Pirometr stosunkowy

Pirometry ilorazowe stały się niezbędne w dzisiejszych zastosowaniach termometrów na podczerwień. Poniższy artykuł wyjaśnia zasady fizyczne, zalety, możliwości funkcjonalne i analityczne, a także ograniczenia pirometrii ilorazowej. Typowe obszary zastosowań zostały przedstawione na podstawie praktycznych aplikacji.

Pirometr ilorazowy wykrywa promieniowanie cieplne obiektu pomiarowego w dwóch różnych zakresach długości fal. Iloraz dwóch promieniowań spektralnych φ zmienia się w przybliżeniu proporcjonalnie do temperatury. Z promieniowaniem spektralnym związana jest odpowiednia emisyjność ε powierzchni pomiarowej dla dwóch długości fal (rysunek 1).

Aby zminimalizować zależny od długości fali wpływ emisyjności powierzchni pomiarowej, wybierane są zakresy długości fal, które są blisko siebie. Z drugiej strony oznacza to, że dwie gęstości promieniowania prawie się nie różnią. Iloraz dwóch prawie identycznych wartości zmienia się tylko nieznacznie w zależności od temperatury obiektu. Dlatego najmniejsza mierzalna temperatura pirometru ilorazowego jest ograniczona do około 300 °C. Aby móc w ogóle analizować te niewielkie zmiany sygnału, wymagane jest duże wzmocnienie. Jakość czujników, wzmacniaczy elektronicznych i przetworników analogowo-cyfrowych musi zatem spełniać najwyższe standardy, aby osiągnąć wysoki stosunek sygnału do szumu lub małą różnicę temperatur NETD (Noise Equivalent Temperature Difference), a tym samym wysoką rozdzielczość temperaturową wymaganą do dokładnego pomiaru. Aby sprawdzić NETD, należy uruchomić urządzenie na początku zakresu pomiarowego z najkrótszym czasem reakcji i sprawdzić stabilność sygnału pomiarowego.

Ogromną zaletą metody pomiaru ilorazowego jest to, że prawidłowa temperatura jest określana przy tłumieniu sygnału, które jest niezależne od długości fali. Jeśli, na przykład, brudny wziernik lub para, dym i kurz w polu widzenia pirometru prowadzą do redukcji sygnału, iloraz, a tym samym wyświetlana temperatura pozostają stałe.

Jeśli emisyjność ε1 = ε2 (szary promiennik) jest taka sama dla obu długości fal, człon emisyjności w równaniu jest zredukowany, a pirometr ilorazowy wyświetla prawdziwą temperaturę niezależnie od emisyjności mierzonego obiektu. Nawet jeśli emisyjność obiektu pomiarowego zmienia się w tym samym stopniu dla obu zakresów długości fali, nie ma to wpływu na wynik pomiaru. Odchylenia od rzeczywistej temperatury spowodowane stałymi różnicami między dwiema emisyjnościami można skorygować, dostosowując współczynnik emisyjności pirometru.

Jak jednak zachowuje się pirometr ilorazowy, jeśli emisyjność zmienia się różnie dla dwóch długości fali podczas pomiaru na tak zwanym kolorowym grzejniku ze względu na powierzchnię lub w zależności od temperatury?

Ten sam selektywny efekt występuje, jeśli transmisja wziernika zmienia się w zależności od długości fali z powodu cienkowarstwowych osadów (np. filmów olejowych lub osadów pary). Metoda ilorazowa nie jest również całkowicie niezależna od właściwości promieniowania obiektu pomiarowego, jak czasami można przeczytać w literaturze.

Trzy przykłady w tabeli 1 wyraźnie pokazują różny wpływ tłumienia zależnego od emisyjności dla metod pomiaru spektralnego i ilorazowego. W odniesieniu do temperatury 800 °C "ciała czarnego" o emisyjności ε = 1, prawo promieniowania Plancka skutkuje następującymi wartościami temperatury dla pirometru ilorazowego o λ1 = 0,95 μm i λ2 = 1,05 μm z różną zmianą emisyjności zależnej od długości fali (patrz Tabela 1).

