент излучения – это величина, которая зависит не только от материала объекта, но и от спектрального диапазона пирометра.
Обратимся к рисунку. Очевидно, что кривая излучательной способности металла (кривая 1) пересекает кривую спектральной чувствительности яркостного фотодиодного пирометра (кривая 2) вблизи значения 0,7. В то же время кривую спектральной чувствительности пирометра на основе термоэлемента со спектральной чувствительностью в интервале 8–14 мкм (кривая 3) она пересекает вблизи значения 0,23–0,25. Это означает, что если принять значение коэффициента излучательной способности металла 0,25 (более-менее правильное для второго пирометра), но ввести это значение в фотодиодный пирометр с Si-фотодиодом, то вы обязательно допустите ошибку в 250–300%! А вовсе не в 10%. Конечно, этот пример – крайний случай. Но он призван показать, что погрешность в определении коэффициента излучения может составлять десятки процентов!
Напомню, при измерении температуры излучателя-МЧТ, где излучательная способность известна с погрешностью менее 1%, пирометры могут показать результаты, отличающиеся от истинных не более чем на 0,25% и 1%. Но эти же пирометры при 10%-ной погрешности в определении излучательной способности измерят температуру вашего реального объекта с погрешностью от 1% до 12–17%. При этом меньшие значения соответствуют пирометрам с коротковолновыми фотодиодными приемниками, а большие – пирометрам спектрального диапазона 8–14 мкм. А если погрешность в измерении излучательной способности будет в два – два с половиной раза выше, то и погрешность в измерении температуры вашего объекта при измерении пирометрами со спектральным диапазоном 8–14 мкм превысит 25–30%! И это при том, что собственная инструментальная погрешность такого пирометра обычно на порядок-полтора ниже этих значений.
Таким образом, предполагать, что погрешность измерения пирометром вашего реального объекта равна заявляемой производителем основной погрешности пирометра – это ошибка. Погрешность вашего измерения определится в первую очередь тем, насколько правильно вы определите значение коэффициента излучения измеряемого объекта. Его чаще всего вы сможете определить с погрешностью не менее 10–20%. А дальше все зависит от того, насколько велика дополнительная методическая погрешность за счет ошибочно введенного ε у используемого вами пирометра. У пирометров, использующих коротковолновые фотодиодные приемники она низка. У пирометров спектрального диапазона 8–14 мкм она более чем на порядок выше. Поэтому если упомянутый в начале статьи однопроцентный пирометр выполнен на фотодиодном кремниевом приемнике, а четвертьпроцентный – на термоэлементе с диапазоном 8–14 мкм, то температуру вашего реального объекта, как это ни удивительно, точнее измерит не четвертьпроцентный, а однопроцентный прибор. За счет меньшей дополнительной погрешности при ошибочно вводимом ε. И величина этой дополнительной погрешности никак не окажется менее 1–2%.
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Теперь коснемся еще одной проблемы – зависимости результатов измерений пирометрами от температуры окружающей среды.
Приемниками излучения пирометров являются чаще всего полупроводниковые элементы – болометры, фотодиоды, пироэлектрики, термоэлементы. И как у всяких полупроводниковых компонентов, их характеристики зависят от температуры окружающей среды. У приемников это выражается в том, что при изменении температуры среды выходной сигнал приемника изменяется, при том что входной оптический сигнал остается неизменным.
По опыту замечу, изменение температуры окружающей среды на каждые 10˚С у пирометра с приемником из Si-фотодиода приводит к дополнительной погрешности порядка 1% при температурах объекта 500–1000˚С. То есть, идеально откалиброванный при температуре 22˚С пирометр, с основной погрешностью 0,25%, при 32˚С будет характеризоваться погрешностью порядка 1%, а при 42˚С – погрешностью порядка 2% и т.д. Для пирометров с приемниками на основе InGaAs-фотодиодов и термоэлементов дополнительная погрешность на каждое увеличение температуры окружающей среды на 10˚С будет чуть больше − порядка 1,3–1,5%. То есть, если в пирометре не предусмотрена возможность исключать появление описанной дополнительной погрешности, можете смело рассматривать экстремально низкие значения его погрешностей, заявленные производителями, как рекламный ход.
Скорее всего, эти заявленные погрешности (от 0,1% до 0,4%) – правда. Но лишь при окружающей температуре вблизи 21–23˚С. А если у вас в цехе зимой 10˚С, а летом 33˚С, то ни о каком достижении десятых долей процента говорить нельзя.
О каких мерах исключения дополнительной погрешности возникающей из-за изменения температуры окружающей среды, может идти речь? В первую очередь это термостабилизация приемного узла. Достаточно обеспечить стабильность температуры приемного узла с точностью 1–2 градуса – и никакой дополнительной погрешности за счет колебаний температуры окружающей среды не будет, о ней можно забыть.
Второй путь – введение соответствующих поправок. В пирометре должен быть датчик температуры окружающей среды и соответствующая программа, корректирующая чувствительность приемника. Причем именно чувствительность, а не смещение по постоянному току.
