Наиболее информативным видом такого оборудования попрежнему является тепловизор. Однако высокая стоимость тепловизионной техники, неудовлетворительные весогабаритные характеристики, весьма относительная автономность и сложности транспортирования сдерживают ее широкое применение. В ряде случаев проще, легче и дешевле использовать дистанционные измерители температуры (пирометры).
Пирометр ДИЭЛТЕСТ-ТЭ разрабатывался с учетом специфических требований, которые должны обеспечивать следующее:
- показатель визирования (отношение расстояния до объекта к размеру измеряемого участка его поверхности) — не менее 150:1 (обычно от 200 до 300:1);
- диапазон рабочих расстояний — от 1 - 2 до 20 - 50 м;
- относительно узкий диапазон измеряемых температур — от температуры окружающей среды до 150 - 200°С;
- работа в широком диапазоне температур окружающей среды — от -10 - -20 до +35 - +40°С;
- работа в спектральном диапазоне 8 - 14 мкм ("солнечно слепой" прибор);
- исключение рассогласования оптических осей визира и приемника излучения (рассогласование может быть следствием как небрежной заводской юстировки, так и смещения элементов в результате ударов и падений прибора);
- защиту от влияния электрических и магнитных полей;
- достаточно высокую разрешающую способность по температуре, не хуже одногодвух градусов при температуре объекта в пределах 25 – 35°С;
- нормированное время самопрогрева при включении и переносе в другое помещение с сильно отличающейся температурой окружающей среды;
- простоту в обращении, минимальные габариты и массу, достаточно большой ресурс работы от автономного источника;
- посильную нагрузку на мышцы рук оператора при длительной работе с прибором.
Из известных в нашей стране пирометров в той или иной степени приближены к этим требованиям лишь приборы HSA-201, HSA-202 американской фирмы Wahl и пирометр "Pyrovar", производившийся в бывшей ГДР. Однако американские приборы все еще дороги для большинства отечественных потребителей, а немецкие — не производятся. К приборам подобного класса относится вновь разработанный пирометр ДИЭЛТЕСТ-ТЭ.
Конструкция прибора ДИЭЛТЕСТ-ТЭ показана на рисунке. В нем используется тонкопленочный термоэлектрический приемник излучения ТД-505 (чувствительность — 60 - 80 В/Вт, диаметр приемной площадки — 0,7 мм). Приемник размещается в металле— стеклянном корпусе типа ТО-5, верхняя часть которого закрыта интерференционным фильтром, пропускающим только излучение с длинами волн от 8 до 14 мкм.
Выбор термоэлемента в качестве приемника излучения не случаен. Даже при использовании светосильной оптики поток излучения, приходящий от измеряемых объектов на приемник, нередко находится на уровне 10-7—10-9 Вт. Поскольку на современной элементной базе трудно создать в переносном приборе с автономным питанием входной усилитель с нановольтовыми шумами и дрейфом, чувствительность приемника должна быть не хуже 30 - 50 В/Вт.
Помимо упомянутого приемника, подобную чувствительность имеют лишь некоторые типы болометров, например, БКМ-5 и пироэлектрические приемники. Но для их использования необходимы модуляторы потока излучения, которые являются наиболее ненадежной механической частью прибора. Чувствительность пироэлектрических приемников сильно зависит от частоты модуляции. Вследствие этого нередко значительно увеличивается погрешность измерения при отрицательных температурах, так как если модулятор выполняется на основе электродвигателя, то загустевание смазки снижает частоту вращения, а стабилизатор частоты вращения не всегда способен компенсировать это снижение. Поэтому пирометры с болометрами и пироприемниками как правило не удовлетворяют перечисленным требованиям.
Оптическая схема прибора ДИЭЛТЕСТ-ТЭ существенно отличается от традиционной схемы в приборах типа "Termopomt" или "HeatSpy". В качестве объектива используется сферическое зеркало диаметром 100 мм и фокусным расстоянием около 200 мм. Объектив формирует изображение на приемнике, перед которым установлено плоское зеркало диаметром примерно 20 мм с центральным отверстием диаметром 1 мм.
Через отверстие в плоском зеркале излучение от измеряемого объекта попадает на приемник. Система визирования, состоящая из окуляра с дополнительной линзой (в отверстии зеркального объектива), настроена на визуализацию изображения, формируемого объективом на плоском зеркале. Таким образом, в отличие от окуляров перечисленных пирометров, окуляр прибора ДИЭЛТЕСТ-ТЭ "смотрит" не на объект, а на изображение его в плоскости приемника, поэтому независимо от заводской юстировки наблюдается именно та часть объекта, излучение которой регистрируется приемником.
Конструкция дистанционного измерителя температуры ДИЭЛТЕСТ-ТЭ/200:
I — приемник; 2 — зеркало; 3 — плата электроники; 4 — объектив; 5 — объектив визира; 6 — индикатор; 7, 9 — зеркала системы индикации; 8 — объектив системы индикации; 10 — окуляр визира.
Прибор ДИЭЛТЕСТ-ТЭ существенно отличается от других подобных наличием механизма наводки на резкость. Отсутствие этого механизма приводит к двум нежелательным последствиям: увеличению зависимости показаний пирометра от расстояния до объекта (о наличии этой зависимости разработчики обычно умалчивают), а также сужению области действия прибора, так как максимальное отношение расстояния до объекта к размеру измеряемого участка его поверхности обеспечивается только для фиксированного расстояния от пирометра до объекта. При расстояниях больше или меньше оптимального упомянутое отношение уменьшается в несколько раз по сравнению со своим максимальным значением.
Таким образом, пирометры без наводки на резкость эффективны лишь в ограниченном диапазоне расстояний (обычно указываемом изготовителями).
Следует отметить еще одно отличие оптической схемы прибора ДИЭЛТЕСТ-ТЭ от аналогов. В конструкции визира предусмотрены дополнительные зеркала, которые формируют изображение цифр встроенного светодиодного знакосинтезирующего индикатора в поле зрения окуляра. В результате отсчет показаний виден на фоне измеряемого объекта и нет необходимости переводить взгляд на заднюю панель прибора. Применение светодиодных индикаторов выгодно отличает приборы ДИЭЛТЕСТ-ТЭ от приборов с жидкокристаллическими индикаторами, так как светодиодные индикаторы работоспособны при сильных морозах.
С целью защиты от электрических полей корпус прибора ДИЭЛТЕСТ-ТЭ выполнен из металла. Отсутствие в конструкции прибора трансформаторов, дросселей, стрелочных индикаторов и других намоточных изделий делает его нечувствительным к сильным магнитным полям, а наличие плечевого упора, двух рукояток, резьбы под штатив снижает утомляемость оператора при длительной эксплуатации прибора.
Еще более существенны отличия пирометра ДИЭЛТЕСТ-ТЭ от отечественных аналогов в электронной части. Подобно своему предшественнику ДИЭЛТЕСТ-ТМ, прибор ДИЭЛТЕСТ-ТЭ выполняется на основе микропроцессора. Последнее не только расширило функциональные и сервисные возможности прибора, но и позволило улучшить его точностные характеристики. Так, цифровая линеаризация характеристики прибора в отличие от аналоговой не зависит от температуры окружающей среды и остается стабильной в течение всего срока службы прибора. В результате повышается точность измерений при температурах окружающей среды, отличных от комнатной, и увеличивается межповерочный интервал прибора.
Далее микропроцессор позволяет корректно компенсировать зависимость показаний от температуры окружающей среды посредством множителя F (t), характеризующего спектральный диапазон входного окна приемника. Неучитывание этого множителя, характерное для беспроцессорных схем компенсации влияния температуры окружающей среды на показания прибора, приводит к дополнительной погрешности в два-три градуса при изменении температуры окружающей среды на двадцать градусов.
