Pomiar temperatury można podzielić na dwie kategorie: pomiar kontaktowy i bezdotykowy. W praktyce termopary i czujniki Pt 100 są najczęściej stosowanymi przedstawicielami pierwszej grupy. Muszą one dotykać mierzonego obiektu i zasadniczo mierzą własną temperaturę, dostosowaną do temperatury obiektu. Powoduje to stosunkowo powolną reakcję. Czujniki bezkontaktowe mierzą energię podczerwoną (IR) emitowaną przez obiekt, charakteryzują się szybkim czasem reakcji i są często stosowane do pomiaru obiektów ruchomych, a także obiektów znajdujących się w próżni lub niedostępnych z innych powodów.
Termometry na podczerwień lub pirometry to zaawansowane czujniki, które znalazły szerokie zastosowanie w badaniach naukowych i przemyśle. Niniejszy artykuł w przystępny sposób opisuje teorię, na której opiera się ta zasada pomiaru, oraz sposób, w jaki teoria ta może pomóc w radzeniu sobie z różnymi parametrami specyficznymi dla danego zastosowania, z którymi potencjalni użytkownicy mają do czynienia.
Podstawy pomiaru temperatury w podczerwieni
Wprowadzenie
Abb. 1 Widmo elektromagnetyczne
Teoria i podstawy
Promieniowanie podczerwone zostało odkryte w 1666 roku przez Sir Isaaca Newtona, który przepuścił światło słoneczne przez pryzmat i rozdzielił je na kolory tęczy. W 1880 roku Sir William Herschel zrobił kolejny krok, określając względną energię poszczególnych kolorów. Odkrył również energię poza widzialnym spektrum. Na początku XX wieku Planck, Stefan, Boltzmann, Wien i Kirchhoff zdefiniowali dalsze działania widma elektromagnetycznego i ustalili dane ilościowe oraz równania opisujące energię podczerwieni.
Termometry na podczerwień mierzą temperaturę poprzez pomiar promieniowania podczerwonego emitowanego przez wszystkie materiały i obiekty o temperaturze powyżej zera bezwzględnego (0° Kelvina). W najprostszej konstrukcji soczewka skupia energię podczerwieni na detektorze, który przekształca energię w sygnał elektryczny. Po skompensowaniu temperatury otoczenia, sygnał ten może zostać wyświetlony. Taka konfiguracja umożliwia pomiar temperatury z pewnej odległości i bez kontaktu z mierzonym obiektem. Dzięki temu termometr na podczerwień nadaje się do zadań pomiarowych, w których termopary lub inne czujniki nie mogą być używane lub zapewniają niedokładne wyniki. Niektóre typowe przykłady to pomiary ruchomych lub bardzo małych obiektów, części pod napięciem lub agresywnych chemikaliów, pomiary w silnych polach elektromagnetycznych, pomiary obiektów w próżni lub innych zamkniętych środowiskach oraz zastosowania, w których wymagany jest szybki czas reakcji.
Pierwsze projekty termometrów na podczerwień istniały od XIX wieku. Niektóre koncepcje zostały wprowadzone przez Charlesa A. Darlinga w jego książce "Pirometria", która została opublikowana w 1911 roku.
Dopiero w 1930 roku dostępna była technologia umożliwiająca zastosowanie tych koncepcji w praktyce. Od tego czasu przyrządy te podlegały ciągłemu rozwojowi, w trakcie którego zdobyto rozległą wiedzę i doświadczenie w ich stosowaniu. Obecnie koncepcja ta stała się standardową metodą pomiarową i jest stosowana w przemyśle i badaniach naukowych.
Termometry na podczerwień mierzą temperaturę poprzez pomiar promieniowania podczerwonego emitowanego przez wszystkie materiały i obiekty o temperaturze powyżej zera bezwzględnego (0° Kelvina). W najprostszej konstrukcji soczewka skupia energię podczerwieni na detektorze, który przekształca energię w sygnał elektryczny. Po skompensowaniu temperatury otoczenia, sygnał ten może zostać wyświetlony. Taka konfiguracja umożliwia pomiar temperatury z pewnej odległości i bez kontaktu z mierzonym obiektem. Dzięki temu termometr na podczerwień nadaje się do zadań pomiarowych, w których termopary lub inne czujniki nie mogą być używane lub zapewniają niedokładne wyniki. Niektóre typowe przykłady to pomiary ruchomych lub bardzo małych obiektów, części pod napięciem lub agresywnych chemikaliów, pomiary w silnych polach elektromagnetycznych, pomiary obiektów w próżni lub innych zamkniętych środowiskach oraz zastosowania, w których wymagany jest szybki czas reakcji.
Pierwsze projekty termometrów na podczerwień istniały od XIX wieku. Niektóre koncepcje zostały wprowadzone przez Charlesa A. Darlinga w jego książce "Pirometria", która została opublikowana w 1911 roku.
Dopiero w 1930 roku dostępna była technologia umożliwiająca zastosowanie tych koncepcji w praktyce. Od tego czasu przyrządy te podlegały ciągłemu rozwojowi, w trakcie którego zdobyto rozległą wiedzę i doświadczenie w ich stosowaniu. Obecnie koncepcja ta stała się standardową metodą pomiarową i jest stosowana w przemyśle i badaniach naukowych.
Zasada pomiaru
Jak już wspomniano, wszystkie ciała o temperaturze powyżej 0°K emitują energię podczerwoną. Promieniowanie podczerwone to część widma elektromagnetycznego znajdująca się pomiędzy światłem widzialnym a falami radiowymi. Długość fali promieniowania podczerwonego wynosi od 0,7 µm do 1000 µm, jak pokazano na rysunku 1. W praktyce jednak tylko fale o długości od 0,7 do 20 µm z tego zakresu częstotliwości nadają się do pomiaru temperatury. Obecnie nie ma dostępnych detektorów, które byłyby wystarczająco czułe, aby zmierzyć niewielkie ilości energii emitowanej powyżej długości fali 20 µm. Energia wzrasta proporcjonalnie do czwartej potęgi temperatury.
