Bezdotykové měření teploty povrchu materiálu na horkém pozadí
Mgr. Rostislav Szeruda
Měření teploty povrchu materiálu s horkým pozadím patří mezi nejsložitější problémy
bezdotykového měření teplot. Bývají často zatíženy poměrně velkou chybou. Nejčastějším
případem tohoto typu měření je měření teploty povrchu materiálu ohřívaného k tomuto
účelu určeném technologickém zařízení – peci. Záření horkého pozadí (stěn pece), které
se odráží od povrchu měřeného materiálu, bývá teplejší a intenzivnější než vlastní záření
materiálu, a proto výrazně zkresluje měření pyrometrem, který nedokáže rozlišit vlastní
záření materiálu od záření parazitního původem od horkého pozadí. Článek se zabývá
možnými řešeními tohoto problému především při vysokoteplotních aplikacích.
1. Vliv horkého pozadí na přesnost měření teploty
Pro bezdotykové měření teploty v (polo)uzavřeném prostoru průmyslových pecí je
důležité zvolit takové spektrální pásmo měření, aby měření bylo minimálně ovlivňováno
pecní atmosférou. Ta je obvykle tvořena atmosférou a plyny, které se využívají k ohřevu.
Pro tyto aplikace se obvykle volí pyrometr se spektrálním pásmem kolem 3,9 m. Chyba
měření pro tuto vlnovou délku závisí na teplotě v peci, teplotě materiálu a jeho emisivitě.
Například pro teplotu stěn pece tP = 1300 °C, chybu měření v závislosti na teplotě
a emisivitě materiálu zobrazuje následující graf:
Obr. 1: Chyba bezdotykového měření teploty materiálu v peci o teplotě 1300 °C ( = 3,9 m)
Je zřejmé, že přímé zaměření pyrometru na povrch materiálu v peci, jejíž vnitřní
povrch má vyšší teplotu než ohřívaný materiál, má za následek vznik poměrně velkých
chyb. Tato chyba závisí na spektrálním pásmu měření, což lze vidět na srovnání velikosti
chyb při měření s pyrometrem pracujícím v spektrálním pásmu kolem 0,9 m, 1,6 m
a pyrometrem na 3,9 m.
Uvažujme pec s vnitřní teplotou stěn tP = 1300 °C a emisivitu povrchu ohřívaného
materiálu zvolme = 0,8:
Obr. 2: Chyba bezdotykového měření teploty materiálu v peci o teplotě 1300 °C pro 3 různé vlnové
délky ( = 0,8)
Výše uvedené příklady jsou zjednodušené, protože obecně údaj pyrometru nezávisí
jen na skutečné teplotě materiálu, emisivitě jeho povrchu, ale také na teplotě a emisivitě
vnitřních stěn pece, na teplotě a emisivitě (absobci) pecní atmosféry. Obecný vztah pro
intenzitu záření povrchu materiálu ohřívaného v peci je poměrně složitý a prakticky skoro
nepoužitelný.
2. Měřící systém s kompenzací horkého pozadí
Pro ideální vyhodnocení teploty materiálu v peci bychom potřebovali měřící systém
se třemi senzory, které by umožňovaly průběžné měření energie vyzařované materiálem,
zdivem pece a pecní atmosférou. Například pecní atmosféra je velmi nestabilní a může se
velmi rychle měnit v závislosti třeba na nastavení hořáků a proudění vzduchu v peci. Než
tedy měřit teplotu a emisivitu záření pecní atmosféry je mnohem lepší provádět měření
pyrometrem, pro jehož spektrální pásmo je emisivita spalin blízká nule (
0).
