Как работают пирометры?

Если что-то слишком горячее, чтобы с ним обращаться, нет смысла пытаться измерить его температуру обычным термометром.
Вместо этого вы можете попробовать термопару — разновидность
термометра, которая работает, вырабатывая электричество в зависимости от того, насколько
оно горячее. Но что, если то, что вы пытаетесь измерить, слишком
горячо или расположено слишком неудобно даже для измерения термопарой?
Что, если это внутренняя часть сталелитейной или гончарной печи, крыша собора
или облако? В этом случае вы можете измерить температуру
удаленно с помощью удобного устройства, называемого пирометром
(от греческих слов, означающих «огонь» и «измерение»). Инфракрасные термометры,
которые измеряют температуру удаленно, сейчас, вероятно, являются самыми известными примерами.
Как именно они работают? Давайте рассмотрим подробнее!

Фото: Пирометр должен быть «калиброван» (настроен на точное измерение), прежде чем его
можно будет использовать для измерения горячих объектов неизвестной температуры. Здесь оптический пирометр калибруется с использованием источника света. Фото Квентина Швинна предоставлено
NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Что такое пирометр?

Вы можете почувствовать огонь на некотором расстоянии, потому что он испускает
тепловое излучение во всех направлениях. Теоретически, если огонь
ведет себя точно в соответствии с законами физики, то излучение, которое он производит,
связано с его температурой весьма предсказуемым образом. Так что если вы можете измерить
длину волны излучения, вы можете точно измерить температуру, даже если стоите на некотором
расстоянии. Это теория, лежащая в основе пирометра: очень точного
вида термометра, который измеряет температуру чего-либо по
тепловому излучению, которое оно испускает на безопасном расстоянии (в некоторых пирометрах) до 30 м (100 футов).

Существует два основных типа пирометров: оптические пирометры, в которых
вы смотрите на источник тепла через мини-телескоп и проводите ручное измерение, и электронные цифровые
пирометры (также называемые инфракрасными термометрами), которые измеряют полностью автоматически. Некоторые устройства, описываемые как пирометры, на самом деле должны касаться горячего объекта, который они измеряют. Строго говоря,
такие приборы на самом деле являются просто высокотемпературными термометрами
на основе термопар. Поскольку они не измеряют температуру на
расстоянии, они вообще не являются пирометрами.

Фото: Пирометры действительно полезны для измерения температуры объекта
на расстоянии. Здесь военнослужащий ВМС США использует один из распространенных типов пирометров (инфракрасный термометр)
для измерения температуры моря с палубы корабля.
Это устройство военного образца может измерять температуру от −18°C до 870°C.
Фото Брайана М. Брукса предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Оптические пирометры

Пока в 1980-х годах не стали популярными микрочипы и компактное электронное оборудование, ручной оптический пирометр был тем, что вы использовали, если вы хотели измерить температуру чего-то чрезвычайно горячего и относительно недоступного, например, внутри стальной печи или гончарной печи. Он измерял температуру на безопасном
расстоянии, сравнивая излучение, производимое горячим объектом, с
излучением, производимым горячей нитью накала (тонкий провод, по которому течет электричество, как провод в старомодной лампе накаливания, которая светится белым, когда нагревается).

Как работает ручной пирометр? Вы смотрите через окуляр телескопа,
через красный фильтр (для защиты глаз), на объект, который вы измеряете (обычно через глазок, установленный в печи,
или фурму в печи — сопло, куда вдувается воздух). То, что вы видите, — это тускло-красное свечение
от горячего объекта с линией более яркого света от нити накала, проходящей
прямо через него и наложенной сверху. Вы поворачиваете ручку сбоку
пирометра, чтобы отрегулировать электрический ток, проходящий через
нить накала. Это делает нить накала немного горячее или холоднее и изменяет
излучаемый ею свет. Когда нить накала имеет точно такую ​​же температуру, как и
горячий объект, который вы измеряете, она фактически исчезает, потому что
излучение, которое она производит, имеет тот же цвет. В этот момент вы перестаете
смотреть в окуляр и считываете температуру с прибора.
Фактически измеритель измеряет электрический
ток, проходящий через нить накаливания, но он откалиброван (имеет шкалу) таким образом, что
эффективно преобразует измерения тока в температуру.

