Princip, fördelar och användningsmöjligheter för innovativa panoramapyrometrar

Pyrometrar registrerar värmestrålningen på ytan av ett mätobjekt i ett definierat mätfält och använder detta för att bestämma temperaturen. Mätfältets storlek och form bestäms av linserna, den optiska strukturen och sensortekniken. På grund av linsernas geometri, bländarsystemet och sensortekniken har de enheter som för närvarande finns på marknaden vanligtvis en rund mätyta. Baserat på en ny typ av optisk design och högkvalitativa linser har enheter med ett rektangulärt mätfält nyligen blivit tillgängliga. I följande artikel beskrivs konstruktion, funktion, fördelar och användningsmöjligheter för pyrometrar med rektangulärt mätfält.

Idén att utveckla en pyrometer med rektangulärt mätfält föddes för mer än 30 år sedan, eftersom det finns applikationer inom beröringsfri temperaturmätningsteknik som kan lösas enklare och framför allt mer tillförlitligt. En stor fördel med pyrometrisk temperaturmätning jämfört med kontaktmätning är att pyrometrar är idealiska för mätning av rörliga objekt. Förutsättningen är naturligtvis att det objekt som ska mätas befinner sig i pyrometerns mätfält. Som exemplet med trådproduktionen visar blir det problematiskt när mätobjektet svänger vinkelrätt mot produktionsriktningen och inte alltid fyller mätfältet (fig. 1).

För att lösa sådana applikationsrelaterade mätproblem har man hittills använt enkanals pyrometrar med mycket litet mätfält och en vridbar spegel monterad framför pyrometern. Den roterande eller svängbara spegeln avböjer mätpunkten periodiskt. Genom att lagra det maximala värdet i pyrometern registreras temperaturen vid den tidpunkt då mätpunkten är helt fylld av föremålet. Förutom nackdelen med en rörlig mekanism som är känslig för fel, är detekteringstiden begränsad. På grund av skanningsrörelsen registreras objekttemperaturen inte kontinuerligt, utan endast cykliskt.

Av denna anledning gjordes för många år sedan försök med anordningar som genererade ett rektangulärt mätfält rent optiskt. En speciell cylindrisk lins spred mätfältet i riktning mot en axel, som man känner det från ett spegelskåp. I princip var detta en lösning. Den ojämna känslighetsfördelningen på sensorns mätyta visade sig dock vara ett problem. En annan nackdel var den höga kostnaden för denna speciallins. Dessutom kunde apparaterna bara användas för ett fast mätavstånd. En annan svårighet var att den optiska bilden i genomsiktslinsen var förvrängd, vilket gjorde det svårt att rikta in apparaten.

Användningen av ett rektangulärt mätfält är särskilt intressant i kombination med en kvotpyrometer. En kvotpyrometer registrerar värmestrålningen från ett mätobjekt i två olika våglängdsområden. Kvoten av de två spektralstrålningarna ändras proportionellt mot temperaturen. Denna mätprincip gör att mätobjektet kan vara mindre än mätfältet. Till skillnad från en enkanalig pyrometer kan den korrekta temperaturen fortfarande bestämmas för ett varmt mätobjekt framför en kall bakgrund.

I motsats till den ovan beskrivna lösningen med en cylindrisk lins åstadkoms det rektangulära mätfältet hos den nya panoramapyrometern genom en högprecisionsbländare som är placerad i detektorns mätgren mellan bländaren (3) och avledningsspegeln med sensor (4) (fig. 2). Detta löser två grundläggande problem. Apparaten kräver ingen speciellt utformad lins och mätobjektet visas i fokus som vanligt vid siktning genom linsen eller på monitorbilden i apparater med inbyggd videokamera.

En annan fördel med denna innovativa optiska konstruktion är att mätfältsmarkeringarna i sökaren eller på bildskärmen visas korrekt i både exakt position och faktisk storlek på det rektangulära mätfältet. Detta är det enda sättet att kontrollera och säkerställa att enheterna är korrekt inriktade.

En annan optisk utmaning måste lösas under utvecklingen av panoramapyrometern. På grund av optiska avbildningsfel och en inhomogen känslighetsfördelning på mätytan har kvotpyrometrar vanligtvis den egenskapen att mätobjektets position i mätfältet har en märkbar inverkan på den uppmätta temperaturen. Vid mätfältets kant kan temperaturvisningen stiga med över 30 °C vid en objekttemperatur på 1000 °C (fig. 3).

