Применение цифрового инфракрасного термометра (пирометра)
для контроля температуры узлов ПК

на страницах сайта

www.electrosad.ru

Наткнулся в книге "Модернизация и ремонт ПК" Скотта Мюллера на его отзыв о цифровом инфракрасном термометре. "Цифровые инфракрасные термометры незаменимы при проверке температурного режима компьютерных компонентов". Не смотря на указанную Скоттом Мюллером цену применяемого им цифрового пирометра - до 100 $, что весьма приемлемо сейчас но что-то не слышно об их широком применении.
В чем дело?

 
 
Цифровой инфракрасный термометр -
назначение, краткие характеристики, применения

Сначала что пишут об этих приборах производители и продавцы:

 

"Правильное название этого прибора - инфракрасный пирометр, а современный уровень электроники позволяет иметь у них систему цифровой индикации.
Несколько слов об устройстве пирометра и его характеристиках, существенно влияющих на результаты измерений.

Пирометры относятся к приборам бесконтактного контроля температуры.

Пирометры бывают:

  1. яркостные, измеряющие температуру по яркости накаленного тела в заданном узком диапазоне длин волн;
  2. радиационные, измеряющие температуру по тепловому действию суммарного излучения нагретого тела (во всем диапазоне длин волн);
  3. цветовые, принцип действия которых основан на измерении отношения энергий, излучаемых телом в разных спектральных диапазонах.

Принцип действия инфракрасного пирометра основан на измерении абсолютного значения излучаемой энергии одной волны в инфракрасном спектре. На сегодня это относительно недорогой бесконтактный метод измерения температуры. Данные устройства могут наводиться на объект с любой дистанции и ограничены лишь диаметром измеряемого пятна и прозрачностью окружающей среды. Они идеальны для переносных моделей, и поэтому могут работать по принципу "навел и измерил". Инфракрасные термометры, часто называемые пирометрами, используют принцип детектора инфракрасного излучения. Интенсивность и спектр излучения зависит от температуры тела. Измеряя характеристики излучения тела, пирометр косвенно определяет температуру его поверхности."

 

Нас интересуют радиационные пирометры для локальных измерений температур, как позволяющие наиболее просто измерять температуру в нашем диапазоне температур (35-95°С).

 

Пирометры применяются для:

  • измерение температуры удаленных и труднодоступных объектов;
  • измерение температуры движущихся частей;
  • обследование частей, находящихся под напряжением;
  • контроль высокотемпературных процессов;
  • регистрация быстро изменяющихся температур;
  • измерение температуры тонкого поверхностного слоя;
  • обследование частей, не допускающих прикосновения;
  • обследование материалов с низкой теплопроводностью или теплоемкостью;
  • экспресс - измерения.

Отсюда вытекают и их области применения, которые приводить не буду.

 

Основные характеристики пирометров

Основными техническими характеристиками пирометра являются:

Параметр Значение
диапазон измеряемых температур обычно от -50ºС...800ºС
разрешение при измерении обычно 1, 0.1 ºС
точность измерения ±5ºС в диапазоне -50ºС...-20 ºС
± (1,5% изм. значения +3 ºС) в диапазоне -20...300ºС
коэффициент излучения постоянный 0,95
вводимый пользователем
оптическое разрешение от 2:1 до 600:1
быстродействие обычно менее 1 сек
способ нацеливания оптический, лазерный

Таблица 1.

 

Нас интересуют оптическое разрешение и показатель визирования.

Оптическое разрешение пирометра или показатель визирования - это отношение диаметра пятна контроля (диаметра объекта контроля, с поверхности которого пирометр принимает энергию инфракрасного излучения) к расстоянию до объекта (контролируемой поверхности).

Область чувствительности пирометра приближенно можно представить конусом, вершина которого упирается в объектив прибора, а основание располагается на поверхности объекта. Отношение высоты конуса к его диаметру L:D, называемое оптическим разрешением пирометра, является одной из основных характеристик прибора (иногда используют обратную величину - D:L). Чем больше L:D, тем более мелкие предметы пирометр может различить на расстоянии.

