Pyrometer tỷ lệ

Pyrometer tỷ lệ không thể thiếu trong các ứng dụng hiện nay của nhiệt kế hồng ngoại. Bài viết sau đây giải thích các nguyên tắc vật lý, ưu điểm, khả năng chức năng và phân tích cũng như các giới hạn của pyrometry tỷ lệ. Các ứng dụng thực tế được giới thiệu dựa trên các lĩnh vực ứng dụng điển hình.

Một nhiệt kế tỷ lệ ghi lại bức xạ nhiệt của một vật thể đo trong hai dải bước sóng khác nhau. Tỷ lệ giữa hai mật độ bức xạ quang phổ φ thay đổi gần như tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Liên quan đến mật độ bức xạ quang phổ là hệ số phát xạ ε tương ứng của bề mặt đo cho cả hai bước sóng (Hình 1).

Để giảm thiểu ảnh hưởng của hệ số phát xạ của bề mặt đo phụ thuộc vào bước sóng, các dải bước sóng gần nhau được lựa chọn. Tuy nhiên, điều này cũng có nghĩa là mật độ bức xạ của cả hai hầu như không khác nhau. Hệ số của hai giá trị gần như giống hệt nhau chỉ thay đổi rất ít tùy thuộc vào nhiệt độ của vật thể. Do đó, nhiệt độ nhỏ nhất có thể đo được của nhiệt kế hệ số bị giới hạn ở khoảng 300 °C. Để có thể đánh giá những thay đổi tín hiệu nhỏ này, cần phải có độ khuếch đại lớn. Do đó, chất lượng của cảm biến, bộ khuếch đại điện tử và bộ chuyển đổi A/D phải đáp ứng các yêu cầu cao nhất để đạt được tỷ lệ tín hiệu/nhiễu cao hoặc NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) nhỏ và do đó đạt được độ phân giải nhiệt độ cao cần thiết cho phép đo chính xác. Để kiểm soát NETD, thiết bị phải được vận hành ở đầu phạm vi đo với thời gian cài đặt ngắn nhất và đồng thời kiểm tra độ ổn định của tín hiệu đo.

Ưu điểm lớn của phương pháp đo tỷ số là nhiệt độ chính xác được xác định khi tín hiệu bị suy giảm không phụ thuộc vào bước sóng. Ví dụ, nếu tín hiệu bị suy giảm do kính quan sát bị bẩn hoặc do hơi nước, khói và bụi trong trường nhìn của nhiệt kế, tỷ số và nhiệt độ hiển thị sẽ vẫn không đổi.

Với cùng mức độ phát xạ ε1 = ε2 (bức xạ màu xám) cho cả hai bước sóng, hằng số phát xạ trong phương trình sẽ bị loại bỏ và nhiệt kế tỷ lệ sẽ hiển thị nhiệt độ thực tế bất kể mức độ phát xạ của vật thể đo. Ngay cả khi mức độ phát xạ của vật thể đo thay đổi như nhau cho cả hai dải sóng, điều này cũng không ảnh hưởng đến kết quả đo. Sự chênh lệch so với nhiệt độ thực do sự khác biệt không đổi của hai mức phát xạ có thể được điều chỉnh bằng cách thiết lập tỷ lệ phát xạ trên nhiệt kế.

Tuy nhiên, một nhiệt kế tỷ lệ sẽ hoạt động như thế nào khi đo trên một nguồn bức xạ màu, trong đó độ phát xạ thay đổi khác nhau cho hai bước sóng tùy thuộc vào bề mặt hoặc nhiệt độ?

Hiệu ứng chọn lọc tương tự cũng xảy ra khi sự truyền qua kính quan sát thay đổi tùy thuộc vào bước sóng do các lớp lắng đọng mỏng (ví dụ: màng dầu hoặc hơi nước). Phương pháp tỷ lệ cũng không hoàn toàn độc lập với các đặc tính bức xạ của vật thể đo, như đôi khi được đề cập trong các tài liệu.

Dựa trên ba ví dụ trong Bảng 1, có thể thấy rõ sự khác biệt về ảnh hưởng của sự suy giảm phụ thuộc vào độ phát xạ đối với phương pháp đo quang phổ và phương pháp đo tỷ lệ. Dựa trên nhiệt độ 800 °C của một "bức xạ đen" với độ phát xạ ε = 1, theo định luật bức xạ Planck, đối với một nhiệt kế tỷ lệ với λ1 = 0,95 μm và λ2 = 1,05 μm, khi có sự thay đổi khác nhau của độ phát xạ liên quan đến bước sóng, sẽ có các giá trị nhiệt độ sau (xem Bảng 1).

Có thể thấy rõ sự giảm nhiệt độ quang phổ đối với kính bảo vệ (1). Ngược lại, giá trị tỷ số gần như không đổi. Đối với kính ghép chất lượng thấp (2), quang phổ giảm mạnh hơn và mức độ giảm cũng khác nhau. Điều này cũng dẫn đến sai số đo đáng kể đối với tỷ số.

Đối với nhiệt kế tỷ lệ, khi đo bằng kính quan sát, cần phải đảm bảo rằng kính có đường cong truyền qua trung tính trong dải bước sóng của nhiệt kế. Điều này có thể kiểm tra một cách rất đơn giản bằng cách giữ một tấm kính trước nhiệt kế trong quá trình đo. Nhiệt độ tỷ lệ chỉ được thay đổi một cách không đáng kể.

Một lợi thế lớn khác của phép đo nhiệt độ bằng tỷ lệ là các vật thể đo có thể nhỏ hơn vùng đo. Với nhiệt kế quang phổ, vật thể đo phải luôn lớn hơn vùng đo, vì nhiệt kế quang phổ ghi nhận giá trị trung bình của bức xạ trong toàn bộ vùng đo. Nếu không, với vật thể đo nhỏ trước nền lạnh, nhiệt độ đo được sẽ luôn quá thấp.

Nếu trường đo của nhiệt kế tỷ lệ không được chiếu sáng hoàn toàn bởi vật thể đo (hiệu ứng chiếu sáng một phần), điều này sẽ có tác dụng làm suy yếu bức xạ hồng ngoại một cách trung tính. Do đó, nhiệt kế tỷ lệ vẫn cung cấp các giá trị đo chính xác ngay cả khi vật thể nhỏ hơn trường đo của nhiệt kế tới 80%. Mức độ chiếu sáng một phần tối thiểu phụ thuộc vào độ phát xạ và nhiệt độ của vật thể đo. Lý tưởng nhất là vị trí của vật thể trong trường đo phải tùy ý và không ảnh hưởng đến giá trị nhiệt độ hiển thị. Tuy nhiên, có sự khác biệt lớn về chất lượng giữa các thiết bị được bán trên thị trường. Đối với các pyrometer có cấu trúc quang học đơn giản, độ chính xác thấp trong việc hiệu chỉnh các sai số quang học của ống kính và cảm biến có độ nhạy không đồng đều, giá trị đo có thể tăng lên đến 20 - 30 °C khi nhiệt độ đối tượng không đổi, ví dụ như khi có một sợi dây nóng ở rìa vùng đo (Hình 5).

Một lợi thế khác khi đo các vật thể nhỏ là nhiệt kế tỷ lệ phản ứng kém nhạy hơn đáng kể với hướng quang học và tiêu cự chính xác. Ngược lại, nhiệt kế quang phổ phải được định hướng và tiêu cự rất chính xác vào vật thể đo để tránh sai số đo khi vật thể đo chỉ lớn hơn vùng đo một chút.

Đường cong đo lường sau đây (Hình 6) được ghi lại bằng nhiệt kế tỷ lệ với trường đo Ø8 mm trên một vật thể đo cũng có Ø8 mm. Đồng thời, nhiệt độ quang phổ cũng được ghi lại. Khoảng cách tiêu cự cố định là 500 mm (điểm đo 1). Sau đó, khoảng cách đo được giảm xuống 250 mm (điểm đo 2). Việc mất tiêu cự chỉ có ảnh hưởng nhỏ đến nhiệt độ tỷ lệ, trong khi nhiệt độ quang phổ chênh lệch khoảng 20 °C. Sau đó, khoảng cách đo được đặt thành 1000 mm (điểm đo 3). Vùng đo của nhiệt kế gấp đôi kích thước của vật thể đo. Một lần nữa, nhiệt độ tỷ lệ vẫn gần như giữ nguyên. Ngược lại, giá trị quang phổ giảm mạnh do mất tiêu cự và chiếu sáng một phần.

Khi đo nhiệt độ của tấm kim loại và tấm thép trong khung cán, do điều kiện khắc nghiệt, câu hỏi về phương pháp đo quang phổ hay phương pháp tỷ lệ luôn được đặt ra (Hình 7).

