Как работают пропорциональные пирометры? | Приборы Fluke Process

Теория и применение инфракрасного измерения температуры

Инфракрасные термометры для бесконтактного измерения температуры представляют собой высокоразвитые датчики, которые широко применяются в промышленной обработке и исследованиях. В этой статье в нематематических терминах описывается теория технологии измерения и то, как она используется с различными прикладными параметрами.

Инфракрасный термометр измеряет температуру, обнаруживая инфракрасную энергию, излучаемую всеми материалами при температурах выше абсолютного нуля (ноль градусов Кельвина). Самая простая конструкция состоит из линзы для фокусировки инфракрасной (ИК) энергии на детектор, который преобразует энергию в электрический сигнал, который может отображаться в единицах температуры после компенсации изменения температуры окружающей среды. Эта конфигурация облегчает измерение температуры на расстоянии без контакта с измеряемым объектом.

Таким образом, инфракрасный термометр полезен для измерения температуры в условиях, когда термопары или другие датчики зондового типа не могут использоваться или не дают точных данных по ряду причин. Некоторые типичные обстоятельства: когда объект, подлежащий измерению, движется; когда объект окружен электромагнитным полем, как при индукционном нагреве; если объект содержится в вакууме или другой контролируемой атмосфере; или в приложениях, где требуется быстрый отклик.

Конструкции инфракрасного термометра (ИРТ) существуют с конца 19 века, и различные концепции были представлены Чарльзом А. Дарлингом [1] в его книге 1911 года «Пирометрия». Однако только в 1930-х годах появилась технология, позволяющая превратить эти концепции в практические измерительные инструменты. С тех пор конструкция претерпела значительные изменения, и был накоплен большой опыт измерений и применения. В настоящее время методика хорошо принята и широко используется в промышленности и в исследованиях.

Принципы измерения

Как указывалось ранее, ИК-энергия излучается всеми материалами при температуре выше нуля градусов К. Инфракрасное излучение является частью электромагнитного спектра и занимает частоты между видимым светом и радиоволнами. ИК-часть спектра охватывает длины волн от 0.7 микрометра до 1,000 микрометров (микрон). См. рис. 1. В этом диапазоне волн для практического повседневного измерения температуры используются только частоты от 0.7 до 20 микрон. Это связано с тем, что ИК-детекторы, доступные в промышленности, недостаточно чувствительны для обнаружения небольшого количества энергии, доступной на длинах волн более 20 микрон.

Читайте также:
Honda представляет снегоочистители серии HSS

Хотя ИК-излучение не видно человеческому глазу, полезно представить его видимым, когда речь идет о принципах измерения и при рассмотрении приложений. Потому что во многих отношениях он ведет себя так же, как и видимый свет. ИК-энергия распространяется по прямым линиям от источника и может отражаться и поглощаться материальными поверхностями на своем пути. В случае большинства твердых объектов, непрозрачных для человеческого глаза, часть ИК-энергии, попадающей на поверхность объекта, будет поглощаться, а часть — отражаться. Часть энергии, поглощенной объектом, будет повторно излучаться, а часть — отражаться внутрь. Это также относится к прозрачным для глаза материалам, таким как стекло, газы и тонкий прозрачный пластик. Но кроме того, часть ИК-энергии также будет проходить через объект (показано на рис. 2). Эти явления в совокупности способствуют тому, что называется коэффициентом излучения объекта или материала.

Материалы, которые не отражают и не пропускают ИК-энергию, известны как черные тела и, как известно, не существуют в природе. Однако для теоретических расчетов абсолютно черному телу присваивается значение 1.0. Ближайшее приближение к коэффициенту излучения черного тела 1.0, которое может быть достигнуто в реальной жизни, – это непрозрачная для инфракрасного излучения сферическая полость с небольшим трубчатым входом (см. Рисунок 3). Внутренняя поверхность такой сферы будет иметь коэффициент излучения 0.998.

Различные виды материалов и газов имеют разную излучательную способность и будут излучать ИК-излучение с разной интенсивностью при заданной температуре. Коэффициент излучения материала или газа зависит от его молекулярной структуры и характеристик поверхности. Обычно это не функция цвета, если только источник цвета не является веществом, радикально отличным от основной массы материала. Практическим примером этого являются металлические краски со значительным содержанием алюминия. Большинство красок имеют одинаковый коэффициент излучения независимо от цвета, но алюминий имеет разный коэффициент излучения, который влияет на коэффициент излучения металлизированных красок.

