Co je pyrometr: jak to funguje, bezkontaktní měření teploty

V tomto článku budeme hovořit konkrétně o lékařských IR teploměrech, tzn. o přístrojích určených k měření tělesné teploty a také o tom, co určuje přesnost pyrometrů.

Na internetu najdete k této problematice spoustu informací. Ve většině případů vše píší lidé, kteří mají k IR termometrii a IR teploměrům pro sledování tělesné teploty daleko. Poskytnuté informace jsou proto neúplné, nesystematické a většinou daleko od pravdy.

Proto jsme se jako vývojáři a výrobci lékařských teploměrů a zejména IR teploměrů rozhodli co nejjasnějším jazykem vysvětlit, jak IR teploměr funguje, čím se liší od průmyslového pyrometru, co ovlivňuje jeho přesnost měření a jak zajistit, aby se tato přesnost zvýšila.

Nejprve trocha teorie.

Každé těleso vyzařuje tepelnou energii E, úměrnou jeho povrchové teplotě ke čtvrté mocnině a emisivitě k.

Naučíte-li se měřit a převádět tuto tepelnou energii zpět na teplotu, můžete měřit povrchovou teplotu na dálku (na dálku).

Obr. 1. Jak se měří povrchová teplota pyrometrem

Jakýkoli pyrometr obsahuje nějaký optický systém, který umožňuje odebírat data (sbírat tepelnou energii) z bodu o určité oblasti S ve vzdálenosti L. Poměr L/D, kde D je průměr bodu, se nazývá optické rozlišení pyrometru. Čím větší je tento parametr, tím větší je vzdálenost, na kterou lze měřit teplotu konkrétního tělesa a tím dražší je zařízení.

Pomocí optického systému přístroje dopadá energie záření na čidlo IR teploměru (obr. 2).

Obr. 2. Konstrukce snímače infračerveného teploměru

U moderních pyrometrů je snímačem miniaturní termočlánek, na jehož pracovní uzel je směrováno tepelné záření řízeného objektu. V blízkosti studeného konce termočlánku se nachází teplotní čidlo, které se často používá jako tepelný odpor.

Elektronický obvod zařízení pomocí tepelného odporu měří teplotu studeného konce termočlánku a přidává k němu druhou část úměrnou napětí z termočlánku. IR senzory se již dlouho dají vyrábět v kompletně integrovaném provedení. Existují senzory s digitálním výstupem.

Pokud by všechna tělesa vyzařovala stejně a měla stejnou teplotu, pak by chyba pyrometru byla určena pouze přesností jeho nastavení.

Všechna tělesa však vyzařují jinak. Aby bylo možné dostatečně přesně změřit povrchovou teplotu jakéhokoli tělesa, je nutné přesně znát jeho koeficient studia k.

Obvykle je pyrometr seřízen ve výrobě nebo v metrologické laboratoři pomocí „absolutně černého tělesa“ (ABB), tzn. povrchu s emisivitou blízkou 1. Poté se do paměti zařízení nastaví skutečná průměrná emisivita. Nejčastěji 0,95. Existují však dražší modely pyrometrů, u kterých si spotřebitel nastavuje koeficient sám. Ale který – toť otázka. A emisivita velmi závisí jak na materiálu povrchu, tak na kvalitě zpracování, přítomnosti nečistot, rzi, vlhkosti atd. V tabulce 1 ukazuje koeficienty emisivity pro řadu materiálů.

Materiál	К
desky	0,96
papír	0,93
čedič	0,72
rezavé železo	0,70

Tabulka 1 Emisivita k pro několik materiálů

Pokud je emisivita špatně nastavena, můžete dostat chybu v řádu desítek stupňů.

Jaké faktory tedy ovlivňují přesnost měření průmyslového pyrometru?