Фото (выше): Ученый НАСА использует оптический пирометр для измерения температуры конуса ракеты в эксперименте 1956 года. Фото предоставлено Исследовательским центром имени Гленна в НАСА (NASA-GRC)
и Интернет-архивом. Иллюстрация (ниже): Как это работает: 1) Посмотрите через окуляр на горячий объект; 2) Поверните колесико, чтобы отрегулировать температуру нити накала; 3) По мере изменения температуры светящаяся красная нить медленно сливается с оранжевым фоном; 4) В этот момент нить накала точно такая же горячая, как и объект, который вы измеряете, и вы можете прочитать ее температуру по шкале.

Подобные приборы известны как оптические пирометры с исчезающей нитью
и были изобретены в конце XIX века Эвереттом Ф. Морзе.
Точные и удобные, они позволяют легко измерять температуры
свыше 3000°C (5400°F) на безопасном
расстоянии. Но, с другой стороны, они могут быть дорогими, должны быть
правильно откалиброваны, требуют определенных навыков для использования и подвержены влиянию
окружающей (фоновой) температуры.

Фото: Оптические пирометры не сильно изменились. Вот оригинальный пирометр Эверетта Ф. Морзе, как он объяснил его в своем патенте на «Устройство для измерения температур нагретых веществ» (патент номер 696916) от 1902 года. В этой конструкции вы смотрите через трубку (3) на источник тепла, который хотите измерить. Используя циферблат (7), прикрепленный к переменному резистору (6), вы регулируете световую нить, пока она не исчезнет на фоне излучения. В этот момент вы считываете температуру с измерителя (9). Изображение из патента США № 696,916: Устройство для измерения температур нагретых веществ, любезно предоставлено Патентным и товарным знаком США.

Современные цифровые пирометры

Фото: Инфракрасные термометры (пирометры), используемые в эксперименте НАСА. Фото
Сезара Акосты предоставлено NASA Ames и Internet Archive.

В наши дни инженеры и ученые чаще используют полностью автоматические цифровые пирометры,
которые быстрее и проще и используют два разных типа детекторов.
Некоторые измеряют тепло , поглощая свет , поэтому они по сути являются детекторами света: полупроводниковые светочувствительные фотоэлементы, немного похожие на крошечные солнечные батареи, но с фильтрами, установленными спереди, поэтому они реагируют только на определенную полосу видимого, инфракрасного или ультрафиолетового излучения. Отбирая излучение далеко за пределами видимого спектра, такие детекторы могут измерять больший диапазон температур, чем старые ручные пирометры. Другие пирометры используют детекторы, которые измеряют тепло , поглощая тепло ,
используя такие вещи, как термопары и кремниевые термобатареи (коллекции термопар) или термисторы (термочувствительные резисторы).

Основные типы

Фото: Измерение температуры вентиляционной системы, установленной на потолке, с помощью ручного цифрового пирометра. Красная точка, которую вы видите, — это прицельное устройство, помогающее оператору точно расположить пирометр. Фото Ламела Дж. Хинтона предоставлено
ВМС США и
Wikimedia Commons.

Современные пирометры бывают разных типов и конструкций. Некоторые устройства измеряют полный спектр испускаемого излучения, поэтому их называют пирометрами полного излучения или широкополосными пирометрами; они, как правило, используют тепловые детекторы, такие как термобатареи.
Как следует из их названия, узкополосные пирометры улавливают гораздо меньшую
и более конкретную полосу излучения, обычно с помощью фотоэлементов.
То, какую именно полосу излучения вам нужно взять для измерения, зависит от температур
(и материалов), которые вы пытаетесь измерить (например, горячие сплавы в турбинах реактивных двигателей будут сильно отличаться от заводских режущих инструментов, которые, в свою очередь, будут отличаться от чего-то вроде температур на химическом заводе, а также от природных явлений, таких как дымящиеся гейзеры и бьющие вулканы). В то время как некоторые пирометры измеряют одну полосу излучения, другие могут делать более точные измерения, сравнивая две полосы волн (другими словами, два разных спектральных «цвета»); их называют пирометрами отношения или двухцветными пирометрами .

