Измерение температуры поверхностей с помощью термопар

Не существует единого типа термопары, предназначенной для измерения температуры поверхности твердых тел (поверхностных термопар). Обилие существующих конструкций поверхностных термопар объясняется прежде всего многообразием условий измерений и свойств поверхностей, температуры которых подлежат измерению.

В промышленной практике возникает необходимость измерения температур поверхностей различных геометрических форм, неподвижных и вращающихся тел, электропроводных тел и изоляторов, тел с высокой и низкой теплопроводностью, гладких и шероховатых. Поэтому поверхностные термопары, пригодные для использования в одних условиях, оказываются непригодными в других.

Измерение температуры металлической поверхности приваркой термопары

Довольно часто для измерения температур нагретых тонких металлических пластин или массивных тел к контролируемой поверхности непосредственно припаивают или приваривают спай термопары. Такой способ измерения температуры можно считать допустимым только при соблюдении некоторых предосторожностей.

Теплообмен между поверхностью пластины и шариком спая термопары осуществляется главный образом тепловым потоком, проходящим через поверхность их соприкосновения, составляющую часть поверхности спая и примыкающих к спаю термоэлектродов. В некоторой степени теплообмен осуществляется излучением между пластинкой и неконтактирующей с ней частью поверхности спая с термоэлектродами.

С другой стороны, контактирующая с пластиной часть поверхности спая и термоэлектроды термопары теряют тепловую энергию вследствие излучения к более холодным телам, окружающим пластину, и конвективной теплоотдачи к омывающим спай потокам воздуха.

Таким образом, спаем и прилегающими к нему термоэлектродами термопары рассеивается значительная часть тепловой энергии, непрерывно поступающей в спай через поверхность соприкосновения с пластиной.

В результате равновесия температура спая и примыкающей к нему части поверхности пластины оказывается гораздо ниже, чем температура частей пластины, удаленных от спая (при измерении высоких температур тонких пластин эта систематическая погрешность измерения может достигать сотен градусов).

Эту погрешность снижают, уменьшая величину теплового потока, рассеиваемого спаем и термоэлектродами термопары. С этой целью полезно применять термопары из возможно более тонких термоэлектродов.

Сами термоэлектроды не следует сразу отводить от пластины, а лучше сначала проложить их в тепловом контакте с пластиной на расстоянии, равном по крайней мере 50 диаметрам термоэлектродов.

При этом следует иметь в виду, что если пластина и поверхность термоэлектродов не окислены, то они могут замкнуться пластиной и измеренная термо э. д. с. термопары будет соответствовать температуре не спая термопары, а температуре точки соприкосновения термопары с поверхностью.

В этом случае между термоэлектродами и пластиной необходимо проложить тонкий слой электрической изоляции, например тонкую пластину слюды. Целесообразно также всю поверхность спая и участка термоэлектродов покрыть слоем тепловой изоляции, например огнеупорной обмазкой, для уменьшения потерь вследствие излучения и конвективной теплоотдачи.

При соблюдении этих предосторожностей можно обеспечить измерение температуры поверхности металлических деталей с погрешностью, не превышающей нескольких градусов.

Иногда к поверхности металлической пластины приваривают не спай термопары, а ее термоэлектроды на некотором расстоянии один от другого.

Такой способ измерения температуры металлической поверхности можно считать приемлемым только в том случае, если есть уверенность в равенстве температур пластины в обеих точках приварки термоэлектродов. В противном случае в цепи термопары возникнет паразитная термо э. д. с, развиваемая материалами термоэлектродов с материалом пластины.

Ниже дано описание таких термопар, как лучковые, пятачковые и штыковые. Их используют для измерения температур поверхностей неподвижных тел.

Лучковая (ленточная) термопара

Лучковая термопара снабжена чувствительным элементом, изготовленным в виде ленты из двух металлов или сплавов (например, из хромеля и алюмеля) длиной 300 мм, шириной 10 — 15 мм, спаянных или сваренных в стык и прокатанных до толщины 0,1 — 0,2 мм.

Концы ленты со спаем посредине закрепляют на изоляторах по концам пружинящей рукоятки в форме лука так, чтобы лента была все время натянутой. От концов ее к зажимам измерительного прибора (милливольтметра) проходят проводники, изготовленные из тех же материалов, что и обе половинки ленты.

