Как работает пирометр: принцип действия и особенности измерения температуры

Коэффициент излучения ε (эпсилон) имеет основное значение при измерении температуры с использованием излучения. Коэффициент излучения указывает на соотношение между реальной величиной излучения какого-нибудь тела и величиной излучения чёрного излучателя при одинаковой температуре. Для чёрного излучателя это соотношение составляет максимум 1. В реальности едва ли тело соответствует идеалу чёрного излучателя. На практике для калибрования датчиков используются поверхности излучателя, которые в требуемом диапазоне длин волн достигают коэффициенты излучения до 0,99.

Многие измеряемые поверхности имеют постоянный коэффициент излучения выше длин волн, но испускают по сравнению с чёрными телами меньше излучения. Они называются серыми излучателями. Объекты, чьи коэффициенты излучения среди прочего зависят от коэффициента излучения и длины волны, например, металлы, называются селективными излучателями. Недостающая доля излучения в обоих случаях компенсируется указанием коэффициента излучения. В отношении селективных излучателей следует всё же обращать внимание на то, в каком диапазоне длин волн проводится измерение (для металлов, например, с максимально короткой длиной волны).

Принцип работы пирометров

Пирометр или инфракрасный датчик помимо излучения, испускаемого с поверхности объекта, принимает ещё и отражающее излучение из окружающего пространства и при определённых условиях пропускаемое сквозь тело инфракрасное излучение. 

Станьте экспертом инфракрасного измерения температуры

Фирма Optris GmbH регулярно проводит бесплатные практические семинары по инфракрасному излучению в различных городах. Зарегистрируйтесь прямо сейчас и узнайте больше о бесконтактной технологии измерения температуры и принципах работы инфракрасных термометров и тепловизоров.

Обратите также внимание на наши специальные статьи. Здесь вы сможете найти помимо статей по конкретным случаям применения и другие статьи по принципам работы наших изделий, например, статью «Как работает тепловизор?»

Что такое пирометр, и как его правильно выбрать?

В целом таких приборов немало. И не стоит этому удивляться. Ведь температура предметов и какой-либо среды влияет на многое. От нее зависит сохранность продуктов, работоспособность механизмов, электроники. Да и состояние человека – тоже. Поэтому без точного измерения этой физической величины нам трудно обойтись.

В большинстве случаев замер температуры осуществляется контактным способом, когда термометр прикладывают к предмету или погружают в среду. Однако бывает нужно измерить температуру и на расстоянии.

Какова температура раскаленного металла? Как оперативно найти горячий участок трубопровода, если он проходит на большой высоте? Как определить, не допущен ли перегрев высоковольтной шины?

ВАЖНО! Контактный метод для такого случая не годится. Нужно использовать пирометры. Так называются эти бесконтактные измерители.

Когда нужны бесконтактные измерения?

Возьмем теперь сферу ЖКХ. Для того чтобы выявить утечки тепла, необходимо исследовать электрические провода, газопроводы, вентиляционные каналы. Причем не в одном месте. Это невозможно сделать, если не будешь перемещаться. Вот почему есть особый резон в использовании портативного устройства.

Диапазон температур таких приборов от -20 до +380°С . Их принято считать низкотемпературными. Они отличаются компактностью и легкостью. Удобство в том, что их можно переносить в специальном кейсе. Иногда и в кармане.

Абсолютная точность присуща стационарным устройствам, чего не скажешь про портативные. У них погрешность составляет от 0,75 до 3 градусов. Однако этого достаточно для работы вне лаборатории. Стоимость мобильных приборов существенно ниже стоимости стационарных. Цена во многом зависит от характеристик.

ВАЖНО! Устройства востребованы не только на производстве. Они, в частности, нужны и в обычной квартире. Особенно если она находится в углу или на первом/последнем этажах.

Необходимость в приборе может появиться и в недавно построенном частном доме. Ведь дерево оседает, а потом всюду появляются щели: на потолке, на полу и в стенах. Пирометр может быстро обнаружить такие зазоры. И можно будет своевременно провести ремонт.

Как работает пирометр

Инфракрасные лучи, которые испускает предмет, проникают через объектив и проецируются на сенсор. А он уже может определить температуру предмета по тому, какова интенсивность излучения.

Такой принцип работы пирометров имеет свои достоинства и недостатки. Инфракрасные лучи мы исследуем по законам оптики. Однако прозрачность большинства материалов для инфракрасного излучения не такая, как у видимых лучей. Скажем, сквозь стекло проникают ИК-лучи, длина волны которых не превышает 1 мкм. А львиная доля пирометров функционирует в диапазоне 8-14 мкм. И стекло для них станет непрозрачным.

