Почему врёт бесконтактный ИК термометр (пирометр)

В данной статье мы расскажем именно о медицинских ИК термометрах, т.е. о приборах, предназначенных для измерения температуры тела, а также о том, от чего зависит точность пирометров.

В Интернете можно найти много информации по этому вопросу. В большинстве случаев всё пишется людьми далёкими от ИК термометрии и ИК термометров для контроля температуры тела. Поэтому и информация даётся неполной, несистемной и чаще всего далёкой от истины.

Именно поэтому, мы как разработчики и изготовители медицинских термометров и, в частности, ИК термометров решили по возможности понятным  языком рассказать, как устроен ИК термометр, чем он отличается от промышленного пирометра, что влияет на его точность измерения и как сделать так, чтобы эту точность повысить.

Для начала немножко теории...

Любое тело излучает тепловую энергию Е, пропорциональную его температуре поверхности в четвёртой степени и коэффициенту излучения к.

Научившись измерять и  обратно преобразовывать эту тепловую энергию в температуру можно измерять температуру поверхности на расстоянии (дистанционно).

Рис.1.Как происходит измерение температуры поверхности пирометром

Любой пирометр содержит некоторую оптическую систему, позволяющую снимать данные (собирать тепловую энергию) с пятна определённой площади  S на расстоянии L. Отношение L/D, где D - это диаметр пятна называется оптическим разрешением пирометра. Чем этот параметр больше, тем на большем расстоянии можно измерять температуру конкретного тела и тем дороже прибор.

При помощи оптической системы прибора энергия излучения падает на сенсор ИК термометра (Рис.2).

Рис.2.Устройство сенсора ИК термометра

У современных пирометров сенсор представляет собой миниатюрную термопару, на рабочий спай которой и направлено тепловое излучение контролируемого объекта. Вблизи холодного спая термопары располагается сенсор температуры, в качестве которого чаще применяется термосопротивление.

Электронная схема прибора по термосопротивлению измеряет температуру холодного спая термопары и добавляет к ней вторую часть пропорциональную напряжению с термопары. ИК сенсоры уже давно научились изготавливать полностью в интегральном исполнении. Есть сенсоры  с цифровым выходом.

Если бы все тела излучали одинаково, имея равную температуру, то погрешность пирометра определялась бы только точностью его юстировки .

Однако все тела излучают по-разному. Для того чтобы измерить температуру  поверхности какого-либо тела достаточно точно, необходимо точно знать  его коэффициент изучения к.

Обычно пирометр юстируется на производстве или в метрологической лаборатории при помощи «абсолютно-чёрного тела» (АЧТ), т.е. поверхности, с коэффициентом излучения близким к 1. Затем в память прибора устанавливают реальный, усреднённый коэффициент излучения. Чаще 0,95. Есть однако модели пирометров подороже, в которых потребитель сам устанавливает коэффициент. Но какой – вот в чём вопрос. А коэффициент излучения очень сильно зависит как от материала поверхности, так и от качества обработки, наличия загрязнений, ржавчины, влаги и т.д. В табл. 1 представлены коэффициенты излучения для ряда материалов.

Табл. 1 Коэффициент излучения к для нескольких материалов

При неправильно выставленном коэффициенте излучения можно получить погрешность в десятки градусов.

Итак, какие  факторы влияют на точность измерения промышленного пирометра?

Перечислим несколько основных факторов:

• точность юстировки пирометра на АЧТ при к =1,
• точность задания к-коэффициента излучения,
• чистота поверхности измерения, наличие влаги, пыли и т.д.,
• временной фактор, влияющий на старение оптической системы и эл. компонентов,
• наличие «засветки» от посторонних источников,
• соответствие диаметра «пятна» и размеров контролируемой поверхности (диаметр пятна должен быть заведомо меньше).

Какая реальная точность измерения, указывается в документации на промышленные пирометры среднего ценового диапазона?  +/-1% от измеряемой величины, т.е. примерно +/-0,4°С при измерении температуры поверхности нагретой до +40°С.  Давайте запомним это значение. Оно нам пригодится далее.

В чём отличия между промышленным пирометром и ИК термометром для измерения температуры тела?

Итак мы кратко  рассказали вам о работе промышленного пирометра, о том, какие факторы влияют на его точность измерения. Теперь поговорим  о ИК термометре для измерения температуры тела.

Вообще зачем нужен ИК термометр для измерения температуры, когда есть контактные электронные термометры, которые при правильном изготовлении обеспечивают нужную точность? Главное преимущество ИК термометра - скорость измерения, около 1 с. В табл. 2 представлены сравнительные характеристики двух методов измерения.

Табл. 2 Сравнение ИК термометра и контактного термометра

ИК термометр удобен, потому что измеряет быстро и дистанционно. Достаточно поднести прибор ко лбу на расстояние несколько сантиметров, нажать на кнопку и всё. Температура измерена. Но с какой точностью? А это самое больное место этих приборов и об этом мы поговорим далее. Но где ИК термометры не имеют себе равных в медицине - это в измерении разницы температур. Например это контроль распределения температуры по телу для выявления критических мест, связанных с какими-либо нарушениями. Или измерение разности температуры тела между людьми, находящимися длительное время в одних условиях. Для этих целей ИК термометр просто великолепен и никто его не сможет заменить.

