Temperaturmätningen kan delas in i två kategorier: kontaktmätning och kontaktlös mätning. I praktiken är termoelement och Pt 100-givare de vanligaste representanterna för den första gruppen. De måste komma i kontakt med mätobjektet och mäter i princip sin egen temperatur, som är anpassad till objektet. Detta leder till en relativt långsam respons. Kontaktlösa sensorer mäter den infraröda (IR) energi som strålas ut från ett objekt, har snabba svarstider och används ofta för att mäta rörliga objekt samt objekt som befinner sig i vakuum eller av andra skäl är otillgängliga.
Infraröda termometrar eller pyrometrar är högteknologiska sensorer som har fått bred användning inom forskning och industri. Denna artikel beskriver på ett lättförståeligt sätt teorin som ligger till grund för detta mätprincip och hur denna teori kan hjälpa till att hantera de olika applikationsspecifika parametrar som potentiella användare står inför.
Grunderna i infraröd temperaturmätning
Inledning
Abb. 1 Elektromagnetiskt spektrum
Teori och grunder
Infraröd strålning upptäcktes år 1666 av Sir Isaac Newton när han lät solljus passera genom ett prisma och separerade det i regnbågens färger. År 1880 tog Sir William Herschel nästa steg genom att bestämma den relativa energin hos de enskilda färgerna. Han upptäckte också energin bortom det synliga spektrumet. I början av 1900-talet definierade Planck, Stefan, Boltzmann, Wien och Kirchhoff ytterligare aktiviteterna i det elektromagnetiska spektrumet och fastställde kvantitativa data och ekvationer för att beskriva IR-energi.
Infraröda termometrar mäter temperaturen genom att mäta den infraröda strålning som avges av alla material och föremål med en temperatur över den absoluta nollpunkten (0° Kelvin). I den enklaste konstruktionen fokuserar en lins IR-energin på detektorn, som omvandlar energin till en elektrisk signal. Efter att ha kompenserat för omgivningstemperaturen kan signalen sedan visas. Denna konfiguration gör att temperaturen kan mätas från ett visst avstånd och utan kontakt med mätobjektet. Detta gör den infraröda termometern lämplig för mätuppgifter där termoelement eller andra sensorer inte kan användas eller ger felaktiga resultat. Några typiska exempel är mätning av rörliga eller mycket små föremål, spänningsförande delar eller aggressiva kemikalier, mätningar i starka elektromagnetiska fält, mätning av föremål i vakuum eller andra slutna miljöer samt applikationer där snabb responstid krävs.
De första konstruktionerna för infraröda termometrar har funnits sedan 1800-talet. Vissa koncept introducerades av Charles A. Darling i hans bok "Pyrometry", som publicerades 1911.
Det dröjde ända till 1930 innan tekniken fanns tillgänglig för att omsätta dessa koncept i praktiken. Sedan dess har dessa instrument genomgått en kontinuerlig vidareutveckling, under vilken omfattande kunskap och tillämpningserfarenhet har samlats in. Idag har detta koncept etablerat sig som en standardiserad mätmetod och används inom industri och forskning.
Infraröda termometrar mäter temperaturen genom att mäta den infraröda strålning som avges av alla material och föremål med en temperatur över den absoluta nollpunkten (0° Kelvin). I den enklaste konstruktionen fokuserar en lins IR-energin på detektorn, som omvandlar energin till en elektrisk signal. Efter att ha kompenserat för omgivningstemperaturen kan signalen sedan visas. Denna konfiguration gör att temperaturen kan mätas från ett visst avstånd och utan kontakt med mätobjektet. Detta gör den infraröda termometern lämplig för mätuppgifter där termoelement eller andra sensorer inte kan användas eller ger felaktiga resultat. Några typiska exempel är mätning av rörliga eller mycket små föremål, spänningsförande delar eller aggressiva kemikalier, mätningar i starka elektromagnetiska fält, mätning av föremål i vakuum eller andra slutna miljöer samt applikationer där snabb responstid krävs.
De första konstruktionerna för infraröda termometrar har funnits sedan 1800-talet. Vissa koncept introducerades av Charles A. Darling i hans bok "Pyrometry", som publicerades 1911.
Det dröjde ända till 1930 innan tekniken fanns tillgänglig för att omsätta dessa koncept i praktiken. Sedan dess har dessa instrument genomgått en kontinuerlig vidareutveckling, under vilken omfattande kunskap och tillämpningserfarenhet har samlats in. Idag har detta koncept etablerat sig som en standardiserad mätmetod och används inom industri och forskning.
Mätningsprincip
Som redan nämnts avger alla kroppar med en temperatur över 0°K infraröd energi. Infraröd strålning är den del av det elektromagnetiska spektrumet som ligger mellan synligt ljus och radiovågor. Våglängden för IR-strålning sträcker sig från 0,7 µm till 1000 µm, vilket visas i figur 1. I praktiken är det dock bara våglängderna från 0,7 till 20 µm i detta frekvensområde som lämpar sig för temperaturmätning. För närvarande finns det inga detektorer som är tillräckligt känsliga för att mäta de små energimängder som avges över en våglängd på 20 µm. Energin ökar i proportion till fjärde potensen av temperaturen.