Тот ошибается, кто считает, что пирометр измеряет температуру, используя лазерный луч. Ошибка в том, что лазер необходим лишь для прицеливания. Когда на предмете появляется пятнышко лазерной указки, это еще не означает, что вы узнаете температуру данного предмета, а не стекла, через которое пробивается луч лазера.

Пирометр измеряет температуру и по отраженному ИК-излучению. Это помогает, когда работаешь с труднодоступными деталями. Можно обойтись и без доступа к разогретой детали. Чтобы установить ее температуру, можно воспользоваться его отражением в зеркале.

ВАЖНО! Это достоинство является и недостатком. Дело в том, что отраженный инфракрасный свет мешает измерить температуру того предмета, который нас интересует. Ведь часть ИК-излучения, идущая от него, отражается. Большая отражающая способность материала ведет к большой погрешности от отраженных лучей.

В руководстве пользователя пирометром часто приводится таблица, в которой указаны коэффициенты эмиссии материалов. И перед тем, как проводить измерения, нужно ввести на приборе соответствующее значение.

Если у вас совсем простая модель, то у нее не будет такой настройки. Таким прибором можно лишь измерять температуру тех предметов, которые входят в ограниченный перечень материалов.

В более дорогих моделях нет необходимости вводить числа. Вид материала выбирают в меню на экране. Однако в любом случае задать коэффициент необходимо. Ведь приборы не могут определить его самостоятельно.

К сожалению, пирометры не измеряют температуру воздуха, поскольку атомы воздуха сильно рассредоточены. Их инфракрасное излучение очень маленькое. Не сравнишь с излучением от других предметов.

ВАЖНО! Когда у девайса все-таки имеется функция измерения температуры воздуха, то это надо воспринимать так, что в нем предусмотрен отдельный термометр внутри. Он измеряет температуру лишь в месте, где находится.

Варианты пирометров

Для того чтобы дистанционно определять температуру раскаленных и расплавленных металлов, приобретайте прибор, у которого широкий диапазон и большое оптическое разрешение.

Для того чтобы контролировать климат в помещениях, сгодится прибор с определением влажности. Он поможет избежать сырости и плесени.

Возможно, что вам необходимо будет исследовать состояние водопроводной трубы или теплоизоляцию на стенах здания. В этом случае радиус охватываемого пятна нужен большой. Обратите внимание на инфракрасные устройства. У них есть дисплей с цветным схематичным изображением поверхности в инфракрасном излучении. И данные об измерениях в виде цифр появляются на экране.

Если работаешь с мелкими предметами или какими-то определенными зонами (например, двигатель автомобиля, углы между стенами), то выбирай пирометр, у которого лазерное излучение. Они могут направить луч в определенную точку и определить температуру более локально.

ВАЖНО! Когда работаешь при дневном свете, то луч бывает плохо различим. В такой ситуации лучше воспользоваться очками из пластика. Скажем, красного или темного цвета.

— Точечные. Бывают с одним лазером или с двумя. Если лазер один, то на поверхности, когда наводишь, появляется маленькая точка. Такие девайсы используют, когда работаешь с большими расстояниями (до 20-30 метров).

Если используются два лазера, то, когда наводишь, нужная точка появляется на пересечении этой пары лучей. Эти приборы подойдут для того, чтобы точно определить цель.

— Техника с круглым прицелом. С ней работают на маленьком расстоянии — до 7 метров. Наводишь на предмет. И мишень круглой формы отражается на нем. Так контролируют, насколько соответствует радиус излучаемого пятна площади предмета, который диагностируется.

ВАЖНО! При знакомстве с таким ассортиментом обязательно учитывайте внешнее исполнение и вес девайса. Особенно тогда, когда покупаешь девайс прибор для профессионального применения.

Пирометр может иметь прямоугольную или круглую форму. Или форму пистолета. Она особенно удобна. Ведь когда обхватываешь устройство, то оно повторяет форму руки. Нередко рукоятка бывает с накладками из резины. Они не позволяют выскользнуть устройству, когда работаешь, скажем, во время дождя.

Принцип работы, типы, преимущества и недостатки

Физическая величина, которую можно описать как горячность или холод любого объекта или вещества, называется температурой. Его можно измерить в различных единицах и масштабах в зависимости от требований. Температуру любого материала можно измерить с помощью различных методов и устройств. Устройства для измерения температуры используются для измерения уровня энергии физического свойства или любого вещества. В зависимости от физических свойств материала температура может быть измерена с помощью таких методов, как термометры (жидкость в стекле), электрический термометр сопротивления, радиационный термометр / инфракрасные термометры / пирометры, термопара, кремниевый диод, биметаллические устройства, колбы и капиллярные устройства. , газовые термометры постоянного объема и газовые термометры под давлением.Единица измерения температуры в системе СИ — Кельвин (k), кроме этого, она может быть измерена в шкале Цельсия (C) и шкале Фаренгейта (F). В этой статье обсуждается, что такое пирометр, принцип работы, типы, преимущества, недостатки и области применения.

