Соотношение пирометров

Квотированные пирометры стали незаменимы в современных инфракрасных термометрах. В данной статье описаны физические принципы, преимущества, функциональные и аналитические возможности, а также ограничения квотной пирометрии. Типичные области применения представлены на основе практических примеров.

Пирометр соотношения регистрирует тепловое излучение объекта измерения в двух различных диапазонах длин волн. Коэффициент двух спектральных излучений φ изменяется примерно пропорционально температуре. Со спектральным излучением связана соответствующая излучательная способность ε измерительной поверхности для двух длин волн (рис. 1).

Чтобы минимизировать влияние излучательной способности измерительной поверхности в зависимости от длины волны, выбираются диапазоны длин волн, близкие друг к другу. С другой стороны, это означает, что две плотности излучения почти не различаются. Коэффициент двух почти одинаковых значений меняется очень незначительно в зависимости от температуры объекта. Поэтому наименьшая измеряемая температура котировочного пирометра ограничена примерно 300 °C. Для того чтобы проанализировать эти малые изменения сигнала, необходимо большое усиление. Поэтому качество датчиков, электронных усилителей и АЦП должно соответствовать самым высоким стандартам, чтобы обеспечить высокое отношение сигнал/шум или малый NETD (шумовой эквивалент разности температур) и, таким образом, высокое температурное разрешение, необходимое для точного измерения. Чтобы проверить NETD, включите прибор в начале диапазона измерений с наименьшим временем отклика и проверьте стабильность измерительного сигнала.

Большим преимуществом метода измерения коэффициента является то, что правильная температура определяется при ослаблении сигнала, которое не зависит от длины волны. Если, например, загрязненное смотровое стекло или пар, дым и пыль в поле зрения пирометра приводят к ослаблению сигнала, коэффициент и, следовательно, отображаемая температура остаются неизменными.

Если излучательная способность ε1 = ε2 (серый излучатель) одинакова для обеих длин волн, то член излучательной способности в уравнении уменьшается, и пирометр отображает истинную температуру независимо от излучательной способности измеряемого объекта. Даже если излучательная способность объекта измерения изменяется в одинаковой степени для обоих диапазонов длин волн, это не влияет на результат измерения. Отклонения от истинной температуры, вызванные постоянной разницей между двумя излучательными способностями, можно скорректировать, установив на пирометре соотношение излучательных способностей.

Однако как поведет себя пирометр, если излучательная способность для двух длин волн изменяется по-разному из-за поверхности или в зависимости от температуры при измерении на так называемом цветном радиаторе?

Такой же селективный эффект возникает, если пропускание смотрового стекла меняется в зависимости от длины волны из-за тонкослойных отложений (например, масляных пленок или паровых отложений). Метод квантования также не является полностью независимым от радиационных свойств объекта измерения, как иногда можно прочитать в литературе.

Три примера в Таблице 1 ясно показывают различное влияние ослабления, зависящего от излучательной способности, для спектрального и квантового методов измерения. Исходя из температуры 800 °C "черного тела-излучателя" с излучательной способностью ε = 1, закон излучения Планка приводит к следующему дляСледующие значения температуры вытекают из закона излучения Планка для пирометра с соотношением λ1 = 0,95 мкм и λ2 = 1,05 мкм с различным изменением излучательной способности в зависимости от длины волны (см. табл. 1).

Хорошо видно снижение спектральных температур для защитного стекла (1). В отличие от него, значение коэффициента остается практически неизменным. В случае низкокачественного ламинированного стекла (2) спектральные значения падают еще сильнее и в разной степени. Это также приводит к значительному отклонению в измерении коэффициента.

Поэтому при использовании пирометров с коэффициентом необходимо убедиться, что стекла имеют нейтральную кривую пропускания в диапазоне длин волн пирометра. Это можно легко проверить, держа диск перед пирометром во время измерения. Температура котировки не должна сильно меняться.

