Пирометр: назначение, устройство, главные характеристики и цены​

Портативный пирометр – прибор для точечного бесконтактного измерения температуры. Незаменим для быстрого и точного теплового контроля (ТК) как статичных, так и подвижных объектов. При помощи таких приборов можно на безопасной дистанции отслеживать степень нагрева, эффективность теплоизоляции и просто замерять температуру различных объектов и поверхностей. Пирометры ещё называют термодетекторами, даталоггерами температуры, инфракрасными пистолетами и цифровыми термометрами. Базовые требования к таким приборам содержатся в ГОСТ 28243-96 "Пирометры. Общие технические требования". Пирометр - это средство измерения (СИ), соответственно, подлежит метрологической аттестации, утверждению типа и внесению в Государственный реестр СИ РФ. Только при наличии действующей поверки (проводится раз в год) или калибровки пирометры допускаются к проведению неразрушающего контроля (НК) технических устройств (ТУ), зданий и сооружений на опасных производственных объектах (ОПО), подведомственных Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзору). Пирометрами оснащаются лаборатории неразрушающего контроля (ЛНК), которые выбрали тепловой контроль в области своей аттестации, например, по правилам СДАНК-01-2020 в Единой системе оценки соответствия в области промышленной безопасности, экологической безопасности, безопасности в энергетике и строительстве (ЕС ОС). Кроме ТК, пирометры могут также применяться и других видов и методов дефектоскопии. Так, с их помощью можно измерять температуру материала перед проведением высокотемпературной ультразвуковой толщинометрии - для более точной настройки скорости упругой продольной волны. Кроме того, пирометр может пригодиться для определения температуры перед проведением механизированного и автоматизированного ультразвукового контроля, а также автоматизированного визуального и измерительного контроля. У сканеров для проведения данных видов НК есть определённый диапазон рабочих температур, и пирометры помогают следить за тем, чтобы температура объекта контроля соответствовала допустимым значениям.

Содержание:​

Где применяются пирометры
Принцип работы
Как устроены пирометры
Виды пирометров
Подбор прибора под разные задачи
Где купить хороший пирометр

Для чего используются пирометры​

На самом деле, не только и не столько для неразрушающего контроля, сколько для технической диагностики и мониторинга производственных процессов. Так, прибор применяется в самых разных областях:

• в электроэнергетике – для проверки состояния и выявления перегрузок контактных соединений, трансформаторов, изоляторов, линий электропередач;
• в строительстве – для оценки качества теплоизоляции ограждающих конструкций, окон и дверей;
• в металлургии и металлообработке – для контроля технологических процессов ковки, прессовки, закалки и прочих видов термообработки;
• в автомобилестроении и в сфере автотехобслуживания – для измерения температуры нагрева горячих частей двигателей;
• в металловедении – для изучения теплофизических свойств различных сплавов, испытания образцов и пр.

Самые популярные производители инфракрасных термометров на российском рынке – Testo, Flir, Fluke, Elitech, RGK, ADA, CEM, EKF, CONDTROL, «Евромикс», «МЕГЕОН», Kraftool и др.

Как работает пирометр?​

Если кратко, то он регистрирует инфракрасное излучение поверхности, конвертирует в градусы и выводит значение на дисплей. Чтобы узнать температуру поверхности, нужно навести на неё прибор и нажать на курок. Значение выводится на дисплей, причём оператор может переключаться между двумя шкалами – Цельсия и Фаренгейта.

Чтобы лучше понять, как пользоваться пирометром, опишем принцип его работы в такой последовательности.

1. Перед проведением измерений оператор задаёт коэффициент излучения (эмиссии). Он показывает, какую долю в излучении от поверхности объекта составляет именно тепло - за вычетом света, который отражается от неё. У каждого материала свой коэффициент излучения.
2. Лазерный целеуказатель (светящуюся точку или круг) наводят на исследуемый участок (если точность в выборе места не важна, то лазер можно отключить).
3. Невидимое человеческому глазу тепловое ИК-излучение фокусируется линзой.
4. Излучение поступает на приёмник (одну или несколько термопар/полупроводников), нагревая его.
5. По мере того, как нагревается приёмник, увеличивается входное напряжение.
6. Электронная система прибора считывает эти изменения, преобразует их в температурную величину.
7. Результат измерения выводится на экран. Профессиональные модели могут параллельно показывать показания, полученные в ходе предыдущих замеров и сохранённые в памяти прибора.