Emisivita zdiva pece velmi málo ovlivňuje přesnost měření. Je tedy možné uvažovat,
že ohřívací pec představuje, do jisté míry, jednoduché černé těleso a tedy, že emisivita
stěn pece 1. Za těchto podmínek platí pro intenzitu záření vycházejícího z povrchu
materiálu s horkým pozadím jednoduchý vztah, který se v praxi hodně využívá:
HI
kde
M
.H M
(1
M
[W.m-2]
).H p
(1)
HI je celková detekovaná intenzita záření z povrchu materiálu
HM je vlastní intenzita záření povrchu materiálu
HP je intenzita záření původem od vnitřních stěn pece (horkého pozadí)
je efektivní emisivita povrchu materiálu (v spektrálním pásmu pyrometru)
K určení teploty materiálu potřebujeme tedy znát emisivitu materiálu , celkovou
detekovanou intenzitu HI a intenzitu vyzařování klenby a stěn pece HP. Teplotu materiálu
potom určíme ze signálu odpovídajícímu intenzitě vyzařované jeho povrchem HM, kterou
vypočteme ze vztahu:
HM
HI
(1
M
).H P /
M
[W.m-2]
(2)
Hlavice pyrometru, obvykle v ochranném krytu, se umísťuje do pece tak, aby mohla
být optimálně zaměřena na povrch materiálu (ne pod úhlem větším než 45° od normály).
Optická dráha k měřenému povrchu by měla být minimální a co nejméně ovlivňována
spalinami a pecní atmosférou tak, aby byl minimalizován vliv atmosféry na měření.
Senzorem teploty pozadí může být radiační pyrometr zaměřený dovnitř pece nebo
termočlánek vyčnívající do pecního prostředí. Třetí variantou je pyrometr zaměřený do
keramické uzavřené trubice, jež je vsunuta do pecního prostoru (optočlánek). Následující
obrázek zobrazuje řešení pomocí kombinace pyrometru a termočlánku:
Obr. 3: Měření teploty materiálu v ohřívací peci pomocí měření a kompenzace teploty pozadí
Měřicí systém s kompenzací horkého pozadí lze zakoupit nebo si ho lze i vytvořit
pomocí vhodného pyrometru, termočlánku a vyhodnocovací jednotky (PC), jež provede
korekční výpočet na základě vztahu (2):
y = [yI - (1 - ).yP]/
kde
(3)
yI je nelinearizovaný výstupní signál z pyrometru (úměrný intenzitě záření)
yP je signál, který by stejný pyrometr naměřil při zaměření na horké pozadí
y je signál s korekcí na teplotu pozadí odpovídající teplotě povrchu materiálu
je emisivita měřeného povrchu
Použijeme-li pro měření pyrometr s linearizovaným výstupem (dnes již standard),
musíme provést nejprve převod výpočtem změřené teploty na intenzitu záření, což trochu
komplikuje situaci. Starší, jednodušší a také lacinější typy pyrometrů na bázi fotodiod s
nelineárním analogovým výstupem odpovídajícím intenzitě změřeného záření byly pro
tento účel snadněji využitelné.
Prochází-li materiál ohřívací pecí zorným polem pyrometru tak, že ten měří střídavě
teplotu materiálu a stěny pece, lze tyto dvě různě hodnoty využít pro výpočet skutečné
teploty materiálu bez potřeby použití druhého senzoru.
Jak roste teplota měřeného materiálu, zlepšuje se přesnost jejího stanovení pomocí
dvousenzorového systému. Pro uživatele, kteří potřebují znát přesně teplotu materiálu
v průběhu celého ohřevu co nejpřesněji, je vhodnější použít pro měření pyrometr na 3,9
m. Pro uživatele, kterým dostačuje znát přesně teplotu až ke konci ohřevu, poslouží i
systém s obvyklejším pyrometrem na 0,9 m.
3. Teplotní kompenzace při nižších teplotách
Měříme-li teplotu materiálu při teplotách blízkých pokojovým, v podstatě vše, co se
nachází poblíž měřeného povrchu může být zdrojem parazitního záření, které může mít
negativní vliv na měření. Můžeme se o tom přesvědčit jednoduše. Zaměříme pyrometr na
nějaký vhodný lesklý (leštěný) povrch o pokojové teplotě. Přiblížíme-li ruku k měřenému
povrchu, zjistíme, že teplota měřená pyrometrem se zvýšila o 1-2 °C. To znamená, že si i
svou vlastní přítomností můžeme ovlivnit měření.
