Zasada działania, zalety i możliwe zastosowania innowacyjnych pirometrów panoramicznych

Pirometry wykrywają promieniowanie cieplne na powierzchni obiektu pomiarowego w określonym polu pomiarowym i wykorzystują je do określenia temperatury. Rozmiar i kształt pola pomiarowego są określane przez soczewki, strukturę optyczną i technologię czujnika. Ze względu na geometrię soczewek, system przysłony i technologię czujnika, urządzenia dostępne obecnie na rynku mają zwykle okrągłą powierzchnię pomiarową. W oparciu o nowy typ konstrukcji optycznej i wysokiej jakości soczewki, od niedawna dostępne są urządzenia z prostokątnym polem pomiarowym. Poniższy artykuł wyjaśnia budowę, funkcjonalność, zalety i możliwe zastosowania pirometrów z prostokątnym polem pomiarowym.

Pomysł opracowania pirometru z prostokątnym polem pomiarowym powstał ponad 30 lat temu, ponieważ istnieją zastosowania w technologii bezkontaktowego pomiaru temperatury, które można rozwiązać łatwiej, a przede wszystkim bardziej niezawodnie. Główną zaletą pirometrycznego pomiaru temperatury w przeciwieństwie do pomiaru kontaktowego jest to, że pirometry idealnie nadają się do pomiaru poruszających się obiektów. Warunkiem jest oczywiście to, aby mierzony obiekt znajdował się w polu pomiarowym pirometru. Jak pokazuje przykład produkcji drutu, staje się to problematyczne, gdy mierzony obiekt oscyluje pod kątem prostym do kierunku produkcji i nie zawsze wypełnia pole pomiarowe (rys. 1).

Do tej pory jednokanałowe pirometry o bardzo małym polu pomiarowym były używane w połączeniu z obrotowym lustrem zamontowanym przed pirometrem w celu rozwiązania takich problemów pomiarowych związanych z aplikacją. Obracające się lub odchylane lustro okresowo odchyla plamkę pomiarową. Przechowując maksymalną wartość w pirometrze, temperatura jest rejestrowana w momencie, w którym plamka pomiarowa jest całkowicie wypełniona przez obiekt. Oprócz wady ruchomego mechanizmu, który jest podatny na usterki, czas wykrywania jest ograniczony. Ze względu na ruch skanujący, temperatura obiektu nie jest rejestrowana w sposób ciągły, a jedynie cyklicznie.

Z tego powodu wiele lat temu podjęto próby z urządzeniami, które generowały prostokątne pole pomiarowe wyłącznie optycznie. Specjalna cylindryczna soczewka rozpraszała pole pomiarowe w kierunku osi, jak w przypadku szafy lustrzanej. Zasadniczo stanowiło to rozwiązanie. Problemem okazał się jednak nierównomierny rozkład czułości na powierzchni pomiarowej czujnika. Kolejną wadą był wysoki koszt tej specjalnej soczewki. Ponadto, urządzenia mogły być używane tylko w przypadku stałej odległości pomiarowej. Kolejną trudnością było to, że obraz optyczny w celowniku przez soczewkę był zniekształcony, co utrudniało ustawienie urządzenia.

Zastosowanie prostokątnego pola pomiarowego jest szczególnie interesujące w połączeniu z pirometrem. Pirometr stosunkowy rejestruje promieniowanie cieplne obiektu pomiarowego w dwóch różnych zakresach długości fal. Iloraz tych dwóch promieniowań widmowych zmienia się proporcjonalnie do temperatury. Ta zasada pomiaru pozwala, aby obiekt pomiarowy był mniejszy niż pole pomiarowe. W przeciwieństwie do pirometru jednokanałowego, prawidłowa temperatura jest nadal określana dla gorącego obiektu pomiarowego na zimnym tle.

