Oran pirometresi
Isıl işlemlerde oran pirometrelerinin prensibi, avantajları, sınırları ve olası uygulamaları
Giriş
Karma pirometreler, günümüzün kızılötesi termometre uygulamalarında vazgeçilmez bir yer edinmiştir. Aşağıdaki makale, karma pirometrenin fiziksel temellerini, avantajlarını, işlevsel ve analitik olanaklarını ve sınırlarını açıklamaktadır. Pratik uygulamalarla tipik kullanım alanları tanıtılmaktadır.
Ölçüm prensibi
Bir oran pirometre, bir ölçüm nesnesinin ısı radyasyonunu iki farklı dalga boyu aralığında kaydeder. İki spektral ışın yoğunluğu φ'nin oranı, sıcaklıkla yaklaşık olarak orantılı olarak değişir. Spektral ışın yoğunlukları ile bağlantılı olarak, her iki dalga boyu için ölçüm yüzeyinin ilgili emisyon katsayısı ε vardır (Şekil 1).
Ölçüm yüzeyinin emisyon katsayısının dalga boyuna bağlı etkisini düşük tutmak için birbirine yakın dalga boyu aralıkları seçilir. Ancak bu, iki ışın yoğunluğunun birbirinden neredeyse hiç farklı olmadığı anlamına gelir. Neredeyse aynı iki değerin oranı, nesne sıcaklığına bağlı olarak çok az değişir. Bu nedenle, bir oran pirometresinin ölçülebilen en düşük sıcaklık yaklaşık 300 °C ile sınırlıdır. Bu küçük sinyal değişikliklerini değerlendirebilmek için büyük bir amplifikasyon gereklidir. Bu nedenle, yüksek sinyal/gürültü oranı veya düşük NETD (Gürültü Eşdeğer Sıcaklık Farkı) ve dolayısıyla hassas ölçüm için gerekli olan yüksek sıcaklık çözünürlüğü elde etmek için sensörlerin, elektronik amplifikatörlerin ve A/D dönüştürücülerin kalitesine en yüksek standartlar uygulanır. NETD'yi kontrol etmek için, cihaz ölçüm aralığının başlangıcında en kısa ayar süresiyle çalıştırılmalı ve ölçüm sinyalinin kararlılığı kontrol edilmelidir.
Ölçüm yüzeyinin emisyon katsayısının dalga boyuna bağlı etkisini düşük tutmak için birbirine yakın dalga boyu aralıkları seçilir. Ancak bu, iki ışın yoğunluğunun birbirinden neredeyse hiç farklı olmadığı anlamına gelir. Neredeyse aynı iki değerin oranı, nesne sıcaklığına bağlı olarak çok az değişir. Bu nedenle, bir oran pirometresinin ölçülebilen en düşük sıcaklık yaklaşık 300 °C ile sınırlıdır. Bu küçük sinyal değişikliklerini değerlendirebilmek için büyük bir amplifikasyon gereklidir. Bu nedenle, yüksek sinyal/gürültü oranı veya düşük NETD (Gürültü Eşdeğer Sıcaklık Farkı) ve dolayısıyla hassas ölçüm için gerekli olan yüksek sıcaklık çözünürlüğü elde etmek için sensörlerin, elektronik amplifikatörlerin ve A/D dönüştürücülerin kalitesine en yüksek standartlar uygulanır. NETD'yi kontrol etmek için, cihaz ölçüm aralığının başlangıcında en kısa ayar süresiyle çalıştırılmalı ve ölçüm sinyalinin kararlılığı kontrol edilmelidir.
Abb. 1 Oran pirometreleri iki dalga boyu aralığında radyasyonu ölçer ve radyasyon yoğunluklarının oranından sıcaklığı belirler.
Oran pirometresinin avantajları
Karmaşık ölçüm yönteminin en büyük avantajı, dalga boyundan bağımsız sinyal zayıflaması durumunda doğru sıcaklığın belirlenebilmesidir. Örneğin, kirli bir gözetleme camı veya pirometrenin görüş alanında buhar, duman ve toz nedeniyle sinyal zayıflaması meydana gelirse, oran ve dolayısıyla gösterilen sıcaklık sabit kalır.
İki dalga boyu için emisyon dereceleri ε1 = ε2 (gri radyatör) aynı olduğunda, denklemdeki emisyon derecesi terimi ortadan kalkar ve oran pirometresi, ölçüm nesnesinin emisyon derecesinden bağımsız olarak gerçek sıcaklığı gösterir. Ölçüm nesnesinin emisyon derecesi her iki dalga aralığı için de aynı oranda değişse bile, bu ölçüm sonucunu etkilemez. İki emisyon katsayısı arasındaki sabit farklardan kaynaklanan gerçek sıcaklıktan sapmalar, pirometredeki emisyon katsayısı oranının ayarlanmasıyla düzeltilebilir.
İki dalga boyu için emisyon dereceleri ε1 = ε2 (gri radyatör) aynı olduğunda, denklemdeki emisyon derecesi terimi ortadan kalkar ve oran pirometresi, ölçüm nesnesinin emisyon derecesinden bağımsız olarak gerçek sıcaklığı gösterir. Ölçüm nesnesinin emisyon derecesi her iki dalga aralığı için de aynı oranda değişse bile, bu ölçüm sonucunu etkilemez. İki emisyon katsayısı arasındaki sabit farklardan kaynaklanan gerçek sıcaklıktan sapmalar, pirometredeki emisyon katsayısı oranının ayarlanmasıyla düzeltilebilir.
Dalga boyuna bağlı sinyal değişiminin bölüm sıcaklığı üzerindeki etkisi
Ancak, bir renkli radyatörde ölçüm yaparken, yüzey nedeniyle veya sıcaklığa bağlı olarak iki dalga boyu için emisyon derecesi farklı şekilde değişirse, bir oran pirometresi nasıl davranır?
Aynı seçici etki, ince tabakalı birikintiler (örneğin yağ filmleri veya buharlaşmalar) nedeniyle gösterge camının geçirgenliğinin dalga boyuna bağlı olarak değiştiğinde de ortaya çıkar. Oran yöntemi de, literatürde bazen okuduğumuz gibi, ölçülen nesnenin radyasyon özelliklerinden tamamen bağımsız değildir.
Tablo 1'deki üç örnek, emisyon derecesine bağlı zayıflama durumunda spektral ve oran ölçüm yöntemleri üzerindeki farklı etkileri açıkça göstermektedir. Emisyon derecesi ε = 1 olan bir “siyah radyatör”ün 800 °C sıcaklığında, Planck'ın ışıma yasasına göre, λ1 = 0,95 μm ve λ2 = 1,05 μm olan bir oran pirometre için dalga boyuna bağlı emisyon derecelerinde farklı değişiklikler olduğunda aşağıdaki sıcaklık değerleri elde edilir (bkz. Tablo 1).
Aynı seçici etki, ince tabakalı birikintiler (örneğin yağ filmleri veya buharlaşmalar) nedeniyle gösterge camının geçirgenliğinin dalga boyuna bağlı olarak değiştiğinde de ortaya çıkar. Oran yöntemi de, literatürde bazen okuduğumuz gibi, ölçülen nesnenin radyasyon özelliklerinden tamamen bağımsız değildir.
Tablo 1'deki üç örnek, emisyon derecesine bağlı zayıflama durumunda spektral ve oran ölçüm yöntemleri üzerindeki farklı etkileri açıkça göstermektedir. Emisyon derecesi ε = 1 olan bir “siyah radyatör”ün 800 °C sıcaklığında, Planck'ın ışıma yasasına göre, λ1 = 0,95 μm ve λ2 = 1,05 μm olan bir oran pirometre için dalga boyuna bağlı emisyon derecelerinde farklı değişiklikler olduğunda aşağıdaki sıcaklık değerleri elde edilir (bkz. Tablo 1).
Tablo 1 Spektral ve bölümsel ölçüm yöntemi için emisiviteye bağlı zayıflamadaki etki.
Emisyon katsayısındaki küçük bir fark bile, oran sıcaklığında büyük bir sapmaya neden olur. Sapma, emisyon katsayısının mutlak değeri azaldıkça artar. Bir dalga boyuna bağlı sinyal değişikliklerinde, bir spektral pirometre'den çok daha hassas davranır. Fark ne kadar büyük ve emisyon katsayısının mutlak değeri ne kadar düşükse, hassasiyet o kadar artar.
Şekil 2'de görüldüğü gibi, cihazın dalga boyu aralıkları birbirine ne kadar yakınsa, emisyon katsayısı oranına göre hassasiyet o kadar artar.
Şekil 2'de görüldüğü gibi, cihazın dalga boyu aralıkları birbirine ne kadar yakınsa, emisyon katsayısı oranına göre hassasiyet o kadar artar.
Abb. 2 800 °C nesne sıcaklığına göre farklı ölçüm dalga boyları için ölçüm nesnesinin emisivite oranı değiştiğinde görüntülenen sıcaklık üzerindeki etki.
Bundan, iki dalga boyu aralığı arasındaki farkın daha büyük olduğu cihazların daha kararlı ölçüm değerleri sağladığı sonucuna varılabilir. Öte yandan, metaller için fiziksel bir kural geçerlidir: dalga boyu arttıkça, ölçüm nesnesinin spektral emisyon derecesi azalır (Şekil 3).
Bu iki zıt ilişki, cihazların pratik kullanımında dikkate alınmalıdır. Genel olarak, oran pirometreler için de dalga boyları mümkün olduğunca kısa ve birbirine yakın olan cihazların kullanılması önerilir. Özellikle su buharı söz konusu olduğunda, atmosferin absorpsiyon bandı nedeniyle dalga boyu daha uzun olan cihazlarda önemli ölçüde hatalı ölçümler ortaya çıkabilir.
Bu iki zıt ilişki, cihazların pratik kullanımında dikkate alınmalıdır. Genel olarak, oran pirometreler için de dalga boyları mümkün olduğunca kısa ve birbirine yakın olan cihazların kullanılması önerilir. Özellikle su buharı söz konusu olduğunda, atmosferin absorpsiyon bandı nedeniyle dalga boyu daha uzun olan cihazlarda önemli ölçüde hatalı ölçümler ortaya çıkabilir.
Abb. 3 Metallerin emisivitesi artan ölçüm dalga boyu ile azalır.
Bir spektral veya tek kanallı pirometre, sinyal zayıfladığında her zaman çok düşük bir sıcaklık gösterir. Oran pirometre ise farklı davranır. Kısa veya uzun dalga kanalı daha fazla değişirse, çok yüksek veya çok düşük bir sıcaklık gösterebilir.
Bu nedenle, cihazın maksimum sıcaklığa göre ayarlanması, spektral pirometrelerde olduğu gibi çalışmaz. Modern oran pirometreler, sinyal gücünü ekranda gösterme özelliğine sahiptir. Böylece, cihaz spektral pirometrelerde olduğu gibi maksimuma ayarlanabilir.
Bu nedenle, cihazın maksimum sıcaklığa göre ayarlanması, spektral pirometrelerde olduğu gibi çalışmaz. Modern oran pirometreler, sinyal gücünü ekranda gösterme özelliğine sahiptir. Böylece, cihaz spektral pirometrelerde olduğu gibi maksimuma ayarlanabilir.
Temaslı karşılaştırmalı ölçümlerde, termokuplun oran pirometresinden daha yüksek bir değer göstermesi durumunda her zaman dikkatli olunmalıdır. Bu durumda dalga boyuna bağlı bir etki söz konusudur. Kullanıcı, hatalı ölçüm değerlerini belirlemek için ne yapabilir? Bunun için sinyal gücü ekranda gösterilebilir veya arayüz aracılığıyla ölçüm sinyalleriyle paralel olarak kaydedilip değerlendirilebilir.
Bu değer ne kadar yüksekse, ölçüm o kadar güvenilirdir. Daha da anlamlı olanı, iki spektral sıcaklığın ve oranının paralel olarak kaydedilmesi ve değerlendirilmesidir.
İki dalga boyu λ1 ve λ2 için sıcaklık farkındaki dalgalanmalar ne kadar az olursa, oran değeri o kadar güvenilirdir. Aşağıdaki ölçüm eğrileri, %93 geçirgenliğe sahip bir gözetleme camı ve dalga boyuna bağlı geçirgenliğe sahip bir pencere lamine camı ile nötr bir sinyal zayıflaması durumunda ölçüm değerlerinin davranışını göstermektedir (Şekil 4).
Bu değer ne kadar yüksekse, ölçüm o kadar güvenilirdir. Daha da anlamlı olanı, iki spektral sıcaklığın ve oranının paralel olarak kaydedilmesi ve değerlendirilmesidir.
İki dalga boyu λ1 ve λ2 için sıcaklık farkındaki dalgalanmalar ne kadar az olursa, oran değeri o kadar güvenilirdir. Aşağıdaki ölçüm eğrileri, %93 geçirgenliğe sahip bir gözetleme camı ve dalga boyuna bağlı geçirgenliğe sahip bir pencere lamine camı ile nötr bir sinyal zayıflaması durumunda ölçüm değerlerinin davranışını göstermektedir (Şekil 4).
Abb. 4 Yüksek kaliteli bir koruyucu cam (1) ve daha düşük kaliteli bir lamine cam (2) için sıcaklık değişiminin karşılaştırmalı ölçümü.
Koruma camı (1) için spektral sıcaklıkların belirgin şekilde düşük olduğu görülebilir. Buna karşılık, oran değeri neredeyse sabit kalır. Kalitesiz lamine camda (2) spektral değerler daha da belirgin şekilde ve farklı derecelerde düşer. Bu da oran için önemli bir ölçüm sapmasına neden olur.
Karma pirometrelerde, gösterge camları ile ölçüm yaparken camların pirometrenin dalga boyu aralığında nötr bir geçirgenlik eğrisine sahip olmasına mutlaka dikkat edilmelidir. Bu, ölçüm sırasında pirometrenin önüne bir cam yerleştirerek çok basit bir şekilde kontrol edilebilir. Karma sıcaklık bu durumda sadece önemsiz ölçüde değişebilir.
Karma pirometrelerde, gösterge camları ile ölçüm yaparken camların pirometrenin dalga boyu aralığında nötr bir geçirgenlik eğrisine sahip olmasına mutlaka dikkat edilmelidir. Bu, ölçüm sırasında pirometrenin önüne bir cam yerleştirerek çok basit bir şekilde kontrol edilebilir. Karma sıcaklık bu durumda sadece önemsiz ölçüde değişebilir.
Kısmi aydınlatma ile oran pirometresinin çalışması
Kvotiyen pirometrenin bir diğer büyük avantajı, ölçüm nesnelerinin ölçüm alanından daha küçük olabilmesidir. Spektral pirometrelerde, spektral pirometre tüm ölçüm alanı içindeki radyasyonun ortalama değerini ölçtüğü için ölçüm nesnesi her zaman ölçüm alanından daha büyük olmalıdır. Aksi takdirde, soğuk bir arka plan önünde bulunan küçük bir ölçüm nesnesi için her zaman çok düşük bir sıcaklık ölçülür.
Bir oran pirometresinde, ölçüm alanı ölçüm nesnesinden tamamen aydınlatılmamışsa (kısmi aydınlatma etkisi), bu durum kızılötesi radyasyonun nötr bir zayıflaması gibi etki eder. Bu nedenle, bir oran pirometresi, nesne pirometrenin ölçüm alanından %80'e kadar daha küçük olsa bile doğru ölçüm değerleri verir. Minimum kısmi aydınlatma derecesi, ölçüm nesnesinin emisyon derecesine ve sıcaklığına bağlıdır. İdeal olarak, nesnenin ölçüm alanında konumu rastgele olmalı ve gösterilen sıcaklık değerini etkilememelidir. Ancak, piyasada bulunan cihazlar arasında bu konuda büyük kalite farklılıkları vardır. Basit bir optik yapıya, objektif merceğinin optik görüntüleme hatalarının daha az düzeltilmesine ve homojen olmayan hassasiyet dağılımına sahip sensörlere sahip pirometrelerde, sabit nesne sıcaklığında, örneğin ölçüm alanının kenar bölgesinde sıcak bir tel bulunuyorsa, ölçüm değeri 20 - 30 °C'ye kadar yükselebilir (Şekil 5).
Küçük nesnelerde ölçüm yapmanın bir diğer avantajı, bir oran pirometresinin optik hizalamaya ve doğru odaklamaya karşı çok daha az duyarlı olmasıdır. Buna karşılık, spektral pirometre, ölçüm nesnesi ölçüm alanından çok az daha büyükse, ölçüm hatalarını önlemek için ölçüm nesnesine çok hassas bir şekilde hizalanmalı ve odaklanmalıdır.
Küçük nesnelerde ölçüm yapmanın bir diğer avantajı, bir oran pirometresinin optik hizalamaya ve doğru odaklamaya karşı çok daha az duyarlı olmasıdır. Buna karşılık, spektral pirometre, ölçüm nesnesi ölçüm alanından çok az daha büyükse, ölçüm hatalarını önlemek için ölçüm nesnesine çok hassas bir şekilde hizalanmalı ve odaklanmalıdır.
Abb. 5 Sıcak nesne ölçüm noktasının kenar bölgesinde bulunduğunda basit bölümlü pirometrelerde hatalı sıcaklık artışı.
Aşağıdaki ölçüm eğrisi (Şekil 6), Ø8 mm'lik bir ölçüm alanına sahip bir oran pirometre ile yine Ø8 mm'lik bir ölçüm nesnesinde kaydedilmiştir. Paralel olarak bir spektral sıcaklık da kaydedilmiştir. Sabit odak mesafesi 500 mm idi (ölçüm noktası 1). Ardından ölçüm mesafesi 250 mm'ye azaltılmıştır (ölçüm noktası 2). Odak bozukluğu, oran sıcaklığı üzerinde sadece küçük bir etkiye sahiptir, ancak spektral sıcaklık yaklaşık 20 °C sapma göstermektedir. Ardından ölçüm mesafesi 1000 mm'ye ayarlanmıştır (ölçüm noktası 3). Pirometrenin ölçüm alanı, ölçüm nesnesinin iki katı büyüklüğündedir. Yine, oran sıcaklığı neredeyse aynı seviyede kalır. Buna karşılık, odak bozulması ve kısmi aydınlatma nedeniyle spektral değer önemli ölçüde düşer.
Abb. 6 Ölçüm mesafesinin bölüm ve spektral sıcaklık üzerindeki etkisi.
Ölçüm nesnesi üzerinde homojen olmayan sıcaklık dağılımına sahip bölüm pirometrelerinin davranışı
Haddehanede sac ve levhaların sıcaklık ölçümünde, aşırı koşullar nedeniyle her zaman spektral veya oran ölçüm yöntemlerinden hangisinin tavsiye edileceği sorusu ortaya çıkar (Şekil 7).
Abb. 7 Haddehanede su buharı ve tufal nedeniyle aşırı ölçüm koşulları hakimdir.
Tasarım ve ısı tekniği nedenleriyle, cihazlar birkaç metrelik büyük ölçüm mesafesine monte edilmiştir. Örneğin 100:1 optik çözünürlüğe sahip standart bir optik kullanıldığında, 20 metre mesafede 200 mm'lik bir ölçüm alanı çapı elde edilir. Cüruf nedeniyle, levha üzerindeki sıcaklık dağılımı son derece homojen değildir. Spektral pirometre ile sıcaklık, ölçüm alanında alınan toplam radyasyonun ortalamasından belirlenir. Bu nedenle ölçüm değeri, sıcaklık dağılımına ve cüreme bağlıdır. Levha, rulo konveyör üzerinde hareket ettiğinden, sinyal değerlendirme filtrelenmezse ölçüm değeri dalgalanır. Bu nedenle pirometre üreticileri, bu koşullar altında mümkün olduğunca küçük bir ölçüm alanı elde etmek için > 200 : 1 gibi çok yüksek bir optik çözünürlüğe sahip bir pirometre kullanılması önermektedir. Maksimum değer hafızası sayesinde, cüruf bulunmayan yerlerdeki en yüksek sıcaklık kaydedilir.
Peki, bir oran pirometresi ölçüm alanındaki homojen olmayan sıcaklık dağılımına nasıl tepki verir? Homojen olmayan sıcaklık dağılımında bir oran pirometresinin davranışı daha karmaşıktır. Bu, “sıcak noktaların” toplam alanına ve ölçüm alanındaki sıcak ve soğuk noktalar arasındaki sıcaklık farklarına bağlıdır. Açıklanan kısmi aydınlatma etkisi nedeniyle, bir oran pirometresi, sıcak ve soğuk alanlar arasında > 200 °C'lik önemli bir sıcaklık farkı olması koşuluyla, ölçüm alanındaki en sıcak noktanın sıcaklığını belirler.
Bir levha üzerinde ölçüm yaparken, cüruf nedeniyle ölçüm alanında birden fazla sıcak nokta oluşabilir. Sıcaklık farkı düşükse, oran pirometresi de alınan radyasyonun ortalama değerinden sıcaklığı belirler. Bu nedenle, homojen olmayan etkilerin etkisini en aza indirmek için, maksimum değerlerin kaydedilmesi amacıyla yüksek optik çözünürlüğe ve iyi görüntüleme kalitesine sahip cihazların kullanılması önerilir.
Sıcak haddeleme işlemi sırasında su buharı ve kirlenme olması bekleniyorsa, tercihen bir oran pirometresi kullanılmalıdır. Oran pirometresinin kirlenme izleme özelliği kullanılarak, ölçüm değerlerinin kaydedilmesinin çalışma güvenliği de artırılabilir.
Peki, bir oran pirometresi ölçüm alanındaki homojen olmayan sıcaklık dağılımına nasıl tepki verir? Homojen olmayan sıcaklık dağılımında bir oran pirometresinin davranışı daha karmaşıktır. Bu, “sıcak noktaların” toplam alanına ve ölçüm alanındaki sıcak ve soğuk noktalar arasındaki sıcaklık farklarına bağlıdır. Açıklanan kısmi aydınlatma etkisi nedeniyle, bir oran pirometresi, sıcak ve soğuk alanlar arasında > 200 °C'lik önemli bir sıcaklık farkı olması koşuluyla, ölçüm alanındaki en sıcak noktanın sıcaklığını belirler.
Bir levha üzerinde ölçüm yaparken, cüruf nedeniyle ölçüm alanında birden fazla sıcak nokta oluşabilir. Sıcaklık farkı düşükse, oran pirometresi de alınan radyasyonun ortalama değerinden sıcaklığı belirler. Bu nedenle, homojen olmayan etkilerin etkisini en aza indirmek için, maksimum değerlerin kaydedilmesi amacıyla yüksek optik çözünürlüğe ve iyi görüntüleme kalitesine sahip cihazların kullanılması önerilir.
Sıcak haddeleme işlemi sırasında su buharı ve kirlenme olması bekleniyorsa, tercihen bir oran pirometresi kullanılmalıdır. Oran pirometresinin kirlenme izleme özelliği kullanılarak, ölçüm değerlerinin kaydedilmesinin çalışma güvenliği de artırılabilir.
Sıcak fırın atmosferinde daha soğuk nesneleri ölçmek için bölüm pirometresi
Sıcak bir fırın içindeki soğuk nesnelerin sıcaklık ölçümü konusu sıklıkla tartışılmaktadır. Soğuk dövme parçalar ısınmak için sıcak fırınlara yerleştirilir veya soğuk levhalar bir itme fırınının farklı ısıtma bölgelerinden geçer. Sıcak fırın duvarının yüksek arka plan radyasyonu, ölçüm nesnesinden yansıyarak pirometre tarafından da algılanır ve bu nedenle pirometre her zaman çok yüksek bir sıcaklık gösterir. İş parçasının sıcaklığı fırının sıcaklığına yaklaştıkça, parazit etkisi azalır. Arka plan radyasyonunu ortadan kaldırmanın en etkili çözümü, su soğutmalı vizör borularının kullanılmasıdır. Ancak bu, yüksek yatırım ve sürekli işletme maliyetleri ile bağlantılıdır. Ayrıca, fırın içine iş parçasına kadar uzanan bir borunun montajı, yapısal nedenlerden dolayı zor veya imkansız olabilir.
Bu nedenle, cihazlar, az ya da çok güçlü ölçüm hatalarının bilincinde olarak, genellikle vizör borusu olmadan kullanılır. Arka plan radyasyonunun etkisi, radyasyon arka planının sıcaklığı bir termokupl veya ikinci bir pirometre ile ayrı olarak ölçülerek ve pirometredeki yansıtıcı parazit radyasyon hesapla düzeltilerek azaltılabilir. Bu düzeltme, özellikle nesnenin emisyon katsayısı düşük, değişken veya tam olarak bilinmediğinde, belirsizlik içerebilir.
Fiziksel nedenlerden dolayı metal nesneler için emisyon katsayısının etkisini mümkün olduğunca düşük tutmak için “mümkün olduğunca kısa dalga boyunda ölçüm yapın” kuralı geçerliyse, sıcak atmosferde daha soğuk nesnelerin ölçümünde bu durum tam tersidir.
Arka plan radyasyonu, daha uzun dalga boylarında ölçüm yapan cihazlarda daha az etkiye sahiptir. Öte yandan, daha uzun dalga boylarında spektral duyarlılıkta metallerin emisyon katsayısı ε daha küçük ve dolayısıyla yansıma katsayısı σ daha büyüktür (ε + σ = 1). Bu da, değişen emisyon katsayılarında sıcak fırın radyasyonunun parazit etkisinin daha fazla olmasına neden olur. Bu nedenle üreticiler, en iyi sonucu elde etmek için 1 – 2 μm aralığında spektral duyarlılığa sahip cihazların kullanılmasını önermektedir. Tasarım ve ısı tekniği nedenleriyle, cihazlar birkaç metrelik büyük ölçüm mesafesine monte edilir. Örneğin 100:1 optik çözünürlüğe sahip standart bir optik kullanıldığında, 20 metre mesafede 200 mm'lik bir ölçüm alanı çapı elde edilir. Cüruf nedeniyle, levha üzerindeki sıcaklık dağılımı son derece homojen değildir. Spektral pirometrelerde, sıcaklık ölçüm alanında alınan toplam radyasyonun ortalamasından belirlenir. Bu nedenle ölçüm değeri, sıcaklık dağılımına ve cüreme bağlıdır. Levha, rulo konveyör üzerinde hareket ettiğinden, sinyal değerlendirme filtrelenmezse ölçüm değeri dalgalanır. Bu nedenle pirometre üreticileri, bu koşullar altında mümkün olan en küçük ölçüm alanını elde etmek için > 200 : 1 gibi çok yüksek optik çözünürlüğe sahip bir pirometre kullanılması önermektedir. Maksimum değer hafızası sayesinde, cüruf bulunmayan noktalardaki en yüksek sıcaklık kaydedilir.
Ancak, bir oran pirometresi ölçüm alanındaki homojen olmayan sıcaklık dağılımına nasıl tepki verir? Homojen olmayan sıcaklık dağılımında bir oran pirometresinin davranışı daha karmaşıktır. Bu, “sıcak noktaların” toplam alanına ve ölçüm alanındaki sıcak ve soğuk noktalar arasındaki sıcaklık farklarına bağlıdır. Açıklanan kısmi aydınlatma etkisi nedeniyle, bir oran pirometresi, sıcak ve soğuk alanlar arasında > 200 °C'lik önemli bir sıcaklık farkı olması koşuluyla, ölçüm alanındaki en sıcak noktanın sıcaklığını belirler.
Bir levha üzerinde ölçüm yaparken, cüruf nedeniyle ölçüm alanında birden fazla sıcak nokta oluşabilir.
Sıcaklık farkı düşükse, oran pirometresi de alınan radyasyonun ortalama değerinden sıcaklığı belirler. Bu nedenle, homojen olmayan etkilerin etkisini en aza indirmek için, maksimum değerlerin kaydedilmesi amacıyla yüksek optik çözünürlüğe ve iyi görüntüleme kalitesine sahip cihazların kullanılması önerilir.
Sıcak haddeleme işlemi sırasında su buharı ve kirlenme olması bekleniyorsa, tercihen bir oran pirometresi kullanılmalıdır. Oran pirometresinin kirlenme izleme özelliği kullanılarak, ölçüm değerlerinin kaydedilmesinin çalışma güvenliği de artırılabilir.
Bu nedenle, cihazlar, az ya da çok güçlü ölçüm hatalarının bilincinde olarak, genellikle vizör borusu olmadan kullanılır. Arka plan radyasyonunun etkisi, radyasyon arka planının sıcaklığı bir termokupl veya ikinci bir pirometre ile ayrı olarak ölçülerek ve pirometredeki yansıtıcı parazit radyasyon hesapla düzeltilerek azaltılabilir. Bu düzeltme, özellikle nesnenin emisyon katsayısı düşük, değişken veya tam olarak bilinmediğinde, belirsizlik içerebilir.
Fiziksel nedenlerden dolayı metal nesneler için emisyon katsayısının etkisini mümkün olduğunca düşük tutmak için “mümkün olduğunca kısa dalga boyunda ölçüm yapın” kuralı geçerliyse, sıcak atmosferde daha soğuk nesnelerin ölçümünde bu durum tam tersidir.