Uveďme několik hlavních faktorů:

• přesnost nastavení pyrometru na černém tělese při k = 1,
• přesnost nastavení emisivity k,
• čistota měřeného povrchu, přítomnost vlhkosti, prachu atd.,
• časový faktor ovlivňující stárnutí optické soustavy a elektroniky. komponenty,
• přítomnost „světla“ z vnějších zdrojů,
• korespondence mezi průměrem „bodu“ a rozměry řízené plochy (průměr bodu musí být samozřejmě menší).

Jaká je skutečná přesnost měření uvedená v dokumentaci pro průmyslové pyrometry ve střední cenové kategorii? +/-1 % z naměřené hodnoty, tzn. přibližně +/-0,4 °C při měření teploty povrchu zahřátého na +40 °C. Tuto hodnotu si zapamatujte. Budeme to potřebovat později.

Jaké jsou rozdíly mezi průmyslovým pyrometrem a IR teploměrem pro měření tělesné teploty?

Stručně jsme vám tedy řekli, jak funguje průmyslový pyrometr a jaké faktory ovlivňují jeho přesnost měření. Nyní si povíme něco o IR teploměru pro měření tělesné teploty.

Proč obecně potřebujete IR teploměr k měření teploty, když existují kontaktní elektronické teploměry, které při správné výrobě poskytují požadovanou přesnost? Hlavní výhodou IR teploměru je rychlost měření, cca 1s. V tabulce 2 uvádí srovnávací charakteristiky obou metod měření.

Parametr	IR teploměr	Kontaktní teploměr
pohodlí	+	–
Čas měření	+ (asi 1 s.)	— (více než 30 sekund)
Přesnost měření	–	+
Měření teplotního rozdílu a rozložení teplot	+	–

Tabulka 2 Porovnání IR teploměru a kontaktního teploměru

IR teploměr je praktický, protože měří rychle a na dálku. Zařízení stačí na vzdálenost několika centimetrů přiblížit k čelu, stisknout tlačítko a je to. Naměřená teplota. Ale s jakou přesností? A to je nejbolestivější místo těchto zařízení a o tom si povíme později. Kde ale infračervené teploměry v medicíně nemají konkurenci, je měření teplotních rozdílů. Jedná se například o sledování rozložení teploty v těle, aby se identifikovaly kritické oblasti spojené s jakýmkoli porušením. Nebo měření rozdílu tělesné teploty mezi lidmi, kteří jsou dlouhodobě ve stejných podmínkách. Pro tyto účely je IR teploměr prostě výborný a nikdo ho nenahradí.

Uveďme příklad. Letadlo přistálo. Zaměstnanec Rospotrebnadzor, vyzbrojený IR teploměrem, přišel na palubu a postupně změřil teplotu každého cestujícího. Nezáleží na tom, jakou absolutní hodnotu teploty obdrží. Důležitý je rozdíl naměřených teplot mezi cestujícími. Byli dlouhou dobu ve stejných podmínkách a zvýšenou teplotu několika cestujících vzhledem k průměrné naměřené hodnotě lze interpretovat jako nemoc. Po jejich izolaci od hlavního těla si tito cestující budou muset nechat přesně změřit teplotu kontaktním elektronickým teploměrem. Řekněme, že teplota cestujících byla 34,7. 36,1 °C a u dvou cestujících: 36,6 °C. To znamená, že tito dva cestující mají zvýšenou teplotu. Další měření přesným kontaktním teploměrem bude moci potvrdit, že jejich teplota je skutečně 37. 38 °C. Nyní o tom bohužel nevědí.

V tabulce 3 jsme stručně ukázali, jak se průmyslový pyrometr liší od IR teploměru tělesné teploty.

