Pirometr

Pirometr

Pirometr

Dokładność wszystkich pomiarów temperatury w procesie produkcji ma ogromne znaczenie dla zapewnienia jakości, wydajności i bezpieczeństwa. Określenie temperatury bez kontaktu lub zbliżania się do przedmiotu jest wymagane w wielu gałęziach przemysłu, a można tego dokonać tylko przy użyciu pirometrów. Czym są te małe urządzenia, w jakich rodzajach występują i jak dbać o dokładność ich pomiarów?

Czym jest pirometr?

Możesz czuć ogień z pewnej odległości, ponieważ emituje promieniowanie cieplne we wszystkich kierunkach. Jest ono oczywiście związane z jego temperaturą w bardzo przewidywalny sposób. Jeśli więc możesz zmierzyć długość fali promieniowania, możesz również dokładnie oszacować temperaturę, nawet jeśli stoisz z dala od badanego przedmiotu. To właśnie zasada działania pirometru, który jest bardzo dokładnym termometrem mierzącym temperaturę z promieniowania cieplnego emitowanego z bezpiecznej odległości, która może wynieść nawet powyżej 30m.

Dobry pirometr mierzy ciepło wpuszczane z obiektu, co na panelu jest widoczne jako jaskrawe lub żarzące się pole. Pirometry są klasą termometrów stosowaną przez naukowców do określania poziomu i rodzaju ciepła emitowanego z obiektu. Istotną różnicą między pirometrem i innymi typami termometrów jest to, że pozwalają oszacować temperaturę obiektów, przy których stanięcie byłoby niebezpieczne np. przez opary czy promieniowanie radioaktywne. Z powodu różnych potrzeb naukowców, przedsiębiorców i hobbystów powstało kilka rodzajów pirometrów.

Rodzaje pirometrów

Istnieją trzy podstawowe rodzaje pirometrów:

  1. Pirometry szerokopasmowe

Pirometr szerokopasmowy jest jednym z najczęściej używanych pirometrów przez naukowców. Rejestruje szerokopasmowe fale promieniowania, zwykle około 0,3 mikrona. Choć najczęściej używane, mogą mieć duże błędy w odczytach, ponieważ wyłapują niewielką ilość ciepła z obiektów, więc wszystko – od pary wodnej do pyłu, może spowodować błąd odczytu.

  1. Pirometry optyczne

Chociaż wszystkie pirometry są optyczne w tym sensie, że potrafią odczytać ciepło obiektu z pewnej odległości, pirometr optyczny pozwala badaczowi widzieć ciepło. Pirometr optyczny mierzy długości fal podczerwieni i bezpośrednio pokazuje użytkownikowi rozkład ciepła obiektu. Inne pirometry mają zwykle ekran, który zapewnia wyniki skanowania optycznego. Pirometr optyczny działa na podobnej zasadzie jak teleskop, więc trzeba spojrzeć w obiektyw aby zobaczyć długości fal podczerwonych obiektu. Pirometry optyczne są jednym z najstarszych typów pirometrów i są w stanie zobaczyć poziomy długości fal do 0,65 mikrona.

  1. Pirometry cyfrowe

Znane także jako termometry na podczerwień. Pirometr cyfrowy wykonuje wszystkie pomiary automatycznie i nie wymaga od użytkownika żadnej ingerencji czy zmiany ustawień. Aktualnie są to też najbardziej precyzyjne urządzenia.

Niektóre urządzenia opisane jako pirometry muszą dotykać mierzonego obiektu. Ściśle mówiąc, takie instrumenty to tak naprawdę tylko termometry wysokotemperaturowe oparte na termoparach. Ponieważ nie mierzą temperatury na odległość, nie są w ogóle pirometrami i nie powinny być tak nazywane.

Zadania pirometrów

Współczesne pirometry występują w różnych typach i wzorach, dzięki czemu mogą sprostać niejednemu zadaniu. Niektóre urządzenia mierzą całe spektrum emitowanego promieniowania, inne pirometry określają pojedynczy zakres, kolejne mogą dokonywać dokładniejszych pomiarów, porównując dwa pasma fal. Niektóre pirometry są zaprojektowane do szybkiego jednorazowego pomiaru, więc mają kształt pistoletów, z wbudowanymi wykrywaczami, wzmacniaczami sygnału, źródłami zasilania i miernikami temperatury. Wskazujesz im obiekt, który chcesz zmierzyć, naciskasz spust i gotowe – są więc świetne dla hobbystów.

