Pyrometr
Pyrometr je zařízení pro bezdotykové měření teploty. Pomocí měření intenzity tepelného záření vyzařovaného ze snímaného povrchu je pyrometr schopen stanovit povrchovou teplotu. Pyrometr však nestanovuje teplotu přímo, ale na základě výpočtu z naměřené hodnoty a zadaných parametrů, mezi něž patří zejména emisivita. Výjimkou je tzv. dvoubarevný pyrometr (též dvouspektrální pyrometr), který je schopen si emisivitu stanovit sám. O něm, stejně tak jako o dalších typech pyrometrů, bude řeč dále.
Pyrometry bývají někdy nesprávně označovány jako tzv. “laserové teploměry”. Toto označení je nesprávné proto, že laser nijak neslouží k samotnému měření teploty, pouze pomáhá lokalizovat místo, kde právě pyrometr teplotu měří. S použitím jednobodového laseru se navíc jedná o lokalizaci nepřesnou, neboť pyrometr měří průměrnou teplotu z oblasti, která je větší, než kterou vymezuje jeden bod laseru (navíc se jedná o tzv.). V praxi se proto u pokročilejších pyrometrů pracuje alespoň s dvěma lasery, které svými dvěma body vymezují obvod oblasti, z které je teplota průměrována (obvykle se tato oblast nazývá jako ROI, oblast zájmu). Hovoříme pak o tzv. tvaru měřicího spotu. Velikost této oblasti lze samozřejmě pro danou vzdálenost stanovit výpočtem, v praxi ale právě vymezení oblasti laserem umožňuje velmi přesné stanovení polohy pyrometru vůči měřenému objektu a jeho části, která má být pyrometrem měřena.
Při výběru pyrometru je třeba vždy vycházet z dané aplikace a konkrétního řešení. Tomu je třeba přizpůsobit typ pyrometru (spektrální, dvouspektrální, …), základní parametry (přesnost měření, spektrum, optický poměr D:S apod.), ale i další vlastnosti (digitální výstup, možnosti uchycení, stupeň krytí apod.).
Pro výběr vhodného pyrometru na míru vaší aplikaci nás kontaktujte. Rádi vám pomůžeme s výběrem vhodného přístroje z naší nabídky. Při řešení konkrétní aplikační úlohy je třeba zvážit všechny náležitosti od vzdálenosti mezi pyrometrem a měřeným objektem (volba vhodné optiky) či prašnost prostředí (stanovení stupně krytí) po teplotu a materiál měřeného povrchu (stanovení spektrálního rozsahu, typu senzoru i typu pyrometru jako takového).
Princip funkce pyrometru je založen na měření intenzity tepelného záření ze snímaného povrchu. Pyrometr měří intenzitu tepelného záření a ze zadaných parametrů (emisivita, případně i odražená zdánlivá teplota) stanovuje pak z naměřené intenzity tepelného záření povrchovou teplotu.
Pozn.: U řady pyrometrů je hodnota odražené zdánlivé teploty pouze odhadována (počítá se např. s pevnou hodnotou 20°C nebo s tzv. teplotou okolí) a nelze ji explicitně zadat. U nejjednodušších přístrojů pak není možné zadat ani emisivitu. Takové pyrometry rozhodně nelze pro profesionální nasazení použít.
V základní konstrukci se pyrometr skládá z 1) objektivu (obvykle samostatná čočka) a 2) optického senzoru. Objektiv promítá tepelné záření na senzor a ten jej převádí na elektrický signál. Elektrický signál senzoru je následně digitalizován a vyhodnocen digitálními obvody pyrometru. Výstupem je pak výpočtem stanovená teplota. Do výpočtu teploty se promítá jednak naměřená intenzita tepelného záření, jednak zadané parametry (tedy zejména emisivita). Intenzita tepelného záření je potom dle
Jednotlivé pyrometry se samozřejmě liší parametry a vlastnostmi, které pak určují, pro jaké aplikace jsou dané pyrometry vhodné. Pyrometrů existuje na trhu značné množství (o tom se ostatně můžete přesvědčit v naší nabídce), proto výčet parametrů a vlastností zde nemůže být úplný, snažíme se však postihnout ty nejdůležitější a nejčastější.