Krzywa (Rysunek 2) pokazuje energię emitowaną przez ciało doskonale czarne w zakresie temperatur od 700 K do 1300 K. Jak widać, większość z nich znajduje się poza zakresem widzialnym Promieniowanie podczerwone nie jest wyczuwalne dla ludzkiego oka, ale nadal warto myśleć o tym promieniowaniu jak o świetle widzialnym, aby zrozumieć zasadę działania i kwestie, które pojawiają się w zastosowaniach.
Pod wieloma względami promieniowanie podczerwone zachowuje się jak światło widzialne. Promieniowanie podczerwone przemieszcza się w linii prostej od źródła promieniowania i może być odbijane lub pochłaniane przez obiekty znajdujące się na drodze wiązki. W przypadku większości obiektów, które nie są przezroczyste dla ludzkiego oka, promieniowanie podczerwone jest częściowo odbijane, a częściowo pochłaniane przez obiekt. Część pochłoniętej energii jest odbijana wewnętrznie, a część ponownie emitowana. Dotyczy to również obiektów przezroczystych dla ludzkiego oka, takich jak szkło, gazy i cienka przezroczysta folia z tworzywa sztucznego. Ponadto część promieniowania przenika przez obiekt. Rysunek 3 ilustruje te procesy. Łącznie procesy te składają się na to, co nazywamy współczynnikiem emisji obiektu lub materiału.
Krzywa (Rysunek 2) pokazuje energię emitowaną przez ciało doskonale czarne w zakresie temperatur od 700 K do 1300 K. Jak widać, większość z nich znajduje się poza zakresem widzialnym Promieniowanie podczerwone nie jest wyczuwalne dla ludzkiego oka, ale nadal warto myśleć o tym promieniowaniu jak o świetle widzialnym, aby zrozumieć zasadę działania i kwestie, które pojawiają się w zastosowaniach.
Pod wieloma względami promieniowanie podczerwone zachowuje się jak światło widzialne. Promieniowanie podczerwone przemieszcza się w linii prostej od źródła promieniowania i może być odbijane lub pochłaniane przez obiekty znajdujące się na drodze wiązki. W przypadku większości obiektów, które nie są przezroczyste dla ludzkiego oka, promieniowanie podczerwone jest częściowo odbijane, a częściowo pochłaniane przez obiekt. Część pochłoniętej energii jest odbijana wewnętrznie, a część ponownie emitowana. Dotyczy to również obiektów przezroczystych dla ludzkiego oka, takich jak szkło, gazy i cienka przezroczysta folia z tworzywa sztucznego. Ponadto część promieniowania przenika przez obiekt. Rysunek 3 ilustruje te procesy. Łącznie procesy te składają się na to, co nazywamy współczynnikiem emisji obiektu lub materiału.
Abb. 2 Właściwości promieniowania ciał czarnych
Abb. 3 Wymiana ciepła i promieniowanie
Podobnie jak w przypadku światła widzialnego, im bardziej wypolerowana jest powierzchnia, tym więcej energii odbija. Wykończenie powierzchni wpływa zatem również na współczynnik emisji. Podczas pomiaru temperatury jest to szczególnie ważne w przypadku obiektów nieprzepuszczających promieniowania podczerwonego i o niskim współczynniku emisji. Obiekt wykonany z polerowanej stali nierdzewnej ma znacznie niższy współczynnik emisji niż ten sam obiekt o chropowatej powierzchni. Po obróbce skrawaniem, np. po toczeniu, chropowaty obiekt ma wiele małych rowków i nieregularności, które znacznie zmniejszają współczynnik odbicia przedmiotu obrabianego.
Prawo zachowania energii stanowi, że suma współczynników transmitowanej, odbitej i emitowanej (pochłanianej) energii podczerwieni musi być równa 1.
σλ + αλ + τλ = 1
Ponadto, współczynnik emisji jest równy współczynnikowi absorpcji:
ελ = αλ
obowiązuje następująca zasada:
ελ = 1 - σλ+ τλ
Prawo zachowania energii stanowi, że suma współczynników transmitowanej, odbitej i emitowanej (pochłanianej) energii podczerwieni musi być równa 1.
σλ + αλ + τλ = 1
Ponadto, współczynnik emisji jest równy współczynnikowi absorpcji:
ελ = αλ
obowiązuje następująca zasada:
ελ = 1 - σλ+ τλ
Abb. 4 Porównanie czarnego ciała, szarego ciała i kolorowych reflektorów
Współczynnik ten może być wykorzystany w równaniu Plancka jako zmienna opisująca właściwości powierzchni w odniesieniu do długości fali. W przypadku obiektów nieprzezroczystych równanie można uprościć w następujący sposób:
ελ = 1 - σλ
Obiekty, które nie odbijają ani nie przepuszczają promieniowania podczerwonego, nazywane są ciałami czarnymi. Naturalne ciało doskonale czarne nie jest znane. Dla celów teoretycznych i do obliczania innych obiektów, ciało doskonale czarne ma współczynnik emisji równy 1,0. W praktyce najlepsze przybliżenie prawdziwego ciała doskonale czarnego uzyskuje się przy użyciu nieprzepuszczalnej dla promieniowania podczerwonego kuli z małym, cylindrycznym otworem wejściowym. Wewnętrzna powierzchnia takiego obiektu ma współczynnik emisji 0,998.
Współczynnik emisji jest miarą stosunku promieniowania cieplnego emitowanego przez ciało szare i ciało czarne w tej samej temperaturze. Ciało szare to obiekt, który ma taki sam współczynnik emisji przy wszystkich długościach fal i emituje mniej promieniowania podczerwonego niż ciało czarne. Promiennik Bund to obiekt, którego współczynnik emisji zmienia się wraz z długością fali, jak ma to miejsce na przykład w przypadku metali.
ελ = 1 - σλ
Obiekty, które nie odbijają ani nie przepuszczają promieniowania podczerwonego, nazywane są ciałami czarnymi. Naturalne ciało doskonale czarne nie jest znane. Dla celów teoretycznych i do obliczania innych obiektów, ciało doskonale czarne ma współczynnik emisji równy 1,0. W praktyce najlepsze przybliżenie prawdziwego ciała doskonale czarnego uzyskuje się przy użyciu nieprzepuszczalnej dla promieniowania podczerwonego kuli z małym, cylindrycznym otworem wejściowym. Wewnętrzna powierzchnia takiego obiektu ma współczynnik emisji 0,998.
Współczynnik emisji jest miarą stosunku promieniowania cieplnego emitowanego przez ciało szare i ciało czarne w tej samej temperaturze. Ciało szare to obiekt, który ma taki sam współczynnik emisji przy wszystkich długościach fal i emituje mniej promieniowania podczerwonego niż ciało czarne. Promiennik Bund to obiekt, którego współczynnik emisji zmienia się wraz z długością fali, jak ma to miejsce na przykład w przypadku metali.
Różne materiały mają również różne współczynniki emisji, a zatem emitują promieniowanie podczerwone z różną intensywnością w danej temperaturze. Zwykle nie jest to funkcja koloru, chyba że materiał farby wyraźnie różni się od materiału obiektu. Przykładem przypadku, w którym jest to prawdą, jest farba z efektem metalu, która zawiera duże ilości cząstek aluminium. Większość farb ma ten sam współczynnik emisji, niezależnie od odcienia koloru. Aluminium, z drugiej strony, ma bardzo różny współczynnik emisji, co skutkuje innym współczynnikiem emisji dla farby z efektem metalu.
Oprócz składu i struktury powierzchni obiektu, trzeci czynnik ma pośredni wpływ na współczynnik emisji: zakres widmowy czujnika. Nie ma on bezpośredniego wpływu na obiekt, ale na sposób, w jaki czujnik odbiera widmo emitowane przez obiekt.
Materiały, które są częściowo przezroczyste, takie jak szkło, tworzywa sztuczne lub silikon, mogą być mierzone w zakresie w połączeniu z odpowiednimi filtrami selektywnymi.
Oprócz składu i struktury powierzchni obiektu, trzeci czynnik ma pośredni wpływ na współczynnik emisji: zakres widmowy czujnika. Nie ma on bezpośredniego wpływu na obiekt, ale na sposób, w jaki czujnik odbiera widmo emitowane przez obiekt.
Materiały, które są częściowo przezroczyste, takie jak szkło, tworzywa sztuczne lub silikon, mogą być mierzone w zakresie w połączeniu z odpowiednimi filtrami selektywnymi.
Rys. 5 Współczynnik emisji różnych materiałów w zależności od długości fali
Z poprzednich akapitów jasno wynika, że współczynnik emisji jest szczególnie ważnym parametrem w pomiarach temperatury w podczerwieni. Dopóki współczynnik emisji mierzonego obiektu nie jest dokładnie znany i uwzględniony w pomiarze, jest bardzo mało prawdopodobne, że uzyskane wartości pomiarowe będą dokładne. Istnieją zasadniczo dwa sposoby określania współczynnika emisji. Współczynnik emisji można pobrać z tabel lub określić za pomocą pomiaru porównawczego. Jednakże, ponieważ dane w tabelach są zazwyczaj określane w wyidealizowanych warunkach laboratoryjnych, wpływy środowiskowe, które powodują ogromne odchylenia, zwłaszcza przy niskich współczynnikach, nie są brane pod uwagę. Temperatura pomiaru i długość fali pomiarowej również nie są określone w tabelach. Jako pierwsze przybliżenie, wartość tabelaryczna jest z pewnością bardzo pomocna. W przypadku pomiaru porównawczego obiekt pomiarowy jest mierzony za pomocą termopary lub innego czujnika temperatury, aby następnie ustawić współczynnik emisji na termometrze na podczerwień tak, aby wyświetlał tę samą temperaturę. Z reguły większość nieprzezroczystych, niemetalicznych materiałów ma wysoki i stosunkowo stabilny współczynnik emisji od 0,85 do 0,95. W przypadku większości nieutlenionych materiałów metalicznych współczynnik emisji mieści się w zakresie od 0,2 do 0,5, z wyjątkiem złota, srebra i aluminium, które mają jeszcze niższy współczynnik emisji. Temperatura tych metali jest zatem trudna do zmierzenia za pomocą termometrów na podczerwień, ponieważ składowa odbicia promieniowania otoczenia jest tego samego rzędu wielkości lub wyższa niż promieniowanie obiektu.
Podczas gdy prawie zawsze możliwe jest określenie współczynnika emisji materiału, problemy pojawiają się, gdy materiał nie ma stałego współczynnika emisji, ale zamiast tego zmienia się wraz z temperaturą. Dotyczy to większości metali, ale także niektórych innych materiałów, takich jak krzem lub monokrystaliczna ceramika o wysokiej czystości. W tym przypadku pomiar porównawczy i regulacja powinny być przeprowadzane w temperaturze krytycznej dla procesu.
Równania i wzory, na których opiera się pomiar temperatury, są znane i sprawdzone od dłuższego czasu. Jest mało prawdopodobne, że użytkownik będzie musiał korzystać z tych wzorów w codziennej pracy z termometrami na podczerwień. Jednak znajomość tych podstaw pozwala lepiej zrozumieć, w jaki sposób niektóre zmienne i parametry wpływają na siebie nawzajem. Najważniejsze wzory to:
1. Prawo promieniowania Kirchhoffa
Przy danej temperaturze T i długości fali l, emisyjność e jest równa absorpcyjności
e = α
Z tego wynika, że strumień promieniowania øλ rzeczywistego obiektu jest równy strumieniowi ciała doskonale czarnego øs w tej samej temperaturze pomnożonemu przez emisyjność obiektu
øλ = ε * øs
2. Prawo Stefana-Boltzmanna
Im wyższa temperatura T obiektu, tym większa moc promieniowania P jest emitowana dla danej emisyjności ε i powierzchni promieniującej A (k = stała)
P = k*ε*A*T4
3. Prawo przesunięcia Wiena
Długość fali, przy której znajduje się maksimum promieniowania energetycznego, przesuwa się do zakresu fal krótkich wraz ze wzrostem temperatury.
λmax = 2.89 * 103 μmK/T
4. Równanie Plancka
Równanie to opisuje zależność między długością fali, temperaturą T i mocą promieniowania
Podczas gdy prawie zawsze możliwe jest określenie współczynnika emisji materiału, problemy pojawiają się, gdy materiał nie ma stałego współczynnika emisji, ale zamiast tego zmienia się wraz z temperaturą. Dotyczy to większości metali, ale także niektórych innych materiałów, takich jak krzem lub monokrystaliczna ceramika o wysokiej czystości. W tym przypadku pomiar porównawczy i regulacja powinny być przeprowadzane w temperaturze krytycznej dla procesu.
Równania i wzory, na których opiera się pomiar temperatury, są znane i sprawdzone od dłuższego czasu. Jest mało prawdopodobne, że użytkownik będzie musiał korzystać z tych wzorów w codziennej pracy z termometrami na podczerwień. Jednak znajomość tych podstaw pozwala lepiej zrozumieć, w jaki sposób niektóre zmienne i parametry wpływają na siebie nawzajem. Najważniejsze wzory to:
1. Prawo promieniowania Kirchhoffa
Przy danej temperaturze T i długości fali l, emisyjność e jest równa absorpcyjności
e = α
Z tego wynika, że strumień promieniowania øλ rzeczywistego obiektu jest równy strumieniowi ciała doskonale czarnego øs w tej samej temperaturze pomnożonemu przez emisyjność obiektu
øλ = ε * øs
2. Prawo Stefana-Boltzmanna
Im wyższa temperatura T obiektu, tym większa moc promieniowania P jest emitowana dla danej emisyjności ε i powierzchni promieniującej A (k = stała)
P = k*ε*A*T4
3. Prawo przesunięcia Wiena
Długość fali, przy której znajduje się maksimum promieniowania energetycznego, przesuwa się do zakresu fal krótkich wraz ze wzrostem temperatury.
λmax = 2.89 * 103 μmK/T
4. Równanie Plancka
Równanie to opisuje zależność między długością fali, temperaturą T i mocą promieniowania
Koncepcja termometrów na podczerwień
Termometr na podczerwień zasadniczo składa się z następujących bloków funkcjonalnych:
1. Soczewka, która skupia energię emitowaną przez obiekt.
2. Detektor, który przekształca energię promieniowania w sygnał elektryczny.
3. Regulacja współczynnika emisji w celu dopasowania termometru do właściwości mierzonego obiektu.
4.Kompensacja temperatury otoczenia, która zapobiega uwzględnieniu temperatury termometru w sygnale wyjściowym.
Przez wiele lat większość dostępnych na rynku termometrów na podczerwień była zgodna z tą koncepcją. Miały one ograniczone zastosowania i z perspektywy czasu nie zapewniały zadowalających wyników pomiarów. Według ówczesnych standardów były one jednak całkowicie odpowiednie i bardzo wytrzymałe.
1. Soczewka, która skupia energię emitowaną przez obiekt.
2. Detektor, który przekształca energię promieniowania w sygnał elektryczny.
3. Regulacja współczynnika emisji w celu dopasowania termometru do właściwości mierzonego obiektu.
4.Kompensacja temperatury otoczenia, która zapobiega uwzględnieniu temperatury termometru w sygnale wyjściowym.
Przez wiele lat większość dostępnych na rynku termometrów na podczerwień była zgodna z tą koncepcją. Miały one ograniczone zastosowania i z perspektywy czasu nie zapewniały zadowalających wyników pomiarów. Według ówczesnych standardów były one jednak całkowicie odpowiednie i bardzo wytrzymałe.
Abb. 6 Schemat blokowy termometru na podczerwień
Nowoczesne termometry na podczerwień opierają się na tej podstawowej koncepcji, ale z czasem zostały znacznie udoskonalone. Najważniejsze różnice polegają na zastosowaniu różnych typów detektorów, selektywnego filtrowania sygnału podczerwieni, linearyzacji i wzmocnienia sygnału detektora oraz znormalizowanych sygnałów wyjściowych temperatury, takich jak 4-20 mA lub 0-10 V DC. Rysunek 6 przedstawia schemat blokowy nowoczesnego pirometru na podczerwień.
Prawdopodobnie najbardziej znaczący postęp w pomiarach temperatury w podczerwieni został osiągnięty dzięki wprowadzeniu selektywnych filtrów promieniowania podczerwonego. Umożliwiło to zastosowanie bardziej czułych detektorów i bardziej stabilnych wzmacniaczy sygnału. Podczas gdy wczesne termometry IR były zależne od szerokiego spektrum podczerwieni w celu uzyskania użytecznego sygnału wyjściowego detektora, szerokość pasma 1 μm lub więcej jest całkowicie wystarczająca dla nowoczesnych detektorów. Potrzeba zawężenia widma i wybrania określonych długości fal wynika z faktu, że pomiary często muszą być wykonywane przez medium, którego temperatura nie powinna być uwzględniana w pomiarze ze względu na zawartość węgla lub wodoru. Ponadto czasami konieczne jest zmierzenie temperatury obiektów lub gazów, które są przepuszczalne w szerokim zakresie widma podczerwieni. Oto kilka przykładów selektywnego ograniczenia widma:
- 8 - 14 μm: Wpływ wilgotności powietrza jest również wykluczony na większych odległościach.
- 7,9 μm: Umożliwia pomiar cienkich folii z tworzyw sztucznych, które są przepuszczalne dla podczerwieni w szerokim zakresie.
- 3,86 μm: Zakłócenia CO2 i pary wodnej w płomieniach i spalinach są skutecznie tłumione.
Prawdopodobnie najbardziej znaczący postęp w pomiarach temperatury w podczerwieni został osiągnięty dzięki wprowadzeniu selektywnych filtrów promieniowania podczerwonego. Umożliwiło to zastosowanie bardziej czułych detektorów i bardziej stabilnych wzmacniaczy sygnału. Podczas gdy wczesne termometry IR były zależne od szerokiego spektrum podczerwieni w celu uzyskania użytecznego sygnału wyjściowego detektora, szerokość pasma 1 μm lub więcej jest całkowicie wystarczająca dla nowoczesnych detektorów. Potrzeba zawężenia widma i wybrania określonych długości fal wynika z faktu, że pomiary często muszą być wykonywane przez medium, którego temperatura nie powinna być uwzględniana w pomiarze ze względu na zawartość węgla lub wodoru. Ponadto czasami konieczne jest zmierzenie temperatury obiektów lub gazów, które są przepuszczalne w szerokim zakresie widma podczerwieni. Oto kilka przykładów selektywnego ograniczenia widma:
- 8 - 14 μm: Wpływ wilgotności powietrza jest również wykluczony na większych odległościach.
- 7,9 μm: Umożliwia pomiar cienkich folii z tworzyw sztucznych, które są przepuszczalne dla podczerwieni w szerokim zakresie.
- 3,86 μm: Zakłócenia CO2 i pary wodnej w płomieniach i spalinach są skutecznie tłumione.
Zakres temperatur odgrywa ważną rolę w wyborze najbardziej odpowiedniej długości fali do pomiaru. Równanie Plancka pokazuje, jak pokazano na rysunku 2 dla ciała doskonale czarnego, że maksimum krzywej promieniowania przesuwa się w kierunku zakresu fal krótkich wraz ze wzrostem temperatury. Nawet w zastosowaniach, w których nie jest wymagany selektywny wybór zakresu widmowego, korzystne może być ograniczenie zakresu widmowego do możliwie wąskiego odcinka fal krótkich. Jedną z zalet jest to, że efektywny współczynnik emisji wielu obiektów jest najwyższy dla metali o krótszych długościach fal. Ponadto ograniczenie to ma korzystny wpływ na dokładność, ponieważ na czujniki o wąskim zakresie widmowym mniejszy wpływ mają zmiany współczynnika emisji mierzonego obiektu, jak widać na rysunku 7.
Rys. 7 Zależność nieprawidłowo ustawionego współczynnika emisyjności dla różnych długości fal
Konstruktywne projektowanie
Termometry na podczerwień są produkowane w różnych konfiguracjach, które różnią się pod względem optyki, elektroniki, technologii, rozmiaru i obudowy. Wspólny jest jednak łańcuch przetwarzania sygnału, który zaczyna się od sygnału IR, a kończy na elektronicznym sygnale wyjściowym. Ten ogólny łańcuch pomiarowy rozpoczyna się od układu optycznego składającego się z soczewek i/lub światłowodów, filtrów i detektora.
Z punktu widzenia zastosowania, pole widzenia jest podstawową cechą optyki, tj. jak duża jest plamka pomiarowa w danej odległości. Stosunek odległości pomiarowej do średnicy plamki pomiarowej jest opisywany przez współczynnik odległości. W praktyce można dokonać wyboru między pirometrami ze stałą ogniskową i optyką z możliwością ogniskowania. Urządzenia ze stałą optyką skupiają się tylko na obiekcie w punkcie ogniskowym. Przy innych odległościach pomiarowych średnica plamki pomiarowej wzrasta nieproporcjonalnie do obliczonego stosunku odległości. Taka optyka nadaje się przede wszystkim do dużych obiektów. W przypadku małych obiektów lub większych odległości pomiarowych zalecane jest stosowanie optyki z możliwością ogniskowania. Ze względu na możliwość regulacji odległości pomiarowej, pirometry z optyką ogniskującą mogą być używane znacznie bardziej elastycznie.
Podczas określania i porównywania średnicy plamki pomiarowej ważne jest, aby wiedzieć, do jakiego procentu mocy promieniowania odnosi się specyfikacja. Na przykład plamka pomiarowa oparta na 98% energii jest dwa razy większa niż średnica oparta na 90% mocy. Może to prowadzić do znacznych błędów pomiarowych, zwłaszcza w przypadku małych celów o tym samym rozmiarze co punkt pomiarowy pirometru.
Innym aspektem optyki jest celowanie w cel. W urządzeniach bez celownika soczewka jest przymocowana do powierzchni i mierzy temperaturę powierzchni. Dotyczy to przede wszystkim czujników stacjonarnych, które są ustawione na wystarczająco dużych obiektach i gdzie precyzyjny pomiar nie jest wymagany. W przypadku mniejszych obiektów lub przyrządów mierzących na większych odległościach, niezbędny jest przyrząd celowniczy w postaci soczewki optycznej, plamki świetlnej lub wiązki laserowej.
Czułość pirometru jest określana przez zastosowanie szeregu różnych detektorów i filtrów. Jak widać na rysunku 8, detektory siarczku ołowiu oferują najwyższą czułość, a termopile najniższą. Większość detektorów działa zgodnie z zasadą fotoelektryczną (padające promieniowanie podczerwone wywołuje sygnał napięciowy) lub opiera się na fotoprzewodnictwie (padające promieniowanie podczerwone zmienia rezystancję).
Ze względu na niską energię promieniowania, w niskich temperaturach wymagane są odpowiednio szerokopasmowe zakresy widmowe, a zatem dłuższe długości fal pomiarowych. W wyższych temperaturach czułość jest znacznie zmniejszona przez filtry wąskopasmowe. Minimalizuje to zakłócenia zależne od długości fali.
Z punktu widzenia zastosowania, pole widzenia jest podstawową cechą optyki, tj. jak duża jest plamka pomiarowa w danej odległości. Stosunek odległości pomiarowej do średnicy plamki pomiarowej jest opisywany przez współczynnik odległości. W praktyce można dokonać wyboru między pirometrami ze stałą ogniskową i optyką z możliwością ogniskowania. Urządzenia ze stałą optyką skupiają się tylko na obiekcie w punkcie ogniskowym. Przy innych odległościach pomiarowych średnica plamki pomiarowej wzrasta nieproporcjonalnie do obliczonego stosunku odległości. Taka optyka nadaje się przede wszystkim do dużych obiektów. W przypadku małych obiektów lub większych odległości pomiarowych zalecane jest stosowanie optyki z możliwością ogniskowania. Ze względu na możliwość regulacji odległości pomiarowej, pirometry z optyką ogniskującą mogą być używane znacznie bardziej elastycznie.
Podczas określania i porównywania średnicy plamki pomiarowej ważne jest, aby wiedzieć, do jakiego procentu mocy promieniowania odnosi się specyfikacja. Na przykład plamka pomiarowa oparta na 98% energii jest dwa razy większa niż średnica oparta na 90% mocy. Może to prowadzić do znacznych błędów pomiarowych, zwłaszcza w przypadku małych celów o tym samym rozmiarze co punkt pomiarowy pirometru.
Innym aspektem optyki jest celowanie w cel. W urządzeniach bez celownika soczewka jest przymocowana do powierzchni i mierzy temperaturę powierzchni. Dotyczy to przede wszystkim czujników stacjonarnych, które są ustawione na wystarczająco dużych obiektach i gdzie precyzyjny pomiar nie jest wymagany. W przypadku mniejszych obiektów lub przyrządów mierzących na większych odległościach, niezbędny jest przyrząd celowniczy w postaci soczewki optycznej, plamki świetlnej lub wiązki laserowej.
Czułość pirometru jest określana przez zastosowanie szeregu różnych detektorów i filtrów. Jak widać na rysunku 8, detektory siarczku ołowiu oferują najwyższą czułość, a termopile najniższą. Większość detektorów działa zgodnie z zasadą fotoelektryczną (padające promieniowanie podczerwone wywołuje sygnał napięciowy) lub opiera się na fotoprzewodnictwie (padające promieniowanie podczerwone zmienia rezystancję).
Ze względu na niską energię promieniowania, w niskich temperaturach wymagane są odpowiednio szerokopasmowe zakresy widmowe, a zatem dłuższe długości fal pomiarowych. W wyższych temperaturach czułość jest znacznie zmniejszona przez filtry wąskopasmowe. Minimalizuje to zakłócenia zależne od długości fali.
Aby zoptymalizować reakcję systemów czujników podczerwieni, należy wziąć pod uwagę krzywą widmową detektora i jego charakterystykę.
Elektronika termometru na podczerwień linearyzuje sygnał wyjściowy detektora, aby ostatecznie wygenerować liniowy prąd 0 (4) - 20 mA lub sygnał napięciowy 0 (2) - 10 V. Linearyzacja jest obecnie często przeprowadzana przez oprogramowanie przy użyciu mikroprocesora.
Pozwala to na osiągnięcie większej dokładności przy większych zakresach pomiarowych w porównaniu do linearyzacji analogowej.
Sygnał może być również zdigitalizowany i wyprowadzony do interfejsu lub podany do kontrolera, wskaźnika lub rejestratora. W zależności od konfiguracji, termometry na podczerwień mają dodatkowe funkcje, takie jak alarmy, regulowana pamięć min/max dla pomiarów przerywanych, regulowane interwały pomiarowe i czasy reakcji, a także funkcje próbkowania i wstrzymywania.
Jak wspomniano na początku, zaletą bezkontaktowego pomiaru temperatury jest krótki czas reakcji. Detektory termoelektryczne dla urządzeń niskotemperaturowych osiągają czasy odpowiedzi rzędu 30 ms. Fotoelektryczne czujniki wysokotemperaturowe mają czas reakcji 2 ms.
Jeśli w aplikacji używany jest czujnik o krótkim czasie reakcji, inne elementy pętli sterowania muszą również umożliwiać odpowiednie prędkości przetwarzania lub uruchamiania.
Elektronika termometru na podczerwień linearyzuje sygnał wyjściowy detektora, aby ostatecznie wygenerować liniowy prąd 0 (4) - 20 mA lub sygnał napięciowy 0 (2) - 10 V. Linearyzacja jest obecnie często przeprowadzana przez oprogramowanie przy użyciu mikroprocesora.
Pozwala to na osiągnięcie większej dokładności przy większych zakresach pomiarowych w porównaniu do linearyzacji analogowej.
Sygnał może być również zdigitalizowany i wyprowadzony do interfejsu lub podany do kontrolera, wskaźnika lub rejestratora. W zależności od konfiguracji, termometry na podczerwień mają dodatkowe funkcje, takie jak alarmy, regulowana pamięć min/max dla pomiarów przerywanych, regulowane interwały pomiarowe i czasy reakcji, a także funkcje próbkowania i wstrzymywania.
Jak wspomniano na początku, zaletą bezkontaktowego pomiaru temperatury jest krótki czas reakcji. Detektory termoelektryczne dla urządzeń niskotemperaturowych osiągają czasy odpowiedzi rzędu 30 ms. Fotoelektryczne czujniki wysokotemperaturowe mają czas reakcji 2 ms.
Jeśli w aplikacji używany jest czujnik o krótkim czasie reakcji, inne elementy pętli sterowania muszą również umożliwiać odpowiednie prędkości przetwarzania lub uruchamiania.
Abb. 8 Krzywa spektralna różnych czujników
Pomiar monochromatyczny: pomiar temperatury przy jednej długości fali
Pomiar temperatury za pomocą pojedynczej długości fali mierzy energię emitowaną z powierzchni przy danej długości fali. Konstrukcje tych przyrządów obejmują zarówno przenośne sondy z prostym wyświetlaczem zewnętrznym, jak i zaawansowane przyrządy przenośne, w których temperatura jest wyświetlana w oknie, przez które oglądany jest obiekt. Dostępne są również funkcje pamięci i drukowania. Spektrum stacjonarnych czujników online waha się od prostych, małych detektorów z zewnętrzną elektroniką do solidnych i złożonych zespołów ze zintegrowanymi regulatorami PID. Światłowody, przezroczyste układy optyczne, laserowe urządzenia celownicze, systemy chłodzenia wodą i skanery to opcje stosowane w monitorowaniu i kontroli procesów. Ostatnio oferowane są nawet pirometry ze zintegrowaną kamerą wideo, dzięki czemu oprócz pomiaru możliwa jest optyczna kontrola punktu pomiarowego z pomieszczenia kontrolnego. Istnieją znaczne różnice pod względem rozmiaru, wydajności, wytrzymałości, elastyczności i przetwarzania sygnału.
Podczas planowania i projektowania aplikacji, konfiguracja czujnika, filtry, zakres temperatur, optyka, czas reakcji i współczynnik emisji są ważnymi kryteriami, które należy szczegółowo rozważyć.
