Chyby měření v praxi při bezkontaktním měření teploty

Na bezkontaktní měření teploty, známé také jako pyrometrie, se mnoho odborníků na měření teploty dívá skepticky. Technické údaje výrobců dokládají, že pyrometry jsou velmi přesné a precizní měřicí přístroje. Kromě správného výběru pyrometru vhodného pro danou aplikaci je důležité zejména zohlednit vlastnosti materiálu a vlivy prostředí na místě.

Chybám měření lze předejít správným používáním. Níže jsou vysvětleny nejčastější příčiny chyb a způsoby jejich omezení.

Pyrometry měří tepelné záření vyzařované objektem. Infračervené záření vyzařované objektem závisí na vlastnostech jeho materiálu a povrchu. Tato vlastnost záření je popsána emisivitou ε. Pro přesné měření teploty musí být emisivita na přístroji nastavena. Nesprávně nastavená emisivita může způsobit značné chyby. Obrázek 1 ukazuje odchylku teploty (ΔT) pro tři naměřené hodnoty v závislosti na vlnové délce, pokud je na přístroji nastavena emisivita 80 % místo emisivity 90 %. Tato chyba se zvyšuje s delšími vlnovými délkami měření nebo s rostoucí teplotou. Proto by měl být zvolen co nejkratší rozsah vlnových délek, který je k dispozici pro požadovaný rozsah měření.

Zejména při měření kovových povrchů s neznámou nebo silně kolísající emisivitou se chyba měření výrazně sníží volbou kratší vlnové délky měření. Emisivita kovů se s kratší vlnovou délkou zvyšuje. Současně se snižuje vliv chyby při nesprávném nastavení emisivity.

Optimální podmínky platí, když má pyrometr volný výhled na objekt. Pokud se v dráze paprsku pyrometru nacházejí média, jako je prach, plyny, kouř, ochranná skla nebo neprůhledné materiály, způsobují snížení teplotního vyzařování objektu.

Pokud jsou známy ztráty při přenosu, např. Pokud jsou známy ztráty přenosu, např. při měření přes ochranné sklo (τ=0,95), lze je kompenzovat nastavením emisivity na přístroji.

_{εzařízení} = _εobjekt - <sub>τdráha paprsku

εzařízení</sub> = emisivita, kterou je třeba nastavit na přístroji
_εobjekt = emisivita objektu
_{τdráha paprsku} = propustnost objektů v dráze paprsku

Problematičtější je, pokud se na čočkách nebo ochranných sklech časem nahromadí prach, olej nebo odpařené materiály. Pyrometr pak s rostoucím znečištěním měří nižší teplotu. Proto je nutné pravidelné čištění čoček. Zařízení pro čištění vzduchem prodlužují cyklus čištění. V poslední době jsou na trhu k dispozici také pyrometry s integrovaným indikátorem úrovně znečištění. Při znečištění čočky je generován výstražný signál.

Rozhodujícím faktorem pro zobrazenou teplotu objektu je zářivý výkon_ΦΣ dopadající na detektor pyrometru_.

Podle následujícího vzorce zahrnuje kromě emisní složky měřeného objektu i složku záření pozadí, která se skládá z odrazové a transmisní složky okolního záření.

_ΦΣ = _Φε + _Φτ + _Φρ

ε = emisivita měřeného povrchu
τ = transmitance měřeného objektu
ρ = odrazivost měřeného povrchu

Vliv chybového záření pozadí se snižuje tím více, čím větší je emisivita objektu a čím větší je teplota objektu ve srovnání s teplotou okolí. Tento vliv je problematický například při použití pyrometrů na výstupu z kontinuálních pecí. Chybu měření lze snížit, pokud seřízení optiky zabrání odrazu tepelného záření z pece na povrchu měřeného objektu. Zdroje záření v infračervené oblasti, jako jsou žárovky, sálavé ohřívače nebo lasery, někdy způsobují silné infračervené záření, které je v praxi podhodnoceno.

