Optiska påverkande variabler

Beröringsfri temperaturmätning baseras på en optisk mätmetod. De optiska egenskaperna hos en pyrometer har ett stort och ofta underskattat inflytande på mätnoggrannheten. I många fall jämförs endast de parametrar som anges i databladet när mätosäkerheten testas. En enkel, felaktigt vald eller felaktigt justerad optik kan dock leda till mycket allvarliga mätfel. I följande rapport förklaras principerna för och effekterna av optiska aberrationer samt specifikationen av de optiska parametrarna för pyrometrar. Den presenterar ett sätt på vilket användaren själv kan kontrollera kvaliteten på pyrometerns optik.

Sfärisk aberration (bländarfel)
Ljusstrålar som kommer in nära kanten på en lins fokuseras på ett annat avstånd än ljusstrålar som kommer in från mitten. Resultatet blir en något oskarp bild. Sfärisk aberration kan minskas i optiska system som består av flera linser genom att kombinera flera linsytor på ett lämpligt sätt.

Kromatisk aberration (longitudinell färgaberration)
Brännvidden hos linser beror på våglängden. Ljus eller strålning med olika våglängder fokuseras på olika punkter. Bilden av ett objekt framträder då med färgade kanter runt bilden. Den kromatiska aberrationen kan minskas kraftigt genom att använda optik som är korrigerad för två (akromat) eller tre (apokromat) våglängder (fig. 2). Materialet i linserna väljs så att linsernas aberrationer kompenserar varandra för två eller tre våglängder.

För att specificera optiken anges antingen mätpunktens storlek för ett visst avstånd eller avståndskvoten, dvs. förhållandet mellan mätavståndet och mätfältets diameter.

Mätpunktens storlek för pyrometrar baseras på en fast procentandel av den maximala energi som kan tas emot i en halv rymd. 100 % motsvarar ett oändligt stort mätobjekt. Mätpunktens storlek är typiskt relaterad till 90, 95 eller 98 % av den maximala energi som kan tas emot (fig. 3).

Om strålningskomponenten relateras till 95 % istället för 90 %, resulterar detta i ett större mätfält. Information om mätfältets storlek är därför endast jämförbar om den avser samma procentandel. Vissa tillverkare anger inte strålningsprocenten eller definierar den som en låg procentandel. Detta leder till att dessa tillverkare i databladen låtsas att mätfältet är mycket litet, trots att de vet att de skulle behöva ange ett betydligt större värde om de hade definierat det på ett annat sätt. Dessutom anger vissa tillverkare storleken på mätfältet utan att ta hänsyn till linsens toleranser.

Vid pyrometrar skiljer man mellan apparater med fokuserbar optik och optik med fast fokus. Mätfältet är endast i fokus vid fokalavståndet. Om pyrometern används utanför brännviddsområdet är det inte längre möjligt att garantera en jämn fördelning av den infraröda strålningen på sensorn (bild 4).

Den strålning som tas emot via mätytan registreras sedan i olika grad. Temperaturförändringar i mitten har större effekt än i mätfältets periferi.

Detta påverkar särskilt kalibreringen av pyrometern framför en "svart kropp". Ugnsöppningen måste vara flera gånger större än pyrometerns mätfält. För apparater med enkel optik och stort mätfält måste extremt stora radiatorer användas som kalibreringskälla för att minska de mätfel som kan uppstå vid kalibreringen. Detta är en av de främsta felkällorna till den höga mätosäkerheten hos lågprisapparater.

Särskilt vid små mätobjekt som bara är något större än pyrometerns mätområde kan en felaktig fokusinställning leda till betydande mätfel. Men även om pyrometern betraktar mätobjektet genom öppningar, siktglas, ugnsväggar eller siktrör, kan en dåligt inställd optik eller felaktig fokusering snabbt leda till en förträngning av siktkonen och därmed till felaktiga mätningar. Om mätningar utförs på objekt som är betydligt större än pyrometerns mätfält, kommer den visade temperaturen att ändras med enkel optik om mätobjektets storlek eller mätavståndet ändras. Fig. 5 visar en jämförelse av den reducerade visningen av mätvärdet för en högkvalitativ och en enkel optik i förhållande till mätobjektets diameter. Med en enkel optik sjunker mätvärdet avsevärt när målobjektets storlek ändras. En ändring av mätavståndet har samma effekt vid en konstant objektstorlek. Detta innebär att apparater med enkel optik visar olika mätvärden vid olika mätavstånd. Denna felkälla måste beaktas, särskilt vid användning av enkla handhållna apparater, som säkert används på olika avstånd. Denna effekt kallas size-of-source-effekt (SSE) och är en mer eller mindre betydande felkälla i alla pyrometrar. Orsakerna är avbildningsfel i optiken, ljusspridning och reflektion från optiska komponenter och husdelar samt diffraktion på grund av ljusets vågformiga natur. Size-of-source-effekten minskar när mätvåglängden blir kortare. Denna påverkan kan minimeras genom noggrann korrigering av de optiska avbildningsfelen, användning av antireflexbehandlade optiska komponenter och undvikande av ströljus och reflektioner i instrumentet. I praktiken kan användaren minimera detta fel genom att fokusera exakt på mätavståndet.

Beroende på temperaturen ligger den infraröda strålningen från ett mätobjekt i våglängdsområdet mellan 0,6 och 20 µm, dvs. oftast över synligt ljus. För det första innebär detta att optiken måste korrigeras för det våglängdsområde som används av pyrometern. Om användaren vill fokusera visuellt eller om apparaterna är utrustade med en videokamera som sikthjälpmedel, måste optiken vara utformad så att de optiska avbildningsfelen korrigeras lika mycket för både det synliga och det infraröda våglängdsområdet. I enkla anordningar används linser som inte är färgkorrigerade eller som endast är korrigerade för en våglängd. I detta fall stämmer inte brännpunkterna för den infraröda och den synliga strålningen överens (fig. 2). Om pyrometern fokuseras via siktet är den inte optimalt fokuserad för den infraröda strålningen.

Särskilt när laser används för att visa mätpunkten stämmer laserpunkten inte överens med mätavståndet med enkla linser.

Dessa fel kan endast elimineras så långt som möjligt med optiskt komplexa två- eller trelins-system. Pyrometrarna i CellaTemp PA-serien har t.ex. högkvalitativ precisionsoptik med ett bredbandigt antireflexionslinsystem.

Detta innebär att även trådar med en diameter på 0,3 mm kan mätas korrekt med avseende på temperatur.

En pyrometers avbildningsegenskaper kan enkelt kontrolleras av användaren. För att göra detta riktas pyrometern mot en definierad strålningskälla.

Storleken på strålningsområdet bör vara flera gånger större än pyrometerns mätfält. Placera nu ett öppet irisbländarblad på pyrometerns brännvidd (a) framför strålningskällan och bestäm temperaturen med pyrometern vid en emissivitetsinställning på ε = 1 (fig. 6). Det är lämpligt att utföra mätningen i slutet av pyrometerns mätområde, eftersom optiska mätfel blir mer synliga vid högre temperaturer. Emissiviteten på pyrometern bör då ställas in på 0,98, vilket leder till en ökning av temperaturvisningen.

Därefter måste irismembranets diameter minskas tills den visade temperaturen åter motsvarar det ursprungliga värdet. Diametern på irismembranets öppning motsvarar då mätfältets storlek i förhållande till 98 % av strålningsenergin. Förhållandet till mätavståndet a resulterar i avståndskvoten D = . Denna mätning bör sedan upprepas för en mätfältsstorlek på 95 % och 90 % och resultatet jämföras med tillverkarens specifikationer i broschyren.

På detta sätt är det mycket enkelt att kontrollera och jämföra de faktiska optiska avbildningsegenskaperna, inklusive effekterna av linsfel, för olika apparater.

Figur 7 visar t.ex. mätobjektens diametrar för 90 % och 95 % av strålningsenergin. För 90 % är skillnaderna i mätfältens storlek fortfarande relativt små med Ø 14 mm för den enkla optiken och Ø 10,2 mm för den högkvalitativa optiken. Men vid 95 % (Ø 24 mm för den enkla optiken och Ø 11,5 mm för den högkvalitativa optiken) är siffrorna redan mycket olika. För att kunna ange ett bättre (mindre) värde för mätfältets diameter föredrar därför vissa tillverkare att ange värdet för ett mindre referensvärde för strålningen (t.ex. 90 %). Detta får ett enkelt optiskt system att framstå som betydligt bättre än vad det faktiskt är.

För pyrometrar med pilotljus, videokamera eller genom-linsen-syn kan testet också användas för att avgöra om fokuspunktens avstånd från mätfältet och synfältet är identiskt och om mätfältets markering faktiskt motsvarar positionen och storleken på pyrometerns mätyta.

Vid val av pyrometrar bör man förutom att jämföra de metrologiska parametrarna även noggrant jämföra de optiska egenskaperna. Eftersom informationen i vissa tillverkares broschyrer tyvärr ofta är otillräcklig, bör man i detalj fråga hur det specificerade mätfältet har bestämts och om linsfel och justeringstoleranser har beaktats i specifikationen. En jämförelse mellan olika pyrometrar är endast möjlig om de optiska specifikationerna och referensvärdena är identiska. I kritiska fall bör du för säkerhets skull själv kontrollera kvaliteten och specifikationen av informationen i broschyren enligt beskrivningen ovan. Vad har man för nytta av en pyrometer som är specificerad med en elektrisk mätosäkerhet på betydligt mindre än 1 %, men där å andra sidan användningen av enkla linser och optiska inställningar resulterar i betydligt större mätfel?