Temassız sıcaklık ölçümünde emisivitenin tanımı ve etkisi

Temassız sıcaklık ölçümünde, ölçülen nesne tarafından yayılan kızılötesi veya termal radyasyon bir pirometre tarafından algılanır. Pirometre, Planck'ın radyasyon denklemine göre alınan radyasyondan sıcaklığı hesaplar. Radyasyon seviyesi büyük ölçüde ölçülen nesnenin emisivitesine bağlıdır. Ancak emisivite gerçekte ne anlama gelir ve pratik ölçümleri nasıl etkiler? Emisivite nasıl belirlenebilir ve neye bağlıdır? Yanlış ayarlanmış bir emisivite ile hangi hatalar meydana gelebilir ve ölçüm hataları nasıl en aza indirilebilir? Bu ve diğer sorular aşağıdaki makalede ele alınmaktadır.

Kızılötesi/ısı radyasyonunun seviyesi sadece sıcaklığa değil aynı zamanda ölçüm nesnesinin kendisine de bağlıdır. Bir ölçüm nesnesinin emdiği (soğurduğu) ısı radyasyonunu yayma kabiliyeti emisivite ile tanımlanır. İdeal veya "siyah cisim radyatörü" olarak adlandırılan bir radyatör emdiği tüm radyasyonu yayar. Gerçek bir radyatör, aynı sıcaklıktaki bir "siyah cisim radyatöründen" daha az radyasyon yayar. Emisivite ε, gerçek bir ölçüm nesnesi Φr'nin kızılötesi radyasyonunun bir "kara cisim radyatörü" Φs'nin radyasyonuna oranıdır.

ε = Φr / Φs

Bu nedenle emisivite, 0 ile 1 veya 0 ile %100 arasında boyutsuz bir fiziksel niceliktir.

Çevreden bir ölçüm nesnesine çarpan radyasyon, ölçüm nesnesinin yansıma derecesine bağlı olarak daha büyük veya daha az ölçüde yansıtılır. Termal radyasyon, görünür ışıkla aynı radyasyon yasalarını takip eder. Şeffaf nesneler (cam, folyolar) söz konusu olduğunda, termal radyasyon ölçüm nesnesinin içinden ve arka plandan da gelebilir. Geçirgenlik, bir nesneden geçen radyasyonun yüzdesini gösterir. Bir pirometre tarafından algılanan toplam radyasyon ΦΣ aşağıdaki gibi oluşur.

ΦΣ = ε * ΦO + ρ * ΦU + τ * ΦH

ε = Emissivite
ρ = Reflektivite
τ = Transmittans
ΦO = Nesne radyasyonu
ΦU = Ortam radyasyonu
ΦH = Arka plan radyasyonu

Radyasyon katsayıları aşağıdaki formülle birbirine bağlanır:

1 = ε + ρ + τ

Saydam olmayan nesneler için iletim bileşeni ihmal edilir.

1 = ε + ρ

Bir ölçüm nesnesinin emisivitesi büyük ölçüde malzemeye veya malzemenin yüzeyine bağlıdır. Metal olmayan ve şeffaf olmayan nesneler genellikle > %80 emisivite ile iyi ısı yayıcılardır. Metallerde emisivite %5 ila 90 arasında değişebilir. Bir metal ne kadar parlaksa, emisivitesi o kadar düşüktür.

Ayrıca, emisivite dalga boyuna bağlı olarak değişebilir. Bu özellik özellikle metallerde belirgindir. Dalga boyu kısaldıkça metallerin ışıma gücü artar. Bu nedenle seçim yaparken kısa dalga pirometresi kullanılması önerilir.

Cam, plastik veya gazlar gibi şeffaf nesneler, iyi radyasyon özelliklerine sahip oldukları belirli dalga boyu aralıklarına sahiptir. Bu malzemelerin sıcaklığını ölçmek için, bu dalga boyuna duyarlı özel sensörlere ve filtrelere sahip pirometreler seçilmelidir.

Metallerin ve camın radyasyon davranışı da sıcaklığa bağlı olarak değişir. Metallerin yüzeyinin oksitlenmesi ve katı halden sıvı hale geçmesi emisivitenin önemli ölçüde değişmesine neden olur.

Metallerin emisivitesi sıcaklık yükseldikçe artar. Camda ise sıcaklıkla birlikte pirometrenin görüş derinliği ve dolayısıyla iç bölgeden gelen radyasyonun oranı artar.

Uygulamada, çevreden gelen harici radyasyon meydana gelebilir. Klasik bir örnek, sıcak bir ısıtma fırını içindeki soğuk bir metal levhanın ölçümüdür. Pirometre, nesne radyasyonuna ek olarak fırın duvarından sac üzerine yansıyan radyasyonu da algılar. Nesne sıcaklığı fırın sıcaklığına ne kadar yaklaşırsa, ölçüm hatası o kadar küçük olur.

Gerçek nesne sıcaklığını ölçmek için su soğutmalı nişan tüpleri kullanılır. Bunlar fırın duvarlarından gelen parazit radyasyonu gölgelemek için kullanılır. Yeterince büyük bir gölge oluşturmak için tüp çapı nesneye olan ölçüm mesafesinin en az 6 katı olmalıdır.

Çeşitli maddelerin emisivitesine ilişkin bilgiler literatürde veya kullanım talimatlarında bulunabilir. Ancak, bu bilgiler dikkatle ele alınmalıdır. Belirtilen değerin hangi dalga boyu ve sıcaklık için geçerli olduğunu bilmek önemlidir. Ayrıca, bunlar ideal ölçüm koşulları altında geçerli olan değerlerdir.

Gerçek koşullar altında, pirometre tarafından algılanan radyasyon, nesne tarafından yansıtılan veya iletilen ortam radyasyonundan da kaynaklanabilir. Pirometre idealleştirilmiş literatür değerine ayarlanırsa, çok yüksek bir sıcaklık gösterecektir.

Doğru sıcaklığı göstermek için, pirometredeki emisivite daha yüksek bir değere ayarlanmalıdır. Bu, emisiviteyi yapay olarak artırmak olarak bilinir. Ayarlanacak gerçek emisivite, bir temas termometresi ile karşılaştırmalı bir ölçümle belirlenebilir. Tabii ki bu durumda ölçüm hatası da temas ölçümünün doğruluğuna bağlıdır.

Alternatif olarak, yaklaşık 250 °C'ye kadar olan sıcaklıklarda ölçülen nesneye tanımlanmış bir emisiviteye sahip bir etiket yapıştırılabilir.

İlk olarak, etiket üzerindeki gerçek sıcaklık belirlenir (Şekil 2). Daha sonra doğrudan etiketin yanında bir karşılaştırma ölçümü gerçekleştirilir ve önceki ölçülen değerin tekrar görüntülenmesi için pirometre üzerinde emisivite ayarlanır. Emisivitenin etkisi sıcaklıkla birlikte arttığından, bu karşılaştırma ölçümü daha yüksek sıcaklıklarda yapılmalıdır.

Yüksek nesne sıcaklıkları veya erişilemeyen ölçüm nesneleri için, örneğin bir vakum fırınında, çok kısa dalgalı bir pirometre ile bir karşılaştırma ölçümü önerilir, çünkü fiziksel nedenlerden dolayı ölçüm hatası daha kısa bir ölçüm dalga boyu ile azalır.

Bir yoğunluk karşılaştırma pirometresi bu amaç için idealdir (Şekil 3). Bu cihazların ölçüm prensibi 0,67 μm dalga boyunda optik renk karşılaştırmasına dayanır. Ayrıca, ölçüm prensibi ölçülen nesnenin boyutundan bağımsız olarak çalışır.

Emisivitedeki değişikliklerin veya pirometrenin yanlış ayarlarının etkileri Şekil 4'teki diyagramda gösterilmektedir.

Birkaç yıl önce, aynı anda iki dalga boyundaki radyasyonu ölçen pirometreler piyasaya çıktı. Bu iki radyasyonun bölümü sıcaklıkla orantılıdır. İki ölçüm kanalı tarafından alınan radyasyon, emisivitedeki bir değişiklik nedeniyle değişirse, bölüm ve dolayısıyla sıcaklık yine de sabit kalır. Ancak bu durum yalnızca emisivitedeki değişimin her iki kanal için de aynı olması halinde geçerlidir. Pratikte, metallerdeki bir değişiklik sabit değildir. Bu durumda bölüm pirometreleri tek kanallı pirometrelere göre çok daha büyük ölçüm hataları üretebilir. Bu nedenle, oran pirometrelerinde sık sık dile getirilen "emisiviteden bağımsız" ölçüme karşı uyarıyoruz.

Örneğin, her iki kanalın ışıma enerjisi kirli gözetleme camları veya görüş alanındaki toz nedeniyle aynı ölçüde zayıflamışsa, oran pirometresinin metrolojik avantajları vardır. Sıcaklık yine de doğru şekilde görüntülenir.

Kritik ölçüm koşullarında, iki spektral sıcaklık değerinin ve bölüm sıcaklığının paralel olarak analiz edilmesi önerilir. Sonuca bağlı olarak pirometre daha iyi ölçüm yöntemine ayarlanabilir.

Bir pirometre seçerken, broşürde belirtilen ölçüm belirsizliğine büyük önem verilir. Ancak temassız sıcaklık ölçümünde ortaya çıkan ölçüm hatası esas olarak ölçüm nesnesinin metrolojik özelliklerine ve ortam koşullarına bağlıdır. Cihaza özgü ölçüm hatasının yalnızca küçük bir etkisi vardır. Bu nedenle, hem pirometre seçilirken hem de ölçüm noktası belirlenirken yukarıda açıklanan korelasyonlar dikkate alınmalıdır.