Kurvan (figur 2) visar den energi som avges av en svartkropp i ett temperaturområde från 700 K till 1300 K. Som synes ligger det mesta utanför det synliga området IR-strålning är inte förnimbar för det mänskliga ögat, men det är ändå bra att tänka på denna strålning som synligt ljus för att få en förståelse för funktionsprincipen och de problem som uppstår i tillämpningar.
I många avseenden beter sig IR-strålning faktiskt som synligt ljus. IR-strålning färdas i en rak linje bort från strålningskällan och kan reflekteras eller absorberas av föremål i strålningsvägen. Från de flesta föremål som inte är genomskinliga för det mänskliga ögat reflekteras IR-strålningen delvis och absorberas delvis av föremålet. En del av den absorberade energin reflekteras internt och en del sänds ut igen. Detta gäller även för föremål som är genomskinliga för det mänskliga ögat, t.ex. glas, gaser och tunn genomskinlig plastfilm. En del av strålningen tränger dock också igenom föremålet. Figur 3 illustrerar dessa processer. Sammantaget bidrar dessa processer till det vi kallar emissionsfaktorn för ett föremål eller material.
Kurvan (figur 2) visar den energi som avges av en svartkropp i ett temperaturområde från 700 K till 1300 K. Som synes ligger det mesta utanför det synliga området IR-strålning är inte förnimbar för det mänskliga ögat, men det är ändå bra att tänka på denna strålning som synligt ljus för att få en förståelse för funktionsprincipen och de problem som uppstår i tillämpningar.
I många avseenden beter sig IR-strålning faktiskt som synligt ljus. IR-strålning färdas i en rak linje bort från strålningskällan och kan reflekteras eller absorberas av föremål i strålningsvägen. Från de flesta föremål som inte är genomskinliga för det mänskliga ögat reflekteras IR-strålningen delvis och absorberas delvis av föremålet. En del av den absorberade energin reflekteras internt och en del sänds ut igen. Detta gäller även för föremål som är genomskinliga för det mänskliga ögat, t.ex. glas, gaser och tunn genomskinlig plastfilm. En del av strålningen tränger dock också igenom föremålet. Figur 3 illustrerar dessa processer. Sammantaget bidrar dessa processer till det vi kallar emissionsfaktorn för ett föremål eller material.
Abb. 2 Strålningsegenskaper hos svarta kroppar
Abb. 3 Värmeväxling och strålning
Precis som för synligt ljus gäller att ju mer polerad en yta är, desto mer energi reflekterar den. Ytfinishen påverkar därför också emissionsfaktorn. Vid temperaturmätning är detta särskilt viktigt för objekt som är IR-täta och har en låg emissionsfaktor. Ett föremål av polerat rostfritt stål har en betydligt lägre emissionsfaktor än samma föremål med en skrovlig yta. Efter bearbetning, t.ex. svarvning, har det skrovliga föremålet många små spår och ojämnheter som avsevärt minskar arbetsstyckets reflektionsförmåga.
Lagen om energins bevarande säger att summan av koefficienterna för överförd, reflekterad och emitterad (absorberad) IR-energi måste vara lika med 1.
σλ + αλ + τλ = 1
Dessutom är emissionsfaktorn lika med absorptionsfaktorn:
ελ = αλ
följande gäller:
ελ = 1 - σλ+ τλ
Lagen om energins bevarande säger att summan av koefficienterna för överförd, reflekterad och emitterad (absorberad) IR-energi måste vara lika med 1.
σλ + αλ + τλ = 1
Dessutom är emissionsfaktorn lika med absorptionsfaktorn:
ελ = αλ
följande gäller:
ελ = 1 - σλ+ τλ
Abb. 4 Jämförelse av svart kropp, grå kropp och färgstarka spotlights
Koefficienten kan användas i Plancks ekvation som en variabel som beskriver egenskaperna hos en yta i förhållande till våglängden. För ogenomskinliga föremål kan ekvationen förenklas enligt följande:
ελ = 1 - σλ
Föremål som varken reflekterar eller sänder infraröd strålning kallas svartkroppar. Någon naturlig svartkropp är inte känd. För teoretiska ändamål och för beräkning av andra objekt har en svartkropp en emissionsfaktor på 1,0. I praktiken erhålls den bästa approximationen av en sann svartkropp genom att använda en IR-otät sfär med en liten, cylindrisk ingångsöppning. Den inre ytan av ett sådant föremål har en emissionsfaktor på 0,998.
Emissionsfaktorn är ett mått på förhållandet mellan den värmestrålning som avges av en grå kropp och en svart kropp vid samma temperatur. En grå kropp är ett objekt som har samma emissionsfaktor vid alla våglängder och avger mindre infraröd strålning än en svart kropp. En Bund-strålare är ett föremål vars emissionsfaktor ändras med våglängden, vilket är fallet med t.ex. metaller.
ελ = 1 - σλ
Föremål som varken reflekterar eller sänder infraröd strålning kallas svartkroppar. Någon naturlig svartkropp är inte känd. För teoretiska ändamål och för beräkning av andra objekt har en svartkropp en emissionsfaktor på 1,0. I praktiken erhålls den bästa approximationen av en sann svartkropp genom att använda en IR-otät sfär med en liten, cylindrisk ingångsöppning. Den inre ytan av ett sådant föremål har en emissionsfaktor på 0,998.
