Rozwój rynku

Najwięcej aplikacji i przyrządów pomiarowych w omawianej tematyce raportu wiąże się z pomiarem temperatury, nic więc dziwnego, że najszybszy postęp techniczny dotyka właśnie tej wielkości fizycznej. Do widocznych zmian na rynku niewątpliwie trzeba zaliczyć spory spadek cen i tym samym znaczne upowszechnienie się urządzeń do bezkontaktowego pomiaru temperatury, takich jak pirometry i kamery termowizyjne, które przeżywają niesamowity rozkwit.

Mierniki te obecne są na rynku od lat jednak dopiero od niedawna postęp w technologii wytwarzania detektorów promieniowania podczerwonego i układów optycznych doprowadził do znacznego spadku cen gotowych wyrobów, dzięki czemu produkty te stają się o wiele bardziej dostępne.

Podobnie jest z kamerami termowizyjnymi, które do niedawna szokowały ceną i używane były tylko w poważnych zadaniach dotyczących np. energetyki, gdzie uzyskanie kontaktu w celu dokonania jest wyjątkowo trudne, a koszt usuwania awarii olbrzymi. Postęp w konstrukcji matryc czujników doprowadził do znacznego spadku cen, wzrostu możliwości pomiarowych, jak też polepszenia rozdzielczości pomiaru. Szybko rosnąca oferta rynkowa mierników pirometrycznych i kamer jest niewątpliwie siłą napędową zmian w tym sektorze rynku.

Mierniki zapewniające pomiary bezkontaktowe tego typu są obecne w ofertach wielu firm dystrybucyjnych i produkcyjnych, które zajmują się sprzedażą aparatury pomiarowej. Oprócz tego w kraju działa szereg innych przedsiębiorstw, które wyspecjalizowały się w takich produktach. Wiąże się to z wielką liczbą zastosowań, z których ciekawszymi wydają się być systemy ratownictwa, np. osób zaginionych w wyniku katastrof jak i oczywiście zastosowania militarne.

Kontaktowy pomiar temperatury

Termometr elektroniczny jest przyrządem stosunkowo łatwym do wykonania i w najprostszym przypadku złożonym z odpowiednio wyskalowanego miernika napięcia, obecnie najczęściej cyfrowego, oraz współpracującego z nim, nieskomplikowanego w wykonaniu czujnika. Mała złożoność konstrukcyjna występuje wtedy, gdy zagadnienie dotyczy średniego zakresu mierzonych temperatur pracy, braku agresywnego środowiska, w którym realizowane są pomiary oraz umiarkowanej dokładności.

Powiększenie wymagań w każdej z tych kategorii implikuje szereg problemów technicznych, które są oczywiście rozwiązywalne, ale niestety znacznie komplikują konstrukcję. Jak zwykle, diabeł tkwi w szczegółach. Mimo tego względna prostota technologii w połączeniu z szerokim spektrum dziedzin, gdzie istnieje konieczność mierzenia temperatury powoduje, że w kraju mamy wielu producentów tego typu sprzętu np. Czaki, Limatherm, Apar.

Pomiary temperatury realizowane są najczęściej z wykorzystaniem termopary lub termoelementu. Czujniki półprzewodnikowe i termistory spotykane są niezwykle rzadko i prawie zawsze dotyczy to zastosowań prostych, w których są one wbudowane do wnętrza miernika.

Sygnał elektryczny z termopary musi zostać wzmocniony, zlinearyzowany, a dodatkowo konieczne jest dokonanie kompensacji zimnego końca styku. Jest to zagadnienie niebanalne technicznie, ale z uwagi na wiele zalet termopar, które są standardowym czujnikiem temperatury w przemyśle, zagadnienie to nie stanowi już dzisiaj większego problemu.

Termopary dają najszerszy zakres pomiarowy, charakteryzują się dużą szybkością działania i pozwalają wykonać czujniki o niewielkich wymiarach. Z kolei rezystancyjne detektory temperatury są, spośród dostępnych czujników temperatury, jednymi z najbardziej stabilnych i dokładnych. Oferują węższy zakres pomiarowy niż termopary, rozciągający się od –200°C do +800°C. Rzeczywisty zakres dla poszczególnych detektorów zależy od ich składu i konstrukcji, ale nie różni się zbytnio od przytoczonego.

Termorezystory w roli czujników są stosowane tam, gdzie jest potrzebna duża dokładność i powtarzalność pomiarów, czyli np. w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i w laboratoriach. W odróżnieniu od termopar tego typu czujnik nie potrzebuje styku odniesienia, co jest sporą zaletą.