Еще одним важным преимуществом пирометрии отношения является то, что объекты измерения могут быть меньше, чем поле измерения. При использовании спектрального пирометра объект измерения всегда должен быть больше поля измерения, поскольку спектральный пирометр регистрирует среднее значение излучения во всем поле измерения. В противном случае маленький объект измерения на фоне холодного фона всегда будет измерять слишком низкую температуру.

Если измерительное поле пирометра не полностью освещено измеряемым объектом (эффект частичной освещенности), это действует как нейтральное ослабление инфракрасного излучения. По этой причине пирометр соотношения обеспечивает правильные значения, даже если объект на 80 % меньше поля измерения пирометра. Степень минимальной частичной освещенности зависит от излучательной способности и температуры измеряемого объекта. В идеале положение объекта в измерительном поле должно быть произвольным и не влиять на отображаемое значение температуры. Однако в этом отношении между устройствами, представленными на рынке, существуют значительные различия в качестве. Пирометры с простой оптической конструкцией, низкой коррекцией оптических аберраций объектива и датчики с неоднородным распределением чувствительности могут увеличить измеренное значение на 20-30 °C при постоянной температуре объекта, если, например, горячий провод расположен на краю измерительного поля (рис. 5).

Еще одно преимущество при измерении малых объектов заключается в том, что пирометр соотношения гораздо менее чувствителен к оптической юстировке и правильной фокусировке. Напротив, спектральный пирометр должен быть выровнен и сфокусирован очень точно на объекте измерения, чтобы избежать ошибок измерения, если объект измерения едва превышает размеры поля измерения.

Следующая кривая измерения (рис. 6) была записана с помощью пирометра с полем измерения Ø8 мм на объекте диаметром Ø8 мм. Одновременно регистрировалась спектральная температура. Фиксированное фокусное расстояние составляло 500 мм (точка измерения 1). Затем измерительное расстояние было уменьшено до 250 мм (точка измерения 2). Дефокусировка оказывает лишь незначительное влияние на котировочную температуру, в то время как спектральная температура отклоняется примерно на 20 °C. Затем расстояние измерения было установлено на 1000 мм (точка измерения 3). Поле измерения пирометра в два раза больше, чем измеряемый объект. Количественная температура снова остается почти на том же уровне. Напротив, спектральное значение резко падает из-за дефокусировки и частичной освещенности.

При измерении температуры листов и слябов в роликовой клети из-за экстремальных условий то и дело возникает вопрос о том, какой метод измерения выбрать - спектральный или квантовый (рис. 7).

По конструктивным и тепловым соображениям приборы устанавливаются на большом расстоянии в несколько метров. Например, использование стандартной оптики с оптическим разрешением 100:1 приводит к диаметру измерительного поля 200 мм на расстоянии 20 метров. Распределение температуры на плите крайне неоднородно из-за масштаба. При использовании спектрального пирометра температура определяется по среднему значению суммарного излучения, полученного в измерительном поле. Поэтому измеренное значение зависит от распределения температуры и шкалы. Поскольку плита движется по роликовому столу, это может привести к колебаниям измеренного значения, если сигнал не отфильтрован. Поэтому производители пирометров рекомендуют использовать в таких условиях пирометр с очень высоким оптическим разрешением > 200 : 1, чтобы получить минимально возможное поле измерения. Память максимальных значений используется для записи наибольшей температуры в точках без шкалы.

Но как пирометр соотношения реагирует на неоднородное распределение температуры в измерительном поле? При неоднородном распределении температуры поведение пирометра соотношения становится более сложным. Оно зависит от общей площади "горячих точек" и разницы температур между горячими и холодными точками в измерительном поле. Благодаря эффекту частичного освещения, описанному выше, пирометр соотношения определяет температуру самой горячей точки в измерительном поле при условии значительной разницы температур > 200 °C между горячей и холодной областями.

При измерении на плите в измерительном поле может возникнуть несколько горячих точек из-за масштаба. Если разница температур невелика, пирометр соотношения также определяет температуру по среднему значению полученного излучения. Поэтому для пирометра соотношения рекомендуется использовать приборы с высоким оптическим разрешением и хорошим качеством изображения, чтобы минимизировать влияние неоднородностей путем определения максимального значения.

Если в процессе горячей прокатки ожидается наличие водяного пара и загрязнений, предпочтительно использовать пирометр соотношения. Эксплуатационная надежность получения измеренных значений также может быть повышена за счет использования функции контроля загрязнения пирометра соотношения.

Часто обсуждается вопрос измерения температуры более холодных объектов внутри горячей печи. Холодные кованые детали помещаются в горячие печи для нагрева или холодные слябы проходят через различные зоны нагрева толкательной печи. Из-за высокого так называемого фонового излучения стенки горячей печи, которое отражается от измеряемого объекта и, следовательно, также регистрируется пирометром, пирометр всегда показывает слишком высокую температуру. Чем ближе температура заготовки к температуре печи, тем меньше эффект интерференции. Наиболее эффективным решением для устранения фонового излучения является использование водоохлаждаемых визирных трубок. Однако это связано с высокими инвестиционными и постоянными эксплуатационными расходами. Кроме того, установка трубки внутри печи, которая простирается почти до заготовки, может быть затруднена или невозможна по конструктивным причинам.

По этой причине приборы часто используют без визирной трубки, прекрасно понимая, что измерения будут более или менее некорректными. Влияние фонового излучения может быть уменьшено, если температура радиационного фона измеряется отдельно с помощью термопары или второго пирометра, а отраженное интерференционное излучение в пирометре корректируется расчетным путем. Эта коррекция может быть подвержена неопределенности, особенно если излучательная способность объекта мала, колеблется или точно не известна.

Если по физическим причинам для металлических объектов действует правило "измерять как можно более коротковолновое излучение", чтобы минимизировать влияние излучательной способности, то при измерении более холодных объектов в горячей атмосфере дело обстоит прямо противоположным образом.

Фоновое излучение оказывает меньшее влияние на прибор, измеряющий более длинные волны. С другой стороны, излучательная способность ε металлов меньше и, следовательно, отражательная способность σ больше (ε + σ = 1) при более длинноволновой спектральной чувствительности. Это, в свою очередь, приводит к большей зависимости интерференционного влияния излучения горячей печи от изменения излучательной способности. Поэтому производители рекомендуют использовать устройства со спектральной чувствительностью в диапазоне 1 - 2 мкм, чтобы достичь наилучшего компромисса.

Это также поднимает вопрос о том, как ведет себя пирометр соотношения при измерении более холодных объектов в горячей атмосфере. В принципе, пирометр соотношения ведет себя так же, как и спектральный пирометр. Он обнаруживает как объект, так и отраженное излучение от стенки печи. Коэффициентный пирометр реагирует менее чувствительно, если смотровое стекло загрязнено или если в поле зрения пирометра попадают пыль и дым. Реакция на изменение уровня излучения чрезвычайно зависит от местных условий, поэтому ее трудно оценить. Во время ввода в эксплуатацию или на постоянной основе рекомендуется параллельно регистрировать и оценивать как котировочную, так и спектральную температуру, чтобы иметь возможность проводить любые анализы. Современные квантовые пирометры оснащены двумя аналоговыми выходами для этой цели, так что измеренные значения квантовой и спектральной температуры могут быть записаны непосредственно контроллером. Еще одним преимуществом квантового пирометра является возможность анализа силы сигнала как показателя радиационных свойств измеряемого объекта (рис. 8).

Из-за экстремальных условий измерения, вызванных пылью, паром и дымом, пирометры соотношения являются преимуществом для использования на электростанциях и установках для сжигания топлива с точки зрения технологии измерения и безопасности. Пирометр регистрирует излучение объектов в поле измерения. В установке для сжигания топлива полученная энергия излучается как горячими частицами в потоке воздуха, так и противоположной стеной. Измеренное значение зависит от плотности частиц, неоднородности распределения температуры и температуры противоположной стенки. Если стенка значительно холоднее частиц в воздушном потоке из-за труб теплообменника, спектральный пирометр регистрирует слишком низкую температуру, которая колеблется в зависимости от условий нагрузки за счет усреднения. Именно здесь снова проявляется преимущество пирометра с частичным освещением и определением максимального значения. Таким образом, по сравнению с широко используемыми термопарами котировочные пирометры являются реальной альтернативой, поскольку они не подвержены износу или возрастному дрейфу. Однако котировочные пирометры очень чувствительны к пламени в поле зрения. Это необходимо учитывать при выборе места установки.