W przeciwieństwie do opisanego powyżej rozwiązania z soczewką cylindryczną, prostokątne pole pomiarowe nowego pirometru panoramicznego jest realizowane przez wysoce precyzyjną przysłonę umieszczoną w gałęzi pomiarowej detektora pomiędzy przysłoną (3) a lustrem odchylającym z czujnikiem (4) (rys. 2). Rozwiązuje to dwa podstawowe problemy. Urządzenie nie wymaga specjalnie ukształtowanego obiektywu, a mierzony obiekt jest wyświetlany w ostrości, jak zwykle w celowniku przez obiektyw lub na obrazie monitora w urządzeniach z wbudowaną kamerą wideo.

Kolejną zaletą tej innowacyjnej konstrukcji optycznej jest to, że oznaczenia pola pomiarowego w wizjerze lub na monitorze są wyświetlane poprawnie zarówno w dokładnej pozycji, jak i rzeczywistym rozmiarze prostokątnego pola pomiarowego. Jest to jedyny sposób na sprawdzenie i zapewnienie prawidłowego ustawienia urządzeń.

Kolejne wyzwanie optyczne musiało zostać rozwiązane podczas opracowywania pirometru panoramicznego. Ze względu na błędy obrazowania optycznego i niejednorodny rozkład czułości na powierzchni pomiarowej, pirometry proporcji mają zwykle tę cechę, że położenie obiektu pomiarowego w polu pomiarowym ma zauważalny wpływ na mierzoną temperaturę. Na skraju pola pomiarowego wskazanie może wzrosnąć o ponad 30 °C przy temperaturze obiektu 1000 °C (Rys. 3).

Wahania wskazania temperatury mogą również wystąpić w przypadku konwencjonalnych pirometrów z przełożeniem, jeśli średnica obiektu pomiarowego zmienia się z przyczyn produkcyjnych, a pole pomiarowe jest w związku z tym inaczej wypełnione.

Aby zminimalizować ten efekt fizyczny, opracowano precyzyjne soczewki dla układu optycznego, które mają niezmiennie dobre właściwości obrazowania na całej powierzchni apertury wejściowej (minimalna aberracja sferyczna). Ponadto soczewki mają minimalny błąd wzdłużny koloru (aberracja chromatyczna) w celu uzyskania równie ostrego obrazu dla obu długości fal pomiarowych i dla zakresu widzialnego. Ponadto realizacja pirometru panoramicznego wymagała opracowania układu optycznego składającego się z precyzyjnych przysłon i wysokiej jakości czujników. W rezultacie nowy pirometr panoramiczny zapewnia stałą wartość pomiarową, niezależnie od położenia i średnicy przewodu w polu pomiarowym.

Modułowa konstrukcja elementów optycznych i elektrycznych oznacza, że pirometr panoramiczny może być również wyposażony w kilka wymiennych obiektywów z możliwością regulacji ostrości. Ponadto, różne soczewki mocujące można wkręcić w przedni gwint odpowiedniego obiektywu w celu zmniejszenia pola pomiarowego. Skutkuje to licznymi wariantami obrazowania optycznego zarówno w odniesieniu do pożądanej odległości pomiarowej, jak i wymaganego rozmiaru pola pomiarowego (rys. 4). Przykładowo, można wykrywać nawet przewody o średnicy 0,1 mm.

Optyczne ustawienie pirometru na małym obiekcie pomiarowym lub na dużej odległości pomiarowej wymaga wysokiej jakości mechaniki regulacji. Jest oczywiste, że urządzenie z prostokątną plamką pomiarową jest znacznie łatwiejsze do ustawienia w takich warunkach (Rys. 5). Ta zaleta jest szczególnie widoczna w przypadku pirometru przenośnego, gdy operator trzyma urządzenie w dłoni podczas celowania, ponieważ szerokość prostokątnego pola pomiarowego jest 2 do 3 razy większa niż w przypadku porównywalnego urządzenia z okrągłym polem pomiarowym. Zapewnia to bezpieczniejszą obsługę i wykrywanie temperatury.