Для измерения температуры выпуклой поверхности лучковая термопара прижимается к этой поверхности средней частью так, чтобы поверхность охватывалась лентой, по крайней мере, на участках по 30 мм по обе стороны от спая.

В сквозные отверстия красномедного диска впаивают термоэлектроды, образующие термопару. Для обеспечения механической прочности конструкции применяют термоэлектроды диаметром 2 — 3 мм. Нижней поверхности диска («пятачка») придают форму той поверхности, для измерения температуры которой предназначена термопара.

Термоэлектродвижущая сила пятачковой термопары образуется в результате замыкания термоэлектродов металлом пятачка. При хорошей пайке это замыкание происходит по всей поверхности отрезков термоэлектродов, утопленных внутрь пятачка. Но электрическая цепь с наименьшим сопротивлением образуется главным образом верхним поверхностным слоем пятачка и температуру этого слоя в основном определяет термо э. д. с. термопары.

Уравнения теплового баланса пятачковой термопары составляют аналогично тому, как это было сделано выше для ленточной термопары, с той разницей, что помимо теплового потока, рассеиваемого в результате конвективной и лучистой теплоотдачи с внешней поверхности пятачка, большое значение приобретает учет части рассеиваемого теплового потока, отсасываемой от пятачка термоэлектродами вследствие их теплопроводности.

Необходимо учесть следующее обстоятельство. Термоэлектроды изготовлены из различных металлов или сплавов с разными значениями коэффициента теплопроводности. Так, например, платинородиевый термоэлектрод термопары типа ПП характеризуется коэффициентом теплопроводности, вдвое меньшим, чем второй термоэлектрод — платиновый.

Если диаметры термоэлектродов одинаковы, то различие значений коэффициентов теплопроводности термоэлектродов приведет к тому, что в местах электрического контакта термоэлектродов с пятачком образуется разность температур, которая послужит причиной возникновения в цепи термопары паразитной термо э. д. с.

Термопары этого типа применяют главным образом для измерения температур поверхности сравнительно мягких металлов и сплавов. Для штыковой термопары применяют термоэлектроды из достаточно твердых сплавов, например из хромеля и алюмеля диаметром 3 — 5 мм.

Один из термоэлектродов термопары закреплен на головке неподвижно, а второй может перемещаться вдоль своей оси, и в нерабочем состоянии конец его выдвигается пружиной ниже конца первого термоэлектрода. Концы обоих термоэлектродов заострены.

При подведении термопары к объекту значительных размеров поверхности объекта касается сначала острие подвижного термоэлектрода. При дальнейшем нажиме на головку термоэлектрод входит в нее до тех пор, пока острие термоэлектрода не встретит поверхности объекта. Тогда оба острия прокалывают поверхностную пленку окисла на поверхности объекта, и этот металл замыкает электрическую цепь термопары.

При хорошей заточке концов термоэлектродов термопара дает надежные результаты измерений температур поверхностей цветных металлов, обладающих мягкой, легко прокалываемой пленкой окислов.

Применение штыковой термопары с затупленными остриями приводит к тому, что поверхности соприкосновения обоих термоэлектродов с объектом становятся сравнительно большими, в результате чего охлаждаются участки поверхности объектов в местах касания концов термоэлектродов и термопара дает явно заниженные показания температур. Однако уже через 20 — 30 секунд тепло, поступающее из окрестных областей объекта, нагревают охлажденный участок, а с ним и концы термоэлектродов.

Таким образом штыковая термопара с затупленными концами в момент контакта дает заниженные показания температуры объекта, затем в течение нескольких десятков секунд ее показания растут, асимптотически приближаясь к устойчивому значению. Это устойчивое значение тем сильнее отличается от действительного значения температуры поверхности объекта, чем больше поверхность соприкосновения затупленных концов термоэлектродов с объектом.

Градуировка поверхностных термопар

Температура, которую принимает в установившемся состоянии поверхностная термопара, оказывается ниже измеряемой температуры поверхности, с которой контактирует термопара. Этот перепад температур в значительной степени может быть учтен благодаря градуировке поверхностной термопары в условиях теплоотдачи с ее наружной поверхности, приближающихся к условиям эксплуатации.