Надежность измерений можно проверить по индикации уровня сигнала. Из-за часто небольших отверстий в печи диаметром 20-30 мм и толщиной стенок 200-400 мм необходимо использовать оптические приборы высокого разрешения с хорошими свойствами изображения, чтобы избежать сужения поля измерения. Геометрическая и оптическая оси также должны быть идентичны, поэтому прибор должен быть свободен от параллакса, чтобы избежать "косоглазия". В зависимости от требуемого оборудования и доступности места установки используются компактные приборы или пирометры с прицелом в виде прозрачной линзы или видеокамеры, чтобы можно было быстро и легко проверить центровку и свободную апертуру обзора при вводе в эксплуатацию и во время работы.

С точки зрения безопасности целесообразно также использовать функцию контроля загрязнения пирометра соотношения, чтобы автоматически подавать сигнал тревоги, если отверстие печи становится слишком грязным или заросшим.

Болты проходят через нагревательную печь перед последующей запрессовкой в арматуру. Для достижения стабильного качества необходимо контролировать температуру. В системах индукционного нагрева обычно используются пирометры для измерения температуры проходящей заготовки непосредственно за индукционной печью за миллисекунды и с безопасного расстояния. Температура используется в качестве управляющей переменной для контроля процесса и для отсеивания заготовок, температура которых выходит за пределы допустимого диапазона (рис. 9).

Для измерения температуры используются спектральные пирометры и пирометры соотношения. Приборы устанавливаются на больших расстояниях 600 - 1200 мм. Обязательным условием является наличие прицела в виде оптики через объектив или пилотного света. Только так можно установить правильное фокусное расстояние и точную юстировку, чтобы свести к минимуму любые ошибки измерения, вызванные оптическими воздействиями.

В частности, в случае приборов с фиксированным фокусным расстоянием, оно не всегда может быть точно выдержано из-за конструкции оборудования. Если приборы установлены стационарно, а диаметр болтов меняется, измерительное расстояние все равно изменяется, поэтому приборы иногда не работают на фокусном расстоянии.

В случае приборов с фокусируемой оптикой измерительное расстояние, как показывает практика, часто устанавливается неправильно. Повторная настройка при изменении диаметра болтов практически никогда не выполняется, поэтому эти приборы также неоднократно используются вне фокусной точки.

Пирометр соотношения гораздо менее чувствительно реагирует на изменения расстояния измерения, диаметра болта или при работе устройств вне фокусного диапазона, как было описано в начале, до определенных пределов и поэтому является более выгодным для таких применений по сравнению со спектральным пирометром.

Поэтому здесь рекомендуется использовать компактные пирометры с пилотным светом (рис. 10), чтобы оптимально выполнить два основных требования задачи измерения: а) независимое от расстояния и надежное измерение и б) простой контроль юстировки.

Для производственных процессов с температурой выше 300 °C пирометры соотношения с описанными преимуществами являются более чем альтернативой для достижения надежных и стабильных значений измерений, обусловленных условиями окружающей среды и конструкцией. Дополнительные расходы в размере около 30 % по сравнению со спектральным пирометром с аналогичными характеристиками - это хорошо потраченные деньги, которые быстро окупаются за счет снижения трудоемкости ручного контроля и сокращения производства бракованных деталей. В экстремальных условиях измерения, вызванных сильным испарением, грязью и пылью, метрологические преимущества пирометра соотношения четко проявляются. В тех случаях, когда излучательная способность измеряемых объектов может меняться, рекомендуется проверить надежность измерений при использовании метода измерения коэффициента.

Производители приборов могут только рекомендовать использовать дополнительные возможности защиты и анализа пирометра соотношения, чтобы повысить надежность процесса и получить знания от дополнительной информации о температуре.