Zmniejszenie temperatury widmowej dla szkła ochronnego (1) jest wyraźnie widoczne. Natomiast wartość ilorazu pozostaje prawie stała. W przypadku gorszej jakości szkła laminowanego (2), wartości spektralne spadają jeszcze gwałtowniej i w różnym stopniu. Prowadzi to również do znacznego odchylenia pomiaru ilorazu.

W przypadku pirometrów ilorazowych istotne jest zatem, aby podczas pomiaru przez wzierniki upewnić się, że szkła mają neutralną krzywą transmisji w zakresie długości fali pirometru. Można to bardzo łatwo sprawdzić, trzymając tarczę przed pirometrem podczas pomiaru. Temperatura ilorazu nie może się znacząco zmieniać.

Kolejną ważną zaletą pirometrii stosunkowej jest to, że obiekty pomiarowe mogą być mniejsze niż pole pomiarowe. W przypadku pirometru spektralnego obiekt pomiarowy musi być zawsze większy niż pole pomiarowe, ponieważ pirometr spektralny rejestruje średnią wartość promieniowania w całym polu pomiarowym. W przeciwnym razie mały obiekt pomiarowy na zimnym tle zawsze będzie mierzył zbyt niską temperaturę.

Jeśli pole pomiarowe pirometru stosunkowego nie jest w pełni oświetlone przez mierzony obiekt (efekt częściowego oświetlenia), działa to jak neutralne tłumienie promieniowania podczerwonego. Z tego powodu pirometr ilorazowy nadal zapewnia prawidłowe wartości pomiarowe, nawet jeśli obiekt jest do 80% mniejszy niż pole pomiarowe pirometru. Stopień minimalnego częściowego oświetlenia zależy od emisyjności i temperatury mierzonego obiektu. W idealnym przypadku położenie obiektu w polu pomiarowym powinno być dowolne i nie powinno wpływać na wyświetlaną wartość temperatury. Istnieją jednak znaczne różnice jakościowe między urządzeniami dostępnymi na rynku pod tym względem. Pirometry o prostej konstrukcji optycznej, niższej korekcji aberracji optycznej soczewki obiektywu i czujniki o niejednorodnym rozkładzie czułości mogą zwiększyć mierzoną wartość nawet o 20-30°C przy stałej temperaturze obiektu, jeśli na przykład gorący drut znajduje się na skraju pola pomiarowego (rys. 5).

Kolejną zaletą podczas pomiaru małych obiektów jest to, że pirometr proporcji reaguje znacznie mniej wrażliwie na wyrównanie optyczne i prawidłowe ogniskowanie. Natomiast pirometr spektralny musi być bardzo precyzyjnie ustawiony i zogniskowany na obiekcie pomiarowym, aby uniknąć błędów pomiarowych, jeśli obiekt pomiarowy jest niewiele większy niż pole pomiarowe.

Poniższa krzywa pomiarowa (Rys. 6) została zarejestrowana przy użyciu pirometru o polu pomiarowym Ø8 mm na obiekcie o średnicy Ø8 mm. Jednocześnie zarejestrowano temperaturę widmową. Stała odległość ogniskowania wynosiła 500 mm (punkt pomiarowy 1). Odległość pomiarowa została następnie zmniejszona do 250 mm (punkt pomiarowy 2). Rozogniskowanie ma tylko niewielki wpływ na temperaturę ilorazową, podczas gdy temperatura widmowa różni się o około 20 °C. Odległość pomiarowa została następnie ustawiona na 1000 mm (punkt pomiarowy 3). Pole pomiarowe pirometru jest dwukrotnie większe od mierzonego obiektu. Ponownie, temperatura ilorazowa pozostaje prawie na tym samym poziomie. Natomiast wartość widmowa gwałtownie spada z powodu rozogniskowania i częściowego oświetlenia.

Podczas pomiaru temperatury arkuszy i płyt na stanowisku walcowania, ze względu na ekstremalne warunki (Rys. 7), wielokrotnie pojawia się pytanie, którą metodę pomiaru należy zalecić - spektralną czy ilorazową.