Что такое пирометр?

Пирометр также известен как инфракрасный термометр, радиационный термометр или бесконтактный термометр, используемый для определения температуры поверхности объекта, которая зависит от излучения (инфракрасного или видимого), испускаемого объектом.Пирометры действуют как фотодетектор из-за способности поглощать энергию и измерять интенсивность электромагнитных волн на любой длине волны.

Используются для измерения высокотемпературных печей. Эти устройства могут измерять температуру очень точно, точно, чисто визуально и быстро. Пирометры выпускаются в разных спектральных диапазонах (поскольку металлы — коротковолновые, а неметаллы — длинноволновые).

Цветные пирометры используются для измерения излучения, испускаемого объектом во время измерения температуры.Они могут очень точно измерить температуру объекта. Следовательно, эти устройства имеют очень низкие ошибки измерения.

Цветные пирометры используются для определения отношения двух интенсивностей излучения с двумя спектральными диапазонами. Они доступны в сериях Metis M3 и h4 и портативных портативных устройствах Capella C3 в различных версиях.

Высокоскоростные пирометры используются для измерения температуры быстрее и быстрее, чем устройства M3. Доступны в комбинации с одноцветными и двухцветными пирометрами.Эти устройства могут создавать четкие температурные профили быстро движущихся объектов и контролировать соответствующий уровень температуры.

Принцип работы пирометра

Пирометры — это устройства для измерения температуры, используемые для определения температуры объекта и электромагнитного излучения, испускаемого объектом. Они доступны в разных спектральных диапазонах. По спектральному диапазону пирометры подразделяются на одноцветные пирометры, двухцветные пирометры и высокоскоростные пирометры.

Основной принцип работы пирометра заключается в том, что он измеряет температуру объекта, ощущая тепло / излучение, исходящее от объекта, без контакта с ним. Он регистрирует уровень температуры в зависимости от интенсивности испускаемого излучения. Пирометр состоит из двух основных компонентов, таких как оптическая система и детекторы, которые используются для измерения температуры поверхности объекта.

Когда берется любой объект, температура поверхности которого должна быть измерена пирометром, оптическая система улавливает энергию, излучаемую объектом.Затем излучение направляется на детектор, который очень чувствителен к волнам излучения. Выходной сигнал детектора относится к уровню температуры объекта из-за излучения. Обратите внимание, что температура детектора, анализируемая с использованием уровня излучения, прямо пропорциональна температуре объекта.

Излучение, испускаемое каждым объектом с его фактической температурой, превышает абсолютную температуру (-273,15 градусов по Цельсию). Это испускаемое излучение называется инфракрасным, которое находится над видимым красным светом в электромагнитном спектре.Излучаемая энергия используется для определения температуры объекта и преобразуется в электрические сигналы с помощью детектора.

Типы пирометров

Для определения температуры различных объектов пирометры делятся на 2 типа. Это,

• Оптические пирометры
• Инфракрасные / радиационные пирометры

Оптические пирометры

Это один из типов пирометров, используемых для обнаружения теплового излучения видимого спектра.Температура измеряемых горячих объектов будет зависеть от излучаемого ими видимого света. Оптические пирометры способны обеспечить визуальное сравнение откалиброванного источника света и поверхности целевого объекта. Когда температура нити накала и поверхности объекта одинакова, тогда интенсивность теплового излучения, вызванного нитью, сливается с поверхностью целевого объекта и становится невидимой. Когда происходит этот процесс, ток, проходящий через нить накала, преобразуется в уровень температуры.

Инфракрасный или радиационный пирометр

Эти пирометры предназначены для обнаружения теплового излучения в инфракрасной области, которая обычно находится на расстоянии 2–14 мкм. Он измеряет температуру целевого объекта по испускаемому излучению. Это излучение можно направить на термопару для преобразования в электрические сигналы. Поскольку термопара способна генерировать более высокий ток, равный выделяемому теплу. Инфракрасные пирометры состоят из пироэлектрических материалов, таких как поливинилиденфторид (PVDF), триглицинсульфат (TGS) и танталат лития (LiTaO3).

Преимущества / недостатки

Обычно пирометры сравнивают с термометрами, а также имеют некоторые преимущества и недостатки при использовании.

Преимущества пирометра:

• Он может измерять температуру объекта без какого-либо контакта с ним. Это называется бесконтактным измерением.
• Обладает малым временем отклика.
• Хорошая стабильность при измерении температуры объекта.
• Он может измерять температуру различных типов объектов на разных расстояниях.

Недостатками пирометра являются

• Пирометры, как правило, прочные и дорогие
• На точность прибора могут влиять различные условия, такие как пыль, дым и тепловое излучение.

Пирометры используются в различных приложениях, например,

• для измерения температуры движущихся объектов или постоянных объектов с большого расстояния.
• В металлургической промышленности
• В плавильной промышленности
• Воздушные шары для измерения тепла в верхней части баллона
• Паровые котлы для измерения температуры пара
• Для измерения температуры жидких металлов и сильно нагретых материалов.
• Для измерения температуры печи.

Часто задаваемые вопросы

1). В чем разница между термометром и пирометром

Термометр — это устройство для измерения температуры (контактное измерение), а пирометр — это термометр с дистанционным зондированием и бесконтактное устройство для измерения высоких температур

2). Что такое оптический пирометр?

Приборы для бесконтактного измерения температуры, работающие по принципу яркости целевого объекта и яркости нити накала внутри пирометра.

3). Какие приборы используются для измерения температуры?

• Термометры, термопары, пирометры, термометры (жидкость в стекле)
• Термометр электрического сопротивления
• Радиационный термометр / инфракрасные термометры
• Термопара
• Кремниевый диод
• Биметаллические устройства
• Колбы и капиллярные устройства
• Постоянный объем газа и термометры давления газа

4). Как мы измеряем температуру?

Он измеряется термометром, откалиброванным в различных температурных шкалах, таких как шкала Цельсия (шкала Цельсия обозначается как градусы C), шкала Фаренгейта и шкала Кельвина (K).

5). Что такое единица измерения температуры в системе СИ?

Единица измерения температуры в системе СИ — Кельвин (К).

Как работают пирометры с соотношением сторон?

Пирометр — это тип термодатчика, используемый для измерения высоких температур поверхности, часто в больших печах или обжиговых печах. Эти устройства измеряют температуру объекта или поверхности по испускаемому тепловому излучению, также известному как радиометрия. Есть много приложений, в которых стандартный одноцветный пирометр неправильно считывает температуру, в том числе:

1. Мелкие предметы (слишком маленькие, чтобы заполнить конус зрения).
2. Пыль, дым или пар, закрывающие поле зрения.
3. Окна в процессе работы загрязняются, и их трудно содержать в чистоте.
4. Излучательная способность продукта изменяется (из-за изменения сплава или состояния поверхности).

Двухцветный пирометр или пирометр с соотношением сторон, такой как Endurance Series, может работать должным образом даже с этими проблемами и указывать правильную температуру.

Чем отличается двухцветный пирометр от одноцветного? Двухцветный пирометр состоит из двух одноцветных пирометров в одной упаковке.Он использует два детектора, работающих на двух разных длинах волн, но оба детектора видят одну и ту же горячую цель.

Схема реализации пирометра отношения с использованием 2 детекторов в многослойной структуре

Давайте сначала рассмотрим синий график в примере ниже. Двухцветный термометр смотрит на черное тело с коэффициентом излучения 1,0 и температурой черного тела 1500 ° C.В соответствии с законом Планка два детектора выдают следующие единицы энергии в соответствии с синей кривой при коэффициенте излучения 1,0:

Детектор №1 на длине волны λ ₁ выдаст на выходе 500 единиц.

Детектор №2 на другой длине волны λ ₂ выдаст сигнал в 1000 единиц.

Поскольку это термометр отношения, мы делим 1000 на 500 и получаем отношение 2. Прибор откалиброван таким образом, чтобы показывать 1500 ° C, когда он видит отношение 2.

Кривые Планка для термометра отношения, смотрящего двумя детекторами на черное тело при температуре 1500 ° C

А что произойдет, если каким-то образом сигнал от горячей цели будет уменьшен или не сможет попасть на детектор? Это может быть вызвано грязным окном, слишком маленьким объектом, чтобы заполнить конус обзора, или, возможно, дым на линии прямой видимости. На коричневом графике показан пример с потерей сигнала 90%, но заданная температура все еще составляет 1500 ° C.Это то же самое, что и видимое падение коэффициента излучения с 1,0 до 0,1.

Детектор №1 выдаст сигнал 50 единиц.

Детектор №2 выдаст сигнал 100 единиц.

Оба сигнала были уменьшены на 90% по сравнению с верхней кривой (E = 1.0). Обратите внимание, что 100, разделенное на 50, снова равно 2, иначе прибор покажет 1500 ° C, даже если мы потеряли 90% сигнала. У каждого двухцветного термометра есть ограничение на то, насколько можно уменьшить сигнал. Это называется затуханием, которое может варьироваться от 0% до 95% сигнала и при этом считывать точную температуру.

В принципе, двухцветный термометр работает правильно, если все, что влияет на одну длину волны, должно влиять на другую длину волны в той же степени. К сожалению, существуют приложения, в которых коэффициент излучения объекта различается для двух длин волн, например, для измерения расплавленных металлов. Когда двухцветный термометр смотрит на расплавленный металл, соотношение сигналов (или крутизна) будет неправильным, и при измерении температуры возникнет ошибка.

