Errori di misura nella pratica con la misurazione della temperatura senza contatto

La misurazione della temperatura senza contatto, nota anche come pirometria, è considerata con scetticismo da molti professionisti della misurazione della temperatura. I dati tecnici dei produttori documentano che i pirometri sono dispositivi di misura molto accurati e precisi. Oltre alla scelta corretta di un pirometro adatto all'applicazione, è particolarmente importante tenere conto delle proprietà dei materiali e delle influenze ambientali sul sito.

Gli errori di misura possono essere evitati grazie a un uso corretto. Di seguito sono illustrate le cause più comuni degli errori e i modi per ridurli.

I pirometri misurano la radiazione termica emessa da un oggetto. La radiazione infrarossa emessa dall'oggetto dipende dalle sue proprietà materiali e superficiali. Questa proprietà di radiazione è descritta dall'emissività ε. L'emissività deve essere impostata sul dispositivo per una misurazione esatta della temperatura. Un'emissività non correttamente impostata può causare errori considerevoli. La Figura 1 mostra la deviazione della temperatura (ΔT) per tre valori misurati a seconda della lunghezza d'onda se sul dispositivo viene impostata un'emissività dell'80% invece di un'emissività del 90%. Questo errore aumenta con lunghezze d'onda di misura maggiori o con l'aumento della temperatura. Pertanto, è necessario selezionare la gamma di lunghezze d'onda più breve possibile, disponibile per il campo di misura desiderato.

Soprattutto quando si misurano superfici metalliche con emissività sconosciuta o fortemente fluttuante, l'errore di misura si riduce notevolmente selezionando una lunghezza d'onda più breve. L'emissività dei metalli aumenta con lunghezze d'onda inferiori. Allo stesso tempo, l'influenza dell'errore si riduce se l'emissività è impostata in modo errato.

Le condizioni ottimali si verificano quando il pirometro ha un campo visivo libero dell'oggetto. Se nel percorso del raggio del pirometro sono presenti mezzi come polvere, gas, fumo, vetri protettivi o materiali opachi, questi causano una riduzione della radiazione termica dell'oggetto.

Se le perdite di trasmissione sono note, ad es. Se le perdite di trasmissione sono note, ad esempio quando si misura attraverso un vetro protettivo (τ=0,95), possono essere compensate regolando l'emissività sul dispositivo.

_εdevice = _εobject - _τbeam path

_εdevice = emissività da impostare sul dispositivo
_εobject = emissività dell'oggetto
_τbeam path = trasmittanza degli oggetti nel percorso del fascio

È più problematico se polvere, olio o materiali vaporizzati si accumulano nel tempo sulle lenti o sui vetri di protezione. Il pirometro misura quindi una temperatura più bassa con l'aumentare dello sporco. È quindi necessario pulire regolarmente le lenti. I dispositivi di spurgo dell'aria prolungano il ciclo di pulizia. Recentemente sono stati introdotti sul mercato pirometri con un indicatore integrato del livello di contaminazione. Quando la lente si sporca, viene generato un segnale di allarme.

Il fattore decisivo per la temperatura dell'oggetto visualizzata è la potenza radiante ΦΣ che colpisce il rilevatore del pirometro_.

Secondo la seguente formula, oltre alla componente di emissione dell'oggetto misurato, comprende una componente di radiazione di fondo costituita dalla componente di riflessione e trasmissione della radiazione ambientale.

_ΦΣ= _Φε+ _Φτ+ _Φρ

ε = emissività della superficie di misura
τ = trasmittanza dell'oggetto di misura
ρ = riflettanza della superficie di misura

L'influenza dell'errore della radiazione di fondo si riduce quanto maggiore è l'emissività dell'oggetto e quanto maggiore è la temperatura dell'oggetto rispetto alla temperatura ambiente. Questa influenza è problematica, ad esempio, quando si utilizzano pirometri all'uscita di forni continui. L'errore di misurazione può essere ridotto se l'allineamento dell'ottica impedisce la riflessione della radiazione termica del forno sulla superficie dell'oggetto da misurare. Le sorgenti di radiazione nell'intervallo dell'infrarosso, come le lampade a incandescenza, i riscaldatori radianti o i laser, a volte causano una forte radiazione infrarossa, che nella pratica viene sottovalutata.

Per le applicazioni laser sono disponibili dispositivi con filtri di blocco che impediscono l'influenza della radiazione laser ad alta energia sulla radiazione infrarossa molto bassa.

Gli errori di imaging nell'ottica, la luce diffusa e la riflessione dei componenti ottici e delle parti dell'alloggiamento, nonché la diffrazione dovuta alla natura ondulatoria della luce, fanno sì che una parte della radiazione rilevata raggiunga il sensore al di fuori del campo di misura specificato. L'ottica riceve parte della radiazione al di fuori del campo di misura. Questa influenza dell'ottica è nota come "effetto dimensione della sorgente". Questa influenza può essere minimizzata dal produttore correggendo accuratamente gli errori di imaging ottico, utilizzando componenti ottici antiriflesso ed evitando i riflessi nel dispositivo. Le ottiche di alta qualità riducono gli effetti di questi errori. L'effetto "dimensione della sorgente" è minore nel punto focale dell'ottica. Nei pirometri con ottiche focalizzabili, questo effetto può quindi essere ridotto in modo significativo se la distanza di misura è impostata correttamente.

L'errore ottico aumenta con la lunghezza d'onda per ragioni fisiche. Per questo motivo, è necessario uno sforzo ancora maggiore per la correzione dell'errore ottico nei dispositivi di misura a onde lunghe e quindi nei dispositivi per campi di misura bassi. Ciò ha un effetto negativo sui pirometri più economici che misurano a partire dalla temperatura ambiente, in quanto il valore misurato visualizzato dipende molto dalla distanza di misurazione selezionata.

Se l'oggetto è significativamente più grande del punto di misurazione del pirometro e l'area si trova quasi allo stesso livello di temperatura, questo effetto può essere quasi trascurato. In caso contrario, l'errore può essere ridotto utilizzando un dispositivo con ottica focalizzabile e allineamento esatto con l'oggetto. Per l'allineamento esatto del pirometro si consiglia di utilizzare una luce pilota, un mirino o una videocamera integrata.

Con un pirometro a rapporto si analizza il rapporto tra le densità di radiazione di due diversi intervalli spettrali. Semplificando, la seguente formula si applica alla temperatura misurata con le due lunghezze d'onda centrali _λ1 e _λ2.

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

_TM = Emissività della superficie di misura
_TW = Trasmittanza dell'oggetto di misura
_C2 = Riflettanza della superficie di misura

Se le emissività _ε1 e _ε2 sono uguali per entrambe le lunghezze d'onda, la temperatura misurata corrisponde alla temperatura dell'oggetto. Un pirometro quoziente misura quindi indipendentemente dall'emissività della superficie, purché le emissività _ε1 e _ε2 siano identiche. In teoria, i pirometri quoziente sono raccomandati se l'emissività dell'oggetto di misura fluttua. In pratica, tuttavia, ciò dipende dalla rispettiva applicazione e si verifica raramente. A causa della formazione del rapporto, l'errore di misura di un pirometro a rapporto può essere significativamente maggiore di quello di un pirometro spettrale se le emissività delle due lunghezze d'onda di misura fluttuano e differiscono. I metalli in particolare, soprattutto quelli non ferrosi, presentano una variazione dell'emissività in funzione della lunghezza d'onda.

Le perdite di trasmissione, come polvere, vapore o fumo, invece, spesso causano un'attenuazione omogenea dell'intensità della radiazione. Rispetto ai pirometri spettrali, il valore misurato dai pirometri a rapporto rimane costante in queste condizioni.

Gli innovativi pirometri a rapporto consentono di misurare e calcolare simultaneamente la temperatura a entrambe le lunghezze d'onda spettrali e la temperatura del rapporto. In questo modo è possibile decidere, durante la messa in funzione, se la misurazione con un pirometro spettrale o con un pirometro a quoziente fornisce valori di misura più riproducibili e accurati per l'intero intervallo di misurazione.