Vì lý do kỹ thuật và nhiệt, các thiết bị được lắp đặt ở khoảng cách đo lớn vài mét. Khi sử dụng ống kính tiêu chuẩn với độ phân giải quang học 100:1, đường kính trường đo ở khoảng cách 20 mét là 200 mm. Do lớp xỉ, sự phân bố nhiệt độ trên tấm thép cực kỳ không đồng đều. Với nhiệt kế quang phổ, nhiệt độ được xác định từ giá trị trung bình của toàn bộ bức xạ nhận được trong trường đo. Do đó, giá trị đo phụ thuộc vào sự phân bố nhiệt độ và lớp cặn. Do tấm thép di chuyển trên băng tải con lăn, việc phân tích tín hiệu không được lọc sẽ dẫn đến giá trị đo dao động. Do đó, các nhà sản xuất nhiệt kế khuyến nghị sử dụng nhiệt kế có độ phân giải quang học rất cao > 200 : 1 trong điều kiện này để đạt được trường đo nhỏ nhất có thể. Bộ nhớ giá trị tối đa được sử dụng để ghi lại nhiệt độ cao nhất tại các vị trí không có cặn.

Tuy nhiên, nhiệt kế tỷ lệ phản ứng như thế nào với sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trong trường đo? Hành vi của nhiệt kế tỷ lệ phức tạp hơn khi phân bố nhiệt độ không đồng đều. Nó phụ thuộc vào tổng diện tích của các "điểm nóng" và sự chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm nóng và lạnh trong vùng đo. Do hiệu ứng chiếu sáng một phần đã mô tả, nhiệt kế tỷ lệ xác định nhiệt độ của điểm nóng nhất trong trường đo với điều kiện có sự chênh lệch nhiệt độ đáng kể > 200 °C giữa các vùng nóng và lạnh.

Khi đo trên một tấm thép, có thể xuất hiện nhiều điểm nóng trong trường đo do có vảy. Nếu chênh lệch nhiệt độ nhỏ, nhiệt kế tỷ lệ cũng xác định nhiệt độ từ giá trị trung bình của bức xạ nhận được. Do đó, đối với nhiệt kế tỷ lệ, cũng nên sử dụng các thiết bị có độ phân giải quang học cao và chất lượng hình ảnh tốt để giảm thiểu ảnh hưởng của sự không đồng nhất bằng cách ghi lại giá trị tối đa.

Nếu có thể dự kiến sẽ có hơi nước và bụi bẩn trong quá trình cán nóng, thì nên sử dụng nhiệt kế tỷ lệ. Bằng cách sử dụng chức năng giám sát bụi bẩn của nhiệt kế tỷ lệ, có thể tăng độ an toàn vận hành của việc thu thập giá trị đo.

Vấn đề đo nhiệt độ của các vật thể lạnh hơn trong lò nung nóng thường được thảo luận. Các bộ phận rèn lạnh được đặt vào lò nung nóng để làm nóng hoặc các tấm thép lạnh đi qua các vùng gia nhiệt khác nhau của lò nung đẩy. Do bức xạ nền cao của thành lò nóng, được phản xạ từ vật thể đo và do đó cũng được pyrometer ghi nhận, pyrometer luôn hiển thị nhiệt độ quá cao. Càng gần nhiệt độ của vật thể với nhiệt độ của lò, hiệu ứng nhiễu càng nhỏ. Giải pháp hiệu quả nhất để loại bỏ bức xạ nền là sử dụng ống ngắm làm mát bằng nước. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi chi phí đầu tư cao và chi phí vận hành liên tục. Ngoài ra, việc lắp đặt một ống bên trong lò nung, kéo dài gần đến vật liệu gia công, có thể khó khăn hoặc không thể thực hiện được vì lý do kỹ thuật xây dựng.

Do đó, các thiết bị thường được sử dụng mà không có ống ngắm, mặc dù biết rằng có thể xảy ra sai số đo lường ở mức độ khác nhau. Ảnh hưởng của bức xạ nền có thể được giảm thiểu nếu nhiệt độ của bức xạ nền được đo riêng bằng cặp nhiệt điện hoặc nhiệt kế thứ hai và bức xạ phản xạ gây nhiễu trong nhiệt kế được điều chỉnh bằng tính toán. Sự điều chỉnh này có thể có độ không chắc chắn, đặc biệt là khi độ phát xạ của vật thể nhỏ, dao động hoặc không được biết chính xác.

