LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

1

4. POMIARY METODAMI BEZSTYKOWYMI

4.1 Pomiary długości

4.1.1. Pomiary długości w torach optycznych otwartych

W zakresie częstotliwościowym technika laserowa znajduje się pomię-

dzy zakresem techniki ultradźwiękowej oraz radarowej i wykorzystuje metody wspólne dla

wymienionych technik oraz specyficzne, wykorzystujące monochromatyczność fali promie-

niowania laserowego. Wspólną metodą stosowaną w wymienionych trzech zakresach jest

metoda wykorzystująca odbicie fali od obiektów i pomiar czasu, jaki upływa od generacji fali

do jej powrotu. W przypadku techniki laserowej, dla celów metrologicznych, jako źródło pro-

mieniowania stosuje się prawie wyłącznie laser półprzewodnikowy (dioda laserowa z rezona-

torem Fabry-Perota). Fala promieniowania laserowego takiej diody jest monochromatyczna,

koherentna, charakteryzuje się małą rozbieżnością (mniejszą od

m

o

02

,

0

), dużą w porówna-

niu z innymi źródłami światła sprawnością – większą od 5%, i małymi rozmiarami (ułamek

cm

3

). Dioda generuje falę o długości 800 – 900 nm, sięgającej już zakresu podczerwieni.

Przedstawione metody pomiaru dotyczą sytuacji, gdy promieniowanie laserowe prze-

nika przez powietrze – nie jest np. wprowadzone do światłowodu. Te metody pomiaru można

nazwać metodami z torem optycznym otwartym w odróżnieniu od sytuacji, gdy strumień pro-

mieniowania laserowego jest prowadzony w światłowodzie – mówimy wtedy o torze optycz-

nym zamkniętym.

Rys. 4.1. Schemat blokowy laserowego, odbiciowego miernika długości

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

2

Na rys. 4.1 przedstawiono schemat blokowy laserowego miernika długości, w którym

dioda laserowa DL oraz fotodioda, identyfikująca odbitą falę promieniowania, znajdują się w

jednej obudowie. Generator G jest generatorem impulsów pikosekundowych, pobudzających

diodę laserową. Impuls promieniowania laserowego, wysyłany z diody laserowej, po odbiciu

od przeszkody wraca do fotodiody i po wzmocnieniu jest doprowadzony do układu pomiaru

czasu t. Do tego układu doprowadzone są również impulsy generatora pobudzającego diodę

laserową. Układ mierzy czas potrzebny na przejście fali promieniowania tam i z powrotem:

c

l

t

2

=

gdzie c – prędkość światła.

Jeżeli uwzględni się, że w trakcie pomiaru odległości o wartości ok. 1,5 m promień la-

serowy pokonuje ją w czasie ok. 10 ns, to z tego wynikają bardzo duże wymagania dotyczące

właściwości dynamicznych wszystkich układów elektronicznych. Jednocześnie wymaganą

dokładność osiąga się od pewnej wartości długości, określającej dolny zakres pomiarowy.

Dolny zakres pomiarowy jest rzędu 1 m, przy czym niedokładność bezwzględna pomiaru jest

równa

cm

2

±

. Mniejsze niedokładności osiąga się przy pomiarach większych odległości,

gdzie znajduje się główny obszar zastosowań metrologicznych – stąd przyjęta nazwa „dalmie-

rze laserowe”. Metodą tą dokonano m.in. pomiaru odległości Ziemia – Księżyc z niedokładno-

ścią

.

3m

±

W nowoczesnych zakładach produkcyjnych laserowe mierniki długości służą m.in.

do określania miejsca, w którym znajdują się wózki w całkowicie automatycznym systemie

transportu materiałów i półproduktów. Sygnały z tych mierników, po doprowadzeniu do kom-

putera i ich przetworzeniu powodują dalszy ruch wózków w zależności od potrzeb poszcze-

gólnych zrobotyzowanych gniazd produkcyjnych.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

3

Rys. 4.2 Ilustracja pomiaru przemieszczenia metodą laserową,

wykorzystującą promieniowanie odbite.

Drugą metodę pomiaru długości wykorzystującą technikę laserową zilustrowano na

rys. 4.2. Promienie laserowe z lasera L padają na powierzchnię oddaloną o l lub l

’

od lasera

ulegając rozproszeniu. Część fal rozproszonych, poprzez soczewkę pada na fotodetektor,

którego konstrukcja może być różna. W najprostszym przypadku są to dwie linie przewodzą-

ce o dużej rezystancji oddzielone cienką warstwą materiału fotoprzewodzącego. Przesunięcie

plamki po materiale fotoprzewodzącym powoduje zwieranie obu pasków rezystancyjnych w

punkcie padania plamki.

