Optické ovlivňující proměnné

Bezkontaktní měření teploty je založeno na optické metodě měření. Optické vlastnosti pyrometru mají velký a často podceňovaný vliv na přesnost měření. V mnoha případech se při testování nejistoty měření porovnávají pouze parametry uvedené v datovém listu. Jednoduchá, nesprávně zvolená nebo nesprávně nastavená optika však může vést k velmi závažným chybám měření. Následující zpráva vysvětluje principy a účinky chyb optického zobrazení a specifikaci optických parametrů pyrometrů. Představuje způsob, jakým může uživatel sám kontrolovat kvalitu optiky pyrometru.

Sférická aberace (aperturní chyba)
Světelné paprsky vstupující do blízkosti okraje čočky jsou zaostřeny v jiné vzdálenosti než světelné paprsky vstupující ze středu. Výsledkem je mírně rozmazaný obraz. Sférickou aberaci lze v optických soustavách složených z několika čoček snížit vhodným spojením několika ploch čoček.

Chromatická aberace (podélná barevná aberace)
Ohnisková vzdálenost čoček závisí na vlnové délce. Světlo nebo záření o různých vlnových délkách je zaostřeno v různých bodech. Obraz objektu se pak zobrazuje s barevnými okraji kolem obrazu. Chromatickou aberaci lze výrazně snížit použitím optiky korigované pro dvě (achromat) nebo tři (apochromat) vlnové délky (obr. 2). Materiály čoček se volí tak, aby se aberace čoček vzájemně kompenzovaly pro dvě nebo tři vlnové délky.

Pro určení optiky se zadává buď velikost měřicího bodu pro určitou vzdálenost, nebo poměr vzdálenosti, tj. poměr měřicí vzdálenosti k průměru měřicího pole.

Velikost měřicího bodu pyrometrů vychází z pevně stanoveného procenta maximální energie, kterou lze v poloprostoru přijmout. Hodnota 100 % odpovídá nekonečně velkému měřicímu objektu. Velikost měřicího bodu se obvykle vztahuje k 90, 95 nebo 98 % maximální energie, kterou lze přijmout (obr. 3).

Pokud je složka záření vztažena k 95 % místo k 90 %, vede to k většímu měřicímu poli. Informace o velikosti měřicího pole jsou proto srovnatelné pouze tehdy, pokud se vztahují ke stejnému procentu. Někteří výrobci procento záření neuvádějí nebo ho definují jako nízké procento. V důsledku toho tito výrobci v datových listech předstírají velmi malé měřicí pole, protože dobře vědí, že kdyby ho definovali jinak, museli by uvést podstatně větší hodnotu. Někteří výrobci navíc uvádějí velikost měřicího pole, aniž by brali v úvahu tolerance čoček.

U pyrometrů se rozlišují přístroje s optikou s možností zaostření a s pevným zaostřením. Měřicí pole je zaostřené pouze v ohniskové vzdálenosti. Pokud pyrometr pracuje mimo ohniskovou vzdálenost, není již zaručeno rovnoměrné rozložení infračerveného záření na snímači (obr. 4).

Záření přijaté přes měřicí plochu je pak detekováno v různé míře. Změny teploty ve středu mají větší vliv než v okrajové oblasti měřicího pole.

To má vliv zejména na kalibraci pyrometru před "černým tělesem". Otvor pece musí být několikrát větší než měřicí pole pyrometru. U přístrojů s jednoduchou optikou a velkým měřicím polem je třeba jako kalibrační zdroj použít extrémně velké zářiče, aby se snížily chyby měření, které mohou vzniknout při kalibraci. To je jeden z hlavních zdrojů chyb vysoké nejistoty měření u levných přístrojů.

Zejména u malých měřených objektů, které jsou jen o málo větší než měřicí plocha pyrometru, může nesprávné nastavení zaostření vést ke značným chybám měření. Avšak i v případě, že se pyrometr dívá na měřený objekt přes otvory, průzory, stěny pece nebo průzory, může špatně nastavená optika nebo nesprávné zaostření rychle vést k zúžení zorného kužele, a tím k nesprávným měřením. Pokud se provádí měření na objektech, které jsou výrazně větší než měřicí pole pyrometru, zobrazená teplota se při změně velikosti měřeného objektu nebo měřicí vzdálenosti změní i s jednoduchou optikou. Na obr. 5 je znázorněno srovnání zmenšeného zobrazení naměřené hodnoty u kvalitní a jednoduché optiky v závislosti na průměru měřeného objektu. U jednoduché optiky se naměřená hodnota při změně velikosti cíle výrazně sníží. Změna měřicí vzdálenosti má stejný účinek při konstantní velikosti objektu. To znamená, že přístroje s jednoduchou optikou zobrazují při různých měřicích vzdálenostech různé naměřené hodnoty. Tento zdroj chyby je třeba brát v úvahu zejména při použití jednoduchých ručních přístrojů, které se jistě používají v různých vzdálenostech. Tento efekt se nazývá efekt velikosti zdroje (SSE) a je více či méně významným zdrojem chyby u všech pyrometrů. Příčinami jsou chyby zobrazování v optice, rozptýlené světlo a odraz od optických součástí a částí krytu a také difrakce způsobená vlnovou povahou světla. Efekt velikosti zdroje se snižuje se zkracující se vlnovou délkou měření. Tento vliv lze minimalizovat pečlivou korekcí chyb optického zobrazování, použitím antireflexních optických součástí a zamezením rozptýleného světla a odrazů v zařízení. Uživatel může tuto chybu v praxi minimalizovat přesným zaměřením na měřicí vzdálenost.
.