Еще одним проявлением улучшения точностных характеристик прибора вследствие применения микропроцессора является коррекция дрейфа его входного усилителя. Как и любой другой измерительный прибор, работающий с малыми сигналами, ДИЭЛТЕСТ-ТЭ имеет некоторое конечное время самопрогрева. Однако, наведя прибор на объект с известной температурой и вызвав соответствующую программу, можно скомпенсировать дрейф усилителя. Микропроцессор запоминает величину дрейфового смещения усилителя и использует ее в дальнейшем для получения достоверных результатов.
Наличие микропроцессора позволяет реализовывать режим измерения с накоплением результата, отсутствующий у всех упомянутых пирометров. Если нажать на "курок" — кнопку в ручке прибора — и удерживать ее в течение более 0,5 с, пирометр ДИЭЛТЕСТ-ТЭ перейдет в режим непрерывного измерения температуры. При этом каждые 0,3 с будет происходить измерение с отображением результатов и одновременное их суммирование. После отпускания "курка" микропроцессор делит накопленную сумму результатов измерений на количество результатов и тут же отображает на индикаторе среднее значение. Таким образом, за 4— 5 с накапливается 10—15 результатов, что на порядок снижает случайную погрешность измерений. Вследствие этого прибором ДИЭЛТЕСТ-ТЭ определяется разница температур объектов на уровне 0,1—0,2 градуса. Пирометр ДИЭЛТЕСТ-ТЭ обладает некоторыми сервисными возможностями, отсутствующими у приборов без микропроцессора: может сохранять в памяти последние несколько десятков результатов измерений, определять не только среднее значение в серии измерений, но также минимальное и максимальное, находить разность между максимумом и минимумом. Кроме того, можно просмотреть все хранящиеся в памяти результаты предыдущих измерений. И наконец в приборе реализован режим прямого измерения коэффициента излучательной способности объекта, отсутствующий в аналогах.
Перечисленные конструктивные и эксплуатационные особенности ДИЭЛТЭСТ-ТЭ показывают, что в той или иной степени он удовлетворяет всем требованиям, сформулированным в начале статьи. В связи с этим интересно его сравнение с аналогичными зарубежными приборами HSA-201, HSA-202 американской фирмы Wahl, приведенное в технической характеристике.
Следует отметить, что в различных источниках информации некоторые параметры прибора HSA-201 отличаются друг от друга. Для характеристики выбраны наиболее часто встречающиеся параметры. Некоторые данные на американские приборы в фирменной рекламной информации отсутствуют, поэтому параметры рассчитывались по общеизвестным соотношениям.
Техническая характеристика пирометров.
| HSA-201 | HSA-202 | ДИЭЛТЕСТ-ТЭ | |
| Диапазон рабочих температур, °С | -15 ... +50 | -15 ... +50 | -20 ... +40 |
| Диапазон измеряемых температур, °С | -10 ... +100 | 0 ... +100 | -15 ... +150 |
| Спектральный диапазон, мкм | 8 ... 14 | 8 ... 14 | 8 ... 14 |
| Погрешность измерения, град. | ±1 | ±2 | ±2 |
| Чувствительность, град. | 0.5 | 1 | 0.1 |
| Показатель визирования | 300:1 | 200:1 | 300:1 |
| Диапазон рабочих расстояний, м | 0 ... 100 | 0 ... 100 | 0 ... 100 |
| Теоретически достижимый размер пятна с разных расстояний, мм: | |||
| 0 м | 108 | 98 | 20 |
| 1 м | 102 | 95 | 10 |
| 2 м | 97 | 92 | 10 |
| 6 м | 74 | 79 | 30 |
| 10 м | 51 | 66 | 50 |
| 12 м | 40 | 60 | 60 |
| 15 м | 77 | 99 | 75 |
| 20 м | 139 | 165 | 100 |
| 50 м | 509 | 560 | 250 |
| 90 м | 1002 | 1087 | 450 |
| Оптика, мм | Зеркало f =
305 диаметром 108 |
Зеркало f =
200 диаметром 98 |
Зеркало f =
20 диаметром 100 |
| Приёмник | Термистор 1мм |
Термистор 1мм |
