Temassız sıcaklık ölçümü ile pratikte ölçüm hataları

Pirometri olarak da bilinen temassız sıcaklık ölçümü, birçok sıcaklık ölçümü uygulayıcısı tarafından şüpheyle karşılanmaktadır. Üreticilerin teknik verileri, pirometrelerin çok doğru ve hassas ölçüm cihazları olduğunu belgelemektedir. Uygulamaya uygun bir pirometrenin doğru seçilmesinin yanı sıra, malzeme özelliklerinin ve sahadaki çevresel etkilerin dikkate alınması özellikle önemlidir.

Doğru kullanım sayesinde ölçüm hataları önlenebilir. Hataların en yaygın nedenleri ve bunları azaltmanın yolları aşağıda açıklanmıştır.

Pirometreler bir nesne tarafından yayılan termal radyasyonu ölçer. Nesne tarafından yayılan kızılötesi radyasyon, malzeme ve yüzey özelliklerine bağlıdır. Bu radyasyon özelliği emisivite ε ile tanımlanır. Tam sıcaklık ölçümü için emisivite cihaz üzerinde ayarlanmalıdır. Yanlış ayarlanmış bir emisivite önemli hatalara neden olabilir. Şekil 1, cihazda %90'lık bir emisivite yerine %80'lik bir emisivite ayarlandığında dalga boyuna bağlı olarak ölçülen üç değer için sıcaklık sapmasını (ΔT) göstermektedir. Bu hata, daha uzun ölçüm dalga boyları veya artan sıcaklık ile artar. Bu nedenle, istenen ölçüm aralığı için mümkün olan en kısa dalga boyu aralığı seçilmelidir.

Özellikle emisivitesi bilinmeyen veya çok dalgalanan metal yüzeyler ölçülürken, daha kısa bir ölçüm dalga boyu seçilerek ölçüm hatası önemli ölçüde azaltılır. Metallerin emisivitesi daha kısa dalga boyları ile artar. Aynı zamanda, emisivite yanlış ayarlanırsa hatanın etkisi azalır.

Pirometre nesnenin net bir görüş alanına sahip olduğunda optimum koşullar geçerlidir. Pirometrenin ışın yolunda toz, gaz, duman, koruyucu camlar veya opak malzemeler gibi ortamlar varsa, bunlar nesnenin sıcaklık radyasyonunda bir azalmaya neden olur.

İletim kayıpları biliniyorsa, örn. İletim kayıpları biliniyorsa, örneğin koruyucu bir camdan ölçüm yaparken (τ=0,95), cihazdaki emisivite ayarlanarak telafi edilebilir.

_εcihaz = _εnesne - _τışın yolu

_εcihaz = cihazda ayarlanacak emisivite
_εnesne = nesnenin emisivitesi
_τışın yolu = ışın yolundaki nesnelerin geçirgenliği

Toz, yağ veya buharlaşmış maddeler zaman içinde lenslerde veya koruyucu camlarda birikirse daha sorunlu olur. Bu durumda pirometre, kirlenme arttıkça daha düşük bir sıcaklık ölçer. Bu nedenle lenslerin düzenli olarak temizlenmesi gerekir. Hava tahliye cihazları temizleme döngüsünü uzatır. Son zamanlarda, entegre bir kirlilik seviyesi göstergesine sahip pirometreler de piyasada mevcuttur. Lens kirlendiğinde bir alarm sinyali üretilir.

Görüntülenen nesne sıcaklığı için belirleyici faktör, pirometrenin dedektörüne çarpan ΦΣ radyant gücüdür_.

Aşağıdaki formüle göre, ölçülen nesnenin emisyon bileşenine ek olarak, ortam radyasyonunun yansıma ve iletim bileşeninden oluşan bir arka plan radyasyon bileşeni içerir.

_ΦΣ= _Φε+ _Φτ+ _Φρ

ε = ölçüm yüzeyinin emisivitesi
τ = ölçüm nesnesinin geçirgenliği
ρ = ölçüm yüzeyinin yansıtıcılığı

Arka plan radyasyonunun hata etkisi, nesnenin emisivitesi arttıkça ve nesne sıcaklığı ortam sıcaklığına kıyasla arttıkça azalır. Bu etki, örneğin sürekli fırınların çıkışında pirometreler kullanıldığında sorunludur. Optiklerin hizalanması, ölçülecek nesnenin yüzeyinde fırından gelen ısı radyasyonunun yansımasını önlerse ölçüm hatası azaltılabilir. Akkor lambalar, radyant ısıtıcılar veya lazerler gibi kızılötesi aralıktaki radyasyon kaynakları bazen uygulamada hafife alınan güçlü kızılötesi radyasyona neden olur.

Yüksek enerjili lazer radyasyonunun çok düşük kızılötesi radyasyon üzerindeki etkisini önlemek için özellikle lazer uygulamaları için engelleme filtreli cihazlar mevcuttur.

Optikteki görüntüleme hataları, optik bileşenlerden ve muhafaza parçalarından saçılan ışık ve yansımanın yanı sıra ışığın dalga doğasından kaynaklanan kırınım, algılanan radyasyonun bir kısmının sensöre belirtilen ölçüm alanının dışında ulaştığı anlamına gelir. Optik, ölçüm alanının dışındaki radyasyonun bir kısmını alır. Optiğin bu etkisi "kaynak boyutu etkisi" olarak bilinir. Bu etki, üretici tarafından optik görüntüleme hataları dikkatlice düzeltilerek, yansıma önleyici optik bileşenler kullanılarak ve cihazdaki yansımalar önlenerek en aza indirilebilir. Yüksek kaliteli optikler bu hataların etkilerini azaltır. "Kaynak etkisinin boyutu" optiklerin odağında en küçüktür. Odaklanabilir optiklere sahip pirometrelerde, ölçüm mesafesi doğru ayarlanırsa bu etki önemli ölçüde azaltılabilir.

Optik hata, fiziksel nedenlerden dolayı dalga boyuyla birlikte artar. Bu nedenle, uzun dalga ölçüm cihazlarında ve dolayısıyla düşük ölçüm aralıklarına yönelik cihazlarda optik hata düzeltmesi için daha da fazla çaba gerekir. Bu durum, oda sıcaklığından itibaren ölçüm yapan daha ucuz pirometreler üzerinde olumsuz bir etkiye sahiptir, çünkü görüntülenen ölçüm değeri seçilen ölçüm mesafesine çok bağlıdır.

Nesne pirometrenin ölçüm noktasından önemli ölçüde daha büyükse ve alan neredeyse aynı sıcaklık seviyesindeyse, bu etki neredeyse ihmal edilebilir. Aksi takdirde, odaklanabilir optiklere ve nesne ile tam hizalamaya sahip bir cihaz kullanılarak hata azaltılabilir. Pirometrenin tam olarak hizalanması için bir pilot ışık, lensin içinden geçen bir görüş veya entegre bir video kamera önerilir.

Bir oran pirometresi ile iki farklı spektral aralığın radyasyon yoğunluklarının oranı analiz edilir. Basitleştirilmiş olarak, aşağıdaki formül iki merkez dalga boyu _λ1 ve _λ2 ile ölçülen sıcaklık için geçerlidir.

1 ÷_TM = (1 ÷_TW) + ((_λ1 - λ2) ÷ (_C2 - (_λ1- _λ2))) -(ln _{ε1 ÷_ε2})

_TM = Ölçüm yüzeyinin emisivitesi
_TW = Ölçüm nesnesinin transmittansı
_C2 = Ölçüm yüzeyinin reflektansı

Eğer _ε1 ve _ε2 emisiviteleri her iki dalga boyu için de aynıysa, ölçülen sıcaklık nesne sıcaklığına karşılık gelir. Bu nedenle bir bölüm pirometresi, _ε1 ve _ε2 emisivitelerinin aynı olması koşuluyla yüzeyin emisivitesinden bağımsız olarak ölçüm yapar. Teorik olarak, ölçüm nesnesinin emisivitesinin dalgalanması durumunda bölüm pirometreleri önerilir. Ancak pratikte bu, ilgili uygulamaya bağlıdır ve nadiren uygulanır. Oran oluşumu nedeniyle, iki ölçüm dalga boyunun emisiviteleri dalgalanırsa ve farklıysa, bir oran pirometresinin ölçüm hatası bir spektral pirometrenin ölçüm hatasından önemli ölçüde daha büyük olabilir. Özellikle metaller ve özellikle demir dışı metaller, emisivitede dalga boyuna bağlı bir değişim sergiler.

Öte yandan toz, buhar veya duman gibi iletim kayıpları genellikle radyasyon yoğunluğunda homojen bir zayıflamaya neden olur. Spektral pirometrelerle karşılaştırıldığında, oran pirometrelerinin ölçülen değeri bu koşullar altında sabit kalır.

Yenilikçi oran pirometreleri, hem spektral dalga boylarındaki sıcaklığın hem de oran sıcaklığının eşzamanlı olarak ölçülmesini ve hesaplanmasını sağlar. Bu, devreye alma sırasında ölçümün spektral pirometre ile mi yoksa oran pirometresi ile mi yapılacağının tüm ölçüm aralığı için daha tekrarlanabilir ve doğru ölçüm değerleri sağlayacağına karar vermeyi mümkün kılar.