Как это можно исправить? Все двухцветные термометры имеют регулировку E-Slope. При просмотре расплавленного металла регулятор E-Slope поворачивается до тех пор, пока прибор не покажет правильную температуру металла. Правильная температура может быть получена с помощью одноразовой термопары. Эта регулировка E-Slope просто корректирует соотношение на константу, которая корректирует показания прибора на неравные спектральные коэффициенты излучения цели. После того, как E-Slope настроен, проблемы с дымом, паром, пылью, мелкими целями и т. Д., правильно обрабатываются прибором.

Следующая статья: Точное бесконтактное инфракрасное измерение температуры >>

Принципы работы пирометров | Sciencing

Пирометр измеряет температуру поверхности объекта без контакта с ним. Объекты могут излучать тепловое излучение. Устройство пирометра улавливает эти волны излучения и измеряет их, поскольку тепло может производить пропорциональные волны излучения. Пирометры имеют множество применений, в том числе в металлургии, паровых котлах, воздушных шарах и печах с соляной ванной, среди прочего.Устройство пирометра также можно назвать радиационным термометром, и вы можете использовать эти термины как синонимы.

Базовая конструкция

Базовый пирометр, хотя он бывает различных моделей и типов, состоит из двух основных компонентов. Он состоит из оптических систем и детекторов. Оптическая система пирометра фокусируется на излучательной способности объекта. Он посылает излучение на детектор, компонент очень чувствителен к волнам излучения. Затем детектор выводит данные об излучении, в частности, о температуре объекта, от которого исходит излучение.Детектор получает свою температуру, анализируя уровни энергии излучения, которые прямо пропорциональны его температуре.

Другие типы пирометров

Инфракрасные пирометры, также известные как инфракрасные термометры, имеют те же принципы конструкции, что и базовый пирометр. Однако одним заметным отличием является то, что эти типы кулачков пирометров измеряют энергию излучения с большего расстояния. Они делают это, измеряя длины волн в диапазоне от 0,7 до 20 микрон.Оптические пирометры работают с использованием нити накала внутри пирометра. Пользователь определяет температуру, сопоставляя цвет объекта с цветом нити накала.

Плюсы и минусы

Как и у любого прибора, у пирометров есть свои плюсы и минусы. Их обычно сравнивают с термометрами, которые соприкасаются с предметом. Это первый плюс пирометра; он может измерять температуру объектов, не контактируя с ними. Различные модели могут измерять температуру объектов с разного расстояния.Пирометры также обычно прочны. Однако устройство пирометра дорогое в производстве, и это один из недостатков. Еще один минус в том, что он не работает в пыльных условиях.

Применение пирометров

Поскольку пирометры измеряют объекты на расстоянии, вы обнаружите, что наиболее выгодно использовать их для объектов, к которым опасно прикоснуться с помощью стандартных термометров, или для объектов, находящихся вне досягаемости или движущихся. Вы можете использовать пирометры в металлургии, в том числе в плавке.Паровые котлы используют это устройство, устанавливая его в перегревателе и измеряя температуру пара. Операторы воздушного шара используют пирометры для измерения тепла в верхней части воздушного шара, чтобы гарантировать, что ткань не перегревается.

Пирометр — обзор | Темы ScienceDirect

29.4.2.4.2 Пирометрия и спектроскопия диффузного отражения

Одним из наиболее важных параметров роста в МБЭ является температура подложки. Оптические пирометры обычно используются для измерения температуры субстрата во время роста.Пирометры обладают рядом преимуществ, одно из которых — относительно нечувствительность к геометрии измерения, что позволяет проводить измерения температуры на пластине или плите. К тому же они дешевы и в целом очень надежны. Однако есть некоторые проблемы при проведении пирометрических измерений температуры в MBE. Необходимо выбрать длину волны обнаружения, при которой подложки кажутся непрозрачными; следовательно, для многих приложений МЛЭ необходимо выбирать пирометр, который работает на более коротких длинах волн, чем это типично для промышленности пирометров.Обычно это приводит к необходимости увеличения размера пятна и невозможности проводить измерения при более низких температурах. Кроме того, стандартные показания пирометра могут быть ошибочными из-за рассеянного света от таких предметов, как ионные датчики и источники. Наконец, стандартные оптические пирометры должны быть откалиброваны в системе MBE, и на калибровку может сильно повлиять нарост материала или покрытие смотрового окна пирометра.