Przedstawiona metoda nadaje się do pomiarów długości do ok. 1 m – wówczas prze-

sunięcie plamki na fotodetektorze będzie rozróżnialne z wystarczającą dokładnością. Im odle-

głość lasera L od powierzchni rozpraszającej (A,B) będzie mniejsza (do granic zakresu – kie-

dy plamka „wyjdzie” poza detektor), tym niedokładność pomiaru będzie mniejsza. Jest to za-

tem metoda uzupełniająca w porównaniu do metody pomiaru czasu. Niedokładności pomiaru

długości zależą od precyzji wykonania: od

5

10

−

±

do

2

10

−

±

. Metodę tę stosuje się nie tylko do

pomiarów, ale m.in. w układach zabezpieczeń przed włamaniem.

W pomiarach o dużej precyzji stosuje się technikę interferometryczną. Pierwszym

ważnym zastosowaniem interferencji fal świetlnych było porównanie w 1887 roku przez Mi-

chelsona odległości kresek wówczas międzynarodowego wzorca metra z częstotliwością fali

czerwonego promieniowania kadmu. Obecnie zastosowanie techniki interferometrycznej jest

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

4

bardzo szerokie. Najdokładniejsze interferometry umożliwiają pomiar długości z niedokładno-

ścią rzędu

6

10

−

±

; wymagana jest wtedy kontrola warunków pracy i wyznaczanie poprawek

spowodowanych wielkościami wpływowymi. Interferometry laserowe, stosowane np. w prze-

myśle maszynowym charakteryzują się niedokładnością rzędu setnych lub dziesiętnych czę-

ści procenta, zapewniając rozdzielczość rzędu setnych części µm.

Cechą charakterystyczną metod laserowych z torem optycznym otwartym jest nie-

wrażliwość promieniowania na wielkości wpływające – takie jak skład chemiczny gazów przez

które przenika promieniowanie, temperatura, ciśnienie itd. Zasadniczą „wadą” promieniowania

laserowego jest jego prostoliniowe rozchodzenie się w przestrzeni. Znaczenie tej „wady” zma-

lało z chwilą wynalezienia światłowodu pozwalającego na praktycznie dowolne prowadzenie

strumienia świetlnego i następnie rozwoju bardzo szerokiej dziedziny, jaką jest optoelektronika

światłowodowa.

4.1.2. Pomiary długości metodami ultradźwiękowymi

Ultradźwięki są falami sprężystymi o częstotliwościach większych od 16 kHz,

tzn. od częstotliwości, którą przyjmuje się jako górną częstotliwość pasma słyszalno-

ści. Górną granicę częstotliwości ultradźwięków przyjmuje się równą 10

9

Hz, przy

czym fale sprężyste o częstotliwości większej od 10

9

Hz nazywamy hiperdźwiękami.

Proces rozchodzenia się fal opisany jest zależnością:

f

c

=

λ

gdzie:

λ – długość fali ultradźwiękowej

c – prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w ośrodku

f – częstotliwość

Ultradźwięki charakteryzują się małymi długościami fal – np. przy często-

tliwości

kHz

f

16

=

długość fali w powietrzu jest równa ok. 2 cm, w cieczach 8 cm a w

ciałach stałych ok. 30 cm. Przy częstotliwości fali ultradźwiękowej równej górnej czę-

stotliwości granicznej, tzn. 10

9

Hz, długości fal są rzędu 10

-4

m.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

5

W przypadku ośrodków płynnych (tj. cieczy i gazów) prędkość c

u

rozcho-

dzenia się fali podłużnej jest prędkością rozprzestrzeniania się obszarów zagęszcza-

nia i rozrzedzania ośrodka i jest równa:

ρ

K

c

u

=

gdzie:

K – moduł sprężystości objętościowej ośrodka.

Dla procesu adiabatycznego, dla którego moduł sprężystości objętościowej

o

p

k

K

*

=

, prędkość

ρ

o

u

kp

c =

gdzie:

v

p

c

c

k =

p

o

– ciśnienie w równowadze,

c

p

– ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu,

c

v

- ciepło właściwe przy stałej objętości,

ρ – gęstość ośrodka.

Prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej dla cieczy jest rzędu 1 km/s

(np. woda – 1.5 km/s, benzenu – 1,33 km/s) i jest mniejsza niż prędkość rozchodze-

nia się fali w materiałach stałych (np. stal 5,9 km/s, szkło 5,5 km/s). Wielkością cha-

rakteryzującą ośrodek jest tłumienie, które polega na zmniejszeniu energii wzdłuż

drogi rozchodzenia się fali w wyniku zjawiska absorpcji, spowodowanej lepkością

ośrodka oraz zjawiska rozszerzania, spowodowanego niejednorodnością ośrodka;

wyznacza się je z zależności:

2

1

2

1

ln

1

A

A

l

l

t

−

=

α

gdzie:

A

1

, A

2

– amplitudy fal

l

1

, l

2

– odległości od generatora w miejscach wyznaczania amplitud.

