Błędy pomiarowe w praktyce przy bezdotykowym pomiarze temperatury

Bezkontaktowy pomiar temperatury, znany również jako pirometria, jest postrzegany sceptycznie przez wielu praktyków pomiaru temperatury. Z danych technicznych producentów wynika, że pirometry są bardzo dokładnymi i precyzyjnymi urządzeniami pomiarowymi. Oprócz prawidłowego wyboru pirometru odpowiedniego do danego zastosowania, szczególnie ważne jest uwzględnienie właściwości materiału i wpływów środowiskowych w miejscu pomiaru.

Błędów pomiarowych można uniknąć poprzez prawidłowe użytkowanie. Poniżej wyjaśniono najczęstsze przyczyny błędów i sposoby ich ograniczania.

Pirometry mierzą promieniowanie cieplne emitowane przez obiekt. Promieniowanie podczerwone emitowane przez obiekt zależy od jego właściwości materiałowych i powierzchniowych. Ta właściwość promieniowania jest opisana przez emisyjność ε. Emisyjność musi być ustawiona na urządzeniu w celu dokładnego pomiaru temperatury. Nieprawidłowo ustawiona emisyjność może powodować znaczne błędy. Rysunek 1 przedstawia odchylenie temperatury (ΔT) dla trzech zmierzonych wartości w zależności od długości fali, jeśli na urządzeniu ustawiono emisyjność 80% zamiast emisyjności 90%. Błąd ten wzrasta wraz z długością fali pomiarowej lub wzrostem temperatury. Dlatego należy wybrać najkrótszy możliwy zakres długości fali, który jest dostępny dla żądanego zakresu pomiarowego.

Szczególnie w przypadku pomiaru powierzchni metalowych o nieznanej lub silnie zmiennej emisyjności, błąd pomiaru jest znacznie zmniejszony poprzez wybór krótszej długości fali pomiarowej. Emisyjność metali wzrasta przy krótszych długościach fal. Jednocześnie zmniejsza się wpływ błędu w przypadku nieprawidłowego ustawienia emisyjności.

Optymalne warunki mają zastosowanie, gdy pirometr ma czyste pole widzenia obiektu. Jeśli na drodze wiązki pirometru znajdują się media, takie jak kurz, gazy, dym, szyby ochronne lub materiały nieprzezroczyste, powodują one zmniejszenie promieniowania temperatury obiektu.

Jeśli znane są straty transmisji, np. przy pomiarze przez szybę ochronną (τ=0,95), mogą one być kompensowane przez pirometr. Jeśli straty transmisji są znane, np. podczas pomiaru przez szybę ochronną (τ=0,95), można je skompensować, dostosowując emisyjność na urządzeniu.

_εdevice = _εobject - _τbeam path

_εdevice = emisyjność do ustawienia na urządzeniu
_εobject = emisyjność obiektu
_τbeam path = transmitancja obiektów na drodze wiązki

Jest to bardziej problematyczne, jeśli kurz, olej lub zaparowane materiały gromadzą się na soczewkach lub szybach ochronnych. Pirometr mierzy wówczas niższą temperaturę wraz ze wzrostem zabrudzenia. Konieczne jest zatem regularne czyszczenie soczewek. Urządzenia oczyszczające powietrze wydłużają cykl czyszczenia. Od niedawna na rynku dostępne są również pirometry ze zintegrowanym wskaźnikiem poziomu zanieczyszczenia. W przypadku zabrudzenia soczewki generowany jest sygnał alarmowy.

Decydującym czynnikiem dla wyświetlanej temperatury obiektu jest moc promieniowania ΦΣ uderzająca w detektor pirometru_.

Zgodnie z poniższym wzorem, oprócz składowej emisyjnej mierzonego obiektu, zawiera ona składową promieniowania tła składającą się z odbicia i składowej transmisyjnej promieniowania otoczenia.

_ΦΣ= _Φε+ _Φτ+ _Φρ

ε = emisyjność powierzchni pomiarowej
τ = transmitancja obiektu pomiarowego
ρ = współczynnik odbicia powierzchni pomiarowej

Wpływ promieniowania tła na błąd jest tym mniejszy, im większa jest emisyjność obiektu i im wyższa jest temperatura obiektu w porównaniu z temperaturą otoczenia. Wpływ ten jest problematyczny na przykład w przypadku stosowania pirometrów na wylocie pieców ciągłych. Błąd pomiaru można zmniejszyć, jeśli ustawienie optyki zapobiega odbiciu promieniowania cieplnego z pieca na powierzchni mierzonego obiektu. Źródła promieniowania w zakresie podczerwieni, takie jak lampy żarowe, promienniki lub lasery, czasami powodują silne promieniowanie podczerwone, które jest niedoszacowane w praktyce.

