비율 고온계

몫 고온계 는 오늘날 적외선 온도계 응용 분야에서 없어서는 안 될 필수품이 되었습니다. 다음 문서에서는 몫 고온계의 물리적 원리, 장점, 기능 및 분석 가능성과 한계에 대해 설명합니다. 일반적인 적용 분야는 실제 응용 분야를 기준으로 제시됩니다.

비율 고온계는 두 가지 파장 범위에서 측정 대상의 열 복사를 감지합니다. 두 분광 복사 φ의 몫은 온도에 거의 비례하여 변화합니다. 두 파장에 대한 측정 표면의 각 방사율 ε은 스펙트럼 복사와 연관되어 있습니다(그림 1).

측정 표면 방사율의 파장 의존적 영향을 최소화하기 위해 서로 가까운 파장 범위가 선택됩니다. 다른 한편으로, 이는 두 방사 밀도가 거의 다르지 않다는 것을 의미합니다. 거의 동일한 두 값의 몫은 물체 온도에 따라 아주 약간만 변합니다. 따라서 몫 고온계의 측정 가능한 최소 온도는 약 300°C로 제한됩니다. 이러한 작은 신호 변화를 분석하기 위해서는 큰 증폭이 필요합니다. 따라서 센서, 전자 증폭기 및 A/D 컨버터의 품질은 높은 신호 대 잡음비 또는 작은 NETD(노이즈 등가 온도 차이)를 달성하여 정확한 측정에 필요한 높은 온도 분해능을 달성하기 위해 최고 수준의 표준을 충족해야 합니다. NETD를 확인하려면 응답 시간이 가장 짧은 측정 범위의 시작 부분에서 장치를 작동하고 측정 신호의 안정성을 확인합니다.

몫 측정 방법의 가장 큰 장점은 파장과 무관한 신호 감쇠로 정확한 온도를 측정할 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 투시창이 더러워지거나 고온계의 시야에 증기, 연기 및 먼지가 있어 신호가 감소하더라도 몫과 표시 온도는 일정하게 유지됩니다.

두 파장에 대해 방사율 ε1 = ε2(회색 방열기)가 동일하면 방정식에서 방사율 항이 감소하고 몫 고온계는 측정 대상의 방사율에 관계없이 실제 온도를 표시합니다. 측정 대상의 방사율이 두 파장 범위에서 같은 정도로 변하더라도 측정 결과에는 영향을 미치지 않습니다. 두 방사율의 일정한 차이로 인한 실제 온도와의 편차는 고온계의 방사율 비율을 조정하여 보정할 수 있습니다.

그러나 표면 또는 온도에 따라 소위 유색 라디에이터에서 측정하는 동안 방사율이 두 파장에 대해 다르게 변하는 경우 비율 고온계는 어떻게 작동할까요?

투시창의 투과율이 얇은 층 침전물(예: 유막 또는 증기 침전물)로 인해 파장에 따라 달라지는 경우 동일한 선택적 효과가 발생합니다. 표 1의 세 가지 예는 스펙트럼 및 지수 측정 방법에 대한 방사율 의존적 감쇠의 서로 다른 영향을 명확하게 보여줍니다.

표 1의 세 가지 예는 방사율 의존적 감쇠가 측정 대상의 방사선 특성과 완전히 독립적이지 않다는 것을 보여줍니다. 방사율이 ε = 1인 "흑체"의 온도 800°C와 관련하여 플랑크의 복사 법칙은 λ1 = 0.95μm 및 λ2 = 1.05μm의 몫 고온계에 대해 파장 관련 방사율의 변화가 다른 다음과 같은 온도 값을 산출합니다(표 1 참조).
).

보호 유리(1)의 스펙트럼 온도 감소를 명확하게 볼 수 있습니다. 반면, 지수는 거의 일정하게 유지됩니다. 품질이 떨어지는 접합 유리(2)의 경우 스펙트럼 값이 훨씬 더 급격하고 다양한 정도로 떨어집니다. 이는 또한 지수에 대한 상당한 측정 편차로 이어집니다.

따라서 지수 고온계를 사용하면 투시경을 통해 측정할 때 투시경이 고온계의 파장 범위에서 중성 투과 곡선을 갖는지 확인하는 것이 필수적입니다. 이는 측정하는 동안 고온계 앞에 디스크를 대면 매우 쉽게 확인할 수 있습니다. 몫 온도가 크게 변하지 않아야 합니다.

비율 고온계의 또 다른 주요 장점은 측정 대상도 측정 필드보다 작을 수 있다는 것입니다. 분광 고온계는 전체 측정 필드 내에서 방사선의 평균값을 기록하기 때문에 측정 대상은 항상 측정 필드보다 커야 합니다. 그렇지 않으면 차가운 배경 앞에 있는 작은 측정 물체는 항상 너무 낮은 온도를 측정하게 됩니다.

비율 고온계의 측정 필드가 측정 대상 물체에 의해 완전히 비춰지지 않으면(부분 조명 효과) 적외선의 중성 감쇠로 작용합니다. 이러한 이유로 비율 고온계는 물체가 고온계의 측정 필드보다 최대 80% 작아도 정확한 측정값을 제공합니다. 최소 부분 조명의 정도는 방사율과 측정 대상의 온도에 따라 달라집니다. 이상적으로는 측정 필드에서 물체의 위치는 임의적이어야 하며 표시되는 온도 값에 영향을 미치지 않아야 합니다. 그러나 이 점에서 시중에 나와 있는 온도계는 품질에 큰 차이가 있습니다. 광학 설계가 단순하고 대물 렌즈의 광학 수차 보정이 낮으며 감도 분포가 불균일한 고온계의 경우, 예를 들어 핫 와이어가 측정 필드 가장자리에 있는 경우 일정한 물체 온도에서 측정값을 최대 20~30°C까지 높일 수 있습니다(그림 5).

작은 물체를 측정할 때 비율 고온계는 광학 정렬과 정확한 초점에 훨씬 덜 민감하게 반응한다는 또 다른 이점이 있습니다. 반면, 분광 고온계는 측정 대상이 측정 필드보다 약간 큰 경우 측정 오류를 방지하기 위해 측정 대상에 매우 정밀하게 정렬하고 초점을 맞춰야 합니다.

다음 측정 곡선(그림 6)은 직경 Ø8mm의 물체에 측정 필드가 Ø8mm인 비율 고온계를 사용하여 기록했습니다. 동시에 스펙트럼 온도도 기록했습니다. 고정 초점 거리는 500mm(측정 지점 1)였습니다. 그런 다음 측정 거리를 250mm(측정 지점 2)로 줄였습니다. 디포커싱은 몫 온도에 약간의 영향만 미치는 반면, 스펙트럼 온도는 약 20°C 정도 편차를 보였습니다. 그런 다음 측정 거리를 1000mm(측정 지점 3)로 설정했습니다. 고온계의 측정 필드는 측정 대상 물체보다 두 배 더 큽니다. 다시 말하지만, 몫 온도는 거의 같은 수준으로 유지됩니다. 반면에 스펙트럼 값은 디포커싱과 부분 조명으로 인해 급격히 떨어집니다.

롤 스탠드에서 시트와 슬래브의 온도를 측정할 때 극한 조건으로 인해 스펙트럼 또는 지수 중 어떤 측정 방법을 권장해야 하는지에 대한 문제가 반복해서 발생합니다(그림 7).

설계 및 열 공학적 이유로 이 장치는 수 미터의 넓은 측정 거리에 장착됩니다. 예를 들어 광학 분해능이 100:1인 표준 광학 장치를 사용하면 20미터 거리에서 측정 필드 직경이 200밀리미터가 됩니다. 스케일로 인해 슬래브의 온도 분포는 매우 불균일합니다. 분광 고온계를 사용하면 측정 필드에서 수신된 총 복사의 평균값으로부터 온도가 결정됩니다. 따라서 측정값은 온도 분포와 눈금에 따라 달라집니다. 슬래브가 롤러 테이블 위에서 움직일 때 신호가 필터링되지 않으면 측정값이 변동될 수 있습니다. 따라서 고온계 제조업체는 이러한 조건에서 가능한 최소한의 측정 필드를 얻기 위해 200 : 1 이상의 매우 높은 광학 분해능을 가진 고온계를 사용할 것을 권장합니다. 최대값 메모리는 스케일이 없는 지점에서 가장 높은 온도를 기록하는 데 사용됩니다.

그렇다면 비율 고온계는 측정 필드의 불균일한 온도 분포에 어떻게 반응할까요? 비율 고온계의 동작은 불균일한 온도 분포에서 더 복잡해집니다. 이는 "핫스팟"의 전체 면적과 측정 필드에서 핫스팟과 콜드스팟 사이의 온도 차이에 따라 달라집니다. 위에서 설명한 부분 조명 효과로 인해 고온 영역과 저온 영역 사이에 200°C 이상의 상당한 온도 차이가 있는 경우 비율 고온계는 측정 필드에서 가장 뜨거운 지점의 온도를 결정합니다.

슬래브에서 측정할 때 스케일로 인해 측정 필드에 여러 개의 핫스팟이 발생할 수 있습니다. 온도 차이가 작은 경우 비율 고온계는 수신된 복사의 평균값으로부터 온도를 결정합니다. 따라서 최대값 감지를 통해 불균일성의 영향을 최소화하려면 비율 고온계에 광학 해상도가 높고 이미징 품질이 우수한 장치를 사용하는 것이 좋습니다.

열간 압연 공정 중에 수증기 및 오염이 예상되는 경우 비율 고온계를 사용하는 것이 바람직합니다. 비율 고온계의 오염 모니터링을 사용하여 측정값 수집의 작동 신뢰성을 높일 수도 있습니다.

뜨거운 용광로 내부의 차가운 물체의 온도를 측정하는 문제는 종종 논의됩니다. 냉간 단조 부품은 가열을 위해 뜨거운 용광로에 배치되거나 냉간 슬래브는 푸셔 용광로의 다양한 가열 구역을 통과합니다. 고온로 벽의 높은 배경 복사로 인해 측정된 물체에 반사되어 고온계에서도 감지되므로 고온계는 항상 너무 높은 온도를 나타냅니다. 공작물의 온도가 용광로 온도에 가까울수록 간섭 효과는 낮아집니다. 배경 방사선을 제거하는 가장 효과적인 솔루션은 수냉식 투시 튜브를 사용하는 것입니다. 그러나 이는 높은 투자 및 영구적인 운영 비용과 관련이 있습니다. 또한 용광로 내부에 거의 공작물까지 연장되는 튜브를 설치하는 것은 구조적인 이유로 어렵거나 불가능할 수 있습니다.

이러한 이유로 측정이 어느 정도 부정확할 수 있다는 것을 잘 알면서도 조준 튜브 없이 장치를 사용하는 경우가 많습니다. 열전대 또는 두 번째 고온계를 사용하여 방사선 배경의 온도를 별도로 측정하고 고온계에서 반사된 간섭 복사를 계산으로 보정하면 배경 복사의 영향을 줄일 수 있습니다. 이 보정은 특히 물체의 방사율이 작거나 변동하거나 정확하게 알 수 없는 경우 불확실성이 있을 수 있습니다.

방사율의 영향을 최소화하기 위해 물리적 이유로 금속 물체에 "가능한 한 단파장으로 측정"이라는 경험 법칙이 적용되는 경우, 뜨거운 대기에서 차가운 물체를 측정할 때 이 고려 사항은 정반대입니다.

배경 복사는 긴 파장을 측정하는 장치에 덜 영향을 미칩니다. 반면, 파장 스펙트럼 감도가 길수록 금속의 방사율 ε는 작아지고 따라서 반사율 σ는 커집니다(ε + σ = 1). 이는 결국 방사율 변화에 따른 고온로 방사선의 간섭 영향의 더 큰 의존성으로 이어집니다. 따라서 제조업체는 여기에서 최상의 타협점을 찾기 위해 스펙트럼 감도가 1~2μm 범위인 장치를 사용할 것을 권장합니다.

이것은 또한 뜨거운 대기에서 차가운 물체를 측정할 때 비율 고온계가 어떻게 작동하는지에 대한 의문을 제기합니다. 기본적으로 비율 고온계는 스펙트럼 고온계와 비슷한 방식으로 작동합니다. 물체와 용광로 벽에서 반사되는 복사를 모두 감지합니다. 비율 고온계는 투시창이 더럽거나 먼지와 연기가 고온계의 시야에 있는 경우 덜 민감하게 반응합니다. 변화하는 방출 수준에 대한 반응은 현지 조건에 따라 크게 달라지므로 추정하기 어렵습니다. 모든 분석을 수행할 수 있도록 시운전 중 또는 영구적으로 몫 온도와 스펙트럼 온도를 동시에 기록하고 평가하는 것이 좋습니다. 최신 몫 고온계는 이를 위해 두 개의 아날로그 출력을 제공하므로 몫과 스펙트럼 온도의 측정값을 컨트롤러에서 직접 기록할 수 있습니다. 몫 고온계의 또 다른 장점은 측정 대상의 방사 특성을 나타내는 신호 강도를 분석할 수 있다는 점입니다(그림 8).

비율 고온계는 먼지, 증기 및 연기로 인한 극한의 측정 조건으로 인해 측정 기술 및 안전 측면에서 발전소 및 연소 플랜트에서 사용하기에 유리합니다. 고온계는 측정 필드에 있는 물체의 방사선을 감지합니다. 연소 플랜트에서 수신된 에너지는 공기 흐름의 뜨거운 입자와 반대쪽 벽에서 모두 방출됩니다. 측정값은 입자의 밀도, 온도 분포의 불균일성 및 반대쪽 벽의 온도에 따라 달라집니다. 열교환기 파이프로 인해 벽이 공기 흐름의 입자보다 훨씬 차가울 경우, 분광 고온계는 너무 낮은 온도를 기록하고 평균화로 인해 부하 조건에 따라 변동합니다. 여기서 부분 조명 효과와 최대값 감지 측면에서 비율 고온계의 장점이 다시 한 번 발휘됩니다. 따라서 일반적으로 사용되는 열전대와 비교했을 때, 비율 고온계는 마모나 노화에 따른 편차가 발생하지 않기 때문에 진정한 대안이 될 수 있습니다. 그러나 몫 고온계는 시야의 화염에 매우 민감합니다. 설치 위치를 선택할 때 이 점을 고려해야 합니다.

신호 강도를 표시하여 측정의 신뢰성을 확인할 수 있습니다. 직경 20~30mm, 벽 두께 200~400mm의 작은 용광로 개구부가 있는 경우가 많기 때문에 측정 필드의 수축을 피하기 위해 이미징 특성이 우수한 고해상도 광학 장치를 사용해야 합니다. 또한 기하학적 축과 광학 축이 동일해야 하므로 장치가 '곁눈질'을 하지 않도록 시차가 없어야 합니다. 필요한 장비와 설치 위치의 접근성에 따라 시운전 및 작동 중에 쉽고 빠르게 정렬 및 자유 시야를 확인할 수 있도록 투시 렌즈 또는 비디오 카메라 형태의 시력 보조 장치가있는 소형 장치 또는 고온계를 사용합니다.

안전 관점에서 퍼니스 개구부의 과도한 오염 또는 과도한 성장시 자동으로 경보를 생성하기 위해 비율 고온계의 오염 모니터링 사용도 권장됩니다.

볼트는 가열로를 통과한 후 피팅에 압착됩니다. 일관된 품질을 얻으려면 온도를 제어해야 합니다. 유도 가열 시스템에서 고온계는 일반적으로 유도 가열로 바로 뒤에서 안전한 거리에서 통과하는 공작물의 온도를 밀리초 단위로 측정하는 데 사용됩니다. 온도는 공정 제어 및 온도가 허용 범위를 벗어난 빌릿을 선별하기 위한 제어 변수로 사용됩니다(그림 9).

스펙트럼 및 비율 고온계는 모두 온도를 측정하는 데 사용됩니다. 이 장치는 600~1200mm의 먼 거리에 장착됩니다. 렌즈 투과형 광학 장치 또는 파일럿 라이트 형태의 시력 보조 장치는 필수 요건입니다. 이는 광학적 영향으로 인한 측정 오류를 최소화하기 위해 올바른 초점 거리와 정확한 정렬을 설정하는 유일한 방법입니다.

특히 초점 거리가 고정된 장치의 경우 기계 설계상 항상 정확하게 유지될 수 없습니다. 장치가 영구적으로 장착되어 있고 볼트 직경이 변하면 측정 거리가 변경되어 장치가 초점 거리에서 작동하지 않는 경우가 있습니다.

초점 조절이 가능한 광학 장치가 있는 장치의 경우, 실제로 측정 거리가 올바르게 설정되지 않는 경우가 많습니다. 볼트 직경을 변경하여 재조정하는 경우가 거의 없기 때문에 이러한 장치는 초점 밖에서도 반복적으로 사용됩니다.

비율 고온계는 측정 거리, 볼트 직경의 변화에 훨씬 덜 민감하게 반응하거나 처음에 설명한 대로 초점 범위 밖에서 장치를 작동할 때 특정 한계까지 반응하므로 분광 고온계에 비해 이러한 응용 분야에 유리합니다.

따라서 a) 거리에 크게 구애받지 않고 신뢰할 수 있는 측정과 b) 간단한 정렬 점검이라는 측정 작업의 두 가지 필수 요건을 최적으로 충족하기 위해 파일럿 라이트가 있는 소형 비율 고온계(그림 10)를 사용하는 것이 좋습니다.

300°C 이상의 온도를 사용하는 생산 공정의 경우, 앞서 설명한 장점을 갖춘 비율 고온계는 환경과 설계상 신뢰할 수 있고 안정적인 측정값을 얻기 위한 대안 이상의 역할을 합니다. 비슷한 기능을 갖춘 분광 고온계에 비해 약 30%의 추가 가격은 수작업 검사 노력 감소와 결함 부품 생산 감소로 빠르게 회수할 수 있는 비용입니다. 증기, 먼지, 분진이 많은 극한의 측정 조건에서는 비율 고온계의 계측적 이점이 분명하게 드러납니다. 측정 대상의 방사율이 변할 수 있는 어플리케이션의 경우, 비율 측정 방법을 사용할 때 측정의 신뢰성을 확인하는 것이 좋습니다.

장치 제조업체는 공정 신뢰성을 높이고 추가 온도 정보에서 통찰력을 얻기 위해 비율 고온계의 추가 보호 및 분석 옵션을 활용할 것을 권장할 수만 있습니다.