Variabili d'influenza ottica

La misurazione della temperatura senza contatto si basa su un metodo di misura ottico. Le proprietà ottiche di un pirometro hanno un'influenza notevole e spesso sottovalutata sull'accuratezza della misura. In molti casi, quando si verifica l'incertezza di misura si confrontano solo i parametri specificati nella scheda tecnica. Tuttavia, un'ottica semplice, selezionata in modo errato o regolata in modo errato può causare errori di misura molto gravi. La seguente relazione illustra i principi e gli effetti degli errori di imaging ottico e le specifiche dei parametri ottici dei pirometri. Presenta un modo in cui l'utente stesso può controllare la qualità delle ottiche del pirometro.

Aberrazione sferica (errore di apertura)
I raggi luminosi che entrano in prossimità del bordo di un obiettivo vengono messi a fuoco a una distanza diversa rispetto ai raggi luminosi che entrano dal centro. Il risultato è un'immagine leggermente sfocata. L'aberrazione sferica può essere ridotta nei sistemi ottici costituiti da più lenti combinando in modo opportuno diverse superfici di lenti.

Aberrazione cromatica (aberrazione cromatica longitudinale)
La lunghezza focale delle lenti dipende dalla lunghezza d'onda. La luce o la radiazione di diversa lunghezza d'onda viene focalizzata in punti diversi. L'immagine di un oggetto appare quindi con bordi colorati intorno all'immagine. L'aberrazione cromatica può essere notevolmente ridotta utilizzando ottiche corrette per due (acromatiche) o tre (apocromatiche) lunghezze d'onda (Fig. 2). I materiali delle lenti sono scelti in modo tale che le aberrazioni delle lenti si compensino a vicenda per due o tre lunghezze d'onda.

Per specificare l'ottica, si indica la dimensione del punto di misura per una certa distanza o il rapporto di distanza, cioè il rapporto tra la distanza di misura e il diametro del campo di misura.

La dimensione del punto di misura dei pirometri si basa su una percentuale fissa dell'energia massima che può essere ricevuta in un semispazio. Il 100% corrisponde a un oggetto di misura infinitamente grande. La dimensione del punto di misura è tipicamente riferita al 90, 95 o 98 % dell'energia massima che può essere ricevuta (Fig. 3).

Se la componente di radiazione è riferita al 95 % anziché al 90 %, si ottiene un campo di misura più ampio. Le informazioni sulle dimensioni del campo di misura sono quindi confrontabili solo se si riferiscono alla stessa percentuale. Alcuni produttori non specificano la percentuale di radiazioni o la definiscono bassa. Di conseguenza, questi produttori fingono un campo di misura molto piccolo nelle schede tecniche, ben sapendo che dovrebbero indicare un valore significativamente più grande se lo avessero definito diversamente. Inoltre, alcuni produttori specificano le dimensioni del campo di misura senza tenere conto delle tolleranze delle lenti.

Nei pirometri si distingue tra dispositivi con ottiche focalizzabili e ottiche a fuoco fisso. Il campo di misura è a fuoco solo alla distanza focale. Se il pirometro viene azionato al di fuori del campo focale, non è più garantita una distribuzione uniforme della radiazione infrarossa sul sensore (Fig. 4).

La radiazione ricevuta attraverso la superficie di misurazione viene quindi rilevata in misura diversa. Le variazioni di temperatura al centro hanno un effetto maggiore rispetto alla zona periferica del campo di misura.

Questo ha un impatto particolare sulla calibrazione del pirometro di fronte a un "corpo nero". L'apertura del forno deve essere diverse volte più grande del campo di misura del pirometro. Per i dispositivi con ottiche semplici e un campo di misura ampio, è necessario utilizzare radiatori estremamente grandi come fonte di calibrazione per ridurre gli errori di misura che possono verificarsi durante la calibrazione. Questa è una delle principali fonti di errore per l'elevata incertezza di misura dei dispositivi a basso costo.

Soprattutto nel caso di oggetti di misura piccoli e solo leggermente più grandi dell'area di misura del pirometro, un'impostazione errata della messa a fuoco può portare a errori di misura significativi. Tuttavia, anche se il pirometro guarda l'oggetto da misurare attraverso aperture, occhiali, pareti del forno o tubi di osservazione, un'ottica mal regolata o una messa a fuoco errata possono portare rapidamente a una costrizione del cono di visione e quindi a misurazioni errate. Se le misure vengono effettuate su oggetti molto più grandi del campo di misura del pirometro, la temperatura visualizzata cambia con un'ottica semplice se cambiano le dimensioni dell'oggetto o la distanza di misura. La Fig. 5 mostra un confronto tra la visualizzazione ridotta del valore misurato per un'ottica di alta qualità e un'ottica semplice in relazione al diametro dell'oggetto di misura. Con un'ottica semplice, il valore misurato si riduce notevolmente al variare delle dimensioni del target. Una variazione della distanza di misura ha lo stesso effetto a parità di dimensioni dell'oggetto. Ciò significa che i dispositivi con ottica semplice visualizzano valori di misura diversi a distanze di misura diverse. Questa fonte di errore deve essere tenuta in considerazione, soprattutto quando si utilizzano dispositivi portatili semplici, che sono certamente utilizzati a distanze diverse. Questo effetto è chiamato effetto dimensione della sorgente (SSE) ed è una fonte di errore più o meno significativa in tutti i pirometri. Le cause sono errori di imaging nell'ottica, luce diffusa e riflessa dai componenti ottici e dalle parti dell'involucro, nonché diffrazione dovuta alla natura ondulatoria della luce. L'effetto di dimensione della sorgente diminuisce con l'accorciarsi della lunghezza d'onda di misurazione. Questa influenza può essere ridotta al minimo correggendo accuratamente gli errori di imaging ottico, utilizzando componenti ottici antiriflesso ed evitando la luce parassita e i riflessi nel dispositivo. Nella pratica, l'utente può ridurre al minimo questo errore concentrandosi con precisione sulla distanza di misura.

A seconda della temperatura, la radiazione infrarossa emessa da un oggetto di misura si colloca nell'intervallo di lunghezze d'onda tra 0,6 e 20 µm, ossia generalmente al di sopra della luce visibile. In primo luogo, ciò significa che l'ottica deve essere corretta per l'intervallo di lunghezze d'onda utilizzato dal pirometro. Se l'utente desidera mettere a fuoco visivamente o se i dispositivi sono dotati di una videocamera come ausilio per l'avvistamento, l'ottica deve essere progettata in modo tale che gli errori di imaging ottico siano corretti allo stesso modo per entrambi gli intervalli di lunghezze d'onda, visibile e infrarosso. Nei dispositivi più semplici, si utilizzano lenti senza correzione del colore o corrette solo per una lunghezza d'onda. In questo caso, i punti focali della radiazione infrarossa e visibile non coincidono (Fig. 2). Se il pirometro viene messo a fuoco tramite il dispositivo di puntamento, non è focalizzato in modo ottimale per la radiazione infrarossa.

Soprattutto quando si utilizza il laser per visualizzare il punto di misura, il punto laser non corrisponde alla distanza di misura con lenti semplici.

Questi errori possono essere eliminati il più possibile solo con sistemi otticamente complessi a due o tre lenti. I pirometri della serie CellaTemp PA, ad esempio, sono dotati di ottiche di precisione di alta qualità con un sistema di lenti antiriflesso a banda larga.

Ciò significa che anche i fili con un diametro di 0,3 mm possono essere misurati correttamente in termini di temperatura.

Le proprietà di imaging di un pirometro possono essere facilmente verificate dall'utente. A tale scopo, il pirometro viene allineato con una sorgente di radiazioni definita.

La dimensione dell'area di radiazione deve essere diverse volte più grande del campo di misura del pirometro. Posizionare ora un diaframma a iride aperto alla distanza focale (a) del pirometro di fronte alla sorgente di radiazioni e utilizzare il pirometro per determinare la temperatura con un'impostazione di emissività di ε = 1 (Fig. 6). È consigliabile effettuare la misurazione alla fine del campo di misura del pirometro, poiché gli errori di misurazione ottica diventano più visibili a temperature più elevate. L'emissività del pirometro deve quindi essere impostata su 0,98, il che comporta un aumento della visualizzazione della temperatura.

Il diametro del diaframma a iride deve quindi essere ridotto finché la temperatura visualizzata non corrisponde nuovamente al valore originale. Il diametro dell'apertura del diaframma a iride corrisponde quindi alla dimensione del campo di misura in relazione al 98% dell'energia di radiazione. Il rapporto con la distanza di misurazione a dà come risultato il rapporto di distanza D = . Questa misurazione deve essere ripetuta per una dimensione del campo di misura del 95 % e del 90 % e il risultato deve essere confrontato con le specifiche della brochure del produttore.

In questo modo è molto semplice verificare e confrontare le effettive proprietà di imaging ottico, compresi gli effetti degli errori delle lenti, di diversi dispositivi.

La Figura 7, ad esempio, mostra i diametri degli oggetti di misura per il 90% e il 95% dell'energia radiante. In relazione al 90%, le differenze nelle dimensioni del campo di misura sono ancora relativamente piccole, con Ø 14 mm per l'ottica semplice e Ø 10,2 mm per l'ottica di alta qualità. Tuttavia, al 95% (Ø 24 mm per l'ottica semplice e Ø 11,5 mm per l'ottica di alta qualità) le cifre sono già molto diverse. Per poter specificare un valore migliore (più piccolo) per il diametro del campo di misura, alcuni produttori preferiscono quindi specificare il valore per un valore di riferimento più piccolo della radiazione (ad esempio, 90 %). In questo modo un semplice sistema ottico sembra essere significativamente migliore di quanto non sia in realtà.

Per i pirometri con luce pilota, videocamera o vista attraverso la lente, il test può essere utilizzato anche per determinare se la distanza del punto focale dal campo di misura e dal campo visivo è identica e se la marcatura del campo di misura corrisponde effettivamente alla posizione e alle dimensioni della superficie di misura del pirometro.

Quando si scelgono i pirometri, oltre a confrontare i parametri metrologici, è necessario confrontare attentamente anche le proprietà ottiche. Poiché purtroppo le informazioni fornite da alcuni produttori nelle loro brochure sono spesso inadeguate, è necessario chiedere in dettaglio come è stato determinato il campo di misura specificato e se gli errori delle lenti e le tolleranze di allineamento sono stati presi in considerazione nelle specifiche. Un confronto tra pirometri diversi è possibile solo se le specifiche ottiche e i valori di riferimento sono identici. In casi critici, è necessario verificare personalmente la qualità e le specifiche delle informazioni contenute nella brochure, come descritto sopra, per essere sicuri. Dopotutto, a cosa serve un pirometro che è specificato con un'incertezza di misura elettrica significativamente inferiore all'1%, mentre l'uso di lenti e configurazioni ottiche semplici comporta errori di misura significativamente maggiori?