Z uwagi na tak dużą różnorodność wiele z dostępnych na rynku mierników umożliwia współpracę z wieloma typami czujników. Jest to najwygodniejsze rozwiązanie, zapewniające uniwersalność i możliwość realizacji pomiarów w każdej sytuacji, na przykład przy modernizacjach, gdzie nie zawsze jest możliwość zmiany zainstalowanych wcześniej. Na rynku dostępnych jest około 8 typów termopar, o kilku różnych grubościach każda i kilku wartości rezystancji standardowej termorezystorów, co tworzy spory zestaw dostępnych opcji pomiarowych.

Wojciech Szkolnikowski - Pełnomocnik ds. jakości w firmie Lab-el Dlaczego pomiary wielkości fizycznych stają się obecnie tak popularne? W obecnych czasach pomiary parametrów środowiskowych stanowią bardzo ważny element we wszechobecnych i wdrażanych systemach zarządzania jakością. Szczególnie rejestracja danych, dzięki której można tworzyć raporty, wykresy i histogramy, ma istotne znaczenie w przypadkach konieczności przedstawienia dowodów prawnych na okoliczność ewentualnych skarg. Rozwój wielu firm w ślad za trendami światowymi w dziedzinie pomiarów, idzie w kierunku czujników z radiową i internetową transmisją danych pomiarowych. A spośród nowych zapotrzebowań rynku obserwujemy wzrost zainteresowania na przyrządy do pomiaru zawartości gazów w powietrzu - właśnie wypuszczamy na rynek nowoopracowany przyrząd służący do pomiaru zawartości CO2. Rośnie zainteresowanie dużymi systemami monitoringu parametrów środowiskowych w wielkich centrach logistycznych (magazyny, hurtownie), gdzie łączność pomiędzy tzw. koncentratorami danych, a serwerami komputerowymi odbywa się przez lokalne sieci komputerowe LAN, a publikacja danych na zewnątrz odbywa się z wykorzystaniem Internetu. Jakie zmiany można zaobserwować, jeśli chodzi o konstrukcję mierników? Największy wpływ na rozwój przyrządów ma oprogramowanie. Wchodzące na rynek konstrukcje ukierunkowane są na wizualizację pomiarów i komputerową obróbkę danych, w tym ustawianie progów alarmowych, rejestracje zdarzeń w systemie. W stosunku do procesu tworzenia oprogramowania stawiane są ostre wymagania CFR 21 part 11 oraz wymagania odbiorców oprogramowania np. GAMP4, programiści poświęcają dużo uwagi, aby sprostać tym wymaganiom. Jakie wyzwania stoją obecnie przed producentami aparatury do pomiaru wielkości nieelektrycznych? Wspomniane wcześniej systemy zarządzania jakością u użytkowników przyrządów i systemów do monitoringu parametrów środowiskowych wymuszają okresowe wzorcowania przyrządów w laboratoriach akredytowanych. Daje się zauważyć wzrost zainteresowania pomiarami mikroklimatu we wszelkiego typu pomieszczeniach od chłodziarek, poprzez komory klimatyczne, do wielkich hal magazynowych. Dla producentów oznacza to konieczność rozszerzenia produkcji o usługi kalibracji i wzorcowania wielu parametrów.

Pomiary wilgotności

Pomiary wilgotności w naturalny sposób uzupełniają jedną z najważniejszych dziedzin zastosowań dla mierników wielkości nieelektrycznych. Wiążą się one z kontrolą klimatu w pomieszczeniach, pomiarem wilgotności gazów używanych w przemyśle oraz badaniem wilgotności materiałów w budownictwie, przemyśle, rolnictwie i wielu innych dziedzinach. W zależności od zastosowań do określenia tego parametru używa się odpowiednich jednostek, takich jak wilgotność względna, ciśnienie pary wodnej, ciśnienie pary nasyconej, punkt rosy, ppm (patrz ramka).

Poszczególne jednostki mają zastosowanie w określonych aplikacjach. Jednostek wilgotności względnej używa się w aplikacjach, których celem jest określenie warunków przebywania ludzi lub zwierząt oraz w przypadkach gdzie muszą być zachowane określone warunki wegetacji roślin. Pomiar wilgotności względnej znajduje swoje zastosowanie także w klimatyzacji, natomiast bezwzględnej stosowany jest głównie w aplikacjach związanych z przemysłem, gdzie niezbędna jest informacja o aktualnej zawartości wody w materiałach.

Prawdziwym wyzwaniem metrologicznym są pomiary wilgotności materiałów stałych, takich jak drewno lub beton, zbóż i innych sypkich produktów spożywczych. Metody pomiarowe wykorzystywane w tych przypadkach bazują na określaniu tłumienia mikrofal przy przechodzeniu przez badany materiał, czy też pomiarze stopnia spowolnienia neutronów.