У некоторых пирометров спусковой механизм имеет не два (нажат или не нажат), а три возможных положения. Курок можно утопить только наполовину – и тогда оператор можно сканировать поверхность, наблюдая на дисплее меняющиеся значения. Либо – можно полностью нажать на курок и вести прицел по объекту. Тогда на экране будет отображаться только максимальная температура (так называемое наивысшее показание).

В среднем хороший прибор успевает выполнить 2 измерения за 1 с. Правда, перед тем как использовать пирометр по назначению, нужно немного подождать, что он «адаптировался» к условиям работы. Особенно если дело происходит на улице, в холодную погоду.

Стандартом для современных приборов является разрешающая способность в 0,1 ˚С при погрешности в пределах 1–2,5 ˚С (в положительном диапазоне до +350 ˚С).

Устройство пирометров​

В стандартном виде такой термодетектор выполнен из следующих компонентов:

• теплового (пирометрического, инфракрасного) датчика;
• электронной схемы, которая преобразует сигнал с датчика в числовое значение температуры. Современные процессоры умеют обрабатывать результаты контроля – сохранять в памяти, вычислять минимальное/среднее/максимальное значение и прочее;
• дисплея для отображения показаний. Чаще всего это черно-белый экран. Отдельные дорогостоящие пирометры (например, Fluke VT04) оснащаются цветными дисплеями и могут объединять разрозненные результаты измерений в тепловые ИК-карты. Стоимость таких приборов переваливает за 40 000 рублей, да и по функционалу они ближе к тепловизорам, нежели к обычным даталоггерам;
• кнопки включения;
• кнопки выбора шкалы (градусы по Цельсию или по Фаренгейту);
• кнопок увеличения/уменьшения коэффициента эмиссии (если пирометр позволяет его регулировать);
• кнопок ввода минимального/максимального значения. Профессиональные пирометры (например, testo 831) позволяет задать нижний и верхний пределы. Если температура не укладывается в них, то срабатывает оптический и/или звуковой сигнал;
• кнопок включения/выключения лазерного целеуказателя;
• кнопки включения/отключения подсветки дисплея;
• корпуса. Чаще всего с пистолетной рукоятью, но есть и исключения – например, Fluke 61. Для защиты от выскальзывания на рукоять наносят рифлёное покрытие. Как правило, внутри предусмотрен отсек под аккумуляторы и отверстие для закрепления прибора на штативе. Нередко производители предусматривают USB-порты и/или RS-232 – для экспорта данных, обновления ПО и подключения внешней аппаратуры. Кроме того, для сохранения результатов может использоваться карта памяти microSD. В качестве элементов питания чаще всего используются батарейки типа АА, ААА либо Li-ion аккумуляторы.

К некоторым пирометрам дополнительно можно подключать термопары для поверхностных измерений. Это избавляет от необходимости приобретать контактный термометр и даёт возможность самостоятельно проверять достоверность результатов.

У большинства профессиональных термодетекторов в комплекте поставки предусмотрена хотя бы одна термопара. В него также может входить ремешок на запястье, чехол и/или кейс либо сумка, батарейки и пр.

Разновидности пирометров​

Базовая классификация приведена в ГОСТ 28243-96, где приборы распределены по нескольким критериям:

• конструктивное исполнение (переносные, стационарные и комбинированные);
• число каналов измерений (одно- и многоканальные);
• число диапазонов (одно- и многодиапазонные);
• принцип работы. По данному параметру пирометры могут быть полного, частичного либо спектрального излучения. Не будем утомлять вас затянутым изложением того, в чём разница между ними – просто отсылаем вас к разделу 3 в ГОСТ 28243-96. Отметим лишь, что измерять отрицательные температуры способны только приборы полного и частичного излучения. Диапазон у первых составляет от -50 до +2500 ˚С, у вторых – от -30 до +4000 ˚С. Термодетекторы спектрального излучения рассчитаны на работу в диапазоне от +200 до +3000 ˚С.

По техническому исполнению пирометры можно разделить на две большие категории:

• лазерные (выполняют измерения в инфракрасном диапазоне и оснащаются лазерным прицелом);
• оптические (могут работать в ИК-спектре и в видимом свете и комплектуются оптическим прицелом).

Весьма условно приборы можно распределить и по ценовому сегменту. Цены на бытовые модели – от 1 300 до 3 000 р. Стоимость хороших профессиональных моделей составляет в среднем 15 000–40 000 р., хотя можно уложиться и в более скромные деньги. Fluke 59 MAX, например, по состоянию на август 2023 года можно приобрести за 6 500 р. Всё, что дороже 30 000 р. – топовые приборы с LED-дисплеями, поддержкой Bluetooth, Wi-Fi и прочими современными опциями.