Spektrální rozsah
Spektrální rozsah určuje rozsah vlnových délek, ve kterých pyrometr snímá tepelné záření pro vyhodnocení povrchové teploty. Spektrální rozsah je dán typem detektoru, který je v daném pyrometru použit a souvisí především s cenou (některé senzory jsou výrazně levnější než jiné), ale také aplikací, respektive měřeným povrchem. V praxi totiž chceme, aby pro daný materiál byl zvolen pyrometr, který měří ve spektrálním rozsahu, v němž má daný materiál co největší emisivitu. Jiný pyrometr tak bude vyhovovat měření teploty roztaveného železa a jiný pak například měření teploty hliníku během procesu pájení.
Senzor a optika
Senzor pyrometru je volen podle požadované spektrální citlivosti, tj. rozsahu vlnových délek v nichž pyrometr měří (zaznamenává) intenzitu tepelného záření.
Spektrální citlivosti senzoru se pak u daného pyrometru přizpůsobuje materiálu, který má být pyrometrem měřen (sklo, tekutý kov, lidská kůže apod.). Materiál optiky se pak zase přizpůsobuje právě spektrální citlivosti senzoru. Například typicky pro širokopásmové pyrometry s rozsahem vlnových délek 8 až 14 um se pro konstrukci optiky používá germánum (klasické sklo je pro záření v tomto rozsahu vlnových délek neprůhledné).
Přesnost měření – nejen u metrologicky náročnějších aplikací je důležitý také údaj o přesnosti měření, tedy nejistotě přístroje. Tento údaj je udáván v procentech a vyjadřuje procentuálně rozsah hodnot, které můžeme považovat za výsledek měření.
Optické rozlišení (poměr D:S)
Optické rozlišení se udává jako poměr vzdálenosti povrchu měřeného objektu, začené jako D, k (charakteristickému) rozměru, tj. průměru plochy, značené jako S, na povrchu tohoto objektu (a která se promítne na plochu detektoru pyrometru).
Čím větší je poměr D:S, tím lepší je optické rozlišení měřicího přístroje a tím menší může být měřená plocha při dané vzdálenosti. Hodnoty optického rozlišení se běžně pohybují v intervalu 35 : 1 až 300 : 1, lze se však snadno setkat i s pyrometry, které budou mít tento poměr jiný. Je třeba pamatovat na skutečnost, že jestliže měřený objekt nevyplňuje zorné pole přístroje, je naměřená teplota průměrem teploty objektu a jeho pozadí.
Další parametry pyrometrů
V praxi mohou být důležité i další parametry / vlastnosti jako například: možnost upevnění na stativ (stativový závit), interní paměť pro uchování naměřených hodnot, možnost vyměnitelného objektivu, možnost ostření, stupeň krytí (ochrana proti vnějším vlivům), ostřící vzdálenost, doba odezvy (tj. jak rychle je pyrometr schopen reagovat na skokové změny teploty), teplotní rozlišení (nejmenší teplotní změna černého tělesa, kterou je pyrometr schopen rozlišit) a další
Pozn.: před nákupem pyrometru se vždy ujistěte, že daný přístroj umožňuje nastavení minimálně emisivity a rozsah možnosti nastavení emisivity (např. 0.1 až 1.0). Emisivita také může být přednastaven pro dané použití (příkladem může být lékařský pyrometr pro měření teploty na kůži), pak ale takový přístroj nelze použít pro jinou aplikaci!
Jasový pyrometr
Je založen na nulové měřící metodě tím, že v optickém systému se srovnává zář měřeného tělesa se září vlákna pyrometrické žárovky.
