Безконтактне вимірювання температури металів, спеціальна стаття
Майже на всіх промислових етапах виробництва підтримку заданої температури є фактором, що забезпечує технологічний процес і якість продукції. Безконтактні інфрачервоні термометри отримали при цьому широку популярність як вимірювальної техніки, оскільки вони не впливають на об'єкт вимірювання. Це стосується і процесу вимірювання металів.
Правильний контроль і управління температурою технологічного процесу вимагають якісного консультування з боку виробника або базових знань з вимірювальної техніки у клієнта. У даній статті наводиться основна інформація по важливих параметрах, наприклад, коефіцієнтом випромінювання і відображення, а також випливають з них помилок вимірювання. Додатково показується, як вони впливають на вимір металів, і чому тут можливе використання надійного і відтвореного безконтактного способу вимірювання.
Інфрачервоний спектр випромінювання
Якщо об'єкт має температуру вище абсолютного нуля 0 K (-273,15 ° C), то він випускає пропорційне своїй власній температурі електромагнітне випромінювання. Інфрачервона спектральна область займає при цьому в усьому електромагнітному спектрі випромінювання тільки дуже обмежену ділянку. Він розташовується від кінця видимої спектральної області близько 0,78 мкм до значень довжини хвилі 1 000 мкм. Спектр представляє інтерес для вимірювання температури інфрачервоного випромінювання досягає діапазону від 0,8 до 14 мкм. Вище даних значень довжини хвилі кількості енергії незначні до такої міри, що чутливість детекторів недостатня для їх вимірювання.
Випускається об'єктом інфрачервоне випромінювання проходить крізь атмосферу і може за допомогою лінзи фокусуватися на детектор. Детектор генерує електричний сигнал, відповідний випромінюванню. Перетворення сигналу в пропорційну температурі об'єкта вихідну величину здійснюється за допомогою посилення сигналу і подальшої цифрової обробки. Вимірюється величина може відображатися на дисплеї або видаватися в якості електричного сигналу.
Стандартні виходи для передачі вимірюваних величин в системи регулювання доступні в формі лінійних сигналів 0 / 4-20 мА, 0-10 В і в якості сигналів термопар. Крім цього, більшість використовуваних сьогодні інфрачервоних термометрів мають цифрові інтерфейси (USB, RS232, RS485, реле, PROFIBUS DP, шина даних CAN, Ethernet) для виведення даних, а також для прямого доступу до параметрів пристроїв.
Розрахунок температури за допомогою інфрачервоного випромінювання
Будучи приймачем випромінювання, детектор є найважливішим елементом кожного інфрачервоного термометра. Внаслідок надходить електромагнітного випромінювання виникає електричний сигнал, який можна точно проаналізувати. Сигнал детектора U і температура об'єкта TОб'екта мають наступну взаємозв'язок:
Сигнал детектора, отриманий з випускається випромінювання об'єкта в загальному спектрі випромінювання, збільшується пропорційно четвертого ступеня абсолютної температури об'єкта. Це означає наступне: якщо температура об'єкта вимірювання збільшується в два рази, сигнал детектора підвищується на коефіцієнт 16.
Оскільки необхідно враховувати разом зі ступенем випромінювання ε об'єкта і відбите випромінювання навколишнього середовища на поверхню об'єкта tокр. пор. і власне випромінювання інфрачервоного термометра TПіром. (C - специфічна для пристрою постійна), формула змінюється наступним чином:
До того ж, інфрачервоні термометри працюють не в загальному спектрі випромінювання. Показник ступеня n залежить від довжини хвилі. Показник n для довжин хвиль від 1 до 14 мкм знаходиться в діапазоні 17 ... 2, у короткохвильових вимірювальних приладів для визначення температури металу (від 1,0 до 2,3 мкм) - між 15 ... 17:
Температура об'єкта розраховується за допомогою перестановки останньої формули. Результати розрахунків для всіх зустрічаються значень температури в вигляді сімейства кривих зберігаються в пам'яті ЕСППЗУ інфрачервоного термометра:
Інфрачервоні термометри отримують досить сигналу для вимірювання температури. Виходячи з рівнянь видно, що поряд з областю довжини хвилі (спектр випромінювання) важливе значення має і відбите випромінювання навколишнього середовища і коефіцієнт випромінювання, коли потрібно точно визначити температуру. Значення даного параметра виводиться і пояснюється в подальшому.
Модель АЧТ - важлива опорна характеристика
Уже в 1900 році Планк, Стефан, Больцман, Вин і Кірхгоф дали точне визначення електромагнітного спектру і встановили кількісні та якісні взаємозв'язки для опису інфрачервоної енергії. Модель АЧТ утворює базу для розуміння фізичних основ безконтактної технології вимірювання температури і калібрування інфрачервоних термометрів.
З одного боку, модель АЧТ є тіло, яке поглинає все падаюче на нього випромінювання; на ньому не з'являється ні відображення (ρ = 0), ні передача (τ = 0). Його коефіцієнт поглинання α становить одиницю. З іншого боку, модель АЧТ в залежності від своєї власної температури для кожної довжини хвилі випускає максимально можливу кількість енергії. Його коефіцієнт випромінювання ε також становить одиницю.
