Förhållande pyrometer

Quotientpyrometrar har blivit oumbärliga i dagens tillämpningar med infraröda termometrar. I följande artikel förklaras de fysikaliska principerna, fördelarna, funktions- och analysmöjligheterna samt gränserna för kvotpyrometri. Typiska användningsområden presenteras med utgångspunkt från praktiska tillämpningar.

En kvotpyrometer registrerar värmestrålningen från ett mätobjekt i två olika våglängdsområden. Kvoten av de två spektralstrålningarna φ ändras ungefär proportionellt mot temperaturen. Till den spektrala utstrålningen hör mätytans respektive emissivitet ε för de två våglängderna (figur 1).

För att minimera den våglängdsberoende inverkan av mätytans emissivitet väljs våglängdsområden som ligger nära varandra. Å andra sidan innebär detta att de två strålningstätheterna knappt skiljer sig åt. Kvoten mellan två nästan identiska värden ändras endast mycket lite beroende på objektets temperatur. Därför är den minsta mätbara temperaturen för en kvotpyrometer begränsad till ca 300 °C. För att överhuvudtaget kunna analysera dessa små signalförändringar krävs en stor förstärkning. Kvaliteten på givare, elektroniska förstärkare och A/D-omvandlare måste därför uppfylla högsta standard för att uppnå ett högt signal/brusförhållande eller en liten NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) och därmed den höga temperaturupplösning som krävs för noggrann mätning. För att kontrollera NETD, använd enheten i början av mätområdet med den kortaste svarstiden och kontrollera mätsignalens stabilitet.

Den stora fördelen med kvotmätmetoden är att den korrekta temperaturen bestäms med en signaldämpning som är oberoende av våglängden. Om t.ex. ett smutsigt siktglas eller ånga, rök och damm i pyrometerns synfält leder till en signalreducering, förblir kvoten och därmed den visade temperaturen konstant.

Om emissiviteten ε1 = ε2 (grå radiator) är densamma för båda våglängderna, reduceras termen för emissiviteten i ekvationen och kvotpyrometern visar den verkliga temperaturen oavsett mätobjektets emissivitet. Även om mätobjektets emissivitet ändras i samma utsträckning för båda våglängdsområdena har detta ingen inverkan på mätresultatet. Avvikelser från den verkliga temperaturen på grund av konstanta skillnader mellan de två emissiviteterna kan korrigeras genom att justera emissivitetsförhållandet på pyrometern.

Men hur beter sig en kvotpyrometer om emissiviteten förändras olika för de två våglängderna under mätningen på en så kallad färgad radiator på grund av ytan eller beroende på temperaturen?

Samma selektiva effekt uppstår om transmissionen i siktglaset förändras beroende på våglängden på grund av tunnskiktsavlagringar (t.ex. oljefilmer eller ångavlagringar). Kvotientmetoden är inte heller helt oberoende av mätobjektets strålningsegenskaper, vilket man ibland kan läsa i litteraturen.

De tre exemplen i tabell 1 visar tydligt hur olika den emissivitetsberoende dämpningen påverkar spektral- och kvotientmätmetoderna. Baserat på en temperatur på 800 °C för en "svart kropp" med en emissivitet på ε = 1, blir följande temperaturvärden resultatet av Plancks strålningslag för en kvotpyrometer med λ1 = 0,95 μm och λ2 = 1,05 μm med en annan förändring av de våglängdsrelaterade emissiviteterna (se tabell 1).

Minskningen av de spektrala temperaturerna för skyddsglaset (1) syns tydligt. Däremot förblir kvotvärdet nästan konstant. För laminerat glas av sämre kvalitet (2) sjunker de spektrala värdena ännu kraftigare och i varierande grad. Detta leder också till en avsevärd mätavvikelse för kvoten.

Vid mätning med kvotpyrometrar är det därför viktigt att vid mätning genom synglas säkerställa att glasen har en neutral transmissionskurva i pyrometerns våglängdsområde. Detta kan kontrolleras mycket enkelt genom att hålla en skiva framför pyrometern under mätningen. Kvottemperaturen får inte förändras nämnvärt.

En annan stor fördel med kvotpyrometri är att mätobjekten också kan vara mindre än mätfältet. Med en spektralpyrometer måste mätobjektet alltid vara större än mätfältet, eftersom en spektralpyrometer registrerar medelvärdet av strålningen inom hela mätfältet. Om mätobjektet är litet mot en kall bakgrund kommer den uppmätta temperaturen annars alltid att vara för låg.

