Laserový teploměr: princip činnosti. Laserový dálkový teploměr (fotka)

Měření teploty může být kontaktem a dálkovým ovládáním. Nejběžnější termočlánky, odporové snímače a teploměry, které potřebují kontaktovat objekt, protože měří svou vlastní teplotu. Dělají to pomalu, ale jsou nenákladné.

Bezkontaktní senzory měřit infračervené záření objektu, poskytnout rychlý výsledek a obvykle se používají k určení teploty pohyblivých a nestacionárních těles ve vakuu a nepřístupné kvůli agresivitě prostředí, vlastnostem formy nebo bezpečnostní hrozbě. Cena těchto zařízení je poměrně vysoká, i když v některých případech je srovnatelná s kontaktem.

Monochromatická termometrie

Monochromatická metoda pro určení celkového jasu energie používá danou vlnovou délku. Implementace se pohybuje od ručních sond s jednoduchým dálkovým měřením až po složitá přenosná zařízení, což umožňuje současně sledovat objekt a jeho teplotu záznamem naměřených hodnot do paměti přístroje nebo jeho tisku. Stacionární snímače jsou představovány jednoduchými malými detektory se vzdálenou elektronikou a vysoce odolnými zařízeními s dálkovým ovládáním PID. Optická vlákna, laserové pozorování, chlazení vodou, přítomnost displeje a skeneru - volitelné možnosti monitorování technologických procesů a řídicích systémů.

Konfigurace, spektrální filtrování, rozsah provozních teplot, optika, doba odezvy a jas objektu jsou důležitými prvky ovlivňujícími výkon a měly by být během výběru pečlivě zváženy.

Snímač může být buď jednoduchý dvouvodičový nebo komplexní zařízení s vysokou citlivostí proti opotřebení.

Výběr spektrální odezvy a rozsah provozních teplot souvisí se specifickými úkoly měření. Krátké vlnové délky jsou určeny pro vysoké teploty a dlouhé pro nízké teploty. Pokud jsou objekty průhledné, například plasty a sklo, pak je zapotřebí filtrace s úzkými vlnami. Absorpční páska CH polyethylenového filmu je 3,43 mikronů. Výběr spektra v tomto rozsahu zjednodušuje výpočet koeficientu radiace. Podobně skleněné materiály se stávají opačné při vlnové délce 4,6 μm, což umožňuje přesně stanovit teplotu skleněného povrchu. Rozsah emisí 1 až 4 μm umožňuje měření přes kontrolní otvory vakuových a tlakových komor. Alternativou je použití optického kabelu.

Optika a doba odezvy jsou ve většině případů nevýznamné, protože zorné pole velikost 3 cm ve vzdálenosti 50 cm a doba odezvy kratší než 1 s. U malého nebo rychle se pohybujícího přerušovaného objektu je potřeba malý měřící bod (3 mm v průměru) nebo dokonce menší (0,75 mm). Dálkové zaměřování (3-300 m) vyžaduje optické ovládání, protože standardní zorné pole přístroje je příliš velké. V některých případech se používá metoda dvou vlnové radiometrie. Optická vlákna umožňují oddělit elektroniku od agresivního prostředí, eliminovat účinky rušení a vyřešit problém s přístupem.

Laserový teploměr má v podstatě nastavitelnou dobu odezvy v rozmezí 0,2 až 5,0 s. Rychlá odezva může zvýšit úroveň šumu signálu, zatímco pomalá ovlivňuje citlivost. Když indukční ohřev vyžaduje okamžitou reakci a pro dopravník - pomalejší odezvu.

Monochromatická IR termometrie je jednoduchá a používá se v případech, kdy je kontrola teploty mimořádně důležitá pro vytváření vysoce kvalitních výrobků.

Dvojvlnová termometrie

Při složitějších problémech, kde je absolutní přesnost měření kritická a kde je výrobek vystaven fyzikálním nebo chemickým účinkům, se používá radiotelefonie dvou a více vln. Koncept se objevil na počátku padesátých let a poslední změny v designu a hardwaru zvýšily produktivitu a snížily náklady.

Metoda spočívá v měření spektrální hustoty energie ve dvou různých vlnových délkách. Teplota objektu lze číst přímo z přístroje, pokud je emisivita stejná pro každou vlnovou délku. Indikace budou správné, i když zorné pole částečně pokryté relativně chladnými materiály, jako jsou prach, drátěné síty a šedé průsvitné okna. Teorie metody je jednoduchá. Pokud je energetická jasnost obou vlnových déle stejná (u šedého těla), sníží se koeficient radiace a poměr se stane úměrný teplotě.

Laserový teploměr s dvěma vlnovými délkami se používá v průmyslu a ve vědeckém výzkumu jako jednoduchý, jedinečný snímač schopný snížit chybu měření.

Navíc byly vyvinuty vícenásobné teploměry pro materiály, které nejsou šedými tělesy, jejichž absorpční koeficient se mění s vlnovou délkou. V těchto případech je nutná podrobná analýza povrchových charakteristik materiálu vzhledem k vztahu mezi tímto koeficientem, vlnovou délkou, teplotou a chemickým složením povrchu. Za přítomnosti těchto dat je možné vytvořit algoritmy pro výpočet závislosti spektrálního záření při různých vlnových délkách na teplotě.

Pravidla hodnocení

Pro hodnocení přesnosti měření by uživatel měl znát následující informace:

• IR-senzory podle jejich přirozených barev nerozlišují.
• Pokud je povrch lesklý, zařízení nastaví nejenom vyzařovanou, ale i odraženou energii.
• Pokud je objekt průhledný, je zapotřebí infračervená filtrace (například sklo je neprůhledné při 5 μm).
• U devíti z deseti případů není nutné absolutně přesné měření. Opakované čtení indikací a absence předpojatosti zajistí potřebnou přesnost. Když se změní energetický jas a zpracování dat je obtížné, měli bychom zastavit radiometrii dvou a více vln.