Urządzenia z filtrami blokującymi są dostępne specjalnie do zastosowań laserowych, aby zapobiec wpływowi wysokoenergetycznego promieniowania laserowego na bardzo niskie promieniowanie podczerwone.

Błędy obrazowania w układzie optycznym, światło rozproszone i odbite od elementów optycznych i części obudowy, a także dyfrakcja spowodowana falową naturą światła oznaczają, że część wykrytego promieniowania dociera do czujnika poza określonym polem pomiarowym. Optyka odbiera część promieniowania poza polem pomiarowym. Ten wpływ optyki jest znany jako "efekt wielkości źródła". Wpływ ten może zostać zminimalizowany przez producenta poprzez staranne skorygowanie błędów optycznych obrazowania, zastosowanie antyrefleksyjnych elementów optycznych i unikanie odbić w urządzeniu. Wysokiej jakości optyka zmniejsza wpływ tych błędów. Efekt "wielkości źródła" jest najmniejszy w ognisku układu optycznego. W pirometrach z układem optycznym z możliwością ogniskowania efekt ten można zatem znacznie zmniejszyć, jeśli odległość pomiarowa jest ustawiona prawidłowo.

Z przyczyn fizycznych błąd optyczny wzrasta wraz z długością fali. Z tego powodu korekcja błędu optycznego w urządzeniach pomiarowych o długich falach, a tym samym w urządzeniach o niskich zakresach pomiarowych, wymaga jeszcze większego wysiłku. Ma to negatywny wpływ na tańsze pirometry, które mierzą od temperatury pokojowej, ponieważ wyświetlana wartość pomiarowa jest bardzo zależna od wybranej odległości pomiarowej.

Jeśli obiekt jest znacznie większy niż plamka pomiarowa pirometru, a obszar ma prawie taki sam poziom temperatury, efekt ten można prawie pominąć. W przeciwnym razie błąd można zmniejszyć za pomocą urządzenia z optyką z możliwością ogniskowania i dokładnym wyrównaniem z obiektem. Do dokładnego wyrównania pirometru zaleca się stosowanie światła pilotującego, celownika przez obiektyw lub zintegrowanej kamery wideo.

W pirometrze stosunkowym analizowany jest stosunek gęstości promieniowania dwóch różnych zakresów widmowych. W uproszczeniu, poniższy wzór ma zastosowanie do zmierzonej temperatury przy dwóch środkowych długościach fali _λ1 i _λ2.

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

_TM = emisyjność powierzchni pomiarowej
_TW = transmitancja obiektu pomiarowego
_C2 = współczynnik odbicia powierzchni pomiarowej

Jeśli emisyjności _ε1 i _ε2 są takie same dla obu długości fal, zmierzona temperatura odpowiada temperaturze obiektu. Pirometr ilorazowy mierzy zatem niezależnie od emisyjności powierzchni, pod warunkiem, że emisyjności _ε1 i _ε2 są identyczne. Teoretycznie pirometry ilorazowe są zalecane, jeśli emisyjność obiektu pomiarowego ulega wahaniom. W praktyce jednak zależy to od danego zastosowania i rzadko ma zastosowanie. Ze względu na tworzenie proporcji, błąd pomiaru pirometru ilorazowego może być znacznie większy niż pirometru spektralnego, jeśli emisyjność dwóch długości fal pomiarowych zmienia się i różni. W szczególności metale, a zwłaszcza metale nieżelazne, wykazują zależną od długości fali zmianę emisyjności.

Z drugiej strony, straty transmisyjne, takie jak kurz, opary lub dym, często powodują jednorodne tłumienie natężenia promieniowania. W porównaniu do pirometrów spektralnych, wartość pomiarowa pirometrów stosunkowych pozostaje stała w tych warunkach.

Innowacyjne pirometry ilorazowe umożliwiają jednoczesny pomiar i obliczanie temperatury zarówno przy spektralnej długości fali, jak i temperatury ilorazowej. Umożliwia to podjęcie decyzji podczas uruchamiania, czy pomiar za pomocą pirometru spektralnego czy pirometru ilorazowego zapewnia bardziej powtarzalne i dokładne wartości pomiarowe dla całego zakresu pomiarowego.