Металлургам с опытом хорошо известно, что при измерении температуры металлов  пирометрами спектрального отношения результаты оказываются завышенными, порой до 10%. Причина этого завышения давно установлена. У металлов и их сплавов излучательная способность непостоянна – она уменьшается с ростом длины волны. Это приводит к тому, что сигнал длинноволнового приемника оказывается заниженным, что воспринимается пирометром как то, что излучающий объект имеет более высокую температуру, чем есть на самом деле.

 

Как известно, пирометры спектрального отношения особенно хороши, если спектр излучения измеряемого тела близок к спектру излучения “черного тела”, т.е. при измерении так называемых “черных” и “серых” тел. Если спектр излучения измеряемого тела отличается от спектра “черного тела”, то измерения при помощи пирометров спектрального отношения сопряжены с погрешностями, зачастую весьма значительными.

 

Долгое время пользователи мирились с этим, так как во многих случаях важно не столько точное знание измеряемой температуры, сколько соблюдение ее повторяемости в ходе технологического процесса. Однако прогресс в приборостроении не обошел и пирометрию, и производители вынуждены были искать способы снижения этой погрешности.

 

РУЧНАЯ КОРРЕКТИРОВКА И ЕЕ ПРОБЛЕМЫ

 

Самым простым оказалось снабдить пирометры спектрального отношения дополнительным органом регулировки, который позволяет корректировать отношение сигналов от приемников излучения примерно до полутора раз как в ту, так и в другую сторону. Таким образом, зная реальную температуру измеряемого объекта, можно “подкрутить ручку” таким образом, чтобы показания пирометра были правильными.

 

Однако работу по определению значений этих корректирующих коэффициентов производители пирометров негласно переложили на плечи пользователей. В то же время информации о том, каково значение этого коэффициента для измеряемых пользователем объектов, в справочной литературе нет. И пользователь, как и раньше, должен снова крутить ручку, но теперь уже у пирометра спектрального отношения, который изначально предполагался свободным от подобных органов корректировки.

 

Но и это еще не все. Дело в том, что даже если вы нашли значение этого корректирующего коэффициента для измеряемого вами металла при какой-то температуре, то использовать найденный коэффициент при измерении этого же металла, но при других температурах нельзя, т.к. это приведет к ошибочным результатам. Данные таблицы 1 иллюстрируют это утверждение.

 

 

В качестве объекта измерения используется медь. Реальная температура объекта приведена в первой строке таблицы. Во второй приведены показания цветового пирометра при измерении температуры без использования корректирующего коэффициента (т.е. с корректирующим коэффициентом, равным 1). Значения корректирующего коэффициента, необходимые для точного измерения соответствующей температуры, приведены в третьей строке (знак “минус” говорит о том, что корректировка необходима в сторону снижения). Как нетрудно заметить, коэффициенты отличаются друг от друга, причем тот, который соответствует температуре 1200ºС, больше соответствующего температуре 600ºС почти на 25%.

 

Предположим, мы подобрали такое значение корректирующего коэффициента, чтобы пирометр правильно измерял объект при температуре 900ºС. Четвертая строка таблицы показывает, каковы будут показания пирометра при использовании этого коэффициента (в данном случае               -1,4113) при измерении других температур.

 

Нетрудно заметить, что уже на температурах 800 и 1000ºС погрешность измерения при использовании коэффициента, идеально подобранного для 900ºС, составляет 2%. При измерении на 1200ºС эта погрешность превышает 5%, а на 600ºС – 6%. Это конечно меньше 11%-ной погрешности, которая была при измерении объекта при 1200ºС нескорректированным пирометром, но о том, что с коэффициентом, подобранным для 900ºС, можно получать корректные результаты при измерении того же объекта, но при любых других температурах, надо забыть.

 

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ ПОКАЗАНИЙ

 

Указанные два серьезнейших недостатка снижения погрешности измерений цветовых пирометров путем ручной корректировки отношения сигналов побудили разработчиков пирометров ДИЭЛТЕСТ найти другой способ коррекции, свободный от указанных проблем. Он освобождает пользователя от самостоятельного определения коэффициентов, неизвестных ему заранее, и одинаково хорошо корректирует показания во всем диапазоне измерений пирометра. Суть его состоит в следующем.

 

На рис. 1 приведены спектральные зависимости излучательной способности ε_λ  для 5 металлов – Fe, Ni, Cu, Ag, Co [1].