Tłumienie jest proporcjonalne do kwadratu częstotliwości fali (α

t

~ f

2

) i dla-

tego ośrodek charakteryzuje nie bezpośrednio współczynnik α

t

, zdefiniowany zależ-

nością (Q) ale współczynnik α

t

/ f

2

. Jego wartość np. dla wody jest równa 0,25*10

-13

s

2

/m , dla benzenu 9*10

-13

s

2

/m , natomiast dla stali 8*10

-6

s

2

/m , a dla szkła kwar-

cowego 1,23*10

-7

s

2

/m. W przypadku gazów współczynnik ten przyjmuje znacznie

większe wartości, rzędu 10

-2

, co oznacza znacznie większe tłumienie fali ultradźwię-

kowej w powietrzu i w gazach.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

6

Rys. 4.3. Przykłady zastosowań metody ultradźwiękowej:

a – do pomiaru odległości, b – poziomu cieczy, c – przykładowy przebieg

napięcia na elektrodach

Źródłami fali ultradźwiękowej są przetworniki piezoelektryczne, magnetostryk-

cyjne, elektrostatyczne, elektrodynamiczne i inne. Najczęściej stosowanym źródłem

fali ultradźwiękowej są przetworniki piezoelektryczne pełniące rolę nadajników i od-

biorników fali w zakresie częstotliwości od 20 kHz do 10 GHz. W układach pomiaro-

wych stosowanych w technice górny zakres częstotliwości jest ograniczony do kilku-

nastu lub kilkudziesięciu MHz. Częstotliwość generacji w przypadku przetworników

piezoelektrycznych jest związana z grubością płytki a którą najczęściej się tak dobie-

ra, aby wzbudzone drgania mechaniczne odpowiadały jej drganiom rezonansowym,

tzn. d = λ/2. Istnieje, więc odwrotna proporcjonalność pomiędzy grubością płytki a

częstotliwością generowanej fali ultradźwiękowej. Powierzchnie płytki najczęściej są

pokryte cienką, napyloną warstwą srebra, pozwalającą na doprowadzenie napięcia.

Kształt fali ultradźwiękowej zależy od kształtu napięcia doprowadzonego do elektrod i

w zależności od potrzeb można uzyskać pojedyncze krótkotrwałe impulsy, tłumioną

sinusoidę lub nietłumioną sinusoidę. W przypadku pomiaru przemieszczeń najczę-

ściej stosuje się pojedyncze impulsy. Impulsy ultradźwiękowe powszechnie stosowa-

ne są w nieniszczących badaniach materiałów (defektoskopii ultradźwiękowej), dia-

gnostyce (USG), echosondach itd. Fale periodyczne stosuje się m.in. przy produkcji

emulsji, w procesach homogenizacji.

W przypadku pomiaru długości zastosowanie metody ultradźwiękowej ograni-

cza się głównie do pomiaru odległości pomiędzy przetwornikiem i obiektem umiesz-

czonymi w cieczy. Ze względu na duże tłumienie fali ultradźwiękowej w gazach

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

7

(w powietrzu) bardzo rzadko spotyka się układy pomiaru przemieszczenia, w których

fala ultradźwiękowa rozchodzi się w gazie. Na rys. 4.3. przedstawiono dwa przykłady

pomiaru długości pomiędzy nadajnikiem fali ultradźwiękowej i granicą ośrodka, od

której fala ulega odbiciu. Generator G (rys. 4.3. a, b) generuje impuls napięcia o am-

plitudzie A

1

, doprowadzony do elektrody piezoelektryka. Pod wpływem przyłożonego

napięcia zmieniają się impulsowo wymiary geometryczne płytki, co jest źródłem me-

chanicznego zaburzenia ośrodka, które rozchodzi się w postaci fali. Jednocześnie

impuls ten dochodzi do układu pomiarowego (UP), powodując rozpoczęcie odliczania

czasu. Fala akustyczna dochodząc do granicy ośrodków ulega odbiciu i powraca do

przetwornika piezoelektrycznego powodując, pod wpływem naprężenia pojawienie

się ładunku, a tym samym napięcia na elektrodach przetwornika. Impuls o amplitu-

dzie A

2

jest doprowadzony do układu pomiarowego powodując zakończenie odlicza-

nia czasu. Stąd odległość

2

i

t

v

l

⋅

=

Należy zauważyć, że fala, która została odbita od granicy ośrodków i powróci-

ła do przetwornika, zostaje ponownie odbita i po następnym odbiciu od granicy

ośrodków powraca o amplitudzie A

3

. Jednocześnie do przetwornika dochodzą fale

odbite od innych obiektów lub wielokrotnie odbite np. od ścianek (przykładowo za-

znaczone linią przerywaną), które powodują pojawienie się impulsów zakłócających.

Fale odbite ulegają po pewnym czasie wytłumieniu i ten czas określa okres impul-

sów generatora – kolejny impuls powinien zostać wygenerowany dopiero po „uspoko-

jeniu” się ośrodka.

W warunkach technicznych do przetwornika mogą dojść najpierw fale odbite

od takich elementów konstrukcyjnych zbiornika jak kołnierze, uskoki, krawędzie itp.,

dopiero potem fala odbita granicy ośrodka, której odległość należy zmierzyć. W takim

przypadku stosuje się metody logiki rozmytej, gdzie odpowiedni algorytm pozwala na

właściwą identyfikację fal odbitych i tym samym na wykonanie poprawnego pomiaru.

Przedstawiona metoda bardziej nadaje się do pomiaru dużych wartości długo-

ści, gdy czas przejścia fali ultradźwiękowej przez ośrodek jest odpowiednio większy i

można go zmierzyć z niedokładnością rzędu ułamka procenta. Spotyka się w literatu-

rze opisy przyrządów pozwalających mierzyć odległości od 20 mm z niedokładnością

mniejszą od

%

1

±

.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

8

4.2. BEZSTYKOWE POMIARY TEMPERATURY – PIROMETRY

Bezstykowe przyrządy do pomiaru temperatury zwane pirometrami umożliwia-

ją pomiar temperatury powierzchni ciał wykorzystując ich zdolność promieniowania,

która jest zależna od temperatury. Termometry bezstykowe – odległościowe umożli-

wiają pomiar bez zakłóceń istniejącego pola temperatury.

Zakres długości fal promieniowania wykorzystywanego w bezstykowych po-

miarach temperatury (pirometria) zawiera się w granicach od ok. 0,4 do 20 µm. Jest

to zakres promieniowania widzialnego i podczerwonego. W zależności od wybranego

do pomiaru zakresu długości fal z podanego wyżej przedziału rozróżnia sie:
termometry optyczne (pirometry) calkowitego promieniowania częściowego

promieniowania i termometry optyczne do oznaczania temperaturwg barwy ciala.

4.2.1 Pirometr optyczny całkowitego promieniowania

Zasada działania pirometrów całkowitego promieniowania, zwanych radiacyj-

nymi, opiera się na pomiarze natężenia promieniowania całkowitego zgodnie z pra-

wem Stefana-Boltzmanna. Ilość energii wymienianej przez promieniowanie między

dwoma doskonale czarnymi ciałami zależy jedynie od temperatury powierzchni tych

ciał.

Jeżeli przyjąć do rozważań dwa ciała doskonale czarne o temperaturze odpo-

wiednio T

1

(ciała badanego) i T

2

(ciała stanowiącego absorber pirometru), to można

stwierdzić, ze temperatura T

2

osiągnie wartość zależną od temperatury T

1

i od wa-

runków wymiany ciepła z powierzchni absorbera do otoczenia. Dla określonego pi-

rometru istnieje zatem zależność funkcyjna T

1

=f(T

2

) pozwalająca przyporządkować

odpowiednim wartościom temperatury T

2

absorbera odpowiednie wartości T

1

. Aby

funkcja ta była jednoznaczna, ciało badane powinno być możliwie maksymalnie zbli-

żone do ciała doskonale czarnego, gdyż w odniesieniu do takiego ciała są wzorco-

wane pirometry. Na rysunku 4.4. przedstawiono schemat pirometru optycznego cał-

kowitego promieniowania.

Rys. 4.4 Schemat ideowy pirometru optycznego całkowitego promieniowania; 1 –

obiektyw, 2 – przesłona, 3 – spoina pomiarowa termoelementu, 4 – szkło

przydymione, 5 – okular, 6 – przesłona, 7 – obserwator, 8 – miliwoltomierz

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

9

Promieniowanie cieplne wysyłane przez ciało, którego temperaturę chce się

określić jest skupione za pomocą soczewki, zwierciadła lub światłowodu na detekto-

rze promieniowania. Jest nim najczęściej płytka platynowa o średnicy ok. 3 mm wy-

posażona w termoelement lub kilka termoelementów połączonych szeregowo. Cza-

sami stosuje się detektor wyposażony w rezystory termometryczne, termistory lub

elementy bimetalowe.

W celu poprawienia zdolności absorpcji powierzchnia detektora (czujnika - ab-

sorbera) jest czerniona. Absorber jest umieszczony w szczelnej obudowie szklanej

wypełnionej argonem w celu zapewnienia jednoznacznej i określonej wartości współ-

czynnika przejmowania ciepła.

Pomiar sprowadza się, ogólnie biorąc, do pomiaru różnicy temperatury absor-

bera i otoczenia. Zależność miedzy wskazaniami przyrządów pomiarowych a tempe-

raturą mierzoną wyznacza się przez wzorcowanie, tzn. przez pomiar temperatury

ciała doskonale czarnego o ściśle określonej i ustalonej w czasie temperaturze i

przypisanie jej odpowiedniego wskazania przyrządów pomiarowych pirometru.

Dla ciał szarych pirometr całkowitego promieniowania będzie wskazywał tem-

peraturę mniejsza od rzeczywistej. Stosowanie poprawki korekcyjnej jest niemożliwe,

ponieważ emisyjność ciała szarego ε jest jego indywidualną cechą.

Temperaturę ciał mocno odbiegających własnościami od ciała doskonale

czarnego, np. temperaturę gazów, można prawidłowo mierzyć wykorzystując po-

średnio pirometr całkowitego promieniowania. Pomiaru temperatury dokonuje się

następująco. Do gazowego ośrodka przezroczystego wprowadza się ceramiczną

zamknietą od strony ośrodka rurę tak, aby uległa ona rozżarzeniu na długości co

najmniej 20 cm. Na rozżarzony koniec rury nastawia się pirometr i dokonuje pomiaru

temperatury. Temperatura końca rury odpowiada w przybliżeniu temperaturze ośrod-

ka. Przybliżenie jest tym większe, im mniejszy jest udział przejmowania i promienio-

wania ciepła od rury do otoczenia.

Pirometr optyczny całkowitego promieniowania z detektorem termo elemento-

wym może być użyty do pomiaru temperatury powyżej 800°C, a przy zastosowaniu

termoelementu wielokrotnego można obniżyć dolny zakres pomiarowy do 100°C i

niżej. Pirometry te zwykle wykonuje się jako przyrządy dwuzakresowe. Błąd pomiaru

temperatury ciał czarnych przyrządami technicznymi dla zakresu temperatury 800-

1400°C zawiera się w granicach ±15°C, dla zakresu do 2000°C - ok. ±25°C.

Błąd ten może powiększyć się na skutek:

- niedoskonałości czerni ciała, którego temperaturę się mierzy,

- błędu przyrządu wskazującego,

- niedoskonałej przeźroczystości ośrodka otaczającego ciało badane.

Czas pomiaru waha sie 1-10 s i można go skrocić stosując odpowiednie

konstrukcje. Omówione pirometry umożliwiają prowadzenie rejestracji w czasie

temperatury ciala, znajduja rowniez zastosowanie w automatyce.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

10

4.2.2 Pirometr fotoelektryczny

Zasada dzialania pirometrow fotoelektrycznych polega na pomiarze sygnalu

elektrycznego wytwarzanego w fotoelementach, na których jest skupiane

promieniowanie cieplne wysyłane przez ciało badane. Zakres długości fal promie-

niowania wykorzystywanych w danym pirometrze fotoelektrycznym zależy od

czułości widmowej zastosowanego fotoelementu, przepuszczalności widmowej

soczewki lub filtru.

Pirometry o bardzo wąskim pasmie wykorzystywanego promieniowania można

zaliczyć do pirometrów monochromatycznych, pozostałe zaś nazywa się pirometrami

pasmowymi.

Jako detektory promieniowania stosuje się fotoelementy przewodzące takie,

jak np.fotorezystory,fotodiody,fotoelementy emisyjne oraz fotoogniwa.

Na rysunku 4.5 przedstawiono schemat ideowy pirometru fotoelektrycznego.

Promieniowanie cieplne ciała 1, którego określa się temperaturę, jest skupione

soczewką 2 na detektorze fotoprzewodzącym 3 zasilanym stabilizowanym

Rys. 4.5 . Schemat ideowy pirometru fotoelektrycznego; 1 - ciało badane,

2 - soczewka skupiająca, 3 - detektor fotoprzewodzący, 4 - przetwornik,

5 - wzmacaniacz, M - miernik wyskalowanyw skali temperatury

napięciem stałym. Zmiana prądu w obwodzie jest wywołana zmianą rezystancji

fotorezystora, spowodowana działaniem promieniowania cieplnego ciała badanego.
Sygnał ten, po przetworzeniu w przetwomiku 4 na sygnał prądu przemiennego, jest

wzmacniany we wzmacniaczu 5 i podawany na miemik M wycechowany w skali

temperatury źródła promieniowania. Zastosowanie jako miemika przyrządu

rejestrującego pozwala na rejestrację w czasie temperatury ciała badanego.

Jednocześnie sygnał wyjściowy ze wzmacniacza może służyc do realizacji układu

automatycznej regulacji temperatury.

Poprawność wskazań pirometru zależy od stabilności w czasie fotodetektora i

powinna być okresowo sprawdzana.