Arka plan radyasyonu, daha uzun dalga boylarında ölçüm yapan cihazlarda daha az etkiye sahiptir. Öte yandan, daha uzun dalga boylarında spektral duyarlılıkta metallerin emisyon katsayısı ε daha küçük ve dolayısıyla yansıma katsayısı σ daha büyüktür (ε + σ = 1). Bu da, değişen emisyon katsayılarında sıcak fırın radyasyonunun parazit etkisinin daha fazla olmasına neden olur. Bu nedenle üreticiler, en iyi sonucu elde etmek için 1 – 2 μm aralığında spektral duyarlılığa sahip cihazların kullanılmasını önermektedir. Tasarım ve ısı tekniği nedenleriyle, cihazlar birkaç metrelik büyük ölçüm mesafesine monte edilir. Örneğin 100:1 optik çözünürlüğe sahip standart bir optik kullanıldığında, 20 metre mesafede 200 mm'lik bir ölçüm alanı çapı elde edilir. Cüruf nedeniyle, levha üzerindeki sıcaklık dağılımı son derece homojen değildir. Spektral pirometrelerde, sıcaklık ölçüm alanında alınan toplam radyasyonun ortalamasından belirlenir. Bu nedenle ölçüm değeri, sıcaklık dağılımına ve cüreme bağlıdır. Levha, rulo konveyör üzerinde hareket ettiğinden, sinyal değerlendirme filtrelenmezse ölçüm değeri dalgalanır. Bu nedenle pirometre üreticileri, bu koşullar altında mümkün olan en küçük ölçüm alanını elde etmek için > 200 : 1 gibi çok yüksek optik çözünürlüğe sahip bir pirometre kullanılması önermektedir. Maksimum değer hafızası sayesinde, cüruf bulunmayan noktalardaki en yüksek sıcaklık kaydedilir.
Ancak, bir oran pirometresi ölçüm alanındaki homojen olmayan sıcaklık dağılımına nasıl tepki verir? Homojen olmayan sıcaklık dağılımında bir oran pirometresinin davranışı daha karmaşıktır. Bu, “sıcak noktaların” toplam alanına ve ölçüm alanındaki sıcak ve soğuk noktalar arasındaki sıcaklık farklarına bağlıdır. Açıklanan kısmi aydınlatma etkisi nedeniyle, bir oran pirometresi, sıcak ve soğuk alanlar arasında > 200 °C'lik önemli bir sıcaklık farkı olması koşuluyla, ölçüm alanındaki en sıcak noktanın sıcaklığını belirler.
Bir levha üzerinde ölçüm yaparken, cüruf nedeniyle ölçüm alanında birden fazla sıcak nokta oluşabilir.
Sıcaklık farkı düşükse, oran pirometresi de alınan radyasyonun ortalama değerinden sıcaklığı belirler. Bu nedenle, homojen olmayan etkilerin etkisini en aza indirmek için, maksimum değerlerin kaydedilmesi amacıyla yüksek optik çözünürlüğe ve iyi görüntüleme kalitesine sahip cihazların kullanılması önerilir.
Sıcak haddeleme işlemi sırasında su buharı ve kirlenme olması bekleniyorsa, tercihen bir oran pirometresi kullanılmalıdır. Oran pirometresinin kirlenme izleme özelliği kullanılarak, ölçüm değerlerinin kaydedilmesinin çalışma güvenliği de artırılabilir.
Sıcak fırın atmosferinde daha soğuk nesneleri ölçmek için bölüm pirometresi
Sıcak bir fırın içindeki soğuk nesnelerin sıcaklık ölçümü konusu sıklıkla tartışılmaktadır. Soğuk dövme parçalar ısınmak için sıcak fırınlara yerleştirilir veya soğuk levhalar bir itme fırınının farklı ısıtma bölgelerinden geçer. Sıcak fırın duvarının yüksek arka plan radyasyonu, ölçüm nesnesinden yansıyarak pirometre tarafından da algılanır ve bu nedenle pirometre her zaman çok yüksek bir sıcaklık gösterir. İş parçasının sıcaklığı fırının sıcaklığına yaklaştıkça, parazit etkisi azalır. Arka plan radyasyonunu ortadan kaldırmanın en etkili çözümü, su soğutmalı vizör borularının kullanılmasıdır. Ancak bu, yüksek yatırım ve sürekli işletme maliyetleri ile bağlantılıdır. Ayrıca, fırın içine iş parçasına kadar uzanan bir borunun montajı, yapısal nedenlerden dolayı zor veya imkansız olabilir.
Bu nedenle, cihazlar, az ya da çok güçlü ölçüm hatalarının bilincinde olarak, genellikle vizör borusu olmadan kullanılır. Arka plan radyasyonunun etkisi, radyasyon arka planının sıcaklığı bir termokupl veya ikinci bir pirometre ile ayrı olarak ölçülerek ve pirometredeki yansıtıcı parazit radyasyon hesapla düzeltilerek azaltılabilir. Bu düzeltme, özellikle nesnenin emisyon katsayısı düşük, değişken veya tam olarak bilinmediğinde, belirsizlik içerebilir.
Fiziksel nedenlerden dolayı metal nesneler için emisyon katsayısının etkisini mümkün olduğunca düşük tutmak için “mümkün olduğunca kısa dalga boyunda ölçüm yapın” kuralı geçerliyse, sıcak atmosferde daha soğuk nesnelerin ölçümünde bu durum tam tersidir.
Arka plan radyasyonu, daha uzun dalga boyunda ölçüm yapan cihazlarda daha az etkiye sahiptir. Öte yandan, daha uzun dalga boyunda spektral duyarlılıkta metallerin emisyon katsayısı ε daha küçük ve dolayısıyla yansıma katsayısı σ daha büyüktür (ε + σ = 1). Bu da, değişen emisyon katsayılarında sıcak fırın radyasyonunun parazit etkisinin daha fazla olmasına neden olur. Bu nedenle üreticiler, en iyi sonucu elde etmek için 1 – 2 μm aralığında spektral duyarlılığa sahip cihazların kullanılmasını önermektedir.
Burada da, sıcak ortamda soğuk nesnelerin ölçümünde bir oran pirometresinin nasıl davrandığı sorusu ortaya çıkmaktadır. Temel olarak, bir oran pirometresi spektral pirometre ile benzer şekilde davranır. Hem nesnenin hem de fırın duvarının yansıma radyasyonunu ölçer. Bir oran pirometresi, gözetleme camının kirlenmesi veya pirometrenin görüş alanında toz ve duman olması durumunda daha az duyarlı tepki verir. Değişen emisyon derecelerine tepki, yerel koşullara son derece bağlıdır ve bu nedenle tahmin edilmesi zordur. Olası analizler yapabilmek için, devreye alma sırasında veya sürekli olarak hem oran hem de spektral sıcaklıkları paralel olarak kaydetmek ve değerlendirmek tavsiye edilir. Modern oran pirometreler, oran ve spektral sıcaklık ölçüm değerlerini doğrudan kontrol ünitesinden alabilmek için iki analog çıkış sunar. Oran pirometrenin bir diğer avantajı, ölçüm nesnesinin radyasyon özelliğinin bir göstergesi olarak sinyal gücünü değerlendirme imkanıdır (Şekil 8).
Bu nedenle, cihazlar, az ya da çok güçlü ölçüm hatalarının bilincinde olarak, genellikle vizör borusu olmadan kullanılır. Arka plan radyasyonunun etkisi, radyasyon arka planının sıcaklığı bir termokupl veya ikinci bir pirometre ile ayrı olarak ölçülerek ve pirometredeki yansıtıcı parazit radyasyon hesapla düzeltilerek azaltılabilir. Bu düzeltme, özellikle nesnenin emisyon katsayısı düşük, değişken veya tam olarak bilinmediğinde, belirsizlik içerebilir.
Fiziksel nedenlerden dolayı metal nesneler için emisyon katsayısının etkisini mümkün olduğunca düşük tutmak için “mümkün olduğunca kısa dalga boyunda ölçüm yapın” kuralı geçerliyse, sıcak atmosferde daha soğuk nesnelerin ölçümünde bu durum tam tersidir.
Arka plan radyasyonu, daha uzun dalga boyunda ölçüm yapan cihazlarda daha az etkiye sahiptir. Öte yandan, daha uzun dalga boyunda spektral duyarlılıkta metallerin emisyon katsayısı ε daha küçük ve dolayısıyla yansıma katsayısı σ daha büyüktür (ε + σ = 1). Bu da, değişen emisyon katsayılarında sıcak fırın radyasyonunun parazit etkisinin daha fazla olmasına neden olur. Bu nedenle üreticiler, en iyi sonucu elde etmek için 1 – 2 μm aralığında spektral duyarlılığa sahip cihazların kullanılmasını önermektedir.
Burada da, sıcak ortamda soğuk nesnelerin ölçümünde bir oran pirometresinin nasıl davrandığı sorusu ortaya çıkmaktadır. Temel olarak, bir oran pirometresi spektral pirometre ile benzer şekilde davranır. Hem nesnenin hem de fırın duvarının yansıma radyasyonunu ölçer. Bir oran pirometresi, gözetleme camının kirlenmesi veya pirometrenin görüş alanında toz ve duman olması durumunda daha az duyarlı tepki verir. Değişen emisyon derecelerine tepki, yerel koşullara son derece bağlıdır ve bu nedenle tahmin edilmesi zordur. Olası analizler yapabilmek için, devreye alma sırasında veya sürekli olarak hem oran hem de spektral sıcaklıkları paralel olarak kaydetmek ve değerlendirmek tavsiye edilir. Modern oran pirometreler, oran ve spektral sıcaklık ölçüm değerlerini doğrudan kontrol ünitesinden alabilmek için iki analog çıkış sunar. Oran pirometrenin bir diğer avantajı, ölçüm nesnesinin radyasyon özelliğinin bir göstergesi olarak sinyal gücünü değerlendirme imkanıdır (Şekil 8).
Şekil 8: Modern oran pirometrelerde, oran ve spektral ölçüm değerlerinin yanı sıra sinyal gücü de görüntülenir ve verilir.
Enerji santrallerinde ve yakma tesislerinde bölüm pirometreleri
Toz, buhar ve duman gibi aşırı ölçüm koşulları nedeniyle, oran pirometreleri elektrik santrallerinde ve yakma tesislerinde ölçüm ve güvenlik açısından avantajlıdır. Bir pirometre, ölçüm alanındaki nesnelerin radyasyonunu kaydeder. Bir yakma tesisinde, alınan enerji hem hava akımındaki sıcak parçacıklar hem de karşı duvardan yayılır. Ölçüm değeri, parçacıkların yoğunluğuna, sıcaklık dağılımının homojenliğine ve karşı duvardaki sıcaklığa bağlıdır. Duvar, ısı eşanjör boruları nedeniyle hava akımındaki parçacıklardan belirgin şekilde daha soğuksa, spektral pirometre, ortalama değer hesaplaması nedeniyle çok düşük ve yük durumuna bağlı olarak değişken bir sıcaklık ölçer. Burada, kısmi aydınlatma etkisi ve maksimum değer ölçümü açısından oran pirometresinin avantajı tekrar ortaya çıkar. Bu nedenle, genellikle kullanılan termokupllara kıyasla, oran pirometreleri aşınma veya yaşa bağlı sapma olmadığından gerçek bir alternatiftir. Ancak, oran pirometreleri görüş alanındaki alevlere çok duyarlıdır. Bu, montaj yerinin seçiminde mutlaka dikkate alınmalıdır.
Sinyal gücünün gösterilmesi ile ölçümün güvenilirliği kontrol edilebilir. Çapları 20 -30 mm ve duvar kalınlıkları 200 – 400 mm olan fırın açıklıkları genellikle küçük olduğundan, ölçüm alanının daralmasını önlemek için optik olarak yüksek çözünürlüklü ve iyi görüntüleme özelliklerine sahip cihazlar kullanılmalıdır. Ayrıca, cihazın “şaşı” olmasını önlemek için geometrik ve optik eksenler aynı olmalı ve cihaz paralaks içermeyen olmalıdır. Donanım isteğine ve montaj yerinin erişilebilirliğine bağlı olarak, kompakt cihazlar veya bir bakış optiği veya video kamera şeklinde bir nişangah yardımı ile pirometreler kullanılır, böylece devreye alma ve çalışma sırasında hizalama ve serbest görüş açıklığı kolay ve hızlı bir şekilde kontrol edilebilir.
Güvenlik açısından, aşırı kirlenme veya fırın açıklığının kapanması durumunda otomatik olarak alarm vermesi için, oran pirometrelerinde kirlenme izleme sisteminin kullanılması da tavsiye edilir.
Sinyal gücünün gösterilmesi ile ölçümün güvenilirliği kontrol edilebilir. Çapları 20 -30 mm ve duvar kalınlıkları 200 – 400 mm olan fırın açıklıkları genellikle küçük olduğundan, ölçüm alanının daralmasını önlemek için optik olarak yüksek çözünürlüklü ve iyi görüntüleme özelliklerine sahip cihazlar kullanılmalıdır. Ayrıca, cihazın “şaşı” olmasını önlemek için geometrik ve optik eksenler aynı olmalı ve cihaz paralaks içermeyen olmalıdır. Donanım isteğine ve montaj yerinin erişilebilirliğine bağlı olarak, kompakt cihazlar veya bir bakış optiği veya video kamera şeklinde bir nişangah yardımı ile pirometreler kullanılır, böylece devreye alma ve çalışma sırasında hizalama ve serbest görüş açıklığı kolay ve hızlı bir şekilde kontrol edilebilir.
Güvenlik açısından, aşırı kirlenme veya fırın açıklığının kapanması durumunda otomatik olarak alarm vermesi için, oran pirometrelerinde kirlenme izleme sisteminin kullanılması da tavsiye edilir.
İndüksiyonlu ısıtma sistemleri için bölüm pirometresi
Cıvatalar, preslenerek bağlantı parçalarına dönüştürülmeden önce bir ısıtma fırınından geçer. Kaliteyi sabit tutmak için sıcaklığın kontrol edilmesi gerekir. Endüktif ısıtma tesislerinde, bu amaçla genellikle pirometreler kullanılır. Bu cihazlar, milisaniye içinde ve güvenli bir mesafeden, indüksiyon fırınının hemen arkasından geçen iş parçasının sıcaklığını anında ölçer. Sıcaklık, proses kontrolü için bir ayar değeri olarak kullanılır ve sıcaklığı izin verilen aralığın dışında olan cıvataları ayırmak için kullanılır (Şekil 9).
Abb. 9 Çok düşük veya çok yüksek sıcaklığa sahip kütükleri ayırmak için savak.
Sıcaklığı ölçmek için hem spektral hem de oran pirometreler kullanılır. Cihazlar 600 – 1200 mm'lik daha büyük aralıklarla monte edilir. Bir bakış optiği veya pilot ışığı şeklinde bir nişan alma yardımı zorunludur. Ancak bu şekilde, optik etkilerden kaynaklanan olası ölçüm hatalarını en aza indirmek için doğru odak mesafesi ve hassas hizalama ayarlanabilir.
Özellikle sabit odak mesafesine sahip cihazlarda, makine yapısı nedeniyle bu mesafe her zaman tam olarak korunamaz. Cihazlar sabit olarak monte edildiğinde ve cıvata çapları değiştiğinde, ölçüm mesafesi de değişir, böylece cihazlar kısmen odak mesafesinde çalışmaz.
Odaklanabilir optiğe sahip cihazlarda, pratikte görüldüğü gibi, ölçüm mesafesi genellikle doğru ayarlanmaz. Cıvata çaplarının değişmesi durumunda yeniden ayarlama neredeyse hiç yapılmaz, bu nedenle bu cihazlar da sürekli olarak odak noktasının dışında kullanılır.
Özellikle sabit odak mesafesine sahip cihazlarda, makine yapısı nedeniyle bu mesafe her zaman tam olarak korunamaz. Cihazlar sabit olarak monte edildiğinde ve cıvata çapları değiştiğinde, ölçüm mesafesi de değişir, böylece cihazlar kısmen odak mesafesinde çalışmaz.
Odaklanabilir optiğe sahip cihazlarda, pratikte görüldüğü gibi, ölçüm mesafesi genellikle doğru ayarlanmaz. Cıvata çaplarının değişmesi durumunda yeniden ayarlama neredeyse hiç yapılmaz, bu nedenle bu cihazlar da sürekli olarak odak noktasının dışında kullanılır.
Bir oran pirometresi, ölçüm mesafesindeki değişikliklere, cıvata çapındaki değişikliklere veya cihazların odak alanı dışında çalıştırılması durumunda, başlangıçta açıklanan şekilde belirli sınırlara kadar çok daha az duyarlıdır ve bu nedenle bu tür uygulamalar için spektral pirometreye göre avantajlıdır.
Bu nedenle, ölçüm görevinin iki temel gerekliliğini, yani a) mesafeden mümkün olduğunca bağımsız ve güvenilir ölçüm ve b) basit hizalama kontrolü, en iyi şekilde karşılamak için pilot ışıklı kompakt oran pirometrelerin kullanılması önerilir (Şekil 10).
Bu nedenle, ölçüm görevinin iki temel gerekliliğini, yani a) mesafeden mümkün olduğunca bağımsız ve güvenilir ölçüm ve b) basit hizalama kontrolü, en iyi şekilde karşılamak için pilot ışıklı kompakt oran pirometrelerin kullanılması önerilir (Şekil 10).
Abb. 10 Tam büyüklüğü, konumu ve odak mesafesini görüntülemek için LED pilot ışıklı kompakt oran pirometresi.
Sonuç
300 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda gerçekleştirilen üretim süreçleri için, açıklanan avantajlara sahip oran pirometreler, ortam ve tasarım koşullarına bağlı olarak güvenilir ve istikrarlı ölçüm değerleri elde etmek için bir alternatiftir. Donanım açısından benzer bir spektral pirometreye kıyasla yaklaşık %30'luk ek maliyet, iyi bir yatırımdır ve daha az manuel kontrol gereksinimi ve hatalı parça üretimindeki azalma sayesinde kısa sürede kendini amorti eder. Yoğun buhar, kir ve toz gibi aşırı ölçüm koşullarında, oran pirometresinin ölçüm teknikleri avantajları açıkça ortaya çıkar. Ölçüm nesnelerinin emisyon derecesinin değişebileceği uygulamalarda, oran ölçüm yöntemini kullanırken ölçümün güvenilirliğini kontrol etmek tavsiye edilir.
Cihaz üreticileri, proses güvenliğini artırmak ve ek sıcaklık bilgilerinden elde edilen bilgileri kullanmak için oran pirometresinin ek koruma ve analiz özelliklerini kullanmanızı tavsiye eder.
Cihaz üreticileri, proses güvenliğini artırmak ve ek sıcaklık bilgilerinden elde edilen bilgileri kullanmak için oran pirometresinin ek koruma ve analiz özelliklerini kullanmanızı tavsiye eder.