Poměrový pyrometr

Kvantové pyrometry jsou v dnešních aplikacích infračervených teploměrů nepostradatelné. Následující článek vysvětluje fyzikální principy, výhody, funkční a analytické možnosti i limity poměrové pyrometrie. Na základě praktických aplikací jsou uvedeny typické oblasti použití.

Poměrový pyrometr detekuje tepelné záření měřeného objektu ve dvou různých vlnových délkách. Kvocient obou spektrálních záření φ se mění přibližně úměrně teplotě. Se spektrálním zářením je spojena příslušná emisivita ε měřicího povrchu pro obě vlnové délky (obr. 1).

Aby se minimalizoval vliv emisivity měřicího povrchu v závislosti na vlnové délce, volí se rozsahy vlnových délek, které jsou si navzájem blízké. To na druhé straně znamená, že se obě hustoty záření téměř neliší. Kvocient dvou téměř stejných hodnot se mění jen velmi mírně v závislosti na teplotě objektu. Proto je nejmenší měřitelná teplota kvocientového pyrometru omezena na přibližně 300 °C. Aby bylo možné tyto malé změny signálu vůbec analyzovat, je nutné velké zesílení. Kvalita snímačů, elektronických zesilovačů a A/D převodníků proto musí splňovat nejvyšší standardy, aby bylo dosaženo vysokého odstupu signálu od šumu nebo malého NETD (Noise Equivalent Temperature Difference), a tím i vysokého teplotního rozlišení potřebného pro přesné měření. Pro kontrolu NETD provozujte přístroj na začátku měřicího rozsahu s nejkratší dobou odezvy a zkontrolujte stabilitu měřicího signálu.

Velkou výhodou kvocientové metody měření je, že správná teplota je určena s útlumem signálu, který je nezávislý na vlnové délce. Pokud např. znečištěné pozorovací sklo nebo pára, kouř a prach v zorném poli pyrometru vedou ke snížení signálu, zůstává kvocient, a tedy i zobrazená teplota, konstantní.

Pokud jsou emisivity ε1 = ε2 (šedý zářič) pro obě vlnové délky stejné, člen emisivity v rovnici se redukuje a kvocientový pyrometr zobrazuje skutečnou teplotu bez ohledu na emisivitu měřeného objektu. I když se emisivita měřeného objektu mění ve stejném rozsahu pro oba vlnové rozsahy, nemá to na výsledek měření žádný vliv. Odchylky od skutečné teploty způsobené konstantními rozdíly mezi oběma emisivitami lze korigovat úpravou poměru emisivity na pyrometru.

Jak se však chová poměrový pyrometr, jestliže se emisivita při měření na tzv. barevném zářiči mění pro obě vlnové délky odlišně v důsledku povrchu nebo v závislosti na teplotě?

Stejný selektivní účinek nastává, jestliže se propustnost průhledového skla mění v závislosti na vlnové délce v důsledku tenkovrstvých usazenin (např. olejových filmů nebo parních usazenin). Ani kvocientová metoda není zcela nezávislá na vyzařovacích vlastnostech měřeného objektu, jak se lze někdy dočíst v literatuře.

Tři příklady v tabulce 1 jasně ukazují rozdílný vliv útlumu závislého na emisivitě u spektrální a kvocientové metody měření. Ve vztahu k teplotě 800 °C "černého tělesa" s emisivitou ε = 1 vyplývají z Planckova vyzařovacího zákona následující hodnoty teploty pro kvocientový pyrometr s λ1 = 0,95 μm a λ2 = 1,05 μm s rozdílnou změnou emisivity závislé na vlnové délce (viz tabulka 1).
.

U ochranného skla (1) je jasně patrné snížení spektrálních teplot. Naproti tomu hodnota kvocientu zůstává téměř konstantní. V případě vrstveného skla horší kvality (2) klesají spektrální hodnoty ještě výrazněji a v různé míře. To také vede ke značné odchylce měření kvocientu.

U kvocientových pyrometrů je proto při měření přes průhledová skla nezbytné zajistit, aby skla měla neutrální křivku propustnosti v rozsahu vlnových délek pyrometru. To lze velmi snadno zkontrolovat tak, že během měření držíte před pyrometrem kotouč. Teplota kvocientu se nesmí výrazně měnit.

Další velkou výhodou poměrové pyrometrie je, že měřené objekty mohou být menší než měřící pole. U spektrálního pyrometru musí být měřený objekt vždy větší než měřicí pole, protože spektrální pyrometr zaznamenává průměrnou hodnotu záření v celém měřicím poli. V opačném případě, pokud je měřený objekt malý na pozadí studeného pole, bude naměřená teplota vždy příliš nízká.