Если хоть один из этих механизмов в пирометре есть, то это гарантированно отражено в его описании/руководстве по эксплуатации. Если такой информации в фирменном руководстве вы не найдете – будьте уверены, прибор имеет дополнительную процентную погрешность на каждые 10˚С изменения температуры окружающей среды, что бы при этом вам ни говорили менеджеры, продающие его.
Иногда они, правда, говорят, что предлагаемый прибор сделан мировым лидером, имеющим большой опыт, и что приемники пирометра этого лидера не имеют такой погрешности. Про лидеров – почти, наверняка, правда, и про большой опыт – тоже. А вот про то, что приемники мировых лидеров лучше остальных, – мягко говоря, неправда. Законы физики одинаковы на всех континентах. И температурный уход Si-фотодиодов, к примеру, практически одинаков, будь то прекрасный фотодиод фирмы Hamamatsu или менее ценимый, но вполне качественный отечественный ФД-24К выпуска 30-летней давности.
ВЛИЯНИЕ НЕПРОСЛЕЖИВАЕМОСТИ К ПЕРВИЧНЫМ ЭТАЛОНАМ
О том, что непрослеживаемость пирометров к первичным эталонам вносит свои дополнительные погрешности, метрологи заговорили в последние 10 лет. Дело в том, что если вы калибруете пирометр на излучателе, который характеризуется, к примеру, 0,5%-ной погрешностью, то погрешность калибруемого прибора не может быть ниже 0,5%. Даже если он идеально калиброван на этом излучателе, и его показания расходятся с показаниями излучателя менее чем на 0,1%, погрешность пирометра будет не 0,1%, а 0,5%. Ведь основная погрешность – это не погрешность относительно излучателя, а погрешность относительно международной температурной шкалы. А с ней упомянутый излучатель расходится в данном примере на 0,5%.
Долгое время западные производители не считали нужным сверять свои образцовые излучатели с национальными эталонами температуры. Сейчас метрологи заставляют их это делать. Но информация о погрешностях сличений до нас не доходит. А жаль. Если, к примеру, кто-то из мировых лидеров предлагает вам прибор с основной погрешностью 0,1%, то это значит, что излучатель, на котором был калиброван этот прибор, должен иметь погрешность хотя бы втрое меньшую. А есть ли такой излучатель у этого лидера? С основной погрешностью 0,03%?! И подкрепляется ли это сертификатом соответствующего главного метрологического института страны, в которой работает этот производитель? Или это только слова дилера, продающего вам прибор?
ВЛИЯНИЕ ОПТИЧЕСКИХ И ВИЗИРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Для упрощения конструкции большинство пирометров делают с нефокусируемой оптической системой. Плоскость, которая сопряжена с плоскостью приемника, обычно находится на расстоянии 0,5 м или 1 м от объектива пирометра. Именно в этой плоскости размер измеряемого объекта минимален. И именно на этом расстоянии от излучателя обычно располагается пирометр во время калибровки.
Но производители обычно умалчивают, что при изменении расстояния от пирометра до объекта результат измерения изменяется, даже если температура объекта остается неизменной [3]. Это происходит потому, что площадь объекта, с которой пирометр принимает тепловые лучи, и телесный угол, под которым из точек объекта видна выходная линза объектива пирометра, изменяются при варьировании расстояния несинхронно. Поскольку расчет реальной площади объекта, с которой пирометр принимает тепловые лучи, − весьма затруднительное занятие, соответствующие математические модели, отражающие изменение теплового потока с изменением расстояния, не разработаны. Но это не значит, что этого изменения не существует. Оно существует, и при изменении расстояния с 1 м до 2 м результат измерения пирометром со спектральной характеристикой, описываемой кривой 3 (см.рисунок), может измениться на 2–4%. Для пирометра со спектральной характеристикой, описываемой кривой 2, эта величина заметно ниже (немного менее 0,5%). Как видите, и за счет этого фактора экстремально низкие значения погрешности измерений (0,1–0,3%) окажутся для вас нереализуемыми. То есть за счет того, что вы измеряете объекты на иных расстояниях, чем то, на котором калибровали пирометр, вы получаете реальную заметно большую погрешность, чем основная погрешность, заявленная производителем.
Справедливости ради надо отметить, что у правильно сконструированных пирометров с фокусируемой оптической системой эта погрешность отсутствует.
Что касается системы визирования, то учтите, что ее влияние сказывается при измерении малоразмерных объектов. Дополнительную погрешность в несколько процентов вы можете получить, если поле зрения пирометра на выбранном расстоянии сопоставимо с размером объекта, а вы при этом не можете точно навести пирометр на объект измерения из-за неудачно выбранного визира. Поэтому, если размеры объекта минимальны, используйте пирометры с хорошим беспараллаксным визиром.
ВЛИЯНИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ФАКТОРА
Есть еще один неприятный фактор, влияющий на точность измерения. Это – человеческий фактор. Не сумели установить без ошибки коэффициент излучения – результат измерения будет включать в себя погрешность, причем иногда значительную [4]. Избавиться от этой погрешности позволяют пирометры спектрального отношения, лишенные органов коррекции.
ВЛИЯНИЕ СПЕЦИАЛИЗАЦИИ ПРИБОРА
Если вы попытаетесь измерить температуру алюминиевой заготовки обычным пирометром, не предназначенным для измерения температуры алюминия, скорее всего, результат будет очень плохим, погрешность измерения превысит все разумные границы. Это произойдет потому, что излучательная способность алюминия очень низка, на уровне 0,02–0,03. То есть сигнал от алюминиевой заготовки в 30–50 раз меньше, чем от МЧТ. Чтобы скомпенсировать ослабление за счет излучательной способности, сигнал, пришедший на пирометр, надо усилить в 30–50 раз. Одновременно с этим во столько же раз возрастут и присущие пирометру шумы. И если пирометр не содержит технических решений, минимизирующих эти шумы, погрешность измерения будет на один-два порядка больше собственной инструментальной погрешности пирометра.
Еще один пример – измерение температуры металлов пирометром, характеристика которого подобна кривой 3 (см. рисунок). Дело в том, что у большинства металлов излучательная способность с ростом λ снижается до значений 0,1–0,3. Погрешность измерения излучательной способности величиной 0,05 составляет в данном случае от 16 до 50%, что соответствует дополнительной погрешности в первом приближении от 15 до 40–50%. Поэтому приобретая пирометр со спектральным диапазоном 8–14 мкм для измерения температуры металла, помните, что даже получить одно-двухпроцентную погрешность окажется крайне затруднительно − что "однопроцентным" пирометром, что "четвертьпроцентным".
В то же время, по данным НПУЦ "Энергомет" [5], излучательная способность многих огнеупоров в этом спектральном диапазоне приближается или превышает значение 0,9. И для температуры таких объектов пирометр со спектральным диапазоном 8–14 мкм вполне пригоден. Погрешность 0,2–0,3% получить вам, скорее всего при этом не удастся, но на уровне 1–2% – вполне реально.
Заключение
Таким образом, мы рассмотрели шесть различных причин появления дополнительных погрешностей от 1–2% до 15% и более при измерении температуры пирометром. Эти погрешности, всегда имеющие место в процессе измерения реальных объектов, сведут на нет все преимущества пирометра с экстремально низкой погрешностью (на уровне 0,1–0,25%).
Так стоит ли гнаться за "четвертьпроцентными" (или еще более точными) пирометрами? Весь вопрос в том, какую задачу вы пытаетесь решить. Если оснастить поверочную лабораторию – то да, безусловно. Вы будете измерять таким пирометром температуру МЧТ, поэтому влияние излучательной способности на результат измерения исключается. Обычно в лаборатории поддерживается нормальная температура окружающей среды, поэтому ее изменения влияют минимально. Прибор вы установите на том расстоянии, на котором рекомендует производитель, и влияние изменения расстояния тоже будет исключено. И тогда прекрасные точностные характеристики прибора будут реализованы. Если прибор предназначается для измерения не МЧТ, а реальных объектов на производстве или в научных исследованиях, – то нет.
Названные условия измерений приведут к тому, что погрешность результатов будет не доли процентов, а минимум единицы, в предельно же нехорошем стечении обстоятельств – даже 15% и более. Поэтому надо ориентироваться не на минимум погрешности, а на специфические особенности прибора, которые делают его либо неудачным для вашего случая, либо, наоборот, оптимальным. И здесь справедливо следующее правило: чем более коротковолновым является спектральный диапазон используемого прибора, тем меньше сказываются при работе с ним все дополнительные методические погрешности. Если вы можете позволить себе не интересоваться температурами ниже 500˚С, выбирайте пирометр на основе кремниевого фотодиода, у него дополнительные погрешности минимальны. Если же вам все же нужно вести измерения в диапазоне от 200 до 500˚С, то используйте пирометр на InGaAs-фотодиоде. У него погрешности выше, чем у предыдущего, но всего раза в полтора. Ну а если без измерения температур вблизи комнатной вам не обойтись, вам придется использовать пирометр спектрального диапазона 8–14 мкм со всеми его погрешностями (другого-то ничего для этого температурного диапазона нет). Но не рассчитывайте на точные измерения этим пирометром объектов, нагретых до температуры 500˚С и выше.
ЛИТЕРАТУРА
Излучательные свойства твердых материалов. Под ред. А.Е.Шейндлина – М.: Энергия, 1974.
Беленький А.М., Дубинский М.Ю., Ладыгичев М.Г., Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М. Измерение температуры: теория, практика, эксперимент: Справочное издание. Т.2. – М.: Теплотехник, 2007.
Линевег Ф. Измерение температур в технике: Справочник/ Пер. с нем. – М.: Металлургия, 1980.
Фрунзе А.В. Влияние методических погрешностей пирометра на выбор прибора. – Фотоника, 2012, № 3, с.46–51.
Беленький А.М. и др. Радиационные характеристики объектов контроля температуры в металлургии: Справочник.– М.: Изд-во МИСИС, 2000.
Отзывы читателей
