Lỗi kỹ thuật đo lường trong thực tế khi đo nhiệt độ không tiếp xúc

Đo nhiệt độ không tiếp xúc, còn được gọi là đo nhiệt độ bằng nhiệt kế, được nhiều chuyên gia đo nhiệt độ xem xét một cách hoài nghi. Dữ liệu kỹ thuật của nhà sản xuất cho thấy rằng nhiệt kế là thiết bị đo lường rất chính xác và chính xác. Ngoài việc lựa chọn đúng nhiệt kế phù hợp với ứng dụng, điều quan trọng là phải xem xét các đặc tính của vật liệu và các yếu tố ảnh hưởng từ môi trường tại chỗ.

Sử dụng đúng cách có thể tránh được các lỗi đo lường. Dưới đây là các nguyên nhân lỗi phổ biến nhất và các cách để giảm thiểu chúng.

Pyrometer đo bức xạ nhiệt phát ra từ một vật thể. Bức xạ hồng ngoại phát ra từ vật thể phụ thuộc vào tính chất vật liệu và bề mặt của vật thể đó. Tính chất bức xạ này được mô tả bằng hệ số phát xạ ε. Để đo nhiệt độ chính xác, cần phải điều chỉnh hệ số phát xạ trên thiết bị. Hệ số phát xạ được điều chỉnh sai có thể gây ra sai số đáng kể. Hình 1 cho thấy sự chênh lệch nhiệt độ (ΔT) cho ba giá trị đo, tùy thuộc vào bước sóng, khi hệ số phát xạ 80% được cài đặt trên thiết bị thay vì hệ số phát xạ 90%. Lỗi này sẽ tăng lên khi bước sóng đo lớn hơn hoặc nhiệt độ tăng. Do đó, nên chọn dải bước sóng ngắn nhất có thể cho dải đo mong muốn.

Đặc biệt khi đo bề mặt kim loại có độ phát xạ không xác định hoặc dao động mạnh, việc chọn bước sóng đo ngắn hơn sẽ giảm đáng kể sai số đo. Độ phát xạ của kim loại tăng khi bước sóng ngắn hơn. Đồng thời, ảnh hưởng của sai số khi cài đặt sai độ phát xạ sẽ ít hơn.

Điều kiện tối ưu được áp dụng khi nhiệt kế có tầm nhìn rõ ràng vào đối tượng. Nếu có các chất như bụi, khí, khói, kính bảo vệ hoặc vật liệu mờ trong đường truyền tia của nhiệt kế, chúng sẽ làm giảm bức xạ nhiệt của đối tượng.

Nếu biết được tổn thất truyền dẫn, ví dụ như khi đo qua kính bảo vệ (τ=0,95), có thể bù đắp tổn thất này bằng cách điều chỉnh độ phát xạ trên thiết bị.

_{εThiết bị} =_{εĐối tượng} ·<sub>τStrahlengang

εGerät =</sub> độ phát xạ cần điều chỉnh trên thiết bị
_{εObjekt =} độ phát xạ của vật thể
_{τStrahlengang =} độ truyền qua của vật thể trong đường truyền tia

Vấn đề phức tạp hơn khi bụi, dầu hoặc các chất bay hơi tích tụ trên thấu kính hoặc cửa sổ bảo vệ theo thời gian. Khi độ bẩn tăng lên, nhiệt kế sẽ đo được nhiệt độ thấp hơn. Do đó, cần phải vệ sinh thấu kính thường xuyên. Thiết bị thổi sạch giúp kéo dài chu kỳ vệ sinh. Gần đây, trên thị trường cũng có bán các nhiệt kế có chỉ báo mức độ bám bẩn tích hợp. Khi thấu kính bị bám bẩn, thiết bị sẽ phát ra tín hiệu báo động.

Yếu tố quyết định nhiệt độ vật thể hiển thị là công suất bức xạ_ΦΣ tác động lên bộ cảm biến của nhiệt kế.

Theo công thức sau, ngoài tỷ lệ phát xạ của vật thể đo, nó còn bao gồm một phần bức xạ nền, bao gồm tỷ lệ phản xạ và truyền qua của bức xạ môi trường.

_ΦΣ =_Φε +_Φτ +_Φρ

ε = Độ phát xạ của bề mặt đo
τ = Độ truyền qua của vật thể đo
ρ = Độ phản xạ của bề mặt đo

Ảnh hưởng sai số của bức xạ nền giảm khi độ phát xạ của vật thể càng lớn và nhiệt độ vật thể càng cao so với nhiệt độ môi trường xung quanh. Ảnh hưởng này gây ra vấn đề khi sử dụng nhiệt kế tại đầu ra của lò nung liên tục. Sai số đo có thể giảm nếu hướng của ống kính ngăn chặn sự phản xạ bức xạ nhiệt từ lò nung trên bề mặt vật thể đo. Các nguồn bức xạ trong dải hồng ngoại, ví dụ như bóng đèn sợi đốt, lò sưởi hoặc laser, gây ra bức xạ hồng ngoại mạnh, điều này thường bị đánh giá thấp trong thực tế.