Как и в случае с видимым светом, чем лучше отполированы некоторые поверхности, тем больше ИК-энергии они будут отражать. Следовательно, характеристики поверхности материала также будут влиять на его излучательную способность. При измерении температуры это наиболее важно в случае непрозрачных для инфракрасного излучения материалов с изначально низким коэффициентом излучения. Таким образом, хорошо отполированный кусок нержавеющей стали будет иметь гораздо более низкий коэффициент излучения, чем такой же кусок с шероховатой обработанной поверхностью. Это связано с тем, что канавки, созданные механической обработкой, предотвращают отражение большей части ИК-энергии. Помимо молекулярной структуры и состояния поверхности, третьим фактором, влияющим на кажущуюся излучательную способность материала или газа, является чувствительность датчика к длине волны, известная как спектральная характеристика датчика. Как указывалось ранее, для практического измерения температуры используются только длины волн ИК-излучения от 0.7 до 20 микрон. В этом общем диапазоне отдельные датчики могут работать только в узкой части диапазона, например, от 0.78 до 1.06 или от 4.8 до 5.2 мкм. Эти причины будут объяснены позже.

Читайте также:
Инаугурационная речь президента Джозефа Р. Байдена-младшего | Белый дом

Теоретические основы измерения ИК-температуры

Формулы, на которых основано инфракрасное измерение температуры, старые, устоявшиеся и хорошо зарекомендовавшие себя. Маловероятно, что большинству пользователей IRT потребуется использовать эти формулы, но их знание позволит оценить взаимозависимость некоторых переменных и поможет прояснить вышеупомянутое. К важным формулам относятся:

  • Закон Кирхгофа: Когда объект находится в тепловом равновесии, количество поглощения равно количеству излучения.
  • Закон Стефана Больцмана: чем горячее становится объект, тем больше инфракрасной энергии он излучает.
  • Закон смещения Вина: длина волны, при которой излучается максимальное количество энергии, становится короче с повышением температуры.
  • Уравнение Планка: описывает взаимосвязь между спектральной излучательной способностью, температурой и лучистой энергией.

Инфракрасный термометр Дизайн и конструкция

Базовая конструкция инфракрасного термометра (IRT) состоит из линзы для сбора энергии, излучаемой целью; детектор для преобразования энергии в электрический сигнал; регулировка коэффициента излучения для согласования калибровки IRT с характеристиками излучения измеряемого объекта; и схема компенсации температуры окружающей среды для обеспечения того, чтобы колебания температуры внутри ИРТ из-за изменений окружающей среды не передавались на конечный результат.

В течение многих лет большинство коммерчески доступных IRT следовали этой концепции. Они были крайне ограничены в применении и, оглядываясь назад, в большинстве случаев не давали удовлетворительных результатов, хотя были долговечны и соответствовали стандартам того времени (см. концепцию, показанную на рис. 4).

Современная ИРТ основана на этой концепции, но она более технологична, чтобы расширить сферу своего применения. Основные различия заключаются в использовании большего количества детекторов; избирательная фильтрация ИК-сигнала; линеаризация и усиление выходного сигнала детектора; и предоставление стандартных конечных выходов, таких как 4–20 мА, 0–10 В постоянного тока и т. д. На рис. 5 показано схематическое изображение типичной современной ИРТ. Вероятно, самым важным достижением в инфракрасной термометрии стало введение селективной фильтрации входящего ИК-сигнала, что стало возможным благодаря наличию более чувствительных детекторов и более стабильных усилителей сигнала. В то время как ранним ИРТ требовалась широкая спектральная полоса ИК для получения работоспособного выходного сигнала детектора, современные ИРТ обычно имеют спектральную характеристику всего 1 микрон. Потребность в отборных и узких спектральных откликах возникает потому, что часто необходимо либо видеть через какую-либо форму атмосферных или других помех на пути обзора, либо получить измерение газа или другого вещества, прозрачного для широкой полосы ИК-излучения. энергия.

Читайте также:
Плюсы и минусы электрического обогрева - Tom s Tek Stop

Некоторыми распространенными примерами селективных спектральных характеристик являются 8–14 микрон, что позволяет избежать помех от атмосферной влаги при измерениях на длинных трассах; 7.9 мкм, который используется для измерения некоторых тонкопленочных пластиков; и 3.86 мкм, что позволяет избежать помех от паров CO2 и H2O в пламени и дымовых газах. Выбор между более коротковолновой или более длинноволновой спектральной характеристикой также диктуется температурным диапазоном, поскольку, как показывает уравнение Планка, пиковая энергия смещается в сторону более коротких длин волн при повышении температуры. График на рисунке 6 иллюстрирует это явление. Приложения, которые не требуют селективной фильтрации по указанным выше причинам, часто могут выиграть от узкого спектрального отклика, максимально близкого к 0.7 микронам. Это связано с тем, что эффективная излучательная способность материала является самой высокой на более коротких длинах волн, а точность датчиков с узкими спектральными характеристиками менее подвержена влиянию изменений коэффициента излучения поверхности мишени.

