Měření teploty poměrovým pyrometrem
Mgr. Rostislav Szeruda
V určitých aplikacích nasazení klasického radiačního pyrometru nepřináší očekávaný
efekt. Měření je z nějakých důvodů silně zkresleno. Například není známá emisivita
materiálu, emisivita materiálu se rychle mění, zorné pole pyrometru není zcela pokryto
měřeným objektem, na měřené ploše se vyskytují chladná místa, provozní atmosféra je
silně znečištěna kouřem nebo vodní parou, může docházet k částečnému znečištění
objektivu pyrometru apod. Často je možno tyto problémy znemožňující či znesnadňující
měření s radiačním pyrometrem vyřešit použitím tzv. poměrového (dvoubarevného) nebo
vícebarevného pyrometru.
1 Základy teorie měření poměrovým pyrometrem
Poměrové pyrometry měří intenzitu záření ve dvou spektrálních pásmech
s efektivními vlnovými délkami  a :
HC1(1(1T)Hm1(1T)
[W.m-2]
(1.1a)
HC2(2(2 T).Hm2(2T)
[W.m-2]
(1.1b)
Poměrový signál je dán vztahem:
H C1  1 H m1
 .
H C 2  2 H m2
(1.2)
Pokud se měřený povrch chová jako tzv. šedé těleso, tj. emisivita jeho povrchu není
funkcí vlnové délky, platí, že  =  a předchozí vztah se zjednoduší:
H C1 H m1

H C 2 H m2
(1.3)
Ve vztahu (1.3) není obsažena emisivita, což se jeví, pro měření povrchu šedého
materiálu, velmi výhodné. Kalibrační křivku poměrového pyrometru získáme
proměřením poměru výstupních signálů, které jsou úměrné intenzitám záření, z obou
kanálů pyrometru v závislosti na teplotě černého (šedého) tělesa.
Tzv. „barevnou“ teplotu materiálu TB, která je pro šedé materiály rovna skutečné
teplotě materiálu, popisuje také vztah (1.4):
TB  T1 .T2 .
 2  1
 2 .T2  1 .T1
[K]
T1 a T2 jsou radiační teploty určené z jednotlivých kanálů pyrometru.
Pro nešedé materiály vzniká při měření chyba, která je dána vztahem:
T .c 2 .
dT  TB  T 
T
[K]
c 2 .  T . ln  1 /  2 
  1
 2
kde
[m-1]
 2 .1
c2 = 1,4388.10-2 m.K (druhá vyzařovací konstanta)
(1.4)
kde
(1.5)
Ke zmenšení vlivu emisivity na měření poměrovým pyrometrem se používají blízké
vlnové délky. Aby bylo možno použít poměrový pyrometr i pro ne zcela šedé materiály,
zavádí se tzv. koeficient nešedosti k tak, že platí:
k.
1
1
2
(1.6)
Pokud koeficient k není znám, dostáváme se do podobných obtíží jako v případě, kdy
není pro klasický radiační pyrometr znám koeficient emisivity . Použití poměrového
pyrometru pro nedokonale šedý povrch tedy nemusí být výhodné, ale naopak může
výsledky měření ovlivnit novou nejistotou. Je proto nutné dobře zvážit, pro které aplikace
je použití poměrového pyrometru vhodné. To platí i pro tzv. vícebarevné pyrometry.
2 Měření nešedých materiálů poměrovým pyrometrem
Nejsou-li důvody pro použití poměrového pyrometru založeny jen na snaze vyhnout
se problémům se stanovením koeficientu emisivity měřeného materiálu, je vhodné uvážit,
jaké spektrální pásma by byly pro měření nejvhodnější. Poměrové pyrometry využívají
detektory na bázi Si/Si, a také Si/Ge, Si/InGaAs a jiné pracující na různých spektrálních
pásmech, které jsou více či méně daleko sebe.
Bližší spektrální pásma je výhodné použít, pokud se tak můžeme vyhnout problémům
se stanovováním koeficientu emisivity. Vzdálenější spektrální pásma měření umožňují
zvýšit citlivost a stabilitu měření poměrovým pyrometrem.