Úhrnný pyrometr
Úhrnné pyrometry pracují v realativně širokém rozsahu vlnových délek. Typickým úhrnným pyrometrem je pyrometr s mikrobolometrickým senzorem, který prácuje (např.) v pásmu 8 až 14 µm. Úhrnné pyrometry jsou (narozdíl od pásmových pyrometrů) určeny pro obecné měření (různé materiály s emisivitou alespoň 0.5 v daném rozsahu vlnových délek).
Spektrální (jednobarevný) pyrometr
Spektrální pyrometry nebo také pásmové pyrometry pracují ve výrazně užším spektru vlnových délek, oproti úhrnným pyrometrům. Pro detekci záření se zde využívají tzv. kvantové detektory, tj. buď fototranzistory, fotoodpory, fotodiody, fotonky nebo fotočlánky. Díky selektivnosti těchto pyrometrů na určité vlnové délky se tyto pyrometry používají obvykle pro konkétní typ měření a materiál (teploty hliníku při pájení, teploty skla apod.). Při této specializaci pak dosahují výrazně vyšší přesnosti i citlivosti (vlnová délka je přizpůsobena emisivitě materiálu).
Poměrový (dvoubarevný) pyrometr
Poměrové (nebo také dvoubarevné) pyrometry pracují na principu stanovení poměru intenzity tepelného záření na dvou různých vlnových délkách.
Díky své krátké měřící vlnové délce je například poměrový pyrometr optris CTratio 1M speciálně určený pro měření extrémně vysokých teplot kovů a jeho velmi krátká doba odezvy umožňuje dohled i nad velmi rychlými procesy.
Poměrový pyrometr je značně odolný proti prachu, páře a špinavému pozorovacímu oknu. To umožňuje přesné měření i v případě zašpiněného průzoru až na 90 procent. Pyrometr navíc měří přesně i v případě, kdy měřený objekt pokrývá pouze 5 procent měřícího pole nebo se velmi rychle pohybuje.
V praxi se pak nejčastěji setkáme s pyrometry (a jejich označením): spektrální (jednobarevný) pyrometr, poměrový (dvoubarevný) pyrometr a popř. širokopásmový pyrometr.
Výše uvedené vlastnosti vychází samozřejmě pro idealizované černé těleso, které je fyzikálním myšlenkovým konstruktem. V přírodě neexistuje materiál, který by vykazoval výše zmíněné vlastnosti černého tělesa a je tedy třeba přistoupit k jeho technické realizaci jakožto zařízení.
Technická realizace (kterou často nazýváme pro upřesnění jako technické černé těleso) pak samozřejmě má svá omezení, která vyplývají z konstrukčních možností. Emisivita je v praxi vždy menší než jedna a obvykle se u technického černého tělesa pohybuje v intervalu 0.95 až 0.99 a to v závislosti na typu konstrukce černého tělesa, vlnové délce a teplotě. Tyto parametry by měly být vždy uvedeny v datovém listě od výrobce daného technického černého tělesa.
Existují základní dva typy (technického) černého tělesa. Černé těleso je technicky možné aproximovat dutým tělesem s velmi malým otvorem – kavitou (obecně je možné za černé těleso považovat všechna tělesa, která mají výrazně větší objem, než je povrch, kterým záření vyzařují do okolí). Takové černé těleso nazýváme jako dutinové černé těleso, případně samozřejmě dutinové technické černé těleso. Povrchem černého tělesa je pak otvor dutiny (tj. kavita). Vnitřek tělesa je vyhřívání na konstantní teplotu a vzhledem ke své izolaci od okolí lze docílit velmi dobré teplotní stability takového tělesa.
Druhou možností, jak černé těleso realizovat prostřednictvím povrchu o vysoké emisivitě a hovoříme o deskovém černém tělese. Zde se využívá skutečnosti, že vysokou emisivitu také vykazují povrchy s vysokou drsností povrchu (ta zajišťuje mnohačetné odrazy dopadajícího tepelného záření v rámci povrchu, s každým odrazem je pohlcena větší a větší část dopadajícího záření).