Из приведенной выше информации будет очевидно, что излучательная способность является важным фактором при измерении инфракрасной температуры. Если коэффициент излучения измеряемого материала не известен и не учитывается при измерении, получение точных данных маловероятно. Существует два метода определения коэффициента излучения материала:

  1. Ссылаясь на опубликованные таблицы.
  2. Сравнение измерения IRT с одновременным измерением, полученным с помощью термопары или термометра сопротивления, и регулировка коэффициента излучения до тех пор, пока IRT не покажет то же самое.

К счастью, данные, опубликованные производителями ИРТ и некоторыми исследовательскими организациями, обширны, поэтому экспериментировать приходится редко. Как правило, большинство непрозрачных неметаллических материалов имеют высокий и стабильный коэффициент излучения в диапазоне от 0.85 до 9.0, а большинство неокисленных металлических материалов имеют коэффициент излучения от низкого до среднего от 0.2 до 0.5, за исключением золота. , серебро и алюминий, коэффициенты излучения которых составляют от 0.02 до 0.04, и поэтому их трудно измерить с помощью ИРТ. Хотя почти всегда можно установить коэффициент излучения основного измеряемого материала, возникают сложности в случае материалов, коэффициент излучения которых меняется в зависимости от температуры, таких как большинство металлов, и других материалов, таких как кремний и высокочистые мономеры. -хрустальная керамика. Некоторые приложения, демонстрирующие это явление, могут быть решены с использованием метода соотношения двух цветов.

Читайте также:
Руководство по установке обоев |

Двухцветная термометрия отношения

Учитывая, что коэффициент излучения играет такую ​​важную роль в получении точных данных о температуре от инфракрасных термометров, неудивительно, что были предприняты попытки разработать датчики, которые будут измерять независимо от этой переменной. Наиболее известным и наиболее часто применяемым из этих конструкций является двухцветный термометр соотношения. Этот метод не отличается от описанных выше инфракрасных термометров, но он измеряет отношение инфракрасной энергии, излучаемой материалом на двух длинах волн, а не абсолютную энергию на одной длине волны или в одном диапазоне волн. Использование слова «цвет» в данном контексте несколько устарело, но тем не менее не вытеснено. Оно восходит к старой практике соотнесения видимого цвета с температурой, отсюда и «цветовая температура».

Основой эффективности двухцветной термометрии является то, что любые изменения либо в излучательных свойствах измеряемой поверхности материала, либо в пути обзора между датчиком и материалом будут одинаково «видеть» два детектора, и, таким образом, соотношение и, следовательно, выходной сигнал датчика не изменится в результате. На рис. 7 показано схематическое изображение упрощенного двухцветного термометра.

Поскольку метод отношения при заданных обстоятельствах позволяет избежать неточностей, возникающих в результате изменения или неизвестного коэффициента излучения, затемнения на пути визирования и измерения объектов, которые не заполняют поле зрения, он полезен для решения некоторых сложных прикладных задач. Среди них быстрый индукционный нагрев металлов, температура в зоне обжига цементной печи и измерения через окна, которые постепенно закрываются, например, вакуумная плавка металлов. Однако следует отметить, что эти динамические изменения должны «видеться» датчиком одинаково на двух длинах волн, используемых для соотношения, а это не всегда так. Излучательная способность всех материалов не меняется одинаково на двух разных длинах волн. Те материалы, которые это делают, называются «серыми телами». Те, которые этого не делают, называются «не серыми телами». Не все формы затемнения пути обзора одинаково ослабляют соотношение длин волн. Преобладание частиц на пути обзора, имеющих тот же микронный размер, что и одна из используемых длин волн, очевидно, приведет к дисбалансу соотношения.

Читайте также:
Как остановить движение стиральной машины при отжиме — ремонт бытовой техники своими руками, советы и рекомендации по ремонту дома

Явления, которые не являются динамическими по своей природе, такие как материал «не серое тело», могут быть устранены путем смещения отношения — корректировки, называемой «наклон». Однако, как правило, подходящие параметры наклона должны быть получены экспериментальным путем. Несмотря на эти ограничения, метод отношений хорошо работает в ряде хорошо зарекомендовавших себя приложений, а в других является лучшим, если не самым предпочтительным решением.