Obr 1: Závislost ln(H1/H2) na teplotě a spektrálním pásmu pro 1 = 0,9 m.
3 Srovnání poměrového pyrometru a pyrometru s laserovým měřením emisivity
V dnešní době existují pyrometry, které jsou schopny eliminovat, do velké míry, vliv
emisivity laserovým měřením. Pyrometr vyšle laserový paprsek o určité vlnové délce.
Ten je částečně pohlcen měřeným materiálem a částečně se od něj odrazí. Odražená část
je zachycena pyrometrem a ze ztráty intenzity paprsku je vyhodnocena emisivita povrchu
materiálu. Tento způsob řešení problému emisivity je v principu lepší než řešení pomocí
poměrového pyrometru. Je ale nutno uvážit, že i pro pyrometr s laserovým měřením platí
podobná omezení jako pro poměrový pyrometr. Liší-li se vlnová délka laseru od efektivní
vlnové délky pyrometru, čemuž nelze v praxi zabránit, může se i tohoto typu pyrometru
objevit problém s nešedostí materiálu a zkreslení měření teploty.
4 Vliv teploty okolí na poměrový pyrometr
Pyrometry, jako každé jiné elektronické zařízení, jsou citlivé na teplotu okolí. Tento
vliv se snaží výrobci u svých produktů minimalizovat použitým zapojením, součástkami,
měřením teploty v hlavici a teplotní kompenzací, chladícími kryty apod. Přesto nebývá
vždy zanedbatelný. Podívejme se na srovnání poměrové teploty pyrometru na bázi Si/Si
s teplotou měřenou jeho jednotlivými kanály po umístění tohoto pyrometru, původně
o pokojové teplotě, do prostoru s teplotou asi 60 °C bez jakéhokoliv ochranného
chladícího krytu. Teplota měřeného materiálu se po dobu měření významně neměnila.
Obr 2: Srovnání citlivosti poměrového a radiačního pyrometru na teplotu okolí
Z obrázku 2 je patrné, že radiační teploty se mění mnohem výrazněji, než teplota
poměrová. Kdybychom ale použili poměrový pyrometr s různými typy detektorů (Si/Ge,
Si/InGaAS apod), nemusela by být poměrová teplota tak stabilní. Rovněž optická vlákna,
která se pro poměrové i radiační pyrometry často používají, nemusí být zcela necitlivá na
měnící se teplotu okolí a mohou měnit svou propustnost různě pro různá spektrální
pásma. Proto, může-li teplota okolí ovlivnit negativně a významně měření, je vhodnější
použít poměrový pyrometr na bázi Si/Si než například na bázi Si/Ge.
5 Stabilita měření poměrovým pyrometrem
Když se podíváme na obrázek 2, můžeme jasně vidět, že radiační hodnoty teploty
jsou lokálně mnohem stabilnější a méně rozkmitané než údaj poměrové teploty. Je to
dáno tím, že se drobné náhodné zákmity jednotlivých kanálů jako chyby měření sčítají
a výsledná chyba musí být zakonitě větší, než chyba měření z jednotlivých kanálů. Tento
negativní vliv je pro poměrovou a vícebarevnou pyrometrii typický. Dá se ho částečně
eliminovat pomocí filtrace signálů, použití klouzavého průměru apod., ale nikdy nezmizí
úplně a může se stát, že měření poměrovým pyrometrem zcela zdeformuje a znehodnotí.
6 Použití poměrového pyrometru
6.1 Částečné zakrytí zorného pole
Poměrové zpracování signálu je výhodné z hlediska malé citlivosti poměrového
pyrometru na změnu velikosti žhavého objektu v jeho zorném poli. Pokud se třeba
velikost žhavého objektu v zorném poli zmenší na polovinu, poměr obou signálů a tedy
i údaj teploty pyrometru zůstane nezměněn. V případě běžného pyrometru by stejná
změna velikosti měřeného signálu znamenala chybu, která by zcela zkreslila celé měření.