Fluktuationer i temperaturvisningen kan även uppstå med konventionella kvotpyrometrar om mätobjektets diameter ändras av produktionsskäl och mätfältet därför fylls på ett annat sätt.

För att minimera denna fysikaliska effekt har precisionslinser utvecklats för optiken som har genomgående goda avbildningsegenskaper över hela ytan av ingångsöppningen (minimal sfärisk aberration). Dessutom har linserna ett minimalt longitudinellt färgfel (kromatisk aberration) för att uppnå en lika skarp bild för båda mätvåglängderna och för det synliga området. För att kunna realisera panoramapyrometern krävdes dessutom utveckling av en optisk installation bestående av precisionsbländare och högkvalitativa sensorer. Resultatet är att den nya panoramapyrometern levererar ett konstant mätvärde oavsett t.ex. en tråds position och diameter i mätfältet.

Den modulära konstruktionen av de optiska och elektriska komponenterna innebär att panoramapyrometern också kan utrustas med flera fokuserbara utbytbara linser. Dessutom kan olika förhöjningslinser skruvas in i den främre gängan på respektive lins för att minska mätfältet. Detta resulterar i ett stort antal optiska avbildningsvarianter med avseende på både det önskade mätavståndet och den nödvändiga mätfältsstorleken (fig. 4). Till exempel kan även trådar med en diameter på 0,1 mm detekteras.

Den optiska inriktningen av en pyrometer på ett litet mätobjekt eller på ett stort mätavstånd kräver högkvalitativ mekanik för justering. Det säger sig självt att en apparat med rektangulär mätpunkt är mycket lättare att rikta in under dessa förhållanden (fig. 5). Denna fördel är särskilt märkbar med en bärbar pyrometer om operatören håller enheten i handen när han siktar, eftersom bredden på det rektangulära mätfältet är 2 till 3 gånger större än för en jämförbar enhet med ett runt mätfält. Detta ger en säkrare hantering och temperaturregistrering.

I produktionsprocesser där det heta objektets position och storlek kan ändras eller i värmebehandlingssystem där värmezonen på arbetsstycket varierar, erbjuder panoramapyrometern större driftsäkerhet och är mycket enklare att rikta in. Eftersom ett rektangulärt mätfält är bredare än ett runt mätfält med samma yta är risken för att den heta punkten flyttar sig ut ur mätfältet betydligt lägre.

Ett typiskt exempel är tillverkningen av ändlösa rör där materialet bockas och svetsas samman. Uppvärmningen sker med hjälp av en induktionsspole. Positionen för den lilla svetspunkten kan variera, så att svetsfogen med konventionella apparater ibland kan ligga utanför mätfältet och mätning är då inte längre möjlig (fig. 6).

Vid tillverkning av glasflaskor ändras glasdroppens position och form vid skjuvningen. Även här ger en panoramapyrometer större mätsäkerhet. Materialets temperaturpåverkan och färgen på det delvis genomskinliga glaset spelar också en roll. Denna påverkan reduceras kraftigt med panoramapyrometerns kvotmätmetod.

I tråddragningssystem värmebehandlas sedan tråden. Tråden passerar genom en induktionsspole med hög hastighet. Det är oundvikligt att tråden svänger mellan styrrullarna. När det gäller tunna trådar kan fluktuationen vara flera gånger trådens diameter. Under dessa förhållanden är punktmätning knappast möjlig.

Den manuella beröringsfria temperaturmätningen av flytande metall när den hälls i formen utförs från ett säkert avstånd. Med en konventionell apparat med runt mätfält är det svårt att rikta in pyrometern mot gjutstrålen, särskilt som strålens position kan ändras beroende på skänkens lutningsvinkel. En enhet med rektangulärt mätfält är mycket enklare att hantera (bild 7).

Mätning av temperaturen på de minsta objekten, t.ex. en glödtråd eller ett värmeelement i ett röntgenrör, ställer de högsta optiska kraven på enheterna. För det mesta kunde sådana applikationer tidigare bara lösas med så kallade intensitetsjämförelsepyrometrar. Med dessa apparater mäts temperaturen manuellt genom att operatören visuellt jämför radiansen hos en intern referensstrålare och det objekt som ska mätas.

Svårigheten med att använda elektroniska mätapparater ligger i den mekaniska anpassningen av apparaterna till extremt små mätobjekt. Sådana mätuppgifter kan också lösas mycket enklare med panoramapyrometern.

På grund av kvotmätprincipen är användningsområdet begränsat till applikationer med temperaturer över 600 °C. En annan begränsning är den grad av partiell belysning upp till vilken kvotpyrometern fortfarande kan bilda ett reproducerbart mätvärde.

Detta värde beror bland annat på mätobjektets emissivitet och den absoluta temperaturen. I början av mätområdet kan en kvotpyrometer redan ge ett tillförlitligt mätvärde om strålningsenergin är 10 % av radiansen hos en svartkroppsstrålare vid samma temperatur. När mättemperaturen ökar är en ännu större signaldämpning tillåten. Dämpningen påverkas av emissiviteten, graden av partiell belysning, formen på mätobjektet och sikthinder som ånga, damm och rök i mätfältet. Som exempel kan nämnas en ståltråd med en emissivitet på 0,6. När det gäller ett runt mätobjekt måste man också ta hänsyn till att den strålning som pyrometern registrerar delvis sänds ut i en mycket flack vinkel. Säkerhetsfaktorn 1,5 används då också som en approximation. Graden av partiell belysning, mätfältets bredd och det maximala mätavståndet kan beräknas med hjälp av följande formler.

Grad av partiell belysning = (minsta analyserbara signalstyrka ÷ emissivitet) × säkerhetsfaktor

Med hänvisning till exemplet ovan måste mätfältet vara minst 10 % ÷ 0,6 × 1,5 = 25 % fullt för att pyrometern ska kunna bestämma ett mätvärde. Signalstyrkan som en indikation på mätvärdets tillförlitlighet kan visas på pyrometerns display.

För en tråddiameter på 5 mm ger detta en maximal bredd på mätfältet på 5 mm ÷ 0,25 = 20 mm för början av mätområdet.

Med en panoramapyrometer anges den optiska upplösningen av avståndsförhållandet (mätavstånd ÷ mätfältets storlek) för bredden DW (width) och för höjden DH (height). Baserat på ett avståndsförhållande på t.ex. DW = 40 : 1 ger detta ett maximalt mätavstånd på 40 × 20 mm = 800 mm. Eller annorlunda uttryckt: För ett avsett mätavstånd på t.ex. 500 mm måste ett objektiv med ett avståndsförhållande på DW ≥ 500 mm ÷ 20 mm, dvs. ≥ 25 : 1, användas för att mätfältet ska belysas tillräckligt av mätobjektet.

Panoramapyrometern kan även användas så att mätfältet riktas i längdriktningen mot objektet. Detta gör att pyrometern kan mäta ett större område av objektet jämfört med en enhet med ett runt mätfält, så att den kan användas för trådar med en diameter från 0,1 mm.

Apparater med panoramaoptik finns tillgängliga för den stationära CellaTemp PA-serien och den portabla CellaTemp PT-serien. Båda versionerna har ett genomskinligt visir för inriktning och fokusering av apparaten. Den stationära CellaTemp PA kan alternativt fås med en färgvideokamera. Detta gör att objektets inriktning och synfält hela tiden kan övervakas på monitorn i kontrollcentret. Förutom mätfältsmarkeringen överförs även mätvärdet och mätpunktsnumret via videosignalen och visas på bildskärmen. Tack vare kamerans speciella TBC-funktion (Target Brightness Control) registreras intensiteten endast i mätfältet för exponeringskontroll och inte över hela kamerans synfält, vilket vanligtvis är fallet. Detta innebär att ett litet hett mål mot en kall bakgrund visas i monitorbilden med optimal ljusstyrka utan att målet överdrivs.

Två versioner av den kompakta pyrometerserien CellaTemp PKL med panoramaoptik finns nu också tillgängliga (fig. 8). Enheterna har en LED-pilotlampa för att kontrollera inriktningen. Eftersom lampan inte bara lyser upp positionen utan även den faktiska bredden på mätfältet, kan enheten riktas in mycket enkelt och exakt mot det objekt som ska mätas.

För termiska processer och temperaturer över 600 °C är den nya panoramapyrometern klart överlägsen tidigare enheter med ett runt mätfält om inriktningen är svår på små objekt eller vid stora mätavstånd eller om hot spot, dvs. den hot spot som ska detekteras, inte är fixerad. Merkostnaden på ca 25 % är verkligen väl investerade pengar tack vare den högre driftsäkerheten.