В последние годы были разработаны альтернативы стандартному пирометру, и их популярность растет.Ряд компаний предлагают пирометры с коррекцией коэффициента излучения, в которых встроенный рефлектометр используется для измерения коэффициента излучения и повышения точности измерения температуры подложки. Обычно в рефлектометре используется светоизлучающий диод (LED) или лазер, работающий на длине волны, близкой к длине волны обнаружения пирометра, и отслеживается изменение оптической интенсивности отраженного (или прошедшего) сигнала, чтобы получить информацию о росте тонкая пленка. Эти системы предлагают несколько потенциальных преимуществ, включая повышенную точность показаний температуры, измерение коэффициента излучения поверхности и возможность измерения скорости роста на месте путем анализа сигнала отражательной способности.Однако есть и ряд проблем. Обычно эти системы требуют нормального падения на подложки и очень чувствительны к выравниванию. Следовательно, невозможно проводить измерения в разных точках стола, и на эти инструменты может значительно повлиять любое колебание подложки вокруг оси вращения. Рефлектометр в этих приборах также требует калибровки, на которую может сильно повлиять покрытие смотровых окон. Наконец, для некоторых из этих инструментов рефлектометр не имеет поправки на эффект рассеянного света, что приводит к очень большим ошибкам в вычислении температуры поверхности.Это особенно характерно для пирометров с коррекцией излучательной способности, которые были разработаны для использования в основном с системами MOCVD.

Системы, основанные на спектроскопии диффузного отражения (DRS), такие как система BandiT, предлагаемая k-Space Associates, являются другой альтернативой стандартному пирометру и становятся все более популярными в последние годы [21–24]. Эти системы могут работать в режиме отражения, улавливая свет от эталонной лампы, который диффузно рассеивается от поверхности пластины, или в режиме пропускания, улавливая свет от нагревателя подложки, который проходит через подложку.Затем спектр собранного света анализируется для определения эффективной ширины запрещенной зоны подложки, которая затем используется для расчета температуры подложки. Среди преимуществ этого метода заключается в том, что его не нужно калибровать в системе MBE, он довольно нечувствителен к геометрии камеры и колебаниям подложки при вращении, и на него практически не влияет нанесение покрытия на смотровые окна. Однако этот метод также имеет проблемы в том, что эти системы более дороги, чем пирометры или пирометры с коррекцией излучательной способности, и измерения DRS становятся очень трудными, когда наносимый эпитаксиальный слой имеет меньшую ширину запрещенной зоны, чем подложка, поскольку это сбивает с толку инструментальную интерпретацию ширины запрещенной зоны. .Обычно эта последняя проблема может быть решена путем изменения метода анализа, используемого для собранного света. В этом сценарии прибор становится пирометром с коррекцией коэффициента излучения, в котором температура поверхности и коэффициент излучения определяются путем подгонки ко всему спектру данных. Работая в этом режиме, эти инструменты также могут измерять скорость роста и оценивать шероховатость поверхности.

— Inst Tools

Метод измерения температуры объектов, не касаясь их, называется пирометрическим измерением.Это измерение бесконтактного типа, которое используется в различных промышленных приложениях.

Пирометр

Пирометр — это устройство, которое используется для измерения температуры объекта. Устройство фактически отслеживает и измеряет количество тепла, излучаемого объектом. Тепловое тепло излучается от объекта к оптической системе, находящейся внутри пирометра. Оптическая система лучше фокусирует тепловое излучение и передает его на детектор.Выход детектора будет связан с входным тепловым излучением. Самым большим преимуществом этого устройства является то, что, в отличие от датчика температуры сопротивления (RTD) и термопары, нет прямого контакта между пирометром и объектом, температуру которого необходимо определить.

Основной принцип

Объект, температура которого выше абсолютного нуля (например, 273,15 К), излучает или генерирует излучение. Излучение представляет собой тепловое излучение, которое зависит от температуры.Обычно инфракрасное излучение относится к типу измерения, поскольку большинство излучений находится в электромагнитном спектре инфракрасной области. Эта область находится в спектре вышеупомянутого видимого красного света. Энергия, излучаемая объектом, используется для измерения температуры объекта. с помощью детективного устройства, которое преобразует полученный сигнал в электрический сигнал. Инструменты или системы, которые используются для целей измерения, известны под общими названиями, такими как пирометр / термопистолет или радиационный пирометр.

Оптический пирометр

В оптическом пирометре для измерения температуры выполняется сравнение яркости. В качестве меры эталонной температуры принимается изменение цвета с ростом температуры. Устройство сравнивает яркость, создаваемую излучением объекта, температуру которого необходимо измерить, с яркостью эталонной температуры. Эталонная температура создается лампой, яркость которой можно регулировать до тех пор, пока ее интенсивность не станет равной яркости исходного объекта.Для объекта интенсивность его света всегда зависит от температуры объекта, какой бы ни была его длина волны. После регулировки температуры ток, проходящий через него, измеряется с помощью мультиметра, так как его значение будет пропорционально температуре источника при калибровке. Принцип работы оптического пирометра показан на рисунке ниже.

См. Также: Анимация оптического пирометра

Как показано на рисунке выше, оптический пирометр состоит из следующих компонентов.