Graf dole zobrazuje vliv zmenšení velikosti objektu v zorném poli poměrového
pyrometru postupným zakrytím a opětovným odkrytím zorného pole pyrometru pomocí
irisové a poté obdelníkové clony. Barevné teplotě tB odpovídá signál, který méně reaguje
na vliv zmenšení zorného pole. Teplotám t1 a t2 odpovídají dva signály ležící těsně
u sebe, které rychle reagují na míru zakrytí zorného pole pyrometru.
Obr 3: Reakce radiačního a poměrového pyrometru na zakrytí zorného pole
Poměrové pyrometry je výhodné použít, dochází-li k absorbci záření neselektivními
složkami, např. kouřem, prachem, rozptylem na vodních kapičkách a mlze. Dále také
v případech, kdy není pokryto celé zorné pole měřeným žhavým objektem nebo se
velikost tohoto pokrytí mění v průběhu měření. Poměrový pyrometr je možno použít
i tehdy, když dochází přes umístění pyrometru ve speciálním krytu k znečištění objektivu.
Poměrový pyrometr je vhodné použít pro měření skrze mechanickou překážku, která
částečně zakrývá zorné pole pyrometru (např. závity cívky při indukčním ohřevu). Tento
způsob užití poměrového pyrometru se však netýká měření skrze sklo, slídu, průhledné
plastické hmoty apod., kdy je nutno uvážit vliv nešedostí těchto materiálů.
Poměrový pyrometr tedy nalezne využití v hutnictví při měření teploty vysokopecní
vsázky, při měření teploty proudu železa z vysoké pece během odpichu, také při měření
teploty horkého kovu ve slévárnách, v cementářské peci a obecně všude tak, kde dochází
k velkému vývinu kouře a prachu.
6.2 Bezdotykové měření teploty rychle se pohybujícího drátu (tyčoviny)
Měření teploty rychle se pohybujícího drátu či tyčoviny je poměrně náročný problém.
Materiál vibruje kolmo na směr zaměření pyrometru nepředvídatelným způsobem tak, že
se může dostat částečně i úplně mimo zorné pole radiačního pyrometru. Tento problém se
obvykle řeší použitím pyrometru se scanováním, který rozmítá měřený paprsek v rozmezí
10 - 20 cm. Tyto pyrometry jsou obvykle poměrně drahé a jejich mechanická část bývá
hodně poruchová.
Obvykle rozkmit měřeného materiálu není větší než 2 - 5 cm, což umožňuje využít
schopnost přesného měření poměrového pyrometru i při ne zcela zakrytém zorném poli
pyrometru. Použití poměrového pyrometru v těchto případech je lacinější, míň poruchové
a bývá i přesnější.
Obr 4.: Snížení vlivu pohybu materiálu v zorném poli poměrovým měřením teploty
6.3 Měření teploty sváru při indukčním svařování
Měření teploty sváru během indukčního ohřevu je poměrně náročný problém.
Materiál se pohybuje v prostoru svařování rychlostí až 50 m/min. Svařovací bod je malý
a pohybuje se v zorném poli pyrometru ze strany na stranu. V místě sváru se vyskytují
velké teplotní gradienty. V měřícím prostoru se vyskytuje stříkající voda s emulzí, vodní
pára a také velké množství jisker. Rovněž indukční proudy v induktoru mohou ovlivnit
elektroniku pyrometru, pokud bude umístěn příliš blízko.
Řešením tohoto problému je použití poměrového pyrometru se speciální optickou
hlavicí a optickým vláknem ke kontrole vysokofrekvenčního generátoru pro svařování.
Poměrový pyrometr na bázi Si/Si zajistí, že ovlivnění měření vodní parou s emulzí bude
minimální.
6.4 Měření teploty proudu roztaveného materiálu
K měření teploty proudu roztaveného kovu či jiných materiálů se s různým stupněm
úspěšnosti používají poměrové i jednopásmové pyrometry. O úspěchu měření rozhoduje
především charakter proudění, je-li laminární nebo turbulentní, a způsob jakým ovlivňuje
měření. Turbulentní proudění způsobuje velké výkyvy teploty, které se velmi obtížně
eliminují a zvláště u poměrového pyrometru mohou negativně ovlivnit měření.
