Бесконтактный указатель температуры: разработка измерения температуры объекта на дистанции

Хоть какому объекту (телу), температура которого превосходит абсолютный нуль (–273,15°C), присущ эффект поверхностной генерации электромагнитных лучей. Уровень такового излучения пропорционален внутренней температуре объекта (тела). Частью этого внутреннего фона является инфракрасное излучение, на базе которого допустимо сделать бесконтактный указатель температуры под различное предназначение. Разглядим технологические принципы и физические эффекты, содействующие созданию устройства бесконтактного температурного контроля.

СОДЕРЖИМОЕ ПУБЛИКАЦИИ :

  • 1 Система инфракрасного измерения температуры
    • 1.1 Диапазон электромагнитного излучения для бесконтактного указателя температуры
  • 2 Физические базы под устройство бесконтактного указателя температуры
    • 2.1 Определение термина «чёрное тело»?
    • 2.2 Теория фона «чёрного тела»
    • 2.3 Что такое «сероватое тело»?
  • 3 Система и работа бесконтактных термометров
    • 3.1 Сенсоры бесконтактных термометров
      • 3.1.1 Термо детекторные элементы термометров
      • 3.1.2 Бесконтактный указатель температуры и квантовые детекторные элементы

Система инфракрасного измерения температуры

На 1-ый взор система инфракрасного измерения (бесконтактного указателя температуры) ординарна. Инфракрасное излучение свободно просачивается в атмосферу. При помощи линзы бесконтактного указателя температуры инфракрасные лучи допустимо сфокусировать на элементе сенсора. В итоге сенсор выдаёт электронный сигнал, величина которого пропорциональна величине излучения.

Сформированный сигнал усиливается, подвергается цифровой обработке, опосля что подаётся на выход схемы. Значение измерения отображается на мониторе бесконтактного указателя температуры, или выводится аналоговым сигналом. При всем этом обеспечивается обычное подключение к системам управления указателем температуры.

ТЕРМОМЕТРЫ

Бесконтактный термометр: технология измерения температуры объекта на дистанции

Фабричным созданием освоен выпуск бесконтактных термометров различного предназначения и внедрения, в том числе обширное распространение отыскали приборы бытового предназначения

Бесконтактный указатель температуры показывает очевидные достоинства бесконтактного контроля температуры:

  • контроль температур объектов, включая небезопасные среды;
  • моментальная реакция и время фиксации результата;
  • измерение без конкретной связи с объектом;
  • размеренное измерение;
  • длительная работа без механических повреждений конструкции.

Диапазон электромагнитного излучения для бесконтактного указателя температуры

Термин «диапазон» с физической точки зрения рассматривается, обычно, интенсивностью электромагнитных волн либо функцией длины волны (частоты волны). Диапазоном электромагнитного излучения обхватывает область длин волн от сектора к сектору, исходя из происхождения, формирования, внедрения излучения.

Все виды электромагнитного излучения следуют схожим принципам:

  • дифракции,
  • преломления,
  • отражения,
  • поляризации.

Скорость расширения представлена как неизменный итог умножения длины волны на частоту:

λ · f = c

Инфракрасное излучение обхватывает очень ограниченную долю спектра электромагнитного диапазона. Начало отмечено видимым спектром (0,78 мкм), а конец охвата — длины волн 1000 мкм. Спектр 0,7 — 14 мкм оптимален под инфракрасное измерение температуры – работа бесконтактного указателя температуры. За пределами этого спектра уровень энергии недостаточен для чувствительности сенсоров.

Физические базы под устройство бесконтактного указателя температуры

Далёкий 1900 год стал моментом, когда учёным физикам удалось найти полный электромагнитный диапазон. Тогда же были установлены высококачественные и количественные корреляции, описывающие инфракрасную энергию.

Определение термина «чёрное тело»?

Конвертер излучения, способный всасывать всё входящее излучение при полном исключении проявления эффекта какого-нибудь отражения либо пропускания энергии, учёные охарактеризовывают как «чёрное тело».

HT-8200

Бесконтактный термометр: технология измерения температуры объекта на дистанции

Элементы конструкции бесконтактного ручного указателя температуры: 1 – клавиша установки единиц измерения температуры (ºC / ºF); 2 – клавиша установки режима работы; 3 – клавиша включения / выключения; 4 – измеренная температура на мониторе; 5 – красноватая точка лазера; 6 – детектирующее отверстие; 7 – кнопка активации измерения; 8 – блок питания

«Чёрному телу» типично излучение максимума энергии на каждой длине волны. При всем этом уровень фона не зависит от угловых величин. «Чёрное тело» рассматривается как база осознания физических принципов бесконтактного контроля температуры, также техники калибровки инфракрасных бесконтактных термометров.