Ze względów konstrukcyjnych i termicznych urządzenia są montowane w dużej odległości pomiarowej wynoszącej kilka metrów. Na przykład użycie standardowej optyki o rozdzielczości optycznej 100:1 skutkuje średnicą pola pomiarowego 200 mm w odległości 20 metrów. Rozkład temperatury na płycie jest bardzo niejednorodny ze względu na skalę. W przypadku pirometru spektralnego temperatura jest określana na podstawie średniej wartości całkowitego promieniowania odbieranego w polu pomiarowym. Zmierzona wartość zależy zatem od rozkładu temperatury i skali. Ponieważ płyta porusza się na stole rolkowym, prowadziłoby to do wahań wartości mierzonej, gdyby sygnał nie był filtrowany. Dlatego producenci pirometrów zalecają stosowanie pirometrów o bardzo wysokiej rozdzielczości optycznej > 200 : 1 w tych warunkach, aby uzyskać jak najmniejsze pole pomiarowe. Pamięć wartości maksymalnej jest używana do rejestrowania najwyższej temperatury w punktach bez skali.

Ale jak pirometr stosunkowy reaguje na niejednorodny rozkład temperatury w polu pomiarowym? Zachowanie pirometru stosunkowego jest bardziej złożone w przypadku niejednorodnego rozkładu temperatury. Zależy ono od całkowitej powierzchni "gorących punktów" i różnic temperatur między gorącymi i zimnymi punktami w polu pomiarowym. Ze względu na opisany powyżej efekt częściowego oświetlenia, pirometr wskaźnikowy określa temperaturę najgorętszego punktu w polu pomiarowym, pod warunkiem, że istnieje znaczna różnica temperatur > 200 °C między gorącymi i zimnymi obszarami.

Podczas pomiaru na płycie, w polu pomiarowym może wystąpić kilka gorących punktów ze względu na skalę. Jeśli różnica temperatur jest niewielka, pirometr wskaźnikowy również określa temperaturę na podstawie średniej wartości odbieranego promieniowania. Dlatego zaleca się również stosowanie urządzeń o wysokiej rozdzielczości optycznej i dobrej jakości obrazowania dla pirometru stosunkowego w celu zminimalizowania wpływu niejednorodności za pomocą wykrywania maksymalnej wartości.

Jeśli podczas procesu walcowania na gorąco należy spodziewać się pary wodnej i zanieczyszczeń, zaleca się stosowanie pirometru stosunkowego. Niezawodność operacyjną pozyskiwania wartości pomiarowych można również zwiększyć, stosując monitorowanie zanieczyszczeń pirometru proporcji.

Kwestia pomiaru temperatury zimniejszych obiektów wewnątrz gorącego pieca jest często dyskutowana. Zimne kute części są umieszczane w gorących piecach w celu ich podgrzania lub zimne płyty przechodzą przez różne strefy grzewcze pieca przepychowego. Ze względu na wysokie tak zwane promieniowanie tła gorącej ściany pieca, które jest odbijane przez mierzony obiekt, a tym samym również wykrywane przez pirometr, pirometr zawsze wskazuje zbyt wysoką temperaturę. Im bardziej temperatura przedmiotu obrabianego jest zbliżona do temperatury pieca, tym mniejszy jest efekt interferencji. Najskuteczniejszym rozwiązaniem eliminującym promieniowanie tła jest zastosowanie rur celowniczych chłodzonych wodą. Wiąże się to jednak z wysokimi kosztami inwestycyjnymi i stałymi kosztami operacyjnymi. Ponadto instalacja rurki wewnątrz pieca, która rozciąga się prawie do przedmiotu obrabianego, może być trudna lub niemożliwa ze względów konstrukcyjnych.

Z tego powodu urządzenia są często używane bez rurki wziernikowej, wiedząc doskonale, że pomiar będzie mniej lub bardziej nieprawidłowy. Wpływ promieniowania tła można zmniejszyć, jeśli temperatura tła promieniowania jest mierzona oddzielnie za pomocą termopary lub drugiego pirometru, a odbite promieniowanie interferencyjne w pirometrze jest korygowane za pomocą obliczeń. Korekta ta może być obarczona niepewnością, zwłaszcza jeśli emisyjność obiektu jest niewielka, podlega wahaniom lub nie jest dokładnie znana.