Заключение

Инфракрасная термометрия — это зрелая, но динамичная технология, завоевавшая уважение во многих отраслях и учреждениях. Это незаменимый метод для многих приложений измерения температуры и предпочтительный метод для некоторых других. Когда пользователь адекватно понимает технологию и все соответствующие параметры приложения должным образом учтены, обычно результатом является успешное применение, при условии, что оборудование установлено правильно. Тщательная установка означает, что датчик работает в установленных для него пределах окружающей среды, и принимаются адекватные меры для поддержания чистоты оптики и отсутствия препятствий. При выборе производителя важным фактором в процессе выбора должно быть наличие защитных и монтажных принадлежностей, а также степень, в которой эти принадлежности позволяют быстро снимать и заменять датчик для обслуживания. Если следовать этим рекомендациям, современный инфракрасный термометр во многих случаях будет работать более надежно, чем термопары или термометры сопротивления.

Как работают пропорциональные пирометры?

Пирометр — это тип термодатчика, используемый для измерения высоких температур поверхности, часто в больших печах или печах для обжига. Эти устройства измеряют температуру объекта или поверхности по испускаемому тепловому излучению, также известному как радиометрия. Есть много приложений, в которых стандартный одноцветный пирометр неправильно считывает температуру, и они включают:

  1. Маленькие объекты (слишком маленькие, чтобы заполнить конус зрения).
  2. Пыль, дым или пар, закрывающие линию обзора.
  3. Окна в процессе загрязняются и их трудно содержать в чистоте.
  4. Излучательная способность продукта изменяется (из-за изменения сплава или состояния поверхности).

Двухцветный пирометр или пирометр отношения, такой как серия Endurance, может правильно работать даже с этими проблемами и показывать правильную температуру.

Чем двухцветный пирометр отличается от одноцветного? Двухцветный пирометр состоит из двух одноцветных пирометров в одном корпусе. Он использует два детектора, работающих на двух разных длинах волн, но оба детектора видят одну и ту же горячую цель.

Читайте также:
Получите максимальную отдачу от пространства под раковиной на вашей кухне

Схема реализации пирометра отношения с использованием 2 детекторов в сэндвич-структуре

Нет затухания сигнала

Давайте сначала рассмотрим синий график в примере ниже. Двухцветный термометр смотрит на черное тело со значением коэффициента излучения 1.0 и температурой черного тела 1500°C. На основании закона Планка два детектора обеспечивают следующие единицы энергии в соответствии с синей кривой при значении коэффициента излучения 1.0:

Детектор №1 на длине волны λ1 даст выход 500 единиц.

Детектор №2 на разной длине волны λ2 выдаст сигнал в 1000 единиц.

Поскольку это термометр отношения, мы делим 1000 на 500 и получаем отношение 2. Прибор откалиброван таким образом, чтобы показывать 1500°C, когда он видит отношение 2.

Кривые Планка для термометра отношения, смотрящего с двумя детекторами на абсолютно черное тело при температуре 1500°C

Затухание сигнала

Что произойдет, если каким-либо образом сигнал от горячей цели будет уменьшен или не будет допущен к детектору? Это может быть вызвано грязным окном, слишком маленьким объектом, чтобы заполнить конус обзора, или, возможно, наличием дыма на линии прямой видимости. На коричневом графике показан пример с потерей сигнала 90 %, но целевая температура по-прежнему составляет 1500 °C. Это то же самое, что и падение кажущегося коэффициента излучения с 1.0 до 0.1.

Детектор №1 выдаст сигнал мощностью 50 единиц.

Детектор №2 выдаст сигнал мощностью 100 единиц.

Оба сигнала уменьшились на 90% по сравнению с верхней кривой (E=1.0). Обратите внимание, что 100, деленное на 50, снова равно 2, иначе прибор покажет 1500°C, даже если мы потеряли 90% сигнала. У каждого двухцветного термометра есть ограничение на то, насколько сильно может быть уменьшен сигнал. Это называется затуханием, которое может варьироваться от 0% до 95% сигнала и по-прежнему считывать точную температуру.

E-наклон

По сути, двухцветный термометр работает правильно, пока все, что влияет на одну длину волны, должно влиять на другую длину волны в той же степени. К сожалению, существуют приложения, в которых коэффициент излучения объекта различен для двух длин волн, например, при измерении расплавленных металлов. Когда двухцветный термометр смотрит на расплавленный металл, соотношение сигналов (или крутизна) будет неправильным, и в показаниях температуры возникнет ошибка.