Термоэлемент 0.7мм |
| Видоискатель | Беспараллаксный, направляется на объект |
Беспараллаксный, направляется на объект |
Беспараллаксный, направляется на приёмник |
| Отсчёт в поле видоискателя | - | - | + |
| Коэффициент Е | Четыре
значения от 0.4 до 1.0 |
Четыре
значения от 0.4 до 1.0 |
0.10 -
0.99 1.0 с шагом 0.01 |
| Минимальное время измерения, с | 1 | 1 | 0.3 |
| Электроника | К-МОП
(малое потребление) |
К-МОП
(малое потребление) |
К-МОП (5В, 100мА) |
| Поиск максимального, минимального и среднего значений в серии измерения | - | - | + |
Как видно из технических характеристик, у всех трех приборов практически одинаковые диапазоны температур окружающей среды и измеряемых температур, рабочий спектральный диапазон и диапазон рабочих расстояний. Все три прибора снабжены оптическими зеркалами примерно одинакового диаметра, беспараллаксными видоискателями, приемниками излучения с мало отличающимися размерами чувствительного элемента. К тому же приборы собраны с использованием электроники К-МОП, мало потребляющей электроэнергию.
У приборов HSA-201 по сравнению с ДИЭЛТЕСТ-ТЭ погрешность измерений меньше. Однако американские приборы не могут определять температуру объекта в градусах Цельсия или Фаренгейта. Они лишь измеряют отличие температур одного объекта от другого, выбранного в результате начальной калибровки прибора за нулевой отсчет.
Погрешность измерений в приборах ДИЭЛТЕСТ-ТЭ характеризует ошибку определения температуры объекта в градусах Цельсия. Для сопоставления с ним американских приборов по этому параметру необходимо принимать во внимание погрешность определения оператором температуры окружающей среды в момент проведения измерений. Эта погрешность редко может быть менее двух градусов.
Кроме того, американские приборы снабжены стрелочной шкалой, поэтому нет никакой информации о том, до каких величин внешнего магнитного поля погрешность измерений не выходит за указанные в технической характеристике значения. Таким образом, вряд ли можно говорить о более высокой точности измерений приборов HSA-201 по сравнению с ДИЭЛТЕСТ-ТЭ.
Следующий параметр, который у приборов HSA-201 предпочтительнее, чем у ДИЭЛТЕСТ-ТЭ — показатель визирования. Но и здесь преимущество HSA-201 не столь значительно, так как в этих приборах отсутствует наводка объектива на резкость, что снижает эффективность их работы.
Ряд преимуществ пирометра ДИЭЛТЕСТ-ТЭ над американскими аналогами состоит в особенностях его программного обеспечения. Так, при сканировании поверхности скорость измерения у ДИЭЛТЕСТ-ТЭ втрое выше. При измерении сериями прибор ДИЭЛТЕСТ-ТЭ накапливает результаты, обеспечивая чувствительность на уровне. 0,1 град. Следует отметить также у отечественного прибора возможность хранения в памяти результатов измерений, их просмотра, определения максимума, минимума, среднего значения в серии измерений с последующим их просмотром и наличие режима измерения коэффициента излучательной способности Е. Все это отсутствует в американских аналогах.
Таким образом, пирометр ДИЭЛТЕСТ-ТЭ ни по одному из параметров не уступает прибору HSA-201 и даже превосходит его по большинству из них. Единственное преимущество американского прибора — это меньший размер измеряемого участка поверхности с расстояний от 11 до 14 м.
В настоящее время завершаются работы по сертификации пирометров ДИЭЛТРЕСТ-ТЭ и внесению их в Государственный реестр. Совместно с НИЦ ВВА разработана, утверждена и апробирована методика использования пирометров ДИЭЛТЕСТ-ТЭ для диагностики электроэнергетического оборудования.
Сохранено с сайта http://www.pyrometer.ru/16.htm