Rola emisyjności w pomiarach

Pirometry jednopasmowe (jednobarwne)

Założenie: Emisyjność jest stała i znana.

Pirometry jednopasmowe mierzą amplitudę energii podczerwonej zebranej w określonym zakresie długości fal. Czujniki te podają średnią temperaturę i są podatne na zmiany emisyjności, zabrudzenia optyki i inne przeszkody optyczne. Rozproszona energia podczerwona ze źródeł tła wpłynie na odczyt czujnika, jeśli energia ta jest znaczna. Czułość na zmiany emisyjności, przeszkody optyczne i energię tła zmienia się wraz z długością fali. Wybór długości fali może mieć znaczący wpływ na zdolność widzenia przez niektóre media pośredniczące, takie jak para, płomienie lub gazy spalinowe.

Pirometry dwupasmowe (dwufalowe lub dwubarwne)

Założenie: Stosunek emisyjności przy długościach fal A i B jest w miarę stały i znany (definicja materiału szarego).

Pirometry dwubarwne mierzą stosunek energii zebranej przy dwóch sąsiednich długościach fal. Na wartość stosunku nie mają wpływu tak zwane „szare” przeszkody (te, które w równym stopniu zasłaniają obie długości fal). Dzięki temu czujniki te są w stanie korygować zmiany emisyjności i widzieć przez dym, pył i większość innych przeszkód optycznych. Pirometr ten ma tendencję do zapewniania bardzo silnie ważonej średniej tylko dla najgorętszej obserwowanej temperatury. W porównaniu z pirometrem o pojedynczej długości fali, energia podczerwona rozpraszająca się z cieplejszego tła będzie miała większy wpływ na odczyt czujnika, a z chłodniejszego tła – mniejszy. Czułość na zmiany współczynnika emisyjności przy długościach fal A i B (nachylenie emisyjności lub nachylenia) różni się w zależności od pary długości fal. Podobnie czułość na niektóre rodzaje mediów pośrednich, takich jak woda, para wodna lub produkty uboczne spalania, będzie się różnić w zależności od wyboru długości fali.

Kiedy temperatura ma znaczenie - emisyjność i pomiar temperatury

Wpływ czynników środowiskowych

Poniższy wykres pokazuje, że przepuszczalność powietrza silnie zależy od długości fali. Obszary o wysokim tłumieniu przeplatają się z obszarami o wysokiej przepuszczalności – tzw. okna atmosferycznych. Przepuszczalność w długofalowym oknie atmosferycznym (8…14 μm) jest stale wysoka, natomiast ze względu na atmosferę w obszarze fal krótkich występują mierzalne spadki, co może prowadzić do fałszywych wyników. Typowe okna pomiarowe to 1,1…1,7 μm, 2…2,5 μm i 3…5 μm. Dodatkowymi zmiennymi wpływającymi na pomiar są potencjały ze źródeł ciepła w otoczeniu obiektu pomiarowego. Aby zapobiec błędnym wynikom pomiarów spowodowanym podwyższoną temperaturą otoczenia, termometr na podczerwień kompensuje wpływ temperatury otoczenia z wyprzedzeniem (np. podczas pomiaru temperatury metali w piecach przemysłowych, gdzie ściany pieca są gorętsze niż obiekt pomiarowy). Druga głowica pomiarowa temperatury pomaga uzyskać dokładne wyniki pomiarów, automatycznie kompensując temperaturę otoczenia i prawidłowo dostosowując współczynnik emisyjności.
Pył, dym i zawieszone cząsteczki w atmosferze mogą zanieczyszczać soczewkę i powodować fałszywe wyniki pomiarów. Zastosowanie urządzeń do przedmuchiwania powietrzem (nakręcane złącza rurowe z sprężonym powietrzem) zapobiega gromadzeniu się cząstek zawartych w powietrzu na soczewce. Akcesoria do chłodzenia powietrzem i wodą umożliwiają stosowanie termometrów na podczerwień nawet w trudnych warunkach środowiskowych.

Jak mierzyć materiały o niskiej emisyjności i wysokiej temperaturze?