Конструкція моделі АЧТ дуже проста. Нагрівається закрите порожнисте тіло, яке на одному кінці має невеликий отвір. Якщо це тіло довести до будь-якої, але постійної температури, то ця порожнина буде перебувати в температурному рівновазі, і з отвору виходитиме ідеалізоване випромінювання загального електромагнітного спектру.
Закон випромінювання Планка показує основну взаємозв'язок для безконтактного вимірювання температури. Він описує специфічне спектральне випромінювання M λs моделі АЧТ в півпросторі в залежності від своєї температури T і розглянутої довжини хвилі λ (c: швидкість світла, h: квант дії по Планку):
На додається діаграмі для прикладів температури показано в кожному випадку в логарифмічному вигляді спектральний випромінювання M λs моделі АЧТ вище довжини хвилі λ.
Можна вивести кілька взаємозв'язків. Коротка характеристика двох з них дається далі. За рахунок інтеграції спектральної інтенсивності випромінювання по всіх довжинах хвиль від нуля до нескінченності отримують величину для всього випускається тілом випромінювання. Цей взаємозв'язок позначають як Закон Стефана-Больцмана. Практичне значення безконтактного вимірювання температури вже пояснювалося в розділі з розрахунку температури.
Другий видимої з графічного зображення взаємозв'язком є те, що довжина хвилі, при якій виникає максимальна інтенсивність випромінювання, при збільшенні температури зміщується в область короткохвильового діапазону. Ця характеристика лежить в основі Закону зміщення Віна і виводиться шляхом диференціювання з рівняння Планка.
Отже, висока інтенсивність випромінювання є підставою, але не найважливішим, для того, чому метали, що мають високу температуру, вимірюються при коротких довжинах хвиль. У довгохвильовому діапазоні теж є вельми висока інтенсивність. Найбільший вплив надають коефіцієнт випромінювання і відображення, а також випливають з них помилки вимірювання, оскільки у випадку з металом мова йде про селективному випромінювачі.
Металеві поверхні в якості селективного випромінювача
В реальності чи тіло відповідає ідеалу АЧТ. На практиці ж поверхні випромінювача використовуються для калібрування датчиків, які в необхідному діапазоні довжин хвиль досягають коефіцієнти випромінювання до 0,99. За допомогою коефіцієнта випромінювання ε (епсилон), який показує співвідношення реальної величини випромінювання об'єкта і чорного випромінювача при однаковій температурі, можна прекрасно вимірювати температуру об'єкта за допомогою вимірювання випромінювання. Коефіцієнт випромінювання при цьому завжди знаходиться між нулем і одиницею; недостатня частка випромінювання компенсується за допомогою вказівки коефіцієнта випромінювання.
Багато вимірювані поверхні мають постійний коефіцієнт випромінювання вищих довжин хвиль, але випускають в порівнянні з АЧТ менше випромінювання. Вони називаються сірими випромінювачами. Велика кількість неметалічних матеріалів мають як мінімум в довгохвильовій спектральної області, незалежно від властивостей їх поверхні, високим і відносно постійним коефіцієнтом випромінювання.
Об'єкти, чиї коефіцієнти випромінювання серед іншого залежать від коефіцієнта випромінювання і довжини хвилі, наприклад, металеві поверхні, називаються селективними випромінювачами. Є кілька важливих причин, за якими вимір металів має завжди виконуватися в короткохвильовому діапазоні. По-перше, металеві поверхні при високих температурах і коротких довжинах вимірюваних хвиль (2,3 мкм 1,6 мкм; 1,0 мкм, 0,525 мкм) мають не тільки максимальну інтенсивність випромінювання, але і максимальний коефіцієнт випромінювання. По-друге, тут вони зрівнюються з коефіцієнтом випромінювання оксидів металів, так що похибки температури, викликані змінним коефіцієнтом випромінювання (мінливістю), зменшуються.
Іншим важливим моментом, що впливає на вибір інфрачервоного термометра, що виконує вимірювання в діапазоні коротких хвиль, є та обставина, що метал в порівнянні з іншими матеріалами може володіти невідомими коефіцієнтами випромінювання. Пірометри, що виконують вимірювання в діапазоні коротких хвиль, істотно зменшують похибки вимірювання при неправильно налаштованому коефіцієнті випромінювання.
Інфрачервоний термометр optris для вимірювання металів
Фірма Optris GmbH пропонує широкий вибір пірометрів вимірювання температури металів і тепловізорів для різноманітних областей застосування в металообробній промисловості.
Високотемпературні вимірювання металів
Наступні інфрачервоні термометри відмінно підходять для вимірювання дуже високих температур металів, оксидів металів і кераміки:
Низькотемпературні вимірювання металів
Вимірювальні прилади широко використовуються в металообробній промисловості і для вимірювань в низькому діапазоні температур. Для даного випадку застосування фірма Optris пропонує наступні інфрачервоні термометри:
Вимірювання температури рідких металів
Завдяки дуже короткій довжині хвилі вимірювання, такі інфрачервоні термометри найкращим чином підходять для вимірювання температури рідких металів:
Тепловізори для вимірювання температури металів
Тепловізори серії optris PI можуть застосовуватися також для вимірювань температури металу в наступному діапазоні: