Division KELLER
Lütfen dilinizi seçiniz:

Yenilikçi panoramik pirometrelerin prensibi, avantajları ve olası uygulamaları

Giriş

Pirometreler, tanımlanmış bir ölçüm alanında bir ölçüm nesnesinin yüzeyindeki ısı radyasyonunu algılar ve bunu sıcaklığı belirlemek için kullanır. Ölçüm alanının boyutu ve şekli mercekler, optik yapı ve sensör teknolojisi tarafından belirlenir. Merceklerin geometrisi, açıklık sistemi ve sensör teknolojisi nedeniyle, bugüne kadar piyasada bulunan cihazlar genellikle yuvarlak bir ölçüm yüzeyine sahiptir. Yeni bir optik tasarım türüne ve yüksek kaliteli lenslere dayanan, dikdörtgen ölçüm alanına sahip cihazlar yakın zamanda piyasaya sürülmüştür. Aşağıdaki makale, dikdörtgen ölçüm alanına sahip pirometrelerin tasarımını, işlevselliğini, avantajlarını ve olası uygulamalarını açıklamaktadır.

Hareketli nesnelerin sıcaklık ölçümü

Dikdörtgen ölçüm alanına sahip bir pirometre geliştirme fikri, temassız sıcaklık ölçüm teknolojisinde daha kolay ve hepsinden önemlisi daha güvenilir bir şekilde çözülebilecek uygulamalar olduğu için 30 yıldan daha uzun bir süre önce ortaya çıkmıştır. Temaslı ölçümün aksine pirometrik sıcaklık ölçümünün önemli bir avantajı, pirometrelerin hareketli nesneleri ölçmek için ideal olmasıdır. Elbette bunun ön koşulu, ölçülecek nesnenin pirometrenin ölçüm alanında bulunmasıdır. Tel üretimi örneğinde görüldüğü gibi, ölçülecek nesne üretim yönüne dik açılarla salındığında ve ölçüm alanını her zaman doldurmadığında sorunlu hale gelir (Şekil 1).
Tel ölçüm alanı içinde salınım yaptığı sürece, doğru bir ölçüm mümkündür.

Abb. 1 Tel ölçüm alanı içinde salınım yaptığı sürece doğru bir ölçüm mümkündür.


Şimdiye kadar, çok küçük bir ölçüm alanına sahip tek kanallı pirometreler, uygulamayla ilgili bu tür ölçüm sorunlarını çözmek için pirometrenin önüne monte edilmiş döner bir ayna ile birlikte kullanılmıştır. Dönen veya döndürülen ayna, ölçüm noktasını periyodik olarak saptırır. Maksimum değerin pirometrede saklanmasıyla, ölçüm noktasının nesne tarafından tamamen doldurulduğu andaki sıcaklık kaydedilir. Hatalara açık hareketli bir mekanizmanın dezavantajına ek olarak, algılama süresi sınırlıdır. Tarama hareketi nedeniyle nesne sıcaklığı sürekli olarak değil, sadece döngüsel olarak kaydedilir.

Bu nedenle, yıllar önce tamamen optik olarak dikdörtgen bir ölçüm alanı oluşturan cihazlarla denemeler yapılmıştır. Özel bir silindirik mercek, ölçüm alanını bir ayna kabininden bilindiği gibi bir eksen yönünde yayıyordu. Prensip olarak bu bir çözüm sağladı. Ancak, sensörün ölçüm yüzeyindeki eşit olmayan hassasiyet dağılımı bir sorun olarak ortaya çıktı. Bir diğer dezavantaj ise bu özel lensin yüksek maliyetiydi. Ayrıca cihazlar sadece sabit bir ölçüm mesafesi için kullanılabiliyordu. Bir diğer zorluk da lensin içinden geçen görüşteki optik görüntünün bozularak cihazın hizalanmasını zorlaştırmasıydı.