Průmyslový pyrometr	IR teploměr tělesné teploty
od -50 do +650 °C, 1 % IV + 1 °C	rozsah a přesnost měření	od 32,0 do 42,9 °C, ± 0,2 ° C
čočky nebo bez čočky	optický systém	„skořápka“
jakýkoli	vzdálenost k měřenému objektu	0 cm
přímý měření	metoda měření	výpočet teploty tělesná teplota čelo a teplota prostředí

Tabulka 3 Hlavní rozdíly mezi průmyslovým pyrometrem a IR teploměrem tělesné teploty

IR teploměr má velmi úzký měřicí rozsah a krátkou vzdálenost k měřicí ploše. U většiny infračervených teploměrů je přesnost měření uvedena v pasu +/-0,2. 0,3 °C. Ihned řekněme, že této hodnotě nemůžete věřit. S velkým rozpětím by to mohla být přesnost měření teploty absolutně černého tělesa, prováděného v laboratorních podmínkách za daných parametrů prostředí. To není ani přesnost sledování teploty povrchu kůže a už vůbec ne přesnost měření tělesné teploty.

Smutné je, že u nás se prodávají IR teploměry, které mají Registrační certifikát od Roszdravnadzor, jehož pas udává přesnost měření tělesné teploty +/-0,1°C! Ukazuje se, že ruská distribuční společnost nakupuje zařízení v Číně s přesností +/-0,3 °C, zhotoví dokumentaci v ruštině, která udává přesnost +/- 0,1 °C, a tato zařízení prodává. Proč se to děje? Ano, protože v naší zemi jsou infračervené teploměry klasifikovány jako lékařské teploměry a GOST vyžaduje, aby měly přesnost +/-0,1 ° C. Ukazuje se, že přístroje byly upraveny podle normy.

Ptáte se tedy, jakou skutečnou chybu mají IR teploměry? Obrovské, pokud nesplňujete mnoho požadavků na proces měření. Většina občanů je ale neplní nebo je fyzicky není schopna splnit. Než si tedy domů pořídíte IR teploměr, dobře si to rozmyslete. Musí to umět používat.

Jak funguje infračervený teploměr tělesné teploty?

IR teploměr pro měření tělesné teploty je v určitém smyslu složitější zařízení než průmyslový pyrometr. Zařízení má dva provozní režimy: povrch (sgrface) a tělo (body). V povrchovém režimu zařízení funguje jako běžný pyrometr, měří povrchovou teplotu a lze jej použít pro různé potřeby domácnosti. V režimu těla, který nás zajímá, přístroj pomocí do něj zadaných průměrných výpočtových koeficientů vypočítává hodnotu tělesné teploty z povrchové teploty čela, okolní teploty. Tyto koeficienty zohledňují tepelnou vodivost a tloušťku různých částí hlavy (kůže, kosti atd.). Je jasné, že tyto parametry se u různých lidí, zejména různých ras a různých věkových skupin liší, a to velmi ovlivňuje přesnost měření. Obrázek 3 ukazuje tělesnou teplotu jako funkci těchto parametrů.

Obrázek 3. Tělesná teplota jako funkce velkého počtu parametrů

K chybě při měření povrchové teploty v tělesném režimu se tedy přidává chyba spojená s rozdílem v různých fyzických parametrech mezi lidmi a chyba při měření okolní teploty a také chyba spojená s tím, že teplota zařízení nemusí být rovna teplotě prostředí, ve kterém se subjekt nachází. To poslední je velmi důležité. Zařízení a osoba musí zůstat ve stejné teplotě po dlouhou dobu až do okamžiku měření. Nyní byste měli pochopit, proč se teploty lidí vstupujících do budovy při měření jejich teploty tolik liší. Ostatně před vstupem do budovy byli v jiných podmínkách. Někdo přijel, někdo přijel autem atd.

Uveďme si základní pravidla pro více či méně přesné měření tělesné teploty IR teploměrem.

Základní pravidla, která je třeba dodržovat při měření teploty lékařským pyrometrem:

– pyrometr musí mít okolní teplotu. prostředí (udržováno alespoň 30 minut),
– nejprve si musíte utřít čelo do sucha,
– zamezit průvanu, přímému slunečnímu záření, vlivu topných zařízení,
– nejprve odstraňte kosmetiku a vlasy z čela,
— vzdálenost od čela: 1 cm,
— je nutné provést několik měření, aby se vyloučily náhodné hodnoty.

Může tedy mít IR teploměr přesnost +/-0,1°C při měření tělesné teploty? Samozřejmě že ne. Pokud člověk velmi dobře rozumí principu fungování IR teploměru a způsobu jeho použití, pak jej může použít k rychlému sledování tělesné teploty. Toto zařízení však nemůže používat žádná osoba. Může se stát tragédie. Představte si obrázek. Malé dítě má horečku, rodiče ho svlékli, foukali ventilátorem a čas od času mu hlídali teplotu IR teploměrem. Co budou měřit? Nic. Největší nebezpečí je, pokud místo 40,0 °C naměří 37,0 °C, uklidní se a absolvují procedury.

Ne každý může používat IR teploměr k měření tělesné teploty. Jediné, co umí, je izolovat lidi se zvýšenou teplotou od ostatních lidí, kteří jsou dlouhodobě ve stejných podmínkách.

Moderní pyrometry pro měření teploty bezkontaktní metodou slouží ke změně ukazatele teploty na dálku. Modely zařízení využívají infračervenou technologii, která jim umožňuje přesněji určit identifikovatelné množství. Princip činnosti zařízení je vcelku jednoduchý a po zapnutí přijímá data na unikátním indikátoru energetických vln pomocí infračerveného spektra. Významnou výhodou pyrometru je relativně nízká cena této metody měření. Model je nasměrován do zkoumané roviny na libovolnou vzdálenost – jeho provoz je omezen specifikací prostředí a velikostí stroje, pece či jiného zařízení.

Zařízení funguje na principu identifikátoru infračerveného záření. Účinnost provozu závisí na indikátoru povrchové teploty – pyrometr určuje vyzařovací charakteristiky objektu a produkuje potřebná čísla s velkou přesností.

Kde lze pyrometr použít k měření teploty bezkontaktním způsobem?

Je nepravděpodobné, že toto zařízení bude potřeba v normální situaci, kdy potřebujete zjistit hodnotu teploty. Pyrometr se však často používá v následujících situacích:

• Když je potřeba identifikovat teplotu těžko dostupného místa nebo objektu nacházejícího se na velkou vzdálenost, zařízení vám umožní určit potřebná data na velkou vzdálenost (je zaručena vysoká přesnost informací);
• V oblasti určování teploty pohybujícího se tělesa nejsou jiná zařízení tak účinná jako pyrometr;
• Určení stavu komponentů, které jsou vystaveny elektrickému proudu – dotyčné zařízení se často používá v mnoha podnicích;
• Přísná kontrola nad indikátorem teploty konkrétní součásti jednotky – udržení určitého indikátoru je nesmírně důležité a pyrometr výrazně zjednodušuje výrobní proces;
• Měření teploty „složitého“ malého předmětu – zařízení je vynikající pro identifikaci stavu tenké povrchové vrstvy zařízení;
• Měření částí, kterých se nelze dotknout rukama nebo předměty;
• Studium stavu objektů, které se vyznačují nízkou tepelnou vodivostí nebo tepelnou kapacitou;
• Měření rychlosti.

V jaké oblasti lidské činnosti se pyrometr používá?

Nejčastěji se toto zařízení používá v podnicích, které využívají tepelná energetická zařízení, jmenovitě všechny druhy topných těles, kotlů, tepelných tras nebo parovodů. Pyrometr lze také často nalézt v energetice, kde se používá k měření stavu součástí transformátorové skříně, vodičů, kontaktů a živých kabelů. V metalurgii se zařízení používá pro pece, obráběcí stroje a lisy a v oblasti elektroniky jej lze použít k identifikaci úrovně ohřevu různých součástí a dílů.

Používání pyrometru při práci

Pyrometr je vynikající pro provádění diagnostiky spalovacího motoru, stejně jako pro stanovení teploty elektromotoru a součástí vozidla. Zařízení také zlepšuje kontrolu výroby a „monitoruje“ podmínky skladování potravin. Pomocí pyrometru můžete kontrolovat budovy a stavby a také kontrolovat kvalitu vytápění, větrání a klimatizace. Dokonale pomáhá při monitorování chladicích zařízení a pomáhá zlepšovat kvalitu vybavení hasičského záchranného sboru.

Jaké typy pyrometrů existují a jak fungují?

Toto zařízení sloužilo nejprve k identifikaci teploty velmi horkých jednotek bezkontaktní metodou – zařízení umožňovalo vizuální posouzení stavu objektu. V současné době se objevilo několik typů pyrometrů:

• Optický. Pomáhá vidět teplotu horkého tělesa kontrolou, bez použití dalších jednotek, porovnáním barev různých předmětů.
• Barevné nebo multispektrální. Princip činnosti tohoto zařízení spočívá ve vyhledávání parametru teploty porovnáním tepelných vln v porovnávaných spektrech.
• Záření. K identifikaci teploty se používají vypočítané údaje o výkonu a množství tepla generovaného danou jednotkou.

Každé těleso, které má teplotu nad nulou, „uvolňuje“ teplo. Různé typy pyrometrie pomáhají přesněji určit stav objektu. Nejpoužívanějšími parametry jsou infračervené parametry nebo radiometry, které jsou citlivější, ale méně přesně určují indikátor teploty. Technické možnosti jsou určeny následujícími parametry:

• Rozlišení optického typu;
• Teplotní rozsah;
• Vypočítaný indikátor rozlišení;
• Rychlost provozu;
• Přesnost měření;
• Síla záření a způsob zaměření objektu.

Abyste mohli identifikovat tepelný stav objektu, stačí namířit zařízení na určitou oblast objektu (bude použit teploměr). Pyrometrický systém zaostří a „zachytí“ stejný tepelný paprsek, který určuje teplotní režim. Zařízení přijímá elektrický signál a umožňuje vám určit teplotní údaje – signál je „zvažován“ v sekundárním tepelném převodníku a zpracováván systémem.

Profesionálové připomínají, že pyrometr dokáže identifikovat indikátor teploty s určitou chybou, která vzniká tím, že neodpovídá průhlednosti prostředí nebo průměru místa, na které je pyrometr zaměřen.

Pyrometry a náš život

Výroba měřicích přístrojů má dostatečné technické vlastnosti, které umožňují velmi přesně určit povrchovou teplotu vybraného předmětu. Měřidla mohou být stacionární nebo přenosné. Nejnovější verze přístrojů se používá v podmínkách průmyslové výroby a slouží ke zmírnění ztížených pracovních podmínek a prevenci úrazů. Tento typ jednotky se vyznačuje vysokým optickým rozlišením, což umožňuje její využití pro efektivnější sledování teplotních úrovní nebo sledování technologického cyklu konkrétního zařízení.

Pokud jde o stacionární variantu, lze ji nalézt ve velkých podnicích. Používají se v oblastech, kde je nutné organizovat neustálé sledování fungování určitého zařízení. Nejčastěji se instalují do míst, kde není možné použít kontaktní snímač nebo kde je nutné zvýšit bezpečnost provádění určitých úkonů.

Bezkontaktní pyrometry jsou potřebné tam, kde není možné měřit teplotu jinými metodami měření teploty. Ukazuje se, že tento typ zařízení je velmi užitečný pro moderní výrobu. Tento typ zařízení lze použít k regulaci teploty nákladní jednotky vlakového vozu nebo ke sledování úrovně ohřevu pece v dílně. Široká škála aplikací pyrometrického zařízení je spojena s jeho oblibou v různých odvětvích – tento nástroj dokáže poskytnout majiteli přesná data a umožňuje lepší organizaci pracovního procesu.