Wiele procesów przemysłowych opiera się na stałych, precyzyjnych pomiarach i sterowaniu temperaturą. Do tego rodzaju zastosowań ręczne pirometry „pistoletowe” nie są odpowiednie. Zamiast tego wykorzystuje się światłowody (lub podobne prowadnice świetlne), które są zamocowane na stałe obok jakiegokolwiek urządzenia. Pozwala to przeprowadzenie monitoringu  i zbieranie promieniowania z gorącego obszaru i skierowanie go do odległego detektora, zwykle połączonego z elektronicznym, automatycznym systemem regulującym cały proces produkcyjny.

Jaki pirometr wybrać?

Na rynku dostępnych jest kilka różnych pirometrów, ale kluczowe czynniki decydujące o wyborze właściwego urządzenia do najdokładniejszego pomiaru temperatury w procesie są takie same. Oto paramenty, na które należy zwrócić uwagę, aby otrzymać precyzyjne pomiary:

  1. Długość fali detektora a zakres temperatur

Widmo elektromagnetyczne zawiera wiele różnych form emisji, w tym promieniowanie podczerwone, światło widzialne, promieniowanie rentgenowskie, fale radiowe i kilka innych. Jedyną różnicą między tymi emisjami jest ich długość fali (w odniesieniu do częstotliwości). Pirometry zaprojektowano tak, aby zazwyczaj reagowały na długości fali w części podczerwonej widma. W praktyce pomiar temperatury odbywa się za pomocą pirometrów, które działają w wielu różnych zakresach długości fali, które zwykle mieszczą się w zakresie 0,5-15 μm. Najdokładniejsze odczyty temperatury mają miejsce w przypadku pirometrów o krótkich falach.

Zazwyczaj procesy wysokotemperaturowe w przemyśle stalowym i szklanym są mierzone za pomocą pirometrów 1 μm. Dzięki najnowszym osiągnięciom technicznym pirometry o krótkich falach mogą osiągnąć nawet 50°C z detektorem 2,1 μm i nadal zachowywać szeroki zakres temperatur do 1100°C. Pozwala to na ich wykorzystanie w szerokim zakresie procesów przemysłowych.

  1. Długość fal a przedmiot i warunki badania

Innym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy wyborze długości fali detektora, jest to, jaki rodzaj aplikacji jest mierzony, łącznie ze ścieżką transmisji emitowanej energii i właściwościami mierzonego materiału. W przypadku półprzezroczystych produktów, takich jak szkło lub plastik, konieczne jest staranne rozważenie właściwości przenoszenia, pochłaniania i odbijania materiału. Energia podczerwieni odbierana przez pirometr z ogrzewanego celu jest sumą trzech wielkości: emitowanego promieniowania z powodu temperatury, promieniowania tła odbijanego od celu i energii przesyłanej przez cel. W tym przypadku najlepiej sprawdzą się pirometry o długości fal 5 μm. Typowy pirometr o zakresie 8-14 μm stosowany do pomiaru szkła miałby problemy z ustaleniem odbicia energii, więc zmierzona temperatura byłaby niedokładna.

  1. Emisyjność

Emisyjność materiału, zwykle określanego jako e, to stosunek energii emitowanej przez materiał do energii emitowanej przez ciało doskonale czarne (idealny absorber i emiter) w tej samej temperaturze. Jest miarą zdolności materiału do wchłaniania i promowania energii. Emisyjność jest wartością liczbową z zakresu od 0 do 1.

Wartość emisyjności materiału zależy od jego właściwości na poziomie molekularnym. Dla przykładu przetwarzana stal nieutleniona może mieć wartość emisyjności przy 1 μm około 0,35. Po utlenieniu wartość ta może zmienić się na 0,85. Jest ona zwykle określana przy długości fali – emisyjność polerowanego metalu ma tendencję do zmniejszania się, gdy długość fali staje się dłuższa. To wraz z zależnością energetyczną jest zwykle najlepszym wyborem pirometru o krótkiej długości fali, zwłaszcza w przypadku obróbki metali.