Dikdörtgen bir ölçüm alanının kullanımı özellikle bir oran pirometresi ile birlikte ilginçtir. Bir oran pirometresi, bir ölçüm nesnesinin termal radyasyonunu iki farklı dalga boyu aralığında kaydeder. İki spektral radyansın bölümü sıcaklıkla orantılı olarak değişir. Bu ölçüm prensibi, ölçüm nesnesinin ölçüm alanından daha küçük olmasını sağlar. Tek kanallı bir pirometrenin aksine, soğuk bir arka planın önündeki sıcak bir ölçüm nesnesi için doğru sıcaklık hala belirlenir.

Yapısı ve çalışma şekli

Yukarıda açıklanan silindirik lensli çözümün aksine, yeni panoramik pirometrenin dikdörtgen ölçüm alanı, diyafram (3) ile sensörlü saptırma aynası (4) arasında dedektörün ölçüm koluna yerleştirilen yüksek hassasiyetli bir diyafram açıklığı ile gerçekleştirilir (Şekil 2). Bu, iki temel sorunu çözmektedir. Cihaz özel olarak şekillendirilmiş bir mercek gerektirmez ve ölçülecek nesne, mercekten nişan almada veya entegre video kameralı cihazlarda monitör görüntüsünde olduğu gibi odaklanmış olarak görüntülenir.
Panoramik pirometrenin optik kurulumunun blok diyagramı: ölçüm nesnesi (1), odaklanabilir değiştirilebilir lens (2), diyafram sistemi (3), saptırıcı ayna ve sensör (4), ölçüm alanı işaretleyici (5), mercek veya video kamera(6)

Abb. 2 Panoramik pirometrenin optik kurulumunun blok diyagramı: ölçüm nesnesi (1), odaklanabilir değiştirilebilir lens (2), açıklık sistemi (3), saptırıcı ayna ve sensör (4), ölçüm alanı işaretleyici (5), mercek veya video kamera (6)


Bu yenilikçi optik tasarımın bir diğer avantajı da vizördeki veya monitördeki ölçüm alanı işaretlerinin dikdörtgen ölçüm alanının hem tam konumunda hem de gerçek boyutunda doğru şekilde görüntülenmesidir. Bu, cihazların doğru hizalanmasını kontrol etmenin ve sağlamanın tek yoludur.

Panoramik pirometrenin geliştirilmesi sırasında başka bir optik zorluğun çözülmesi gerekiyordu. Optik görüntüleme hataları ve ölçüm yüzeyindeki homojen olmayan hassasiyet dağılımı nedeniyle, oran pirometreleri genellikle ölçüm alanındaki ölçüm nesnesinin konumunun ölçülen sıcaklık üzerinde belirgin bir etkiye sahip olma özelliğine sahiptir. Ölçüm alanının kenarında, 1000 °C'lik bir nesne sıcaklığında gösterge 30 °C'nin üzerinde yükselebilir (Şekil 3).

Üretim nedenleriyle ölçüm nesnesinin çapı değişirse ve bu nedenle ölçüm alanı farklı şekilde doldurulursa, geleneksel oran pirometrelerinde de sıcaklık göstergesinde dalgalanmalar meydana gelebilir.
Sıcak nesne ölçüm alanının kenar bölgesinde bulunuyorsa bölümlü pirometrelerle hatalı sıcaklık artışı.

Şek. 3 Sıcak nesne ölçüm alanının kenarında bulunuyorsa oran pirometrelerinde hatalı sıcaklık artışı.


Bu fiziksel etkiyi en aza indirmek için, giriş açıklığının tüm yüzeyi boyunca sürekli olarak iyi görüntüleme özelliklerine sahip optikler için hassas lensler geliştirilmiştir (minimum küresel sapma). Ayrıca, her iki ölçüm dalga boyu ve görünür aralık için eşit derecede keskin bir görüntü elde etmek amacıyla lensler minimum boylamsal renk hatasına (kromatik sapma) sahiptir. Buna ek olarak, panoramik pirometrenin gerçekleştirilmesi için hassas açıklıklar ve yüksek kaliteli sensörlerden oluşan bir optik düzeneğin geliştirilmesi gerekmiştir. Sonuç olarak, yeni panoramik pirometre, örneğin ölçüm alanındaki bir telin konumu ve çapından bağımsız olarak sabit bir ölçüm değeri sağlar.

