Sıcaklık ölçümü iki kategoriye ayrılabilir; temaslı ve temassız. Pratikte, termokupllar ve Pt 100 sensörleri ilk grubun en yaygın kullanılan temsilcileridir. Ölçülecek nesneye dokunmaları ve prensip olarak nesneye uyarlanmış kendi sıcaklıklarını ölçmeleri gerekir. Bu da nispeten yavaş bir tepki davranışına yol açar. Temassız sensörler bir nesne tarafından yayılan kızılötesi (IR) enerjiyi ölçer, hızlı tepki sürelerine sahiptir ve genellikle hareketli nesnelerin yanı sıra boşlukta bulunan veya başka nedenlerle erişilemeyen nesneleri ölçmek için kullanılır.
Kızılötesi termometreler veya pirometreler, araştırma ve endüstride yaygın olarak kullanılan sofistike sensörlerdir. Bu makale, bu ölçüm prensibinin dayandığı teoriyi ve bu teorinin potansiyel kullanıcıların karşılaştığı çeşitli uygulamaya özel parametrelerle başa çıkmaya nasıl yardımcı olabileceğini anlaşılır bir şekilde açıklamaktadır.
Kızılötesi sıcaklık ölçümünün temelleri
Giriş
Abb. 1 Elektromanyetik spektrum
Teori ve temel bilgiler
Kızılötesi radyasyon, 1666 yılında Sir Isaac Newton tarafından güneş ışığını bir prizmadan geçirip gökkuşağı renklerine ayırırken keşfedildi. 1880 yılında Sir William Herschel, her bir rengin göreceli enerjisini belirleyerek bir sonraki adımı attı. Ayrıca görünür spektrumun ötesindeki enerjiyi de keşfetti. 1900'lerin başında Planck, Stefan, Boltzmann, Wien ve Kirchhoff, elektromanyetik spektrumun faaliyetlerini daha da tanımlayarak IR enerjisini tanımlamak için nicel veriler ve denklemler oluşturdular.
Kızılötesi termometreler, mutlak sıfırın (0° Kelvin) üzerindeki sıcaklığa sahip tüm malzemeler ve nesneler tarafından yayılan kızılötesi radyasyonu ölçerek sıcaklığı ölçer. En basit yapıda, bir lens IR enerjisini detektöre odaklar ve detektör bu enerjiyi elektrik sinyaline dönüştürür. Ortam sıcaklığı telafi edildikten sonra bu sinyal görüntülenebilir. Bu konfigürasyon, belirli bir mesafeden ve ölçüm nesnesine temas etmeden sıcaklığın ölçülmesini sağlar. Bu nedenle, kızılötesi termometre, termokuplların veya diğer sensörlerin kullanılamadığı veya yanlış sonuçlar verdiği ölçüm görevleri için uygundur. Bazı tipik örnekler arasında hareketli veya çok küçük nesnelerin, elektrik taşıyan parçaların veya agresif kimyasalların ölçümü, güçlü elektromanyetik alanlarda ölçümler, vakumda veya diğer kapalı ortamlarda bulunan nesnelerin ölçümü ve hızlı tepki süresi gereken uygulamalar sayılabilir.
Kızılötesi termometrelerin ilk tasarımları 19. yüzyıldan beri mevcuttur. Bazı konseptler Charles A. Darling tarafından 1911 yılında yayınlanan “Pyrometry” adlı kitabında tanıtılmıştır.
Bu kavramları uygulamaya geçirmek için gerekli teknolojinin geliştirilmesi 1930 yılına kadar sürmüştür. O zamandan beri bu cihazlar sürekli olarak geliştirilmiş ve bu süreçte kapsamlı bilgi ve uygulama deneyimi biriktirilmiştir. Bugün bu kavram, standart ölçüm yöntemi olarak kabul görmüş ve endüstri ve araştırma alanlarında kullanılmaktadır.
Kızılötesi termometreler, mutlak sıfırın (0° Kelvin) üzerindeki sıcaklığa sahip tüm malzemeler ve nesneler tarafından yayılan kızılötesi radyasyonu ölçerek sıcaklığı ölçer. En basit yapıda, bir lens IR enerjisini detektöre odaklar ve detektör bu enerjiyi elektrik sinyaline dönüştürür. Ortam sıcaklığı telafi edildikten sonra bu sinyal görüntülenebilir. Bu konfigürasyon, belirli bir mesafeden ve ölçüm nesnesine temas etmeden sıcaklığın ölçülmesini sağlar. Bu nedenle, kızılötesi termometre, termokuplların veya diğer sensörlerin kullanılamadığı veya yanlış sonuçlar verdiği ölçüm görevleri için uygundur. Bazı tipik örnekler arasında hareketli veya çok küçük nesnelerin, elektrik taşıyan parçaların veya agresif kimyasalların ölçümü, güçlü elektromanyetik alanlarda ölçümler, vakumda veya diğer kapalı ortamlarda bulunan nesnelerin ölçümü ve hızlı tepki süresi gereken uygulamalar sayılabilir.
Kızılötesi termometrelerin ilk tasarımları 19. yüzyıldan beri mevcuttur. Bazı konseptler Charles A. Darling tarafından 1911 yılında yayınlanan “Pyrometry” adlı kitabında tanıtılmıştır.
Bu kavramları uygulamaya geçirmek için gerekli teknolojinin geliştirilmesi 1930 yılına kadar sürmüştür. O zamandan beri bu cihazlar sürekli olarak geliştirilmiş ve bu süreçte kapsamlı bilgi ve uygulama deneyimi biriktirilmiştir. Bugün bu kavram, standart ölçüm yöntemi olarak kabul görmüş ve endüstri ve araştırma alanlarında kullanılmaktadır.
Ölçüm prensibi
Daha önce de belirtildiği gibi, 0°K'nin üzerindeki sıcaklığa sahip tüm cisimler kızılötesi enerji yayarlar. Kızılötesi radyasyon, elektromanyetik spektrumun görünür ışık ile radyo dalgaları arasında yer alan kısmıdır. IR radyasyonun dalga boyu, Şekil 1'de gösterildiği gibi 0,7 µm ile 1000 µm arasında değişir. Ancak pratikte, bu frekans aralığından sadece 0,7 ila 20 µm dalga boyları sıcaklık ölçümü için uygundur. Şu anda, 20 µm dalga boyunun üzerinde yayılan düşük enerji miktarlarını ölçmek için yeterince hassas dedektörler mevcut değildir. Enerji, sıcaklığın dördüncü kuvveti ile orantılı olarak artar.
Eğri (Şekil 2), 700 K ila 1300 K sıcaklık aralığında bir kara cismin yaydığı enerjiyi göstermektedir. Görüldüğü gibi, büyük bir kısmı görünür alanın ötesindedir. IR radyasyonu insan gözüyle algılanamaz, ancak bu radyasyonu görünür ışık olarak düşünmek, çalışma prensibini ve uygulamalarda ortaya çıkan soruları anlamak için yararlıdır.
IR radyasyonu birçok açıdan gerçekten de görünür ışık gibi davranır. IR radyasyonu, radyasyon kaynağından düz bir çizgi halinde uzaklaşır ve ışın yolundaki nesneler tarafından yansıtılabilir veya emilebilir. İnsan gözü için şeffaf olmayan çoğu nesne, IR radyasyonunu kısmen yansıtır ve kısmen emer. Emilen enerjinin bir kısmı içten yansıtılır, bir kısmı ise tekrar yayılır. Bu, cam, gazlar ve ince şeffaf plastik film gibi insan gözü için şeffaf olan nesneler için de geçerlidir. Buna ek olarak, radyasyonun bir kısmı nesnenin içinden geçer. Şekil 3 bu süreçleri göstermektedir. Genel olarak, bu süreçler bir nesnenin veya malzemenin emisyon faktörü olarak adlandırdığımız şeye katkıda bulunur.
Eğri (Şekil 2), 700 K ila 1300 K sıcaklık aralığında bir kara cismin yaydığı enerjiyi göstermektedir. Görüldüğü gibi, büyük bir kısmı görünür alanın ötesindedir. IR radyasyonu insan gözüyle algılanamaz, ancak bu radyasyonu görünür ışık olarak düşünmek, çalışma prensibini ve uygulamalarda ortaya çıkan soruları anlamak için yararlıdır.
IR radyasyonu birçok açıdan gerçekten de görünür ışık gibi davranır. IR radyasyonu, radyasyon kaynağından düz bir çizgi halinde uzaklaşır ve ışın yolundaki nesneler tarafından yansıtılabilir veya emilebilir. İnsan gözü için şeffaf olmayan çoğu nesne, IR radyasyonunu kısmen yansıtır ve kısmen emer. Emilen enerjinin bir kısmı içten yansıtılır, bir kısmı ise tekrar yayılır. Bu, cam, gazlar ve ince şeffaf plastik film gibi insan gözü için şeffaf olan nesneler için de geçerlidir. Buna ek olarak, radyasyonun bir kısmı nesnenin içinden geçer. Şekil 3 bu süreçleri göstermektedir. Genel olarak, bu süreçler bir nesnenin veya malzemenin emisyon faktörü olarak adlandırdığımız şeye katkıda bulunur.
Abb. 2 Siyah cisimlerin radyasyon özellikleri
Abb. 3 Isı değişimi ve radyasyon
Görünür ışıkta olduğu gibi, IR radyasyonunda da bir yüzey ne kadar parlaksa o kadar fazla enerji yansıtır. Yani yüzey yapısı da emisyon faktörünü etkiler. Sıcaklık ölçümünde bu, özellikle IR geçirgen olmayan ve düşük emisyon faktörüne sahip nesneler için büyük önem taşır. Parlatılmış paslanmaz çelikten yapılmış bir nesnenin emisyon faktörü, aynı nesnenin pürüzlü yüzeyli versiyonuna göre çok daha düşüktür. Pürüzlü nesne, örneğin tornalama gibi mekanik işlemlerden sonra birçok küçük oluk ve pürüz içerir ve bu da iş parçasının yansıtma özelliğini önemli ölçüde azaltır.