Pirometry fotoelektryczne są stosowane do pomiaru temperatury w zakresie

100-4000°C. Błąd pomiaru temperatury dla ciala doskonale czarnego jest nie

mniejszy niż ±0,2%.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

11

4.2.3 Pirometr monochromatyczny z zanikającym włóknem

Zgodnie z prawem Plancka można stwierdzić, że istnieje ścisia zależnośc

między temperaturą ciała T i natężeniem promieniowania przy określonej długości fali

λ. W praktyce pomiarowej wykorzystuje się światło zółte o długości fali λ=65

µ

m,

Na rysunku 4.6. przedstawiono schemat ideowy jednego z rozwiazań

pirometru monochromatycznego z zanikającym włóknem. Pomiar temperatury takim

pirometrem polega na porównaniu luminancji ciała badanego i włókna żarówki

pirometru w jednej długosci fali (w jednej barwie) zapewnionej przez odpowiednio

dobrany filtr stojący na drodze obserwowanego promieniowania. Odczyt następuje

wtedy, gdy obraz włókna żarówki pirometru obserwowany przez filtr zanika na tle

badanego obiektu.

Rys. 4.6 Schemat pirometru monochromatycznego z zanikającym włóknem:

1 – badany obiekt, 2 – obiektyw, 3 – żarówka termometryczna, 4 – ew. filtr szary,

5 – okular, 6 – miliamperomierz wyskalowany w jednostkach temperatury,

7 – widok w polu widzenia pirometru:

a)za wysoka temperatura żarówki, b) poprawne ustawienie

prądu zasilającego żarówkę, c) za niska temperatura żarówki

Regulacja luminancji drucika odbywa sie przez regulacje prądu w obwodzie

włókna żarówki. Przyrząd mierzący wartość prądu w obwodzie jest wyskalowany w

jednostkach temperatury. Zależnośc między prądem żarzenia i temperaturą ustala

się przez wzorcowanie. Oko ludzkie jest ,,instrumentem" tak czułym, że przy pewnej

wprawie ustawienie pirometru odbywa się z dużą dokładnością - 0,5 - 1%.

W wykonaniu laboratoryjnym dokladność tego typu pirometrów może osiagąć;

w zakresie 600-1000°C - ± 1,5°C, w zakresie 1000-2000°C - ± 5°C i w zakresie 2000-

3000

0

C- ± 10

0

C.

Inne rozwiazanie tego typu pirometru przedstawiono na rys. 4.7. Włókno

żarówki pirometru żarzy się ze stałą luminancją, ma zatem stałą temperaturę.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

12

Rys. 4.7 Schemat ideowy pirometru optycznego częściowego promieniowania:

1 – ciało promieniujące, 2 - obiektyw, 3 - przeslona klinowa, 4 -żarzący się drucik,

5 - filtr barwny, 6 - okular, 7 - przesłona, 8 - obserwator, 9 - rezystor regulacyjny

prądu żarzenia, 10 - przesłona (szklo przydymione), 11- miernik, E – źródło zasilania

Zniknięcie obrazu drucika z tła promieniującego ciala uzyskuje sie przez odpo-

wiednie ustawienie specjalnego stopniowanego filtra szarego (przesłony klinowej),

umieszczonego obrotowo lub przesuwnie.Odpowiednim położeniom filtra odpo-wiada

określona wartość temperatury ciała promieniującego. Ruch filtra odbywa się

wspólnie z układem wskazówkowym. Warunkiem poprawnego pomiaru jest

ustawienie właściwej wartości prądu płynącego w obwodzie włókna żarówki.

Pirometry tego typu są budowane jako jedno-, dwu- lub trzyzakresowe.

Zakresy pomiarowe są zawarte w obszarze temperatury 750-3000°C.

Pirometry monchromatyczne z zanikającym włóknem są skalowane dla ciała

doskonale czarnego. Dla ciala szarego można je również stosować, wprowadzając

poprawkę uwzględniającą zdolność emisyjności danego ciała.

4.2.4 Pirometr dwubarwowy

Barwa ciała wysyłającego promieniowanie cieplne widzialne - poczynając od

ciemnoczerwonej - zależy od temperatury. Własność tę wykorzystuje się w

pirometrach dwubarwowych. Oko ludzkie jest czułe na zmiany barw, stąd przez

porównanie barwy danego ciała z barwa ciała doskonale czarnego o znanej

temperaturze można określić temperaturę.

Na rysunku 4.8 przedstawiono jedno z rozwiązań pirometru dwubarwowego.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

13

Rys. 4.8 Schemat dwubarwowego pirometru optycznego, 1 - obiekt badany,

2 - obiektyw,3 - filtr nastawny (czerwono-zielony), 4 – pryzmat wzorca szarości, 5 -okular, 6 –

filtr czerwono-zielony wzorca szarości, 7 – żarówka wzorca szarości

W pirometrze tym promieniowanie cieplne widzialne wysyłane przez ciało,

którego temperaturę określa się, przechodzi przez soczewkę i przez bichroma-tyczny

nastawny filtr czerwono-zielony 3. Obserwator ustawia połozenie filtru tak, aby

uzyskać w okularze barwę szarą odpowiadajacą na skali temperaturze barwowej

badanego ciała. Dla ułatwienia właściwej oceny barwy szarej, w polu widzenia

obserwatora znajduje się dodatkowa plamka szara wytworzona przez żarówke i filtr
czerwono-zielony 3. Obraz ten jest widoczny na zeszlifowanej powierzchni

porównawczej podwójnego pryzmatu 4. Filtrem szarym 6 równoważy się luminancję

plamki świetlnej i obszaru obiektu badanego. Położenie filtru 6 wyznacza

temperaturę luminancyjną , ciała badanego. Przed pomiarem rezystorem ustawia się

określoną dla danego pirometru wartość prądu żarzenia żarówki.