Prostą złotą zasadą pomiaru temperatury metali wysokotemperaturowych jest stosowanie czujnika o najkrótszej możliwej długości fali dla wymaganej temperatury pomiarowej. Można przyjąć, że jeśli materiał ma nieznaną lub zmienną emisyjność, czujnik o krótkiej długości fali znacznie zmniejszy potencjalny błąd wynikający z nieprawidłowego ustawienia emisyjności w czujniku. Poniższy wykres przedstawia błędy dla czujników o różnych długościach fal przy zaledwie 10% błędzie w ustawieniu emisyjności. Wyraźnie widać, że długość fali 1,0 µm ma znacznie mniejszy błąd, w zakresie 1-2%, w porównaniu z czujnikiem 8-14 µm, który może łatwo przekroczyć 8% w wyższych temperaturach. Nasz firma dysponuje wiedzą specjalistyczną, która pomoże Ci w wyborze czujnika do materiałów o niskiej emisyjności i wysokiej temperaturze, w tym stopionych metali.

Błąd pomiaru spowodowany nieprawidłowym wpisaniem emisyjności o 10% w zależności od długości fali i temperatury obiektu
(LT: 8…14 μm; G5: 5 μm; MT: 3.9 μm; 3M: 2.3 μm; 2M: 1.6 μm; 1M: 1.0 μm, 08M: 800 nm; 05M: 525 nm)

Dlaczego lepiej jest korzystać z pirometru wąskopasmowego niż szerokopasmowego

Wczesne termometry na podczerwień były uzależnione od szerokiego spektrum podczerwieni dla uzyskania użytecznego sygnału wyjściowego detektora, w przypadku nowoczesnych detektorów całkowicie wystarczająca jest szerokość pasma wynosząca 1μm lub więcej. Konieczność zawężenia widma i wybrania określonych długości fal wynika z faktu, że pomiary często muszą być wykonywane przez medium, którego temperatura nie powinna być uwzględniana w pomiarze ze względu na zawartość węgla lub wodoru. Ponadto czasami konieczne jest pomiar temperatury obiektów lub gazów, które są przepuszczalne w szerokim zakresie widma podczerwieni. Oto kilka przykładów selektywnego ograniczenia widma:

• 8…14μm - wyklucza wpływ wilgotności powietrza na większych odległościach.
• 7.9μm - umożliwia pomiar cienkich folii plastikowych, które są przepuszczalne dla promieniowania podczerwonego.
• 3.86μm - skutecznie tłumi zakłócenia spowodowane przez CO₂ i parę wodną w płomieniu i spalinach.

Zakres temperatur odgrywa ważną rolę w wyborze najbardziej odpowiedniej długości fali do pomiaru. Równanie Plancka  dla ciała doskonale czarnego, pokazuje, że maksimum krzywej promieniowania przesuwa się w kierunku zakresu fal krótkich wraz ze wzrostem temperatury. Nawet w zastosowaniach, w których nie jest wymagany selektywny wybór zakresu spektralnego, korzystne może być ograniczenie zakresu spektralnego do jak najwęższej sekcji fal krótkich. Jedną z zalet jest to, że efektywny współczynnik emisji wielu obiektów jest najwyższy dla metali o krótszych długościach fal. Ponadto ograniczenie to ma korzystny wpływ na dokładność, ponieważ czujniki o wąskim zakresie spektralnym są mniej podatne na zmiany współczynnika emisji mierzonego obiektu.

Kolejny rysunek poniżej przedstawia przykład różnych produktów, których współczynnik emisji zmienia się wraz z temperaturą. Na przykład grafit jest często zwyczajowo oceniany jako materiał o wysokim i stałym współczynniku emisji. Jest jednak odwrotnie: współczynnik emisji wzrasta z 0.4 do 0.65 w zakresie temperatur od 20°C do 1100°C. W przypadku emiterów barwnych, których współczynnik emisji zmienia się wraz z długością fali, istnieją termometry w ofercie firmy OPTRIS umożliwiające wpisanie odpowiedniego współczynnika dla danej temperatury np. CSvision serii R. Takie zastosowania poprzedza szczegółowa analiza właściwości powierzchni danego produktu. Należy na przykład przeanalizować zależność między współczynnikiem emisji, temperaturą, długością fali i składem chemicznym powierzchni. Dane te można wykorzystać do opracowania wartości emisyjności dla danej temperatury, które w znaczący sposób wiążą promieniowanie z temperaturą. W niektórych zastosowaniach metoda ta jest najlepszym, jeśli nie jedynym sensownym rozwiązaniem do pomiaru temperatury.

Ogólnie rzecz biorąc, materiały metaliczne charakteryzują się niską emisyjnością, która w dużym stopniu zależy od rodzaju powierzchni i spada przy wyższych długościach fal.