Довольно обычный видится система полого «чёрного тела», имеющего маленькое отверстие в одной из конечных областей. Если происходит нагрев до определенного значения температуры, снутри полой области отмечается баланс температуры. Через имеющееся отверстие эта температура излучается. Под любой температурный спектр и с учётом внедрения, роль играют материал и геометрическая структура «чёрного тела».

Если отверстие весьма малого поперечника по сопоставлению с общим объёмом, интерференция безупречного состояния очень мала. Позиционируя измерительный аппарат (бесконтактный указатель температуры) по системному отверстию «чёрного тела», делают калибровку измерительного устройства.

ЦИФРОВОЙ

Бесконтактный термометр: технология измерения температуры объекта на дистанции

Для калибровки таковых устройств как бесконтактный указатель температуры употребляется особое оборудование, с помощью которого получают и определяют базисную температурную точку

На практике обыкновенные устройства употребляют поверхности, которые покрыты пигментированной краской, показывая значения поглощения, плюс излучающую способность для установленного спектра длин волн. Такового подхода довольно для калибровки под настоящий контроль.

Теория фона «чёрного тела»

Закон лучистой энергии по Планку устанавливает базисную связь под бесконтактное измерение температуры. Сиим законом характеризуется удельная величина спектрального излучения (Mλs) «чёрного тела» в область полупространства, с учётом температуры (T) и длины волны (λ).

Повышение температуры сопровождается смещением удельной наибольшей величины спектрального излучения в зону наиболее маленьких длин волн. Но представленную формулу неприемлимо использовать без ограничений. Но допустимо брать из концепции разные соотношения.

Внедрением спектральной интенсивности излучения под все длины волн от 0 до бесконечности, открываются способности получения значений фона объекта в целом. Такое соотношение определяется законом Стефана-Больцмана:

MλS = σ · T4 [Watt m2] σ = 5,67 · 10–8 WM–2 K–4

Полный фон «чёрного тела» в границах общего спектра длин волн растёт пропорционально четвёртой степени абсолютной температуры. Закон Планка в графике также показывает, как длина волны под генерацию максимума фона «чёрного тела» двигается по факту температурных конфигураций.

Читайте также:  Ремонт электроплит Ariston, Beko, Bosch, Electrolux

Закон смещения по Вину выводится из формулы Планка способом дифференциации:

λ max · T = 2898 μm · K

Длина волны под наибольшее значение излучения, с ростом температуры перебегает в область маленьких волн.

Что такое «сероватое тело»?

Только немногие тела соответствуют эталону чёрного тела. Почти все тела источают куда меньше радиации при аналогичной температуре. Излучающая способность (ε) описывает отношение величины излучения в настоящем и «чёрном» телах (меж нулём и единицей). Инфракрасный датчик принимает излучение с поверхности объекта, включая фон окружающей среды, плюс инфракрасное излучение от контрольного объекта:

ε + ρ + τ = 1;

где: ε – излучающая способность, ρ – отражательная способность, τ – степень прозрачности.

Большая часть имеющихся тел остаются непрозрачными в инфракрасном спектре, потому в таковых вариантах применимо последующее выражение:

ε + ρ = 1;

демонстрирующее, как проще определять отражение, нежели излучающую способность объекта (тела).

Система и работа бесконтактных термометров

На картинке ниже показана блок-схема система бесконтактного инфракрасного указателя температуры. Средством входной оптики излучение от объекта ориентировано на инфракрасный сенсор. Этот компонент сформировывает в итоге электронный сигнал для следующего усиления и предстоящей обработки.

НЕКОНТАКТ

Бесконтактный термометр: технология измерения температуры объекта на дистанции

Обычное выполнение бесконтактного указателя температуры блочной схемой: 1 – инфракрасный сенсор; 2 – подготовительный усилитель сигнала; 3 – преобразователь; 4 – процессор; 5 – цифро-аналоговый преобразователь; 6 – выход линейный (4 – 20 мА); 7 – цифровой интерфейс

Цифровая обработка заключается в преобразовании входного сигнала в выходное значение, пропорциональное температуре контрольного объекта. Итог температуры или отображается на информационном мониторе бесконтактного указателя температуры, или может употребляться в качестве аналогового сигнала для предстоящей обработки.

Чтоб восполнить воздействия окружающей среды, 2-ой сенсор бесконтактного указателя температуры определяет температуру измерительного элемента и оптического канала, соответственно. Как следует, температура объекта измерения, обычно, генерируется 3-мя шагами:

  1. Преобразование приобретенного инфракрасного излучения в электронный сигнал.
  2. Компенсация фонового излучения от указателя температуры и объекта.
  3. Линеаризация и вывод инфы о температуре на бесконтактном указателе температуры.

