Sitzung läuft ab

Die Sitzung endet in Sekunden.

Division KELLER
Please choose your language:

Nguyên lý, ưu điểm và khả năng ứng dụng của loại nhiệt kế toàn cảnh mới

Giới thiệu

Pyrometer đo bức xạ nhiệt trên bề mặt của đối tượng đo trong một trường đo được xác định và từ đó xác định nhiệt độ. Kích thước và hình dạng của trường đo được xác định bởi ống kính, cấu trúc quang học và cảm biến. Do cấu trúc hình học của thấu kính, hệ thống khẩu độ và cảm biến, các thiết bị hiện có trên thị trường thường có bề mặt đo tròn. Dựa trên cấu trúc quang học mới và thấu kính chất lượng cao, gần đây cũng có các thiết bị với trường đo hình chữ nhật. Bài viết sau đây giải thích cấu trúc, cách thức hoạt động, ưu điểm và khả năng ứng dụng của pyrometer với trường đo hình chữ nhật.

Đo nhiệt độ của các vật thể chuyển động

Ý tưởng phát triển một nhiệt kế với trường đo hình chữ nhật đã được hình thành từ hơn 30 năm trước, vì nó có thể được sử dụng trong công nghệ đo nhiệt độ không tiếp xúc, giúp giải quyết vấn đề một cách dễ dàng và an toàn hơn. Một lợi thế đáng kể của phép đo nhiệt độ bằng nhiệt kế so với phép đo tiếp xúc là nhiệt kế rất thích hợp để đo các vật thể chuyển động. Tất nhiên, điều kiện tiên quyết là vật thể được đo phải nằm trong trường đo của nhiệt kế. Vấn đề nảy sinh, như ví dụ về sản xuất dây thép cho thấy, là vật thể được đo dao động ngang với hướng sản xuất và không phải lúc nào cũng lấp đầy trường đo (hình 1).
Miễn là dây dao động trong phạm vi đo, thì có thể thực hiện đo chính xác.

Hình 1 Miễn là dây dao động trong phạm vi đo, có thể thực hiện đo chính xác.


Cho đến nay, để giải quyết các vấn đề đo lường liên quan đến ứng dụng như vậy, người ta sử dụng nhiệt kế một kênh với trường đo rất nhỏ kết hợp với gương xoay được lắp trước nhiệt kế. Gương xoay hoặc quay định kỳ làm lệch điểm đo. Nhiệt độ được ghi lại tại thời điểm điểm đo được lấp đầy hoàn toàn bởi vật thể thông qua bộ nhớ giá trị tối đa trong nhiệt kế. Ngoài nhược điểm là cơ chế chuyển động dễ bị lỗi, thời gian ghi nhận cũng bị giới hạn. Do chuyển động quét, nhiệt độ vật thể không được ghi nhận liên tục mà chỉ theo chu kỳ.

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

Khác với giải pháp sử dụng thấu kính hình trụ được mô tả ở trên, trong loại nhiệt kế toàn cảnh mới này, trường đo hình chữ nhật được thực hiện bằng một khẩu độ có độ chính xác cao, được đặt trong nhánh đo của bộ cảm biến giữa khẩu độ (3) và gương phản xạ có cảm biến (4) (Hình 2). Nhờ đó, hai vấn đề cơ bản đã được giải quyết. Thiết bị không cần ống kính có hình dạng đặc biệt và trong kính ngắm hoặc trên màn hình của các thiết bị có camera video tích hợp, đối tượng đo được hiển thị rõ nét ở khoảng cách lấy nét như bình thường.
Sơ đồ khối cấu trúc quang học của nhiệt kế toàn cảnh: Đối tượng đo (1), ống kính có thể thay đổi tiêu cự (2), hệ thống che sáng (3), gương chuyển hướng và cảm biến (4), đánh dấu vùng đo (5), kính mắt hoặc camera video (6)

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 lợi thế khác của cấu trúc quang học mới này là dấu hiệu vùng đo trong kính ngắm hoặc trên màn hình được hiển thị chính xác cả về vị trí và kích thước thực tế của vùng đo hình chữ nhật. Chỉ bằng cách này, việc căn chỉnh chính xác các thiết bị mới có thể được kiểm tra và đảm bảo.

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.
Sự gia tăng nhiệt độ không chính xác ở các nhiệt kế tỷ lệ khi vật thể nóng nằm ở rìa của trường đo.

Hình 3 Sự gia tăng nhiệt độ không chính xác ở nhiệt kế tỷ lệ khi vật thể nóng nằm ở rìa vùng đo.


Để giảm thiểu hiệu ứng vật lý này, các thấu kính chính xác đã được phát triển cho hệ thống quang học, có đặc tính hình ảnh ổn định trên toàn bộ diện tích khẩu độ vào (sự sai lệch cầu tối thiểu). Hơn nữa, các thấu kính này có sai số màu dọc tối thiểu (sai lệch màu) để đạt được hình ảnh sắc nét như nhau cho cả hai bước sóng đo và vùng nhìn thấy. Ngoài ra, để thực hiện nhiệt kế toàn cảnh, cần phải phát triển một cấu trúc quang học bao gồm các khẩu độ chính xác và các cảm biến chất lượng cao. Kết quả là, nhiệt kế toàn cảnh mới cung cấp giá trị đo ổn định bất kể vị trí và đường kính của dây trong trường đo.