Область чувствительности пирометра можно считать конической только на достаточном расстоянии. Вблизи она имеет более сложную форму. Часто у пирометра зона чувствительности сначала сужается до минимума, а затем начинает расширяться в форме конуса. Расстояние F, на котором достигается минимальный диаметр зоны чувствительности d, называется фокусным расстоянием. Для таких пирометров параметры F и d указываются в документации. Существуют специальные короткофокусные пирометры, у которых d составляет 5...8 мм на расстоянии F 300...600 мм.

В технической документации на прибор указывается значение показателя визирования  или приводится диаграмма поля зрения.

При фокусировке пирометра на конечное расстояние и диаметре круга контроля в месте перетяжки меньше диаметра входного окна пирометра {показатель визирования (дан в соотношении принятом производителем) указывается для места перетяжки}:

 

Рисунок 1.

 

На рис.1 показаны оптическое разрешение (диаграммы направленности) различных моделей пирометров одной из фирм-производителей для разных показателей визирования.

 

Вы видите, что диаметр объекта на поверхности которого измеряется температура определяется показателем визирования  и зависит от расстояния до пирометра:

 

D=k*L

Здесь:
D
- диаметр пятна контроля температуры,
k -
показатель визирования,
L -
расстояние от пирометра до пятна контроля температуры.


Минимальный диаметр пятна контроля - наименьший диаметр объекта, который может быть измерен при данном фокусном расстоянии и размере приемника.
Отношение высоты конуса к его диаметру L:D, называемое оптическим разрешением пирометра, является одной из основных характеристик пирометра (часто иногда используют обратную величину - D:L). Чем больше L:D, тем более мелкие предметы пирометр может различить на расстоянии.
При увеличении или уменьшении расстояния измеряемый диаметр возрастает. При приближении к объекту вплотную измеряемый диаметр увеличивается до размеров входного зрачка прибора.
Точность измерения не зависит от расстояния до тех пор, пока размер объекта больше измеряемого диаметра.

Индицируемая пирометром температура будет не верна, если размер объекта меньше диаметра пятна контроля. Так как объект, температура которого должна быть измерена, не заполняет весь диаметр пятна контроля, прибор принимает излучение от других объектов окружающей среды, которое оказывает влияние на точность измерения.

 

Пятно визирования и площадь поверхности где контролируется температура.

 

правильное критическое за критическое

Рисунок 2.

 

  1. при правильном положении D пятна визирования точность измерения определяется только характеристиками прибора,
  2. при критическом положении D пятна визирования равен размеру контролируемой поверхности, при неточном визировании возможно увеличение погрешности измерения,
  3. при за критическим положением пятна визирования проводить измерения не рекомендуется, в связи с низкой точностью измерения.

 

Фокусное расстояние пирометра

Область чувствительности пирометра можно считать конической только на достаточном расстоянии. Вблизи она имеет более сложную форму. Часто у пирометра зона чувствительности сначала сужается до минимума, а затем начинает расширяться в форме конуса. Расстояние F, на котором достигается минимальный диаметр зоны чувствительности D, называется фокусным расстоянием. Для таких пирометров параметры F и D указываются в документации. Существуют специальные короткофокусные пирометры, у которых D составляет 5...8 мм на расстоянии F 300...600 мм.

 

Диапазон температур и длина волны пирометра

Рабочий диапазон температур пирометра зависит от длины волны излучения, на которое реагирует детектор пирометра. Так как спектр излучения с ростом температуры смещается в сторону коротких волн, высокотемпературные пирометры имеют более короткую длину волны. Для пользователя рабочая длина волны пирометра не имеет значения, его интересует диапазон температур.

 

Быстродействие пирометра

Так как пирометры применяются в случаях быстрого изменения температуры, быстродействие для них является важной характеристикой. Оно обычно оценивается временем достижения 95% установившегося показания (время установления показания).

 

Установка излучательной способности

Простейшие модели пирометров имеют фиксированное значение излучательной способности (обычно около 0,95), при измерении температуры хорошо отражающей поверхности они дают погрешность в несколько градусов.

Для точного определения температуры тела по его излучению необходимо знать его излучательную способность (степень черноты). Большинство поверхностей по характеру излучения близки к черному телу, однако некоторые (например, полированные металлы) существенно отличаются.

В более сложных пирометрах можно устанавливать излучательную способность, компенсируя эту погрешность.

