Pirometro a rapporto

I pirometri quoziente sono diventati indispensabili nelle applicazioni odierne dei termometri a infrarossi. Il seguente articolo illustra i principi fisici, i vantaggi, le possibilità funzionali e analitiche e i limiti della pirometria quoziente. Le aree di applicazione tipiche sono presentate sulla base di applicazioni pratiche.

Un pirometro a rapporto rileva la radiazione termica di un oggetto di misura in due diversi intervalli di lunghezza d'onda. Il quoziente delle due radianze spettrali φ varia approssimativamente in proporzione alla temperatura. Alla radianza spettrale è associata la rispettiva emissività ε della superficie di misura per le due lunghezze d'onda (Figura 1).

Per ridurre al minimo l'influenza dell'emissività della superficie di misura in funzione della lunghezza d'onda, vengono selezionati intervalli di lunghezze d'onda vicini tra loro. D'altra parte, ciò significa che le due densità di radiazione differiscono appena. Il quoziente di due valori quasi identici cambia solo leggermente a seconda della temperatura dell'oggetto. Pertanto, la temperatura minima misurabile di un pirometro a quoziente è limitata a circa 300 °C. Per poter analizzare queste piccole variazioni del segnale, è necessaria una grande amplificazione. La qualità dei sensori, degli amplificatori elettronici e dei convertitori A/D deve quindi soddisfare gli standard più elevati per ottenere un elevato rapporto segnale/rumore o una piccola NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) e quindi l'elevata risoluzione di temperatura necessaria per una misura accurata. Per verificare il NETD, far funzionare il dispositivo all'inizio del campo di misura con il tempo di risposta più breve e controllare la stabilità del segnale di misura.

Il grande vantaggio del metodo di misurazione del quoziente è che la temperatura corretta viene determinata con un'attenuazione del segnale indipendente dalla lunghezza d'onda. Se, ad esempio, un vetro spia sporco o la presenza di vapore, fumo e polvere nel campo visivo del pirometro provocano una riduzione del segnale, il quoziente e quindi la temperatura visualizzata rimangono costanti.

Se le emissività ε1 = ε2 (radiatore grigio) sono uguali per entrambe le lunghezze d'onda, il termine dell'emissività nell'equazione si riduce e il pirometro a quoziente visualizza la temperatura reale indipendentemente dall'emissività dell'oggetto misurato. Anche se l'emissività dell'oggetto misurato cambia nella stessa misura per entrambi gli intervalli di lunghezza d'onda, ciò non influisce sul risultato della misurazione. Le deviazioni dalla temperatura reale dovute a differenze costanti tra le due emissività possono essere corrette regolando il rapporto di emissività sul pirometro.

Tuttavia, come si comporta un pirometro a rapporto se l'emissività cambia in modo diverso per le due lunghezze d'onda durante la misurazione su un cosiddetto radiatore colorato a causa della superficie o a seconda della temperatura?

Lo stesso effetto selettivo si verifica se la trasmissione del vetro spia cambia a seconda della lunghezza d'onda a causa di depositi a strato sottile (ad esempio, film di olio o depositi di vapore). Anche il metodo del quoziente non è completamente indipendente dalle proprietà di radiazione dell'oggetto di misura, come talvolta si legge in letteratura.

I tre esempi riportati nella Tabella 1 mostrano chiaramente la diversa influenza dell'attenuazione dipendente dall'emissività per i metodi di misura spettrale e del quoziente. Basandosi su una temperatura di 800 °C di un "corpo nero" con un'emissività di ε = 1, i seguenti valori di temperatura risultano dalla legge di Planck sulla radiazione per un pirometro quoziente con λ1 = 0,95 μm e λ2 = 1,05 μm con una diversa variazione delle emissività legate alla lunghezza d'onda (vedere Tabella 1).
 

Si nota chiaramente la riduzione delle temperature spettrali per il vetro protettivo (1). Al contrario, il valore del quoziente rimane quasi costante. Nel caso del vetro stratificato di qualità inferiore (2), i valori spettrali si riducono ancora di più e in misura diversa. Anche questo comporta una notevole deviazione della misura del quoziente.

Con i pirometri a quoziente, è quindi essenziale, quando si misura attraverso i vetri, assicurarsi che i vetri abbiano una curva di trasmissione neutra nell'intervallo di lunghezze d'onda del pirometro. Questo può essere controllato molto facilmente tenendo un disco davanti al pirometro durante la misurazione. La temperatura del quoziente non deve variare in modo significativo.

Un altro grande vantaggio della pirometria a rapporto è che gli oggetti di misura possono anche essere più piccoli del campo di misura. Con un pirometro spettrale, l'oggetto di misura deve sempre essere più grande del campo di misura, poiché un pirometro spettrale registra il valore medio della radiazione all'interno dell'intero campo di misura. Altrimenti, un oggetto di misura piccolo di fronte a uno sfondo freddo misurerà sempre una temperatura troppo bassa.

Se il campo di misura di un pirometro a rapporto non è completamente illuminato dall'oggetto da misurare (effetto di illuminazione parziale), questo agisce come un'attenuazione neutra della radiazione infrarossa. Per questo motivo, un pirometro a rapporto fornisce valori di misura corretti anche se l'oggetto è fino all'80% più piccolo del campo di misura del pirometro. Il grado di illuminazione parziale minima dipende dall'emissività e dalla temperatura dell'oggetto da misurare. Idealmente, la posizione dell'oggetto nel campo di misura dovrebbe essere arbitraria e non influenzare il valore di temperatura visualizzato. Tuttavia, esistono notevoli differenze qualitative tra i dispositivi disponibili sul mercato a questo proposito. I pirometri con un design ottico semplice, una correzione inferiore dell'aberrazione ottica dell'obiettivo e sensori con una distribuzione disomogenea della sensibilità possono aumentare il valore misurato fino a 20-30 °C a una temperatura costante dell'oggetto se, ad esempio, un filo caldo si trova ai margini del campo di misura (Fig. 5).

Un altro vantaggio quando si misurano oggetti piccoli è che un pirometro a rapporto reagisce in modo molto meno sensibile all'allineamento ottico e alla corretta messa a fuoco. Al contrario, un pirometro spettrale deve essere allineato e messo a fuoco con estrema precisione sull'oggetto da misurare per evitare errori di misura se l'oggetto è appena più grande del campo di misura.

La seguente curva di misura (Fig. 6) è stata registrata utilizzando un pirometro a rapporto con un campo di misura di Ø8 mm su un oggetto con un diametro di Ø8 mm. Contemporaneamente è stata registrata la temperatura spettrale. La distanza di messa a fuoco fissa era di 500 mm (punto di misura 1). La distanza di misurazione è stata poi ridotta a 250 mm (punto di misurazione 2). La defocalizzazione ha solo un'influenza minima sulla temperatura del quoziente, mentre la temperatura spettrale si discosta di circa 20 °C. La distanza di misura è stata quindi impostata a 1000 mm (punto di misura 3). Il campo di misura del pirometro è due volte più grande dell'oggetto misurato. Anche in questo caso, la temperatura quoziente rimane quasi allo stesso livello. Al contrario, il valore spettrale diminuisce drasticamente a causa della defocalizzazione e dell'illuminazione parziale.

Quando si misura la temperatura di lamiere e lastre nel banco a rulli, la questione di quale metodo di misurazione raccomandare - spettrale o quoziente - si pone più volte a causa delle condizioni estreme (Fig. 7).

Per ragioni progettuali e termiche, i dispositivi sono montati a una grande distanza di misura di diversi metri. Utilizzando ottiche standard con una risoluzione ottica di 100:1, ad esempio, si ottiene un diametro del campo di misura di 200 mm a una distanza di 20 metri. La distribuzione della temperatura sulla lastra è estremamente disomogenea a causa della scala. Con un pirometro spettrale, la temperatura viene determinata dal valore medio della radiazione totale ricevuta nel campo di misura. Il valore misurato dipende quindi dalla distribuzione della temperatura e dalla scala. Se la lastra si muove sul tavolo a rulli, se il segnale non viene filtrato, il valore misurato potrebbe fluttuare. I produttori di pirometri raccomandano quindi di utilizzare in queste condizioni un pirometro con una risoluzione ottica molto elevata, > 200 : 1, per ottenere il campo di misura più piccolo possibile. La memoria del valore massimo viene utilizzata per registrare la temperatura più alta nei punti privi di scala.

Ma come reagisce un pirometro a rapporto a una distribuzione disomogenea della temperatura nel campo di misura? Il comportamento di un pirometro a rapporto è più complesso in presenza di una distribuzione disomogenea della temperatura. Dipende dall'area totale dei "punti caldi" e dalle differenze di temperatura tra i punti caldi e freddi nel campo di misura. A causa dell'effetto di illuminazione parziale descritto in precedenza, un pirometro a rapporto determina la temperatura del punto più caldo nel campo di misura, a condizione che vi sia una differenza di temperatura significativa di > 200 °C tra le aree calde e fredde.

Quando si effettua la misura su una lastra, nel campo di misura possono verificarsi diversi punti caldi a causa della scala. Se la differenza di temperatura è piccola, il pirometro a rapporto determina la temperatura anche dal valore medio della radiazione ricevuta. Si raccomanda pertanto di utilizzare dispositivi con un'elevata risoluzione ottica e una buona qualità di immagine per un pirometro a rapporto, al fine di ridurre al minimo l'influenza delle disomogeneità mediante il rilevamento del valore massimo.

Se si prevede la presenza di vapore acqueo e contaminazione durante il processo di laminazione a caldo, è preferibile utilizzare un pirometro a rapporto. L'affidabilità operativa dell'acquisizione dei valori misurati può essere aumentata utilizzando il monitoraggio della contaminazione del pirometro a rapporto.

Il problema della misurazione della temperatura degli oggetti più freddi all'interno di un forno caldo è spesso discusso. I pezzi forgiati freddi vengono inseriti nei forni caldi per essere riscaldati o le lastre fredde passano attraverso le varie zone di riscaldamento di un forno a spinta. A causa dell'elevata radiazione di fondo della parete del forno caldo, che viene riflessa dall'oggetto misurato e quindi rilevata anche dal pirometro, quest'ultimo indica sempre una temperatura troppo elevata. Più la temperatura del pezzo è vicina a quella del forno, minore è l'effetto di interferenza. La soluzione più efficace per eliminare la radiazione di fondo è l'uso di tubi di puntamento raffreddati ad acqua. Tuttavia, questa soluzione è associata a elevati costi di investimento e di gestione permanente. Inoltre, l'installazione di un tubo all'interno di un forno che si estende quasi fino al pezzo in lavorazione potrebbe essere difficile o impossibile per motivi strutturali.

Per questo motivo, i dispositivi vengono spesso utilizzati senza tubo di osservazione, ben sapendo che la misura sarà più o meno errata. L'influenza della radiazione di fondo può essere ridotta se la temperatura della radiazione di fondo viene misurata separatamente con una termocoppia o un secondo pirometro e la radiazione di interferenza riflessa nel pirometro viene corretta mediante calcolo. Questa correzione può essere soggetta a incertezza, soprattutto se l'emissività dell'oggetto è piccola, fluttua o non è nota con precisione.

Se la regola empirica "Misurare il più possibile a onde corte" si applica agli oggetti metallici per motivi fisici, al fine di minimizzare l'influenza dell'emissività, questa considerazione è esattamente l'opposto quando si misurano oggetti più freddi in un'atmosfera calda.

La radiazione di fondo ha un effetto minore su un dispositivo che misura lunghezze d'onda maggiori. D'altra parte, con una sensibilità spettrale a lunghezza d'onda maggiore, l'emissività ε dei metalli è minore e quindi la riflettività σ è maggiore (ε + σ = 1). Ciò comporta una maggiore dipendenza dell'influenza dell'interferenza della radiazione del forno caldo al variare dell'emissività. I produttori raccomandano pertanto di utilizzare dispositivi con una sensibilità spettrale nell'intervallo 1 - 2 μm per ottenere il miglior compromesso.

Ciò solleva anche la questione di come si comporta un pirometro a rapporto quando misura oggetti più freddi in un'atmosfera calda. Fondamentalmente, un pirometro a rapporto si comporta in modo simile a un pirometro spettrale. Rileva sia l'oggetto che la radiazione riflessa dalla parete del forno. Un pirometro a quoziente reagisce in modo meno sensibile se il vetro spia è sporco o se polvere e fumo si trovano nel campo visivo del pirometro. La reazione al cambiamento dei livelli di emissione dipende molto dalle condizioni locali ed è quindi difficile da stimare. È consigliabile registrare e valutare in parallelo sia la temperatura quoziente che quella spettrale durante la messa in funzione o in modo permanente, per poter effettuare eventuali analisi. I moderni pirometri a quoziente offrono due uscite analogiche a questo scopo, in modo che i valori misurati del quoziente e di una temperatura spettrale possano essere registrati direttamente dal controllore. Un altro vantaggio del pirometro a quoziente è la possibilità di analizzare l'intensità del segnale come indicazione delle proprietà di radiazione dell'oggetto misurato (Fig. 8).

A causa delle condizioni di misura estreme causate da polveri, vapori e fumi, i pirometri a rapporto sono vantaggiosi per l'uso nelle centrali elettriche e negli impianti di combustione in termini di tecnologia di misura e sicurezza. Un pirometro rileva la radiazione degli oggetti nel campo di misura. In un impianto di combustione, l'energia ricevuta viene irradiata sia dalle particelle calde nel flusso d'aria sia dalla parete opposta. Il valore misurato dipende dalla densità delle particelle, dalla disomogeneità della distribuzione della temperatura e dalla temperatura della parete opposta. Se la parete è significativamente più fredda delle particelle nel flusso d'aria a causa dei tubi dello scambiatore di calore, un pirometro spettrale registra una temperatura troppo bassa e fluttua a seconda delle condizioni di carico dovute alla media. È qui che si ripresenta il vantaggio del pirometro a rapporto in termini di effetto di illuminazione parziale e di rilevamento del valore massimo. Rispetto alle termocoppie comunemente utilizzate, i pirometri a quoziente rappresentano quindi una reale alternativa, in quanto non sono soggetti all'usura o alla deriva dovuta all'età. Tuttavia, i pirometri a quoziente sono molto sensibili alle fiamme nel campo visivo. Questo aspetto deve essere tenuto in considerazione nella scelta del luogo di installazione.

L'affidabilità della misura può essere verificata visualizzando l'intensità del segnale. A causa delle aperture del forno, spesso piccole, con diametri di 20-30 mm e spessori delle pareti di 200-400 mm, è necessario utilizzare dispositivi ottici ad alta risoluzione con buone proprietà di imaging per evitare la costrizione del campo di misura. Gli assi geometrici e ottici devono essere identici e quindi il dispositivo deve essere privo di parallasse per evitare lo "strabismo" del dispositivo. A seconda dell'apparecchiatura richiesta e dell'accessibilità del luogo di installazione, si utilizzano dispositivi compatti o pirometri con un ausilio per la visione sotto forma di lente trasparente o videocamera, per poter controllare facilmente e rapidamente l'allineamento e l'apertura di visione libera durante la messa in funzione e il funzionamento.

Dal punto di vista della sicurezza, si raccomanda anche l'uso del monitoraggio della contaminazione dei pirometri a rapporto, per generare automaticamente un allarme in caso di contaminazione eccessiva o di crescita eccessiva dell'apertura del forno.

I bulloni passano attraverso un forno di riscaldamento prima di essere successivamente pressati nei raccordi. Per ottenere una qualità costante, la temperatura deve essere controllata. Nei sistemi di riscaldamento a induzione, di solito si utilizzano pirometri per misurare la temperatura del pezzo in transito direttamente dietro il forno a induzione, in millisecondi e a distanza di sicurezza. La temperatura viene utilizzata come variabile di controllo per il controllo del processo e per selezionare le billette la cui temperatura non rientra nell'intervallo consentito (Fig. 9).

Per misurare la temperatura vengono utilizzati sia pirometri spettrali che pirometri a rapporto. I dispositivi sono montati a distanze maggiori di 600-1200 mm. È obbligatorio l'uso di un dispositivo di osservazione sotto forma di ottica passante o di una luce pilota. Solo in questo modo è possibile impostare la distanza di messa a fuoco corretta e l'allineamento esatto, per ridurre al minimo gli errori di misura causati da influenze ottiche.

Soprattutto nel caso di dispositivi con una distanza di messa a fuoco fissa, questa non può essere sempre mantenuta esattamente a causa della struttura della macchina. Se i dispositivi sono montati in modo permanente e il diametro del bullone varia, la distanza di misura cambia comunque, cosicché i dispositivi a volte non vengono utilizzati alla distanza di messa a fuoco.

Nel caso di dispositivi con ottiche focalizzabili, la distanza di misura spesso non viene impostata correttamente, come dimostra la pratica. La regolazione al variare del diametro del bullone non viene quasi mai effettuata, per cui questi dispositivi vengono utilizzati ripetutamente anche al di fuori del punto di messa a fuoco.

Un pirometro a rapporto reagisce in modo molto meno sensibile alle variazioni della distanza di misura, del diametro del bullone o quando i dispositivi vengono azionati al di fuori del campo focale, come descritto all'inizio, fino a certi limiti ed è quindi vantaggioso per queste applicazioni rispetto a un pirometro spettrale.

Si raccomanda pertanto l'uso di pirometri a rapporto compatto con luce pilota (Fig. 10) per soddisfare in modo ottimale i due requisiti essenziali del compito di misura: a) una misura affidabile e indipendente dalla distanza e b) un semplice controllo dell'allineamento.

Per i processi produttivi con temperature superiori a 300 °C, i pirometri a rapporto con i vantaggi descritti sono più che un'alternativa per ottenere valori di misura affidabili e stabili grazie all'ambiente e al design. Il prezzo aggiuntivo di circa il 30% rispetto a un pirometro spettrale con caratteristiche analoghe è un denaro ben speso e viene rapidamente recuperato grazie alla riduzione del lavoro di ispezione manuale e alla diminuzione della produzione di pezzi difettosi. In condizioni di misura estreme, causate da vapori pesanti, sporcizia e polvere, i vantaggi metrologici del pirometro a rapporto si rivelano chiaramente. Per le applicazioni in cui l'emissività degli oggetti misurati può variare, è consigliabile verificare l'affidabilità della misura quando si utilizza il metodo di misurazione del quoziente.

I produttori di dispositivi possono solo raccomandare l'utilizzo delle opzioni di protezione e analisi aggiuntive del pirometro a quoziente per aumentare l'affidabilità del processo e ottenere approfondimenti dalle informazioni aggiuntive sulla temperatura.