Om mätfältet på en kvotpyrometer inte är helt belyst av mätobjektet (partiell belysningseffekt), fungerar detta som en neutral dämpning av den infraröda strålningen. Därför ger en kvotpyrometer korrekta mätvärden även om objektet är upp till 80 % mindre än pyrometerns mätfält. Graden av minimal partiell belysning beror på emissiviteten och temperaturen hos det objekt som ska mätas. I idealfallet ska objektets position i mätfältet vara godtycklig och inte påverka det temperaturvärde som visas. Det finns dock stora kvalitetsskillnader mellan de enheter som finns tillgängliga på marknaden i detta avseende. Pyrometrar med enkel optisk konstruktion, lägre korrigering av objektivlinsens optiska aberration och sensorer med inhomogen känslighetsfördelning kan öka mätvärdet med upp till 20-30 °C vid konstant objekttemperatur om t.ex. en varm tråd placeras i utkanten av mätfältet (fig. 5).

En annan fördel vid mätning av små objekt är att en kvotpyrometer reagerar mycket mindre känsligt på optisk inriktning och korrekt fokusering. En spektralpyrometer måste däremot riktas in och fokuseras mycket exakt på mätobjektet för att undvika mätfel om mätobjektet knappt är större än mätfältet.

Följande mätkurva (fig. 6) registrerades med en kvotpyrometer med ett mätfält på Ø8 mm på ett föremål med en diameter på Ø8 mm. En spektral temperatur registrerades samtidigt. Det fasta fokusavståndet var 500 mm (mätpunkt 1). Mätavståndet minskades sedan till 250 mm (mätpunkt 2). Defokuseringen har endast en liten inverkan på kvottemperaturen, medan den spektrala temperaturen avviker med ca 20 °C. Mätavståndet ställdes sedan in på 1000 mm (mätpunkt 3). Pyrometerns mätfält är dubbelt så stort som det objekt som mäts. Även här ligger kvottemperaturen kvar på nästan samma nivå. Däremot sjunker det spektrala värdet kraftigt på grund av defokusering och partiell belysning.

Vid mätning av temperaturen på plåtar och plattor i valsstället uppstår ofta frågan om vilken mätmetod som ska rekommenderas - spektral eller kvot - på grund av de extrema förhållandena (fig. 7).

Av konstruktionsmässiga och termiska skäl monteras enheterna på ett stort mätavstånd på flera meter. Om man t.ex. använder standardoptik med en optisk upplösning på 100:1 får man en mätfältsdiameter på 200 mm på ett avstånd av 20 meter. Temperaturfördelningen på plattan är extremt inhomogen på grund av skalan. Med en spektralpyrometer bestäms temperaturen utifrån medelvärdet av den totala strålning som tas emot i mätfältet. Det uppmätta värdet är därför beroende av temperaturfördelningen och skalan. Eftersom plattan rör sig på rullbordet skulle detta leda till ett fluktuerande mätvärde om signalen inte filtrerades. Pyrometertillverkarna rekommenderar därför att man använder en pyrometer med en mycket hög optisk upplösning på > 200 : 1 under dessa förhållanden för att uppnå ett så litet mätfält som möjligt. Maxvärdesminnet används för att registrera den högsta temperaturen vid de skalfria punkterna.

Men hur reagerar en kvotpyrometer på en inhomogen temperaturfördelning i mätfältet? En kvotpyrometers beteende är mer komplext vid en inhomogen temperaturfördelning. Det beror på den totala ytan av "hot spots" och temperaturskillnaderna mellan de varma och kalla punkterna i mätfältet. På grund av den partiella belysningseffekten som beskrivs ovan bestämmer en kvotpyrometer temperaturen på den varmaste punkten i mätfältet, förutsatt att det finns en betydande temperaturskillnad på > 200 °C mellan de varma och kalla områdena.

Vid mätning på en platta kan flera heta punkter uppstå i mätfältet på grund av skalan. Om temperaturskillnaden är liten bestämmer kvotpyrometern även temperaturen utifrån medelvärdet av den mottagna strålningen. Det rekommenderas därför också att använda enheter med hög optisk upplösning och god bildkvalitet för en kvotpyrometer för att minimera påverkan av inhomogeniteter med hjälp av maximivärdesdetektering.