В наиболее совершенных пирометрах имеются встроенные таблицы излучательной способности многих известных материалов, что избавляет от необходимости их запоминания.

 

Способ нацеливания пирометра

Простейшие пирометры не имеют устройства нацеливания и могут применяться только на близких расстояниях. Для нацеливания пирометра на удаленные объекты чаще всего применяется луч лазера. С помощью одиночного лазерного луча можно определить только точку вблизи центра зоны чувствительности. У такого прицела луч лазера не совпадает с оптической осью объектива пирометра, поэтому центр зоны смещен относительно лазергого указателя на фиксированное расстояние 1-2 см (т.н. ошибка параллакса). В усовершенствованном коаксиальном прицеле луч лазера выходит из центра объектива пирометра и всегда попадает в центр зоны измерения. Двойной лазерный прицел показывает не только расположение, но и размер зоны измерения пирометра, однако на близком расстоянии он может быть сильно завышен. Разновидность двойного прицела с пересекающимися лучами называется кросс-лазером и обычно применяется в короткофокусных пирометрах, так как этот вид лазера удобен для определения местоположения фокуса объектива. Круговой лазерный прицел, образованный несколькими лучами, наглядно обозначает зону измерения пирометра. Простому круговому прицелу присущи уже упомянутые недостатки - параллакс и завышенный размер зоны измерения на близком расстоянии. Наиболее совершенный прицел, лишенный этих недостатков, создается несколькими лазерными лучами, расположенными вокруг объектива пирометра и образующими гиперболоид вращения. Такой прицел точно обозначает зону измерения на любом расстоянии от пирометра, поэтому он называется точным круговым лазером (TRUE SPOTTM).

Лазерный луч плохо виден на ярко освещенной или раскаленной поверхности, поэтому высокотемпературные пирометры для нацеливания иногда оснащаются оптическими визирами.


Какой прибор нужен для работы с ПК

Для работы с ПК нужен пирометр:

  1. работающий в температурном диапазоне от 35 до 95 градусов,
  2. имеющий пятно контроля температуры порядка 5 мм (хотелось бы меньне, но увы) при расстоянии до 1 метра (или L:D = 200:1),
  3. разрешение при измерениях достаточно 1°С.

Конечно лучше бы иметь пятно контроля около 1 мм, чтобы измерять возможность контроля температуры в локальных точках в корпусе ПК.

Какие это точки?

Имеется необходимость контроля температуры в последовательной цепи для выявления проблемных мест.

Таких как: основания кулера, тепловых трубок (на разных их частях), ребер радиаторов, малоразмерных чипов и других локальных зон. Для этого хорошо подходит пирометр в высоким разрешением или тепловизор. Пирометр позволяет выполнять непосредственные измерения, но с такими характеристиками их просто не выпускают. Тепловизоры не позволяют выполнять непосредственные измерения, требуют постоянных калибровок и сложны в эксплуатации. И главное они дороги для бытовых применений.

Пирометры имеющие характеристики близкие к указанным в начале раздела выпускаются, но стоят совсем не 100$. Их цена от 300 до 1000$.

Это совсем не то о чем писал Скотт Мюллер в книге "Модернизация и ремонт ПК"!

 

Заключение

К сожалению Скотт Мюллер, не привел модели пирометра, чтобы можно было дать определенный ответ, а те которые имеют цену до 100$ в USA не позволяют измерять температуру с достаточной точностью в ограниченной области достаточно загруженного тепловыделяющими элементами корпуса ПК. Кроме этого, этих условиях возможны отражения от металлических конструкций корпуса, что вообще делает измерения данным прибором проблематичными.

А те которые, в принципе (или с определенными ограничениями), могут быть применены имеют цену соизмеримую с ценой тепловизора. А применение тепловизора, не смотря на его сложность, дает изображение тепловой картинки нужной Вам области. Изменив настройки можно с достаточной точностью знать температуру в любой точке и видеть ее градиенты.

Поэтому рекомендации Скотта Мюллера, увы - нереальны.

А.Сорокин, 2011 г.

Яндекс.Метрика

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через
гостевую книгу или
почтой.

Copyright © Sorokin A.D.

2002-2012