Wybór zakresu widmowego IR i zakresu temperatur należy zawsze rozpatrywać w połączeniu z konkretnym zastosowaniem. Na podstawie krzywych spektralnych pokazanych na rysunku 2 można zauważyć, że krótkie długości fal lepiej nadają się do wysokich temperatur, podczas gdy niskie temperatury powinny być mierzone w dłuższym zakresie długości fal. Jeśli mierzone mają być obiekty przezroczyste, takie jak folie szklane lub plastikowe, wymagany jest wąskopasmowy filtr selektywny. Na przykład folia polietylenowa ma zakres absorpcji CH wynoszący 3,43 μm, przy którym jest nieprzepuszczalna dla promieniowania podczerwonego. Podobnie, wiele materiałów podobnych do szkła ma nieprzezroczysty zakres przy około 5 μm. Z kolei czujnik z filtrem w zakresie do 2 μm umożliwia pomiar przez szklaną szybę, na przykład w komorach próżniowych lub ciśnieniowych. Inną opcją pomiaru w komorach z ograniczonymi punktami pomiarowymi lub wysokimi temperaturami otoczenia jest zastosowanie kabli światłowodowych.
Pomiar temperatury w podczerwieni przy użyciu jednej długości fali jest zatem wszechstronną, ale prostą technologią, która jest wystarczająca do wielu zastosowań, w których kontrola temperatury produktu jest niezbędna dla zapewnienia stałej jakości produktu.
Podczas planowania i projektowania aplikacji, konfiguracja czujnika, filtry, zakres temperatur, optyka, czas reakcji i współczynnik emisji są ważnymi kryteriami, które należy szczegółowo rozważyć.
Wybór zakresu widmowego IR i zakresu temperatur należy zawsze rozpatrywać w połączeniu z konkretnym zastosowaniem. Na podstawie krzywych spektralnych pokazanych na rysunku 2 można zauważyć, że krótkie długości fal lepiej nadają się do wysokich temperatur, podczas gdy niskie temperatury powinny być mierzone w dłuższym zakresie długości fal. Jeśli mierzone mają być obiekty przezroczyste, takie jak folie szklane lub plastikowe, wymagany jest wąskopasmowy filtr selektywny. Na przykład folia polietylenowa ma zakres absorpcji CH wynoszący 3,43 μm, przy którym jest nieprzepuszczalna dla promieniowania podczerwonego. Podobnie, wiele materiałów podobnych do szkła ma nieprzezroczysty zakres przy około 5 μm. Z kolei czujnik z filtrem w zakresie do 2 μm umożliwia pomiar przez szklaną szybę, na przykład w komorach próżniowych lub ciśnieniowych. Inną opcją pomiaru w komorach z ograniczonymi punktami pomiarowymi lub wysokimi temperaturami otoczenia jest zastosowanie kabli światłowodowych.
Pomiar temperatury w podczerwieni przy użyciu jednej długości fali jest zatem wszechstronną, ale prostą technologią, która jest wystarczająca do wielu zastosowań, w których kontrola temperatury produktu jest niezbędna dla zapewnienia stałej jakości produktu.
Pomiar proporcji: pomiar temperatury przy dwóch lub więcej długościach fali
Biorąc pod uwagę, że współczynnik emisji odgrywa istotną rolę w dokładnym pomiarze temperatury za pomocą termometrów na podczerwień lub że na ścieżce wiązki znajdują się media pośrednie, nie jest zaskakujące, że naukowcy starają się opracować czujniki, które mogą mierzyć temperaturę niezależnie od tych zakłóceń. Powszechnym i sprawdzonym podejściem w tym zakresie jest pomiar proporcji lub pomiar wielokolorowy. Metoda ta mierzy stosunek energii przy dwóch różnych długościach fali zamiast bezwzględnej ilości energii przy jednej długości fali. Słowo "pomiar wielokolorowy" pochodzi od starego pomysłu łączenia kolorów widzialnych z temperaturą. Pomysł ten - a zatem i termin - jest obecnie nieco przestarzały, ale nadal jest powszechnie stosowany.
Skuteczność tej koncepcji opiera się na fakcie, że zmiany właściwości powierzchni obiektu pomiarowego lub przeszkód znajdujących się w stożku widzenia obiektu pomiarowego są postrzegane w ten sam sposób przez oba detektory. W związku z tym stosunek sygnałów wyjściowych czujników pozostaje taki sam, podobnie jak zmierzona temperatura. Rysunek 9 przedstawia uproszczoną reprezentację pirometru działającego zgodnie z tą zasadą.
Skuteczność tej koncepcji opiera się na fakcie, że zmiany właściwości powierzchni obiektu pomiarowego lub przeszkód znajdujących się w stożku widzenia obiektu pomiarowego są postrzegane w ten sam sposób przez oba detektory. W związku z tym stosunek sygnałów wyjściowych czujników pozostaje taki sam, podobnie jak zmierzona temperatura. Rysunek 9 przedstawia uproszczoną reprezentację pirometru działającego zgodnie z tą zasadą.
Rys. 9 Pomiar proporcji
Mierząc stosunek zamiast wartości bezwzględnej, można uniknąć niedokładności spowodowanych nieznanym lub zmieniającym się współczynnikiem emisji w warunkach opisanych powyżej. Temperatura jest mierzona prawidłowo również wtedy, gdy część pola widzenia jest zasłonięta przez zimniejsze materiały, takie jak kurz, opary, osprzęt lub okna.
Dopóki medium między obiektem a czujnikiem nie tłumi selektywnie niektórych długości fal, stosunek pozostaje stały, a zatem temperatura mierzona przez termometr również pozostaje stała.
Metoda ta jest zatem odpowiednia do zastosowań, które byłyby trudne lub niemożliwe do rozwiązania za pomocą innych technik pomiarowych, np. pomiar temperatury w piecach cementowych lub pomiar przez okno, które zaparowuje podczas procesu, jak ma to miejsce w przypadku próżniowego topienia metali. Należy jednak zauważyć, że te dynamiczne zmiany muszą być postrzegane w równym stopniu przez oba czujniki, tj. zmiany muszą dotyczyć wszystkich długości fal w równym stopniu.
Oczywiście istnieją również ograniczenia tej metody, które należy wziąć pod uwagę. Pomiar proporcji nie jest odpowiedni dla kolorowych emiterów, takich jak aluminium. Podobnie, nie można go używać do pomiaru przez okna o zmiennej przepuszczalności lub gorący Pyrex. Ponadto, metoda ta ma tendencję do rejestrowania i pomiaru temperatury tła, jeśli jest ona wyższa niż temperatura mierzonego obiektu.