 

 

Как следует из рисунка, все зависимости имеют однотипный характер – с ростом длины волны спектральная излучательная способность ε_λ снижается. Последнее приводит к тому, что сигнал длинноволнового приемника пирометра спектрального отношения оказывается заниженным. Соответственно, отношение сигнала от коротковолнового приемника к сигналу от длинноволнового возрастает, что характерно для “черного”(“серого”) объекта с более высокой температурой. По этой причине, как уже упоминалось, при измерении объектов с ε_λ, аналогичной приведенным на рис. 1, оказывается завышенной, причем нередко более чем на 10%.

 

Аналитически рассчитать величину погрешности, вызванной непостоянством ε_λ, возможно лишь в том случае, если полосы пропускания приемников не более 10-12 нм. Однако в последнее время подавляющее большинство пирометров спектрального отношения делается на основе двухслойных фотодиодных структур, верхний слой которой чувствителен в коротковолновой области спектра, нижний – в длинноволновой. Полосы спектральной чувствительности этих приемников составляют десятки и сотни нм, что  исключает возможность упомянутого аналитического расчета погрешности, обусловленной непостоянством ε_λ. Добавим к этому, что информация по ε_λ для большинства материалов, которые нужно измерять в промышленности, крайне скудна или вовсе отсутствует [2]. Именно по этим причинам вопрос о коррекции показаний пирометров спектрального отношения при измерении температуры “несерых” тел так долго не был решен.

 

В то же время благодаря развитию компьютерной техники и программного обеспечения численные методы интегрирования давно уже перестали быть проблемой. Поэтому численный расчет  корректирующего сигнала для приемника с известной спектральной характеристикой и материала с известной зависимостью излучательной способности от длины волны сопоставим по уровню сложности со студенческими курсовыми работами.

 

Типичные спектральные характеристики Si/Si фотоприемника, используемого в пирометрах ДИЭЛТЕСТ-ТЦхх, приведены на рис. 2.

 

 

 

Краткие результаты расчета сведены в табл. 2.

 

 

Видно, что для всех ε_λ, приведенных на рис. 1, величины корректирующих сигналов ведут себя схожим образом. Во всех случаях показания завышены. При этом для Fe, Ni и особенно Co, характеризующихся не очень крутым спадом ε_λ с ростом λ, завышения на 1500ºС не превышают 150ºС, в то время как для Ag, и особенно Cu величины завышений в 3-5 раз больше. Последнее обусловлено более сильным ослаблением сигнала длинноволнового приемника для Ag и Cu.

 

КОРРЕКЦИЯ ПОКАЗАНИЙ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ “НЕСЕРЫХ” ТЕЛ В ПИРОМЕТРАХ ДИЭЛТЕСТ

 

Таким образом, можно утверждать, что построена корректная работоспособная модель численного определения температуры спектрального отношения для пирометров с приемниками, имеющими широкие полосы пропускания (при известной зависимости ε_λ от λ). Знание этой величины позволяет вводить программную коррекцию в пирометр спектрального отношения при работе с объектами, спектр излучения которых отличен от спектра “черного” (“серого”) тела.

 

Указанный метод коррекции показаний при измерении температуры “несерых” тел введен в пирометры серии ДИЭЛТЕСТ. Для ряда материалов, в том числе высоколегированных сталей, была исследована зависимость ε_λ от λ. Как оказалось, для ДИЭЛТЕСТ-ТЦхх можно подобрать универсальную корректирующую кривую, подходящую как для чистого железа и высоколегированных сталей, так и для ряда других металлов (никель, кобальт и т.п.). При этом для большинства этих металлов коррекция возможна до уровня, при котором погрешность измерений в диапазоне температур от 600 до 2400ºС составляет всего 1-1,5% (для кобальта – до 2%).

 

Коррекция показаний осуществляется переводом в положение “ВКЛ” тумблера коррекции, установленного на задней панели прибора (рис. 3).

 

 

 

Указанный способ коррекции не только сохраняет все преимущества, которыми обладают пирометры спектрального отношения, но и избавляет пользователя от необходимости вводить в прибор корректирующий коэффициент, значение которого ему неизвестно. То есть, пирометры спектрального отношения ДИЭЛТЕСТ-ТЦхх не только позволяют корректировать показания при измерении температуры многих металлов без роста погрешности во всем диапазоне измеряемых температур, но достигается это без вращения оператором ручек подстройки.

 

Литература

 

1.      Брамсон М.А. Справочные таблицы по инфракрасному излучению нагретых тел. Т.1. М., «Наука», 1964, 322 с. с илл.

2.      Излучательные свойства твердых материалов. Справочник. Под общ. ред. А.Е. Шейндлина. М., «Энергия», 1974, 472 с. с илл.

3.      Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. Пер. с нем. М., «Металлургия», 1980, 544 с. с илл.