Princip, výhody a možnosti použití inovativních panoramatických pyrometrů

Pyrometry zjišťují tepelné záření na povrchu měřeného objektu v definovaném měřicím poli a na jeho základě určují teplotu. Velikost a tvar měřicího pole jsou určeny čočkami, optickou konstrukcí a technologií snímače. Vzhledem ke geometrii čoček, systému clon a technologii snímače mají přístroje, které jsou dosud na trhu k dispozici, obvykle kulatou měřicí plochu. Na základě nového typu optické konstrukce a vysoce kvalitních čoček jsou v poslední době k dispozici zařízení s obdélníkovým měřicím polem. Následující článek vysvětluje konstrukci, funkčnost, výhody a možnosti použití pyrometrů s obdélníkovým měřicím polem.

Myšlenka vyvinout pyrometr s obdélníkovým měřicím polem vznikla před více než 30 lety, protože v technice bezkontaktního měření teploty existují aplikace, které lze řešit snadněji a především spolehlivěji. Významnou výhodou pyrometrického měření teploty na rozdíl od kontaktního měření je, že pyrometry jsou ideální pro měření pohybujících se objektů. Předpokladem samozřejmě je, že měřený objekt se nachází v měřicím poli pyrometru. Jak ukazuje příklad výroby drátů, problematickým se stává, když měřený objekt kmitá v pravém úhlu ke směru výroby a ne vždy vyplňuje měřicí pole (obr. 1).

Doposud se k řešení těchto aplikačních problémů s měřením používaly jednokanálové pyrometry s velmi malým měřicím polem ve spojení s otočným zrcadlem umístěným před pyrometrem. Otáčející se nebo otočné zrcadlo periodicky vychyluje měřicí bod. Uložením maximální hodnoty do pyrometru se zaznamená teplota v okamžiku, kdy je měřicí bod zcela zaplněn objektem. Kromě nevýhody pohyblivého mechanismu, který je náchylný k poruchám, je doba detekce omezená. Vzhledem k pohybu snímání se teplota objektu nezaznamenává kontinuálně, ale pouze cyklicky.

Z tohoto důvodu byly před mnoha lety učiněny pokusy se zařízeními, která generovala obdélníkové měřicí pole čistě opticky. Speciální válcová čočka šířila měřicí pole ve směru osy, jak to známe ze zrcadlové skříně. To v zásadě poskytovalo řešení. Problémem se však ukázalo nerovnoměrné rozložení citlivosti na měřicí ploše snímače. Další nevýhodou byla vysoká cena této speciální čočky. Kromě toho bylo možné zařízení použít pouze pro pevně stanovenou měřicí vzdálenost. Další potíž spočívala v tom, že optický obraz v průhledovém zaměřovači byl zkreslený, což ztěžovalo vyrovnání zařízení.

Použití obdélníkového měřicího pole je zajímavé zejména ve spojení s poměrovým pyrometrem. Poměrový pyrometr zaznamenává tepelné záření měřeného objektu ve dvou různých vlnových délkách. Kvocient obou spektrálních záření se mění úměrně teplotě. Tento princip měření umožňuje, aby měřený objekt byl menší než měřicí pole. Na rozdíl od jednokanálového pyrometru se správná teplota určuje ještě u horkého měřeného objektu před chladným pozadím.

Na rozdíl od výše popsaného řešení s válcovou čočkou je obdélníkové měřicí pole nového panoramatického pyrometru realizováno vysoce přesnou clonou umístěnou v měřicí větvi detektoru mezi clonou (3) a vychylovacím zrcadlem se senzorem (4) (obr. 2). Tím jsou vyřešeny dva základní problémy. Přístroj nevyžaduje speciálně tvarovanou čočku a měřený objekt se zobrazuje zaostřeně jako obvykle při průhledovém zaměřování nebo na obrazu monitoru u přístrojů s integrovanou videokamerou.

Další výhodou této inovativní optické konstrukce je správné zobrazení značek měřicího pole v hledáčku nebo na monitoru, a to jak přesné polohy, tak skutečné velikosti obdélníkového měřicího pole. Jen tak lze zkontrolovat a zajistit správné nastavení přístrojů.

Při vývoji panoramatického pyrometru bylo třeba vyřešit další optickou výzvu. V důsledku chyb optického zobrazení a nehomogenního rozložení citlivosti na měřicí ploše mají poměrové pyrometry obvykle tu vlastnost, že poloha měřeného objektu v měřicím poli má znatelný vliv na měřenou teplotu. Na okraji měřicího pole může zobrazení při teplotě objektu 1 000 °C stoupnout o více než 30 °C (obr. 3).