Приведём пример. Самолёт совершил посадку. Работник Роспотребнадзора, вооружённый ИК термометром, зашёл на борт и последовательно замерил температуру каждому пассажиру. Неважно, какую абсолютную величину температуры он получает. Важна разность измеренной температуры между пассажирами. Они долгое время находились в равных условиях и повышенная температура нескольких пассажиров относительно среднего измеренного значения может трактоваться  как  болезнь. У этих пассажиров после изоляции их от основной массы нужно будет измерить температуру точно контактным электронным термометром. Допустим, температура пассажиров оказалась равна 34,7…36,1°С, а у двух пассажиров: 36,6°С. Это означает, что у этих двух пассажиров имеется повышенная температура. Дальнейшие измерения точным контактным термометром  смогут подтвердить, что их температура равна на самом деле 37…38°С. Сейчас, к сожалению, об этом не знают.

В табл. 3 мы кратко показали, чем отличается промышленный пирометр от ИК термометра температуры тела.

Промышленный пирометр		ИК термометр температуры тела
от -50 до +650 °С, 1% ИВ + 1°С	диапазон измерения и точность	от 32,0 до 42,9°С, ±0,2°C
линза или без линзы	оптическая система	«ракушка»
любое	расстояние до объекта измерения	0...3 см
прямое измерение	способ измерения	расчет температуры тела по температуре лба и температуре окружающей среды

Табл. 3 Основные отличия промышленного пирометра от ИК термометра температуры тела

У ИК термометра очень узкий диапазон измерения и небольшое расстояние до поверхности измерения.  У большинства ИК термометров в паспорте приводится точность измерения +/-0,2…0,3°С. Скажем сразу, что верить этому значению нельзя. С большой натяжкой это может быть точность измерения температуры абсолютно-чёрного тела, проводимая в лабораторных условиях при заданных параметрах окружающей среды. Это даже не точность контроля температуры поверхности кожи и уж тем более не точность измерения температуры тела.

Грустно то, что в нашей стране продаются ИК термометры, имеющие Регистрационное удостоверение Росздравнадзора, у которых в паспорте указана точность измерения температуры тела +/-0,1°С! Получается так, что Российская компания-дистрибьютор покупает в КНР приборы, имеющие точность +/-0,3°С, делает документацию на русском, где указывается точность уже +/-0,1°С  и продаёт эти приборы. Почему так происходит? Да потому, что ИК термометры у нас в стране отнесены к медицинским термометрам, а им ГОСТом предписано иметь точность +/-0,1°С. Получается, что приборы подстроили под норматив.

Так какую же реальную погрешность имеют ИК термометры, спросите вы? Огромную, если не выполнять множество требований к процессу измерения. А ведь большинство граждан их не выполняет или физически не может выполнить. Поэтому прежде чем купить домой ИК термометр, хорошо подумайте. Им нужно уметь пользоваться.

Как работает ИК термометр температуры тела?

ИК термометр для измерения температуры тела - это в определённом плане прибор более сложный, чем промышленный пирометр. Прибор имеет два режима работы: поверхность (sгrface) и тело (body). В режиме surface прибор работает как обычный пирометр, измеряя температуру поверхности и его можно использовать для различных хозяйственных нужд. В режиме body, который нас как раз интересует, прибор вычисляет значение температуры тела по температуре поверхности лба, температуре окружающей среды, используя  введённые в него усреднённые коэффициенты расчёта. Данные коэффициенты учитывают  теплопроводность и толщину различных участков головы (кожи, кости и т.д.). Понятно, что у разных людей, особенно разных расс,  у различных возрастных групп эти параметры отличаются и это очень сильно сказывается на точности измерений. На Рисунке 3 показана  температура тела как функция этих  параметров.

Рисунок 3. Температура тела, как функция большого количества параметров

Итак,  к погрешности измерения температуры поверхности в режиме body добавляется погрешность связанная с различием у людей различных физических параметров и погрешность измерения температуры окружающей среды, а также погрешность связанная с тем, что температура прибора может быть не равна температуре окружающей среды, в которой находится испытуемый. Последнее очень важно. Прибор и человек до момента измерения должны находиться длительное время при одной и той же температуре. Теперь вам должно быть понятно, почему при измерении температуры у людей, входящих в здание, так сильно разнится температура. Ведь до входа в здание они находились в различных условиях. Кто-то пришёл, кто-то приехал на авто и т.д.

Перечислим основные правила более-менее точного измерения температуры тела ИК термометром.

Основные правила, которые необходимо соблюдать при измерении температуры медицинским пирометром:

- пирометр должен иметь температуру окр. среды (выдержан не менее 30 мин.),
- необходимо предварительно вытереть насухо лоб, 
- предотвратить сквозняки, падение прямых лучей солнечного света, влияние нагревательных приборов,
- предварительно убрать со лба косметику, волосы,
- расстояние от лба: 1...3 см,
- необходимо провести несколько измерений, чтобы исключить случайные значения.

Так может ли ИК термометр иметь точность +/-0,1°С при измерении температуры тела? Конечно нет. Если человек очень хорошо понимает принцип работы ИК термометра и как им пользоваться, то он может использовать его для экспресс контроля температуры тела. Но любому человеку использовать этот прибор нельзя. Может и трагедия случиться. Представьте себе картину. У маленького ребёнка горячка, родители его раздели, обдувают вентилятором и время от времени контролируют температуру ИК термометром. Что они измерят? Всё что угодно. Самая большая опасность, если они вместо 40,0°С измерят 37,0, успокоятся и завершат процедуры.

ИК термометром для измерения температуры тела может пользоваться не каждый. Единственное, в чём он очень хорош - это в вычленении людей с повышенной температурой среди других людей, находящихся длительное время в одинаковых условиях.

Какие приборы НПК "Рэлсиб" для измерения температуры нужно использовать для точной термометрии?

Измеритель температуры IT-9-IRm бесконтактный	Термометр медицинский RELSIB WT50 с передачей данных по Bluetooth	Термокомплект «COVIDUNET»