Laminární proudění se dá poměrně dobře měřit. Není-li proud kovu příliš úzký a
nepohybuje-li se v zorném poli pyrometru, bývá pro měření vhodnější jednopásmový
pyrometr, protože měření je stabilnější a lépe opakovatelné. Pokud se ale poměrně úzký
proud materiálu v zorném poli pyrometru pohybuje, lze problém měření řešit pomocí
poměrového pyrometru.
6.5 Hlídání plamene pomocí poměrového pyrometru
Poměrový pyrometr lze užít k přibližnému určení teploty plamene a hlídání hoření
plamene. Následující graf zobrazuje simulaci kontroly hlídání plamene v laboratorních
podmínkách.
Obr 5.: Měření teploty plamene radiačním a poměrovým pyrometrem
Horní nejvíce rozkmitaný signál odpovídá teplotě naměřené poměrovým pyrometrem
na bázi Si/Si. Spodní dva signály odpovídají teplotám určeným z jednotlivých kanálů Si
detektorů. Prvních asi 35 s byl pyrometr zaměřen na pozadí s teplotou 900 °C. Pak byl
zapálen plamen mezi pyrometrem a zdrojem záření pozadí. V přibližně 85 s experimentu
bylo horké pozadí zakryto a do 125 s byla měřena pouze teplota plamene. Následně bylo
pozadí o teplotě 900 °C opět odkryto. Ve 155 s byl plamen zhašen.
6.6 Další možnosti využití poměrového pyrometru
Pyrometr pracující na dvou a více spektrálních pásmech, pokud umožňuje měření na
jednotlivých kanálech, se dá velmi dobře využít pro různé zkušební a testovací měření.
Porovnání radiační a poměrové teploty umožňuje zvolit vhodný způsob měření pro danou
aplikaci a lépe pochopit problematiku měření. Pokud se měří teplota polopropustného
materiálu, měření na dvou spektrálních pásmech umožňuje měřit teplotu v dvou různých
efektivních hloubkách pod povrchem materiálu.
Poměrový pyrometr lze také použít k monitorování horkých spalin a emisí. Velmi
speciální je také použití poměrového pyrometru při měření teploty válcovaného Al, kde
umožňuje eliminovat vliv emisivity měnící se vlivem příměsi Mg. Možných aplikací
poměrového pyrometru je samozřejmě víc, než zde bylo možno zmínit.
Poměrový (barevný) pyrometr může být velmi efektivní nástroj pro měření teploty
bezdotykovým způsobem. Není to ale všelék a řešení pro všechny možné aplikace, jež se
mohou v praxi vyskytnout. Umožňuje-li pyrometr měřit současně radiační i poměrovou
teplotu, stává se v praxi velmi užitečným prostředkem pro analýzu problému měření.
Použitá a doporučená literatura:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Dewitt, D.P., Nutter, Gene D.: Theory and practise of radiation thermometry. A Wiley-Interscience
publication. USA 1989.
Pyrometrie II, DT ČSVTS, Praha 1990.
Szeruda, R.: Aplikace dvoupásmového pyrometru v polovodičovém průmyslu.
Szeruda, R.: Bezdotykové měření teploty ve válcovnách oceli. AUTOMA 9-10, Praha 1995.
Szeruda, R.: Měření teploty křemíku v polovodičovém průmyslu. Měření a regulace teplot v teorii a
praxi. Ostrava 2005.
Szeruda, R.: Problematika bezdotykového měření teploty skla. Sklář a keramik 9-10/1999.
Szeruda, R.: Vybrané aplikace bezdotykového měření teploty. Měření teplot v provozu, Ostrava 1996.
Szeruda, R.: Základy bezdotykového měření teploty. Měření teplot v provozu. Ostrava 1996.
Download

Měření teploty poměrovým pyrometrem