W procesach produkcyjnych, w których położenie i rozmiar gorącego obiektu może się zmieniać lub w systemach obróbki cieplnej, w których strefa nagrzewania na obrabianym przedmiocie ulega wahaniom, pirometr panoramiczny oferuje większą niezawodność działania i jest znacznie łatwiejszy do ustawienia. Ponieważ prostokątne pole pomiarowe jest szersze niż okrągłe pole pomiarowe o tej samej powierzchni, ryzyko przemieszczenia się gorącego punktu poza pole pomiarowe jest znacznie niższe.

Typowym przykładem jest produkcja rur bez końca, w której materiał jest gięty i spawany razem. Ogrzewanie odbywa się za pomocą cewki indukcyjnej. Położenie małego punktu zgrzewania może się zmieniać, więc w przypadku konwencjonalnych urządzeń szew zgrzewu może czasami znajdować się poza polem pomiarowym, a pomiar nie jest wtedy możliwy (Rys. 6).

W produkcji szklanych butelek zmienia się położenie i kształt kropli szkła przy ścinaniu. Również w tym przypadku pirometr panoramiczny zapewnia większą niezawodność pomiaru. Wpływ temperatury materiału i kolor częściowo przezroczystego szkła również odgrywają rolę. Wpływ ten jest znacznie zmniejszony dzięki metodzie pomiaru ilorazowego pirometru panoramicznego.

W systemach ciągnienia drutu, drut jest następnie poddawany obróbce cieplnej. Drut przechodzi przez cewkę indukcyjną z dużą prędkością. Oscylacja drutu pomiędzy rolkami prowadzącymi jest nieunikniona. W przypadku cienkich drutów wahania mogą być kilkakrotnie większe od średnicy drutu. W takich warunkach pomiar punktowy jest prawie niemożliwy.

Ręczny bezdotykowy pomiar temperatury ciekłego metalu podczas wlewania do formy jest wykonywany z bezpiecznej odległości. W przypadku konwencjonalnego urządzenia z okrągłym polem pomiarowym, trudno jest ustawić pirometr w jednej linii ze strumieniem cieczy, zwłaszcza że położenie strumienia może się zmieniać w zależności od kąta nachylenia kadzi. Urządzenie z prostokątnym polem pomiarowym jest znacznie łatwiejsze w obsłudze (rysunek 7).

Pomiar temperatury najmniejszych obiektów, takich jak żarnik lub element grzejny w lampie rentgenowskiej, stawia najwyższe wymagania optyczne dla urządzeń. W większości przypadków takie zastosowania można było wcześniej rozwiązać tylko za pomocą tak zwanych pirometrów porównawczych intensywności. W tych urządzeniach temperatura jest mierzona ręcznie przez operatora, który wizualnie porównuje promieniowanie wewnętrznego promiennika referencyjnego i mierzonego obiektu.

Trudność w korzystaniu z elektronicznych urządzeń pomiarowych polegała na mechanicznym dopasowaniu urządzeń do bardzo małych obiektów, które mają być mierzone. Takie zadania pomiarowe można również znacznie łatwiej rozwiązać za pomocą pirometru panoramicznego.

Ze względu na zasadę pomiaru ilorazowego, obszar zastosowania jest ograniczony do aplikacji o temperaturze powyżej 600 °C. Kolejnym ograniczeniem jest stopień częściowego oświetlenia, do którego pirometr ilorazowy jest w stanie uzyskać powtarzalną wartość pomiarową.

Wartość ta zależy między innymi od emisyjności obiektu pomiarowego i temperatury bezwzględnej. Na początku zakresu pomiarowego pirometr może już zapewnić wiarygodną wartość pomiarową, jeśli energia promieniowania wynosi 10% promieniowania promiennika ciała czarnego w tej samej temperaturze. Wraz ze wzrostem temperatury pomiaru dopuszczalne jest jeszcze większe tłumienie sygnału. Tłumienie zależy od emisyjności, stopnia częściowego oświetlenia, kształtu mierzonego obiektu i przeszkód wizualnych, takich jak opary, kurz i dym w polu pomiarowym. Jako przykład przyjęto drut stalowy o emisyjności 0,6. W przypadku okrągłego obiektu pomiarowego należy również wziąć pod uwagę, że promieniowanie wykrywane przez pirometr jest częściowo emitowane pod bardzo płaskim kątem. Współczynnik bezpieczeństwa 1,5 jest wtedy również uwzględniany jako przybliżenie. Stopień częściowego oświetlenia, szerokość pola pomiarowego i maksymalną odległość pomiarową można obliczyć na podstawie następujących wzorów.