Jeśli zasada "Mierz jak najkrótsze fale" ma zastosowanie do obiektów metalowych ze względów fizycznych w celu zminimalizowania wpływu emisyjności, zasada ta jest dokładnie odwrotna w przypadku pomiaru zimniejszych obiektów w gorącej atmosferze.

Promieniowanie tła ma mniejszy wpływ na urządzenie mierzące dłuższe fale. Z drugiej strony, emisyjność ε metali jest mniejsza, a zatem współczynnik odbicia σ jest większy (ε + σ = 1) przy większej czułości widmowej długości fali. To z kolei prowadzi do większej zależności wpływu interferencyjnego promieniowania gorącego pieca od zmieniającej się emisyjności. Producenci zalecają zatem stosowanie urządzeń o czułości spektralnej w zakresie 1 - 2 μm, aby osiągnąć najlepszy kompromis.

Rodzi to również pytanie, jak zachowuje się pirometr ilorazowy podczas pomiaru zimniejszych obiektów w gorącej atmosferze. Zasadniczo pirometr ilorazowy zachowuje się podobnie do pirometru spektralnego. Wykrywa on zarówno obiekt, jak i promieniowanie odbite od ściany pieca. Pirometr ilorazowy reaguje mniej czule, jeśli wziernik jest zabrudzony lub jeśli pył i dym znajdują się w polu widzenia pirometru. Reakcja na zmieniające się poziomy emisji jest bardzo zależna od lokalnych warunków i dlatego jest trudna do oszacowania. Zaleca się równoległe rejestrowanie i ocenę zarówno temperatury ilorazowej, jak i widmowej podczas uruchamiania lub na stałe, aby móc przeprowadzić wszelkie analizy. Nowoczesne pirometry ilorazowe oferują w tym celu dwa wyjścia analogowe, dzięki czemu zmierzone wartości ilorazu i temperatury widmowej mogą być rejestrowane bezpośrednio przez sterownik. Kolejną zaletą pirometru ilorazowego jest możliwość analizy siły sygnału jako wskaźnika właściwości promieniowania mierzonego obiektu (rys. 8).

Ze względu na ekstremalne warunki pomiarowe powodowane przez pył, opary i dym, pirometry wskaźnikowe są korzystne do stosowania w elektrowniach i instalacjach spalania pod względem technologii pomiarowej i bezpieczeństwa. Pirometr wykrywa promieniowanie obiektów znajdujących się w polu pomiarowym. W instalacji spalania, odbierana energia jest wypromieniowywana zarówno z gorących cząstek w strumieniu powietrza, jak i z przeciwległej ściany. Zmierzona wartość zależy od gęstości cząstek, niejednorodności rozkładu temperatury i temperatury przeciwległej ściany. Jeśli ściana jest znacznie chłodniejsza niż cząstki w przepływie powietrza z powodu rur wymiennika ciepła, pirometr spektralny rejestruje zbyt niską temperaturę, która waha się w zależności od warunków obciążenia z powodu uśredniania. W tym miejscu ponownie pojawia się zaleta pirometru stosunkowego w zakresie efektu częściowego oświetlenia i wykrywania wartości maksymalnej. W porównaniu do powszechnie stosowanych termopar, pirometry ilorazowe są zatem prawdziwą alternatywą, ponieważ nie podlegają zużyciu ani dryftowi związanemu z wiekiem. Pirometry ilorazowe są jednak bardzo wrażliwe na płomienie w polu widzenia. Należy to wziąć pod uwagę przy wyborze miejsca instalacji.

Wiarygodność pomiaru można sprawdzić, wyświetlając siłę sygnału. Ze względu na często małe otwory pieca o średnicy 20 - 30 mm i grubości ścianek 200 - 400 mm, należy stosować urządzenia optyczne o wysokiej rozdzielczości i dobrych właściwościach obrazowania, aby uniknąć zwężenia pola pomiarowego. Osie geometryczne i optyczne powinny być również identyczne, a zatem urządzenie powinno być wolne od paralaksy, aby zapobiec "mrużeniu" urządzenia. W zależności od wymaganego sprzętu i dostępności miejsca instalacji, stosuje się kompaktowe urządzenia lub pirometry ze wspomaganiem obserwacji w postaci przezroczystej soczewki lub kamery wideo, aby móc łatwo i szybko sprawdzić wyrównanie i wolną aperturę podczas uruchamiania i podczas pracy.