Из этого положения вытекает, что градуировочная характеристика поверхностей термопары может сильно отличаться от характеристики термопары, образованной из тех же термоэлектродов, но градуированной методом сравнения с образцовой при их совместном погружении в термостатируемое пространство.

Следовательно, поверхностные термопары нельзя градуировать погружением в термостаты (жидкостные лабораторные нагревающие термостаты для градуировки термопар). К ним должна быть применена другая методика градуировки.

Поверхностные термопары градуируют, прикладывая их с требуемым прижатием к наружной металлической поверхности тонкостенного жидкостного термостата. Нагретая жидкость внутри термостата хорошо перемешивается, и ее температура измеряется каким-либо образцовым прибором.

Наружная поверхность термостата покрывается слоем тепловой изоляции. Тепловой изоляцией не покрывается только небольшой участок наружной поверхности, находящийся приблизительно на половине высоты термостата, к которому и приложена термопара.

При такой конструкции температуру металлической поверхности термостата под поверхностной термопарой с погрешностью, не превышающей несколько десятых градуса, можно считать равной температуре жидкости в термостате.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

Для чего нужен пирометр и как его выбрать?

Для чего нужен пирометр?

С помощью пирометра (термодетектора) можно бесконтактно измерить температуру поверхностей и смесей, а также выявить повреждения теплоизоляции или места утечки тепла. Он пригодится в случае, когда прикасаться к объектам и поверхностям небезопасно или не представляется возможным. Используется в автосервисах, строительстве, металлургии и т.д.

В этой статье мы расскажем, как работает термодетектор, рассмотрим его виды, сферы применения, дадим ТОП-5 самых популярных и пару полезных советов перед покупкой.

Принцип действия

Пирометр состоит из линзы, инфракрасного приёмника и дисплея. Нагретый объект излучает инфракрасные лучи, а пирометр измеряет это тепловое излучение, преобразует его в градусы и выводит данные на экран.

Виды пирометров

По принципам работы термодетекторы делятся на:

По типу прицеливания:

По температуре:

По методу перемещения:

Сферы применения пирометров

Быт: для определения температуры тела, воды, еды или контроля холодильников, морозильных камер.

Автомобильная сфера: используется для диагностики двигателя автомобилей, мотоциклов, поможет определить нагрев деталей.

Теплоэнергетика: для измерения паропроводов, бойлеров, теплотрасс, печей и других нагревательных устройств.

Электроэнергетика: применяется для измерения элементов в распределительных щитах, трансформаторах, кабелей и контактных соединений.

Металлургия: для определения температуры прессов или станков, а также для замера уровня нагревания деталей и компонентов схем.

Наука: для определения температуры веществ и предметов, во время проведения различных опытов.

Важные характеристики пирометров

Оптическое разрешение — соотношение между расстоянием до предмета и диаметром обзора пирометра. Чем меньше оптическое разрешение, тем точнее будут исследования.

Погрешность показывает пределы колебаний температуры при измерении, чаще всего зависит от изначальной настройки прибора. В бытовых приборах нормой считается точность в 2%, в профессиональных – 1%.

Время отклика – важный показатель, если нужно провести сразу несколько измерений или если температура объекта быстро меняется. Обычно составляет 1 сек.

ТОП-5 пирометров

Мы собрали самые востребованные пирометры, чтобы было легче определиться с выбором. Основывались на оценках и отзывах покупателей.

Пирометр CEM DT-608

Лёгкий и компактный бытовой термодетектор пригодится для измерения температуры тела, воды в ванной, детского питания или предмета. Автоматически отключится через 10 секунд бездействия.

Преимущества: простое управление, низкая цена.

Недостатки: батарея АА проработает до 10 часов.

Термодетектор МЕГЕОН 16400

Инфракрасный лазерный пирометр для безопасного измерения температуры двигателя, нагрева электропроводки или теплоизоляции. Пистолетная форма корпуса удобно лежит в руке. Самостоятельно выключится через 7 секунд простоя.

Преимущества: дешёвый, быстрое измерение, встроенная калибровка, большой диапазон температур, запоминает полученные данные.

Недостатки: сложная настройка.

Пирометр ELITECH П 550

Профессиональный лазерный пирометр для измерения температуры нагревательного прибора, печи или электросети. Оснащён подсветкой для удобства использования.

Преимущества: система непрерывного измерения, рифлёная нескользящая рукоять, лазерный указатель повышает точность наведения.

