Pirometryczne pomiary temperatury cz. 1

Dariusz Grobel, Andrzej Łobzowski, Wojciech Szkolnikowski
LAB-EL Elektronika Laboratoryjna S.J.

Artykuł publikowany w piśmie POMIAR nr 03/2013

Pirometry LAB-EL - nie taki diabeł straszny cz. 1

Firma LAB-EL kojarzona jest kontrolą parametrów mikroklimatu. Jest producentem urządzeń pomiarowych i systemów monitorujących parametry klimatu i mikroklimatu w pomieszczeniach, a także świadczy różnego rodzaju usługi związane z tą tematyką. W firmie działa akredytowane przez PCA  Laboratorium Wzorcujące Wilgotności, Temperatury i Ciśnienia LAB-EL, w którym dział wzorcowań (AP 067), wykonuje wzorcowania przyrządów produkcji własnej jak i innych będących własnością klientów, dział badań (AB 679) wykonuje badania rozkładu parametrów środowiskowych w pomieszczeniach, tzw. mappingi. Laboratorium wykonuje również wzorcowania i badania obiektów znajdujących się poza siedzibą firmy.

Od pewnego  czasu w ofercie firmy LAB-EL pojawiły się również urządzenia do bezkontaktowego pomiaru temperatury – pirometry. W związku z odmienną specyfiką pomiarów wykonywanych pirometrami, w stosunku do klasycznego kontaktowego pomiaru temperatury, nasi klienci stawiają wiele pytań dotyczących możliwości stosowania tej metody w kontrolowanych obiektach. Na najczęściej stawiane pytania postaramy się odpowiedzieć w niniejszym artykule.

Czy pirometry znajdują zastosowanie w monitorowaniu parametrów klimatu?

Tak, pirometry znajdują zastosowanie w tej dziedzinie. Szczególnie przydatne są do pomiarów temperatur powierzchni obiektów, np. ścian. Znajomość temperatury ściany oraz punktu rosy powietrza w pomieszczeniu daje możliwość kontroli ryzyka wykraplania się wilgoci na zimnych ścianach, a tym samym może zapobiegać rozwojowi grzybów np. w obiektach zabytkowych czy muzealnych oraz innych strat np. w magazynach, gdzie składowane są produkty czułe na zawilgocenie.

Jakie są zalety stosowania pirometrów?

Pirometry są ciekawą alternatywą dla klasycznych pomiarów temperatury ale także umożliwiają pomiar w wielu trudnych miejscach gdzie klasyczny pomiar jest praktycznie niewykonalny.

Przykładowe obszary pomiaru temperatury pirometrami :

• obiekty wymagające sterylności np. żywność, leki,
• poruszające się przedmioty np. obracające się elementy maszyn i urządzeń,
• obiekty znajdujące się pod wysokim napięciem,
• obiekty zawierające żrące lub niebezpieczne substancje,
• obiekty odużej powierzchni,
• unikatowe obiekty szczególnie chronione np. dzieła sztuki, obiekty zabytkowe (bezkontaktowy pomiar temperatury nie niszczy badanych obiektów),
• obiekty o małej pojemności cieplnej (bezkontaktowy pomiar nie zaburza temperatury obiektu),
• obiekty o dynamicznych zmianach temperatury (metoda pirometryczna nie wprowadza opóźnienia spowodowanego pojemnością cieplną czujnika,
• w połączeniu z pomiarem temperatury i wilgotności powietrza, ostrzeganie o możliwości wykroplenia się pary wodnej na badanym obiekcie np. ‘zimne ściany

Jakie są charakterystyczne błędy pomiarowe cechujące pomiary pirometrem?