Enerji korunumu yasasından, geçirilen, yansıyan ve yayılan (emilen) IR enerjisinin katsayılarının toplamının 1 olması gerektiği sonucu çıkar.
σλ + αλ + τλ = 1
Ayrıca, emisyon faktörü emilim faktörüne eşittir:
ελ = αλ
şöyle geçerlidir:
ελ = 1 - σλ+ τλ
Enerji korunumu yasasından, geçirilen, yansıyan ve yayılan (emilen) IR enerjisinin katsayılarının toplamının 1 olması gerektiği sonucu çıkar.
σλ + αλ + τλ = 1
Ayrıca, emisyon faktörü emilim faktörüne eşittir:
ελ = αλ
şöyle geçerlidir:
ελ = 1 - σλ+ τλ
Katsayı, Planck denkleminde dalga boyuna göre bir yüzeyin özelliklerini tanımlayan bir değişken olarak kullanılabilir. Geçirimsiz nesneler için denklem şu şekilde basitleştirilebilir:
ελ = 1 - σλ
Kızılötesi radyasyonu ne yansıtan ne de geçirgen olan nesneler, kara cisim olarak adlandırılır. Doğal bir kara cisim bilinmemektedir. Teori ve diğer nesnelerin hesaplanması için kara cismin emisyon faktörü 1,0'dır. Gerçek bir kara cisme en yakın yaklaşım, pratikte küçük, silindirik bir giriş açıklığına sahip IR geçirmez bir küre ile elde edilir. Bu tür bir nesnenin iç yüzeyinin emisyon faktörü 0,998'dir.
Emisyon faktörü, aynı sıcaklıktaki bir gri cisim ile bir kara cismin yaydığı termal radyasyonların oranını ölçen bir ölçüdür. Gri cisim, tüm dalga boylarında aynı emisyon faktörüne sahip olan ve bir kara cisimden daha az kızılötesi radyasyon yayan nesne olarak tanımlanır. Bir bant radyatör, emisyon faktörü dalga boyuna göre değişen bir nesnedir, örneğin metaller.
ελ = 1 - σλ
Kızılötesi radyasyonu ne yansıtan ne de geçirgen olan nesneler, kara cisim olarak adlandırılır. Doğal bir kara cisim bilinmemektedir. Teori ve diğer nesnelerin hesaplanması için kara cismin emisyon faktörü 1,0'dır. Gerçek bir kara cisme en yakın yaklaşım, pratikte küçük, silindirik bir giriş açıklığına sahip IR geçirmez bir küre ile elde edilir. Bu tür bir nesnenin iç yüzeyinin emisyon faktörü 0,998'dir.
Emisyon faktörü, aynı sıcaklıktaki bir gri cisim ile bir kara cismin yaydığı termal radyasyonların oranını ölçen bir ölçüdür. Gri cisim, tüm dalga boylarında aynı emisyon faktörüne sahip olan ve bir kara cisimden daha az kızılötesi radyasyon yayan nesne olarak tanımlanır. Bir bant radyatör, emisyon faktörü dalga boyuna göre değişen bir nesnedir, örneğin metaller.
Abb. 4 Siyah gövde, gri gövde ve renkli spot ışıklarının karşılaştırılması
Farklı malzemeler farklı emisyon faktörlerine sahiptir ve bu nedenle belirli bir sıcaklıkta farklı yoğunluklarda kızılötesi radyasyon yayarlar. Bu genellikle rengin bir fonksiyonu değildir, tabii ki malzemenin rengi nesnenin malzemesinden belirgin bir fark göstermiyorsa. Bunun geçerli olduğu bir örnek, büyük miktarda alüminyum parçacıkları içeren metal efektli boyadır. Çoğu renk, renk tonundan bağımsız olarak aynı emisyon faktörüne sahiptir. Alüminyum ise çok farklı bir emisyon faktörüne sahiptir, bu nedenle metal efektli boya için de farklı bir emisyon faktörü ortaya çıkar.
Bir nesnenin bileşimi ve yüzey yapısının yanı sıra, emisyon faktörünü dolaylı olarak etkileyen üçüncü bir faktör daha vardır: sensörün spektral aralığı. Bu, nesneye doğrudan bir etkisi yoktur, ancak sensörün nesneden yayılan spektrumu nasıl algıladığına etki eder.
Cam, plastik veya silikon gibi kısmen şeffaf malzemeler, ilgili seçici filtrelerle birlikte bir alanda ölçülmelidir.
Bir nesnenin bileşimi ve yüzey yapısının yanı sıra, emisyon faktörünü dolaylı olarak etkileyen üçüncü bir faktör daha vardır: sensörün spektral aralığı. Bu, nesneye doğrudan bir etkisi yoktur, ancak sensörün nesneden yayılan spektrumu nasıl algıladığına etki eder.
Cam, plastik veya silikon gibi kısmen şeffaf malzemeler, ilgili seçici filtrelerle birlikte bir alanda ölçülmelidir.
Abb. 5 Dalga boylarının bir fonksiyonu olarak farklı malzemelerin emisyon faktörü
Önceki paragraflardan, emisyon faktörünün kızılötesi sıcaklık ölçümünde özellikle önemli bir parametre olduğu açıkça anlaşılmıştır. Ölçüm nesnesinin emisyon faktörü tam olarak bilinmediği ve ölçümde dikkate alınmadığı sürece, elde edilen ölçüm değerlerinin doğru olması çok olası değildir. Emisyon faktörünü belirlemek için temel olarak iki seçenek vardır. Emisyon faktörü tablolardan alınabilir veya karşılaştırmalı bir ölçümle belirlenebilir. Ancak, tablolardaki veriler genellikle ideal laboratuvar koşullarında belirlenmiş olduğundan, özellikle düşük faktörlerde büyük sapmalara neden olan çevresel etkiler dikkate alınmamıştır. Ayrıca tablolarda temel ölçüm sıcaklığı ve ölçüm dalga boyu da belirtilmemiştir. İlk yaklaşımda tablo değeri kesinlikle çok yararlıdır. Karşılaştırmalı ölçümde, ölçüm nesnesi bir termokupl veya başka bir sıcaklık sensörü ile ölçülür ve ardından IR termometrede aynı sıcaklığı gösterecek şekilde emisyon faktörü ayarlanır. Genel bir kural olarak, çoğu opak, metal olmayan malzeme 0,85 ila 0,95 arasında yüksek ve nispeten sabit bir emisyon faktörüne sahiptir. Çoğu oksitlenmemiş metal malzeme için emisyon faktörü 0,2 ila 0,5 aralığındadır, ancak altın, gümüş ve alüminyum daha da düşük bir emisyon faktörüne sahiptir. Bu nedenle, bu metallerin sıcaklığı kızılötesi termometrelerle ölçülmesi zordur, çünkü ortam radyasyonunun yansıma oranı nesne radyasyonunun büyüklüğünde veya üzerinde olur.
Malzemenin emisyon faktörünü belirlemek neredeyse her zaman mümkün olsa da, malzemenin sabit bir emisyon faktörüne sahip olmaması ve bu faktörün sıcaklıkla değişmesi durumunda sorunlar ortaya çıkar. Bu durum çoğu metal için geçerlidir, ancak silikon veya yüksek saflıkta monokristal seramikler gibi bazı diğer malzemeler için de geçerlidir. Bu durumda, karşılaştırmalı ölçüm ve ayarlama, süreç için belirleyici olan sıcaklıkta yapılmalıdır.
Sıcaklık ölçümünün dayandığı denklemler ve formüller uzun süredir bilinmekte ve kanıtlanmıştır. Kullanıcının günlük IR termometre çalışmalarında bu formülleri kullanması pek olası değildir. Ancak bu temel bilgilere sahip olmak, belirli değişkenlerin ve parametrelerin birbirlerini nasıl etkilediğini daha iyi anlamayı sağlar. En önemli formüller özetle şunlardır:
1. Kirchhoff'un radyasyon yasası
Belirli bir sıcaklık T ve dalga boyu l için, emisyon derecesi e, absorpsiyon derecesine eşittir.
e = α
Bundan, gerçek bir nesnenin radyasyon akısı øλ'nin, aynı sıcaklıktaki siyah cismin øs radyasyon akısı ile nesnenin emisyon derecesinin çarpımı ile eşit olduğu sonucu çıkar.
øλ = ε * øs
2. Stefan-Boltzmann yasası
Bir nesnenin sıcaklığı T ne kadar yüksekse, verilen emisyon derecesi ε ve ışınlayan yüzey A'da o kadar fazla radyasyon gücü P yayılır (k = sabit)
P = k*ε*A*T4
3. Wien'in kayma yasası
Enerji radyasyonunun maksimum olduğu dalga boyu, sıcaklık arttıkça kısa dalga bölgesine kayar.
λmax = 2,89 * 103 μmK/T
4. Planck denklemi
Bu denklem, dalga boyu, sıcaklık T ve radyasyon gücü arasındaki ilişkiyi tanımlar.
Malzemenin emisyon faktörünü belirlemek neredeyse her zaman mümkün olsa da, malzemenin sabit bir emisyon faktörüne sahip olmaması ve bu faktörün sıcaklıkla değişmesi durumunda sorunlar ortaya çıkar. Bu durum çoğu metal için geçerlidir, ancak silikon veya yüksek saflıkta monokristal seramikler gibi bazı diğer malzemeler için de geçerlidir. Bu durumda, karşılaştırmalı ölçüm ve ayarlama, süreç için belirleyici olan sıcaklıkta yapılmalıdır.
Sıcaklık ölçümünün dayandığı denklemler ve formüller uzun süredir bilinmekte ve kanıtlanmıştır. Kullanıcının günlük IR termometre çalışmalarında bu formülleri kullanması pek olası değildir. Ancak bu temel bilgilere sahip olmak, belirli değişkenlerin ve parametrelerin birbirlerini nasıl etkilediğini daha iyi anlamayı sağlar. En önemli formüller özetle şunlardır:
1. Kirchhoff'un radyasyon yasası
Belirli bir sıcaklık T ve dalga boyu l için, emisyon derecesi e, absorpsiyon derecesine eşittir.
e = α
Bundan, gerçek bir nesnenin radyasyon akısı øλ'nin, aynı sıcaklıktaki siyah cismin øs radyasyon akısı ile nesnenin emisyon derecesinin çarpımı ile eşit olduğu sonucu çıkar.
øλ = ε * øs
2. Stefan-Boltzmann yasası
Bir nesnenin sıcaklığı T ne kadar yüksekse, verilen emisyon derecesi ε ve ışınlayan yüzey A'da o kadar fazla radyasyon gücü P yayılır (k = sabit)
P = k*ε*A*T4
3. Wien'in kayma yasası
Enerji radyasyonunun maksimum olduğu dalga boyu, sıcaklık arttıkça kısa dalga bölgesine kayar.
λmax = 2,89 * 103 μmK/T
4. Planck denklemi
Bu denklem, dalga boyu, sıcaklık T ve radyasyon gücü arasındaki ilişkiyi tanımlar.
Kızılötesi termometrelerin konsepti
Bir kızılötesi termometre temel olarak aşağıdaki işlev bloklarından oluşur:
1. Nesneden yayılan enerjiyi bir araya getiren bir mercek.
2. Radyasyon enerjisini elektrik sinyaline dönüştüren bir dedektör.
3. Termometreyi ölçüm nesnesinin özelliklerine göre ayarlamak için emisyon faktörü ayarı.
4. Termometrenin sıcaklığının çıkış sinyaline girmesini önleyen bir ortam sıcaklığı telafisi.
Uzun yıllar boyunca, piyasada bulunan çoğu IR termometre bu konsepti izlemiştir. Kullanım alanları sınırlıydı ve geriye dönüp bakıldığında, tatmin edici ölçüm sonuçları sunmuyorlardı. Ancak o dönemin standartlarına göre, oldukça yeterli ve çok sağlamdılar.
1. Nesneden yayılan enerjiyi bir araya getiren bir mercek.
2. Radyasyon enerjisini elektrik sinyaline dönüştüren bir dedektör.
3. Termometreyi ölçüm nesnesinin özelliklerine göre ayarlamak için emisyon faktörü ayarı.
4. Termometrenin sıcaklığının çıkış sinyaline girmesini önleyen bir ortam sıcaklığı telafisi.
Uzun yıllar boyunca, piyasada bulunan çoğu IR termometre bu konsepti izlemiştir. Kullanım alanları sınırlıydı ve geriye dönüp bakıldığında, tatmin edici ölçüm sonuçları sunmuyorlardı. Ancak o dönemin standartlarına göre, oldukça yeterli ve çok sağlamdılar.
Abb. 6 IR termometrenin blok diyagramı
Modern IR termometreler bu temel konsepte dayanmaktadır, ancak zaman içinde önemli ölçüde geliştirilmiştir. En önemli farklar, çok sayıda farklı dedektör tipinin kullanılması, IR sinyalinin seçici filtrelenmesi, dedektör sinyalinin doğrusallaştırılması ve güçlendirilmesi ile 4-20 mA veya 0-10 V DC gibi standartlaştırılmış sıcaklık çıkış sinyalleridir. Şekil 6, modern bir kızılötesi sabit ışık pirometresinin blok şemasını göstermektedir.
IR sıcaklık ölçümünde en önemli ilerleme, IR radyasyonu için seçici filtrelerin piyasaya sürülmesiyle elde edilmiştir. Bu, daha hassas dedektörlerin ve daha kararlı sinyal amplifikatörlerinin kullanılmasını mümkün kılmıştır. Erken dönem IR termometreleri, kullanışlı bir dedektör çıkış sinyali elde etmek için geniş bir IR spektrumuna ihtiyaç duyarken, modern dedektörler için 1 μm'den başlayan bir bant genişliği tamamen yeterlidir. Spektrumun daraltılması ve belirli dalga boylarının seçilmesi gerekliliği, ölçümün genellikle karbon veya hidrojen içeriği ölçüme dahil edilmemesi gereken bir ortamdan yapılması gerektiğinden kaynaklanmaktadır. Ayrıca, IR spektrumunun geniş bir aralığında geçirgen olan nesnelerin veya gazların sıcaklığını ölçmek de bazen gereklidir. Spektrumun seçici olarak sınırlandırılmasına ilişkin bazı örnekler şunlardır:
· 8 - 14 μm: Hava neminin etkileri, daha uzun mesafelerde de ortadan kaldırılır.
· 7,9 μm: Geniş aralıkta IR geçirgen olan ince plastik folyoların ölçülmesini sağlar.
· 3,86 μm: Alevlerde ve yanma egzoz gazlarında CO2 ve su buharı ile olan girişimler etkili bir şekilde bastırılır.
