Введение
Инфракрасный термометр – это термометр, который определяет температуру по части теплового излучения, иногда называемого излучением абсолютно черного тела, испускаемого измеряемым объектом. Их иногда называют лазерными термометрами, так как лазер используется для облегчения наведения, или бесконтактными термометрами, или "температурными пистолетами", чтобы описать способность устройства измерять температуру на расстоянии. Зная количество инфракрасной энергии, излучаемой объектом, и его коэффициент излучения, температуру объекта часто можно определить в пределах определенного диапазона от его фактической температуры. Инфракрасные термометры являются частью группы устройств, известных как "терморадиационные термометры". Иногда, особенно при температурах, близких к температуре окружающей среды, показания могут быть неточными из-за отражения излучения от более горячего тела – даже от человека, держащего прибор – а не излучаемого самим измеряемым объектом, а также из-за неверно определенного коэффициента излучения. Конструкция в основном состоит из линзы, фокусирующей инфракрасное тепловое излучение на детектор, который преобразует излучаемую мощность в электрический сигнал, который после компенсации температуры окружающей среды может быть отображен в единицах температуры. Это позволяет измерять температуру на расстоянии, не касаясь измеряемого объекта. Бесконтактный инфракрасный термометр полезен для измерения температуры в ситуациях, когда термопары или другие датчики контактного типа не могут быть использованы или не обеспечивают точные данные по различным причинам.
An infrared thermometer is a thermometer which infers temperature from a portion of the thermal radiation sometimes called black body radiation emitted by the object being measured. They are sometimes called laser thermometers as a laser is used to help aim the thermometer, or non contact thermometers or temperature guns, to describe the device's ability to measure temperature from a distance. By knowing the amount of infrared energy emitted by the object and its emissivity, the object's temperature can often be determined within a certain range of its actual temperature. Infrared thermometers are a subset of devices known as "thermal radiation thermometers". Sometimes, especially near ambient temperatures, readings may be subject to error due to the reflection of radiation from a hotter body—even the person holding the instrument — rather than radiated by the object being measured, and to an incorrectly assumed emissivity. The design essentially consists of a lens to focus the infrared thermal radiation on to a detector, which converts the radiant power to an electrical signal that can be displayed in units of temperature after being compensated for ambient temperature. This permits temperature measurement from a distance without contact with the object to be measured. A non contact infrared thermometer is useful for measuring temperature under circumstances where thermocouples or other probe type sensors cannot be used or do not produce accurate data for a variety of reasons.
Примеры использования
Некоторые типичные ситуации включают в себя измерение движущихся объектов, объектов, окруженных электромагнитным полем (например, при индукционном нагреве), объектов, находящихся в вакууме или другой контролируемой атмосфере. Также инфракрасные термометры применяются там, где требуется быстрый отклик, необходима точная температура поверхности, температура объекта превышает допустимый предел для контактных датчиков, контакт с датчиком может повредить объект или сам датчик, или создать значительный температурный градиент на поверхности объекта. Инфракрасные термометры могут использоваться для широкого спектра задач по контролю температуры. Примеры включают в себя обнаружение облаков для работы с телескопами дистанционно, проверку механического или электрического оборудования на предмет перегрева и горячих точек, измерение температуры пациентов в больнице бесконтактным способом, контроль температуры нагревателей и печей для калибровки и управления, выявление очагов возгорания при тушении пожаров, мониторинг материалов в процессах нагрева или охлаждения, а также измерение температуры вулканов. Во время эпидемий заболеваний, сопровождающихся лихорадкой, таких как SARS и лихорадка Эбола, инфракрасные термометры использовались для скрининга прибывающих путешественников на наличие повышенной температуры, не создавая риска заражения. В 2020 году, с началом пандемии COVID-19, инфракрасные термометры стали широко использоваться для измерения температуры людей и ограничения доступа в потенциально опасные зоны при обнаружении признаков лихорадки. Государственные органы здравоохранения, такие как FDA в США, опубликовали правила для обеспечения точности и стабильности показаний инфракрасных термометров. Существует множество типов инфракрасных датчиков температуры, предназначенных для портативного, ручного использования и стационарной установки.
Точность
Инфракрасные термометры характеризуются техническими характеристиками, включающими точность и угловое покрытие. Простейшие приборы могут иметь погрешность измерения около ±2 °C или ±4 °F. Отношение расстояния к размеру пятна (D:S) – это отношение расстояния до измеряемой поверхности к диаметру области измерения температуры. Например, если отношение D:S равно 12:1, диаметр измеряемой области составляет одну двенадцатую от расстояния до объекта. Термометр с более высоким отношением D к S способен измерять более конкретную, узкую поверхность на большем расстоянии, чем термометр с меньшим отношением. Устройство с отношением 12:1 может измерять круг диаметром 1 дюйм на расстоянии одного фута, в то время как устройство с отношением 10:1 достигает того же круга диаметром 1 дюйм на расстоянии 10 дюймов и более широкого, менее конкретного круга диаметром 1,2 дюйма на расстоянии 12 дюймов. Идеальная целевая площадь должна быть не менее чем в два раза больше размера пятна на данном расстоянии, при этом меньшие площади относительно расстояния приводят к менее точным измерениям. Инфракрасный термометр не следует размещать слишком близко к объекту измерения, так как это может привести к нагреву корпуса термометра и повреждению датчика. Погрешность измерения обычно уменьшается только при значительном увеличении расстояния из-за влияния отражательной способности и попадания в поле зрения датчика других источников тепла. Согласно закону Стефана — Больцмана, мощность излучения пропорциональна четвертой степени температуры, поэтому, если на измеряемой поверхности есть как горячие, так и холодные участки, показанная температура может быть выше, чем фактическая средняя температура, и ближе к среднему значению четвертой степени температуры. Большинство поверхностей имеют высокую излучательную способность (более 0,9 для большинства биологических поверхностей), и большинство ИК-термометров основываются на этом упрощающем предположении; однако отражающие поверхности имеют более низкую излучательную способность, чем не отражающие поверхности. Некоторые датчики имеют регулируемую настройку излучательной способности, которую можно установить для измерения температуры отражающих и не отражающих поверхностей. Нерегулируемый термометр можно использовать для измерения температуры отражающей поверхности, нанеся на нее не отражающую краску или ленту, что приведет к некоторой потере точности. Датчик с регулируемой настройкой излучательной способности также можно использовать для калибровки датчика для конкретной поверхности или для измерения излучательной способности поверхности. Если температура поверхности точно известна (например, измерена контактным термометром), настройку излучательной способности датчика можно отрегулировать до тех пор, пока показания температуры ИК-методом не совпадут с показаниями контактного метода; настройка излучательной способности будет указывать на излучательную способность поверхности, которую можно учитывать при последующих измерениях аналогичных поверхностей (только).
Инфракрасный пирометр
Наиболее распространенным инфракрасным термометром является точечный инфракрасный пирометр или инфракрасный пирометр, который измеряет температуру в определенной точке на поверхности (фактически, в относительно небольшой области, определяемой соотношением D:S). Обычно такие термометры проецируют видимую красную точку в центр измеряемой области для обозначения точки измерения, однако эта точка не участвует в самом процессе измерения. Фактическая угловая область измерения варьируется в зависимости от прибора и не ограничивается видимым пятном. К смежным устройствам, хотя и не являющимся термометрами в строгом смысле, относятся системы инфракрасного сканирования и инфракрасные тепловизионные камеры. Системы инфракрасного сканирования охватывают большую площадь, как правило, используя по сути точечный термометр, направленный на вращающееся зеркало. Эти устройства широко применяются в производстве, где используются конвейеры или процессы с непрерывной подачей материала ("web" процессы), например, при выходе больших листов стекла или металла из печи, при производстве тканей, бумаги или непрерывных слоев материала на конвейерной ленте. Инфракрасные тепловизионные камеры, или инфракрасные камеры, по сути являются инфракрасными термометрами, измеряющими температуру во множестве точек на относительно большой площади для создания двухмерного изображения, называемого термограммой, где каждый пиксель представляет собой значение температуры. Эта технология требует больше вычислительных ресурсов и программного обеспечения, чем точечные или сканирующие термометры, и используется для мониторинга больших площадей. Типичные области применения включают в себя мониторинг периметра, используемый военными или службами безопасности, контроль качества производственных процессов и оборудования, а также мониторинг горячих и холодных точек в закрытых помещениях или на оборудовании для обеспечения безопасности и повышения эффективности. Фотокамера, использующая инфракрасную пленку и соответствующую оптику, также может называться "инфракрасной камерой". Однако она фиксирует только ближний инфракрасный диапазон и нечувствительна к тепловому излучению от объектов комнатной температуры.