Dopóki medium między obiektem a czujnikiem nie tłumi selektywnie niektórych długości fal, stosunek pozostaje stały, a zatem temperatura mierzona przez termometr również pozostaje stała.
Metoda ta jest zatem odpowiednia do zastosowań, które byłyby trudne lub niemożliwe do rozwiązania za pomocą innych technik pomiarowych, np. pomiar temperatury w piecach cementowych lub pomiar przez okno, które zaparowuje podczas procesu, jak ma to miejsce w przypadku próżniowego topienia metali. Należy jednak zauważyć, że te dynamiczne zmiany muszą być postrzegane w równym stopniu przez oba czujniki, tj. zmiany muszą dotyczyć wszystkich długości fal w równym stopniu.
Oczywiście istnieją również ograniczenia tej metody, które należy wziąć pod uwagę. Pomiar proporcji nie jest odpowiedni dla kolorowych emiterów, takich jak aluminium. Podobnie, nie można go używać do pomiaru przez okna o zmiennej przepuszczalności lub gorący Pyrex. Ponadto, metoda ta ma tendencję do rejestrowania i pomiaru temperatury tła, jeśli jest ona wyższa niż temperatura mierzonego obiektu.
Rysunek 10 przedstawia przykład różnych produktów, których współczynnik emisji zmienia się wraz z temperaturą. Na przykład grafit jest często spontanicznie uważany za produkt o wysokim i stałym współczynniku emisji. W rzeczywistości jest odwrotnie - współczynnik emisji wzrasta z 0,4 do 0,65 w zakresie od 20°C do 1100°C.
Dla kolorowych emiterów, których współczynnik emisji zmienia się wraz z długością fali, istnieją wielokolorowe termometry, które mierzą energię całego zakresu długości fal. Takie zastosowania są poprzedzone szczegółową analizą właściwości powierzchni danego produktu. Należy przeanalizować zależność między współczynnikiem emisji, temperaturą, długością fali i składem chemicznym powierzchni. Dane te można wykorzystać do skonfigurowania algorytmów, które w znaczący sposób odnoszą emisję przy różnych długościach fal do temperatury.
Jeśli w polu widzenia znajduje się medium, którego rozmiar cząstek odpowiada jednej z długości fal używanych do pomiaru, stosunek jest również zniekształcony.
Pomimo tych ograniczeń pomiar stosunku działa wyjątkowo dobrze w wielu zastosowaniach. W niektórych zastosowaniach metoda ta jest najlepszym, jeśli nie jedynym sensownym rozwiązaniem do pomiaru temperatury.
Dla kolorowych emiterów, których współczynnik emisji zmienia się wraz z długością fali, istnieją wielokolorowe termometry, które mierzą energię całego zakresu długości fal. Takie zastosowania są poprzedzone szczegółową analizą właściwości powierzchni danego produktu. Należy przeanalizować zależność między współczynnikiem emisji, temperaturą, długością fali i składem chemicznym powierzchni. Dane te można wykorzystać do skonfigurowania algorytmów, które w znaczący sposób odnoszą emisję przy różnych długościach fal do temperatury.
Jeśli w polu widzenia znajduje się medium, którego rozmiar cząstek odpowiada jednej z długości fal używanych do pomiaru, stosunek jest również zniekształcony.
Pomimo tych ograniczeń pomiar stosunku działa wyjątkowo dobrze w wielu zastosowaniach. W niektórych zastosowaniach metoda ta jest najlepszym, jeśli nie jedynym sensownym rozwiązaniem do pomiaru temperatury.
Abb. 10 W przypadku wielu materiałów współczynnik emisji zmienia się wraz z temperaturą. Ten rysunek przedstawia niektóre popularne materiały.
Podsumowanie
Rysunek 11 ponownie pokazuje podstawowe elementy aplikacji. Najważniejszym aspektem jest tutaj powierzchnia mierzonego obiektu. Przy wyborze odpowiedniego przyrządu należy wziąć pod uwagę rozmiar mierzonego obiektu, zakres temperatur, współczynnik emisji, czułość spektralną i czas reakcji.
Ponadto, przy wyborze najbardziej odpowiedniego przyrządu należy również wziąć pod uwagę warunki otoczenia, np. obecność płomieni, promienników podczerwieni, pieców indukcyjnych i charakter atmosfery (kurz, zanieczyszczone okna, dym, ciepło itp.).
Ponadto, przy wyborze najbardziej odpowiedniego przyrządu należy również wziąć pod uwagę warunki otoczenia, np. obecność płomieni, promienników podczerwieni, pieców indukcyjnych i charakter atmosfery (kurz, zanieczyszczone okna, dym, ciepło itp.).
Rys. 11 Czynniki zakłócające
Pomiar temperatury w podczerwieni to dojrzała technologia, która jest stale optymalizowana i dostosowywana do nowych zastosowań. Każdego dnia udowadnia swoją wartość w wielu gałęziach przemysłu, a także w badaniach naukowych. Jeśli podstawowa technologia jest właściwie rozumiana i wszystkie istotne parametry aplikacji są brane pod uwagę, ta metoda pomiarowa generalnie daje pożądane wyniki, pod warunkiem, że przyrząd został starannie zainstalowany. Ostrożność w tym kontekście oznacza, że czujnik jest obsługiwany zgodnie z jego specyfikacją i że podjęto wystarczające środki ostrożności, aby utrzymać optykę wolną od zanieczyszczeń i osadów.
Jednym z kryteriów przy wyborze producenta termometru powinna być zatem dostępność akcesoriów ochronnych i instalacyjnych. Należy również wziąć pod uwagę zakres, w jakim akcesoria te umożliwiają szybki demontaż i wymianę czujnika w razie potrzeby. Jeśli te wytyczne są przestrzegane, nowoczesne termometry na podczerwień często działają bardziej niezawodnie niż czujniki termoparowe lub Pt100.
Jednym z kryteriów przy wyborze producenta termometru powinna być zatem dostępność akcesoriów ochronnych i instalacyjnych. Należy również wziąć pod uwagę zakres, w jakim akcesoria te umożliwiają szybki demontaż i wymianę czujnika w razie potrzeby. Jeśli te wytyczne są przestrzegane, nowoczesne termometry na podczerwień często działają bardziej niezawodnie niż czujniki termoparowe lub Pt100.