Definition och inverkan av emissivitet vid beröringsfri temperaturmätning
Inledning
Vid beröringsfri temperaturmätning detekteras den infraröda eller termiska strålning som avges av mätobjektet av en pyrometer. Pyrometern beräknar temperaturen från den mottagna strålningen enligt Plancks strålningsekvation. Strålningsnivån beror till stor del på mätobjektets emissivitet. Men vad betyder egentligen emissivitet och hur påverkar det praktiska mätningar? Hur kan emissiviteten bestämmas och vad beror den på? Vilka fel kan uppstå med en felaktigt inställd emissivitet och hur kan mätfel minimeras? Dessa och andra frågor diskuteras i följande artikel.
Definition av emissivitet
Nivån på den infraröda strålningen/värmestrålningen beror inte bara på temperaturen utan också på själva mätobjektet. Ett mätobjekts förmåga att avge den värmestrålning som det har absorberat (absorberats) beskrivs med emissiviteten. En idealisk eller så kallad "svartkroppsstrålare" avger all den strålning som den absorberar. En verklig radiator avger mindre strålning än en "svartkroppsstrålare" vid samma temperatur. Emissiviteten ε är förhållandet mellan den infraröda strålningen från ett verkligt mätobjekt Φr och strålningen från en "svartkroppsstrålare" Φs.
ε = Φr / Φs
Emissiviteten är därför en dimensionslös fysisk storhet mellan 0 och 1 eller 0 och 100 %.
ε = Φr / Φs
Emissiviteten är därför en dimensionslös fysisk storhet mellan 0 och 1 eller 0 och 100 %.
Fig. 1 Sammansättning av den strålning som detekteras av pyrometern.
Strålning som träffar ett mätobjekt från omgivningen reflekteras i större eller mindre utsträckning beroende på mätobjektets reflektionsgrad. Värmestrålning följer samma strålningslagar som synligt ljus. När det gäller transparenta objekt (glas, folier) kan värmestrålning även komma från mätobjektets insida och från bakgrunden. Transmittansen anger hur stor andel av strålningen som passerar genom ett objekt. Den totala strålningen ΦΣ som detekteras av en pyrometer är uppbyggd enligt följande.
ΦΣ = ε * ΦO + ρ * ΦU + τ * ΦH
ε = Emissivitet
ρ = Reflektivitet
τ = Transmittans
ΦO = Objektstrålning
ΦU = Omgivningsstrålning
ΦH = Bakgrundsstrålning
Strålningskoefficienterna är kopplade via formeln:
1 = ε + ρ + τ
Transmissionskomponenten utelämnas för icke-transparenta objekt.
1 = ε + ρ
ΦΣ = ε * ΦO + ρ * ΦU + τ * ΦH
ε = Emissivitet
ρ = Reflektivitet
τ = Transmittans
ΦO = Objektstrålning
ΦU = Omgivningsstrålning
ΦH = Bakgrundsstrålning
Strålningskoefficienterna är kopplade via formeln:
1 = ε + ρ + τ
Transmissionskomponenten utelämnas för icke-transparenta objekt.
1 = ε + ρ
Faktorer som påverkar emissiviteten
Emissiviteten hos ett mätobjekt beror till stor del på materialet eller materialets yta. Icke-metalliska och icke-genomskinliga objekt är vanligtvis bra värmemottagare med en emissivitet på > 80 %. För metaller kan emissiviteten variera mellan 5 och 90 %. Ju blankare en metall är, desto lägre är emissiviteten.
Dessutom kan emissiviteten förändras beroende på våglängden. Denna egenskap är särskilt uttalad hos metaller. Metallers strålningseffekt ökar när våglängden blir kortare. En kortvågspyrometer rekommenderas därför när man gör ett urval.