Некоторые пирометры предназначены для проведения быстрых одноразовых измерений, поэтому они имеют форму пистолетов со встроенными детекторами, усилителями сигнала, источниками питания и измерителями температуры. Вы направляете их на объект, который хотите измерить, и нажимаете на курок.

Многие промышленные процессы основаны на постоянных, точных измерениях и контроле температуры. Для таких видов приложений ручные «пистолетные» пирометры не подходят. Вместо этого оптические волокна (или аналогичные световоды), постоянно прикрепленные
к любой машине или процессу, которые они контролируют, используются для сбора излучения из горячей области и направления его на удаленный детектор, обычно подключенный к какой-либо электронной системе управления, которая автоматически регулирует весь процесс.

Фото: Измерение температуры поверхности на борту корабля. Фото
Палмера Пинкни II предоставлено ВМС США и DVIDS.

Подходят ли инфракрасные термометры для медицинского использования?

Произведение искусства: Можно ли использовать инфракрасные термометры для измерения температуры тела? Данные неоднозначны, и научные эксперты расходятся во мнениях.

Поищите на сайтах интернет-магазинов, и вы найдете множество похвал инфракрасным термометрам:
похоже, мы используем их для всего: от проверки зданий с утечкой тепла до контроля процесса
приготовления пищи. В разделах вопросов и ответов на таких сайтах люди часто спрашивают, достаточно ли точны инфракрасные термометры для медицинских целей, и здесь, безусловно, есть некоторые споры.

• Обзор 44 опубликованных исследований, опубликованных в журнале The Lancet в 2002 году, пришел к выводу, что «инфракрасная ушная термометрия не демонстрирует достаточного соответствия с общепринятым методом [ректального] измерения температуры, чтобы использовать его в ситуациях, когда необходимо точно измерить температуру тела».
• В исследовании 2007 года «Врачи предостерегают от использования инфракрасных термометров», опубликованном в газете The New York Times, также отмечались опасения, особенно выраженные спортивными врачами, что инфракрасные устройства
  обычно показывают более низкую температуру, чем ректальные термометры, что может привести к неспособности распознать потенциально опасные для жизни состояния, такие как тепловой удар у спортсменов.
• Некоторые другие исследования были более позитивными, включая
  подробный канадский обзор 2014 года, в котором указывалось, что «В зависимости от контекста… объема измерений, которые необходимо выполнить, и возраста человека, которого необходимо измерить, может быть необходимым использовать инфракрасные термометры вместо более точных и/или более инвазивных термометров». Теоретически они полезны для детей и других лиц, которым трудно усидеть на месте достаточно долго для обычного измерения температуры (обычно около минуты); их не нужно стерилизовать, если нет контакта; и они позволяют сканировать большое количество людей за короткое время (например, в рамках проверки температуры в аэропорту).
• Однако систематический обзор, опубликованный китайскими
  педиатрами в 2014 году, показал, что «инфракрасная ушная термометрия имеет много преимуществ, но ее точность остается серьезной проблемой», и пришел к выводу:
  «Точность инфракрасной ушной термометрии у детей низкая, и она не может заменить ректальную термометрию в клинической практике у детей».

Короткий ответ, по-видимому, заключается в том, что инфракрасные термометры очень полезны в одних ситуациях, тогда как обычные термометры лучше в других; тем не менее, остаются вопросы относительно инфракрасных методов.

Кто изобрел первый пирометр?

Иллюстрация: Джозайя Веджвуд. Иллюстрация из книги «Жизнь Джозайи Веджвуда: из его личной переписки и семейных документов» Элизы Метеярд, Hurst and Blackett, 1865.