Om man kan förvänta sig vattenånga och föroreningar under varmvalsningsprocessen bör man helst använda en kvotpyrometer. Driftsäkerheten för mätvärdesinsamlingen kan också ökas genom att använda kvotpyrometerns kontamineringsövervakning.

Frågan om hur man mäter temperaturen på kallare föremål i en varm ugn diskuteras ofta. Kalla smidda delar placeras i heta ugnar för uppvärmning eller kalla plattor passerar genom de olika uppvärmningszonerna i en skjutugn. På grund av den höga så kallade bakgrundsstrålningen från den heta ugnsväggen, som reflekteras av mätobjektet och därmed också detekteras av pyrometern, indikerar pyrometern alltid en för hög temperatur. Ju närmare arbetsstyckets temperatur ligger ugnens temperatur, desto lägre blir interferenseffekten. Den mest effektiva lösningen för att eliminera bakgrundsstrålningen är att använda vattenkylda siktrör. Detta är dock förknippat med höga investerings- och permanenta driftskostnader. Dessutom kan det av strukturella skäl vara svårt eller omöjligt att installera ett rör i en ugn som sträcker sig nästan ända fram till arbetsstycket.

Av denna anledning används apparaterna ofta utan siktrör, väl medvetna om att mätningen kommer att bli mer eller mindre felaktig. Bakgrundsstrålningens inverkan kan minskas om bakgrundsstrålningens temperatur mäts separat med ett termoelement eller en andra pyrometer och den reflekterade störstrålningen i pyrometern korrigeras genom beräkning. Denna korrigering kan vara behäftad med osäkerhet, särskilt om emissiviteten hos objektet är liten, fluktuerar eller inte är exakt känd.

Om tumregeln "Mät så kortvågigt som möjligt" av fysikaliska skäl gäller för metalliska objekt för att minimera emissivitetens inverkan, är detta förhållande det motsatta vid mätning av kallare objekt i en varm atmosfär.

Bakgrundsstrålningen har mindre effekt på en enhet som mäter längre våglängder. Å andra sidan, med en spektral känslighet för längre våglängder, är emissiviteten ε hos metaller mindre och därför är reflektiviteten σ större (ε + σ = 1). Detta leder i sin tur till att störningseffekten av den varma ugnsstrålningen blir mer beroende av olika emissivitet. Tillverkarna rekommenderar därför att man använder apparater med en spektral känslighet i området 1 - 2 μm för att uppnå den bästa kompromissen här.

Detta väcker också frågan om hur en kvotpyrometer beter sig när den mäter kallare föremål i en varm atmosfär. I grund och botten fungerar en kvotpyrometer på samma sätt som en spektralpyrometer. Den detekterar både objektet och den reflekterade strålningen från ugnsväggen. En kvotpyrometer reagerar mindre känsligt om siktglaset är smutsigt eller om det finns damm och rök i pyrometerns synfält. Reaktionen på förändrade utsläppsnivåer är extremt beroende av de lokala förhållandena och är därför svår att uppskatta. Det är lämpligt att registrera och utvärdera både kvot- och spektraltemperaturerna parallellt under driftsättningen eller permanent för att kunna utföra eventuella analyser. Moderna kvotpyrometrar har två analoga utgångar för detta ändamål, så att mätvärdena för kvoten och en spektraltemperatur kan registreras direkt av styrenheten. En annan fördel med kvotpyrometern är möjligheten att analysera signalstyrkan som en indikation på mätobjektets strålningsegenskaper (fig. 8).

På grund av de extrema mätförhållandena som orsakas av damm, ånga och rök är kvotpyrometrar fördelaktiga för användning i kraftverk och förbränningsanläggningar när det gäller mätteknik och säkerhet. En pyrometer registrerar strålningen från objekten i mätfältet. I en förbränningsanläggning strålar den mottagna energin både från de heta partiklarna i luftflödet och från den motsatta väggen. Det uppmätta värdet beror på partiklarnas densitet, temperaturfördelningens inhomogenitet och den motsatta väggens temperatur. Om väggen är betydligt kallare än partiklarna i luftflödet på grund av värmeväxlarrören, registrerar en spektralpyrometer en temperatur som är för låg och fluktuerar beroende på belastningsförhållandet på grund av medelvärdesbildningen. Det är här som fördelen med kvotpyrometern i form av den partiella belysningseffekten och maximivärdesdetekteringen kommer in i bilden igen. Jämfört med de vanliga termoelementen är kvotpyrometrar därför ett verkligt alternativ, eftersom de inte utsätts för slitage eller åldersrelaterad drift. Kvotpyrometrar är dock mycket känsliga för flammor i synfältet. Detta måste beaktas vid val av installationsplats.