Dessutom kan emissiviteten förändras beroende på våglängden. Denna egenskap är särskilt uttalad hos metaller. Metallers strålningseffekt ökar när våglängden blir kortare. En kortvågspyrometer rekommenderas därför när man gör ett urval.
| Material | Mätvåglängd |
|---|---|
| Glas | 4,8 µm |
| Plastfolie av PE, PP, PS | 3,43 µm |
| Plastfolie av PET, PA, PUR | 7,9 µm |
| Kalla rökgaser | 4,27 µm |
| Heta rökgaser | 4,5 µm |
Transparenta föremål som glas, plast eller gaser har specifika våglängdsområden där de har goda strålningsegenskaper. För att mäta temperaturen på dessa material måste man välja pyrometrar med speciella sensorer och filter som är känsliga för dessa våglängder.
Strålningsbeteendet hos metaller och glas förändras också beroende på temperaturen. Oxidation av metallers yta och övergången från fast till flytande form gör att emissiviteten förändras avsevärt.
Metallers emissivitet ökar med stigande temperatur. När det gäller glas ökar pyrometerns siktdjup med temperaturen och därmed andelen strålning från det inre området.
Strålningsbeteendet hos metaller och glas förändras också beroende på temperaturen. Oxidation av metallers yta och övergången från fast till flytande form gör att emissiviteten förändras avsevärt.
Metallers emissivitet ökar med stigande temperatur. När det gäller glas ökar pyrometerns siktdjup med temperaturen och därmed andelen strålning från det inre området.
Inverkan av mätmiljön på emissiviteten
I praktiken kan extern strålning från omgivningen förekomma. Ett klassiskt exempel är mätning av en kall metallplåt i en varm uppvärmningsugn. Förutom strålningen från objektet registrerar pyrometern även strålningen från ugnsväggen som reflekteras på plåten. Ju mer objekttemperaturen närmar sig ugnstemperaturen, desto mindre blir mätfelet.
Vattenkylda siktrör används för att mäta den verkliga objekttemperaturen. Dessa används för att skugga interferensstrålningen från ugnsväggarna. Rörets diameter bör vara minst 6 gånger mätavståndet från objektet för att skapa en tillräckligt stor skugga.
Vattenkylda siktrör används för att mäta den verkliga objekttemperaturen. Dessa används för att skugga interferensstrålningen från ugnsväggarna. Rörets diameter bör vara minst 6 gånger mätavståndet från objektet för att skapa en tillräckligt stor skugga.
Bestämning av emissiviteten
Information om olika ämnens emissivitet finns i litteratur eller bruksanvisningar. Denna information bör dock behandlas med försiktighet. Det är viktigt att veta för vilken våglängd och temperatur det angivna värdet är giltigt. Dessutom är detta värden som gäller under ideala mätförhållanden.
Under verkliga förhållanden kan den strålning som pyrometern registrerar även härröra från den omgivande strålning som reflekteras eller transmitteras av objektet. Om pyrometern skulle ställas in på det idealiserade litteraturvärdet skulle den visa en för hög temperatur.
För att visa rätt temperatur måste emissiviteten på pyrometern ställas in på ett högre värde. Detta kallas att öka emissiviteten på konstgjord väg. Den faktiska emissivitet som ska ställas in kan bestämmas genom en jämförande mätning med en kontakttermometer. Mätfelet beror då naturligtvis också på noggrannheten i kontaktmätningen.
Alternativt kan ett klistermärke med en definierad emissivitet fästas på mätobjektet vid temperaturer upp till ca 250 °C.
Under verkliga förhållanden kan den strålning som pyrometern registrerar även härröra från den omgivande strålning som reflekteras eller transmitteras av objektet. Om pyrometern skulle ställas in på det idealiserade litteraturvärdet skulle den visa en för hög temperatur.
För att visa rätt temperatur måste emissiviteten på pyrometern ställas in på ett högre värde. Detta kallas att öka emissiviteten på konstgjord väg. Den faktiska emissivitet som ska ställas in kan bestämmas genom en jämförande mätning med en kontakttermometer. Mätfelet beror då naturligtvis också på noggrannheten i kontaktmätningen.
Alternativt kan ett klistermärke med en definierad emissivitet fästas på mätobjektet vid temperaturer upp till ca 250 °C.