Задолго до изобретения исчезающей нити и электронных пирометров гончарам нужно было измерять температуру
своих печей, чтобы убедиться, что их глиняные горшки будут правильно обжигаться. Поэтому неудивительно, что первый пирометр
был изобретен великим английским гончаром Джозайей Веджвудом (1730–1795) где-то в конце 1770-х или начале 1780-х годов. Теперь Веджвуд знал, что фарфор сжимается при обжиге, и величина усадки зависит от температуры печи, поэтому он понял, что может легко измерить температуру печи, помещая внутрь куски фарфора и измеряя, насколько они сжались. В
книге 1828 года об измерении температуры
Томас Стюарт Трейлл описывает эту идею: «После многократных испытаний было обнаружено, что куски глины сжимались все больше и больше в равномерной пропорции к степени сообщенного им тепла и постоянно сохраняли это сжатие; так что, прикладывая их холодными к шкале, можно было получить указание степени тепла».

Произведение искусства: Пирометр, разработанный Джозайей Веджвудом, состоял из небольших цилиндров глины (выше), которые сжимались, в зависимости от температуры, и оставались того же размера, когда охлаждались. Измеряя их с помощью соответствующей шкалы (ниже), Веджвуд мог вычислить температуру внутри своей гончарной печи. Произведение искусства из книги «
Термометр и пирометр (части 1–2)» Томаса Стюарта Трейла, Болдуина и Крэдока, 1828 (общественное достояние). См. также эту замечательную фотографию фарфорового пирометра Веджвуда из фотобиблиотеки «Наука и общество».)

В те дни гончарное дело было чрезвычайно важной отраслью промышленности в Британии, и это изобретение принесло Веджвуду членство в Королевском обществе (FRS) — одну из самых престижных научных наград Англии — в 1783 году. Но есть некоторые сомнения относительно того, заслужил ли он эту награду: в книге 1837 года под названием «Химия нескольких природных и искусственных гетерогенных соединений, используемых при производстве фарфора, стекла и керамики» доктор Симеон Шоу предполагает, что идея на самом деле могла принадлежать Томасу Мэсси, человеку, работавшему на фабрике Веджвуда, и
по крайней мере еще одна книга, которую я нашел из начала 19 века (Популярная энциклопедия сэра Д. К. Сэндфорда, 1836 года), также приписывает эту идею Мэсси.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Электромагнитный спектр
• Нагревать
• Свет
• Термопары
• Термометры

Книги

• Пирометры — измерение высоких температур, автор GK Burgess.
  Wexford College Press, 2006. Охватывает все виды пирометров и способы их использования.
• Измерение и контроль температуры, Джеймс Р. Ли, Институт инженеров-электриков, 1988. Описывает термометры, термопары, пирометры и другие датчики температуры.
• Измерение температуры Белы Липтак (редактор). CRC Press, 1993. Глава 11 «Радиационные и инфракрасные пирометры» Т. Дж. Клэггетта и др. является хорошим введением.

Патенты

• Патент США: 4,470,710: Пирометр инфракрасного излучения, авторы: Кеннет Крейн, Питер Дж. Беквит, Австралийское Содружество, 11 сентября 1984 г. Пример пирометра с измельчительным колесом, который сравнивает две длины волн инфракрасного излучения от горячего объекта.
• Патент США: 4,005,605: Дистанционный инфракрасный термометр Дональда С. Майкла, Mikron Instrument Company, 1 февраля 1977 г. Инфракрасный термометр, который сравнивает излучение от внутреннего источника тепла и внешнего образца, чтобы определить температуру образца.
• Патент США: 3,849,000: Цифровой дисплейный оптический пирометр Паоло Соардо и Марио Паста, 19 ноября 1974 г. Типичный современный цифровой пирометр, использующий фотодиод. Он сравнивает два отраженных сигнала, чтобы найти температуру неизвестного объекта.
• Патент США: 3,486,378: Устройство для измерения температуры поверхности инструмента, Джеральд Дж. Карлсон, General Electric, 30 декабря 1969 г. Инфракрасный пирометр для измерения температуры режущих инструментов.

Исторические статьи

• Оптический пирометр: Scientific American, т. 89, № 25, 19 декабря 1903 г., стр. 461–462. Sci Am сообщает о революционном внедрении пирометра с исчезающей нитью Эверетта Ф. Морзе.
• Оптическая система
  пирометра с исчезающей нитью Ф. А. Куннольда, Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки,
  т. 152, № 875 (15 октября 1935 г.), стр. 64–80. Подробное техническое описание пирометров старого образца.