Çok çeşitli görsel varyasyon seçenekleri

Optik ve elektrikli bileşenlerin modüler tasarımı, panoramik pirometrenin çeşitli odaklanabilir değiştirilebilir lenslerle de donatılabileceği anlamına gelir. Buna ek olarak, ölçüm alanını küçültmek için ilgili lensin ön dişine çeşitli ek lensler vidalanabilir. Bu, hem istenen ölçüm mesafesi hem de gerekli ölçüm alanı boyutu açısından çok sayıda optik görüntüleme varyantı ile sonuçlanır (Şekil 4). Örneğin, 0,1 mm çapındaki teller bile algılanabilir.
Elektronik, değiştirilebilir lensler ve isteğe bağlı ek lenslerden oluşan pirometrenin modüler tasarımı.

Abb. 4 Elektronik, değiştirilebilir lensler ve isteğe bağlı ek lenslerden oluşan pirometrenin modüler tasarımı.


Basit hizalama ve yüksek operasyonel güvenilirlik

Bir pirometrenin küçük bir ölçüm nesnesi üzerinde veya büyük bir ölçüm mesafesinde optik olarak hizalanması, ayarlama için yüksek kaliteli mekanikler gerektirir. Dikdörtgen bir ölçüm noktasına sahip bir cihazın bu koşullar altında hizalanmasının çok daha kolay olduğu kendiliğinden anlaşılır (Şekil 5). Dikdörtgen ölçüm alanının genişliği, yuvarlak ölçüm alanına sahip benzer bir cihaza kıyasla 2 ila 3 kat daha fazla olduğundan, operatör nişan alırken cihazı elinde tutarsa bu avantaj taşınabilir bir pirometrede özellikle belirgindir. Bu, daha güvenli kullanım ve sıcaklık tespiti sağlar.
Panoramik pirometreyi dikdörtgen bir ölçüm alanıyla küçük nesnelere ve büyük ölçüm mesafelerine hizalamak çok basittir.

Abb. 5 Dikdörtgen bir ölçüm alanına sahip panoramik pirometrenin küçük nesnelere ve büyük ölçüm mesafelerine hizalanması çok kolaydır.


Kaynaklı dikişin dalgalanan konumunda bile güvenilir sıcaklık ölçümü.

Abb. 6 Kaynaklı dikişin dalgalanan konumunda bile güvenilir sıcaklık ölçümü.


Taşınabilir panoramik pirometre kullanılarak döküm sırasında sıcaklığın ölçülmesi.

Abb. 7 Taşınabilir bir panoramik pirometre kullanarak döküm sırasında sıcaklığın ölçülmesi.


Tipik uygulama alanları

Sıcak nesnenin konumunun ve boyutunun değişebildiği üretim süreçlerinde veya iş parçası üzerindeki ısıtma bölgesinin dalgalandığı ısıl işlem sistemlerinde, panoramik pirometre daha fazla operasyonel güvenilirlik sunar ve hizalanması çok daha kolaydır. Dikdörtgen bir ölçüm alanı, aynı alana sahip yuvarlak bir ölçüm alanından daha geniş olduğundan, sıcak noktanın ölçüm alanının dışına çıkma riski önemli ölçüde daha düşüktür.

Tipik bir örnek, malzemenin büküldüğü ve birbirine kaynaklandığı sonsuz boruların üretimidir. Malzeme bir indüksiyon bobini kullanılarak ısıtılır. Küçük kaynak noktasının konumu dalgalanabilir, bu nedenle geleneksel cihazlarla kaynak dikişi bazen ölçüm alanının dışında kalabilir ve bu durumda ölçüm artık mümkün değildir (Şekil 6).

Cam şişe üretiminde, kesme sırasında cam damlanın konumu ve şekli değişir. Burada da panoramik bir pirometre daha fazla ölçüm güvenilirliği sağlar. Malzemenin sıcaklık etkisi ve kısmen şeffaf camın rengi de bir rol oynar. Bu etki, panoramik pirometrenin bölüm ölçüm yöntemi ile büyük ölçüde azaltılır.

Tel çekme sistemlerinde, tel daha sonra ısıl işleme tabi tutulur. Tel yüksek hızda bir indüksiyon bobininin içinden geçer. Telin kılavuz makaralar arasında salınması kaçınılmazdır. İnce teller söz konusu olduğunda, dalgalanma tel çapının birkaç katı olabilir. Bu koşullar altında hassas bir ölçüm yapmak neredeyse imkansızdır.

Kalıba dökme sırasında erimiş metalin manuel temassız sıcaklık ölçümü güvenli bir mesafeden gerçekleştirilir. Yuvarlak bir ölçüm alanına sahip geleneksel bir cihazla, özellikle de jetin konumu potanın eğim açısına bağlı olarak değişebileceğinden, pirometreyi dökme jeti ile hizalamak zordur. Dikdörtgen ölçüm alanına sahip bir cihazın kullanımı çok daha kolaydır (Şekil 7).

Bir X-ışını tüpündeki bir filaman veya bir ısıtma elemanı gibi en küçük nesnelerin sıcaklığının ölçülmesi, cihazlara en yüksek optik talepleri yükler. Çoğunlukla, bu tür uygulamalar daha önce sadece yoğunluk karşılaştırma pirometreleri ile çözülebiliyordu. Bu cihazlarda sıcaklık, operatör tarafından dahili bir referans radyatörün ve ölçülecek nesnenin parlaklığı görsel olarak karşılaştırılarak manuel olarak ölçülür.

Elektronik ölçüm cihazlarının kullanılmasındaki zorluk, cihazların ölçülecek son derece küçük nesnelere mekanik olarak hizalanmasında yatmaktadır. Bu tür ölçüm görevleri panoramik pirometre ile çok daha kolay bir şekilde çözülebilir.

Metrolojik sınırlar

Bölüm ölçüm prensibi nedeniyle, uygulama alanı 600 °C'nin üzerindeki sıcaklıklara sahip uygulamalarla sınırlıdır. Diğer bir sınır, oran pirometresinin hala tekrarlanabilir bir ölçüm değeri oluşturabildiği kısmi aydınlatma derecesidir.

Bu değer, diğer şeylerin yanı sıra ölçüm nesnesinin emisivitesine ve mutlak sıcaklığa bağlıdır. Ölçüm aralığının başlangıcında, ışıma enerjisi aynı sıcaklıktaki bir kara cisim radyatörünün ışımasının %10'u kadarsa, bir oran pirometresi güvenilir bir ölçüm değeri sağlayabilir. Ölçüm sıcaklığı arttıkça, daha da fazla sinyal zayıflamasına izin verilir. Zayıflama, emisivite, kısmi aydınlatma derecesi, ölçülecek nesnenin şekli ve ölçüm alanındaki buhar, toz ve duman gibi görsel engellerden etkilenir. Örnek olarak emisivitesi 0,6 olan bir çelik tel alınmıştır. Yuvarlak bir ölçüm nesnesi söz konusu olduğunda, pirometre tarafından algılanan radyasyonun kısmen çok düz bir açıyla yayıldığı da dikkate alınmalıdır. Bu durumda 1,5 güvenlik faktörü de yaklaşık bir değer olarak dahil edilir. Kısmi aydınlatma derecesi, ölçüm alanının genişliği ve maksimum ölçüm mesafesi aşağıdaki formüllerden hesaplanabilir.

