Nguyên lý, ưu điểm và khả năng ứng dụng của loại nhiệt kế toàn cảnh mới
Giới thiệu
Đo nhiệt độ của các vật thể chuyển động
Hình 1 Miễn là dây dao động trong phạm vi đo, có thể thực hiện đo chính xác.
Do đó, nhiều năm trước đã có những thử nghiệm với các thiết bị tạo ra trường đo hình chữ nhật bằng phương pháp quang học thuần túy. Một thấu kính hình trụ đặc biệt đã mở rộng trường đo theo hướng trục, giống như trong phòng gương. Về cơ bản, điều này đã tạo ra một giải pháp. Tuy nhiên, sự phân bố độ nhạy không đồng đều trên bề mặt đo của cảm biến đã trở thành một vấn đề. Chi phí cao của thấu kính đặc biệt này cũng là một nhược điểm. Ngoài ra, các thiết bị này chỉ có thể được sử dụng cho một khoảng cách đo cố định. Một khó khăn khác là hình ảnh quang học trong kính ngắm bị méo mó, do đó rất khó điều chỉnh thiết bị.
Điều thú vị là việc sử dụng trường đo hình chữ nhật, đặc biệt là kết hợp với nhiệt kế tỷ lệ. Nhiệt kế tỷ lệ ghi nhận bức xạ nhiệt của vật thể đo trong hai dải bước sóng khác nhau. Tỷ lệ giữa hai mật độ bức xạ quang phổ thay đổi tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Nguyên lý đo này cho phép đối tượng đo có thể nhỏ hơn trường đo. Khác với nhiệt kế một kênh, nhiệt kế này vẫn xác định được nhiệt độ chính xác của đối tượng đo nóng trước nền lạnh.
Cấu trúc và cách thức hoạt động
Hình 2 Sơ đồ khối cấu trúc quang học của nhiệt kế toàn cảnh: Đối tượng đo (1), ống kính thay đổi có thể lấy nét (2), hệ thống che nắng (3), gương chuyển hướng và cảm biến (4), đánh dấu trường đo (5), kính mắt hoặc máy quay video (6)
Một thách thức quang học khác cũng cần được giải quyết trong quá trình phát triển nhiệt kế toàn cảnh. Do sai số quang học và sự phân bố độ nhạy không đồng đều trên bề mặt đo, nhiệt kế tỷ lệ thường có đặc tính là vị trí của đối tượng đo trong trường đo có ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ đo được. Ở vùng rìa của trường đo, khi nhiệt độ đối tượng là 1000 °C, chỉ số hiển thị có thể tăng hơn 30 °C (Hình 3).
Ngoài ra, với các nhiệt kế tỷ lệ truyền thống, chỉ số nhiệt độ hiển thị có thể dao động nếu đường kính của đối tượng đo thay đổi do quá trình sản xuất, dẫn đến trường đo được lấp đầy khác nhau.
Hình 3 Sự gia tăng nhiệt độ không chính xác ở nhiệt kế tỷ lệ khi vật thể nóng nằm ở rìa vùng đo.
Nhiều khả năng biến đổi về mặt thị giác
Hình 4 Cấu trúc mô-đun của nhiệt kế bao gồm thiết bị điện tử, ống kính thay đổi và ống kính phụ tùy chọn.
Dễ dàng căn chỉnh và độ an toàn vận hành cao
Hình 5 Việc căn chỉnh nhiệt kế toàn cảnh với trường đo hình chữ nhật cho các vật thể nhỏ và khoảng cách đo lớn là rất đơn giản.
Hình 6 Đo nhiệt độ an toàn ngay cả khi vị trí mối hàn không ổn định.
Hình 7 Đo nhiệt độ khi tưới bằng máy đo nhiệt độ toàn cảnh cầm tay.
Các lĩnh vực ứng dụng điển hình
Một ví dụ điển hình là sản xuất ống liên tục, trong đó vật liệu được uốn cong và hàn lại với nhau. Quá trình gia nhiệt được thực hiện bằng cuộn cảm ứng. Vị trí của điểm hàn nhỏ có thể thay đổi, do đó, với các thiết bị thông thường, đường hàn có thể nằm ngoài trường đo và khi đó không thể thực hiện đo lường (Hình 6).
Trong sản xuất chai thủy tinh, vị trí và hình dạng của giọt thủy tinh trên kéo thay đổi. Trong trường hợp này, nhiệt kế toàn cảnh cũng mang lại độ chính xác đo lường cao hơn. Ngoài ra, còn có ảnh hưởng của nhiệt độ vật liệu và màu sắc của thủy tinh bán trong suốt. Ảnh hưởng này được giảm thiểu đáng kể nhờ phương pháp đo tỷ lệ của nhiệt kế toàn cảnh.
Trong các hệ thống kéo dây, dây được xử lý nhiệt sau đó. Trong quá trình này, dây chạy qua một cuộn cảm với tốc độ cao. Giữa các con lăn dẫn hướng, dây không thể tránh khỏi bị dao động. Đối với dây mỏng, phạm vi dao động có thể gấp nhiều lần đường kính dây. Trong điều kiện này, việc đo lường tại một điểm cụ thể là gần như không thể.
Việc đo nhiệt độ kim loại lỏng bằng tay mà không cần tiếp xúc khi rót vào khuôn được thực hiện từ một khoảng cách an toàn. Với một thiết bị truyền thống có trường đo tròn, rất khó để hướng pyrometer vào tia rót, đặc biệt là khi vị trí của tia có thể thay đổi tùy theo góc nghiêng của chảo. Một thiết bị có trường đo hình chữ nhật sẽ dễ sử dụng hơn nhiều (Hình 7).
Việc đo nhiệt độ của các vật thể nhỏ nhất, chẳng hạn như dây tóc đốt hoặc bộ phận gia nhiệt trong ống tia X, đặt ra yêu cầu cao nhất về mặt quang học đối với các thiết bị. Cho đến nay, phần lớn các ứng dụng như vậy chỉ có thể được giải quyết bằng các nhiệt kế so sánh cường độ. Với các thiết bị này, việc đo nhiệt độ được thực hiện thủ công bằng cách người vận hành so sánh trực quan mật độ bức xạ của một nguồn bức xạ tham chiếu bên trong thiết bị với vật thể được đo.
Khó khăn khi sử dụng các thiết bị đo điện tử nằm ở khả năng điều chỉnh cơ học của thiết bị đối với các vật thể được đo cực nhỏ. Các nhiệm vụ đo lường như vậy cũng có thể được giải quyết dễ dàng hơn nhiều với nhiệt kế toàn cảnh.
Giới hạn kỹ thuật đo lường
Giá trị này phụ thuộc vào độ phát xạ của vật thể đo và nhiệt độ tuyệt đối. Ở đầu phạm vi đo, nhiệt kế tỷ lệ có thể cung cấp giá trị đo đáng tin cậy nếu năng lượng bức xạ bằng 10% mật độ bức xạ của một nguồn bức xạ đen ở cùng nhiệt độ. Khi nhiệt độ đo tăng, tín hiệu có thể bị suy giảm nhiều hơn. Độ phát xạ, mức độ chiếu sáng một phần, hình dạng của vật thể đo và các yếu tố cản trở tầm nhìn như hơi nước, bụi và khói trong trường đo góp phần làm suy giảm tín hiệu. Ví dụ, giả sử một sợi dây thép có độ phát xạ 0,6. Đối với vật thể đo tròn, cần lưu ý thêm rằng bức xạ được đo bởi nhiệt kế hồng ngoại được phát ra một phần ở góc rất phẳng. Sau đó, hệ số an toàn 1,5 được tính vào để ước tính. Các công thức sau đây có thể được sử dụng để tính toán mức độ chiếu sáng một phần, chiều rộng của trường đo và khoảng cách đo tối đa.
Mức độ chiếu sáng một phần = (cường độ tín hiệu tối thiểu có thể đánh giá ÷ hệ số phát xạ) × hệ số an toàn
Dựa trên ví dụ trên, trường đo phải được lấp đầy ít nhất 10 % ÷ 0,6 × 1,5 = 25 % để nhiệt kế có thể xác định giá trị đo. Cường độ tín hiệu là chỉ số cho độ chính xác của giá trị đo có thể hiển thị trên màn hình của nhiệt kế.
Đối với đường kính dây 5 mm, kết quả là chiều rộng tối đa của vùng đo cho đầu vùng đo là 5 mm ÷ 0,25 = 20 mm.
Đối với nhiệt kế toàn cảnh, độ phân giải quang học được chỉ định bằng tỷ lệ khoảng cách (khoảng cách đo ÷ kích thước trường đo) cho chiều rộng DW (width) và chiều cao DH (height). Dựa trên tỷ lệ khoảng cách ví dụ DW = 40 : 1, khoảng cách đo tối đa là 40 × 20 mm = 800 mm. Hoặc nhìn từ góc độ khác, với khoảng cách đo dự kiến là 500 mm, cần sử dụng ống kính có tỷ lệ khoảng cách DW ≥ 500 mm ÷ 20 mm, tức là ≥ 25 : 1, để trường đo được chiếu sáng đầy đủ từ đối tượng đo.
Pyrometer toàn cảnh cũng có thể được vận hành sao cho trường đo được căn chỉnh dọc theo đối tượng. Do đó, pyrometer có thể ghi nhận một diện tích lớn hơn của đối tượng đo so với một thiết bị có trường đo tròn, nên nó có thể được sử dụng cho các dây có đường kính từ 0,1 mm trở lên.
Các loại thiết bị
Hình 8 Máy đo nhiệt độ toàn cảnh nhỏ gọn với đèn LED dẫn hướng.