Speciálně pro laserové aplikace jsou k dispozici zařízení s blokovacími filtry, které zabraňují vlivu vysokoenergetického laserového záření na velmi slabé infračervené záření.

Chyby zobrazování v optice, rozptýlené světlo a odraz od optických součástí a částí krytu, jakož i difrakce způsobená vlnovou povahou světla znamenají, že část detekovaného záření se dostane do snímače mimo stanovené měřicí pole. Optika přijímá část záření mimo měřicí pole. Tento vliv optiky je znám jako "efekt velikosti zdroje". Tento vliv může výrobce minimalizovat pečlivou korekcí chyb optického zobrazení, použitím antireflexních optických součástí a zamezením odrazů v zařízení. Kvalitní optika snižuje vliv těchto chyb. "Efekt velikosti zdroje" je nejmenší v ohnisku optiky. U pyrometrů s ohniskovou optikou lze proto tento efekt při správném nastavení měřicí vzdálenosti výrazně omezit.

Optická chyba se z fyzikálních důvodů zvyšuje s vlnovou délkou. Z tohoto důvodu je u dlouhovlnných měřicích přístrojů, a tedy přístrojů pro malé měřicí rozsahy, nutné vynaložit ještě větší úsilí na korekci optické chyby. U levnějších pyrometrů, které měří od pokojové teploty, to má negativní vliv na to, že zobrazená naměřená hodnota je velmi závislá na zvolené měřicí vzdálenosti.

Pokud je objekt výrazně větší než měřicí místo pyrometru a plocha je na téměř stejné teplotní úrovni, lze tento vliv téměř zanedbat. V opačném případě lze chybu snížit použitím přístroje s ostřicí optikou a přesným vyrovnáním s objektem. Pro přesné vyrovnání pyrometru se doporučuje pilotní světlo, průhledový zaměřovač nebo integrovaná videokamera.

Pomocí poměrového pyrometru se analyzuje poměr hustoty záření dvou různých spektrálních rozsahů. Zjednodušeně platí následující vzorec pro měření teploty se dvěma středními vlnovými délkami _λ1 a _λ2.

1 ÷_TM = (1 ÷_TW) + ((_λ1 - _λ2) ÷ (_C2 - (_λ1 - _λ2))). -(ln _{ε1 ÷_ε2})

_TM = emisivita měřeného povrchu
_TW = propustnost měřeného objektu
_C2 = odrazivost měřeného povrchu

Pokud jsou emisivity _ε1 a _ε2 pro obě vlnové délky stejné, odpovídá naměřená teplota teplotě objektu. Kvantový pyrometr tedy měří nezávisle na emisivitě povrchu, pokud jsou emisivity _ε1 a _ε2 shodné. Teoreticky se kvocientové pyrometry doporučují, pokud emisivita měřeného objektu kolísá. V praxi to však závisí na příslušné aplikaci a uplatňuje se to jen zřídka. Vzhledem k tvorbě poměru může být chyba měření poměrového pyrometru výrazně větší než chyba měření spektrálního pyrometru, pokud emisivity obou měřených vlnových délek kolísají a liší se. Zejména kovy, a zejména neželezné kovy, vykazují změnu emisivity v závislosti na vlnové délce.

Na druhé straně ztráty při přenosu, jako je prach, pára nebo kouř, často způsobují homogenní útlum intenzity záření. Ve srovnání se spektrálními pyrometry zůstává za těchto podmínek naměřená hodnota poměrových pyrometrů konstantní.

Inovativní poměrové pyrometry umožňují současné měření a výpočet teploty na obou spektrálních vlnových délkách a poměrové teploty. Díky tomu je možné se při uvádění do provozu rozhodnout, zda měření spektrálním pyrometrem nebo kvocientovým pyrometrem poskytuje reprodukovatelnější a přesnější naměřené hodnoty v celém měřicím rozsahu.