1. Окуляр (наблюдатель) слева и оптическая линза справа.
2. Контрольная лампа, питаемая от батареи.
3. Реостат для изменения силы тока и, следовательно, яркости.
4. Для увеличения диапазона измеряемых температур между оптической линзой и эталонной лампой устанавливается поглощающий экран.
5. Красный фильтр, расположенный между окуляром и эталонной лампой, помогает сузить диапазон длин волн.

Рабочий

Излучение исходит от источника, и линза оптического объектива улавливает его. Линза помогает фокусировать тепловое излучение на эталонной лампе. Наблюдатель наблюдает за процессом через окуляр и корректирует его таким образом, чтобы нить накала эталонной лампы имела резкий фокус, а нить накала накладывалась на изображение источника температуры. Наблюдатель начинает изменять значения реостата, и ток в контрольной лампе изменяется.Это, в свою очередь, меняет его интенсивность. Это изменение тока можно наблюдать тремя разными способами.

1. Нить темная. То есть холоднее, чем источник температуры.

2. Нить яркая. То есть горячее, чем температура источника.

3. Исчезает нить. Таким образом, яркость нити накала и источника температуры одинакова. В это время измеряется ток, протекающий в эталонной лампе, поскольку его значение является мерой температуры излучаемого света в источнике температуры при калибровке.

Преимущества

1. Простая сборка устройства позволяет легко им пользоваться.
2. Обеспечивает очень высокую точность с точностью +/- 5 градусов Цельсия.
3. Нет необходимости в непосредственном контакте тела между оптическим пирометром и объектом. Таким образом, его можно использовать в самых разных приложениях.
4. Пока размер объекта, температура которого должна быть измерена, соответствует размеру оптического пирометра, расстояние между ними не является проблемой.Таким образом, устройство можно использовать для дистанционного зондирования.
5. Это устройство можно использовать не только для измерения температуры, но и для наблюдения за теплом, выделяемым объектом / источником. Таким образом, оптические пирометры можно использовать для измерения и просмотра длин волн, меньших или равных 0,65 мкм. Но радиационный пирометр может использоваться для приложений с высокой температурой и может измерять длину волны от 0,70 микрон до 20 микрон.
6. Может измерять движущиеся объекты.
7. Электротехнические элементы темп.могут быть измерены, что очень важно, если мы думаем об измерениях контактного типа, панелях HT, трансформаторах.
8. Инструменты могут использоваться там, где физический доступ затруднен. Небольшие воздуховоды или какой-либо объект на высоте крыши.

Недостатки

1. Поскольку измерение основано на интенсивности света, устройство можно использовать только в приложениях с минимальной температурой 700 градусов Цельсия.
2. Устройство не пригодно для получения непрерывных значений температуры с небольшими интервалами.

Приложения

1. Используется для измерения температуры жидких металлов или сильно нагретых материалов.
2. Может использоваться для измерения температуры печи.

Статья Автор:
Правин В. Махешкар
Пуна
7023204432

— Inst Tools

Как обсуждалось ранее, оптический пирометр можно использовать не только для измерения температуры, но и для определения измеряемого тепла.Наблюдатель может рассчитать инфракрасную длину волны выделяемого тепла, а также увидеть тепловые характеристики объекта. Но количество тепла, которое может воспринимать устройство, ограничено 0,65 микрон. Вот почему радиационный пирометр более полезен, так как его можно использовать для измерения всех температур с длинами волн от 0,70 микрон до 20 микрон.

Радиационный пирометр

Известно, что длины волн, измеряемые устройством, являются длинами волн чистого излучения, то есть обычным диапазоном для радиоактивного тепла.Это устройство используется в местах, где физические контактные датчики температуры, такие как термопары, RTD и термисторы, выходят из строя из-за высокой температуры источника.

Основная теория радиационного пирометра заключается в том, что температура измеряется по естественному тепловому излучению тела. Это тепло, как известно, зависит от его температуры. В зависимости от области применения устройства способ измерения тепла можно разделить на два:

1. Пирометр полного излучения — В этом методе общее количество тепла, выделяемого горячим источником, измеряется на всех длинах волн.
2. Селективный радиационный пирометр — В этом методе тепло, излучаемое горячим источником, измеряется на заданной длине волны.

Как показано на рисунке ниже, пирометр излучения имеет оптическую систему, включающую линзу, зеркало и регулируемый окуляр. Тепловая энергия, излучаемая горячим телом, передается на оптическую линзу, которая собирает ее и фокусируется на детекторе с помощью зеркала и окуляра. Детектор может быть термистором или фотоэлектронным умножителем.Хотя последний известен более быстрым обнаружением быстро движущихся объектов, первый может использоваться для небольших приложений. Таким образом, тепловая энергия преобразуется детектором в соответствующий электрический сигнал и отправляется на устройство отображения выходной температуры.

Преимущества

• Устройство можно использовать для измерения очень высоких температур без прямого контакта с горячим источником (расплавленным металлом).
• Самым большим преимуществом является то, что оптическую линзу можно отрегулировать для измерения температуры объектов диаметром даже 1/15 дюйма, которые также находятся на большом расстоянии s = от измерительного устройства.
• Путь обзора устройства поддерживается конструкцией компонентов инструмента, таких как линза и изогнутые зеркала.

Ограничения

• Наличие ограничения оптических материалов по длинам волн, которые могут быть измерены.
• Поверхность горячего предмета должна быть чистой. Он не должен окисляться. Образование накипи не позволяет точно измерить радиацию.
• Требуется поправка на коэффициент излучения. Необходимо учитывать изменение коэффициента излучения в зависимости от температуры.

Также читайте: Вопросы для интервью с датчиками температуры

— обзор

Оптические измерения температуры подложки

Одним из наиболее важных параметров роста при МЛЭ является температура подложки. Оптические пирометры часто используются для измерения температуры субстрата во время роста. Пирометры обладают рядом преимуществ, одно из которых — относительно нечувствительность к геометрии измерения, что позволяет проводить измерения температуры на пластине или плите.К тому же они дешевы и в целом очень надежны. Однако есть некоторые проблемы при проведении пирометрических измерений температуры в MBE. Необходимо выбрать длину волны обнаружения, при которой подложки непрозрачны; следовательно, для многих приложений МЛЭ необходимо выбирать пирометр, который работает на более коротких длинах волн, чем это типично для промышленности пирометров. Обычно это приводит к необходимости увеличения размера пятна и невозможности проводить измерения при более низких температурах.Кроме того, стандартные показания пирометра могут быть ошибочными из-за рассеянного света от таких предметов, как ионные датчики и источники эффузии. Наконец, стандартные оптические пирометры должны быть откалиброваны в системе MBE, и на калибровку может сильно повлиять нарост материала или покрытие смотрового окна пирометра.

В последние годы были разработаны альтернативы стандартному пирометру, и их популярность растет. Ряд компаний предлагают пирометры с коррекцией коэффициента излучения, в которых встроенный рефлектометр используется для измерения коэффициента излучения и повышения точности измерения температуры подложки.Обычно в рефлектометре используется светоизлучающий диод (LED) или лазер, работающий на длине волны, близкой к длине волны обнаружения пирометра, и отслеживается изменение оптической интенсивности отраженного (или прошедшего) сигнала для получения информации о росте тонкой пленки. Эти системы предлагают несколько потенциальных преимуществ, включая повышенную точность показаний температуры, измерение коэффициента излучения поверхности и возможность измерения скорости роста и толщины слоя на месте путем анализа сигнала отражательной способности.Однако есть и ряд проблем. Обычно эти системы требуют нормального падения на подложки и чувствительны к выравниванию. Следовательно, невозможно проводить измерения в разных точках стола, и на эти инструменты может значительно повлиять любое колебание подложки вокруг оси вращения. Рефлектометр в этих приборах также требует калибровки, на которую может сильно повлиять покрытие смотровых окон. Наконец, для некоторых из этих инструментов рефлектометр не имеет поправки на эффект рассеянного света, что приводит к очень большим ошибкам в вычислении температуры поверхности.Это особенно характерно для пирометров с коррекцией излучательной способности, которые были перепрофилированы из других приложений и специально не предназначены для решения уникальных задач в MBE.

Системы, основанные на спектроскопии диффузного отражения (DRS), такие как система BandiT, предлагаемая k-Space Associates, являются еще одной альтернативой стандартному пирометру и становятся все более популярными в последние годы (Farrer et al., 2007; Hoke et al. ., 2010; Ihlefeld et al., 2007; Sacks et al., 2005). Эти системы могут работать в режиме отражения, улавливая свет от эталонной лампы, который диффузно рассеивается от поверхности пластины, или в режиме пропускания, улавливая свет от нагревателя подложки, который проходит через подложку.Затем спектр собранного света анализируется для определения эффективной ширины запрещенной зоны подложки, которая затем используется для расчета температуры подложки. Среди преимуществ этого метода — то, что его не нужно калибровать в системе MBE; он довольно нечувствителен к геометрии камеры и колебаниям подложки при вращении, и на него практически не влияет нанесение покрытия на смотровые окна. Однако этот метод также имеет недостатки в том, что эти системы более дорогие, чем пирометры или пирометры с коррекцией излучательной способности, и измерения DRS становятся очень трудными, когда наносимый эпитаксиальный слой имеет меньшую ширину запрещенной зоны, чем подложка, поскольку это сбивает с толку прибором интерпретацию ширины запрещенной зоны.