Читайте также:
8 советов для лучшего восстановления после операции по удалению катаракты

Как это можно исправить? Все двухцветные термометры имеют регулировку E-Slope. При просмотре расплавленного металла регулировку E-Slope поворачивают до тех пор, пока прибор не покажет правильную температуру металла. Правильную температуру можно получить с помощью одноразовой термопары. Эта регулировка E-Slope просто корректирует отношение на константу, которая корректирует показания прибора для неравных спектральных коэффициентов излучения цели. После того, как E-Slope отрегулирован, прибор правильно обрабатывает проблемы дыма, пара, пыли, мелких целей и т. д.

Точечные пирометры

Точечные пирометры Fluke Process Instruments отличаются гибкостью и простотой установки; прочный, чтобы выдерживать самые требовательные суровые промышленные условия; и визуально, чтобы вы могли видеть и понимать данные о температуре вашего процесса.

Точечные пирометры — это тип стационарных термодатчиков, используемых для измерения в одной точке на высокотемпературных поверхностях, часто в больших печах или печах. Эти устройства измеряют температуру по испускаемому тепловому излучению, что также известно как радиометрия.

Пирометры сочетают в себе инновационные цифровые технологии со стандартными двухпроводными установками для всех установок. Эти интеллектуальные инфракрасные измерительные датчики с несколькими вариантами связи предоставляют функции, необходимые для понимания ваших данных о температуре и управления вашим уникальным процессом в компактном, интегрированном корпусе, который прост в установке и эксплуатации.

Например, серия Thermalert 4.0 включает в себя многочисленные встроенные инфракрасные датчики температуры с широчайшим набором спектральных диапазонов, которые можно использовать для самых разных приложений управления технологическими процессами. Каждый Thermalert 4.0 соответствует стандартам Industry 4.0 и может быть заказан с сертификацией ATEX и IECEx.

Между тем серия Endurance включает низкотемпературные и высокотемпературные двухцветные пирометры, отвечающие всем требованиям современной промышленности. Он гибкий и простой в установке; прочный, чтобы выдерживать самые требовательные суровые промышленные условия; и визуальное — позволяет вам видеть и понимать данные о температуре процесса.

Узнайте больше о наших стационарных решениях для пирометров ниже.

Высокотемпературные инфракрасные пирометры Endurance®

Инфракрасные пирометры серии Endurance® оснащены прочными и гибкими приборами, разработанными для удовлетворения требований суровых промышленных условий и обеспечивающими непрерывный визуальный контроль процесса в широком диапазоне применений и температур от 50 до 3200°C (от 122 до 5692°F).

Читайте также:
Руководство по размерам матрасов для детской кроватки 2021

Пирометры Thermalert серии 4.0

Каждый пирометр соответствует стандартам Индустрии 4.0, сочетает в себе инновационные цифровые технологии со стандартным двухпроводным подключением для всех установок и может быть заказан с сертификацией ATEX и IECEx. Этот интеллектуальный инфракрасный измерительный датчик с несколькими вариантами связи предоставляет функции, необходимые для понимания ваших данных о температуре и управления вашим уникальным процессом в компактном, интегрированном корпусе, который прост в установке и эксплуатации.

Raytek® Compact CI и CM

Инфракрасные датчики температуры Raytek CI и CM прочны и просты в установке, а их гибкость позволяет использовать их в различных производственных приложениях OEM и конечных пользователей.

Raytek® Компактный MI3

Цифровой пирометр Raytek MI3 имеет мультисенсорную конструкцию для OEM-приложений и управления технологическим процессом при непрерывном бесконтактном мониторинге температуры от -40 до 1800°C (от -40 до 3272°F) и предлагает самые низкие затраты на установку в расчете на точку измерения благодаря системе с несколькими сенсорными головками. дизайн.

Raytek® Марафон ММ

ИК-датчик Raytek Marathon MM оснащен оптикой высокого разрешения, возможностью видеомониторинга в реальном времени и возможностью записи для различных применений мониторинга технологических процессов в диапазоне температур от –40 до 3000°C (от –40 до 5432°F).

Райтек® Компакт ГП

Инфракрасные пирометры Raytek GP обеспечивают контроль температуры процесса в труднодоступных, небольших или удаленных объектах в диапазоне температур от -18 до 538°C (от 0 до 1000°F).

Иркон® Модлайн® 7

В сочетании с программным обеспечением Ircon® ModView™ Pro и различными аксессуарами инфракрасный термометр Modline® 7 предлагает исключительную универсальность с расширенным диапазоном температур от -40º до 2250ºC (от -40 до 4082ºF), оптикой с высоким разрешением и малым временем отклика.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: