Optik etkileyen değişkenler

Temassız sıcaklık ölçümü, optik bir ölçüm yöntemine dayanır. Bu yöntemde, pirometrenin optik özellikleri ölçüm doğruluğu üzerinde büyük ve genellikle göz ardı edilen bir etkiye sahiptir. Çoğu durumda, ölçüm belirsizliğinin kontrolünde yalnızca veri sayfasında belirtilen parametreler karşılaştırılır. Ancak, basit, yanlış seçilmiş veya yanlış ayarlanmış optikler çok daha ciddi ölçüm hatalarına neden olabilir. Aşağıdaki rapor, optik görüntüleme hatalarının temellerini ve etkilerini ve pirometrelerin optik parametrelerinin spesifikasyonlarını açıklamaktadır. Kullanıcının pirometrenin optik kalitesini kendi başına kontrol edebileceği bir yöntem sunulmaktadır.

Sferik aberasyon (açıklık hatası)
Lensin kenarına yakın bir noktadan gelen ışık ışınları, merkeze gelen ışık ışınlarından farklı bir mesafede odaklanır. Sonuç olarak görüntü hafif bulanıklaşır. Sferik aberasyon, birden fazla mercekten oluşan optik sistemlerde, birkaç mercek yüzeyinin uygun şekilde birleştirilmesiyle azaltılabilir.

Kromatik aberasyon (renk uzunluğu hatası)
Lenslerin odak uzaklığı dalga boyuna bağlıdır. Farklı dalga boylarındaki ışık veya radyasyon farklı noktalarda odaklanır. Nesnenin görüntüsü, görüntünün etrafında renkli kenarlarla görünür. Kromatik aberasyon, iki (akromatik) veya üç (apokromatik) dalga boyu için düzeltilmiş optiklerin kullanılmasıyla büyük ölçüde azaltılabilir (Şekil 2). Lens malzemeleri, iki veya üç dalga boyu için lenslerin görüntüleme hatalarını birbirleriyle dengeleyecek şekilde seçilir.

Optik özelliklerini belirtmek için, belirli bir mesafe için ölçüm nokta boyutu veya mesafe oranı, yani ölçüm mesafesinin ölçüm alanı çapına oranı belirtilir.

Pirometrelerin ölçüm nokta boyutu, bir yarım alanda alınabilen maksimum enerjinin belirli bir yüzdesine göre belirlenir. %100, sonsuz büyüklükte bir ölçüm nesnesine karşılık gelir. Ölçüm alanı boyutu genellikle maksimum alınabilir enerjinin %90, %95 veya %98'ine göre belirlenir (Şekil 3). 

Radyasyon oranı %90 yerine %95 olarak alınırsa, daha büyük bir ölçüm alanı elde edilir. Bu nedenle, ölçüm alanı boyutu bilgileri yalnızca aynı yüzdeye göre karşılaştırılabilir. Bazı üreticiler radyasyon oranını yüzde olarak belirtmez veya çok düşük bir yüzde değeri ile tanımlar. Bu üreticiler, veri sayfalarında çok küçük bir ölçüm alanı göstererek, farklı bir tanımlama yapmaları durumunda çok daha büyük bir değer belirtmek zorunda kalacaklarını bilerek aldatıcı davranırlar. Ayrıca, bazı üreticiler lens toleranslarını dikkate almadan ölçüm alanının boyutunu belirtir.

Pirometrelerde, odaklanabilir optiğe sahip cihazlar ve sabit odaklı optiğe sahip cihazlar arasında ayrım yapılır. Ölçüm alanı yalnızca odak mesafesinde net olarak görüntülenir. Pirometre odak alanı dışında çalıştırıldığında, kızılötesi radyasyonun sensöre eşit dağılımı garanti edilemez (Şekil 4).

Ölçüm yüzeyinden alınan radyasyon farklı yoğunluklarda algılanır. Merkezdeki sıcaklık değişiklikleri, ölçüm alanının kenarlarına göre daha fazla etki eder.

Bu durum, özellikle “siyah ışın kaynağı” önünde pirometrenin kalibrasyonunu etkiler. Fırının açıklığı, pirometrenin ölçüm alanından birkaç kat daha büyük olmalıdır. Basit optiklere ve geniş bir ölçüm alanına sahip cihazlarda, kalibrasyon sırasında ortaya çıkabilecek ölçüm hatalarını azaltmak için çok geniş yüzeyli ısıtıcılar kalibrasyon kaynağı olarak kullanılmalıdır. Bu, düşük maliyetli cihazların büyük ölçüm belirsizliğinin temel hata kaynaklarından biridir.

Özellikle pirometrenin ölçüm yüzeyinden sadece biraz daha büyük olan küçük ölçüm nesnelerinde, yanlış odak ayarı önemli ölçüm hatalarına neden olabilir. Ancak pirometre, açıklıklar, gözetleme camları, fırın duvarları veya gözetleme boruları aracılığıyla ölçüm nesnesine baksa bile, kötü ayarlanmış bir optik veya yanlış odaklama, görüş konisinin daralmasına ve dolayısıyla hatalı ölçümlere neden olabilir. Pirometrenin ölçüm alanından önemli ölçüde daha büyük nesneler üzerinde ölçüm yapıldığında, basit optiklerde ölçüm nesnesinin boyutu veya ölçüm mesafesi değiştiğinde gösterilen sıcaklıkta bir değişiklik meydana gelir. Şekil 5, ölçüm nesnesinin çapına göre yüksek kaliteli ve basit bir optik için ölçüm değerinin eksik göstergesinin karşılaştırmasını göstermektedir. Basit bir optikte, ölçülen nesnenin boyutu değiştiğinde ölçüm değeri önemli ölçüde düşer. Nesne boyutu sabitken ölçüm mesafesinin değişmesi de aynı etkiye neden olur. Yani, basit optiğe sahip cihazlar farklı ölçüm mesafelerinde farklı ölçüm değerleri gösterir. Özellikle farklı mesafelerde kullanılacak basit el cihazlarında bu hata kaynağına dikkat edilmelidir. Bu etki, Kaynak Boyutu Etkisi (SSE) olarak adlandırılır ve tüm pirometrelerde az ya da çok büyük bir hata kaynağıdır. Nedenleri, optikteki görüntüleme hataları, optik bileşenlerde ve gövde parçalarında saçılma ve yansıma ile ışığın dalga yapısından kaynaklanan kırınımdır. Kaynak boyutu etkisi, ölçüm dalga boyu kısaldıkça azalır. Bu etki, optik görüntüleme hatalarının dikkatli bir şekilde düzeltilmesi, yansıma önleyici optik bileşenlerin kullanılması ve cihazda dağınık ışık ve yansımaların önlenmesi ile en aza indirilebilir. Kullanıcı, ölçüm mesafesine tam olarak odaklanarak bu hatayı pratikte en aza indirebilir.

Bir ölçüm nesnesinden yayılan kızılötesi radyasyon, sıcaklığa bağlı olarak 0,6 - 20 µm dalga boyu aralığında, yani çoğunlukla görünür ışığın üzerinde yer alır. Bu, öncelikle pirometrenin kullanılan dalga boyu aralığı için optiklerin düzeltilmesi gerektiği anlamına gelir. Kullanıcı görsel olarak odaklanmak istiyorsa veya cihazlar bir video kamera ile nişan alma yardımı ile donatılmışsa, optikler, hem görünür hem de kızılötesi dalga boyu aralığı için optik görüntüleme hataları eşit şekilde düzeltilecek şekilde yapılandırılmalıdır. Basit cihazlarda, renk düzeltmesi yapılmamış veya sadece bir dalga boyu için düzeltilmiş lensler kullanılır. Bu durumda, kızılötesi ve görünür ışınların odak noktaları birbiriyle uyuşmaz (Şekil 2). Pirometre, nişan alma cihazı ile net bir şekilde ayarlandığında, kızılötesi ışınlar için en uygun netlik ayarına sahip olmaz.

Özellikle ölçüm noktasını göstermek için lazer kullanıldığında, basit lenslerde lazer noktası ölçüm mesafesi ile uyuşmaz.

Bu hatalar, yalnızca optik olarak karmaşık çift lensli veya üç lensli sistemlerle büyük ölçüde ortadan kaldırılabilir. Örneğin, CellaTemp PA serisi pirometreler, geniş bant yansıma önleyici lens sistemine sahip yüksek kaliteli hassas optiklere sahiptir.

Böylece, 0,3 mm çapındaki tellerin bile sıcaklığı doğru bir şekilde ölçülebilir.

Bir pirometrenin görüntüleme özelliği kullanıcı tarafından kolayca kontrol edilebilir. Bunun için pirometre tanımlanmış bir radyasyon kaynağına yönlendirilir.
 

Radyasyon alanının boyutu, pirometrenin ölçüm alanından birkaç kat daha büyük olmalıdır. Ardından, pirometrenin odak mesafesi (a) içinde radyasyon kaynağının önüne açık bir iris diyaframı yerleştirilir ve pirometre ile emisyon derecesi ayarı ε = 1 olarak belirlenir (Şekil 6). Daha yüksek sıcaklıklarda optik ölçüm hataları daha belirgin hale geldiğinden, ölçümün pirometrenin ölçüm aralığının sonunda yapılması önerilir. Pirometrenin emisyon derecesi 0,98'e ayarlanmalıdır, bu da sıcaklık göstergesinde bir artışa neden olur.

Ardından, gösterilen sıcaklık tekrar orijinal değere ulaşana kadar diyafram çapı azaltılmalıdır. İris diyafram açıklığının çapı, 98 % radyasyon enerjisine göre ölçüm alanının boyutuna karşılık gelir. Ölçüm mesafesi a ile olan orantıdan mesafe oranı D = elde edilir. Bu ölçüm, %95 ve %90 ölçüm alanı boyutu için tekrarlanmalı ve sonuç, üreticinin broşüründeki verilerle karşılaştırılmalıdır. 

Bu şekilde, çeşitli cihazların lens hatalarının etkileri de dahil olmak üzere gerçek optik görüntüleme özellikleri çok kolay bir şekilde kontrol edilebilir ve karşılaştırılabilir.

Şekil 7'de, örneğin, 90 % ve 95 % radyasyon enerjisi için ölçülen nesnelerin çapları belirtilmiştir. 90 %'ye göre, basit optik için Ø 14 mm ve yüksek kaliteli optik için Ø 10,2 mm olan ölçüm alanı boyutlarındaki farklar hala nispeten küçüktür. Ancak %95'te (basit optik için Ø 24 mm ve yüksek kaliteli optik için Ø 11,5 mm) değerler çok farklıdır. Bu nedenle, ölçüm alanı çapı için daha iyi (daha küçük) bir değer verebilmek için bazı üreticiler daha düşük bir referans radyasyon değeri (örneğin %90) kullanmayı tercih etmektedir. Böylece basit bir optik, gerçekte olduğundan çok daha iyi görünür.

Pilot ışığı, video kamera veya bakma vizörü bulunan pirometrelerde, test ile aynı anda odak noktasının ölçüm alanından ve görüş alanından uzaklığının aynı olup olmadığı ve ölçüm alanı işaretinin pirometrenin ölçüm yüzeyinin konumu ve boyutuyla gerçekten aynı olup olmadığı da belirlenebilir.

Pirometre seçerken, ölçüm parametrelerinin karşılaştırılmasının yanı sıra optik özelliklerin de dikkatlice karşılaştırılması gerekir. Ne yazık ki bazı üreticilerin broşürlerindeki bilgiler genellikle yetersiz olduğundan, belirtilen ölçüm alanının nasıl belirlendiği ve lens hataları ile hizalama toleranslarının spesifikasyonda dikkate alınıp alınmadığı ayrıntılı olarak sorulmalıdır. Farklı pirometrelerin karşılaştırılması, yalnızca optik veriler ve referans değerler aynı olduğunda mümkündür. Kritik durumlarda, güvenlik açısından broşürdeki kalite ve spesifikasyon bilgilerini kendiniz kontrol etmelisiniz. Çünkü elektriksel ölçüm belirsizliği %1'den önemli ölçüde düşük olan bir pirometre, basit lensler ve optik yapılar kullanıldığında önemli ölçüde daha büyük ölçüm hataları verebilir.