Как известно, все нагретые тела излучают тепловую энергию. Если температура нагрева превышает 500-600 °С, то часть этого излучения оказывается видимой, объект начинает светиться. Чем выше температура, тем сильнее объект излучает свет, и тем белее цвет его свечения. На этом и основана пирометрия — совокупность способов измерения температуры объектов по величине или цвету (спектру) их излучения.

Всё бы ничего, да вот только разные объекты при одной и той же температуре излучают по-разному. Одни (закопчённые, загрязнённые, заржавленные) излучают сильно, другие (полированные) — слабо. Некоторые светятся с красноватым оттенком, другие при той же температуре — жёлтые или жёлто-белые. То есть, если ничего не учитывая, просто бездумно наводить пирометр на тот или иной объект и считать, что показанный им результат и есть температура измеряемого объекта, то можно такого намерить…

Сложившаяся на сегодняшний день метрологическая практика такова, что пирометры калибруют на АЧТ — «абсолютно чёрных телах». Эти АЧТ есть в любой мало-мальски приличной метрологической лаборатории, будь то региональный ЦСМ или большой металлургический завод. Но сталь, к примеру, излучает совсем не так, как АЧТ, причём одна и та же сталь, но полученная в разных технологических циклах, излучает по-разному. И её излучательные характеристики меняются при изменении её температуры. А пирометр настроен по излучательным характеристикам АЧТ, и ничего не знает ни о технологическом цикле, в котором эта сталь получена, ни о её марке, ни о температурных зависимостях ее излучательных характеристик. Поэтому, если мы хотим измерять пирометром реальную температуру объекта, а не погоду на Барбадосе, то без дополнительных знаний не обойтись.

div style="text-align: justify;">Причины больших погрешностей в пирометрии

Как известно, все нагретые тела излучают тепловую энергию. Если температура нагрева превышает 500-600 °С, то часть этого излучения оказывается видимой, объект начинает светиться. Чем выше температура, тем сильнее объект излучает свет, и тем белее цвет его свечения. На этом и основана пирометрия — совокупность способов измерения температуры объектов по величине или цвету (спектру) их излучения.

Всё бы ничего, да вот только разные объекты при одной и той же температуре излучают по-разному. Одни (закопчённые, загрязнённые, заржавленные) излучают сильно, другие (полированные) — слабо. Некоторые светятся с красноватым оттенком, другие при той же температуре — жёлтые или жёлто-белые. То есть, если ничего не учитывая, просто бездумно наводить пирометр на тот или иной объект и считать, что показанный им результат и есть температура измеряемого объекта, то можно такого намерить…

Сложившаяся на сегодняшний день метрологическая практика такова, что пирометры калибруют на АЧТ — «абсолютно чёрных телах». Эти АЧТ есть в любой мало-мальски приличной метрологической лаборатории, будь то региональный ЦСМ или большой металлургический завод. Но сталь, к примеру, излучает совсем не так, как АЧТ, причём одна и та же сталь, но полученная в разных технологических циклах, излучает по-разному. И её излучательные характеристики меняются при изменении её температуры. А пирометр настроен по излучательным характеристикам АЧТ, и ничего не знает ни о технологическом цикле, в котором эта сталь получена, ни о её марке, ни о температурных зависимостях ее излучательных характеристик. Поэтому, если мы хотим измерять пирометром реальную температуру объекта, а не погоду на Барбадосе, то без дополнительных знаний не обойтись.

Во-первых, нужно знать, что все современные пирометры делятся на две большие группы. Это энергетические пирометры и спектральные пирометры.

Энергетические пирометры иногда называют радиационными пирометрами. В литературе вы можете ещё встретить такие термины, как яркостные пирометры, пирометры полного излучения и пирометры частичного излучения. Не вдаваясь в ненужные в данный момент подробности, отмечу, что все перечисленные в двух предыдущих предложениях пирометры — это частные случаи энергетических пирометров.

Главное отличие энергетического пирометра — у него один приёмник излучения, и тем-пература определяется по величине сигнала, вырабатываемого этим приёмником.

Но как было сказано, при одной и той же температуре полированный объект излучает мало, а закопчённый и шероховатый — излучает много (почти столько же, сколько АЧТ при одинаковой с ним температуре). Как это учесть?

Для этого в любом энергетическом пирометре предусмотрена возможность введения в него коэффициента излучения. Его иногда называют излучательной способностью, но это неверно. Излучательная способность — это характеристика измеряемого объекта, причем зависящая от длины волны и от его температуры. А в пирометр мы вводим не всю эту сложную характеристику, а один-единственный связанный с ней коэффициент.

Если объект (полированный медный лист, к примеру) излучает в 10 раз меньше АЧТ, то в пирометр нужно ввести коэффициент 0,1 (1/10=0,1). Если это вольфрам, излучающий в 2,5 раза меньше АЧТ, то в пирометр надо ввести коэффициент 0,4 (1/2,5=0,4), и т. д. Так мы учитываем то, что различные объекты излучают по-разному, одни сильнее, другие — слабее.