Kısmi aydınlatma derecesi = (minimum analiz edilebilir sinyal gücü ÷ emisivite) × güvenlik faktörü

Yukarıdaki örneğe göre, pirometrenin ölçülen bir değeri belirleyebilmesi için ölçüm alanının en az %10 ÷ 0,6 × 1,5 = %25 dolu olması gerekir. Ölçülen değerin güvenilirliğinin bir göstergesi olarak sinyal gücü pirometre ekranında gösterilebilir.

5 mm'lik bir tel çapı için bu, ölçüm aralığının başlangıcı için maksimum 5 mm ÷ 0,25 = 20 mm'lik bir ölçüm alanı genişliği ile sonuçlanır.

Panoramik bir pirometre ile optik çözünürlük, DW (genişlik) genişliği ve DH (yükseklik) yüksekliği için mesafe oranı (ölçüm mesafesi ÷ ölçüm alanı boyutu) ile belirlenir. Örneğin DW = 40 : 1 mesafe oranına göre, bu 40 × 20 mm = 800 mm'lik bir maksimum ölçüm mesafesi ile sonuçlanır. Ya da başka bir şekilde bakıldığında, örneğin 500 mm'lik bir ölçüm mesafesi için, DW ≥ 500 mm ÷ 20 mm, yani ≥ 25 : 1 mesafe oranına sahip bir lens kullanılmalıdır, böylece ölçüm alanı ölçülecek nesne tarafından yeterince aydınlatılır.

Panoramik pirometre, ölçüm alanı nesneye uzunlamasına hizalanacak şekilde de çalıştırılabilir. Bu, pirometrenin yuvarlak ölçüm alanına sahip bir cihaza kıyasla ölçülecek nesnenin daha geniş bir alanını yakalamasını sağlar, böylece 0,1 mm çapındaki teller için kullanılabilir.

Cihaz sürümleri

Panoramik optikli cihazlar, sabit CellaTemp PA cihaz serisi ve taşınabilir CellaTemp PT serisi için mevcuttur. Her iki versiyonda da cihazın hizalanması ve odaklanması için şeffaf bir vizör bulunur. Sabit CellaTemp PA alternatif olarak renkli bir video kamera ile kullanılabilir. Bu, nesnenin hizalanmasının ve görüş alanının kontrol merkezindeki monitörde her zaman izlenmesini sağlar. Ölçüm alanı işaretlemesine ek olarak, ölçüm değeri ve ölçüm noktası numarası da video sinyali aracılığıyla iletilir ve monitör ekranında görüntülenir. Kameranın özel TBC işlevi (Hedef Parlaklık Kontrolü) sayesinde yoğunluk, genellikle olduğu gibi kameranın tüm görüş alanına değil, pozlama kontrolü için yalnızca ölçüm alanına kaydedilir. Bu, soğuk bir arka planın önündeki küçük bir sıcak hedefin monitör görüntüsünde optimum parlaklıkla ve hedefe aşırı yüklenmeden görüntülenmesi anlamına gelir.
CellaTemp PKL kompakt pirometre serisinin panoramik optikli iki versiyonu da artık mevcuttur (Şekil 8). Cihazlar, hizalamayı kontrol etmek için bir LED pilot ışığına sahiptir. Işık sadece konumu değil, aynı zamanda ölçüm alanının gerçek genişliğini de aydınlattığından, cihaz ölçülen nesneye çok kolay ve hassas bir şekilde hizalanabilir.
LED pilot ışıklı kompakt panoramik pirometre.

Abb. 8 LED pilot ışıklı kompakt panoramik pirometre.


Sonuç

Termik prosesler ve 600 °C'nin üzerindeki sıcaklıklar için yeni panoramik pirometre, küçük nesnelerde veya büyük ölçüm mesafelerinde hizalamanın zor olduğu veya sıcak noktanın, yani tespit edilecek sıcak noktanın sabit olmadığı durumlarda, yuvarlak ölçüm alanına sahip önceki cihazlardan açıkça daha üstündür. Yaklaşık %25'lik ek maliyet, daha yüksek çalışma güvenilirliği nedeniyle kesinlikle iyi harcanmış bir paradır.