Stopień częściowego oświetlenia = (minimalna analizowalna siła sygnału ÷ emisyjność) × współczynnik bezpieczeństwa

W odniesieniu do powyższego przykładu, pole pomiarowe musi być wypełnione w co najmniej 10% ÷ 0,6 × 1,5 = 25%, aby pirometr mógł określić wartość pomiarową. Siła sygnału jako wskaźnik wiarygodności wartości pomiarowej może być pokazana na wyświetlaczu pirometru.

Dla średnicy przewodu 5 mm daje to maksymalną szerokość pola pomiarowego 5 mm ÷ 0,25 = 20 mm dla początku zakresu pomiarowego.

W przypadku pirometru panoramicznego rozdzielczość optyczna jest określona przez stosunek odległości (odległość pomiarowa ÷ rozmiar pola pomiarowego) dla szerokości DW (szerokość) i dla wysokości DH (wysokość). W oparciu o współczynnik odległości, na przykład DW = 40 : 1, daje to maksymalną odległość pomiarową 40 × 20 mm = 800 mm. Innymi słowy, dla zamierzonej odległości pomiarowej 500 mm, na przykład, należy użyć obiektywu o stosunku odległości DW ≥ 500 mm ÷ 20 mm, tj. ≥ 25 : 1, aby pole pomiarowe było wystarczająco oświetlone przez mierzony obiekt.

Pirometr panoramiczny można również obsługiwać tak, aby pole pomiarowe było wyrównane wzdłuż obiektu. Pozwala to pirometrowi mierzyć większy obszar obiektu w porównaniu z urządzeniem z okrągłym polem pomiarowym, dzięki czemu można go stosować do przewodów o średnicy od 0,1 mm.

Urządzenia z panoramicznym układem optycznym są dostępne dla stacjonarnej serii urządzeń CellaTemp PA i przenośnej serii CellaTemp PT. Obie wersje posiadają przezroczysty wizjer do ustawiania i ogniskowania urządzenia. Stacjonarne urządzenie CellaTemp PA jest alternatywnie dostępne z kolorową kamerą wideo. Umożliwia to monitorowanie wyrównania i pola widzenia obiektu przez cały czas na monitorze w centrum sterowania. Oprócz oznaczenia pola pomiarowego, zmierzona wartość i numer punktu pomiarowego są również przesyłane za pośrednictwem sygnału wideo i wyświetlane na ekranie monitora. Dzięki specjalnej funkcji kamery TBC (Target Brightness Control), intensywność jest rejestrowana tylko w polu pomiarowym w celu kontroli ekspozycji, a nie w całym polu widzenia kamery, jak to zwykle ma miejsce. Oznacza to, że mały, gorący cel na zimnym tle jest wyświetlany na monitorze z optymalną jasnością i bez przesterowania celu.

Dostępne są również dwie wersje serii kompaktowych pirometrów CellaTemp PKL z panoramicznym układem optycznym (rys. 8). Urządzenia są wyposażone w lampkę kontrolną LED do sprawdzania wyrównania. Ponieważ światło oświetla nie tylko pozycję, ale także rzeczywistą szerokość pola pomiarowego, urządzenie można bardzo łatwo i precyzyjnie ustawić względem mierzonego obiektu.

W przypadku procesów termicznych i temperatur powyżej 600 °C, nowy pirometr panoramiczny jest wyraźnie lepszy od poprzednich urządzeń z okrągłym polem pomiarowym, jeśli wyrównanie jest trudne na małych obiektach lub przy dużych odległościach pomiarowych lub jeśli gorący punkt, tj. gorący punkt do wykrycia, nie jest ustalony. Dodatkowe koszty w wysokości ok. 25% są z pewnością dobrze wydanymi pieniędzmi ze względu na wyższą niezawodność działania.