Typy konstrukce technických černých těles:
- dutinové černé těleso – povrchem tělesa o vysoké emisivitě je otvor do dutiny, jejíž povrch je temperován na jmenovitou teplotu.
- deskové černé těleso – povrch s vysokou emisivitou je realizován prostřednictvím “drsného” povrchu o vysoké emisivitě. Na jmenovitou teplotu je vyhříván přímo povrch tělesa.
Obecně platí, že dutinová černá tělesa jsou kvalitnější vzhledem ke všem podstatným parametrům, tj. z hlediska:
- emisivity (ta má být samozřejmě co nejbližší hodnotě 1),
- stálosti nastavené teploty v čase a
- teplotní homogenity povrchu (tedy otvory do kavity).
Desková černá tělesa vykazují horší parametry u vlastností, které byly výše zmíněny u dutinového černého tělesa, tj. vykazují horší teplotní stabilitu (vzhledem ke konstrukci je zde vliv okolí významnější), horší teplotní stabilitu a emisivita také obvykle dosahuje nižší hodnoty (drsností povrchu nelze nahradit vlastnosti kavity). Jejich výhodou je ale obvykle výrazně nižší cena (jsou konstrukčně mnohem jednodušší) a vzhledem k nižší váze jsou mobilnější a snadněji se s nimi manipuluje. Hodí se tedy tam, kde jsou požadavky na přesnost nižší. Typicky například jako tzv. místní etalon apod.
- Optický pyrometr – optickým pyrometrem se nejčastěji myslí druh jasového pyrometru, kde senzorem pro stanovení rozdílu záře snímaného povrchu a žhaveného vlákna je lidské oko. Tento typ pyrometru se v některých aplikacích používá i dnes, nejčastěji pak pro měření vysokých teplot nad 600 °C (tj. za situací, kdy je již tepelné záření viditelné okem a vnímáme jej jako světlo).
- Radiační pyrometr – Využíváme-li pro určení teploty tělesa širokého rozsahu vlnových délek, přístroj se nazývá radiační pyrometr (někdy též označovaný jako tzv. totálně radiační pyrometr).
- Monochromatický pyrometr – jedná se o pyrometr, který měří teplotu v rámci jednoho rozsahu vlnových délek (širokospektrální pyrometr, např. pracující v oblasti 8 až 14 um nebo úzko).
- Digitální pyrometr – téměř všechny moderní pyrometry jsou digitální a pracují s digitalizovanou podobou naměřené hodnoty a jejím zpracování v mikroprocesorech. V minulosti (první patent na pyrometr se objevuje přibližně v roce 1900) byly tyto přístroje samozřejmě analogové. Explicitním příkladem analogového pyrometru je jasový pyrometr, kde je teplota vlákna regulována (průtokem proudu) tak, aby barevná teplota měřeného povrchu a vlákna byla stejná a vlákno barevně splynulo s měřeným povrchem. Viz popis jasového pyrometru v přehledu typů pyrometru.
- Bezdotykový pyrometr – každý pyrometr je bezdotykový, neboť principem pyrometru je bezdotykové měření teploty. V praxi proto používáme obvykle označení pyrometr namísto bezdotykový pyrometr.
- Spektrální pyrometr – Využívá-li pyrometr úzkého rozsahu vlnových délek, nazýváme jej spektrálním pyrometrem (někdy též jako parciálně radiační pyrometr).
- Černé těleso (absolutně černé těleso) – etalon pro kalibraci pyrometrů a termokamer. Viz samostatná stránka černé těleso, absolutně černé těleso.
- Teplotní rozlišení – nejmenší teplotní rozdíl, který je schopen pyrometr vyhodnotit jako změnu (tj. teplotní změna, která se projeví na údaji přístroje)
- Doba odezvy – je doba potřebná k tomu, aby po skokové změně teploty výstupní signál detektoru dosáhl hodnoty odpovídající 90 % provedeného skoku. Běžně se tato doba pohybuje v desítkách až stovkách milisekund. Ve výjimečných případech lze dosáhnout i jednotek milisekund.