IR sıcaklık ölçümünde en önemli ilerleme, IR radyasyonu için seçici filtrelerin piyasaya sürülmesiyle elde edilmiştir. Bu, daha hassas dedektörlerin ve daha kararlı sinyal amplifikatörlerinin kullanılmasını mümkün kılmıştır. Erken dönem IR termometreleri, kullanışlı bir dedektör çıkış sinyali elde etmek için geniş bir IR spektrumuna ihtiyaç duyarken, modern dedektörler için 1 μm'den başlayan bir bant genişliği tamamen yeterlidir. Spektrumun daraltılması ve belirli dalga boylarının seçilmesi gerekliliği, ölçümün genellikle karbon veya hidrojen içeriği ölçüme dahil edilmemesi gereken bir ortamdan yapılması gerektiğinden kaynaklanmaktadır. Ayrıca, IR spektrumunun geniş bir aralığında geçirgen olan nesnelerin veya gazların sıcaklığını ölçmek de bazen gereklidir. Spektrumun seçici olarak sınırlandırılmasına ilişkin bazı örnekler şunlardır:
· 8 - 14 μm: Hava neminin etkileri, daha uzun mesafelerde de ortadan kaldırılır.
· 7,9 μm: Geniş aralıkta IR geçirgen olan ince plastik folyoların ölçülmesini sağlar.
· 3,86 μm: Alevlerde ve yanma egzoz gazlarında CO2 ve su buharı ile olan girişimler etkili bir şekilde bastırılır.
Ölçüm için en uygun dalga boyunun seçiminde sıcaklık aralığı önemli bir rol oynar. Planck denklemi, Şekil 2'de siyah cisim için gösterildiği gibi, sıcaklık arttıkça radyasyon eğrisinin maksimumunun kısa dalga aralığına doğru kaydığını gösterir. Spektral aralığın seçici bir şekilde seçilmesinin gerekli olmadığı uygulamalarda bile, spektral aralığı mümkün olduğunca kısa dalga boylu dar bir aralıkla sınırlamak avantajlı olabilir. Bunun bir avantajı, birçok nesnenin, özellikle metallerin, daha kısa dalga boylarında en yüksek etkili emisyon faktörüne sahip olmasıdır. Ayrıca, bu sınırlama doğruluk üzerinde de olumlu bir etkiye sahiptir, çünkü dar bir spektral aralığa sahip sensörler, Şekil 7'de görüldüğü gibi, ölçüm nesnesinin emisyon faktöründeki değişikliklerden daha az etkilenir.
Abb. 7 Abhängigkeit des fehlingestellten Emissionsgrades bei unterschiedlichen Wellenlängen
Yapıcı tasarım
IR termometreler optik, elektronik, teknoloji, boyut ve renk açısından farklılık gösteren çeşitli konfigürasyonlarda üretilmektedir.
IR termometreler, optik, elektronik, teknoloji, boyut ve gövde açısından farklılık gösteren çok çeşitli konfigürasyonlarda üretilmektedir. Ancak genel olarak, başlangıcında bir IR sinyali ve sonunda bir elektronik çıkış sinyali bulunan sinyal işleme zinciri ortaktır. Bu genel ölçüm zinciri, lensler ve/veya fiber optikler, filtreler ve dedektörden oluşan bir optik sistemle başlar.
Uygulama teknolojisi açısından, görüş alanı optiğin temel özelliğidir, yani belirli bir mesafede ölçüm noktasının büyüklüğü. Ölçüm mesafesi ile ölçüm noktası çapının oranı, mesafe oranı ile tanımlanır. Pratikte, sabit odak uzaklığına sahip pirometreler ve odaklanabilir optik arasında seçim yapılabilir. Sabit optiğe sahip cihazlar, yalnızca odak noktasında nesneyi net bir şekilde görüntüler. Diğer ölçüm mesafelerinde, ölçüm noktasının çapı hesaplanan mesafe oranına oranla orantısız bir şekilde artar. Bu tür optikler öncelikle geniş yüzeyli nesneler için uygundur. Küçük nesneler veya daha büyük ölçüm mesafeleri için odaklanabilir optiklerin kullanılması daha tavsiye edilir. Ölçüm mesafesinin ayarlanabilir olması sayesinde, odaklanabilir optiğe sahip pirometreler çok daha esnek bir şekilde kullanılabilir.
Ölçüm noktasının çapını belirtirken ve karşılaştırırken, bu değerin radyasyon gücünün yüzde kaçına karşılık geldiğini bilmek önemlidir. Örneğin, enerjinin %98'ine göre bir ölçüm noktası, gücün %90'ına göre bir çapın iki katı büyüklüğündedir. Özellikle pirometre ölçüm noktasının boyutlarındaki küçük ölçüm nesnelerinde bu, önemli ölçü hatalarına yol açabilir.
Optiğin bir başka yönü de ölçüm nesnesinin nişan alınmasıdır. Nişan alma yardımı olmayan cihazlarda lens yüzeye sabit olarak yönlendirilir ve yüzey sıcaklığını ölçer. Bu, özellikle yeterince büyük nesnelere yönlendirilen ve nokta hassasiyetinde ölçümün gerekli olmadığı sabit sensörler için geçerlidir. Daha küçük ölçüm nesneleri veya daha büyük mesafelerde ölçüm yapan cihazlar için, bir bakış optiği, bir ışık noktası veya bir lazer ışını şeklinde bir nişan alma cihazı vazgeçilmezdir.
Pirometrenin hassasiyeti, bir dizi farklı dedektör ve filtrenin kullanılmasıyla belirlenir. Şekil 8'de görüldüğü gibi, kurşun sülfür dedektörler en yüksek, termal sütunlar ise en düşük hassasiyeti sunar. Çoğu dedektör, ya fotoelektrik prensibine göre çalışır (vuran IR radyasyonu bir voltaj sinyali oluşturur) ya da fotokondüktiviteye dayanır (vuran IR radyasyonu direnci değiştirir).
Düşük radyasyon enerjisi nedeniyle, düşük sıcaklıklarda ve dolayısıyla daha uzun ölçüm dalga boylarında geniş bantlı spektral alanlar gereklidir. Daha yüksek sıcaklıklarda, hassasiyet dar bantlı filtreler tarafından büyük ölçüde daraltılır. Bu sayede dalga boyuna bağlı parazit etkiler en aza indirilir.
Uygulama teknolojisi açısından, görüş alanı optiğin temel özelliğidir, yani belirli bir mesafede ölçüm noktasının büyüklüğü. Ölçüm mesafesi ile ölçüm noktası çapının oranı, mesafe oranı ile tanımlanır. Pratikte, sabit odak uzaklığına sahip pirometreler ve odaklanabilir optik arasında seçim yapılabilir. Sabit optiğe sahip cihazlar, yalnızca odak noktasında nesneyi net bir şekilde görüntüler. Diğer ölçüm mesafelerinde, ölçüm noktasının çapı hesaplanan mesafe oranına oranla orantısız bir şekilde artar. Bu tür optikler öncelikle geniş yüzeyli nesneler için uygundur. Küçük nesneler veya daha büyük ölçüm mesafeleri için odaklanabilir optiklerin kullanılması daha tavsiye edilir. Ölçüm mesafesinin ayarlanabilir olması sayesinde, odaklanabilir optiğe sahip pirometreler çok daha esnek bir şekilde kullanılabilir.
Ölçüm noktasının çapını belirtirken ve karşılaştırırken, bu değerin radyasyon gücünün yüzde kaçına karşılık geldiğini bilmek önemlidir. Örneğin, enerjinin %98'ine göre bir ölçüm noktası, gücün %90'ına göre bir çapın iki katı büyüklüğündedir. Özellikle pirometre ölçüm noktasının boyutlarındaki küçük ölçüm nesnelerinde bu, önemli ölçü hatalarına yol açabilir.
Optiğin bir başka yönü de ölçüm nesnesinin nişan alınmasıdır. Nişan alma yardımı olmayan cihazlarda lens yüzeye sabit olarak yönlendirilir ve yüzey sıcaklığını ölçer. Bu, özellikle yeterince büyük nesnelere yönlendirilen ve nokta hassasiyetinde ölçümün gerekli olmadığı sabit sensörler için geçerlidir. Daha küçük ölçüm nesneleri veya daha büyük mesafelerde ölçüm yapan cihazlar için, bir bakış optiği, bir ışık noktası veya bir lazer ışını şeklinde bir nişan alma cihazı vazgeçilmezdir.
Pirometrenin hassasiyeti, bir dizi farklı dedektör ve filtrenin kullanılmasıyla belirlenir. Şekil 8'de görüldüğü gibi, kurşun sülfür dedektörler en yüksek, termal sütunlar ise en düşük hassasiyeti sunar. Çoğu dedektör, ya fotoelektrik prensibine göre çalışır (vuran IR radyasyonu bir voltaj sinyali oluşturur) ya da fotokondüktiviteye dayanır (vuran IR radyasyonu direnci değiştirir).
Düşük radyasyon enerjisi nedeniyle, düşük sıcaklıklarda ve dolayısıyla daha uzun ölçüm dalga boylarında geniş bantlı spektral alanlar gereklidir. Daha yüksek sıcaklıklarda, hassasiyet dar bantlı filtreler tarafından büyük ölçüde daraltılır. Bu sayede dalga boyuna bağlı parazit etkiler en aza indirilir.
Abb. 8 Farklı sensörlerin spektral eğrisi
Monokromatik ölçüm: tek dalga boyunda sıcaklık ölçümü
Bir dalga boyunda sıcaklık ölçümü sırasında, belirli bir dalga boyunda bir yüzeyden yayılan enerji ölçülür. Bu cihazların tasarımları, basit harici ekrana sahip taşınabilir sensörlerden, nesneyi hedefleyen bir görüş penceresinde sıcaklığı gösteren sofistike taşınabilir cihazlara kadar çeşitlilik gösterir. Ayrıca, hafıza ve baskı işlevleri de mevcuttur. Sabit çevrimiçi sensörlerin yelpazesi, harici elektronik donanımlı basit küçük dedektörlerden, entegre PID kontrolörlü sağlam ve karmaşık montaj gruplarına kadar uzanır. Işık dalga kılavuzu, görüş optiği, lazer hedefleme cihazı, su soğutma ve tarayıcı sistemleri, proses izleme ve kontrolünde kullanılan seçeneklerdir. Son zamanlarda, entegre video kameraya sahip pirometreler de sunulmaktadır, böylece ölçüme ek olarak kontrol odasından ölçüm noktasının optik kontrolü de mümkündür. Boyut, performans, sağlamlık, esneklik ve sinyal işleme açısından büyük farklılıklar vardır.
Uygulamaların planlanması ve tasarlanmasında sensör konfigürasyonu, filtre, sıcaklık aralığı, optikler, tepki süresi ve emisyon faktörü, ayrıntılı olarak dikkate alınması gereken önemli kriterlerdir.
IR spektral aralığı ve sıcaklık aralığının seçimi her zaman spesifik uygulama ile bağlantılı olarak değerlendirilmelidir. Şekil 2'de gösterilen spektral eğrilerden, kısa dalga boylarının yüksek sıcaklıklar için daha uygun olduğu, düşük sıcaklıkların ise daha uzun dalga boylu aralıkta ölçülmesi gerektiği anlaşılmaktadır. Cam veya plastik film gibi şeffaf ölçüm nesneleri ölçülecekse, dar bantlı, seçici bir filtre gereklidir. Örneğin, polietilen folyo 3,43 μm'lik bir CH absorpsiyon aralığına sahiptir ve bu aralıkta IR radyasyonu geçirmez. Benzer şekilde, birçok camsı malzeme yaklaşık 5 μm'lik bir geçirmez aralığa sahiptir. Tersine, 2 μm'ye kadar bir aralıkta filtreye sahip bir sensör, vakum veya basınç odaları gibi cam pencerelerden ölçüm yapmaya izin verir. Dar ölçüm noktaları veya yüksek ortam sıcaklıklarında odalarda ölçüm yapmak için başka bir seçenek de fiber optik kullanmaktır.
Dalga boyu ile çalışan IR sıcaklık ölçümü, ürün kalitesinin sabit kalması için ürün sıcaklığının kontrolünün gerekli olduğu birçok uygulamada yeterli olan çok yönlü ve basit bir teknolojidir.
Uygulamaların planlanması ve tasarlanmasında sensör konfigürasyonu, filtre, sıcaklık aralığı, optikler, tepki süresi ve emisyon faktörü, ayrıntılı olarak dikkate alınması gereken önemli kriterlerdir.
IR spektral aralığı ve sıcaklık aralığının seçimi her zaman spesifik uygulama ile bağlantılı olarak değerlendirilmelidir. Şekil 2'de gösterilen spektral eğrilerden, kısa dalga boylarının yüksek sıcaklıklar için daha uygun olduğu, düşük sıcaklıkların ise daha uzun dalga boylu aralıkta ölçülmesi gerektiği anlaşılmaktadır. Cam veya plastik film gibi şeffaf ölçüm nesneleri ölçülecekse, dar bantlı, seçici bir filtre gereklidir. Örneğin, polietilen folyo 3,43 μm'lik bir CH absorpsiyon aralığına sahiptir ve bu aralıkta IR radyasyonu geçirmez. Benzer şekilde, birçok camsı malzeme yaklaşık 5 μm'lik bir geçirmez aralığa sahiptir. Tersine, 2 μm'ye kadar bir aralıkta filtreye sahip bir sensör, vakum veya basınç odaları gibi cam pencerelerden ölçüm yapmaya izin verir. Dar ölçüm noktaları veya yüksek ortam sıcaklıklarında odalarda ölçüm yapmak için başka bir seçenek de fiber optik kullanmaktır.
Dalga boyu ile çalışan IR sıcaklık ölçümü, ürün kalitesinin sabit kalması için ürün sıcaklığının kontrolünün gerekli olduğu birçok uygulamada yeterli olan çok yönlü ve basit bir teknolojidir.
Oran ölçümü: iki veya daha fazla dalga boyunda sıcaklık ölçümü
Emisyon faktörünün aşağıdakiler için hayati öneme sahip olduğu varsayımına dayanarak
Abb. 9 Verhältnismessung
Oranı ölçerek
Şekil 10, emisyon faktörü sıcaklıkla değişen çeşitli ürünlerin bir örneğini göstermektedir.
Abb. 10 Birçok malzeme için emisyon faktörü sıcaklıkla birlikte değişir. Bu şekil bazı yaygın malzemeleri göstermektedir.
Özet
Şekil 11, bir uygulamanın temel unsurlarını bir kez daha göstermektedir. Buradaki en önemli unsur kullanıcı arayüzüdür.
Abb. 11 Störeinflüsse
Kızılötesi sıcaklık ölçümü, sürekli olarak optimize edilen ve geliştirilen olgun bir teknolojidir.