Infračervené záření vyzařované měřeným objektem se v závislosti na teplotě pohybuje v rozmezí vlnových délek 0,6 - 20 µm, tj. obvykle nad viditelným světlem. To především znamená, že optika musí být korigována na rozsah vlnových délek, které pyrometr používá. Pokud chce uživatel zaměřovat vizuálně nebo jsou přístroje vybaveny videokamerou jako zaměřovací pomůckou, musí být optika navržena tak, aby byly chyby optického zobrazení korigovány stejně pro rozsah viditelných i infračervených vlnových délek. V jednoduchých zařízeních se používají čočky, které nejsou barevně korigovány nebo jsou korigovány pouze pro jednu vlnovou délku. V takovém případě se ohniska infračerveného a viditelného záření neshodují (obr. 2). Pokud je pyrometr zaostřen prostřednictvím zaměřovacího zařízení, není optimálně zaostřen pro infračervené záření.

Zejména při použití laserů k zobrazení měřicího bodu se u jednoduchých čoček laserový bod neshoduje s měřicí vzdáleností.

Tyto chyby lze v maximální možné míře odstranit pouze u opticky složitých systémů se dvěma nebo třemi čočkami. Například pyrometry řady CellaTemp PA mají vysoce kvalitní přesnou optiku se širokopásmovým systémem antireflexních čoček.

Díky tomu lze správně měřit teplotu i na vodičích o průměru 0,3 mm.

Zobrazovací vlastnosti pyrometru může uživatel snadno zkontrolovat. Za tímto účelem se pyrometr vyrovná s definovaným zdrojem záření.

Velikost oblasti záření by měla být několikrát větší než měřicí pole pyrometru. Nyní umístěte otevřenou clonu v ohniskové vzdálenosti (a) pyrometru před zdroj záření a pomocí pyrometru určete teplotu při nastavení emisivity ε = 1 (obr. 6). Měření je vhodné provádět na konci měřicího rozsahu pyrometru, protože při vyšších teplotách se více projevují optické chyby měření. Emisivita na pyrometru by pak měla být nastavena na hodnotu 0,98, což vede ke zvýšení zobrazení teploty.
.

Průměr clony se pak musí zmenšit, dokud se zobrazená teplota opět nesrovná s původní hodnotou. Průměr otvoru clony pak odpovídá velikosti měřicího pole ve vztahu k 98 % energie záření. Z poměru k měřicí vzdálenosti a vyplývá poměr vzdálenosti D = . Toto měření se pak musí opakovat pro velikost měřicího pole 95 % a 90 % a výsledek se porovná s údaji v brožuře výrobce.

Tímto způsobem lze velmi snadno zkontrolovat a porovnat skutečné optické zobrazovací vlastnosti různých zařízení, včetně vlivu chyb čoček.
.

Obrázek 7 například ukazuje průměry měřených objektů pro 90 % a 95 % zářivé energie. Ve vztahu k 90 % jsou rozdíly ve velikostech měřicích polí stále poměrně malé, a to Ø 14 mm u jednoduché optiky a Ø 10,2 mm u vysoce kvalitní optiky. Při 95 % (Ø 24 mm u jednoduché optiky a Ø 11,5 mm u vysoce kvalitní optiky) se však již hodnoty velmi liší. Aby bylo možné určit lepší (menší) hodnotu průměru měřicího pole, někteří výrobci proto raději uvádějí hodnotu pro menší referenční hodnotu záření (např. 90 %). Tím se jednoduchý optický systém jeví jako výrazně lepší, než ve skutečnosti je.

U pyrometrů s pilotním světlem, videokamerou nebo průhledovým zaměřovačem lze zkouškou také zjistit, zda je vzdálenost ohniska od měřicího pole a zorného pole totožná a zda označení měřicího pole skutečně odpovídá poloze a velikosti měřicí plochy pyrometru.

Při výběru pyrometrů je třeba kromě porovnání metrologických parametrů pečlivě porovnat také optické vlastnosti. Vzhledem k tomu, že informace, které někteří výrobci uvádějí ve svých prospektech, jsou bohužel často nedostatečné, měli byste se podrobně zeptat, jak bylo stanoveno specifikované měřicí pole a zda byly ve specifikaci zohledněny chyby čoček a tolerance seřízení. Porovnání různých pyrometrů je možné pouze tehdy, pokud jsou optické specifikace a referenční hodnoty shodné. V kritických případech byste měli pro jistotu sami zkontrolovat kvalitu a specifikaci informací v brožuře, jak je popsáno výše. Vždyť k čemu je pyrometr, u kterého je uvedena elektrická nejistota měření výrazně menší než 1 %, ale na druhé straně použití jednoduchých čoček a optických sestav vede k výrazně větším chybám měření?