• Współczynnik emisyjności (e)

Podstawowym problemem z którym trzeba się zmierzyć posługując się pirometrem to konieczność ustalenia współczynnika emisyjności (e) ciała którego temperaturę chcemy zmierzyć. Dopiero prawidłowa wartość tego parametru wprowadzona do pirometru umożliwia przeprowadzanie dokładnych pomiarów. Każdy obiekt posiada zdolność do emisji (równą zdolności do absorpcji gdyż są to zjawiska wymienne) promieniowania podczerwonego, które to promieniowanie wykorzystywane jest w bezkontaktowym pomiarze temperatury. Ciało które posiada zdolność całkowitej absorpcji padającego na nie promieniowania nazywa się ciałem czarnym i jego e równy jest jedności. Natomiast ciało które nie posiada żadnej zdolności absorpcji promieniowania (e = 0) nazywane jest doskonałym lustrem. W praktyce takie idealne ciała nie występują, natomiast otaczają nas ciała szare, nieszare i półprzezroczyste, dla których e mieści się w granicach 0 < e < 1.

W poniższej tabeli zebrane zostały współczynniki emisyjności (e) ciał z którymi najczęściej mamy do czynienia w praktyce.

Materiał	Emisyjność e
Papier	0,93..0,95
Beton (związany)	0,97
Cegła (czerwona chropowata)	0,88..0,93
Mur z cegieł pokryty zaprawą	0,94
Dąb	0,77..0,88
Sosna	0,81..0,89
Płyta wiórowa	0,90
Porcelana (białą błyszcząca, szklista)	0,7..0,75
Porcelana (glazurowana)	0,92
Skóra garbowana	0,75..0,80
Skóra ludzka	0,98
Styropian	0,6
Tynk standardowy	0,86
Tynk o powierzchni chropowatej	0,91
Śnieg	0,8
Lód gładki (0 °C)	0,96
Lód gładki (-10 °C)	0,97
Woda zwykła	0,994
Woda destylowana	0,96

Współczynnik emisyjności zależy także od powierzchni materiału. Ogólnie im powierzchnia bardziej matowa, chropowata tym e większy. Szczególnie widać to w przypadku metali i tak dla stali polerowanej e = 0,16 natomiast dla stali piaskowanej e = 0,70.

• Kąt obserwacji

Pomiary powinno się przeprowadzać instalując pirometr prostopadle do badanej powierzchni materiału. Dopuszczalne odchylenie wynosi maksymalnie 30°. Błąd pomiaru spowodowany niewłaściwym kątem jest szczególnie dotkliwy przy pomiarach metali.

• Oświetlenie

Podczas pomiaru należy zlokalizować i wyeliminować ewentualne oświetlenie badanego obiektu w zakresie podczerwieni, np. przez oświetlenie słoneczne, żarowe itp. W wyniku odbicia promieniowania od badanego materiału powstaje dodatni błąd pomiaru.

• Atmosfera

Promieniowanie emitowane przez badany obiekt zanim dotrze do pirometru pokonuje pewien dystans w atmosferze wypełniającej przestrzeń. Szczególnie w przypadku dużych oddaleń badanych obiektów, kiedy dystans pokonywany przez promieniowanie jest znaczny, należy pamiętać o absorpcji promieniowania podczerwonego przez składniki atmosfery. W szczególności ważne jest by podczas pomiaru unikać dużej zawartości pary wodnej oraz nadmiernego stężenia dwutlenku węgla w powietrzu.

Co w przypadku kiedy emisyjność ciała jest nieznana?

Jeżeli zachodzi problem w określeniu rzeczywistej emisyjności ciała możemy posłużyć się pirometryczną taśmą izolacyjną. Na badaną powierzchnię obiektu o nieznanej emisyjności należy nakleić taśmę izolacyjną o znanej i podanej przez producenta emisyjności i skierować pirometr na tak przygotowany obszar. Należy dopilnować aby pirometr ‘widział ‘tylko powierzchnię naklejonej taśmy tak by w jego polu widzenia nie znalazła się nie osłonięta taśmą powierzchnia. Taśma izolacyjna (czarna porowata) przejmie ciepło od kontrolowanego obiektu i wyemituje promieniowanie ze znanym współczynnikiem e. Taśmę można również zastosować podczas pomiaru szkła czy innych materiałów półprzezroczystych. Oczywiście ograniczeniem stosowania taśmy izolacyjnej jest wartość temperatury badanego obiektu, która powinna być niższa niż dopuszczalna wartość podana przez producenta taśmy.