Недостатки: высокая погрешность.

Пирометр ADA TemPro 3000

Инфракрасный термодетектор для проведения диагностики ЖКХ, различных механизмов, деталей. ЖК-дисплей с подсветкой пригодится в помещениях с плохим освещением.

Преимущества: встроенная подсветка, широкий диапазон измерений, компактный размер, лёгкий вес, просто использовать, резиновые вставки на рукоятке улучшают хват.

Недостатки: повышается погрешность при измерении разных поверхностей.

Пирометр FLUKE 59 MAX

Лазерный термодетектор для бесконтактного измерения температуры в сложных условиях и труднодоступных местах. Прочный корпус выдерживает высокую нагрузку и падение с высоты до 3 м.

Преимущества: два лазера повышают точность, встроенный звуковой сигнал, защищён от ударов, пыли и влаги, на одной батарейке АА проработает до 12 часов.

Источник

Как выбрать пирометр (2020)

Содержание

Содержание

Попробуйте, подсчитать, сколько приборов для измерения температуры вас окружает. Градусник, уличный термометр, домашний термометр, термометр в духовке, индикатор перегрева двигателя, термодатчики в холодильнике и морозильнике – причем это далеко не полный набор. И неудивительно – температура предметов и сред оказывает непосредственное влияние на сохранность продуктов, на работоспособность механизмов, электроники, да и нас самих. Поэтому точному измерению этой физической величины всегда придавалось большое значение.

Принцип работы пирометров

Нагретые тела являются источниками инфракрасных лучей. И чем сильнее нагрето тело, тем мощнее ИК-излучение. Человеческий глаз не видит этого излучения, но для электронных сенсоров особой разницы между видимым светом и инфракрасным нет. Испускаемые предметом инфракрасные лучи проходят сквозь объектив и проецируются на сенсор, который по интенсивности излучения определяет температуру предмета.

Из принципа работы вытекают основные достоинства и недостатки пирометров. Инфракрасные лучи подчиняются законам оптики, но следует знать, что прозрачность многих материалов для инфракрасного излучения совсем не та, что для видимых лучей. Так, через обычное стекло проникают ИК-лучи с длиной волны не более 1 мкм. А большинство пирометров работает в диапазоне 8-14 мкм, и стекло для них будет непрозрачным.

Существует миф, что пирометр измеряет температуру с помощью лазерного луча – это не так, лазер служит только для прицеливания. Пятнышко лазерной указки на предмете еще не гарантирует того, что вы получите температуру именно предмета, а не оконного стекла, через которое прошел лазерный луч.

Пирометр может измерять температуру и по отраженному ИК-излучению – это может помочь при работе с труднодоступными деталями: не обязательно пытаться получить доступ к разогретой детали, для измерения температуры достаточно его отражения в зеркале. Но это же достоинство пирометра оборачивается и самым весомым недостатком – отраженный инфракрасный свет затрудняет измерение температуры и интересующего нас предмета, ведь какая-то часть ИК-излучения, идущая от него – отраженная. Чем выше отражающие способности материала, тем большую погрешность в результат вносят отраженные лучи. Для исключения этой погрешности следует знать коэффициент эмиссии поверхности предмета, температуру которого вы измеряете. Этот коэффициент характеризует отражающие способности материала и зависит от самого материала, от обработки поверхности (полировка может снизить этот коэффициент на порядок), от окраски и т.д. У большинства пирометров в руководстве приводится таблица с коэффициентами эмиссии распространенных материалов и вам потребуется ввести подходящее значение перед измерением.

У совсем простых моделей такой настройки нет, и они пригодны только для измерения температуры предметов из ограниченного списка материалов. В моделях подороже числа вводить не надо, вид материала можно выбрать в экранном меню. Но в любом случае как-то задать этот коэффициент потребуется – самостоятельно его приборы определить не в состоянии.

Еще один недостаток пирометров – они не измеряют температуру воздуха. Атомы воздуха слишком сильно рассредоточены, поэтому испускаемое ими инфракрасное излучение несравнимо мало по сравнению с излучением от любого предмета. Если даже у прибора есть функция измерения температуры воздуха, то это значит лишь, что в нем есть отдельный термометр внутри – и температуру он будет измерять только в месте нахождения.