Pokud není měřicí pole poměrového pyrometru plně osvětleno měřeným objektem (efekt částečného osvětlení), působí to jako neutrální útlum infračerveného záření. Z tohoto důvodu poskytuje poměrový pyrometr správné naměřené hodnoty i v případě, že je předmět až o 80 % menší než měřicí pole pyrometru. Stupeň minimálního částečného osvětlení závisí na emisivitě a teplotě měřeného objektu. V ideálním případě by poloha objektu v měřicím poli měla být libovolná a neměla by ovlivňovat zobrazenou hodnotu teploty. Mezi přístroji dostupnými na trhu jsou však v tomto ohledu velké rozdíly v kvalitě. Pyrometry s jednoduchou optickou konstrukcí, nižší korekcí optické aberace objektivu a senzory s nehomogenním rozložením citlivosti mohou při konstantní teplotě objektu zvýšit naměřenou hodnotu až o 20 až 30 °C, pokud se např. horký drát nachází na okraji měřicího pole (obr. 5).

Další výhodou při měření malých objektů je, že poměrový pyrometr reaguje mnohem méně citlivě na nastavení optiky a správné zaostření. Naproti tomu spektrální pyrometr musí být velmi přesně seřízen a zaostřen na měřený objekt, aby se zabránilo chybám měření, pokud je měřený objekt sotva větší než měřicí pole.

Následující křivka měření (obr. 6) byla zaznamenána pomocí poměrového pyrometru s měřicím polem Ø8 mm na objektu o průměru Ø8 mm. Současně byla zaznamenána spektrální teplota. Pevná ohnisková vzdálenost byla 500 mm (měřicí bod 1). Následně byla měřicí vzdálenost zmenšena na 250 mm (měřicí bod 2). Rozostření má na kvocientovou teplotu jen malý vliv, zatímco spektrální teplota se odchyluje přibližně o 20 °C. Poté byla měřicí vzdálenost nastavena na 1000 mm (měřicí bod 3). Měřicí pole pyrometru je dvakrát větší než měřený objekt. I v tomto případě zůstává kvocientová teplota téměř na stejné úrovni. Naproti tomu spektrální hodnota prudce klesá v důsledku rozostření a částečného osvětlení.

Při měření teploty plechů a desek ve válcovacím stojanu se vzhledem k extrémním podmínkám stále znovu objevuje otázka, kterou metodu měření doporučit - spektrální nebo kvocientovou (obr. 7).

Z konstrukčních a tepelných důvodů jsou přístroje namontovány ve velké měřicí vzdálenosti několika metrů. Například při použití standardní optiky s optickým rozlišením 100:1 je průměr měřicího pole 200 mm ve vzdálenosti 20 metrů. Rozložení teploty na desce je vzhledem k měřítku extrémně nehomogenní. U spektrálního pyrometru se teplota určuje ze střední hodnoty celkového záření přijatého v měřicím poli. Naměřená hodnota je tedy závislá na rozložení teploty a měřítku. Protože se deska na válečkovém stole pohybuje, vedlo by to ke kolísání naměřené hodnoty, pokud by signál nebyl filtrován. Výrobci pyrometrů proto za těchto podmínek doporučují používat pyrometr s velmi vysokým optickým rozlišením > 200 : 1, aby bylo dosaženo co nejmenšího měřicího pole. Paměť maximální hodnoty se používá k záznamu nejvyšší teploty v bodech bez stupnice.

Jak ale reaguje poměrový pyrometr na nehomogenní rozložení teploty v měřicím poli? Chování poměrového pyrometru je při nehomogenním rozložení teploty složitější. Závisí na celkové ploše "horkých míst" a na rozdílech teplot mezi horkými a studenými místy v měřicím poli. Vzhledem k výše popsanému efektu částečného osvětlení určuje poměrový pyrometr teplotu nejteplejšího místa v měřicím poli za předpokladu, že mezi horkými a studenými oblastmi existuje významný teplotní rozdíl > 200 °C.

Při měření na desce se může v důsledku stupnice v měřicím poli vyskytovat několik horkých míst. Je-li rozdíl teplot malý, určuje poměrový pyrometr teplotu také ze střední hodnoty přijatého záření. Proto se také doporučuje používat pro poměrový pyrometr zařízení s vysokým optickým rozlišením a dobrou kvalitou zobrazení, aby se minimalizoval vliv nehomogenit pomocí detekce maximální hodnoty.

Pokud lze během procesu válcování za tepla očekávat vodní páru a znečištění, měl by se přednostně používat poměrový pyrometr. Provozní spolehlivost získávání naměřených hodnot lze rovněž zvýšit použitím monitorování kontaminace poměrového pyrometru.

Často se diskutuje otázka měření teploty chladnějších předmětů uvnitř horké pece. Studené kované díly se vkládají do horkých pecí k ohřevu nebo studené desky procházejí různými topnými zónami tlačné pece. Vzhledem k vysokému tzv. záření pozadí stěny horké pece, které se odráží od měřeného předmětu, a je tedy detekováno i pyrometrem, ukazuje pyrometr vždy příliš vysokou teplotu. Čím blíže je teplota obrobku teplotě pece, tím nižší je interferenční efekt. Nejúčinnějším řešením pro eliminaci záření pozadí je použití vodou chlazených zaměřovacích trubic. To je však spojeno s vysokými investičními a trvalými provozními náklady. Kromě toho by instalace trubice uvnitř pece, která zasahuje téměř až k obrobku, mohla být z konstrukčních důvodů obtížná nebo nemožná.

Z tohoto důvodu se zařízení často používají bez zaměřovací trubice s plným vědomím, že měření bude více či méně nesprávné. Vliv záření pozadí lze snížit, pokud se teplota záření pozadí měří odděleně pomocí termočlánku nebo druhého pyrometru a odražené rušivé záření v pyrometru se koriguje výpočtem. Tato korekce může být zatížena nejistotou, zejména pokud je emisivita objektu malá, kolísá nebo není přesně známa.

Jestliže u kovových objektů platí z fyzikálních důvodů pravidlo "Měřte co nejkratší vlny", aby se minimalizoval vliv emisivity, při měření chladnějších objektů v horké atmosféře je tato úvaha přesně opačná.

Záření pozadí má menší vliv na zařízení, které měří delší vlnové délky. Na druhou stranu při spektrální citlivosti delších vlnových délek je emisivita ε kovů menší, a proto je odrazivost σ větší (ε + σ = 1). To následně vede k větší závislosti interferenčního vlivu záření horké pece na měnící se emisivitě. Výrobci proto doporučují používat zařízení se spektrální citlivostí v rozsahu 1 - 2 μm, aby zde bylo dosaženo nejlepšího kompromisu.

To také vyvolává otázku, jak se chová poměrový pyrometr při měření chladnějších objektů v horké atmosféře. Kvantový pyrometr se v podstatě chová podobně jako spektrální pyrometr. Detekuje jak předmět, tak odražené záření od stěny pece. Kvantový pyrometr reaguje méně citlivě, pokud je průzor znečištěný nebo pokud se v zorném poli pyrometru nachází prach a kouř. Reakce na měnící se úroveň vyzařování je extrémně závislá na místních podmínkách, a proto je obtížné ji odhadnout. Doporučuje se zaznamenávat a vyhodnocovat kvocient i spektrální teploty paralelně během uvádění do provozu nebo trvale, aby bylo možné provádět případné analýzy. Moderní kvocientové pyrometry nabízejí pro tento účel dva analogové výstupy, takže naměřené hodnoty kvocientu a spektrální teploty může zaznamenávat přímo řídicí jednotka. Další výhodou kvocientového pyrometru je možnost analýzy intenzity signálu jako ukazatele vyzařovacích vlastností měřeného objektu (obr. 8).

Vzhledem k extrémním podmínkám měření způsobeným prachem, parami a kouřem jsou poměrové pyrometry výhodné pro použití v elektrárnách a spalovacích zařízeních z hlediska technologie měření a bezpečnosti. Pyrometr detekuje záření objektů v měřicím poli. Ve spalovacím zařízení je přijímaná energie vyzařována jak horkými částicemi v proudu vzduchu, tak protilehlou stěnou. Naměřená hodnota závisí na hustotě částic, nehomogenitě rozložení teploty a teplotě protilehlé stěny. Pokud je stěna výrazně chladnější než částice v proudu vzduchu v důsledku trubek výměníku tepla, spektrální pyrometr zaznamená příliš nízkou teplotu, která kolísá v závislosti na stavu zatížení v důsledku průměrování. Zde se opět projeví výhoda poměrového pyrometru z hlediska efektu částečného osvětlení a detekce maximální hodnoty. Ve srovnání s běžně používanými termočlánky jsou proto kvocientové pyrometry skutečnou alternativou, protože nepodléhají opotřebení ani driftu způsobenému stárnutím. Kvocientové pyrometry jsou však velmi citlivé na plameny v zorném poli. To je třeba vzít v úvahu při výběru místa instalace.

Spolehlivost měření lze zkontrolovat zobrazením síly signálu. Vzhledem k často malým otvorům v peci o průměru 20 až 30 mm a tloušťce stěn 200 až 400 mm je třeba použít optické přístroje s vysokým rozlišením a dobrými zobrazovacími vlastnostmi, aby nedocházelo k zužování měřicího pole. Geometrická a optická osa by také měly být totožné, a proto by zařízení nemělo mít paralaxu, aby se zabránilo "šilhání" zařízení. V závislosti na požadovaném vybavení a přístupnosti místa instalace se používají kompaktní přístroje nebo pyrometry s pozorovací pomůckou v podobě průhledové čočky nebo videokamery, aby bylo možné snadno a rychle zkontrolovat seřízení a volný zorný úhel během uvádění do provozu a během provozu.

Z bezpečnostního hlediska se zde rovněž doporučuje použití kontroly znečištění poměrových pyrometrů, aby se v případě nadměrného znečištění nebo zarostení otvoru pece automaticky spustil alarm.

Šrouby před následným zalisováním do kování procházejí ohřívací pecí. Aby bylo dosaženo stálé kvality, musí být teplota kontrolována. V systémech indukčního ohřevu se obvykle používají pyrometry, které měří teplotu procházejícího obrobku přímo za indukční pecí v milisekundách a z bezpečné vzdálenosti. Teplota se používá jako kontrolní veličina pro řízení procesu a pro třídění polotovarů, jejichž teplota je mimo přípustný rozsah (obr. 9).

K měření teploty se používají jak spektrální, tak poměrové pyrometry. Přístroje se montují ve větších vzdálenostech 600 až 1200 mm. Povinným požadavkem je zaměřovací pomůcka v podobě průhledové optiky nebo pilotního světla. Jen tak lze nastavit správnou zaostřovací vzdálenost a přesné seřízení, aby se minimalizovaly případné chyby měření způsobené optickými vlivy.

Zejména u přístrojů s pevnou zaostřovací vzdáleností ji nelze vždy přesně dodržet vzhledem ke konstrukci stroje. Pokud jsou zařízení namontována napevno a průměr šroubu se mění, měřicí vzdálenost se tak jako tak mění, takže zařízení někdy nepracují v zaostřené vzdálenosti.

V případě zařízení s ostřicí optikou není měřicí vzdálenost často nastavena správně, jak ukazuje praxe. Přenastavení se změnou průměru šroubu se téměř nikdy neprovádí, takže se tato zařízení opakovaně používají i mimo ohnisko.

Poměrový pyrometr reaguje mnohem méně citlivě na změny měřicí vzdálenosti, průměru šroubu nebo při provozu zařízení mimo ohniskový rozsah, jak bylo popsáno na začátku, až do určitých mezí, a je proto pro takové aplikace výhodnější než spektrální pyrometr.

Proto se zde doporučuje použití kompaktních poměrových pyrometrů s pilotním světlem (obr. 10), aby byly optimálně splněny dva základní požadavky měřicí úlohy na a) do značné míry nezávislé a spolehlivé měření na vzdálenosti a b) jednoduchou kontrolu seřízení.

Pro výrobní procesy s teplotami nad 300 °C jsou poměrové pyrometry s popsanými výhodami více než alternativou pro dosažení spolehlivých a stabilních měřených hodnot vzhledem k prostředí a konstrukci. Příplatek ve výši přibližně 30 % ve srovnání se spektrálním pyrometrem se srovnatelnými vlastnostmi jsou dobře vynaložené peníze, které se rychle vrátí díky snížení nároků na ruční kontrolu a omezení výroby vadných dílů. V extrémních podmínkách měření způsobených silnými výpary, nečistotami a prachem se metrologické výhody poměrového pyrometru jednoznačně projeví. U aplikací, kde se může měnit emisivita měřených objektů, je vhodné při použití metody kvocientového měření zkontrolovat spolehlivost měření.

Výrobci zařízení lze jen doporučit využití dodatečných možností ochrany a analýzy kvocientového pyrometru, aby se zvýšila spolehlivost procesu a získaly se poznatky z dodatečných informací o teplotě.