Wskazania omówionych pirometrów, z wyjątkiem pirometru dwubarwowego,

są poprawne podczas pomiaru temperatury ciał doskonale czarnych.

Znając emisyjność danego ciała, możemy wyznaczyć jego rzeczywistą tempe-

raturę T

r

na podstawie wskazania T

w

pirometru wywzorcowanego dla ciała doskonale

czarnego, za pomocą wzorów:

4

1

ε

w

r

T

T =

- dla pirometru całkowitego promieniowania

n

w

r

T

T

ε

1

=

- dla pirometru fotoelektrycznego

(n w granicach 5 ÷12 zależy od konstrukcji pirometru wykorzystywanego zakresu długości fali)

9613

log

1

1

ε

+

=

w

r

T

T

- dla pirometru z zanikającym włóknem

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

14

Większość pirometrów ma możliwość nastawienia lub zaprogramowania stałej

wartości emisyjności a korekcja wykonywana jest automatycznie. Niestety, emisyjno-

ści nie da się wyznaczyć z dużą dokładnością, ponadto zależy ona w dużym stopniu

od stanu powierzchni, jej pokrycia tlenkami, stanu skupienia, struktury geometrycz-

nej, kąta nachylenia a także temperatury. Może się ona zmieniać, będąc źródłem

niekontrolowanych błędów przypadkowych. Większość niemetali ma emisyjność bli-

ską jedności.

W celu uzyskania dokładnych wyników pomiarów korzystnie jest wprowadzić

do badanego ośrodka rurę (np. ceramiczną) z zamkniętym końcem i mierzyć tempe-

raturę jej wnętrza. Taki układ dość dobrze imituje ciało doskonale czarne.

Pirometr umiejętnie stosowany pozwala na szybkie wykrycie za wysokiej tem-

peratury przewodów w rozdzielnicy, wyłączników instalacyjnych, transformatorów czy

sprawdzenie działania klimatyzatora. Wyjątkowe zalety pirometru mierzącego tempe-

raturę zdalnie uwidaczniają się szczególnie wtedy, gdy badany obiekt porusza się

(np. wirujący element maszyny) lub jest trudno dostępny.

Rys. 4.9. Pirometr ST-880 o stosunkowo wąskim zakresie pomiaru temperatury (od -

50 do +280

o

C)

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

15

W trakcie pomiaru promieniowanie termiczne emitowane przez testowany

obiekt przechodzi najpierw przez skomplikowany układ optyczny pirometru składają-

cy się zwykle z soczewek, a czasem też i ze zwierciadeł, i pada na czujnik, który

przetwarza je na sygnał elektryczny wykorzystywany następnie przez elektroniczny

układ pomiarowy do wyświetlenia wartości temperatury w postaci cyfrowej na wy-

świetlaczu ciekłokrystalicznym.

Teoretycznie pirometry zapewniają pomiar w szerszym zakresie niż tradycyjne

termometry elektroniczne razem, z którymi stosuje się sondy dotykowe, takie jak:

termopary (np. typu K) lub czujniki rezystancyjne (np. Pt100). Wysokiej klasy pirome-

try mogą jako jedyne mierzyć temperaturę w zakresie nawet do 2500

o

C. Jednak na

co dzień spotykamy się z pirometrami w tzw. ekonomicznych wersjach, mierzącymi

temperaturę tylko do 500

o

C lub poniżej, co do wielu zastosowań całkowicie wystar-

cza.

Pirometry mają ergonomiczną obudowę pistoletową, wyświetlacz ciekłokrysta-

liczny z regulowanym podświetleniem oraz wskaźnik laserowy umożliwiający dokład-

ny wybór miejsca pomiaru. Z podświetlenia wyświetlacza korzysta się prowadząc

pomiary w ciemności lub przy małych poziomach świecenia tła.

Pomiar za pomocą pirometru jest bardzo prosty. Przyrząd ustawia się w kie-

runku miejsca pomiaru, włącza marker laserowy, który dokładnie oznacza wybrane

miejsce, a następnie wyzwala się pomiar naciskając przycisk (jak spust w pistolecie).

Po zwolnieniu przycisku wynik pomiaru pozostaje na wyświetlaczu.