Đặc biệt cho các ứng dụng laser, có các thiết bị với bộ lọc chặn để ngăn chặn ảnh hưởng của bức xạ laser năng lượng cao so với bức xạ hồng ngoại rất nhỏ.

Lỗi hình ảnh của hệ thống quang học, ánh sáng tán xạ và phản xạ trên các thành phần quang học và các bộ phận vỏ máy, cũng như sự nhiễu xạ do bản chất sóng của ánh sáng, dẫn đến một phần bức xạ được phát hiện bên ngoài trường đo được chỉ định sẽ đến cảm biến. Hệ thống quang học nhận một phần bức xạ bên ngoài trường đo. Ảnh hưởng này của hệ thống quang học được gọi là "Hiệu ứng kích thước nguồn". Nhà sản xuất có thể giảm thiểu ảnh hưởng này bằng cách điều chỉnh cẩn thận các lỗi hình ảnh quang học, sử dụng các thành phần quang học chống phản xạ và tránh phản xạ trong thiết bị. Quang học chất lượng cao giúp giảm thiểu các ảnh hưởng của lỗi này. "Hiệu ứng kích thước nguồn" nhỏ nhất ở tiêu điểm của quang học. Với các nhiệt kế có quang học có thể lấy nét, hiệu ứng này có thể được giảm thiểu đáng kể nếu khoảng cách đo được cài đặt chính xác.

Do nguyên nhân vật lý, sai số quang học tăng theo bước sóng. Do đó, với các thiết bị đo bước sóng dài và các thiết bị cho phạm vi đo thấp, cần phải thực hiện nhiều công việc hơn để hiệu chỉnh sai số quang học. Điều này có ảnh hưởng tiêu cực đối với các nhiệt kế rẻ tiền, đo từ nhiệt độ phòng, ở chỗ giá trị đo hiển thị phụ thuộc rất nhiều vào khoảng cách đo đã chọn.

Nếu vật thể lớn hơn đáng kể so với điểm đo của nhiệt kế và bề mặt có nhiệt độ gần như bằng nhau, hiệu ứng này có thể gần như không đáng kể. Nếu không, sai số có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng thiết bị có ống kính có thể lấy nét và căn chỉnh chính xác với vật thể. Để căn chỉnh chính xác nhiệt kế, nên sử dụng đèn dẫn hướng, kính ngắm hoặc camera video tích hợp.

Trong trường hợp của nhiệt kế tỷ lệ, tỷ lệ mật độ bức xạ của hai dải quang phổ khác nhau được đánh giá. Đơn giản hóa, công thức sau đây áp dụng cho nhiệt độ được đo với hai bước sóng trung tâm_λ1 và_λ2.

1 ÷_TM = (1 ÷_TW) + ((_λ1 · λ₂) ÷ (C2 · (λ₁ - λ₂)))<sub>· (ln {ε1 ÷ ε2})

TM = Độ phát xạ của bề mặt đo
TW = Độ truyền qua của đối tượng đo
C2 = Độ phản xạ của bề mặt đo</sub>

Nếu độ phát xạ_ε1 và_ε2 cho cả hai bước sóng là như nhau, thì nhiệt độ đo được sẽ tương ứng với nhiệt độ của vật thể. Do đó, nhiệt kế tỷ lệ sẽ đo độc lập với độ phát xạ của bề mặt, miễn là độ phát xạ_ε1 và_ε2 là như nhau. Về lý thuyết, nhiệt kế tỷ lệ được khuyến nghị sử dụng khi độ phát xạ của vật thể đo biến động. Tuy nhiên, trên thực tế, điều này phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và hiếm khi xảy ra. Do tỷ lệ, sai số đo của nhiệt kế tỷ lệ có thể lớn hơn nhiều so với nhiệt kế quang phổ khi độ phát xạ của hai bước sóng đo dao động và khác nhau. Đặc biệt, kim loại và kim loại màu có độ phát xạ thay đổi tùy thuộc vào bước sóng.

Ngược lại, các yếu tố làm giảm truyền dẫn như bụi, hơi nước hoặc khói thường gây ra sự suy giảm đồng đều của cường độ bức xạ. So với nhiệt kế quang phổ, trong những điều kiện này, giá trị đo của nhiệt kế tỷ lệ vẫn giữ ổn định.

Các nhiệt kế tỷ lệ sáng tạo cho phép đo và tính toán đồng thời nhiệt độ ở hai bước sóng quang phổ và nhiệt độ tỷ lệ. Do đó, khi đưa vào vận hành, có thể quyết định liệu việc đo bằng nhiệt kế quang phổ hay nhiệt kế tỷ lệ sẽ cung cấp các giá trị đo lường chính xác và có thể lặp lại hơn cho toàn bộ phạm vi đo.