Teplotní kompenzace na skutečnou nebo předpokládanou teplotu horkého pozadí se
proto používá i u nízkoteplotních aplikací. Lze se o tom přesvědčit velmi jednoduchým
pokusem. Zaměříme pyrometr na teplý povrch (zde cca 60 °C). Pak nastavíme hodnotu
koeficientu emisivity na pyrometru na co nejnižší hodnotu (např. 0,1). Údaj teploty
měřené pyrometrem výrazně vzroste. Jak povrch materiálu chladne, měřená teplota klesá,
ale nezastaví se na hodnotě pokojové teploty (či o něco vyšší), jak by se dalo očekávat,
ale kupodivu může klesnout až pod nulu.
Obr. 4: Měření ochlazování teplého povrchu nízkoteplotním pyrometrem na pokojovou teplotu při
nastavené hodnotě emisivity na hodnotu mnohem nižší, než je skutečnost.
4. Odstínění horkého pozadí
Pokud se chceme vyhnout negativnímu vlivu horkého pozadí a nezatěžovat se přitom
kompenzací tohoto vlivu, je v určitých případech možno jednoduše horké pozadí odstínit.
Jedná se především o případy, kdy parazitní záření přichází z jednoho směru. Není ničím
neobvyklým, že je krátkovlnný pyrometr použit pro provozní aplikaci, kde na něj má vliv
použité přirozené nebo i umělé osvětlení. Slunce zasvítí skrze světlík do výrobní haly a
náhle měří pyrometr zcela jinou vyšší hodnotu teploty.
Abychom si uvědomili, jak silný může být vliv odraženého denního světla na měření,
můžeme si udělat malý experiment za krásného slunečného zimního dne. Venku mrzne
až praští a na zemi leží sněhová pokrývka. Za těchto podmínek zaměříme krátkovlnný
pyrometr (0,9 nebo 0,65 m) klidně i skrze okno na sněhovou pokrývku a zjistíme, že náš
pyrometr ukazuje teplotu někdy i vyšší než 1000 °C, což zřejmě neodpovídá skutečnosti.
Je to způsobeno tím, že teplota Slunce je cca 5800 K, a tedy i vliv odraženého slunečního
záření na měření především krátkovlnnými pyrometry může být velmi významný. Je
proto důležité tento vliv odstíněním eliminovat nebo zvolit jiné spektrální pásmo pro
měření (dlouhovlnný pyrometr – např. 3,9 m a více).
Odstínění tepelného záření v ohřívací peci nebývá obvykle možné nebo je minimálně
velmi nepraktické. Výjimečně je možné použít například dlouhou keramickou trubici, jež
dosahuje dostatečně blízko k měřenému povrchu. Pyrometr zaměřený skrze tuto trubici
může efektivně měřit, aniž by byl ovlivněn zářením horkého pozadí. Je to podobné jako
studnový efekt, kdy člověk i za bílého dne může vidět ze dna hluboké studně na nebi
hvězdy, aniž by je zakrývalo rozptýlené denní světlo.
5. Měření v obrazové rovině
V případě měření povrchu materiálů, jako je sklo, lze zvolit pozici zaměření takovou,
že obraz zdroje záření není pyrometrem „vidět“. Toho může být dosaženo posunutím
ohniskové roviny pyrometru do obrazové roviny, v níž se zrcadlí odraz horkých elementů
pece. Velikost obrazu předmětu umístěného v ohnisku je nulová.
Obr. 5: Princip eliminace vlivu odraženého záření při měření teploty plochého skla
Jestliže úhel pyrometru je dostatečně úzký a ohnisková rovina vhodně zvolena, aby
se překryla s obrazem ve skle, pak koeficient emisivity pyrometru by měl být nastaven na
hodnotu 0,96. Pokud se nepodaří vliv rušivého záření zcela odstranit, může být koeficient
emisivity nastaven i na hodnotu vyšší. Nicméně tato varianta už není objektivní.
6. Možnost využití polarizace záření
Parazitní tepelné záření se odrazem od měřeného povrchu polarizuje. Tohoto efektu
by šlo principiálně využít k jeho odfiltrování při použití polarizačního filtru pro měření s
tím, že budeme provádět měření pod úhlem asi 50-80° k normále k měřenému povrchu,
parazitní záření přichází z daného směru a máme také možnost si ověřit vliv samotného
polarizačního filtru na měření (na černém tělese).
