Mätfel i praktiken med beröringsfri temperaturmätning

Beröringsfri temperaturmätning, även känd som pyrometri, betraktas med skepsis av många som arbetar med temperaturmätning. Tillverkarnas tekniska data dokumenterar att pyrometrar är mycket noggranna och exakta mätinstrument. Förutom att välja en pyrometer som är lämplig för applikationen är det särskilt viktigt att ta hänsyn till materialegenskaper och miljöpåverkan på plats.

Mätfel kan undvikas genom korrekt användning. Nedan förklaras de vanligaste orsakerna till fel och hur de kan minskas.

Pyrometrar mäter den värmestrålning som avges från ett föremål. Den infraröda strålning som objektet avger beror på dess material- och ytegenskaper. Denna strålningsegenskap beskrivs av emissiviteten ε. Emissiviteten måste ställas in på enheten för exakt temperaturmätning. En felaktigt inställd emissivitet kan orsaka betydande fel. Figur 1 visar temperaturavvikelsen (ΔT) för tre mätvärden beroende på våglängden om en emissivitet på 80% är inställd på enheten istället för en emissivitet på 90%. Detta fel ökar med längre mätvåglängder eller ökande temperatur. Välj därför det kortaste våglängdsområdet som är tillgängligt för det önskade mätområdet.

I synnerhet vid mätning av metallytor med okänd eller kraftigt varierande emissivitet kan mätfelet minskas avsevärt genom att välja en kortare mätvåglängd. Metallers emissivitet ökar med kortare våglängder. Samtidigt minskar felets inverkan om emissiviteten är felaktigt inställd.

Optimala förhållanden råder när pyrometern har fritt siktfält mot objektet. Om det finns medier som damm, gaser, rök, skyddsglas eller ogenomskinliga material i pyrometerns strålgång, orsakar dessa en minskning av objektets temperaturstrålning.

Om transmissionsförlusterna är kända, t.ex. Om transmissionsförlusterna är kända, t.ex. vid mätning genom ett skyddsglas (τ=0,95), kan de kompenseras genom att justera emissiviteten på apparaten.

_εdevice = _εobject - _τbeam path

_εdevice = emissivitet som ska ställas in på apparaten
_εobject = emissivitet för objektet
_τbeam path = transmittans för objekten i strålgången

Det är mer problematiskt om damm, olja eller förångade material samlas på linser eller skyddsfönster under en längre tid. Pyrometern mäter då en lägre temperatur med ökande nedsmutsning. Regelbunden rengöring av linserna är därför nödvändig. Luftreningsanordningar förlänger rengöringscykeln. På senare tid har pyrometrar med en integrerad indikator för föroreningsnivå också blivit tillgängliga på marknaden. En larmsignal genereras när linsen blir smutsig.

Den avgörande faktorn för den visade objekttemperaturen är strålningseffekten_ΦΣ som träffar pyrometerns detektor.

Enligt följande formel innehåller den, förutom mätobjektets emissionskomponent, en bakgrundsstrålningskomponent som består av reflektions- och transmissionskomponenten i den omgivande strålningen.

_ΦΣ = _Φε + _Φτ + _Φρ

ε = mätytans emissivitet
τ = mätobjektets transmittans
ρ = mätytans reflektans

Bakgrundsstrålningens felpåverkan minskar ju större objektets emissivitet är och ju högre objektets temperatur är jämfört med omgivningstemperaturen. Denna påverkan är problematisk, t.ex. vid användning av pyrometrar vid utloppet av kontinuerliga ugnar. Mätfelet kan minskas om optikens inriktning förhindrar reflektion av värmestrålning från ugnen på ytan av det objekt som ska mätas. Strålningskällor i det infraröda området, t.ex. glödlampor, värmestrålare eller lasrar, ger ibland upphov till stark infraröd strålning, som underskattas i praktiken.

Speciellt för lasertillämpningar finns det enheter med blockeringsfilter som förhindrar att den högenergetiska laserstrålningen påverkar den mycket låga infraröda strålningen.

Avbildningsfel i optiken, ljusspridning och reflektion från optiska komponenter och husdelar samt diffraktion på grund av ljusets vågnatur gör att en del av den detekterade strålningen når sensorn utanför det specificerade mätfältet. Optiken tar emot en del av strålningen utanför mätfältet. Denna påverkan från optiken kallas för "källstorlekseffekten". Tillverkaren kan minimera denna påverkan genom att noggrant korrigera de optiska avbildningsfelen, använda antireflexbehandlade optiska komponenter och undvika reflexer i enheten. Högkvalitativ optik minskar effekterna av dessa fel. "Källans effektstorlek" är minst i optikens brännpunkt. I pyrometrar med fokuserbar optik kan denna effekt därför minskas avsevärt om mätavståndet är korrekt inställt.

Det optiska felet ökar med våglängden av fysikaliska skäl. Därför krävs det ännu större ansträngningar för att korrigera det optiska felet i långvågiga mätinstrument och därmed i instrument för låga mätområden. Detta har en negativ effekt på billigare pyrometrar som mäter från rumstemperatur och uppåt, eftersom det visade mätvärdet är mycket beroende av det valda mätavståndet.

Om objektet är betydligt större än pyrometerns mätpunkt och området befinner sig på nästan samma temperaturnivå, kan denna effekt nästan försummas. I annat fall kan felet minskas genom att använda en enhet med fokuserbar optik och exakt inriktning mot objektet. För exakt inriktning av pyrometern rekommenderas en pilotlampa, ett genom-linsen-glasögon eller en integrerad videokamera.

Med en kvotpyrometer analyseras förhållandet mellan strålningstätheterna i två olika spektralområden. Förenklat gäller följande formel för den uppmätta temperaturen med de två centrumvåglängderna _λ1 och _λ2.

1 ÷_TM = (1 ÷_TW) + ((_λ1 - _λ2) ÷ (_C2 - (_λ1 - _λ2)))) -(ln _{ε1 ÷_ε2})

_TM = Mätytans emissivitet
_TW = Mätobjektets transmittans
_C2 = Mätytans reflektans

Om emissiviteterna _ε1 och _ε2 är desamma för båda våglängderna, motsvarar den uppmätta temperaturen objektets temperatur. En kvotpyrometer mäter därför oberoende av ytans emissivitet, förutsatt att emissiviteterna _ε1 och _ε2 är identiska. I teorin rekommenderas kvotpyrometrar om mätobjektets emissivitet fluktuerar. I praktiken beror detta dock på respektive applikation och gäller sällan. På grund av kvotbildningen kan mätfelet hos en kvotpyrometer vara betydligt större än hos en spektralpyrometer om emissiviteten hos de två mätvåglängderna varierar och skiljer sig åt. Metaller i synnerhet, och särskilt icke-järnmetaller, uppvisar en våglängdsberoende förändring i emissivitet.

Transmissionsförluster som damm, ånga eller rök orsakar å andra sidan ofta en homogen dämpning av strålningsintensiteten. Jämfört med spektrala pyrometrar förblir det uppmätta värdet för kvotpyrometrar konstant under dessa förhållanden.

Innovativa kvotpyrometrar möjliggör samtidig mätning och beräkning av temperaturen vid båda spektralvåglängderna och kvottemperaturen. Detta gör det möjligt att vid idrifttagningen avgöra om mätningen med en spektralpyrometer eller med en kvotpyrometer ger mer reproducerbara och exakta mätvärden för hela mätområdet.