Вроде все ясно и понятно — приписать каждому объекту свой коэффициент излучения, свести их в единую таблицу, и выбирать оттуда требуемый коэффициент, в зависимости от того, что ты измеряешь. Именно так рассуждали специалисты лет 80 назад, когда они впервые столкнулись с тем, что если не вводить в пирометр какую-то дополнительную информацию об излучаемом объекте, то погрешности измерений иногда оказываются недопустимо высокими.

А откуда брать эти коэффициенты? Обычно их берут из всякого рода справочников и из инструкций по эксплуатации пирометров. И вот здесь вдруг выяснилось, что одному и тому же материалу в разных источниках ставят в соответствие разные коэффициенты излучения. Ну ладно, если они незначительно различаются (например, 0,77 и 0,81), это ещё куда ни шло. А если они различаются вдвое или втрое?

Здесь нужно немного отвлечься, чтобы понять, к каким последствиям приведёт ввод в пирометр неточного значения коэффициента излучения. Это неминуемо ведёт к ошибке в измерении температуры. Причем в самом худшем случае 10-процентная неточность в определении коэффициента излучения даст вам 10-процентную погрешность в измерении температуры. Например, вы вместо 0,22 ввели в пирометр коэффициент излучения 0,20. Казалось бы, ерунда, что 0,20, что 0,22 — одно и то же. Но нет, не ерунда. В этом случае при измерении температуры 1200-градусного объекта вы получите результат порядка 1350 градусов. В современной металлургии или теплоэнергетике такие погрешности уже недопустимы.

Вернёмся к предыдущему вопросу. Предположим, что по одним данным для измерения вашего материала в пирометр надо ввести коэффициент 0,6, а по другим — 0,27. Как быть? Из сказанного следует, что взяв какое-то промежуточное значение (к примеру, 0,4), мы гарантированно не получим точного результата. Если правильное значение 0,6, а мы введём 0,4, то 30-процентная погрешность в определении коэффициента излучения может дать 30-процентную погрешность в измерении температуры. Примерно то же будет и в том случае, если правильное значение коэффициента 0,27 — ошибка в измерении будет такой же, но с другим знаком.

У вас может возникнуть мысль, что незачем думать об этих погрешностях, нужно просто взять пирометр более высокого класса, с точностью повыше. Тем более и менеджер советует, рекомендует взять такую-то модель, у неё погрешность всего 0,5%... И тогда будет незачем заморачиваться всеми этими коэффициентами излучения и 10-процентными погрешностями, уж однопроцентную погрешность с помощью такого прибора мы всегда получим. Ведь производитель-то гарантирует…

Увы, не получите. 0,5-процентная погрешность — это та погрешность, которую производитель гарантирует при измерении этим пирометром температуры АЧТ, коэффициент которого точно известен и равен 0,99. А вот если этим пирометром измерять сталь, футеровку, пламя и так далее, т. е. объекты, коэффициенты излучения которых неизвестны или известны с недостаточной точностью, то все те погрешности, о которых говорилось выше, проявятся. Причём что на пирометре с основной погрешностью 2%, что 0,5%, что 0,2%. Та погрешность, которая прописана в документации на пирометр, и о которой говорит менеджер, называется основной или инструментальной погрешностью. А то, что мы обсуждаем в настоящей статье — это дополнительная или методическая погрешность, с основной практически никак не связанная.

Я не зря выше, когда говорил о 30-процентной погрешности, использовал оборот «может дать». В разных пирометрах одна и та же 10-процентная неточность ввода коэффициента излучения приводит к разным значениям погрешности измерений. Например, для пирометра, работающего на длине волны 0,6 мкм, 10-процентная неточность ввода коэффициента излучения приведет к ошибке в определении температуры на уровне 0,5-1%, и это превосходный результат. Для пирометра, работающего на длинах волн 1-1,6 мкм, 10-процентная неточность ввода коэффициента излучения приведёт к ошибке в определении температуры на уровне 1,5-2,5%, это похуже, но вполне терпимо. А вот если вы будете вести измерение пирометром с длинами волн 8-12 мкм (или 8-14 мкм, что то же самое), то здесь вы получите ту самую 10-процентную ошибку в измерении температуры, если вы ввели в пирометр коэффициент излучения с 10-процентной неточностью.

