Некоторые проблемы национальной пирометрии

Введение

Как известно, изобретателем одного из первых пирометров был голландский ученый Питер ван Мушенбрук. В 1953 году в Государственный реестр средств измерений России был внесен первый пирометр, это был пирометр ПМТ-46 (332-49), данный прибор предназначался для измерения температуры пара паровоза. 

Развитие современной пирометрии и портативных пирометров началось с середины 60-х годов прошлого столетия и продолжается до сих пор. Именно в это время были сделаны важнейшие физические открытия, позволившие начать производство промышленных пирометров с высокими потребительскими характеристиками и малыми габаритными размерами. На данный момент пирометры - это компактные приборы, позволяющие мгновенно измерять температуру в диапазоне   от минус 50 °С до плюс 3000 °С на расстоянии от 0,5 до 30 м. Достаточно просто направить пирометр на объект измерения, нажать на кнопку и мы увидим на дисплее измеряемую температуру. 

В последние несколько лет мы наблюдаем всплеск применения измерительных систем на основе пирометров. Наиболее важными факторами, способствующими  развитию пирометрии (или бесконтактного измерения температуры) являются следующие:

1. Технология инфракрасного измерения обеспечивает легкую регистрацию температурных данных даже при быстрых и динамичных процессах.

2. Отсутствие обратной связи, т.е. влияния на объект измерения, благодаря которому измерения могут проводиться на чувствительных поверхностях и стерильных продуктах, на опасных участках  или в труднодоступных местах.

3.  Доступность и ценовая политика, направленная на потребителя, благодаря оптимизации производства, специализирующегося на изготовлении большого количества приборов. 

Рост количества пирометров в России

В таблице представлено количество внесенных в Государственный реестр СИ приборов, которые по принципу действия можно объединить единым термином - пирометр. Отчетлива видна тенденция роста вносимых в Государственный реестр СИ новых типов приборов, причем количество внесенных СИ в 2006-2012 годах практически в два раза превышает предыдущий период.

КОЛИЧЕСТВО ПИРОМЕТРОВ,ВНЕСЕННЫХ В ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РЕЕСТР СИ

Происходит рост и общего количества выпускаемых пирометров, и все чаще данные приборы используются в сферах, на которые распространяется государственное регулирование в области обеспечения единства измерений. Растет и количество метрологических служб, занимающихся поверкой или калибровкой данных приборов. Таким образом, данный вид измерений является одним из наиболее динамично развивающихся методов измерения температуры. 

Вопросы терминологии

В толковом словаре русского языка под редакцией Д.Н. Ушакова дана следующая формулировка: «пирометр – прибор для измерения высоких температур». Данная формулировка, безусловно, устарела, т.к. на данный момент пирометры активно используются в области низких и средних температур. 

Если обратиться к действующим нормативным документам, то межгосударственный стандарт ГОСТ 28243-96 «Пирометры. Общие технические требования» дает следующее определение: «Пирометр  - средство (совокупность средств) измерений температуры по тепловому электромагнитному излучению, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем.»

Данный документ вводит классификацию по принципу действия

-      пирометры частичного излучения;

-      пирометры полного излучения;

-      пирометры спектрального отношения. 

Но на данный момент в нормативных документах, научной и учебной литературе, различных сферах деятельности, производителями данных приборов и в повседневной жизни используются различные наименования средств измерений, осуществляющих бесконтактное измерение температуры. Так в здравоохранении широко используется термин – «РАДИОТЕРМОМЕТР ИНФРАКРАСНЫЙ»  - прибор  для  измерения  температуры поверхности   объекта  по  величине  его  инфракрасного  излучения;  применяется  в   гигиенических  и  медико-биологических  исследованиях. (Большой медицинский словарь, 2000г.) Кроме этого используются термины: бесконтактные термометры, дистанционные термометры, пирометры радиационные, термометры радиационные, пирометры лазерные и т.д. Таким образом, приборы, которые осуществляют одни и те  же функции, имеют различное наименование, что, безусловно, вносит некоторую путаницу. 

Оценки популярности того или иного термина я предлагаю разделить на 2 этапа и посмотреть распределение терминов как у потребителей, так и производителей данных приборов. Для определения популярности термина с точки зрения потребителя обратимся к интернет ресурсам и оценим количество запросов в поисковой системе Яндекс. 

Количество запросов в Яндекс (месяц)

Хочу обратить Ваше внимание на общий рост количества запросов, что очень показательно и еще раз доказывает актуальность данного вида измерений. 

Как видно, распределение мест среди терминов практически не изменилось, только «пирометр инфракрасный» с 6 места переместился на 4. Так же необходимо отметить рост популярности  термина «инфракрасный термометр», количество запросов по которому увеличилось более чем в 10 раз. 

Теперь обратимся к производителям данных приборов. Для анализа популярности того или иного термина среди производителей бесконтактных СИ температуры, я предлагаю обратиться к Государственному реестру СИ и посмотреть, как производители называют свои приборы: 

 Как видно, распределение очень похожее с распределением у потребителей, но в отличие от запросов в интернете, термины «пирометры инфракрасные» и «пирометры» поменялись местами. Таким образом, наиболее популярными терминами являются 3 созвучных между собой наименования - «пирометры», «пирометры инфракрасные» и «термометры инфракрасные». 