Ke kolísání zobrazení teploty může u běžných poměrových pyrometrů docházet také tehdy, pokud se z výrobních důvodů mění průměr měřicího objektu, a měřicí pole je proto různě vyplněno.

Aby se tento fyzikální efekt minimalizoval, byly pro optiku vyvinuty přesné čočky, které mají trvale dobré zobrazovací vlastnosti po celé ploše vstupní apertury (minimální sférická aberace). Kromě toho mají čočky minimální podélnou barevnou chybu (chromatickou aberaci), aby bylo dosaženo stejně ostrého obrazu pro obě měřicí vlnové délky a pro viditelný rozsah. Realizace panoramatického pyrometru navíc vyžadovala vývoj optické sestavy sestávající z přesných clon a vysoce kvalitních snímačů. Výsledkem je, že nový panoramatický pyrometr poskytuje konstantní naměřené hodnoty bez ohledu na polohu a průměr například vodiče v měřicím poli.

Modulární konstrukce optických a elektrických součástí znamená, že panoramatický pyrometr lze vybavit také několika výměnnými objektivy s možností zaostření. Kromě toho lze do předního závitu příslušného objektivu našroubovat různé přídavné čočky a zmenšit tak měřicí pole. Výsledkem je mnoho variant optického zobrazení s ohledem na požadovanou měřicí vzdálenost i požadovanou velikost měřicího pole (obr. 4). Například lze detekovat i vodiče o průměru od 0,1 mm.
.

Optické nastavení pyrometru na malém měřicím objektu nebo na velké měřicí vzdálenosti vyžaduje kvalitní mechaniku pro nastavení. Je samozřejmé, že přístroj s obdélníkovým měřicím bodem se za těchto podmínek nastavuje mnohem snadněji (obr. 5). Tato výhoda je zvláště patrná u přenosného pyrometru, pokud obsluha drží přístroj při zaměřování v ruce, protože šířka obdélníkového měřicího pole je 2 až 3krát větší než u srovnatelného přístroje s kruhovým měřicím polem. Tím je zajištěna bezpečnější manipulace a detekce teploty.

Ve výrobních procesech, kde se může měnit poloha a velikost horkého předmětu, nebo v systémech tepelného zpracování, kde ohřívací zóna na obrobku kolísá, nabízí panoramatický pyrometr větší provozní spolehlivost a mnohem snadnější seřízení. Protože obdélníkové měřicí pole je širší než kruhové měřicí pole o stejné ploše, je riziko posunu horkého bodu mimo měřicí pole výrazně nižší.
Typickým příkladem je výroba nekonečných trubek, při níž se materiál ohýbá a svařuje. Materiál se zahřívá pomocí indukční cívky. Poloha malého svarového bodu může kolísat, takže u běžných přístrojů může někdy svarový šev ležet mimo měřicí pole a měření pak již není možné (obr. 6).
Při výrobě skleněných lahví se mění poloha a tvar skleněné kapky při střihu. I zde poskytuje panoramatický pyrometr větší spolehlivost měření. Svou roli hraje také vliv teploty materiálu a barva částečně průhledného skla. Tento vliv je výrazně omezen kvocientovou měřicí metodou panoramatického pyrometru.
V systémech tažení drátu se drát následně tepelně zpracovává. Drát prochází vysokou rychlostí indukční cívkou. Kmitání drátu mezi vodicími válečky je nevyhnutelné. V případě tenkých drátů může být toto kolísání několikanásobkem průměru drátu. Za těchto podmínek je téměř nemožné provést přesné měření.
Ruční bezkontaktní měření teploty roztaveného kovu během lití do formy se provádí z bezpečné vzdálenosti. U běžného zařízení s kruhovým měřicím polem je obtížné vyrovnat pyrometr s licí tryskou, zejména proto, že poloha trysky se může měnit v závislosti na úhlu sklonu pánve. Přístroj s obdélníkovým měřicím polem je mnohem snadněji ovladatelný (obr. 7).
Měření teploty nejmenších objektů, jako je vlákno nebo topný element v rentgenové trubici, klade na přístroje nejvyšší optické nároky. Takové aplikace bylo dříve možné z větší části řešit pouze pomocí tzv. pyrometrů pro porovnávání intenzity. U těchto přístrojů se teplota měří ručně tak, že obsluha vizuálně porovnává zářivost vnitřního referenčního zářiče a měřeného objektu.
Potíž při použití elektronicky měřicích přístrojů spočívala v mechanickém přizpůsobení přístrojů extrémně malým měřeným objektům. Takové měřicí úlohy lze mnohem snadněji řešit i pomocí panoramatického pyrometru.

Vzhledem k principu kvocientového měření je oblast použití omezena na aplikace s teplotami nad 600 °C. Dalším omezením je stupeň částečného osvětlení, do kterého je poměrový pyrometr ještě schopen vytvořit reprodukovatelnou měřenou hodnotu.

Tato hodnota závisí mimo jiné na emisivitě měřeného objektu a absolutní teplotě. Na začátku měřicího rozsahu může poměrový pyrometr poskytnout spolehlivě naměřenou hodnotu již tehdy, pokud je zářivá energie 10 % zářivosti zářiče černého tělesa při stejné teplotě. S rostoucí teplotou měření je přípustný ještě větší útlum signálu. Útlum je ovlivněn emisivitou, stupněm částečného osvětlení, tvarem měřeného objektu a vizuálními překážkami, jako jsou páry, prach a kouř v měřicím poli. Jako příklad se uvádí ocelový drát s emisivitou 0,6. V případě kulatého měřeného objektu je také třeba vzít v úvahu, že záření detekované pyrometrem je částečně vyzařováno pod velmi plochým úhlem. Jako přibližná hodnota se pak započítává také bezpečnostní faktor 1,5. Stupeň částečného osvětlení, šířku měřicího pole a maximální měřicí vzdálenost lze vypočítat z následujících vzorců.

Stupeň částečného osvětlení = (minimální analyzovatelná intenzita signálu ÷ emisivita) × bezpečnostní faktor

S odkazem na výše uvedený příklad musí být měřicí pole zaplněno alespoň z 10 % ÷ 0,6 × 1,5 = 25 %, aby byl pyrometr schopen určit měřenou hodnotu. Sílu signálu jako ukazatel spolehlivosti naměřené hodnoty lze zobrazit na displeji pyrometru.

Pro průměr drátu 5 mm z toho vyplývá maximální šířka měřicího pole 5 mm ÷ 0,25 = 20 mm pro začátek měřicího rozsahu.

U panoramatického pyrometru je optické rozlišení určeno poměrem vzdáleností (měřicí vzdálenost ÷ velikost měřicího pole) pro šířku DW (width) a pro výšku DH (height). Na základě poměru vzdáleností například DW = 40 : 1 to znamená maximální měřicí vzdálenost 40 × 20 mm = 800 mm. Nebo z jiného pohledu, pro zamýšlenou měřicí vzdálenost 500 mm je třeba použít objektiv s poměrem vzdáleností DW ≥ 500 mm ÷ 20 mm, tj. ≥ 25 : 1, aby bylo měřicí pole dostatečně osvětleno měřeným objektem.

Panoramatický pyrometr lze také provozovat tak, aby bylo měřicí pole zarovnáno podélně k objektu. To umožňuje pyrometru zachytit větší plochu měřeného objektu ve srovnání se zařízením s kruhovým měřicím polem, takže jej lze použít pro dráty o průměru od 0,1 mm.

Přístroje s panoramatickou optikou jsou k dispozici pro stacionární přístroje řady CellaTemp PA a přenosné přístroje řady CellaTemp PT. Obě verze mají průhledové hledí pro vyrovnání a zaostření přístroje. Stacionární zařízení CellaTemp PA je alternativně k dispozici s barevnou videokamerou. Ta umožňuje nepřetržité sledování vyrovnání a zorného pole objektu na monitoru v řídicím centru. Kromě označení měřicího pole se prostřednictvím videosignálu přenáší také naměřená hodnota a číslo měřicího bodu, které se zobrazují na obrazovce monitoru. Díky speciální funkci TBC (Target Brightness Control) fotoaparátu se intenzita zaznamenává pouze v měřicím poli pro kontrolu expozice, a nikoli v celém zorném poli fotoaparátu, jak tomu obvykle bývá. To znamená, že malý horký terčík před studeným pozadím je na obrazu monitoru zobrazen s optimálním jasem a bez přebuzení terče.

Nyní jsou k dispozici také dvě verze kompaktní řady pyrometrů CellaTemp PKL s panoramatickou optikou (obr. 8). Přístroje jsou vybaveny pilotním světlem LED pro kontrolu seřízení. Protože světlo osvětluje nejen polohu, ale i skutečnou šířku měřicího pole, lze přístroj velmi snadno a přesně nastavit na měřený objekt.

Pro tepelné procesy a teploty nad 600 °C je nový panoramatický pyrometr jednoznačně lepší než předchozí přístroje s kruhovým měřicím polem, pokud je obtížné vyrovnání na malých objektech nebo při velkých měřicích vzdálenostech nebo pokud není horký bod, tj. detekované horké místo, pevně stanoven. Dodatečné náklady ve výši přibližně 25 % jsou díky vyšší provozní spolehlivosti jistě dobře vynaloženými penězi.