Nếu đối với các vật thể kim loại, vì lý do vật lý, quy tắc chung là "đo càng ngắn sóng càng tốt" để giữ ảnh hưởng của độ phát xạ ở mức thấp nhất có thể, thì khi đo các vật thể lạnh hơn trong môi trường nóng, quan điểm này lại hoàn toàn ngược lại.

Bức xạ nền có ảnh hưởng ít hơn đối với thiết bị đo sóng dài hơn. Mặt khác, với độ nhạy quang phổ sóng dài hơn, độ phát xạ ε của kim loại nhỏ hơn và do đó độ phản xạ σ lớn hơn (ε + σ = 1). Điều này lại dẫn đến sự phụ thuộc lớn hơn vào ảnh hưởng nhiễu của bức xạ lò nóng khi độ phát xạ thay đổi. Do đó, các nhà sản xuất khuyến nghị sử dụng các thiết bị có độ nhạy quang phổ trong phạm vi 1 – 2 μm để đạt được sự cân bằng tốt nhất.

Ở đây cũng đặt ra câu hỏi, một nhiệt kế tỷ lệ sẽ hoạt động như thế nào khi đo các vật thể lạnh hơn trong môi trường nóng. Về cơ bản, một nhiệt kế tỷ lệ hoạt động tương tự như một nhiệt kế quang phổ. Nó ghi nhận cả bức xạ của vật thể và bức xạ phản xạ từ thành lò. Máy đo nhiệt độ tỷ lệ phản ứng kém nhạy hơn trong trường hợp kính quan sát bị bẩn hoặc có bụi và khói trong trường nhìn của máy đo nhiệt độ. Phản ứng đối với sự thay đổi mức độ phát xạ phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa phương và do đó rất khó đánh giá. Khi vận hành hoặc sử dụng lâu dài, nên ghi lại và đánh giá song song cả nhiệt độ tỷ lệ và nhiệt độ quang phổ để có thể thực hiện các phân tích. Các nhiệt kế tỷ lệ hiện đại cung cấp hai đầu ra tương tự để có thể thu thập trực tiếp các giá trị đo của tỷ lệ và nhiệt độ quang phổ từ bộ điều khiển. Một lợi thế khác của nhiệt kế tỷ lệ là khả năng đánh giá cường độ tín hiệu như một chỉ số cho đặc tính bức xạ của đối tượng đo (Hình 8).

Do điều kiện đo lường khắc nghiệt do bụi, hơi nước và khói, nhiệt kế tỷ lệ có lợi thế về mặt kỹ thuật đo lường và an toàn khi sử dụng trong nhà máy điện và lò đốt. Nhiệt kế ghi lại bức xạ của các vật thể trong trường đo. Trong lò đốt, năng lượng nhận được được bức xạ từ cả các hạt nóng trong luồng không khí và từ tường đối diện. Giá trị đo phụ thuộc vào mật độ của các hạt, sự không đồng nhất của phân bố nhiệt độ và nhiệt độ của bức tường đối diện. Nếu bức tường được làm mát đáng kể bởi các ống trao đổi nhiệt so với các hạt trong luồng không khí, nhiệt kế quang phổ sẽ ghi nhận nhiệt độ quá thấp và dao động tùy thuộc vào tình trạng tải do tính toán giá trị trung bình. Ở đây, lợi thế của nhiệt kế tỷ lệ trong mối quan hệ với hiệu ứng chiếu sáng một phần và ghi nhận giá trị tối đa lại phát huy tác dụng. So với các cặp nhiệt điện thường được sử dụng, nhiệt kế tỷ lệ là một sự thay thế thực sự, vì chúng không bị hao mòn hoặc trôi dạt do tuổi thọ. Tuy nhiên, nhiệt kế tỷ lệ rất nhạy cảm với ngọn lửa trong trường nhìn. Điều này cần được lưu ý khi chọn vị trí lắp đặt.

Có thể kiểm tra độ tin cậy của phép đo bằng cách hiển thị cường độ tín hiệu. Do lò thường có cửa nhỏ với đường kính 20 -30 mm và độ dày thành 200 – 400 mm, nên sử dụng các thiết bị có độ phân giải quang học cao với đặc tính hiển thị tốt để tránh thu hẹp trường đo. Ngoài ra, trục hình học và trục quang học phải giống nhau và thiết bị phải không có sai số song song để tránh hiện tượng "lác" của thiết bị. Tùy thuộc vào yêu cầu trang bị và khả năng tiếp cận của vị trí lắp đặt, các thiết bị nhỏ gọn hoặc nhiệt kế với thiết bị ngắm dưới dạng ống ngắm hoặc camera video được sử dụng để có thể kiểm tra dễ dàng và nhanh chóng hướng và tầm nhìn rõ ràng khi khởi động và trong quá trình vận hành.