Stavební prvky

Bezkontaktní laserový teploměr pracuje podle principu: infračervená energie na vstupním a výstupním signálu. Základním obvodem zařízení je sběr optiky, čoček, spektrálních filtrů a detektor jako externí rozhraní. Dynamické zpracování se provádí různými způsoby, ale může být redukováno na zesílení, tepelnou stabilizaci, linearizaci a transformaci signálu. Konvenční okenní sklo se používá pro krátkovlnné záření, křemen pro střední frekvence a germanium nebo sulfid zinečnatý pro rozsah 8-14 mikronů, optické vlákno pro vlnové délky 0,5-5,0 mikronů.

Zorné pole

Laserový dálkový teploměr je charakterizován zorným polem (PP) - velikostí bodu kontroly teploty v dané vzdálenosti. Změna průměru zorného pole je přímo úměrná změně vzdálenosti mezi teploměrem a objektem měření. Jeho hodnota závisí na výrobci a ovlivňuje cenu zařízení. Existují modely s hodnotou PZ menší než 1 mm pro bodové měření a s optikou s dlouhým dosahem (7 cm ve vzdálenosti 9 m). Pracovní vzdálenost nemá vliv na přesnost měření, pokud objekt vyplní celé měřicí místo. Zároveň by maximální ztráta signálu neměla překročit 1%.

Zamíření

Konvenční IR-teploměry vyrábějí měření bez dalších zařízení. To je přijatelné pro práci s velkými předměty, například s papírovým hadříkem, kde není požadována přesnost bodů. U malých nebo vzdálených objektů se používá laserový paprsek. Bylo vytvořeno několik možností laserového cílení.

1. Paprsek s posunem od optické osy. Nejjednodušší model se používá u zařízení s nízkým rozlišením pro velké objekty, protože odchylka je příliš velká.
2. Koaxiální paprsek. Odchyluje se od optické osy. Střed místa je přesně vyznačen na libovolné vzdálenosti.
3. Dvojitý laser. Průměr bodu je označen dvěma tečkami, což eliminuje potřebu hádání nebo výpočtu průměru a nevede k chybám.
4. Kruhový ukazatel s posunutím. Zobrazuje zorné pole, jeho velikost a vnější okraj.
5. 3-bodový koaxiální ukazatel. Světelný paprsek je rozdělen na tři jasné body umístěné na stejné čáře. Středový bod označuje střed bodu, zatímco vnější bodka udává jeho průměr.

Zaměřování poskytuje účinnou pomoc ve směru teploměru přesně na předmětu měření.

Filtry

V teploměru se používají filtry s krátkými vlnami pro měření při vysokých teplotách (> 500 ° C) a filtry s dlouhým vlnovým dnem pro nízké teploty (-40 ° C). Silikonové detektory jsou například odolné vůči teplu a krátká vlnová délka snižuje chybu měření. Dalšími selektivními filtry se používají plastové fólie (3,43 μm a 7,9 μm), sklo (5,1 μm) a plamen (3,8 μm).

Senzory

Většina snímačů je buď fotovoltaická, vytváří napětí při vystavení infračervenému záření nebo fotovodivé, tj. Změní jejich odpor při působení zdroje energie. Jsou rychlé, vysoce citlivé, mají přijatelný teplotní posun, který lze překonat například termistorovým obvodem teplotní kompenzace, automatickým nulovým okruhem, omezením amplitudy a izotermickou ochranou.

V obvodu IR teploměru je výstupní signál detektoru řádu 100-1000 μV podroben tisíckrát amplifikaci, je regulován, linearizován a v důsledku toho představuje lineární signál proudu nebo napětí. Jeho optimální hodnota je 4-20 mA, což minimalizuje vnější rušení. Tento signál lze odeslat na port RS-232 nebo na PID řadič, vzdálený displej nebo záznamové zařízení. Jiné použití signálu:

• on / off alarm;
• udržování maximální hodnoty;
• nastavitelná doba odezvy;
• v systému odběru vzorků a skladování.

Rychlost

Infračervený laserový teploměr má průměrnou dobu odezvy přibližně 300 ms, ačkoli použití silikonových detektorů může dosáhnout hodnot 10 ms. V mnoha nástrojích se doba odezvy mění, aby se zvuk zvlhčoval a regulace citlivosti. Není vždy nutné mít minimální dobu odezvy. Například při indukčním ohřevu by měl být čas v rozsahu 10-50 ms.

Charakteristika laserových teploměrů

Etekcity Lasergrip 630 je infračervený 2-laserový teploměr, cena je 35,99 dolarů. Specifikace produktu:

• teplotní rozsah -50 ... +580 ° C;
• přesnost +/- 2%;
• poměr vzdálenosti k bodové velikosti 16: 1;
• Emisivita 0,1 - 1,0;
• čas odezvy <500 ms;
• rozlišení 1 ° C

Laserový teploměr (foto) také informuje o největší, nejmenší a průměrné teplotě. Měřicí bod je posunut o 2 cm níže cílové body. Laserové vedení je nejpřesnější v průsečíku paprsků (36 cm).

Amprobe IR-710 je infračervený laserový teploměr s cenou 49,95 USD. Specifikace produktu:

• teplotní rozsah -50 ... +538 ° C;
• minimální velikost bodu je 20 mm;
• přesnost +/- 2%;
• poměr vzdálenosti k bodové velikosti 12: 1;
• Emisivita: 0,95;
• doba odezvy 500 ms;
• rozlišení 1 ° C

Tento laserový teploměr (foto) kromě aktuální teploty také udává jeho minimální a maximální hodnoty.