Jakie są parametry pomiarowe pirometrów?

Podstawowe parametry pirometru :

• Zakres pomiaru.
• Niepewność pomiaru (błędy).
• Zakres widmowy pirometru.
• Współczynnik odległościowy d/D lub kąt widzenia, związany z optyką pirometru.
• Zakres temperatur otoczenia w jakich może pracować przyrząd.

Jaki jest zasięg pirometru?

Pojęcie zasięgu w zasadzie nie występuje w przypadku pomiaru pirometrem. Należy jednak zdawać sobie sprawę z właściwości zastosowanej optyki w pirometrze (współczynnik odległościowy d/D lub kat pola widzenia). Pirometr odbiera promieniowanie docierające do niego tylko z określonego kąta zwanego kątem widzenia pirometru. Z tego parametru możemy sobie wyznaczyć z jak dużej powierzchni obiektu wyemitowanie promieniowanie będzie miało wpływ na wynik pomiaru. Oddalając obiekt, powierzchnia ‘widziana’ przez pirometr wzrasta. Pomiar temperatury obiektu ma sens tylko wówczas jeżeli promieniowanie docierające do pirometru pochodzi wyłącznie od jego powierzchni a nie od innych źródeł znajdujących się obok lub za badanym obiektem.

Przy znacznych odległościach pomiędzy obiektem a pirometrem promieniowanie emitowane przez obiekt jest absorbowane po drodze przez atmosferę. Szczególnie promieniowanie podczerwone jest tłumione przez parę wodną i dwutlenek węgla. Dlatego należy unikać pomiarów przy dużym stężeniu CO₂ i dużej wilgotności powietrza.

Czy pirometr może być wzorcowany?

Oczywiście, pirometry można wzorcować. Odbywa się to w laboratorium wyposażonym w wzorcowe techniczne ciało czarne i wzorcowy termometr temperatury ciała czarnego. Wzorcowanie polega na wyznaczeniu poprawek wskazań pirometru w odpowiednich punktach pomiarowych mieszczących się w pełnym zakresie pomiarowym pirometru lub w węższym zakresie. Pirometr skierowany jest na techniczne ciało czarne którego temperatura jest kontrolowana przez klasyczny kontaktowy termometr wzorcowy o dużej dokładności pomiaru.

Czy Laboratorium firmy LAB-EL wykonuje wzorcowania pirometrów?

Tak, jednakże Laboratorium Wzorcujące Temperatury, Wilgotności i Ciśnienia LAB-EL nie posiada akredytacji na wzorcowanie pirometrów. W najbliższym czasie laboratorium wystąpi z wnioskiem do PCA o rozszerzenie posiadanej akredytacji w zakresie pomiarów pirometrycznyh.

Czy pirometr można zintegrować z systemem pomiarowym?

Tak. Choć pirometr najczęściej kojarzony jest z urządzeniem ręcznym przypominającym pistolet możliwe jest wykonanie w postaci stacjonarnej zintegrowanej z nadrzędnym systemem zbierania i przetwarzania danych pomiarowych. W rozwiązaniu oferowanym przez LAB-EL niektóre pirometry mogą pracować w systemie zarządzanym przez oprogramowanie LBX. Program LBX służy do zarządzania danymi pomiarowymi pozyskiwanymi przez różnorakie przyrządy pomiarowe i koncentratory danych. Służy do monitorowania, alarmowania (np. SMS, e-mail) i sterowania urządzeniami wykonawczymi w najróżniejszych obiektach wykorzystując sieć Ethernet do swobodnego dostępu operatorów do sytemu.

Jakie wersje pirometrów dostępne są w ofercie LAB-EL

• LB-535TI - Pirometr bezprzewodowy, rejestrator temperatury
• LB-710AI - Pirometr, termometr bezdotykowy
• 668 - Bezdotykowy termometr medyczny
  

Kontynuacja artykułu nastąpi w drugiej części - Pirometryczne pomiary temperatury cz. 2