Układ optyczny pirometru skupiając energię termiczną nadaje jej kształt stoż-

ka, przy czym wierzchołek tego stożka wypada w obiektywie pirometru. Przy odległo-

ści układu optycznego pirometru od miejsca pomiaru równej 1600 mm, średnica

miejsca pomiaru wynosi 200 mm, a wyświetlony wynik jest średnią temperaturą w

tym obszarze. Dzieląc 1600 przez 200 otrzymujemy wynik 8:1, czyli wartość rozdziel-

czości optycznej. Przy większej wartości rozdzielczości optycznej średnica miejsca

pomiaru przy danej odległości tego miejsca od pirometru jest odpowiednio mniejsza,

a możliwość wyróżniania miejsc o różnej temperaturze jest większa.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

16

4.3. REALIZACJA PRAKTYCZNA ĆWICZENIA – POMIARY.

Program badań – zadania do wykonania.

a) Zapoznać się z aparaturą pomiarową zgromadzoną na stanowisku laboratoryjnym:

- dalmierzem ultradźwiękowym JT811,

- pirometrem radiacyjnym CHY111,

b) Dokonać pomiarów :

- długości,

- temperatury.

c) Dla przyrządów

JT811 i CHY111 obliczyć względny błąd pomiaru (dla dowolnego punktu

pomiaru).

%

100

x

d

n





∆

±

=

δ

gdzie:

N

x

- wartość mierzona, ∆N

d

- błąd dyskretyzacji (rozdzielczość).

Tabela 1: Pomiary odległości do różnych obiektów.

Lp.

Odległość zmierzona

[m]

Obiekt mierzony

(przykład)

Uwagi

1

Wysokość holu głównego (I p.)

2

Szerokość klatki schodowej E (Ip.)

3

Wysokość klatki schodowej E

4

Wysokość otworu okiennego (Ip.)

5

Szerokość otworu okiennego (Ip.)

6

Szerokość holu głównego (Ip.) - pomiar w kie-
runku ściany obłożonej kamieniami

7

Szerokość holu głównego (Ip.) - pomiar w kie-
runku ściany gładkiej

8

Szerokość klatki schodowej - pomiar w kierun-
ku ściany z tynkiem strukturalnym

9

Szerokość korytarza - skrzydło E (Ip.)

10

Odległość o holu głównego do drzwi w koryta-
rzu skrzydła E - przy otwartym skrzydle
drzwiowym

11

Odległość o holu głównego do drzwi w koryta-
rzu skrzydła E - przy zamkniętym skrzydle
drzwiowym

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

17

Tabela 2: Pomiary temperatury różnych obiektów

Lp.

Temperatura zmierzona

[

o

C]

Obliczony względny błąd pomiaru.

Obiekt mierzony

(przykład)

1

monitor komputerowy

2

grzejnik 1

3

grzejnik 2

4

grzejnik na holu głównym
1

5

Świetlówka przy pok.
E216

6

grzejnik kl. schodowa E
odl. 7,05m

7

Lampa metahalogenowa
w laboratorium

8

grzejnik kl. schodowa. E
odl. 1,83m

9

grzejnik na holu głównym
2

10

grzejnik na holu głównym
3

Tabela 3: Zależność temperatury zmierzonej w funkcji odległości od obiektu badanego

Lp.

Odległość od obiektu

badanego

[m]

Temperatura zmierzona

[

o

C]

Względny błąd pomiaru.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

UWAGA

Konieczność przygotowania przed zajęciami informacji na temat dokładności i rozdziel-
czości przyrządów (strony WWW na podstawie symboli przyrządów).

4.4. PYTANIA SPRAWDZAJĄCE

1

Omówić metody pomiaru długości.

2

Omówić metody pomiaru temperatury pirometrami.

LABORATORIUM

Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych

Pomiary metodami bezstykowymi

przedstawione materiały zostały użyte wyłącznie w celach dydaktycznych

dr inż. Marek KURKOWSKI

18

LITERATURA

1. Wykład

2. J. Piotrowski: Pomiary czujniki i metody pomiarowe wybranych wielkości fi-

zycznych i składu chemicznego WNT Warszawa 2009

3. M. Miłek: Metrologia elektryczna wielkości nieelektrycznych

Uniwersytet Zielonogórski 2006

4. A. Chwaleba, J. Czajewski: Przetworniki pomiarowe i defektoskopowe, Wy-

dawnictwo Politechniki Warszawskiej 1998

5. L. Michalski, K. Eckersdorf, J. Kucharski: Termometria – przyrządy i metody,

wyd. Politechniki Łódzkiej, Łódź 2004.

6. A. Michalski, S. Tumański, B. Żyła: Laboratorium miernictwa wielkości nieelek-

trycznych, Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej 1999

7. Strony www firm:

INTROL LUMEL LABEL NDN DACPOL I INNE