Nhiều khả năng biến đổi về mặt thị giác

Cấu trúc kỹ thuật của thiết bị nhờ thiết kế mô-đun của các thành phần quang học và điện tử cũng cho phép lựa chọn từ nhiều ống kính thay thế có thể lấy nét cho nhiệt kế toàn cảnh. Ngoài ra, có thể vặn các ống kính phụ khác nhau vào ren phía trước của ống kính tương ứng để thu nhỏ trường đo. Điều này tạo ra nhiều biến thể hình ảnh quang học khác nhau cả về khoảng cách đo mong muốn và kích thước trường đo cần thiết (Hình 4). Do đó, có thể đo được cả những sợi dây có đường kính từ 0,1 mm trở lên.
Cấu trúc mô-đun của nhiệt kế bao gồm các bộ phận điện tử, ống kính có thể thay đổi và ống kính phụ tùy chọn.

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

Việc căn chỉnh quang học của nhiệt kế hồng ngoại đối với một vật thể đo nhỏ hoặc ở khoảng cách đo lớn đòi hỏi một cơ chế điều chỉnh chất lượng cao. Rõ ràng là trong những điều kiện này, một thiết bị có điểm đo hình chữ nhật sẽ dễ căn chỉnh hơn nhiều (Hình 5). Lợi thế này đặc biệt rõ rệt đối với nhiệt kế cầm tay, khi người vận hành cầm thiết bị trong tay để nhắm, vì chiều rộng của điểm đo hình chữ nhật lớn gấp 2 đến 3 lần so với thiết bị tương tự có điểm đo hình tròn. Điều này đảm bảo việc xử lý và đo nhiệt độ an toàn hơn.
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 dễ dàng.

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.


Đo nhiệt độ an toàn ngay cả khi vị trí mối hàn không ổn định.

Hình 6 Đo nhiệt độ an toàn ngay cả khi vị trí mối hàn không ổn định.


Đo nhiệt độ khi tưới nước bằng máy đo nhiệt độ toàn cảnh cầm tay.

Hình 7 Đo nhiệt độ khi tưới bằng máy đo nhiệt độ toàn cảnh cầm tay.


Các lĩnh vực ứng dụng điển hình

Trong các quy trình sản xuất mà vị trí và kích thước của vật thể nóng có thể thay đổi hoặc trong các hệ thống xử lý nhiệt mà vùng gia nhiệt trên phôi thay đổi, nhiệt kế toàn cảnh mang lại độ an toàn vận hành cao hơn và dễ điều chỉnh hơn đáng kể. Vì trường đo hình chữ nhật rộng hơn trường đo hình tròn có cùng diện tích, nguy cơ điểm nóng di chuyển ra khỏi trường đo sẽ thấp hơn đáng kể.

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

Do nguyên tắc đo tỷ lệ, phạm vi ứng dụng bị giới hạn ở các ứng dụng có nhiệt độ trên 600 °C. Một giới hạn khác là mức độ chiếu sáng một phần mà nhiệt kế tỷ lệ vẫn có thể tạo ra giá trị đo lường có thể tái tạo.

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

Các thiết bị với ống kính toàn cảnh được cung cấp cho dòng thiết bị cố định CellaTemp PA và dòng thiết bị di động CellaTemp PT. Cả hai phiên bản đều có kính ngắm để căn chỉnh và điều chỉnh tiêu cự của thiết bị. Thiết bị cố định CellaTemp PA cũng có sẵn với camera video màu. Điều này cho phép theo dõi căn chỉnh và trường nhìn của đối tượng trên màn hình trong phòng điều khiển bất cứ lúc nào. Ngoài dấu hiệu trường đo, tín hiệu video còn truyền tải giá trị đo và số điểm đo và hiển thị trên màn hình. Nhờ chức năng TBC (Target Brightness Control) đặc biệt của camera, để điều khiển độ phơi sáng, cường độ chỉ được ghi nhận trong trường đo chứ không phải trên toàn bộ trường nhìn của camera như thông thường. Nhờ đó, một đối tượng đo nhỏ và nóng trên nền lạnh sẽ được hiển thị trên màn hình với độ sáng tối ưu và không bị quá sáng.
Gần đây, hai phiên bản của dòng nhiệt kế nhỏ gọn CellaTemp PKL với ống kính toàn cảnh cũng được cung cấp (Hình 8). Để kiểm soát hướng, các thiết bị này được trang bị đèn LED dẫn hướng. Vì đèn chiếu sáng không chỉ vị trí mà còn cả chiều rộng thực tế của trường đo, thiết bị có thể được định hướng rất dễ dàng và chính xác vào đối tượng đo.
Pyrometer panorama nhỏ gọn với đèn LED dẫn hướng.

Hình 8 Máy đo nhiệt độ toàn cảnh nhỏ gọn với đèn LED dẫn hướng.


Kết luận

Trong các quá trình nhiệt kỹ thuật và nhiệt độ từ 600 °C trở lên, nhiệt kế toàn cảnh mới rõ ràng vượt trội so với các thiết bị trước đây có trường đo tròn, khi việc định hướng khó khăn trên các vật thể nhỏ hoặc ở khoảng cách đo lớn, hoặc khi điểm nóng, tức là điểm nóng cần đo, không cố định. Chi phí thêm khoảng 25 % chắc chắn là khoản đầu tư xứng đáng do tính an toàn vận hành cao hơn.