7. Parazitní záření původem z měřeného objektu
Někdy se paradoxně může stát, že parazitní záření pochází z námi měřeného povrchu.
Stalo se, že pyrometr krátce po instalaci začal vykazovat podivné hodnoty měření, které
byly vyšší než předpokládaná a jim donedávna měřená teplota. Ukázalo se, že masivní
ochranný kryt doznal, díky lidové tvořivosti, vylepšení ve formě tenké hliníkové fólie, jež
byla zformována kolem jeho výstupního otvoru tak, že zasahovala i dovnitř této trubice.
Záření přicházející od měřeného povrchu pak směřovalo do pyrometru jak přímou cestou
tak i odrazem od hliníkové fólie na vnitřní stěně trubice ochranného krytu.
Pokud máme tedy podezření, že měřená teplota je vyšší, než by měla, neuškodí také
zkontrolovat, zda měření není nějak ovlivněno (dokonalým) odrazem záření od nějakého
lesklého povrchu poblíž pyrometru třeba i původem z měřeného povrchu.
8. Situace, kdy není zřejmé ovlivnění měření
Provádíme-li měření teploty v nějakém specializovaném technickém zařízení, kde na
první pohled září všechno (tavenina, pevná fáze, vnitřní stěny zařízení apod.) nemusíme
si být jisti, zda je měření v daném místě významně ovlivněno parazitním zářením nebo
ne. Tehdy je dobré využít výše uvedené vztahy spolu s Plackovým zákonem a přepočítat
naměřené hodnoty, jako by byly ovlivněny horkým pozadím. Někdy své pochybnosti
nerozptýlíme, pouze získáme novou řadu hodnot k uvážení. Může se ale také stát, že po
přepočtení získáme nereálné hodnoty, což obvykle znamená, že měření ovlivněno není a
původně naměřené hodnoty můžeme považovat za správné bez další korekce.
Také ne všechno, co svítí, musí mít na měření vliv. Měřený materiál může procházet
pecí, jejíž vnitřní stěny jsou vyhřívané a přímo září. Na první pohled se tak může zdát, že
měření musí být významně ovlivněno zářením těchto stěn. Při bližším průzkumu ovšem
zjistíme, že měřený povrch je podstatně teplejší než stěny pece a to proto, že úlohou této
pece není materiál ohřívat ale pouze řízeně ochladit. Materiál získal svou teplotu již na
předchozím místě technologické linky. Není tedy nutné korekci měření provádět.
Závěr
Vliv horkého pozadí na měření je poměrně běžný problém, se kterým se při měření
pyrometry v praxi lze setkat. Pokud jsme si tohoto vlivu vědomi a nepodceňujeme jeho
velikost, obvykle se dá nalézt nějaké optimální řešení, jak tento vliv eliminovat.
Abstract:
The article deals with situations when pyrometric measurement can be influenced by
hot radiation from background. It is possible to see here how strong the influence can be
and how it is possible to eliminate or minimize the influence.
Použitá a doporučená literatura:
1. Dewitt, D.P., Nutter, Gene D.: Theory and practise of radiation thermometry. A Wiley-Interscience
publication. USA 1989
2. Measuring the true temperature of reheat furnace load. Application Note BRL, Land Infrared.
3. Pyrometrie II, DT ČSVTS, Praha 1990.
4. Szeruda, R.: Měření teploty povrchu materiálu ohřívaného v peci. AUTOMA 11-12, Praha 1999.
5. Szeruda, R.: Měření teploty povrchu materiálu ohřívaného v peci. Měření teplot v průmyslu, Rožnov
p. R. 1999.
6. Szeruda, R.: Vybrané aplikace bezdotykového měření teploty. Měření teplot v provozu. Ostrava 1996.
7. Szeruda, R.: Problematika bezdotykového měření teploty skla. Sklář a keramik 1999.
8. Szeruda R.: Tři tipy pro bezdotykové měření teploty pyrometry. AUTOMA 1/2003.
9. Szeruda, R.: Základy bezdotykového měření teploty. Měření teplot v provozu. Ostrava 1996.
10. 2-thermometers system using in reheat furnace load. Applicatin Note, Land Infrared
Download

Bezdotykové měření teploty povrchu materiálu na horkém pozadí