비접촉식 온도 측정의 실제 측정 오류

고온계라고도 하는 비접촉식 온도 측정은 많은 온도 측정 실무자들이 회의적인 시각으로 바라보고 있습니다. 제조업체의 기술 데이터에 따르면 고온계는 매우 정확하고 정밀한 측정 장치입니다. 용도에 적합한 고온계를 올바르게 선택하는 것 외에도 재료의 특성과 현장의 환경적 영향을 고려하는 것이 특히 중요합니다.

올바른 사용을 통해 측정 오류를 피할 수 있습니다. 가장 일반적인 오류 원인과 오류를 줄이는 방법은 아래에 설명되어 있습니다.

고온계는 물체가 방출하는 열 복사를 측정합니다. 물체가 방출하는 적외선은 물체의 재질과 표면 특성에 따라 달라집니다. 이 복사 속성은 방사율 ε로 설명됩니다. 정확한 온도 측정을 위해서는 장치에서 방사율을 설정해야 합니다. 방사율을 잘못 설정하면 상당한 오류가 발생할 수 있습니다. 그림 1은 장치에 방사율이 90%가 아닌 80%로 설정된 경우 파장에 따른 세 가지 측정값에 대한 온도 편차(ΔT)를 보여줍니다. 이 오차는 측정 파장이 길어지거나 온도가 높아질수록 증가합니다. 따라서 원하는 측정 범위에 사용할 수 있는 가능한 가장 짧은 파장 범위를 선택해야 합니다.

특히 방사율을 알 수 없거나 변동이 심한 금속 표면을 측정할 때는 더 짧은 측정 파장을 선택하면 측정 오차를 크게 줄일 수 있습니다. 금속의 방사율은 파장이 짧을수록 증가합니다. 동시에 방사율을 잘못 설정하면 오차의 영향도 줄어듭니다.

고온계는 물체의 시야가 선명할 때 최적의 조건이 적용됩니다. 고온계의 빔 경로에 먼지, 가스, 연기, 보호 유리 또는 불투명 물질과 같은 매체가 있으면 물체의 온도 복사가 감소합니다.

예를 들어, 전송 손실을 알고 있는 경우. 예를 들어 보호 유리를 통해 측정할 때(τ=0.95)와 같이 전송 손실을 알고 있는 경우, 장치의 방사율을 조정하여 보정할 수 있습니다.

_εdevice= _εobject- _τbeam경로

_εdevice = 장치에 설정할 방사율
_εobject = 물체의 방사율
_τbeam 경로 = 빔 경로에서 물체의 투과율

시간이 지남에 따라 렌즈나 보호창에 먼지, 기름 또는 기화된 물질이 쌓이면 더 큰 문제가 됩니다. 그러면 고온계는 오염이 증가함에 따라 더 낮은 온도를 측정합니다. 따라서 렌즈를 정기적으로 청소해야 합니다. 에어 퍼지 장치는 청소 주기를 연장합니다. 최근에는 오염도 표시기가 통합된 고온계도 시중에 출시되고 있습니다. 렌즈가 더러워지면 알람 신호가 발생합니다.

표시되는 물체 온도의 결정적인 요소는 고온계의 감지기에 닿는 복사 전력 ΦΣ입니다_.

다음 공식에 따르면 측정 대상의 방출 성분 외에도 주변 복사의 반사 및 투과 성분으로 구성된 배경 복사 성분이 포함됩니다.

_ΦΣ= _Φε+ _Φτ+ _Φρ

ε = 측정 표면의 방사율
τ = 측정 대상의 투과율
ρ = 측정 표면의 반사율

배경 복사의 오류 영향은 대상의 방사율이 크고 주변 온도에 비해 대상 온도가 높을수록 감소합니다. 이러한 영향은 예를 들어 연속 용광로 출구에서 고온계를 사용할 때 문제가 됩니다. 광학 장치를 정렬하여 용광로에서 나오는 열 복사가 측정 대상 물체 표면에 반사되지 않도록 하면 측정 오차를 줄일 수 있습니다. 백열등, 복사 히터 또는 레이저와 같은 적외선 범위의 방사선원은 때때로 강한 적외선을 발생시키며, 이는 실제로는 과소평가됩니다.

차단 필터가 있는 장치는 특히 레이저 응용 분야에서 고에너지 레이저 복사가 매우 낮은 적외선에 미치는 영향을 방지하기 위해 사용할 수 있습니다.

광학 부품 및 하우징 부품의 산란광과 반사, 빛의 파동 특성으로 인한 회절로 인해 감지된 방사선의 일부가 지정된 측정 필드 외부의 센서에 도달할 수 있는 광학 장치의 이미징 오류를 의미합니다. 광학 장치는 측정 필드 외부에서 방사선의 일부를 수신합니다. 이러한 광학의 영향을 "광원 크기 효과"라고 합니다. 제조업체는 반사 방지 광학 부품을 사용하고 장치에서 반사를 방지하여 광학 이미징 오류를 신중하게 수정함으로써 이 영향을 최소화할 수 있습니다. 고품질 광학 부품은 이러한 오류의 영향을 줄여줍니다. "광원 효과의 크기"는 광학의 초점에서 가장 작습니다. 따라서 초점 광학이 장착된 고온계에서는 측정 거리를 올바르게 설정하면 이 효과를 크게 줄일 수 있습니다.

광학 오차는 물리적 이유로 파장에 따라 증가합니다. 이러한 이유로 장파장 측정 장치와 측정 범위가 낮은 장치에서는 광학 오차 보정에 더 많은 노력이 필요합니다. 이는 실온부터 측정하는 저가형 고온계의 경우 표시되는 측정값이 선택한 측정 거리에 따라 크게 달라진다는 점에서 부정적인 영향을 미칩니다.

물체가 고온계의 측정 지점보다 훨씬 크고 면적이 거의 동일한 온도 수준이라면 이 영향을 거의 무시할 수 있습니다. 그렇지 않은 경우에는 초점을 맞출 수 있고 물체와 정확히 정렬되는 광학 장치를 사용하여 오차를 줄일 수 있습니다. 고온계의 정확한 정렬을 위해 파일럿 라이트, 렌즈 투시창 또는 통합 비디오 카메라를 사용하는 것이 좋습니다.

비율 고온계를 사용하면 서로 다른 두 스펙트럼 범위의 복사 밀도 비율을 분석할 수 있습니다. 단순화하면 다음 공식이 두 개의 중심 파장 _{λ1과 λ2로} 측정된 온도에 적용됩니다.

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

_TM = 측정 표면의 방사율
_TW = 측정 대상의 투과율
_C2 = 측정 표면의 반사율

두 파장에 대해 방사율 _{ε1과 ε2가} 동일하면 측정된 온도는 물체 온도에 해당합니다. 따라서 몫 고온계는 방사율 _{ε1과 ε2가} 동일하다면 표면의 방사율과 독립적으로 측정합니다. 이론적으로 몫 고온계는 측정 대상의 방사율이 변동하는 경우 권장됩니다. 그러나 실제로는 각 용도에 따라 다르며 거의 적용되지 않습니다. 비율 형성으로 인해 두 측정 파장의 방사율이 변동하고 다른 경우 비율 고온계의 측정 오차가 스펙트럼 고온계보다 훨씬 더 클 수 있습니다. 특히 금속, 특히 비철금속은 파장에 따라 방사율이 변화하는 특성을 보입니다.

반면에 먼지, 증기 또는 연기와 같은 투과 손실은 종종 방사선 강도의 균일한 감쇠를 유발합니다. 스펙트럼 고온계에 비해 비율 고온계의 측정값은 이러한 조건에서 일정하게 유지됩니다.

혁신적인 비율 고온계를 사용하면 스펙트럼 파장과 비율 온도 모두에서 온도를 동시에 측정하고 계산할 수 있습니다. 따라서 시운전 중에 스펙트럼 고온계를 사용한 측정과 비율 고온계를 사용한 측정 중 전체 측정 범위에 대해 더 재현 가능하고 정확한 측정 값을 제공하는지 여부를 결정할 수 있습니다.