Характеристики пирометров

Оптическое разрешение пирометра
Очевидно, «поле зрения» пирометра должно быть небольшим – чтобы пятно, которое «видит» сенсор, не превышало размеров предмета, температура которого нам интересна. Казалось бы, в чем проблема – надо подобрать объектив так, чтобы его угол зрения был минимальным. Но чем меньше площадь измеряемого пятна, тем меньше лучей проходит сквозь объектив и тем чувствительней должен быть сенсор. Поэтому оптическое разрешение пирометра – соотношение между расстоянием до предмета и диаметром пятна измерений – во многом определяет его функциональность и цену.

Приборы с небольшим оптическим разрешением – до 10:1 чаще используются для несложных измерений и в быту. Рабочее расстояние таких приборов – не более 1 метра, на больших расстояниях точность измерений сильно снижается.

Приборы с оптическим разрешением до 30:1 уже могут использоваться для измерения температуры небольших объектов на расстояниях до 3 метров.

Оптическое разрешение от 50:1 встречается обычно у профессиональных пирометров – они позволяют с высокой точностью измерять температуру тел на больших расстояниях, но и стоят в разы дороже бытовых.

Многие приборы снабжаются дополнительными функциями, позволяющими точнее «сфокусироваться» на интересующем вас объекте при одном и том же оптическом разрешении. Функция мин/макс значение, например, позволяет вывести на экран максимальное и минимальное значения температуры, которые прибор «увидел» внутри пятна. С этой функцией вы сможете определить температуру небольшого предмета, даже если пятно измерений больше его по размерам и в него попало много других, более холодных, предметов.

Некоторые приборы дают возможность настройки того, какую температуру будет показывать индикатор во время измерения: максимальную по пятну, среднюю или минимальную.

Функция непрерывного измерения пригодится при поиске точек утечки тепла или неисправных электрических элементов. С этой функцией вы можете перемещать лазерный маркер по интересующей вас поверхности, а пирометр будет в режиме непрерывного измерения выводить температуру поверхности в районе маркера.

Время отклика будет для вас важным, если нужно произвести множество измерений или если измеряемая температура меняется быстро. Например, под действием электрического тока некачественное контактное соединение может нагреться за секунду на сотни градусов. В этом случае времени отклика в 1 секунду будет слишком много – лучше брать прибор с временем отклика 0,5 секунд. Если и этого мало, придется раскошелиться – профессиональные модели обладают временем отклика до 0,15 секунд, но и стоят они соответственно.

Коэффициент эмиссии определяет, на какой материал настроен прибор. Бытовые приборы имеют коэффициент 0,95 – они подойдут для измерения температуры предметов из матового пластика, бетона, кирпичей, человеческого тела и т.д. (см. таблицу).

Если коэффициент эмиссии материала, температуру которого вы хотите измерить, сильно отличается от 0,95, то его нужно привести к нужному значению, наклеив на поверхность кусок изоленты, покрасив матовой краской и т.п. Если это невозможно сделать, то лучше сразу подбирать прибор с изменяемым коэффициентом эмиссии – большинство таких приборов позволяют задавать его в диапазоне от 0,1 до 1.

Определение влажности говорит о том, что в прибор встроен гигрометр. Он определяет влажность окружающего воздуха, но никак не предмета, на который нацелен лазерный маркер (как некоторые думают). Зачем это нужно? Чаще всего этой функцией пользуются для определения точки росы и оценки риска выпадения конденсата на исследуемых поверхностях.

Пирометры с определением влажности, как правило, умеют сами рассчитывать точку росы и при измерении температуры поверхности, могут сразу сообщить – появится ли на ней конденсат. Это может быть очень важно в складах, теплицах, да и в жилых помещениях тоже. Выпадение конденсата – неприятность само по себе, но при определенных температурах оно еще и способствует образованию плесени. Некоторые пирометры имеют функцию определения риска образования плесени.

Варианты выбора пирометров

Для дистанционного определения температуры раскаленных и расплавленных металлов вам потребуется прибор с широким диапазоном и большим оптическим разрешением.

Если пирометр нужен вам, чтобы следить за климатом в помещениях, выбирайте среди приборов с определением влажности – он поможет вам избежать сырости и плесени.

Если вы делаете множество измерений, выбирайте среди приборов с памятью – чтобы избавить себя от необходимости записывать каждое значение.

Источник