Emissionsfaktorn är ett mått på förhållandet mellan den värmestrålning som avges av en grå kropp och en svart kropp vid samma temperatur. En grå kropp är ett objekt som har samma emissionsfaktor vid alla våglängder och avger mindre infraröd strålning än en svart kropp. En Bund-strålare är ett föremål vars emissionsfaktor ändras med våglängden, vilket är fallet med t.ex. metaller.
Olika material har också olika emissionsfaktorer och avger därför IR-strålning med olika intensitet vid en given temperatur. Detta är i allmänhet inte en funktion av färgen, såvida inte färgens material tydligt skiljer sig från föremålets material. Ett exempel på ett fall där detta är sant är metalleffektfärg, som innehåller stora mängder aluminiumpartiklar. De flesta färger har samma emissionsfaktor oberoende av färgton. Aluminium har däremot en helt annan emissionsfaktor, vilket resulterar i en annan emissionsfaktor för metalleffektfärgen.
Förutom ett objekts sammansättning och ytstruktur finns det en tredje faktor som indirekt påverkar emissionsfaktorn: sensorns spektralområde. Den har ingen direkt påverkan på objektet, utan på hur sensorn uppfattar det spektrum som objektet avger.
Material som är delvis transparenta, t.ex. glas, plast eller silikon, kan mätas i ett område tillsammans med motsvarande selektiva filter.
Förutom ett objekts sammansättning och ytstruktur finns det en tredje faktor som indirekt påverkar emissionsfaktorn: sensorns spektralområde. Den har ingen direkt påverkan på objektet, utan på hur sensorn uppfattar det spektrum som objektet avger.
Material som är delvis transparenta, t.ex. glas, plast eller silikon, kan mätas i ett område tillsammans med motsvarande selektiva filter.
Abb. 5 Emissionsfaktor för olika material som funktion av våglängderna
Av de föregående styckena framgår att emissionsfaktorn är en mycket viktig parameter vid infraröd temperaturmätning. Så länge emissionsfaktorn för mätobjektet inte är exakt känd och beaktas vid mätningen, är det mycket osannolikt att de erhållna mätvärdena är korrekta. Det finns i huvudsak två sätt att bestämma emissionsfaktorn. Antingen kan emissionsfaktorn hämtas från tabeller eller bestämmas genom en jämförande mätning. Men eftersom uppgifterna i tabellerna i allmänhet bestäms under idealiserade laboratorieförhållanden, tas ingen hänsyn till miljöpåverkan, som orsakar en enorm avvikelse, särskilt vid låga faktorer. Tabellerna specificerar inte heller den underliggande mättemperaturen och mätvåglängden. Som en första approximation är tabellvärdet förvisso till stor hjälp. För den jämförande mätningen mäts mätobjektet med ett termoelement eller annan temperatursensor för att sedan ställa in emissionsfaktorn på IR-termometern så att den visar samma temperatur. Som tumregel kan sägas att de flesta ogenomskinliga, icke-metalliska material har en hög och relativt stabil emissionsfaktor på 0,85-0,95. För de flesta ickeoxiderade metalliska material ligger emissionsfaktorn i intervallet 0,2 till 0,5, med undantag för guld, silver och aluminium, som har en ännu lägre emissionsfaktor. Temperaturen hos dessa metaller är därför svår att mäta med infraröda termometrar, eftersom reflektionskomponenten i den omgivande strålningen är av samma storleksordning eller högre än objektstrålningen.
Medan det nästan alltid är möjligt att bestämma materialets emissionsfaktor, uppstår problem när materialet inte har en konstant emissionsfaktor utan förändras med temperaturen. Detta gäller för de flesta metaller, men även för vissa andra material, t.ex. kisel eller monokristallina keramer med hög renhet. Här bör den jämförande mätningen och justeringen utföras vid den processkritiska temperaturen.
De ekvationer och formler som temperaturmätningen bygger på är kända och beprövade sedan lång tid tillbaka. Det är osannolikt att användaren kommer att behöva använda formlerna i sitt dagliga arbete med IR-termometrar. Kunskap om dessa principer ger dock en bättre förståelse för hur vissa variabler och parametrar påverkar varandra. De viktigaste formlerna är sammanfattningsvis:
1. Kirchhoffs strålningslag
Vid en given temperatur T och våglängd l är emissiviteten e lika med absorptiviteten
e = α
Av detta följer att strålningsflödet øλ från ett verkligt föremål är lika med det från svartkroppen øs vid samma temperatur multiplicerat med föremålets emissivitet
øλ = ε * øs
2. Stefan-Boltzmanns lag
Ju högre temperatur T ett föremål har, desto mer strålningseffekt P avges för en given emissivitet ε och strålningsyta A (k = konstant)
P = k*ε*A*T4
3. Wiens förskjutningslag
Den våglängd där energistrålningen är som störst förskjuts till det kortvågiga området med ökande temperatur.
λmax = 2,89 * 103 μmK/T
4. Plancks ekvation
Denna ekvation beskriver förhållandet mellan våglängd, temperatur T och strålningseffekt
Medan det nästan alltid är möjligt att bestämma materialets emissionsfaktor, uppstår problem när materialet inte har en konstant emissionsfaktor utan förändras med temperaturen. Detta gäller för de flesta metaller, men även för vissa andra material, t.ex. kisel eller monokristallina keramer med hög renhet. Här bör den jämförande mätningen och justeringen utföras vid den processkritiska temperaturen.
De ekvationer och formler som temperaturmätningen bygger på är kända och beprövade sedan lång tid tillbaka. Det är osannolikt att användaren kommer att behöva använda formlerna i sitt dagliga arbete med IR-termometrar. Kunskap om dessa principer ger dock en bättre förståelse för hur vissa variabler och parametrar påverkar varandra. De viktigaste formlerna är sammanfattningsvis:
1. Kirchhoffs strålningslag
Vid en given temperatur T och våglängd l är emissiviteten e lika med absorptiviteten
e = α
Av detta följer att strålningsflödet øλ från ett verkligt föremål är lika med det från svartkroppen øs vid samma temperatur multiplicerat med föremålets emissivitet
øλ = ε * øs
2. Stefan-Boltzmanns lag
Ju högre temperatur T ett föremål har, desto mer strålningseffekt P avges för en given emissivitet ε och strålningsyta A (k = konstant)
P = k*ε*A*T4
3. Wiens förskjutningslag
Den våglängd där energistrålningen är som störst förskjuts till det kortvågiga området med ökande temperatur.
λmax = 2,89 * 103 μmK/T
4. Plancks ekvation
Denna ekvation beskriver förhållandet mellan våglängd, temperatur T och strålningseffekt
Utformning av infraröda termometrar
En infraröd termometer består i princip av följande funktionsblock:
1. En lins som fokuserar den energi som sänds ut av objektet.
2. En detektor som omvandlar strålningsenergin till en elektrisk signal.
3. En justering av emissionsfaktorn för att anpassa termometern till egenskaperna hos det objekt som mäts.
4En kompensation för omgivningstemperaturen som förhindrar att termometerns temperatur inkluderas i utsignalen.
Under många år följde de flesta kommersiellt tillgängliga IR-termometrarna detta koncept. Deras användningsområden var begränsade och i efterhand kan man konstatera att de inte gav tillfredsställande mätresultat. Med den tidens mått mätt var de dock helt adekvata och mycket robusta.
1. En lins som fokuserar den energi som sänds ut av objektet.
2. En detektor som omvandlar strålningsenergin till en elektrisk signal.
3. En justering av emissionsfaktorn för att anpassa termometern till egenskaperna hos det objekt som mäts.
4En kompensation för omgivningstemperaturen som förhindrar att termometerns temperatur inkluderas i utsignalen.
Under många år följde de flesta kommersiellt tillgängliga IR-termometrarna detta koncept. Deras användningsområden var begränsade och i efterhand kan man konstatera att de inte gav tillfredsställande mätresultat. Med den tidens mått mätt var de dock helt adekvata och mycket robusta.
Abb. 6 Blockschema för en IR-termometer
Moderna IR-termometrar bygger på detta grundkoncept, men har förfinats avsevärt med tiden. De viktigaste skillnaderna är användningen av en mängd olika detektortyper, selektiv filtrering av IR-signalen, linjärisering och förstärkning av detektorsignalen samt standardiserade temperaturutgångssignaler som 4-20 mA eller 0-10 V DC. Figur 6 visar ett blockschema över en modern infraröd pyrometer.
Det förmodligen viktigaste framsteget inom IR-temperaturmätning uppnåddes i och med införandet av selektiva filter för IR-strålning. Detta gjorde det möjligt att använda känsligare detektorer och stabilare signalförstärkare. Medan tidiga IR-termometrar var beroende av ett brett IR-spektrum för att få en användbar utgångssignal från detektorn, är en bandbredd på 1 μm eller mer helt tillräcklig för moderna detektorer. Behovet av att begränsa spektrumet och välja ut vissa våglängder beror på att mätningar ofta måste göras genom ett medium vars temperatur inte bör ingå i mätningen på grund av kol- eller väteinnehållet. Dessutom är det ibland nödvändigt att mäta temperaturen hos föremål eller gaser som är permeabla över ett brett område av IR-spektrumet. Några exempel på selektiv begränsning av spektrumet är:
- 8 - 14 μm: Inverkan av luftfuktighet utesluts också över större avstånd.
- 7,9 μm: Möjliggör mätning av tunna plastfilmer som är IR-genomsläppliga över stora områden.
- 3,86 μm: Interferens med CO2 och vattenånga i lågor och förbränningsgaser undertrycks effektivt.
Det förmodligen viktigaste framsteget inom IR-temperaturmätning uppnåddes i och med införandet av selektiva filter för IR-strålning. Detta gjorde det möjligt att använda känsligare detektorer och stabilare signalförstärkare. Medan tidiga IR-termometrar var beroende av ett brett IR-spektrum för att få en användbar utgångssignal från detektorn, är en bandbredd på 1 μm eller mer helt tillräcklig för moderna detektorer. Behovet av att begränsa spektrumet och välja ut vissa våglängder beror på att mätningar ofta måste göras genom ett medium vars temperatur inte bör ingå i mätningen på grund av kol- eller väteinnehållet. Dessutom är det ibland nödvändigt att mäta temperaturen hos föremål eller gaser som är permeabla över ett brett område av IR-spektrumet. Några exempel på selektiv begränsning av spektrumet är:
- 8 - 14 μm: Inverkan av luftfuktighet utesluts också över större avstånd.
- 7,9 μm: Möjliggör mätning av tunna plastfilmer som är IR-genomsläppliga över stora områden.
- 3,86 μm: Interferens med CO2 och vattenånga i lågor och förbränningsgaser undertrycks effektivt.
Temperaturintervallet spelar en viktig roll när det gäller att välja den lämpligaste våglängden för mätningen. Plancks ekvation visar, som i figur 2 för en svartkropp, att strålningskurvans maximum förskjuts mot det kortvågiga området med ökande temperatur. Även i tillämpningar där det inte krävs något selektivt val av spektralområde kan det vara fördelaktigt att begränsa spektralområdet till en så smal del som möjligt av det kortvågiga området. En fördel är att den effektiva emissionsfaktorn för många objekt är högst för metaller med kortare våglängder. Dessutom har denna begränsning en gynnsam effekt på noggrannheten, eftersom givare med ett smalt spektralområde påverkas mindre av förändringar i mätobjektets emissionsfaktor, vilket framgår av figur 7.
Abb. 7 Abhängigkeit des fehlingestellten Emissionsgrades bei unterschiedlichen Wellenlängen
Konstruktiv design
IR-termometrar tillverkas i en mängd olika konfigurationer som skiljer sig åt när det gäller optik, elektronik, teknik, storlek och hölje. Gemensamt är dock signalbehandlingskedjan, som börjar med en IR-signal och slutar med en elektronisk utsignal. Denna generella mätkedja börjar med ett optiskt system som består av linser och/eller optiska fibrer, filter och detektor.
Ur applikationssynpunkt är synfältet den viktigaste egenskapen hos optiken, dvs. hur stor är mätpunkten på ett givet avstånd. Förhållandet mellan mätavståndet och mätpunktens diameter beskrivs av avståndskvoten. I praktiken kan man välja mellan pyrometrar med fast brännvidd och fokuserbar optik. Apparater med fast optik fokuserar endast på objektet i brännpunkten. Vid andra mätavstånd ökar mätpunktens diameter oproportionerligt i förhållande till det beräknade avståndsförhållandet. Sådan optik är främst lämplig för stora objekt. Användning av fokuserbar optik rekommenderas för små objekt eller större mätavstånd. Tack vare att mätavståndet kan justeras kan pyrometrar med fokuserbar optik användas mycket mer flexibelt.
När du anger och jämför mätpunktsdiametern är det viktigt att veta vilken procentandel av strålningseffekten som angivelsen avser. Till exempel är en mätpunkt som baseras på 98 % av energin dubbelt så stor som en diameter som baseras på 90 % av effekten. Detta kan leda till betydande mätfel, särskilt med små mål som är lika stora som pyrometerns mätpunkt.
En annan aspekt av optiken är riktningen av målet. I apparater utan sikthjälpmedel fästs linsen på ytan och mäter yttemperaturen. Detta gäller framför allt för stationära sensorer som är inriktade på tillräckligt stora objekt och där exakt mätning inte krävs. För mindre föremål eller instrument som mäter på större avstånd är ett sikthjälpmedel i form av en genomsiktsoptik, en ljuspunkt eller en laserstråle oumbärligt.
Pyrometerns känslighet bestäms genom användning av ett antal olika detektorer och filter. Som framgår av figur 8 ger blysulfiddetektorer den högsta känsligheten och termopiler den lägsta. De flesta detektorer arbetar antingen enligt den fotoelektriska principen (infallande IR-strålning ger upphov till en spänningssignal) eller är baserade på fotokonduktivitet (infallande IR-strålning ändrar motståndet).
På grund av den låga strålningsenergin krävs vid låga temperaturer bredbandiga spektralområden och därmed längre mätvåglängder. Vid högre temperaturer reduceras känsligheten kraftigt genom smalbandsfilter. Detta minimerar våglängdsberoende störningar.
Ur applikationssynpunkt är synfältet den viktigaste egenskapen hos optiken, dvs. hur stor är mätpunkten på ett givet avstånd. Förhållandet mellan mätavståndet och mätpunktens diameter beskrivs av avståndskvoten. I praktiken kan man välja mellan pyrometrar med fast brännvidd och fokuserbar optik. Apparater med fast optik fokuserar endast på objektet i brännpunkten. Vid andra mätavstånd ökar mätpunktens diameter oproportionerligt i förhållande till det beräknade avståndsförhållandet. Sådan optik är främst lämplig för stora objekt. Användning av fokuserbar optik rekommenderas för små objekt eller större mätavstånd. Tack vare att mätavståndet kan justeras kan pyrometrar med fokuserbar optik användas mycket mer flexibelt.
När du anger och jämför mätpunktsdiametern är det viktigt att veta vilken procentandel av strålningseffekten som angivelsen avser. Till exempel är en mätpunkt som baseras på 98 % av energin dubbelt så stor som en diameter som baseras på 90 % av effekten. Detta kan leda till betydande mätfel, särskilt med små mål som är lika stora som pyrometerns mätpunkt.
En annan aspekt av optiken är riktningen av målet. I apparater utan sikthjälpmedel fästs linsen på ytan och mäter yttemperaturen. Detta gäller framför allt för stationära sensorer som är inriktade på tillräckligt stora objekt och där exakt mätning inte krävs. För mindre föremål eller instrument som mäter på större avstånd är ett sikthjälpmedel i form av en genomsiktsoptik, en ljuspunkt eller en laserstråle oumbärligt.
Pyrometerns känslighet bestäms genom användning av ett antal olika detektorer och filter. Som framgår av figur 8 ger blysulfiddetektorer den högsta känsligheten och termopiler den lägsta. De flesta detektorer arbetar antingen enligt den fotoelektriska principen (infallande IR-strålning ger upphov till en spänningssignal) eller är baserade på fotokonduktivitet (infallande IR-strålning ändrar motståndet).
På grund av den låga strålningsenergin krävs vid låga temperaturer bredbandiga spektralområden och därmed längre mätvåglängder. Vid högre temperaturer reduceras känsligheten kraftigt genom smalbandsfilter. Detta minimerar våglängdsberoende störningar.
För att optimera IR-sensorsystemens svarsbeteende måste man ta hänsyn till detektorns spektralkurva och dess egenskaper.
IR-termometerns elektronik linjäriserar detektorns utsignal för att slutligen generera en linjär strömsignal 0 (4) - 20 mA eller spänningssignal 0 (2) - 10 V. Linjäriseringen utförs nu ofta av programvara med hjälp av en mikroprocessor.
Detta gör att större noggrannhet kan uppnås med större mätområden jämfört med analog linjärisering.
Signalen kan också digitaliseras och matas ut till ett gränssnitt eller matas till en styrenhet, indikator eller skrivare. Beroende på konfiguration har IR-termometrar ytterligare funktioner som larm, justerbart min/max-minne för intermittenta mätningar, justerbara mätintervall och svarstider samt sample-and-hold-funktioner.
Som nämndes inledningsvis är fördelen med beröringsfri temperaturmätning den korta svarstiden. Termoelektriska detektorer för lågtemperaturanordningar uppnår svarstider på 30 ms. Fotoelektriska högtemperaturdetektorer har svarstider på 2 ms.
Om en sensor med snabba svarstider används i en applikation måste även de andra komponenterna i styrslingan tillåta motsvarande bearbetnings- eller manövreringshastigheter.
IR-termometerns elektronik linjäriserar detektorns utsignal för att slutligen generera en linjär strömsignal 0 (4) - 20 mA eller spänningssignal 0 (2) - 10 V. Linjäriseringen utförs nu ofta av programvara med hjälp av en mikroprocessor.
Detta gör att större noggrannhet kan uppnås med större mätområden jämfört med analog linjärisering.
Signalen kan också digitaliseras och matas ut till ett gränssnitt eller matas till en styrenhet, indikator eller skrivare. Beroende på konfiguration har IR-termometrar ytterligare funktioner som larm, justerbart min/max-minne för intermittenta mätningar, justerbara mätintervall och svarstider samt sample-and-hold-funktioner.
Som nämndes inledningsvis är fördelen med beröringsfri temperaturmätning den korta svarstiden. Termoelektriska detektorer för lågtemperaturanordningar uppnår svarstider på 30 ms. Fotoelektriska högtemperaturdetektorer har svarstider på 2 ms.
Om en sensor med snabba svarstider används i en applikation måste även de andra komponenterna i styrslingan tillåta motsvarande bearbetnings- eller manövreringshastigheter.
Abb. 8 Spektralkurva för olika sensorer
Monokromatisk mätning: temperaturmätning vid en våglängd
Temperaturmätning med en våglängd mäter den energi som avges från en yta vid en given våglängd. Utformningen av dessa instrument sträcker sig från bärbara sonder med en enkel extern display till sofistikerade bärbara instrument där temperaturen visas i ett fönster genom vilket objektet fokuseras. Minnes- och utskriftsfunktioner finns också tillgängliga. Spektrumet av stationära onlinesensorer sträcker sig från enkla små detektorer med extern elektronik till robusta och komplexa enheter med integrerade PID-regulatorer. Fiberoptik, genomskinlig optik, laserriktare, vattenkylning och scannersystem är några av de alternativ som används för processövervakning och -styrning. På senare tid har även pyrometrar med integrerad videokamera erbjudits, så att det förutom mätningen även är möjligt att optiskt kontrollera mätpunkten från kontrollrummet. Det finns stora skillnader när det gäller storlek, prestanda, robusthet, flexibilitet och signalbehandling.
Vid planering och utformning av applikationer är sensorkonfiguration, filter, temperaturområde, optik, svarstid och emissionsfaktor viktiga kriterier som måste beaktas i detalj.
Valet av IR-spektralområde och temperaturområde måste alltid övervägas i samband med den specifika applikationen. Av de spektrala kurvorna i figur 2 framgår att korta våglängder är bättre lämpade för höga temperaturer, medan låga temperaturer bör mätas med längre våglängder. Om genomskinliga föremål som glas eller plastfilm ska mätas krävs ett smalbandigt, selektivt filter. Polyetenfilm har t.ex. ett CH-absorptionsområde på 3,43 μm, vid vilken punkt den är ogenomtränglig för IR-strålning. På samma sätt har många glasliknande material ett ogenomskinligt område på cirka 5 μm. Omvänt kan en sensor med ett filter i området upp till 2 μm möjliggöra mätning genom ett glasfönster, t.ex. för vakuum- eller tryckkammare. Ett annat alternativ för mätning i kammare med trånga mätpunkter eller höga omgivningstemperaturer är att använda fiberoptiska kablar.
IR-temperaturmätning med en enda våglängd är därför en mångsidig men ändå enkel teknik som är tillräcklig för många applikationer där kontroll av produkttemperaturen är avgörande för en jämn produktkvalitet.
Vid planering och utformning av applikationer är sensorkonfiguration, filter, temperaturområde, optik, svarstid och emissionsfaktor viktiga kriterier som måste beaktas i detalj.
Valet av IR-spektralområde och temperaturområde måste alltid övervägas i samband med den specifika applikationen. Av de spektrala kurvorna i figur 2 framgår att korta våglängder är bättre lämpade för höga temperaturer, medan låga temperaturer bör mätas med längre våglängder. Om genomskinliga föremål som glas eller plastfilm ska mätas krävs ett smalbandigt, selektivt filter. Polyetenfilm har t.ex. ett CH-absorptionsområde på 3,43 μm, vid vilken punkt den är ogenomtränglig för IR-strålning. På samma sätt har många glasliknande material ett ogenomskinligt område på cirka 5 μm. Omvänt kan en sensor med ett filter i området upp till 2 μm möjliggöra mätning genom ett glasfönster, t.ex. för vakuum- eller tryckkammare. Ett annat alternativ för mätning i kammare med trånga mätpunkter eller höga omgivningstemperaturer är att använda fiberoptiska kablar.
IR-temperaturmätning med en enda våglängd är därför en mångsidig men ändå enkel teknik som är tillräcklig för många applikationer där kontroll av produkttemperaturen är avgörande för en jämn produktkvalitet.
Ratiomätning: temperaturmätning vid två eller flera våglängder
Med tanke på att emissionsfaktorn spelar en avgörande roll för korrekt temperaturmätning med infraröda termometrar eller att det finns mellanliggande medier i strålgången, är det inte förvånande att forskarna försöker utveckla sensorer som kan mäta temperaturen oberoende av dessa störningar. En vanlig och beprövad metod för detta är kvot- eller flerfärgsmätning. Denna metod mäter förhållandet mellan energin vid två olika våglängder i stället för den absoluta energimängden vid en våglängd. Ordet "flerfärgsmätning" härstammar från den gamla idén att kombinera synliga färger med temperatur. Denna idé - och därmed också termen - är nu något föråldrad, men används fortfarande ofta.
Effektiviteten i detta koncept bygger på det faktum att förändringar i mätobjektets ytegenskaper eller hinder som befinner sig i siktkonen till mätobjektet uppfattas lika av de två detektorerna. Därför förblir förhållandet mellan sensorns utsignaler detsamma och det gör även den uppmätta temperaturen. Figur 9 visar en förenklad illustration av en pyrometer som arbetar enligt denna princip.
Effektiviteten i detta koncept bygger på det faktum att förändringar i mätobjektets ytegenskaper eller hinder som befinner sig i siktkonen till mätobjektet uppfattas lika av de två detektorerna. Därför förblir förhållandet mellan sensorns utsignaler detsamma och det gör även den uppmätta temperaturen. Figur 9 visar en förenklad illustration av en pyrometer som arbetar enligt denna princip.
Abb. 9 Verhältnismessung
Genom att mäta kvoten i stället för det absoluta värdet kan felaktigheter som orsakas av en okänd eller föränderlig emissionsfaktor undvikas under de förhållanden som beskrivs ovan. Temperaturen mäts också korrekt om en del av synfältet skyms av kallare material som damm, ånga, armaturer eller fönster.
Så länge som mediet mellan objektet och sensorn inte selektivt dämpar vissa våglängder förblir kvoten konstant och därmed förblir också temperaturen som mäts av termometern konstant.
Denna metod är därför lämplig för tillämpningar som skulle vara svåra eller omöjliga att lösa med andra mättekniker, t.ex. temperaturmätning i cementugnar eller mätning genom ett fönster som immar igen under processen, vilket är fallet vid vakuumsmältning av metaller. Det bör dock påpekas att dessa dynamiska förändringar måste uppfattas lika av båda sensorerna, dvs. förändringarna måste påverka alla våglängder lika mycket.
Naturligtvis finns det också begränsningar för denna metod som måste beaktas. Förhållandemätning är inte lämplig för färgade strålkällor som t.ex. aluminium. Den kan inte heller användas för att mäta genom fönster med varierande transmission eller varm Pyrex. Dessutom tenderar denna metod att registrera och mäta bakgrundstemperaturer om dessa är högre än temperaturen på det objekt som mäts.
Så länge som mediet mellan objektet och sensorn inte selektivt dämpar vissa våglängder förblir kvoten konstant och därmed förblir också temperaturen som mäts av termometern konstant.
Denna metod är därför lämplig för tillämpningar som skulle vara svåra eller omöjliga att lösa med andra mättekniker, t.ex. temperaturmätning i cementugnar eller mätning genom ett fönster som immar igen under processen, vilket är fallet vid vakuumsmältning av metaller. Det bör dock påpekas att dessa dynamiska förändringar måste uppfattas lika av båda sensorerna, dvs. förändringarna måste påverka alla våglängder lika mycket.
Naturligtvis finns det också begränsningar för denna metod som måste beaktas. Förhållandemätning är inte lämplig för färgade strålkällor som t.ex. aluminium. Den kan inte heller användas för att mäta genom fönster med varierande transmission eller varm Pyrex. Dessutom tenderar denna metod att registrera och mäta bakgrundstemperaturer om dessa är högre än temperaturen på det objekt som mäts.
I figur 10 visas ett exempel på olika produkter vars emissionsfaktor förändras med temperaturen. Grafit t.ex. antas ofta spontant ha en hög och konstant emissionsfaktor. Det är tvärtom - emissionsfaktorn ökar från 0,4 till 0,65 i ett intervall från 20°C till 1100°C.
För färgade emittrar vars emissionsfaktor förändras med våglängden finns flerfärgstermometrar som mäter energin i ett helt våglängdsområde. Sådana tillämpningar föregås av en detaljerad analys av den berörda produktens ytegenskaper. Förhållandet mellan emissionsfaktor, temperatur, våglängd och ytkemi måste analyseras. Med hjälp av dessa data kan man ställa upp algoritmer som på ett meningsfullt sätt relaterar emissionen vid olika våglängder till temperaturen.
Om det i synfältet finns ett medium vars partikelstorlek motsvarar en av de våglängder som används vid mätningen, förvrängs också kvoten.
Trots dessa begränsningar fungerar kvotmätning mycket bra i ett antal tillämpningar. I vissa tillämpningar är denna metod den bästa, om inte den enda vettiga lösningen för temperaturmätning.
För färgade emittrar vars emissionsfaktor förändras med våglängden finns flerfärgstermometrar som mäter energin i ett helt våglängdsområde. Sådana tillämpningar föregås av en detaljerad analys av den berörda produktens ytegenskaper. Förhållandet mellan emissionsfaktor, temperatur, våglängd och ytkemi måste analyseras. Med hjälp av dessa data kan man ställa upp algoritmer som på ett meningsfullt sätt relaterar emissionen vid olika våglängder till temperaturen.
Om det i synfältet finns ett medium vars partikelstorlek motsvarar en av de våglängder som används vid mätningen, förvrängs också kvoten.
Trots dessa begränsningar fungerar kvotmätning mycket bra i ett antal tillämpningar. I vissa tillämpningar är denna metod den bästa, om inte den enda vettiga lösningen för temperaturmätning.
Abb. 10 För många material ändras emissionsfaktorn med temperaturen. Den här figuren visar några vanliga material.
Sammanfattning
Bild 11 visar återigen de viktigaste elementen i en applikation. Den viktigaste aspekten här är ytan på det objekt som ska mätas. Vid valet av lämpligt instrument måste hänsyn tas till mätobjektets storlek, temperaturområde, emissionsfaktor, spektralkänslighet och svarstid.
Dessutom måste hänsyn tas till omgivningsförhållandena vid valet av det lämpligaste instrumentet, t.ex. förekomsten av lågor, IR-strålningsvärmare, induktionsugnar och atmosfärens beskaffenhet (damm, förorenade fönster, rök, värme etc.).
Dessutom måste hänsyn tas till omgivningsförhållandena vid valet av det lämpligaste instrumentet, t.ex. förekomsten av lågor, IR-strålningsvärmare, induktionsugnar och atmosfärens beskaffenhet (damm, förorenade fönster, rök, värme etc.).
Abb. 11 Störeinflüsse
Infraröd temperaturmätning är en mogen teknik som ständigt optimeras och anpassas för nya tillämpningar. Den bevisar sitt värde varje dag inom en mängd olika branscher och inom forskningen. Om man förstår den underliggande tekniken och tar hänsyn till alla relevanta applikationsparametrar ger denna mätmetod i allmänhet önskat resultat, förutsatt att instrumentet har installerats noggrant. Med noggrann menas i detta sammanhang att givaren används inom ramen för sina specifikationer och att tillräckliga försiktighetsåtgärder har vidtagits för att hålla optiken fri från föroreningar och avlagringar.
Ett kriterium vid val av termometertillverkare bör därför vara att det finns skydds- och installationstillbehör. Man bör också ta hänsyn till i vilken utsträckning dessa tillbehör gör det möjligt att snabbt ta bort sensorn och byta ut den vid behov. Om dessa riktlinjer följs fungerar moderna infraröda termometrar ofta mer tillförlitligt än termoelement- eller Pt100-givare.
Ett kriterium vid val av termometertillverkare bör därför vara att det finns skydds- och installationstillbehör. Man bör också ta hänsyn till i vilken utsträckning dessa tillbehör gör det möjligt att snabbt ta bort sensorn och byta ut den vid behov. Om dessa riktlinjer följs fungerar moderna infraröda termometrar ofta mer tillförlitligt än termoelement- eller Pt100-givare.