Oran pirometresi

Bölümlü pirometreler günümüzün kızılötesi termometre uygulamalarında vazgeçilmezdir. Aşağıdaki makale, bölüm pirometrisinin fiziksel prensiplerini, avantajlarını, işlevsel ve analitik olanaklarını ve sınırlarını açıklamaktadır. Tipik uygulama alanları pratik uygulamalar temelinde sunulmaktadır.

Bir oran pirometresi, bir ölçüm nesnesinin termal radyasyonunu iki farklı dalga boyu aralığında algılar. İki spektral radyansın bölümü φ yaklaşık olarak sıcaklıkla orantılı olarak değişir. Spektral radyans ile ilişkili olan, iki dalga boyu için ölçüm yüzeyinin ilgili emisivitesidir ε (Şekil 1).

Ölçüm yüzeyinin emisivitesinin dalga boyuna bağlı etkisini en aza indirmek için, birbirine yakın dalga boyu aralıkları seçilir. Öte yandan bu, iki radyasyon yoğunluğunun neredeyse hiç farklı olmadığı anlamına gelir. Neredeyse aynı olan iki değerin bölümü nesne sıcaklığına bağlı olarak çok az değişir. Bu nedenle, bir bölüm pirometresinin ölçülebilir en küçük sıcaklığı yaklaşık 300 °C ile sınırlıdır. Bu küçük sinyal değişikliklerini analiz edebilmek için büyük bir amplifikasyon gereklidir. Bu nedenle, yüksek bir sinyal-gürültü oranı veya küçük bir NETD (Gürültüye Eşdeğer Sıcaklık Farkı) ve dolayısıyla doğru ölçüm için gereken yüksek sıcaklık çözünürlüğü elde etmek için sensörlerin, elektronik amplifikatörlerin ve A/D dönüştürücülerin kalitesi en yüksek standartları karşılamalıdır. NETD'yi kontrol etmek için, cihazı ölçüm aralığının başlangıcında en kısa tepki süresiyle çalıştırın ve ölçüm sinyalinin kararlılığını kontrol edin.

Bölüm ölçüm yönteminin en büyük avantajı, doğru sıcaklığın dalga boyundan bağımsız bir sinyal zayıflamasıyla belirlenmesidir. Örneğin, kirli bir gözetleme camı veya pirometrenin görüş alanındaki buhar, duman ve toz sinyal azalmasına neden olursa, bölüm ve dolayısıyla görüntülenen sıcaklık sabit kalır.

ε1 = ε2 (gri radyatör) emisiviteleri her iki dalga boyu için de aynıysa, denklemdeki emisivite terimi azaltılır ve bölüm pirometresi ölçülen nesnenin emisivitesinden bağımsız olarak gerçek sıcaklığı gösterir. Ölçüm nesnesinin emisivitesi her iki dalga boyu aralığı için aynı ölçüde değişse bile, bunun ölçüm sonucu üzerinde hiçbir etkisi yoktur. İki emisivite arasındaki sabit farklar nedeniyle gerçek sıcaklıktan sapmalar, pirometre üzerindeki emisivite oranı ayarlanarak düzeltilebilir.

Ancak, renkli radyatör olarak adlandırılan bir yüzeyde ölçüm sırasında emisivite yüzeye veya sıcaklığa bağlı olarak iki dalga boyu için farklı şekilde değişirse bir oran pirometresi nasıl davranır?

Aynı seçici etki, ince tabaka birikintileri (örneğin yağ filmleri veya buhar birikintileri) nedeniyle gözetleme camının iletimi dalga boyuna bağlı olarak değişirse ortaya çıkar. Bölüm yöntemi de bazen literatürde okunduğu gibi ölçüm nesnesinin radyasyon özelliklerinden tamamen bağımsız değildir.

Tablo 1'deki üç örnek, spektral ve bölüm ölçüm yöntemleri için emisiviteye bağlı zayıflamanın farklı etkisini açıkça göstermektedir. ε = 1 emisiviteye sahip bir "siyah cismin" 800 °C'lik sıcaklığı temel alındığında, λ1 = 0,95 μm ve λ2 = 1,05 μm olan bir bölüm pirometresi için Planck'ın radyasyon yasasından dalga boyuna bağlı emisivitelerde farklı bir değişiklikle aşağıdaki sıcaklık değerleri elde edilir (bkz. Tablo 1).