Тогда зачем же нужны пирометры со спектральным диапазоном 8-14 мкм, если они дают в 5-10 раз большие погрешности при прочих равных условиях, чем более коротковолновые пирометры? А затем, что чем ниже температура, которую надо измерить, тем более длинноволновые пирометры нужно использовать. Если вам нужно измерять температуру ниже 200 °С, то никуда не денетесь, придётся использовать пирометр со спектральным диапазоном 8-14 мкм, коротковолновые пирометры излучение при таких низких температурах не чувствуют. Если от 200 °С до 500 °С, то для минимизации погрешностей используйте пирометр со спектральным диапазоном 1-1,6 мкм, более коротковолновому пирометру этот температурный диапазон «не по зубам». А вот если вам не нужно измерять температуру ниже 500 °С, вас интересует диапазон, к примеру, 500-1500 °С — воспользуйтесь пирометром с длиной волны 0,9-1,1 мкм.

А почему не более коротковолновым, например на длине волны 0,6 мкм? Да потому, что 0,6 мкм и короче — это видимый свет, и пирометр в таком диапазоне чувствителен к освещению предмета лампочкой или солнечным светом, от которых отстроиться днём практически невозможно. Поэтому в обычной практике самыми коротковолновыми (и наименее чувствительными к ошибкам ввода коэффициента излучения) являются пирометры со спектральным диапазоном 0,9-1,1 мкм.

В свете вышесказанного ответ очевиден. Если пирометр измеряет температуру от нуля или даже от отрицательных температур, его спектральный диапазон — 8-14 мкм, кто бы что бы вам не говорил. Но как было отмечено выше, вы получите 10-процентную ошибку в измерении температуры, если вы ввели в пирометр коэффициент излучения с 10-процентной неточностью. Соответственно, чтобы измерить температуру с погрешностью 1%, вам надо ввести в пирометр коэффициент излучения с точностью 1%. А вы знаете коэффициенты излучения тех объектов, которые вам придётся измерять, с такой точностью? Нет. Если вас кто-то будет убеждать, что не беда, что в документации на пирометр есть значения этих коэффициентов, и они очень точны, так как фирма-изготовитель — это известный во всем мире бренд — вспомните о зависимости этого коэффициента от температуры, и спросите, при какой температуре он измерен с такой точностью. Скорее всего, вам скажут, что данные справедливы при любой температуре. Дальше можете не расспрашивать — ваш собеседник просто не понимает, о чем речь, но «держит марку». Если запнётся, после чего скажет «не знаю» — это честнее, но вам от этого не легче. Данные, приводимые в справочной литературе, обычно ориентировочные. Если вы хотите знать точные значения, то их вам придётся измерять, причём при разных температурах. Это возможно, но непросто, если вы этим никогда не занимались. Так что подумайте, стоит ли связываться с, казалось бы, замечательным прибором, который один измеряет и низкие температуры, и высокие. Для низких температур, как было сказано, он подойдет, ибо других в природе пока нет. А вот для измерения высоких температур — да, можно измерять, только для того, чтобы получать результаты измерений с приемлемой точностью, вам придётся провести небольшую НИР, чтобы измерить коэффициенты излучения ваших объектов в ваших технологических циклах при ваших условиях. Вам решать, что дешевле — провести такую НИР или приобрести дополнительный коротковолновый пирометр.

Еще один дополнительный аргумент в пользу коротковолновых пирометров таков. Излучательная способность — параметр, зависящий от длины волны излучения. У большинства объектов в области коротких волн излучательная способность в 2-3 раза выше, чем в области 8-14 мкм. Например, у многих сталей излучательная способность в коротковолновой области изменяется в диапазоне 0,5-0,7, а в диапазоне 8-14 мкм — от 0,15 до 0,25. Соответственно, ошибка в определении коэффициента излучения на 0,02 в первом случае составляет 3-4% от правильного значения, а во втором — 10%. То есть, требования к точности измерений коэффициента излучения в длинноволновой области примерно втрое выше, чем в коротковолновой. И это также надо учитывать, если вы соберетесь проводить самостоятельные измерения коэффициента излучения ваших объектов.

Итак, наряду с основной погрешностью у энергетических пирометров существует до-полнительная методическая погрешность, связанная с неточным знанием вводимого в пирометр коэффициента излучения. Эта дополнительная погрешность может превышать 10%, а в отдельных случаях достигать значений 30% и более. Она одинакова как для высокоточных пирометров с инструментальной погрешностью 0,2-0,5%, так и для приборов классом пониже, с инструментальной погрешностью 1-2%. Для её снижения надо использовать коротковолновые пирометры на кремниевых или индий-галлий-арсенидных фотодиодах, если требуемый диапазон измерений температур это позволяет. В противном случае нужно провести относительно непростые измерения коэффициентов излучения ваших объектов (при разных температурах объектов). Данные о коэффициентах излучения, приводимые в литературе и в руководствах по эксплуатации пирометров носят ориентировочный характер, и для ваших материалов в ваших технологических циклах могут отличаться от истинных значений от 2-5 до 10-20%.

Старайтесь использовать пирометры, измеряющие температуру от нулевых и отрицательных значений, только до температур 150-250 °С.