Rzeczywista zmiana sygnału wyjściowego z pirometru o krótkich falach często wynosi około 1% na każdą zmianę temperatury docelowej o 1°C podczas oglądania celu w temperaturze 1000°C. Wynikiem tego jest to, że zmniejszenie o 1% energii promieniowania, co prawdopodobnie ze względu na zmianę emisyjności celu, spowoduje spadek wskazanej temperatury tylko o 1°C. Przekłada się to na błąd wynoszący 0,1% w temperaturze. Jeśli nie zostanie wybrana prawidłowa wartość emisyjności, może wystąpić znaczący błąd pomiaru.

Określenie emisyjności materiału jest zatem tak samo ważne, jak wybór właściwej długości fali pirometru do pomiaru temperatury. Emisyjność może być określona na linii produkcyjnej za pomocą zaawansowanych technik próbkowania przy użyciu pirometru o zwiększonej emisyjności, który integruje emitowane i odbite promieniowanie. Alternatywnie, próbka materiału z określoną temperaturą procesu i warunkami atmosferycznymi może być wysłana do laboratoriów kalibracyjnych producenta pirometru, gdzie zazwyczaj oferowana jest usługa określania emisyjności.

Kalibracja pirometrów

Regularne, możliwe do prześledzenia kontrole kalibracji, są niezbędne dla wszystkich urządzeń do pomiaru temperatury, aby zapewnić dokładność. Warto pamiętać o tym, że na rynku znajdują się przemysłowe pirometry, które przez 65 lat potrafią pokazywać idealne odczyty, ale pojawiają się również i takie urządzenia, które po roku mają problem z dokładnością.

Producent zwykle publikuje zależność pirometru od temperatury otoczenia. Z biegiem czasu instrumenty pracujące w warunkach wyższych niż warunki laboratoryjne będą zmieniać swoje pomiary, ponieważ jony w czujniku fizycznie migrują i rozpraszają się, zmieniając właściwości elektryczne detektora, a tym samym odczyt temperatury.

Istnieje wiele powodów, dla których konieczne jest przeprowadzenie okresowej kalibracji. Warunki na miejscu mogą mieć znaczący wpływ na dokładność i stabilność pomiaru temperatury. Zalicza się do nich:

  • brud,
  • kurz,
  • wibracje,
  • fizyczne uderzenia,
  • wstrząsy,
  • zwiększona wilgotność.

Wiodące produkty na podczerwień są zaprojektowane tak, aby były z natury stabilne. Posiadają przeważne obudowy ochronne do trudnych warunków przemysłowych, ale jedynym sposobem zapewnienia wydajności jest sprawdzenie urządzeń w laboratorium i kalibrowanie ich.

Dla branż działających poza standardem jakości, który określa okres kalibracji, należy ostatecznie wydać orzeczenie na podstawie oceny ryzyka. Kluczowymi zmiennymi, które należy uwzględnić w tej ocenie, są:

  • Jakie są wymagania dotyczące dokładności procesu?
  • Jaka jest krytyczność pomiaru temperatury?
  • W jakim środowisku przemysłowym działa dany pirometr?
  • Jaka jest częstotliwość korzystania z niego?

Podsumowanie

Na uzyskanie pomiaru dokładnej temperatury za pomocą bezkontaktowego pirometru wpływ ma wiele różnych czynników. Wybór długości fali określającej emisyjność i rutynowe kontrole kalibracji pirometru są kluczowymi czynnikami poprawiającymi dokładność pomiaru. Kilka innych aspektów, takich jak temperatura tła, energia odbita, pomiar w cieplejszym otoczeniu itd., również mają wpływ jakość odczytów. Jeśli więc pirometr jest narządzeniem, z którego będziesz korzystać jedynie w celach hobbistycznych i precyzja pomiarów nie będzie miała wpływu na Twoje bezpieczeństwo, to możesz zdecydować się na urządzenie kosztujące nie więcej niż 200 zł. Jeśli natomiast pirometr ma być ważną częścią w procesie produkcyjnym, to trzeba wybierać wyłącznie wysokopółkowe narzędzia.

Pirometr” - Opinie i komentarze

  1. Jaki pirometr będzie najlepszy? Moim zdaniem bardzo dużo aspektów ma tutaj znaczenie. Doskonale jest to zaprezentowane wyżej, w tekście. Korzystałem kiedyś z optycznego, ale jednak cyfrowy jest dla mnie wygodniejszy. To bardzo dobry sprzęt, ale wiadomo, nie jest potrzebny każdemu.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *