광학 영향 변수

비접촉식 온도 측정은 광학 측정 방법을 기반으로 합니다. 고온계의 광학적 특성은 측정 정확도에 큰 영향을 미치며 종종 과소평가되기도 합니다. 대부분의 경우 측정 불확도를 테스트할 때 데이터 시트에 명시된 매개변수만 비교합니다. 그러나 단순히 잘못 선택하거나 잘못 조정된 광학 장치를 사용하면 매우 심각한 측정 오류가 발생할 수 있습니다. 다음 보고서에서는 광학 이미징 오류의 원리와 영향, 고온계의 광학 파라미터 사양에 대해 설명합니다. 또한 사용자가 직접 고온계의 광학 품질을 제어할 수 있는 방법을 제시합니다.

구면 수차(조리개 수차)
렌즈 가장자리 가까이에서 들어오는 광선은 중앙에서 들어오는 광선과 다른 거리에 초점이 맞춰집니다. 그 결과 이미지가 약간 흐려집니다. 구면 수차는 여러 개의 렌즈로 구성된 광학 시스템에서 여러 렌즈 표면을 적절한 방식으로 결합하여 줄일 수 있습니다.

색수차(세로 색수차)
렌즈의 초점 거리는 파장에 따라 달라집니다. 파장이 다른 빛이나 방사선은 서로 다른 지점에 초점이 맞춰집니다. 그러면 물체의 이미지가 이미지 주위에 색이 있는 가장자리로 나타납니다. 색수차는 두 개(아크로맷) 또는 세 개(아포크로맷) 파장에 대해 보정된 광학 렌즈를 사용하면 크게 줄일 수 있습니다(그림 2). 렌즈의 재질은 렌즈의 수차가 두 개 또는 세 개의 파장에 대해 서로 보정하는 방식으로 선택됩니다.

광학 장치를 지정하려면 특정 거리에 대한 측정 지점 크기 또는 거리 비율, 즉 측정 필드 직경에 대한 측정 거리의 비율을 지정합니다.

고온계의 측정 지점 크기는 반 공간에서 수신할 수 있는 최대 에너지의 고정 비율을 기준으로 합니다. 100%는 무한히 큰 측정 대상에 해당합니다. 측정 스폿 크기는 일반적으로 수신할 수 있는 최대 에너지의 90, 95 또는 98%와 관련이 있습니다(그림 3).

방사선 성분이 90%가 아닌 95%와 관련되어 있으면 측정 필드가 더 커집니다. 따라서 측정 필드의 크기에 대한 정보는 동일한 비율을 나타내는 경우에만 비교할 수 있습니다. 일부 제조업체는 방사선 비율을 명시하지 않거나 낮은 비율로 정의합니다. 결과적으로 이러한 제조업체는 데이터 시트에 측정 필드를 다르게 정의했다면 훨씬 더 큰 값을 명시해야 한다는 것을 잘 알면서도 매우 작은 측정 필드를 가장합니다. 또한 일부 제조업체는 렌즈 허용 오차를 고려하지 않고 측정 필드의 크기를 지정합니다.

고온계를 사용하면 초점 조절이 가능한 광학 장치와 고정 초점 광학 장치를 구분할 수 있습니다. 측정 필드는 초점 거리에서만 초점이 맞춰집니다. 고온계가 초점 범위 밖에서 작동하면 센서에서 적외선의 균일한 분포가 더 이상 보장되지 않습니다(그림 4).

그러면 측정 표면을 통해 수신된 방사선이 다양한 각도로 감지됩니다. 중앙의 온도 변화는 측정 필드의 주변 영역보다 더 큰 영향을 미칩니다.

이것은 "흑체" 앞의 고온계 교정에 특히 영향을 미칩니다. 퍼니스의 개구부는 고온계의 측정 필드보다 몇 배 더 커야 합니다. 광학 장치가 단순하고 측정 필드가 큰 장치의 경우 교정 중에 발생할 수 있는 측정 오류를 줄이기 위해 매우 큰 라디에이터를 교정 소스로 사용해야 합니다. 이는 저가형 장치의 측정 불확실성이 높은 주요 오류 원인 중 하나입니다.

특히 고온계의 측정 영역보다 약간만 큰 작은 측정 물체의 경우 초점을 잘못 설정하면 심각한 측정 오류가 발생할 수 있습니다. 그러나 고온계가 개구부, 투시창, 용광로 벽 또는 투시관을 통해 측정 대상물을 바라보더라도 광학 장치를 잘못 조정하거나 초점을 잘못 맞추면 시야각이 좁아져 측정이 부정확해질 수 있습니다. 고온계의 측정 필드보다 훨씬 큰 물체를 측정하는 경우, 측정 대상의 크기나 측정 거리가 변경되면 단순한 광학 장치로도 표시 온도가 변경됩니다. 그림 5는 측정 대상의 직경과 관련하여 고품질 광학 장치와 단순 광학 장치의 측정값이 축소 표시되는 것을 비교한 것입니다. 단순 광학 장치를 사용하면 대상의 크기가 변경되면 측정값이 상당히 떨어집니다. 측정 거리의 변화는 물체 크기가 일정할 때와 동일한 영향을 미칩니다. 즉, 단순 광학 장치를 사용하는 장치는 측정 거리에 따라 서로 다른 측정값을 표시합니다. 특히 다양한 거리에서 사용되는 간단한 휴대용 장치를 사용할 때는 이러한 오차의 원인을 고려해야 합니다. 이 효과를 소스 크기 효과(SSE)라고 하며 모든 고온계에서 어느 정도 중요한 오차 원인입니다. 원인은 광학 장치의 이미징 오류, 광학 부품 및 하우징 부품의 산란광 및 반사, 빛의 파동 특성으로 인한 회절입니다. 광원 크기 효과는 측정 파장이 짧아질수록 감소합니다. 반사 방지 광학 부품을 사용하고 장치에서 미광과 반사를 방지하여 광학 이미징 오류를 신중하게 보정하면 이 영향을 최소화할 수 있습니다. 사용자는 측정 거리에 정확하게 초점을 맞추면 실제로 이 오차를 최소화할 수 있습니다.

온도에 따라 측정 대상에서 방출되는 적외선의 파장 범위는 0.6~20 µm, 즉 일반적으로 가시광선 이상입니다. 첫째, 이는 고온계가 사용하는 파장 범위에 맞게 광학 장치를 보정해야 함을 의미합니다. 사용자가 육안으로 초점을 맞추거나 장치에 시력 보조 장치로 비디오 카메라가 장착된 경우, 광학 이미징 오류가 가시광선 및 적외선 파장 범위 모두에서 동일하게 보정되도록 광학 장치를 설계해야 합니다. 간단한 장치에서는 색 보정이 되지 않거나 한 파장에 대해서만 보정되는 렌즈가 사용됩니다. 이 경우 적외선과 가시광선의 초점이 일치하지 않습니다(그림 2). 조준 장치를 통해 고온계의 초점을 맞추면 적외선 방사에 최적으로 초점을 맞추지 못합니다.

특히 레이저를 사용하여 측정 지점을 표시할 때 레이저 지점은 단순한 렌즈로 측정 거리와 일치하지 않습니다.

이러한 오류는 광학적으로 복잡한 2 렌즈 시스템 또는 3 렌즈 시스템으로만 가능한 한 제거할 수 있습니다. 예를 들어, CellaTemp PA 시리즈의 고온계는 광대역 반사 방지 렌즈 시스템을 갖춘 고품질 정밀 광학 장치를 갖추고 있습니다.

따라서 직경 0.3mm의 전선도 온도를 정확하게 측정할 수 있습니다.

고온계의 이미징 속성은 사용자가 쉽게 확인할 수 있습니다. 이를 위해 고온계는 정의된 방사선원에 맞춰 정렬됩니다.

방사선 영역의 크기는 고온계의 측정 필드보다 몇 배 더 커야 합니다. 이제 방사열원 앞에 있는 고온계의 초점 거리(a)에 열린 조리개 격막을 배치하고 방사율 설정 ε = 1에서 고온계를 사용하여 온도를 측정합니다(그림 6). 고온에서는 광학 측정 오차가 더 크게 나타나므로 고온계의 측정 범위 끝에서 측정을 수행하는 것이 좋습니다. 그런 다음 고온계의 방사율을 0.98로 설정해야 온도 표시가 증가합니다.

그런 다음 표시된 온도가 원래 값과 다시 일치할 때까지 조리개 격막의 직경을 줄여야 합니다. 그러면 조리개 조리개 구멍의 직경은 방사 에너지의 98%와 관련된 측정 필드의 크기에 해당합니다. 측정 거리에 대한 비율은 거리 비율 D = 가 됩니다. 그런 다음 측정 필드 크기가 95% 및 90%일 때 이 측정을 반복하고 그 결과를 제조업체의 브로셔 사양과 비교해야 합니다.

이렇게 하면 렌즈 오류의 영향을 포함한 여러 기기의 실제 광학 이미징 특성을 매우 쉽게 확인하고 비교할 수 있습니다.

예를 들어 그림 7은 복사 에너지의 90%와 95%에 대한 측정 대상의 직경을 보여줍니다. 90%와 관련하여 측정 필드 크기의 차이는 단순 광학의 경우 Ø 14mm, 고품질 광학의 경우 Ø 10.2mm로 여전히 비교적 작습니다. 그러나 95%(단순 광학장치의 경우 Ø 24mm, 고품질 광학장치의 경우 Ø 11.5mm)에서는 이미 수치가 매우 달라집니다. 따라서 일부 제조업체는 측정 필드 직경에 대해 더 나은(더 작은) 값을 지정하기 위해 방사선의 더 작은 기준값(예: 90%)에 대한 값을 지정하는 것을 선호합니다. 이렇게 하면 단순한 광학 시스템이 실제보다 훨씬 더 나은 것처럼 보이게 됩니다.

파일럿 라이트, 비디오 카메라 또는 렌즈 투과형 시야를 갖춘 고온계의 경우 이 테스트를 사용하여 측정 필드와 시야에서 초점 거리가 동일한지, 측정 필드 표시가 실제로 고온계의 측정 표면의 위치와 크기와 일치하는지 확인할 수도 있습니다.

고온계를 선택할 때는 도량형 파라미터를 비교하는 것 외에도 광학 특성도 주의 깊게 비교해야 합니다. 일부 제조업체가 브로셔에 제공하는 정보는 안타깝게도 종종 불충분하므로 지정된 측정 필드가 어떻게 결정되었는지, 렌즈 오차 및 정렬 공차가 사양에 고려되었는지 자세히 문의해야 합니다. 광학 사양과 기준값이 동일한 경우에만 서로 다른 고온계를 비교할 수 있습니다. 중요한 경우에는 위에서 설명한 대로 브로셔에 있는 정보의 품질과 사양을 직접 확인하여 안전을 확보해야 합니다. 결국, 전기적 측정 불확도가 1% 미만으로 지정되어 있지만 단순한 렌즈와 광학 설정을 사용하면 측정 오류가 훨씬 더 커지는 고온계가 무슨 소용이 있을까요?