Pirometar

Optički pirometar za mjerenje temperature u visokoj peći.

Mjerenje temperature ventilacijskog sustava s radijacijskim pirometrom.

Infracrveni pirometar.

Mjerenje temperature na terenu s pirometrom.

Pirometar je mjerni instrument koji omogućuje nekontaktno mjerenje temperature tijela u uvjetima kada je potrebno npr. mjeriti temperaturu gibajućeg tijela ili tijela koje ima jako visoku temperaturu koja bi uništila ostale konvencionalne temperaturne senzore. Prednosti pirometara su da mogu mjeriti vrijednosti temperatura neovisno o udaljenosti tijela kojeg se mjeri. Toplinsko zračenje tijela pada na temperaturni senzor pirometra, a to su najčešće serijski spojeni termoparovi, koji se zovu još i termoćelija (engl. thermopile). Riječ pirometar dolazi od grčkih riječi pyro, što znači vatra i meter, što znači mjerenje.

Kada se neko tijelo zagrijava ono zrači elektromagnetsku energiju (toplinsko zračenje). Pri niskim temperaturama zračenje se može osjetiti, a pri višim temperaturama tijelo počinje emitirati i vidljivo zračenje u obliku svjetlosti (koja se mijenja od crvene za tijelo niže temperature, pa do bijele za tijelo visoke temperature). Ovakvo zračenje može se iskoristiti za mjerenje temperature toga tijela pomoću pirometra.

Mjerenje temperature elektromagnetskim zračenjem

Termometri čiji se rad zasniva na mjerenju intenziteta elektromagnetskog zračenja nazivaju se radijacijski termometri i pirometri. Intenzitet zračenja tijela, krutina, tekućina i plinova, je funkcija temperature, valne duljine i optičkih svojstava površine. U fizici se tijelo koje ima maksimalan intenzitet zračenja i apsorpcije elektromagnetskog zračenja na svakoj temperaturi zove se crno tijelo. Za crno tijelo je intenzitet zračenja samo funkcija temperature i valne duljine. Teoretski izvod zakona zračenja zasniva se na kvantnoj teoriji energije i poznat je kao Planckov zakon zračenja (1902.). Intenzitet je dan formulom:

$j^{\star }=\sigma T^{4}$

Realna, "ne crna tijela”, ili siva tijela, imaju manji intenzitet zračenja za faktor emisije ε. Intenzitet zračenja realnih tijela se izražava kao produkt monokromatskog faktora emisije ε (λ) i intenziteta zračenja crnog tijela:

$j^{\star }=\varepsilon \sigma T^{4}$

Monokromatski faktor emisije ε (λ) je složena, "jako promjenljiva ili nepravilna", funkcija koju je vrlo teško teoretski predvidivi. Najčešće se vrijednosti za monokromatski faktor određuju eksperimentalno i navode se za pojedine valne duljine. Mjerni instrumenti zasnivaju se na određivanju intenziteta zračenja na pojedinoj valnoj duljini ili na osnovu sveukupnog intenziteta. Optički pirometri imaju mjerni signal određen intenzitetom monokromatskog zračenja, dok radijacijski pirometri koriste ukupan intenzitet.

Vrste pirometara

Pirometri mogu biti:

• optički pirometri

• monokromatski na valnoj duljini 0,65 μm (vidljivi dio spektra crvene boje)
• dvobojni, na valnim dužinama crvene i plave boje

• radijacijski pirometar ili infracrveni termometar

Monokromatski optički pirometar

Monokromatski optički pirometar se sastoji od cijevi s dvije konveksne leće, žarne niti i filtera crvene boje. Žarna nit se zagrijava prolazom električne struje, i sama struja je mjerni signal. Mjerenje se provodi tako da se otvor cijevi instrumenta usmjeri prema površini tijela kojemu se mjeri temperatura. Elektromagnetsko zračenje prolazi kroz okular, prvu leću, i skuplja se u žarištu. U žarištu se nalazi staklena cijev sa žarnom niti. Ta točka je ujedno i žarište druge leće, odnosno okulara. Kroz okular prolazi elektromagnetsko zračenje s mjerenog objekta i žarne niti. Iza okulara nastaje paralelan snop zraka koje zatim prolaze kroz filtar crvene boje. Filtar je nepropustan za sve valne dužine vidljivog spektra osim za dio u području crvene boje, λ = 0,65 μm. Mjeritelj promatra istovremeno sliku površine tijela i žarne niti.

Dvobojni optički pirometar

Glavni uzrok netočnosti mjerenja temperature monokromatskim optičkim pirometrom je nepouzdana vrijednost monokromatskog faktora emisije ε (λ_o). Ova pogreška se može ukloniti uporabom dvobojnog optičkog pirometra, kojim se omogućuje mjerenje intenziteta zračenja na dvije valne duljine, i to najčešće za crvenu i plavu boju. Točnost mjerenja je visoka, i dvobojni optički pirometar je propisan (IPTS68) kao standardni termometar za područje temperatura iznad 1337 K (1064 ºC). Instrument visoke klase točnosti ima standardnu pogrešku e <= 1 ºC, a industrijska izvedba instrumenta ima pogrešku u području od 2 - 5 ºC.

Radijacijski pirometar

Radijacijskim pirometrom određuje se temperatura merenjem ukupnog intenziteta elektromagnetskog zračenja, odnosno isijana snaga u celom spektru. Stefan-Boltzmannov zakon omogućava jednostavno izračunavanje isijane snage I(T) za crno telo, ali kada se radi o merenju temperature realnih tela nije moguće teoretski proračunati ukupni faktor emisije ε.

Pirometar se sastoji od cevi u kojoj se na ulaznom delu nalazi objektiv, kojim se fokusira elektromagnetno zračenje koje dolazi s površine objekta temperature. U centru objektiva nalazi se metalna pločica (crno telo), koja ima maksimalni faktor apsorpcije elektromagnetnog zračenja. Na površini pločice zavaren je jedan, ili više, termočlanaka kojim se meri temperature pločice, i elektromotorna sila EMS termočlanka je merni signal za temperature objekta. Analiza merenog uređaja zasniva se na primeni Stephan-Boltzmanovog zakona. U početku merenja je temperatura pločice na temperaturi instrumenta i nakon što se instrument usmeri prema površini objekta dolazi do apsorpcije elektromagnetskog zračenja u pločici. Tokom početka merenja temperature pločice stalno raste, ali sve sporije jer povećanjem njene temperature povećava intenzitet emisije pločice. Merni signal se očita kada je uspostavljeno stacionarno stanje, odnosno kada je apsorbovana snaga na površini pločice jednaka isijanoj snazi sa pločice.

Tačnost merenja radijacijskim termometrom je određena pouzdanošću poznavanja vrednosti faktora emisije ε. Najčešće se ε određuje baždarenjem za pojedine materijale i uslove merenja. Donja granica mernog područja radijacijskih termometara je zbog veće ukupne isijane snage znatno niža nego što je za optičke pirometre. Na primer, radijacijskim termometrom može se meriti temperatura i ispod 0 ºC. Za industrijske potrebe se radijacijski pirometri (infracrveni termometar) izvode sa standardnim električnim izlazom, koji odgovaraju pojedinim klasama termočlanaka, tako da su sa njima direktno zamjenjivi u postrojenjima. Primena im posebno dolazi do izražaja u uslovima kada je potrebno meriti temperature materijala koji se vije, na primer materijal na procesnoj traci, u pećnicama ili u fludiziranom sloju.

Pirometri na Wikimedijinoj ostavi