Еще один специфичный термин, который широко используются в пирометрии, и у которого существуют разные наименования – это коэффициент излучения, характеризующий способность поверхности тела излучать инфракрасную энергию. Этот коэффициент определяется как отношение энергии, излучаемой конкретной поверхностью при определенной температуре к энергии излучения абсолютно черного тела при той же температуре. В научной и технической литературе используются термины:

- излучательная способность;

- коэффициент излучения;

- степень черноты;

- коэффицент черноты;

- коэффицент теплового излучения.

Метрологическая прослеживаемость

Следующий вопрос, который я предлагаю обсудить, это вопрос прослеживаемости передачи единицы температуры при использовании бесконтактных методов измерений. Процедура передачи единицы температуры регламентирована ГОСТ 8.558-2009 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерения температуры (раздел радиационные термометры). Необходимо отметить, что в официальном тексте, данного нормативного документа, допущена опечатка и отсутствует соотношение границ доверительной погрешности рабочего эталона 2 разряда и допускаемой погрешности рабочего средства измерений. 

ГОСТ 8.558-2009, так же как и ГОСТ 28243-96, вводит классификацию пирометров по принципу действия:

- пирометры полного и частичного излучения;

- пирометры монохроматические;

- пирометры спектрального распределения.

Но в данном нормативном документе термин «пирометр спектрального отношения» заменен на «пирометры спектрального распределения». А в предыдущей редакции поверочной схемы ГОСТ 8.558-93 использовался термин «пирометры спектрального отношения». 

Для рассмотрения процедуры передачи единицы температуры были выбраны 5 однотипных приборов, которые осуществляют одну и ту же функцию – бесконтактно измеряют температуру. Данные приборы одинаковые по сути, но очень разные с точки зрения законодательной метрологии. В таблице представлены 5 производителей и 4 метрологических центра осуществляющих внесение в Государственный реестр СИ приборов данного типа. 

Все 5 приборов измеряют температуру практически в одном и том же диапазоне и имеют с точки зрения потребителя один и тот же принцип измерения, но при проведении поверки мы сталкиваемся с существенными отличиями:

1. различные наименования;
2. для поверки приборов одного и того же класса точности по утвержденным методикам поверки в соответствии описанием типа используются эталоны разного класса точности, причем некоторые методики поверки противоречат действующей Государственной поверочной схеме;
3. при проведении поверки поверитель сталкивается с необходимостью проведения поверки на разных температурных точках и проведения разного количества измерений, что приводит к повышению нагрузки на эталонное оборудование и увеличению стоимости поверки. 

Измеритель температуры CENTER 350 – в методике поверки указано о необходимости проведения поверки на нижнем, верхнем диапазоне измерения, и внутри диапазона измерений, но при этом количество точек внутри диапазона не нормировано, количество измерений на точке – 10. Разряд АЧТ в методике поверки не указан, зато указана min погрешность АЧТ 0,5 % от измеренного значения, таким образом, соотношение погрешности поверяемого СИ и эталона 1:4, а в Государственной поверочной схеме установлено 1:1,5. 

Пирометр инфракрасный FLUKE 65 – количество точек в температурном диапазоне измерений, на которых согласно методике поверки необходимо проводить оценку погрешности прибора, составляет порядка 20 шт. 

Пирометр Sight MS и термометр радиационный RAYNGER по своим метрологическим характеристикам являются более точными приборами, но при этом поверяются на эталонах более низкого класса точности.

ИК-пирометр «Термоскоп-100» – единственный прибор, у которого в соответствии с ГОСТ 28243-96, указана приведенная погрешность к верхнему пределу измерений, и которая составляет 1 %. При этом все рассмотренные ранее приборы в описании типа ссылаются на данный нормативный документ. 

Так же необходимо отметить, что точность пирометра, полученная в метрологической лаборатории с использованием модели черного тела, не может характеризовать точность измерений «не черного объекта» в технологической установке. Тем не менее, в научной литературе и в руководствах по эксплуатации на конкретные приборы, данные о погрешности измерения обычно приводятся без указания объектов и условий, для которых определялись погрешности. 

Выводы и предложения:

1. Внести дополнения в ГОСТ 8.558-2009 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерения температуры» (указать соотношение границ доверительной погрешности рабочего эталона 2 разряда и допускаемой погрешности рабочего средства измерений).

2. Провести актуализацию ГОСТ 28243-96 «Пирометры. Общие технические требования» с целью выработки единой терминологии.

3. Разработать нормативный документ, унифицирующий проведение поверки пирометров различных производителей.

Сведения об авторе:

Фомин Андрей Анатольевич,  начальник сектора теплофизических и температурных измерений ФБУ «Ростовский ЦСМ»

Продолжение дискуссии в статье Фрунзе А.В. "Дискуссия по вопросам терминологии в пирометрии"