Кроме отображаемого значения температуры, бесконтактные указатели температуры также поддерживают линейные выходы (0/4 — 20 мА, 0 — 10В) и элементы термопары. Таковая возможность дозволяет просто подключаться к системам управления указателем температуры.

 

Не считая того, большая часть применяемых в истинное время бесконтактных инфракрасных термометров имеют цифровые интерфейсы (USB, RS232, RS485), используемые для предстоящей обработки цифрового сигнала и для обеспечения доступа к характеристикам устройства.

Сенсоры бесконтактных термометров

Одним из принципиальных частей каждой конструкции бесконтактного инфракрасного указателя температуры является приёмник излучения — сенсор. Есть и используются в системах термометров две главные группы инфракрасных датчиков:

  1. Термо.
  2. Квантовые.

Термо детекторные элементы термометров

1-ая группа чувствительных детекторных частей термометров, в свою очередь, разбита ещё на ряд устройств:

  • термоэлементы,
  • пироэлектрические сенсоры,
  • болометры.

Термо сенсоры бесконтактных термометров свойственны тем, что тут температура чувствительного элемента меняется из-за поглощения электромагнитного излучения. Этот момент приводит к изменению характеристики сенсора, которое зависит от температуры. Изменение характеристики электрически анализируется и употребляется в качестве эталона поглощённой энергии.

ДЛЯ ДЕТЕЙ

Бесконтактный термометр: технология измерения температуры объекта на дистанции

Один из вариантов конструкции современного инфракрасного сенсора, из тех чувствительных частей, что используются в составе бесконтактных инфракрасных термометров

Термопарам конструктивно присуще соединение 2-ух проводников из различных железных материалов. Когда точка соединения греется, термоэлектрический эффект приводит к возникновению электронного напряжения. На контактных указателях температуры этот эффект термопары употреблялся в течение долгого времени.

Пироэлектрический сенсор — чувствительный элемент на базе пироэлектрического материала с 2-мя электродами. Поглощённое инфракрасное излучение приводит к изменению температуры чувствительного элемента, что приводит к изменению поверхностной перегрузки вследствие пироэлектрического эффекта. Сделанный таковым образом электронный выходной сигнал обрабатывается подготовительным усилителем.

Болометры употребляют температурную зависимость электронного сопротивления. Чувствительный элемент состоит из резистора, который меняется при поглощении тепла. Изменение сопротивления приводит к изменению напряжения сигнала. Болометры, которые работают при комнатной температуре, употребляют температурный коэффициент железных резисторов, также полупроводниковых резисторов.

Бесконтактный указатель температуры и квантовые детекторные элементы

Очевидной отличительной от термических чертой квантовых сенсоров является наиболее стремительная реакция на поглощённое излучение. Режим работы квантовых сенсоров основан на фотоэффекте. Фотоны инфракрасного излучения приводят к повышению электронов до наиболее высочайшего энергетического уровня снутри полупроводникового материала.

ДЕТЕКТОРЫ

Бесконтактный термометр: технология измерения температуры объекта на дистанции

Квантовый сенсор – продукт производства одной из обширно узнаваемых компаний, но созданный для целей несколько других, нежели бесконтактное измерение температуры

Когда электроны перетекают назад, генерируется электронный сигнал (напряжение либо мощность). Также может быть изменение электронного сопротивления. Эти сигналы могут быть проанализированы четким методом. Квантовые сенсоры – стремительно реагирующие, чувствительные элементы бесконтактных современных термометров.

Температура чувствительного элемента термического сенсора меняется относительно медлительно. Временные константы термических сенсоров обычно больше, чем временные константы квантовых сенсоров. Проще говоря, неизменные времени термических сенсоров можно определять в миллисекундах, тогда как неизменные времени квантовых сенсоров допустимо определять в наносекундах либо даже микросекундах.

Невзирая на резвое развитие в области квантовых сенсоров, как и раньше существует огромное количество применений конструкций бесконтактных термометров, в каких желательно употребляются термо сенсоры. Вот почему эти элементы бесконтактных термометров пока что остаются нужными на схожем уровне с наиболее продвинутыми квантовыми сенсорами.

С помощью инфы: OPTRIS

ПОНРАВИЛАСЬ ЗАМЕТКА: Бесконтактный указатель температуры: разработка измерения температуры объекта на дистанции — поделись ссылкой на НАШ веб-сайт

Оставьте первый комментарий

Оставить комментарий