W zasadniczej liczbie zastosowań chodzi o bezkontaktowy pomiar wilgotności. Tak samo jest przy pomiarach zawartości wody w glebie, gdzie wykorzystuje się metodę reflektometrii czasowej TDR, w której ocenie podlega opóźnienie propagacji impulsu elektromagnetycznego przez materiał. Niestety wszystkie wymienione metody są stosunkowo skomplikowane technicznie, co przekłada się na wysoką cenę przyrządów.

Bezkontaktowy pomiar temperatury

Metody bezkontaktowe pomiaru temperatury bazują na wykorzystaniu pirometrów i kamer termowizyjnych. Prostszym i tańszym miernikiem jest pirometr, który realizuje pomiar na powierzchni obiektu z pewnej odległości. W większości przypadków przyrząd ten jest wykonany w formie pistoletu i wyposażony w funkcje kontrolne pozwalające operatorowi w prosty sposób stwierdzić czy temperatura mieści się w założonych granicach, czy też nie.

Wbudowana pamięć i interfejs komunikacyjny do łączności z komputerem ułatwiają zbieranie i obróbkę zebranych danych, co pozwala włączyć wyniki pomiarów do systemu informatycznego przedsiębiorstwa. Sam pomiar jest realizowany szybko, co pozwala na oszczędność czasu. Jest to przyrząd idealny do kontrolowana bezpieczeństwa żywności, stanu maszyn i urządzeń w przemyśle, co powoduje, że popularność termometrów wykorzystujących pirometr szybko rośnie.

Zakres mierzonych temperatur dla pirometrów waha się w zakresie od około -30°C do +300°C. Dokładność pomiaru nie jest imponująco duża, zależy zwykle od mierzonej temperatury i wynosi około 1%, w najlepszych warunkach pomiarowych osiągając około 0,1%. Wartości te dotyczą pirometrów pracujących z zakresie promieniowania podczerwonego, dla klasycznych pirometrów optycznych zakres mierzonych temperatur zawiera się między 750 a 3000°C, te wersje spotykane znacznie rzadziej na rynku z uwagi na swoje specjalistyczne zastosowania.

Nieodłącznym elementem termometrów realizujących pomiar bezkontaktowy jest układ optyczny, który decyduje o odległości, z jakiej możliwe jest dokonywanie pomiarów oraz jakiej wielkości pole jest brane przez przyrząd pod uwagę. Obszar ten jest w wielu rozwiązaniach wskazywany operatorowi za pomocą światła dodatkowego lasera. Jednak pole pomiarowe jest większe niż plamka lasera, która zwykle dodatkowo jest przesunięta w stosunku do osi optycznej pirometru – stąd celownik bywa niedokładny przy mniejszych odległościach.

Zasięg pracy pirometrów waha się od kilkudziesięciu milimetrów do pojedynczych metrów, ale nie oznacza to, że jeden przyrząd może dokładnie realizować pomiary z małej i dużej odległości z jednakową dokładnością. Wielkość obszaru pomiarowego zmienia się wraz ze zmianami odległości na skutek konstrukcji układu optycznego, który musi skupić wiązkę promieniowania na czujniku. W skrajnych przypadkach może to być przyczyną fałszywych odczytów.

Z pomiarami temperatury za pomocą pirometru wiąże się kilka ważnych parametrów definiujących możliwości pomiarowe. Pierwszym jest rozdzielczość optyczna, która jest definiowana jako stosunek odległości pomiędzy pirometrem i badanym obiektem, a średnicą pola pomiarowego (stosunek D:S). Im większa rozdzielczość optyczna tym mniejsze może być pole pomiarowe. Jest to ważny parametr w sytuacji, gdy interesuje nas wykonanie możliwie punktowych pomiarów temperatury - wartość pokazywana na wyświetlaczu jest zawsze średnią temperaturą z całego pola pomiarowego.

Drugim parametrem charakteryzującym pirometry jest emisyjność. Wszystkie ciała odbijają, przepuszczają oraz emitują promieniowanie podczerwone. Gdy pirometr mierzy temperaturę powierzchni obiektu dociera do niego jednocześnie energia pochodzącą ze wszystkich trzech źródeł, a jedynie energia emitowanego przez obiekt promieniowania niesie informację o temperaturze. Pozostałe składniki są źródłem błędów pomiaru, który eliminuje się określając współczynnik emisyjności.

Określa on, jaka część rejestrowanego przez sensor promieniowania pochodzi od „właściwej” emisji. Z opisanych powodów pirometry nie nadają się do pomiarów materiałów powierzchni błyszczących, które charakteryzują się niską emisyjnością. Takim materiałem jest np. blacha stalowa, dla której współczynnik emisji wynosi tylko 0,23. Większość urządzeń pozwala zaprogramować wartość współczynnika emisyjności materiału, co ogranicza tę niedogodność.