Z punktu widzenia bezpieczeństwa zaleca się również stosowanie monitorowania zanieczyszczenia pirometrów wskaźnikowych w celu automatycznego generowania alarmu w przypadku nadmiernego zanieczyszczenia lub zarośnięcia otworu pieca.

Śruby przechodzą przez piec grzewczy, zanim zostaną następnie wciśnięte w kształtki. Aby osiągnąć stałą jakość, temperatura musi być kontrolowana. W systemach nagrzewania indukcyjnego pirometry są zwykle używane do pomiaru temperatury przechodzącego przedmiotu obrabianego bezpośrednio za piecem indukcyjnym w milisekundach i z bezpiecznej odległości. Temperatura jest wykorzystywana jako zmienna kontrolna do sterowania procesem i sortowania kęsów, których temperatura wykracza poza dopuszczalny zakres (Rys. 9).

Do pomiaru temperatury wykorzystywane są zarówno pirometry spektralne, jak i stosunkowe. Urządzenia są montowane w większych odległościach 600-1200 mm. Pomoc celownicza w postaci optyki przelotowej lub światła pilotującego jest obowiązkowa. Jest to jedyny sposób na ustawienie prawidłowej odległości ogniskowania i dokładnego wyrównania w celu zminimalizowania błędów pomiarowych spowodowanych wpływami optycznymi.

Szczególnie w przypadku urządzeń ze stałą odległością ogniskowania, nie zawsze można ją dokładnie utrzymać ze względu na konstrukcję maszyny. Jeśli urządzenia są zamontowane na stałe, a średnica śruby zmienia się, odległość pomiarowa i tak się zmienia, więc urządzenia czasami nie są obsługiwane w odległości ogniskowania.

W przypadku urządzeń z optyką z możliwością ogniskowania, odległość pomiarowa często nie jest ustawiona prawidłowo, jak pokazuje praktyka. Ponowna regulacja przy zmianie średnicy śruby prawie nigdy nie jest przeprowadzana, więc urządzenia te są również wielokrotnie używane poza punktem ogniskowania.

Pirometr z oświetleniem pilotującym reaguje znacznie mniej wrażliwie na zmiany odległości pomiarowej, średnicy śruby lub gdy urządzenia są używane poza zakresem ogniskowej, jak opisano na początku, do pewnych granic i dlatego jest korzystny dla takich zastosowań w porównaniu z pirometrem spektralnym.

W związku z tym zaleca się stosowanie kompaktowych pirometrów ze światłem pilotującym (rys. 10), aby optymalnie spełnić dwa podstawowe wymagania zadania pomiarowego: a) w dużej mierze niezależny od odległości i niezawodny pomiar oraz b) prosta kontrola wyrównania.

W przypadku procesów produkcyjnych z temperaturami powyżej 300 °C, pirometry z opisanymi zaletami są więcej niż alternatywą dla uzyskania wiarygodnych i stabilnych wartości pomiarowych ze względu na środowisko i konstrukcję. Dodatkowa cena wynosząca około 30% w porównaniu z pirometrem spektralnym o porównywalnych cechach to dobrze wydane pieniądze, które szybko się zwracają dzięki zmniejszeniu nakładu pracy związanej z ręczną kontrolą i ograniczeniu produkcji wadliwych części. W ekstremalnych warunkach pomiarowych spowodowanych ciężką parą, brudem i kurzem, zalety metrologiczne pirometru proporcji wyraźnie się ujawniają. W przypadku zastosowań, w których emisyjność mierzonych obiektów może się zmieniać, zaleca się sprawdzenie wiarygodności pomiaru przy użyciu metody pomiaru ilorazowego.

Producenci urządzeń mogą jedynie zalecić wykorzystanie dodatkowych opcji ochrony i analizy pirometru ilorazowego w celu zwiększenia niezawodności procesu i uzyskania wglądu w dodatkowe informacje o temperaturze.