Mätningens tillförlitlighet kan kontrolleras genom att signalstyrkan visas. På grund av de ofta små ugnsöppningarna med diametrar på 20 - 30 mm och väggtjocklekar på 200 - 400 mm måste högupplösta optiska enheter med goda avbildningsegenskaper användas för att undvika att mätfältet begränsas. De geometriska och optiska axlarna bör också vara identiska och därför bör apparaten vara parallaxfri för att förhindra att apparaten "kisar". Beroende på vilken utrustning som krävs och hur lättillgänglig installationsplatsen är används kompakta enheter eller pyrometrar med sikthjälpmedel i form av en genomskinlig lins eller en videokamera för att enkelt och snabbt kunna kontrollera inriktningen och den fria siktöppningen vid idrifttagning och under drift.

Ur säkerhetssynpunkt rekommenderas även här användning av kontamineringsövervakning av kvotpyrometrarna för att automatiskt generera ett larm i händelse av överdriven kontaminering eller igenväxning av ugnsöppningen.

Bultarna passerar genom en värmeugn innan de pressas till beslag. För att uppnå jämn kvalitet måste temperaturen kontrolleras. I induktionsvärmesystem används vanligtvis pyrometrar för att mäta temperaturen på det passerande arbetsstycket direkt bakom induktionsugnen i millisekunder och från ett säkert avstånd. Temperaturen används som styrvariabel för processtyrning och för att sortera ut ämnen vars temperatur ligger utanför det tillåtna området (fig. 9).

Både spektral- och kvotpyrometrar används för att mäta temperaturen. Apparaterna monteras på större avstånd på 600 - 1200 mm. Ett sikthjälpmedel i form av en linsoptik eller en pilotlampa är ett obligatoriskt krav. Detta är det enda sättet att ställa in rätt fokuseringsavstånd och exakt inriktning för att minimera eventuella mätfel som orsakas av optisk påverkan.

Särskilt när det gäller enheter med ett fast fokuseringsavstånd kan detta inte alltid upprätthållas exakt på grund av maskinkonstruktionen. Om apparaterna är fast monterade och skruvdiametern varierar, ändras mätavståndet ändå, vilket gör att apparaterna ibland inte används på fokuseringsavståndet.

När det gäller apparater med fokuserbar optik är mätavståndet ofta inte korrekt inställt, vilket praktiken visar. Efterjustering vid ändrade skruvdiametrar görs nästan aldrig, vilket gör att även dessa apparater ofta används utanför fokuspunkten.

En kvotpyrometer reagerar mycket mindre känsligt på förändringar i mätavståndet, bultdiametern eller när apparaterna används utanför det fokala området, som beskrevs i början, upp till vissa gränser och är därför fördelaktig för sådana applikationer jämfört med en spektralpyrometer.

Därför rekommenderas här användning av kompakta kvotpyrometrar med pilotljus (fig. 10) för att på bästa sätt uppfylla de två väsentliga kraven i mätuppgiften för a) en i stort sett avståndsoberoende och tillförlitlig mätning och b) en enkel justeringskontroll.

För produktionsprocesser med temperaturer över 300 °C är kvotpyrometrar med de beskrivna fördelarna mer än ett alternativ för att uppnå tillförlitliga och stabila mätvärden på grund av miljö och konstruktion. Merpriset på ca 30 % jämfört med en spektralpyrometer med jämförbara egenskaper är väl investerade pengar som snabbt tjänas in genom den minskade manuella inspektionsinsatsen och den minskade produktionen av felaktiga delar. Under extrema mätförhållanden orsakade av kraftig ånga, smuts och damm kommer de metrologiska fördelarna med kvotpyrometern tydligt till sin rätt. För applikationer där emissiviteten hos mätobjekten kan förändras är det lämpligt att kontrollera mätningens tillförlitlighet när kvotmätmetoden används.

Tillverkare av enheter kan bara rekommendera att använda kvotpyrometerns extra skydds- och analysalternativ för att öka processäkerheten och få insikter från den extra temperaturinformationen.