Principio, vantaggi e possibili applicazioni di pirometri panoramici innovativi

I pirometri rilevano la radiazione termica sulla superficie di un oggetto di misura in un campo di misura definito e la utilizzano per determinare la temperatura. Le dimensioni e la forma del campo di misura sono determinate dalle lenti, dalla struttura ottica e dalla tecnologia del sensore. A causa della geometria delle lenti, del sistema di apertura e della tecnologia del sensore, i dispositivi finora disponibili sul mercato hanno solitamente una superficie di misura rotonda. Grazie a un nuovo tipo di design ottico e a lenti di alta qualità, sono stati recentemente resi disponibili dispositivi con un campo di misura rettangolare. Il seguente articolo illustra il design, la funzionalità, i vantaggi e le possibili applicazioni dei pirometri con campo di misura rettangolare.

L'idea di sviluppare un pirometro con un campo di misura rettangolare è nata più di 30 anni fa, poiché nella tecnologia di misurazione della temperatura senza contatto esistono applicazioni che possono essere risolte in modo più semplice e, soprattutto, più affidabile. Un vantaggio significativo della misurazione pirometrica della temperatura rispetto alla misurazione a contatto è che i pirometri sono ideali per la misurazione di oggetti in movimento. Il prerequisito è, ovviamente, che l'oggetto da misurare si trovi nel campo di misura del pirometro. Come mostra l'esempio della produzione di fili, diventa problematico quando l'oggetto da misurare oscilla perpendicolarmente alla direzione di produzione e non riempie sempre il campo di misura (Fig. 1).

Finora, per risolvere questi problemi di misura legati all'applicazione, sono stati utilizzati pirometri monocanale con un campo di misura molto ridotto, insieme a uno specchio orientabile montato davanti al pirometro. Lo specchio rotante o orientabile devia periodicamente il punto di misura. Memorizzando il valore massimo nel pirometro, la temperatura viene registrata nel momento in cui il punto di misura è completamente occupato dall'oggetto. Oltre allo svantaggio di un meccanismo mobile suscettibile di guasti, il tempo di rilevamento è limitato. A causa del movimento di scansione, la temperatura dell'oggetto non viene registrata in modo continuo, ma solo ciclicamente.

Per questo motivo, molti anni fa sono stati fatti dei tentativi con dispositivi che generavano un campo di misura rettangolare in modo puramente ottico. Una speciale lente cilindrica diffondeva il campo di misura in direzione di un asse, come in un armadio a specchio. In linea di principio, questa soluzione era sufficiente. Tuttavia, la distribuzione non uniforme della sensibilità sulla superficie di misura del sensore si è rivelata un problema. Un altro svantaggio era il costo elevato di questa lente speciale. Inoltre, i dispositivi potevano essere utilizzati solo per una distanza di misura fissa. Un'altra difficoltà era rappresentata dalla distorsione dell'immagine ottica nel mirino, che rendeva difficile l'allineamento del dispositivo.

L'uso di un campo di misura rettangolare è particolarmente interessante in combinazione con un pirometro a rapporto. Un pirometro a rapporto registra la radiazione termica di un oggetto di misura in due diversi intervalli di lunghezza d'onda. Il quoziente delle due radianze spettrali varia proporzionalmente alla temperatura. Questo principio di misura consente all'oggetto di misura di essere più piccolo del campo di misura. A differenza di un pirometro monocanale, la temperatura corretta viene comunque determinata per un oggetto di misura caldo di fronte a uno sfondo freddo.

A differenza della soluzione descritta in precedenza con una lente cilindrica, il campo di misura rettangolare del nuovo pirometro panoramico è realizzato da un'apertura di alta precisione posizionata nel ramo di misura del rilevatore tra l'apertura (3) e lo specchio deflettore con sensore (4) (Fig. 2). In questo modo si risolvono due problemi fondamentali. Il dispositivo non richiede una lente di forma speciale e l'oggetto da misurare viene visualizzato a fuoco come di consueto nell'avvistamento attraverso la lente o sull'immagine del monitor nei dispositivi con videocamera integrata.

Un altro vantaggio di questo innovativo design ottico è che i segni del campo di misura nel mirino o sul monitor vengono visualizzati correttamente sia nella posizione esatta che nelle dimensioni reali del campo di misura rettangolare. Questo è l'unico modo per controllare e garantire il corretto allineamento dei dispositivi.

Durante lo sviluppo del pirometro panoramico è stato necessario risolvere un'altra sfida ottica. A causa di errori di imaging ottico e di una distribuzione disomogenea della sensibilità sulla superficie di misura, i pirometri a rapporto hanno di solito la caratteristica che la posizione dell'oggetto di misura nel campo di misura ha una notevole influenza sulla temperatura misurata. Ai margini del campo di misura, l'indicazione può aumentare di oltre 30 °C con una temperatura dell'oggetto di 1000 °C (Fig. 3).

Le fluttuazioni nell'indicazione della temperatura possono verificarsi anche con i pirometri a rapporto convenzionali se il diametro dell'oggetto di misura cambia per motivi di produzione e il campo di misura viene quindi riempito in modo diverso.

Per ridurre al minimo questo effetto fisico, sono state sviluppate lenti di precisione per le ottiche che hanno proprietà di imaging costantemente buone su tutta la superficie dell'apertura di ingresso (aberrazione sferica minima). Inoltre, le lenti presentano un errore di colore longitudinale minimo (aberrazione cromatica) per ottenere un'immagine ugualmente nitida per entrambe le lunghezze d'onda di misurazione e per la gamma visibile. Inoltre, la realizzazione del pirometro panoramico ha richiesto lo sviluppo di un setup ottico composto da aperture di precisione e sensori di alta qualità. Di conseguenza, il nuovo pirometro panoramico fornisce un valore di misura costante indipendentemente dalla posizione e dal diametro di un filo nel campo di misura, ad esempio.

Il design modulare dei componenti ottici ed elettrici fa sì che il pirometro panoramico possa essere dotato anche di diverse lenti intercambiabili focalizzabili. Inoltre, è possibile avvitare diverse lenti di fissaggio nella filettatura anteriore della rispettiva lente per ridurre il campo di misura. In questo modo si ottengono numerose varianti di imaging ottico sia per quanto riguarda la distanza di misurazione desiderata sia per quanto riguarda le dimensioni del campo di misurazione richiesto (Fig. 4). Ad esempio, è possibile rilevare anche fili di diametro pari a 0,1 mm.

L'allineamento ottico di un pirometro su un piccolo oggetto di misura o su una grande distanza di misura richiede una meccanica di alta qualità per la regolazione. È evidente che un dispositivo con un punto di misura rettangolare è molto più facile da allineare in queste condizioni (Fig. 5). Questo vantaggio è particolarmente evidente con un pirometro portatile se l'operatore tiene il dispositivo in mano durante il puntamento, poiché l'ampiezza del campo di misura rettangolare è da 2 a 3 volte superiore a quella di un dispositivo analogo con campo di misura rotondo. Ciò garantisce una manipolazione e un rilevamento della temperatura più sicuri.

Nei processi produttivi in cui la posizione e le dimensioni dell'oggetto caldo possono cambiare o nei sistemi di trattamento termico in cui la zona di riscaldamento sul pezzo oscilla, il pirometro panoramico offre una maggiore affidabilità operativa ed è molto più facile da allineare. Poiché un campo di misura rettangolare è più ampio di un campo di misura rotondo con la stessa area, il rischio che il punto caldo si sposti dal campo di misura è notevolmente ridotto.

Un esempio tipico è la produzione di tubi senza fine in cui il materiale viene piegato e saldato insieme. Il materiale viene riscaldato con una bobina a induzione. La posizione del piccolo punto di saldatura può fluttuare, cosicché con i dispositivi convenzionali il cordone di saldatura può talvolta trovarsi al di fuori del campo di misura e la misurazione non è più possibile (Fig. 6).

Nella produzione di bottiglie di vetro, la posizione e la forma della goccia di vetro al taglio cambiano. Anche in questo caso, un pirometro panoramico offre una maggiore affidabilità di misura. Anche l'influenza della temperatura del materiale e il colore del vetro parzialmente trasparente giocano un ruolo importante. Questa influenza è notevolmente ridotta dal metodo di misurazione del quoziente del pirometro panoramico.

Nei sistemi di trafilatura, il filo viene poi sottoposto a un trattamento termico. Il filo passa attraverso una bobina di induzione ad alta velocità. L'oscillazione del filo tra i rulli di guida è inevitabile. Nel caso di fili sottili, la fluttuazione può essere pari a diverse volte il diametro del filo. In queste condizioni, è quasi impossibile effettuare una misurazione precisa.

La misurazione manuale senza contatto della temperatura del metallo fuso durante la colata nello stampo viene effettuata da una distanza di sicurezza. Con un dispositivo convenzionale con un campo di misura rotondo, è difficile allineare il pirometro con il getto di colata, soprattutto perché la posizione del getto può cambiare a seconda dell'angolo di inclinazione della siviera. Un dispositivo con campo di misura rettangolare è molto più facile da gestire (Figura 7).

La misurazione della temperatura degli oggetti più piccoli, come un filamento o un elemento riscaldante in un tubo a raggi X, pone i massimi requisiti ottici ai dispositivi. In passato, tali applicazioni potevano essere risolte solo con i cosiddetti pirometri a confronto di intensità. Con questi dispositivi, la temperatura viene misurata manualmente dall'operatore confrontando visivamente la radianza di un radiatore di riferimento interno e l'oggetto da misurare.

La difficoltà nell'utilizzo di dispositivi di misura elettronici risiedeva nell'allineamento meccanico dei dispositivi agli oggetti estremamente piccoli da misurare. Tali compiti di misurazione possono essere risolti molto più facilmente con il pirometro panoramico.

A causa del principio di misura del quoziente, il campo di applicazione è limitato ad applicazioni con temperature superiori a 600 °C. Un ulteriore limite è il grado di illuminazione parziale fino al quale il pirometro a rapporto è ancora in grado di formare un valore di misura riproducibile.

Questo valore dipende, tra l'altro, dall'emissività dell'oggetto di misura e dalla temperatura assoluta. All'inizio del campo di misura, un pirometro a rapporto può già fornire un valore di misura affidabile se l'energia radiante è pari al 10% della radianza di un radiatore a corpo nero alla stessa temperatura. Con l'aumento della temperatura di misura, è ammessa un'attenuazione del segnale ancora maggiore. L'attenuazione è influenzata dall'emissività, dal grado di illuminazione parziale, dalla forma dell'oggetto da misurare e dalle ostruzioni visive come vapore, polvere e fumo presenti nel campo di misura. Si prende come esempio un filo d'acciaio con un'emissività di 0,6. Nel caso di un oggetto di misura rotondo, si deve anche tenere conto del fatto che la radiazione rilevata dal pirometro viene in parte emessa con un angolo molto piatto. Il fattore di sicurezza di 1,5 è quindi incluso come approssimazione. Il grado di illuminazione parziale, l'ampiezza del campo di misura e la distanza massima di misurazione possono essere calcolati con le seguenti formule.

Grado di illuminazione parziale = (intensità minima del segnale analizzabile ÷ emissività) × fattore di sicurezza

In relazione all'esempio precedente, il campo di misura deve essere pieno almeno per il 10 % ÷ 0,6 × 1,5 = 25 % affinché il pirometro possa determinare un valore di misura. L'intensità del segnale, come indicazione dell'affidabilità del valore misurato, può essere visualizzata sul display del pirometro.

Per un diametro del filo di 5 mm, ciò si traduce in una larghezza massima del campo di misura di 5 mm ÷ 0,25 = 20 mm per l'inizio del campo di misura.

Con un pirometro panoramico, la risoluzione ottica è specificata dal rapporto di distanza (distanza di misura ÷ dimensione del campo di misura) per la larghezza DW (larghezza) e per l'altezza DH (altezza). Basandosi su un rapporto di distanza, ad esempio DW = 40 : 1, si ottiene una distanza di misura massima di 40 × 20 mm = 800 mm. Oppure, per una distanza di misurazione prevista di 500 mm, ad esempio, è necessario utilizzare un obiettivo con un rapporto di distanza DW ≥ 500 mm ÷ 20 mm, cioè ≥ 25 : 1, in modo che il campo di misurazione sia sufficientemente illuminato dall'oggetto da misurare.

Il pirometro panoramico può anche essere utilizzato in modo che il campo di misurazione sia allineato longitudinalmente all'oggetto. Ciò consente al pirometro di catturare un'area più ampia dell'oggetto da misurare rispetto a un dispositivo con campo di misura circolare, in modo da poter essere utilizzato per fili con un diametro a partire da 0,1 mm.

I dispositivi con ottica panoramica sono disponibili per la serie di dispositivi fissi CellaTemp PA e per la serie portatile CellaTemp PT. Entrambe le versioni sono dotate di una visiera trasparente per l'allineamento e la messa a fuoco del dispositivo. Il CellaTemp PA fisso è disponibile in alternativa con una videocamera a colori. Ciò consente di monitorare in ogni momento l'allineamento e il campo visivo dell'oggetto sul monitor del centro di controllo. Oltre alla marcatura del campo di misura, anche il valore misurato e il numero del punto di misura vengono trasmessi tramite il segnale video e visualizzati sullo schermo del monitor. Grazie alla speciale funzione TBC (Target Brightness Control) della telecamera, l'intensità viene registrata solo nel campo di misura per il controllo dell'esposizione e non sull'intero campo visivo della telecamera, come avviene di solito. Ciò significa che un piccolo bersaglio caldo su uno sfondo freddo viene visualizzato nell'immagine del monitor con una luminosità ottimale e senza sovraccaricare il bersaglio.

Sono ora disponibili anche due versioni della serie di pirometri compatti CellaTemp PKL con ottica panoramica (Fig. 8). I dispositivi sono dotati di una luce pilota a LED per controllare l'allineamento. Poiché la luce illumina non solo la posizione ma anche l'effettiva ampiezza del campo di misura, il dispositivo può essere allineato con estrema facilità e precisione all'oggetto da misurare.

Per i processi termici e le temperature superiori a 600 °C, il nuovo pirometro panoramico è chiaramente superiore ai precedenti dispositivi con campo di misura rotondo, se l'allineamento è difficile su oggetti piccoli o a grandi distanze di misura o se l'hot spot, cioè il punto caldo da rilevare, non è fisso. I costi aggiuntivi di circa il 25% sono sicuramente ben spesi grazie alla maggiore affidabilità operativa.