Definicja i wpływ emisyjności na bezdotykowy pomiar temperatury

W bezdotykowym pomiarze temperatury promieniowanie podczerwone lub termiczne emitowane przez mierzony obiekt jest wykrywane przez pirometr. Pirometr oblicza temperaturę na podstawie odebranego promieniowania zgodnie z równaniem promieniowania Plancka. Poziom promieniowania zależy w dużej mierze od emisyjności mierzonego obiektu. Ale co właściwie oznacza emisyjność i jak wpływa na praktyczne pomiary? Jak można określić emisyjność i od czego ona zależy? Jakie błędy mogą wystąpić przy nieprawidłowo ustawionej emisyjności i jak można zminimalizować błędy pomiarowe? Te i inne pytania zostały omówione w poniższym artykule.

Poziom promieniowania podczerwonego/cieplnego zależy nie tylko od temperatury, ale także od samego obiektu pomiarowego. Zdolność obiektu pomiarowego do emitowania promieniowania cieplnego, które pochłonął (zaabsorbował), jest opisywana przez emisyjność. Idealny lub tak zwany "promiennik ciała czarnego" emituje całe promieniowanie, które pochłania. Rzeczywisty grzejnik emituje mniej promieniowania niż "grzejnik ciała czarnego" w tej samej temperaturze. Emisyjność ε to stosunek promieniowania podczerwonego rzeczywistego obiektu pomiarowego Φr do promieniowania "promiennika ciała czarnego" Φs.

ε = Φr / Φs

Emisyjność jest zatem bezwymiarową wielkością fizyczną z przedziału od 0 do 1 lub od 0 do 100%.

Promieniowanie, które trafia na obiekt pomiarowy z otoczenia, jest odbijane w większym lub mniejszym stopniu w zależności od stopnia odbicia obiektu pomiarowego. Promieniowanie cieplne podlega tym samym prawom promieniowania, co światło widzialne. W przypadku obiektów przezroczystych (szkło, folie) promieniowanie cieplne może również pochodzić z wnętrza obiektu pomiarowego i z tła. Przepuszczalność wskazuje procent promieniowania przechodzącego przez obiekt. Całkowite promieniowanie ΦΣ wykrywane przez pirometr składa się w następujący sposób.

ΦΣ = ε * ΦO + ρ * ΦU + τ * ΦH

ε = emisyjność
ρ = współczynnik odbicia
τ = transmitancja
ΦO = promieniowanie obiektu
ΦU = promieniowanie otoczenia
ΦH = promieniowanie tła

Współczynniki promieniowania są powiązane wzorem:

1 = ε + ρ + τ

Składnik transmisji jest pomijany dla obiektów nieprzezroczystych.

1 = ε + ρ

Emisyjność obiektu pomiarowego zależy w dużej mierze od materiału lub powierzchni materiału. Niemetalowe i nieprzezroczyste obiekty są zazwyczaj dobrymi emiterami ciepła o emisyjności > 80%. W przypadku metali emisyjność może wahać się od 5 do 90%. Im bardziej błyszczący metal, tym niższa emisyjność.

Ponadto emisyjność może zmieniać się w zależności od długości fali. Właściwość ta jest szczególnie widoczna w przypadku metali. Moc promieniowania metali wzrasta wraz ze skracaniem się długości fali. Dlatego też przy dokonywaniu wyboru zalecane jest użycie pirometru krótkofalowego.

Przezroczyste obiekty, takie jak szkło, plastik lub gazy, mają określone zakresy długości fal, w których mają dobre właściwości promieniowania. Aby zmierzyć temperaturę tych materiałów, należy wybrać pirometry ze specjalnymi czujnikami i filtrami, które są czułe na tę długość fali.

Zachowanie promieniowania metali i szkła również zmienia się w zależności od temperatury. Utlenianie powierzchni metali i zmiana ze stanu stałego w ciekły powoduje znaczne zmiany emisyjności.

Emisyjność metali wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. W przypadku szkła głębokość widzenia pirometru wzrasta wraz z temperaturą, a tym samym proporcja promieniowania z obszaru wewnętrznego.

W praktyce może wystąpić promieniowanie zewnętrzne z otoczenia. Klasycznym przykładem jest pomiar zimnej blachy wewnątrz gorącego pieca grzewczego. Oprócz promieniowania obiektu, pirometr wykrywa również promieniowanie ze ściany pieca odbite od blachy. Im bardziej temperatura obiektu zbliża się do temperatury pieca, tym mniejszy jest błąd pomiaru.