Koruyucu cam (1) için spektral sıcaklıklardaki azalma açıkça görülebilir. Buna karşılık, bölüm değeri neredeyse sabit kalmaktadır. Düşük kaliteli lamine cam (2) durumunda, spektral değerler daha da keskin ve farklı derecelerde düşmektedir. Bu da bölüm için önemli bir ölçüm sapmasına yol açar.

Bu nedenle bölüm pirometrelerinde, gözetleme camları üzerinden ölçüm yaparken camların pirometrenin dalga boyu aralığında nötr bir iletim eğrisine sahip olduğundan emin olmak çok önemlidir. Bu, ölçüm sırasında pirometrenin önünde bir disk tutularak çok kolay bir şekilde kontrol edilebilir. Bölüm sıcaklığı önemli ölçüde değişmemelidir.

Oran pirometresinin bir diğer önemli avantajı da ölçüm nesnelerinin ölçüm alanından daha küçük olabilmesidir. Spektral pirometrede ölçüm nesnesi her zaman ölçüm alanından daha büyük olmalıdır, çünkü spektral pirometre tüm ölçüm alanı içindeki radyasyonun ortalama değerini kaydeder. Aksi takdirde, soğuk bir arka planın önündeki küçük bir ölçüm nesnesi her zaman çok düşük bir sıcaklık ölçecektir.

Bir oran pirometresinin ölçüm alanı ölçülen nesne tarafından tam olarak aydınlatılmazsa (kısmi aydınlatma etkisi), bu kızılötesi radyasyonun nötr bir zayıflaması olarak işlev görür. Bu nedenle, bir oran pirometresi, nesne pirometrenin ölçüm alanından %80'e kadar daha küçük olsa bile yine de doğru ölçüm değerleri sağlar. Minimum kısmi aydınlatma derecesi, ölçülecek nesnenin emisivitesine ve sıcaklığına bağlıdır. İdeal olarak, nesnenin ölçüm alanındaki konumu keyfi olmalı ve görüntülenen sıcaklık değerini etkilememelidir. Ancak bu konuda piyasada bulunan cihazlar arasında büyük kalite farklılıkları vardır. Basit bir optik tasarıma sahip pirometreler, objektif lensin optik sapmasının daha düşük düzeltilmesi ve homojen olmayan bir hassasiyet dağılımına sahip sensörler, örneğin ölçüm alanının kenarına sıcak bir tel yerleştirilirse, sabit bir nesne sıcaklığında ölçülen değeri 20 - 30 °C'ye kadar artırabilir (Şekil 5).

Küçük nesneleri ölçerken bir başka avantaj, bir oran pirometresinin optik hizalamaya ve doğru odaklamaya çok daha az duyarlı tepki vermesidir. Bunun aksine, bir spektral pirometre, ölçüm nesnesi ölçüm alanından çok az büyükse ölçüm hatalarını önlemek için ölçüm nesnesine çok hassas bir şekilde hizalanmalı ve odaklanmalıdır.

Aşağıdaki ölçüm eğrisi (Şekil 6) Ø8 mm çapında bir nesne üzerinde Ø8 mm ölçüm alanına sahip bir oran pirometresi kullanılarak kaydedilmiştir. Aynı zamanda bir spektral sıcaklık da kaydedilmiştir. Sabit odak mesafesi 500 mm idi (ölçüm noktası 1). Ölçüm mesafesi daha sonra 250 mm'ye düşürülmüştür (ölçüm noktası 2). Odaksızlaştırmanın bölüm sıcaklığı üzerinde sadece küçük bir etkisi vardır, oysa spektral sıcaklık yaklaşık 20 °C sapar. Ölçüm mesafesi daha sonra 1000 mm'ye ayarlanmıştır (ölçüm noktası 3). Pirometrenin ölçüm alanı, ölçülen nesneden iki kat daha büyüktür. Yine, bölüm sıcaklığı neredeyse aynı seviyede kalır. Buna karşılık, spektral değer, defokuslama ve kısmi aydınlatma nedeniyle keskin bir şekilde düşer.

Rulo standındaki levha ve plakaların sıcaklığını ölçerken, hangi ölçüm yönteminin - spektral veya bölüm - önerileceği sorusu, aşırı koşullar nedeniyle tekrar tekrar ortaya çıkmaktadır (Şekil 7).

Tasarım ve termal nedenlerden dolayı, cihazlar birkaç metrelik geniş bir ölçüm mesafesine monte edilir. Örneğin 100:1 optik çözünürlüğe sahip standart optiklerin kullanılması, 20 metrelik bir mesafede 200 mm'lik bir ölçüm alanı çapıyla sonuçlanır. Levha üzerindeki sıcaklık dağılımı, ölçek nedeniyle son derece homojen değildir. Bir spektral pirometre ile sıcaklık, ölçüm alanına gelen toplam radyasyonun ortalama değerinden belirlenir. Bu nedenle ölçülen değer sıcaklık dağılımına ve ölçeğe bağlıdır. Levha silindir tabla üzerinde hareket ettiğinden, sinyal filtrelenmemişse bu durum dalgalı bir ölçüm değerine yol açacaktır. Bu nedenle pirometre üreticileri, mümkün olan en küçük ölçüm alanını elde etmek için bu koşullar altında > 200 : 1 gibi çok yüksek optik çözünürlüğe sahip bir pirometre kullanılmasını önermektedir. Maksimum değer belleği, ölçeksiz noktalardaki en yüksek sıcaklığı kaydetmek için kullanılır.

Peki bir oran pirometresi ölçüm alanındaki homojen olmayan sıcaklık dağılımına nasıl tepki verir? Bir oran pirometresinin davranışı, homojen olmayan bir sıcaklık dağılımında daha karmaşıktır. Bu, "sıcak noktaların" toplam alanına ve ölçüm alanındaki sıcak ve soğuk noktalar arasındaki sıcaklık farklarına bağlıdır. Yukarıda 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, ölçek nedeniyle ölçüm alanında birkaç sıcak nokta oluşabilir. Sıcaklık farkı küçükse, oran pirometresi de sıcaklığı alınan radyasyonun ortalama değerinden belirler. Bu nedenle, maksimum değer tespiti yoluyla homojensizliklerin etkisini en aza indirmek için bir oran pirometresi için yüksek optik çözünürlüğe ve iyi görüntüleme kalitesine sahip cihazların kullanılması da önerilir.

Sıcak haddeleme işlemi sırasında su buharı ve kirlenme bekleniyorsa, tercihen bir oran pirometresi kullanılmalıdır. Ölçülen değerin elde edilmesinin operasyonel güvenilirliği, oran pirometresinin kirlenme denetimi kullanılarak da artırılabilir.

Sıcak bir fırın içindeki daha soğuk nesnelerin sıcaklığının ölçülmesi konusu sıklıkla tartışılmaktadır. Soğuk dövme parçalar ısıtılmak üzere sıcak fırınlara yerleştirilir veya soğuk plakalar bir itici fırının çeşitli ısıtma bölgelerinden geçer. Ölçülen nesne tarafından yansıtılan ve dolayısıyla pirometre tarafından da algılanan sıcak fırın duvarının yüksek arka plan radyasyonu nedeniyle, pirometre her zaman çok yüksek bir sıcaklık gösterir. İş parçasının sıcaklığı fırınınkine ne kadar yakınsa, girişim etkisi o kadar düşük olur. Arka plan radyasyonunu ortadan kaldırmak için en etkili çözüm, su soğutmalı gözetleme tüplerinin kullanılmasıdır. Ancak, bu yüksek yatırım ve kalıcı işletme maliyetleri ile ilişkilidir. Buna ek olarak, bir fırının içine neredeyse iş parçasına kadar uzanan bir tüpün yerleştirilmesi yapısal nedenlerden dolayı zor veya imkansız olabilir.

Bu nedenle, ölçümün az ya da çok hatalı olacağı çok iyi bilinerek cihazlar genellikle bir gözetleme tüpü olmadan kullanılır. Arka plan radyasyonunun etkisi, radyasyon arka planının sıcaklığı bir termokupl veya ikinci bir pirometre kullanılarak ayrı olarak ölçülürse ve pirometrede yansıyan girişim radyasyonu hesaplama yoluyla düzeltilirse azaltılabilir. Bu düzeltme, özellikle nesnenin emisivitesi küçükse, dalgalanıyorsa veya tam olarak bilinmiyorsa, belirsizliğe tabi olabilir.

"Mümkün olduğunca kısa dalga ölçün" temel kuralı, emisivitenin etkisini en aza indirmek için fiziksel nedenlerle metalik nesneler için geçerliyse, bu düşünce sıcak bir atmosferde daha soğuk nesneleri ölçerken tam tersidir.

Arka plan radyasyonu, daha uzun dalga boylarını ölçen bir cihaz üzerinde daha az etkiye sahiptir. Öte yandan, daha uzun dalga boylu spektral hassasiyetle, metallerin emisivitesi ε daha küçüktür ve bu nedenle σ yansıtıcılığı daha büyüktür (ε + σ = 1). Bu da sıcak fırın radyasyonunun girişim etkisinin değişen emisivitelere daha fazla bağlı olmasına yol açar. Bu nedenle üreticiler, burada en iyi uzlaşmayı elde etmek için 1 - 2 μm aralığında spektral duyarlılığa sahip cihazların kullanılmasını önermektedir.

Bu da bir oran pirometresinin sıcak bir atmosferde daha soğuk nesneleri ölçerken nasıl davrandığı sorusunu gündeme getirir. Temel olarak, bir oran pirometresi spektral pirometreye benzer bir şekilde davranır. Hem nesneyi hem de fırın duvarından yansıyan radyasyonu algılar. Bölüm pirometresi, gözetleme camı kirliyse veya pirometrenin görüş alanında toz ve duman varsa daha az hassas tepki verir. Değişen emisyon seviyelerine verilen tepki son derece yerel koşullara bağlıdır ve bu nedenle tahmin edilmesi zordur. Herhangi bir analiz yapabilmek için devreye alma sırasında veya sürekli olarak hem bölüm hem de spektral sıcaklıkların paralel olarak kaydedilmesi ve değerlendirilmesi tavsiye edilir. Modern bölüm pirometreleri bu amaç için iki analog çıkış sunar, böylece bölüm ve spektral sıcaklığın ölçülen değerleri doğrudan kontrolör tarafından kaydedilebilir. Bölüm pirometresinin bir diğer avantajı da ölçülen nesnenin radyasyon özelliklerinin bir göstergesi olarak sinyal gücünün analiz edilebilmesidir (Şekil 8).

Toz, buhar ve dumanın neden olduğu aşırı ölçüm koşulları nedeniyle, oran pirometreleri ölçüm teknolojisi ve güvenlik açısından elektrik santrallerinde ve yakma tesislerinde kullanım için avantajlıdır. Bir pirometre, ölçüm alanındaki nesnelerin radyasyonunu algılar. Bir yanma tesisinde, alınan enerji hem hava akışındaki sıcak partiküllerden hem de karşı duvardan yayılır. Ölçülen değer, partiküllerin yoğunluğuna, sıcaklık dağılımının homojen olmamasına ve karşı duvarın sıcaklığına bağlıdır. Duvar, ısı eşanjörü boruları nedeniyle hava akışındaki partiküllerden önemli ölçüde daha soğuksa, spektral bir pirometre çok düşük bir sıcaklık kaydeder ve ortalama nedeniyle yük durumuna bağlı olarak dalgalanır. Kısmi aydınlatma etkisi ve maksimum değer tespiti açısından oran pirometresinin avantajı burada tekrar devreye girer. Bu nedenle, yaygın olarak kullanılan termokupllarla karşılaştırıldığında, bölüm pirometreleri aşınmaya veya yaşa bağlı kaymaya maruz kalmadıkları için gerçek bir alternatiftir. Bununla birlikte, bölüm pirometreleri görüş alanındaki alevlere karşı çok hassastır. Kurulum yeri seçilirken bu durum göz önünde bulundurulmalıdır.

Ölçümün güvenilirliği sinyal gücü görüntülenerek kontrol edilebilir. Çapı 20 - 30 mm ve duvar kalınlığı 200 - 400 mm olan fırın açıklıklarının genellikle küçük olması nedeniyle, ölçüm alanının daralmasını önlemek için iyi görüntüleme özelliklerine sahip yüksek çözünürlüklü optik cihazlar kullanılmalıdır. Geometrik ve optik eksenler de aynı olmalıdır ve bu nedenle cihazın "şaşı" olmasını önlemek için cihaz paralakssız olmalıdır. Gerekli ekipmana ve kurulum yerinin erişilebilirliğine bağlı olarak, devreye alma ve çalışma sırasında hizalamayı ve serbest görüş açıklığını kolayca ve hızlı bir şekilde kontrol edebilmek için şeffaf lens veya video kamera şeklinde bir görüş yardımcısına sahip kompakt cihazlar veya pirometreler kullanılır.