Först bestäms den verkliga temperaturen på klistermärket (fig. 2). Därefter utförs en jämförelsemätning direkt bredvid klistermärket och emissiviteten ställs in på pyrometern så att det tidigare uppmätta värdet visas igen. Eftersom emissivitetens inverkan ökar med temperaturen bör denna jämförelsemätning utföras vid högre temperaturer.
Vid höga objekttemperaturer eller svåråtkomliga mätobjekt, t.ex. i en vakuumugn, rekommenderas en jämförelsemätning med en mycket kortvågig pyrometer, eftersom mätfelet av fysikaliska skäl minskar med en kortare mätvåglängd.
En pyrometer för intensitetsjämförelse är idealisk för detta ändamål (fig. 3). Mätprincipen för dessa enheter baseras på en optisk färgjämförelse vid en våglängd på 0,67 μm. Dessutom fungerar mätprincipen oberoende av storleken på det objekt som mäts.
Effekterna av förändringar i emissiviteten eller felaktiga inställningar av pyrometern visas i diagrammet i bild 4.
Vid höga objekttemperaturer eller svåråtkomliga mätobjekt, t.ex. i en vakuumugn, rekommenderas en jämförelsemätning med en mycket kortvågig pyrometer, eftersom mätfelet av fysikaliska skäl minskar med en kortare mätvåglängd.
En pyrometer för intensitetsjämförelse är idealisk för detta ändamål (fig. 3). Mätprincipen för dessa enheter baseras på en optisk färgjämförelse vid en våglängd på 0,67 μm. Dessutom fungerar mätprincipen oberoende av storleken på det objekt som mäts.
Effekterna av förändringar i emissiviteten eller felaktiga inställningar av pyrometern visas i diagrammet i bild 4.
Fig. 2 Bestämning av emissiviteten genom en jämförelsemätning på en epsidot.
Abb. 3 Intensitetsjämförelse pyrometer PV 11 för exakt optisk temperaturmätning.
Abb. 4 Mätfel beroende på våglängd vid en strålningsändring på 1 %.
Emissivitetsoberoende mätning med kvotpyrometrar
För några år sedan kom pyrometrar ut på marknaden som mäter strålning med två våglängder samtidigt. Kvoten av dessa två strålningar är proportionell mot temperaturen. Om strålningen som tas emot av de två mätkanalerna ändras på grund av en förändring i emissiviteten, förblir kvoten och därmed temperaturen konstant. Detta gäller dock endast om förändringen i emissivitet är identisk för båda kanalerna. I praktiken är en förändring i metaller inte konstant. Kvotientpyrometrar kan då till och med ge betydligt större mätfel än enkanaliga pyrometrar. Vi varnar därför för den ofta citerade "emissivitetsoberoende" mätningen med kvotpyrometrar.
En kvotpyrometer har metrologiska fördelar om t.ex. strålningsenergin i båda kanalerna försvagas i samma utsträckning av smutsiga siktglas eller damm i synfältet. Temperaturen visas ändå korrekt.
Under kritiska mätförhållanden rekommenderas att de två spektrala temperaturvärdena och kvottemperaturen analyseras parallellt. Beroende på resultatet kan pyrometern ställas in på den bättre mätmetoden.
En kvotpyrometer har metrologiska fördelar om t.ex. strålningsenergin i båda kanalerna försvagas i samma utsträckning av smutsiga siktglas eller damm i synfältet. Temperaturen visas ändå korrekt.
Under kritiska mätförhållanden rekommenderas att de två spektrala temperaturvärdena och kvottemperaturen analyseras parallellt. Beroende på resultatet kan pyrometern ställas in på den bättre mätmetoden.
Slutsats
Vid val av pyrometer fästs stor uppmärksamhet vid den mätosäkerhet som anges i broschyren. Vid beröringsfri temperaturmätning beror dock det mätfel som uppstår i huvudsak på mätobjektets metrologiska egenskaper och omgivningsförhållandena. Det enhetsspecifika mätfelet har endast en mindre effekt. Därför måste de korrelationer som beskrivs ovan beaktas både vid valet av pyrometer och vid fastställandet av mätpunkten.