Наконец, ещё один критерий – способ визуализации результатов. Может быть текстово-графическим (на дисплей выводится числовое значение температуры) либо графическим (зоны низких, средних и высоких температур обозначаются разными цветами). Первый вариант самый распространённый, тогда как во втором случае речь идёт о дорогостоящих приборах наподобие тепловизоров.

Как выбрать пирометр​

Как и с другим оборудованием НК, для начала нужно проверить, внесён ли прибор в Государственный реестр СИ РФ. Наличие свидетельства об утверждении типа СИ является подтверждением того, что модель обладает высокими метрологическими характеристиками, допущена к эксплуатации в РФ и имеет чёткую методику поверки.

Если с разрешительной документацией полный порядок, можно переходит к рассмотрению технических характеристик.

• Диапазон измеряемых температур. Может составлять от -50 до +2000 ˚С (а иногда и выше). Для большинства стандартных задач термографии вполне достаточно диапазона до +900 ˚С. Чтобы не «промахнуться», важно с самого начала определиться, для чего нужен пирометр, для каких задач.
• Коэффициент эмиссии – количество тепла, отражённого от объекта, которое попадает в поле зрения прибора. Может составлять от 0,1 (зеркальная поверхность) до 1,0 (абсолютно чёрное тело). От этого напрямую зависит точность измерений. У одних моделей коэффициент нерегулируемый – их можно рекомендовать для материалов с равномерно низкой теплопроводной (дерево, бетон, кирпич). В других пирометрах коэффициент эмиссии можно настраивать, и они демонстрируют гораздо меньшую погрешность при работе с металлическими объектами. У разных сплавов свой коэффициент: например, у стали – 0,7. У алюминия – 0,3. Точные значения для самых распространённых материалов подбирают по специальным таблицам в сопроводительной документации – паспорте или инструкции к прибору. Там же можно найти коэффициенты для самых разных материалов, от свинца и латуни до резины и асбеста. Если материал экзотичный и в таблицах не предусмотрен, то коэффициент высчитывают экспериментальным способом, сверяя результаты измерений с показаниями контактного термометра. К самым продвинутым моделям прилагается термопара – для экспресс-калибровки пирометра под конкретную задачу.
• Рабочее расстояние до исследуемой поверхности, или коэффициент визирования. Задаётся производителем и выражается отношением D/S, где D – расстояние до объекта, S – диаметра пятна, с которого тепловой датчик способен измерять тепловое излучение. Чем больше дистанция, тем выше погрешность результатов, особенно на объектах с существенным перепадом температуры. Если прибор будет считывать температуру с большей площади, точность измерений будет снижаться. В зависимости от прибора коэффициент визирования может составлять 4/1, 8/1, 10/1, 12/1, 30/1 и даже до 200/1. Чем он выше, тем больше рабочее расстояние, которое вполне может достигать 10–25 м и более. Иногда производители указывают наглядную схему изменения D/S на боковую часть корпуса.
• Тип лазера. У моделей попроще и подешевле он состоит всего из одной точки. У более продвинутых и дорогостоящих предусмотрено 2, 4 или даже 8 точек. Измерения производятся на площади между соседними точками либо по центру круга, которые эти точки образуют (если их больше двух).
• Физическое состояние исследуемых сред. Одни пирометры рассчитаны исключительно на твёрдые тела, другие же могут измерять температуру сыпучих и даже жидких материалов.
• Наличие модуля влажности. Это совсем не обязательно, но если в ваши задачи входит поиск конденсата и оценка вероятности образования плесени, то лучше позаботиться о данной опции заранее.
• Софт (программное обеспечение, меню, интерфейс). Благодаря возможностям ПО современные даталоггеры умеют чуть больше. Fluke VT04, например, автоматически отслеживает самые горячие и самые холодные точки в своём поле зрения (речь о так называемых холодных и горячих маркерах). Штатное программное обеспечение SmartView помогает генерировать отчёты и экспортировать ИК-изображения. Причём последнее можно совмещать с обычным визуальным изображением. Правда, стоимость этой модели переваливает за 80 000 р.

Чтобы не ошибиться с выбором термодетектора, вы можете перейти в раздел «Тепловой контроль» на форуме и задать вопрос опытным специалистам по термографии.

Где купить хороший пирометр​