Güvenlik açısından, fırın açıklığında aşırı kirlenme veya aşırı büyüme durumunda otomatik olarak bir alarm oluşturmak için oran pirometrelerinin kirlenme izlemesinin kullanılması da burada tavsiye edilir.

Cıvatalar, daha sonra bağlantı parçalarına preslenmeden önce bir ısıtma fırınından geçer. Tutarlı bir kalite elde etmek için sıcaklığın kontrol edilmesi gerekir. İndüksiyonlu ısıtma sistemlerinde, geçen iş parçasının sıcaklığını doğrudan indüksiyon ocağının arkasında milisaniyeler içinde ve güvenli bir mesafeden ölçmek için genellikle pirometreler kullanılır. Sıcaklık, proses kontrolü ve sıcaklığı izin verilen aralığın dışında olan kütüklerin ayıklanması için bir kontrol değişkeni olarak kullanılır (Şekil 9).

Sıcaklığı ölçmek için hem spektral hem de oran pirometreleri kullanılır. Cihazlar 600 - 1200 mm gibi daha büyük mesafelere monte edilir. Lensin içinden geçen optikler veya pilot ışık şeklinde bir görüş yardımı zorunlu bir gerekliliktir. Optik etkilerden kaynaklanan ölçüm hatalarını en aza indirmek için doğru odak mesafesini ve tam hizalamayı ayarlamanın tek yolu budur.

Özellikle sabit odak mesafesine sahip cihazlarda, makine tasarımı nedeniyle bu her zaman tam olarak korunamaz. Cihazlar kalıcı olarak monte edilmişse ve cıvata çapı değişiyorsa, ölçüm mesafesi yine de değişir, böylece cihazlar bazen odak mesafesinde çalıştırılmaz.

Odaklanabilir optiklere sahip cihazlarda, uygulamada görüldüğü gibi, ölçüm mesafesi genellikle doğru şekilde ayarlanmaz. Değişen cıvata çapları ile yeniden ayarlama neredeyse hiç yapılmaz, böylece bu cihazlar da tekrar tekrar odak noktasının dışında kullanılır.

Bir oran pirometresi, ölçüm mesafesindeki, cıvata çapındaki değişikliklere veya cihazların başlangıçta açıklandığı gibi belirli sınırlara kadar odak aralığı dışında çalıştırılmasına çok daha az duyarlı tepki verir ve bu nedenle bu tür uygulamalar için bir spektral pirometreye kıyasla avantajlıdır.

Bu nedenle burada, a) büyük ölçüde mesafeden bağımsız ve güvenilir bir ölçüm ve b) basit bir hizalama kontrolü için ölçüm görevinin iki temel gereksinimini en iyi şekilde karşılamak amacıyla pilot ışıklı kompakt oran pirometrelerinin (Şekil 10) kullanılması önerilmektedir.

300°C'nin üzerinde sıcaklıklara sahip üretim prosesleri için, açıklanan avantajlara sahip oran pirometreleri, ortam ve tasarım nedeniyle güvenilir ve istikrarlı ölçüm değerleri elde etmek için bir alternatiften daha fazlasıdır. Karşılaştırılabilir özelliklere sahip bir spektral pirometreye kıyasla yaklaşık %30'luk ek fiyat, iyi harcanmış bir paradır ve azalan manuel denetim çabası ve hatalı parça üretimindeki azalma ile hızla telafi edilir. Yoğun buhar, kir ve tozun neden olduğu aşırı ölçüm koşullarında, oran pirometresinin metrolojik avantajları açıkça ortaya çıkmaktadır. Ölçülen nesnelerin emisivitesinin değişebildiği uygulamalarda, oran ölçüm yöntemi kullanılırken ölçümün güvenilirliğinin kontrol edilmesi tavsiye edilir.

Cihaz üreticileri, proses güvenilirliğini artırmak ve ek sıcaklık bilgilerinden bilgi edinmek için sadece oran pirometresinin ek koruma ve analiz seçeneklerinden yararlanılmasını tavsiye edebilir.