Vì lý do an toàn, việc sử dụng chức năng giám sát độ bẩn của nhiệt kế tỷ lệ cũng được khuyến nghị để tự động phát ra cảnh báo khi độ bẩn quá cao hoặc lò bị che khuất.

Các bu lông được đưa qua lò nung trước khi được ép thành các phụ kiện. Để đạt được chất lượng ổn định, nhiệt độ phải được kiểm soát. Trong các hệ thống gia nhiệt cảm ứng, thường sử dụng nhiệt kế để đo nhiệt độ của phôi đi qua ngay sau lò cảm ứng trong vài mili giây và từ khoảng cách an toàn. Nhiệt độ được sử dụng làm biến điều khiển để điều khiển quá trình và loại bỏ các bu lông có nhiệt độ nằm ngoài phạm vi cho phép (Hình 9).

Để đo nhiệt độ, cả nhiệt kế quang phổ và nhiệt kế tỷ lệ đều được sử dụng. Các thiết bị được lắp đặt ở khoảng cách lớn từ 600 đến 1200 mm. Yêu cầu bắt buộc là phải có thiết bị hỗ trợ ngắm bắn dưới dạng kính ngắm hoặc đèn dẫn hướng. Chỉ bằng cách này, khoảng cách lấy nét chính xác và hướng chính xác mới có thể được điều chỉnh để giảm thiểu các sai số đo lường do ảnh hưởng quang học.

Đặc biệt đối với các thiết bị có khoảng cách lấy nét cố định, khoảng cách này không phải lúc nào cũng có thể được duy trì chính xác do cấu trúc của máy. Khi thiết bị được lắp đặt cố định và đường kính bu lông thay đổi, khoảng cách đo sẽ thay đổi, do đó một số thiết bị không thể hoạt động ở khoảng cách tiêu cự.

Đối với các thiết bị có ống kính có thể điều chỉnh tiêu cự, thực tế cho thấy khoảng cách đo thường không được điều chỉnh chính xác. Việc điều chỉnh lại khi đường kính bu lông thay đổi hầu như không được thực hiện, do đó các thiết bị này cũng thường xuyên được sử dụng ngoài tiêu điểm.

Một nhiệt kế tỷ lệ phản ứng với những thay đổi về khoảng cách đo, đường kính chốt hoặc khi thiết bị hoạt động ngoài phạm vi tiêu điểm như đã mô tả ở phần đầu, với độ nhạy thấp hơn đáng kể trong một số giới hạn nhất định và do đó có lợi thế hơn so với nhiệt kế quang phổ trong các ứng dụng như vậy.

Do đó, việc sử dụng nhiệt kế tỷ lệ nhỏ gọn với đèn dẫn hướng (Hình 10) được khuyến nghị ở đây để đáp ứng tối ưu hai yêu cầu chính của nhiệm vụ đo lường: a) đo lường an toàn và không phụ thuộc vào khoảng cách càng nhiều càng tốt và b) kiểm tra căn chỉnh đơn giản.

Đối với các quy trình sản xuất có nhiệt độ trên 300 °C, nhiệt kế tỷ lệ với các ưu điểm nêu trên là một lựa chọn thay thế lý tưởng để đạt được các giá trị đo lường an toàn và ổn định trong điều kiện môi trường và thiết kế cụ thể. Chi phí thêm khoảng 30% so với nhiệt kế quang phổ có tính năng tương tự là khoản đầu tư hợp lý và sẽ nhanh chóng được hoàn vốn nhờ giảm thiểu công việc kiểm tra thủ công và giảm sản lượng sản phẩm lỗi. Trong điều kiện đo lường khắc nghiệt do hơi nước, bụi bẩn và bụi, những ưu điểm về mặt kỹ thuật đo lường của nhiệt kế tỷ lệ rõ ràng được phát huy. Trong các ứng dụng mà độ phát xạ của các đối tượng đo có thể thay đổi, nên kiểm tra độ tin cậy của phép đo khi sử dụng phương pháp đo tỷ lệ.

Về phía nhà sản xuất thiết bị, chỉ có thể khuyến nghị sử dụng các tính năng bảo vệ và phân tích bổ sung của nhiệt kế tỷ lệ để tăng độ an toàn của quá trình và thu thập thông tin từ các dữ liệu nhiệt độ bổ sung.