Do pomiaru rzeczywistej temperatury obiektu używane są rurki celownicze chłodzone wodą. Są one używane do cieniowania promieniowania interferencyjnego od ścian pieca. Średnica rurki powinna być co najmniej 6 razy większa od odległości pomiarowej od obiektu, aby stworzyć wystarczająco duży cień.

Informacje na temat emisyjności różnych substancji można znaleźć w literaturze lub instrukcji obsługi. Informacje te należy jednak traktować z ostrożnością. Ważne jest, aby wiedzieć, dla jakiej długości fali i temperatury określona wartość jest prawidłowa. Ponadto są to wartości obowiązujące w idealnych warunkach pomiarowych.

W rzeczywistych warunkach promieniowanie wykrywane przez pirometr może również wynikać z promieniowania otoczenia odbitego lub transmitowanego przez obiekt. Jeśli pirometr byłby ustawiony na wyidealizowaną wartość literaturową, wyświetlałby zbyt wysoką temperaturę.

Aby wyświetlić prawidłową temperaturę, emisyjność pirometru musi być ustawiona na wyższą wartość. Jest to znane jako sztuczne zwiększanie emisyjności. Rzeczywistą emisyjność, którą należy ustawić, można określić poprzez pomiar porównawczy za pomocą termometru kontaktowego. Oczywiście błąd pomiaru zależy również od dokładności pomiaru kontaktowego.

Alternatywnie, naklejka z określoną emisyjnością może być umieszczona na mierzonym obiekcie w temperaturach do ok. 250 °C.

Najpierw określana jest rzeczywista temperatura na naklejce (rys. 2). Następnie przeprowadzany jest pomiar porównawczy bezpośrednio obok naklejki, a emisyjność jest ustawiana na pirometrze, tak aby poprzednia zmierzona wartość została ponownie wyświetlona. Ponieważ wpływ emisyjności wzrasta wraz z temperaturą, pomiar porównawczy powinien być przeprowadzany w wyższych temperaturach.

W przypadku wysokich temperatur obiektu lub niedostępnych obiektów pomiarowych, np. w piecu próżniowym, zalecany jest pomiar porównawczy za pomocą pirometru o bardzo krótkiej fali, ponieważ ze względów fizycznych błąd pomiaru zmniejsza się przy krótszej długości fali pomiarowej.

Do tego celu idealnie nadaje się pirometr porównawczy intensywności (Rys. 3). Zasada pomiaru tych urządzeń opiera się na optycznym porównaniu kolorów przy długości fali 0,67 μm. Ponadto zasada pomiaru działa niezależnie od wielkości mierzonego obiektu.

Skutki zmian emisyjności lub nieprawidłowych ustawień pirometru przedstawiono na schemacie na rysunku 4.

Kilka lat temu na rynku pojawiły się pirometry, które mierzą promieniowanie na dwóch długościach fali jednocześnie. Iloraz tych dwóch promieniowań jest proporcjonalny do temperatury. Jeśli promieniowanie odbierane przez dwa kanały pomiarowe zmienia się z powodu zmiany emisyjności, iloraz, a tym samym temperatura, pozostaje stała. Ma to jednak zastosowanie tylko wtedy, gdy zmiana emisyjności jest identyczna dla obu kanałów. W praktyce zmiana w metalach nie jest stała. Pirometry ilorazowe mogą nawet powodować znacznie większe błędy pomiarowe niż pirometry jednokanałowe. Dlatego ostrzegamy przed często cytowanym pomiarem "niezależnym od emisyjności" za pomocą pirometrów ilorazowych.

Pirometr ilorazowy ma zalety metrologiczne, jeśli na przykład energia promieniowania obu kanałów jest osłabiona w tym samym stopniu przez brudne wzierniki lub kurz w polu widzenia. Temperatura jest nadal wyświetlana prawidłowo.

W krytycznych warunkach pomiarowych zaleca się równoległą analizę dwóch wartości temperatury widmowej i temperatury ilorazowej. W zależności od wyniku pirometr można ustawić na lepszą metodę pomiaru.

Przy wyborze pirometru dużą uwagę zwraca się na niepewność pomiaru podaną w broszurze. Jednak w przypadku bezdotykowego pomiaru temperatury występujący błąd pomiaru zależy zasadniczo od właściwości metrologicznych obiektu pomiarowego i warunków otoczenia. Błąd pomiaru specyficzny dla urządzenia ma jedynie niewielki wpływ. Dlatego opisane powyżej korelacje muszą być brane pod uwagę zarówno przy wyborze pirometru, jak i przy określaniu punktu pomiarowego.