|
Бесконтактное измерение температуры металлических поверхностей
в инфракрасном спектре
Важным определяющим фактором качества процесса практически на всех стадиях промышленного производства является соблюдение заданных температур. В настоящее время всё чаще для измерения температуры используются бесконтактные инфракрасные термометры. Они могут также использоваться для измерения температуры металлов. Для правильного осуществления контроля и управления температурами процессов требуется очень хорошее руководство со стороны производителя либо базовые знания по теории измерений со стороны заказчика. В этой статье описываются такие важные параметры, как коэффициент излучения и отражения, а также их влияние на возможные ошибки измерения. Кроме того, здесь показано влияние этих параметров на измерение температуры металлов и описана возможность надежного и воспроизводимого измерения.
После времени температура – это наиболее часто измеряемая физическая характеристика. Инфракрасные устройства измерения температуры определяют температуру по инфракрасному излучению, испускаемому объектом – бесконтактным способом. Но в чём же заключается принцип бесконтактного измерения температуры? В чём сложность измерения металлических поверхностей?
Инфракрасное излучение
Поверхность каждого тела с температурой выше абсолютного нуля 0 K (-273,15 °C) испускает электромагнитное излучение, которое пропорционально его внутренней температуре. Инфракрасное излучение занимает лишь ограниченную часть всего спектра электромагнитного излучения. Диапазон инфракрасного излучения начинается в диапазоне видимого света на длине волны приблизительно 0,78 мкм и заканчивается на длинах волн приблизительно 1000 мкм. Для измерения инфракрасной температуры в основном используется диапазон длин волн от 0,7 до 14 мкм. Вне этого диапазона уровень энергии излучения настолько низок, что датчикам не хватает чувствительности для ее определения (Рисунок 1).
Излучение тела проникает через атмосферу и может фокусироваться на приемнике посредством линзы. Приемник генерирует электрический сигнал пропорциональный мощности излучения. Этот сигнал усиливается и, с использованием последующей цифровой обработки сигнала, преобразовывается в выходной сигнал, пропорциональный температуре объекта. Значение измерения может отображаться на дисплее или выдаваться в виде сигнала.
Рисунок 1: Инфракрасное излучение
Результаты измерения обычно передаются в системы управления в виде стандартных линейных выходных сигналов 0/4-20 мА, 0-10 В и сигнала термопары. Более того, большинство современных инфракрасных термометров оснащены цифровыми интерфейсами (USB, RS232, RS485), которые позволяют выполнять более детальную цифровую обработку сигнала и получить доступ к параметрам приборов (Рисунок 2).
Рисунок. 2: Блок-схема инфракрасного термометра
Далее более подробно рассматривается поведение инфракрасного излучения на металлических поверхностях. Прежде всего, вашему вниманию представляется приёмник излучения и процесс преобразования сигнала в температуру объекта.
Вычисление температуры через инфракрасное излучение
Датчик, как приемник излучения, является самым важным элементом каждого инфракрасного термометра. Сигнал является производной всего оцененного электромагнитного излучения.
Соотношение напряжения сигнала (U) датчика относительно температуры объекта (TObject) выражается следующим образом:
Сигнал датчика, который является результатом измерения испускаемого излучения объекта в пределах всего спектра излучения, увеличивается пропорционально значению абсолютной температуры объекта в четвертой степени. То есть: если температура измеряемого объекта удваивается, сигнал в приемнике усилится в 16 раз.
Формула изменяется, так как необходимо учитывать коэффициент излучения ? объекта и отражаемое фоновое излучение поверхности объекта TAmbient, а также излучение самого инфракрасного термометра TPyro:
Более того, инфракрасные термометры не работают во всем спектре излучения. Экспонент зависит от длины волны. N соответствует длине волны от 1 до 14 мкм в диапазоне 17…2, для коротковолновых измерительных устройств для измерения температуры металла (1,0…2,3 мкм) диапазон составляет 15…17:
Из-за изменения последней формулы температура объекта увеличивается. Результаты этих вычислений для всех температур сохраняются в виде набора кривых в памяти EEPROM инфракрасного термометра:
Таким образом, инфракрасные термометры получают сигнал достаточной силы для измерения температуры. Из формулы видно, что кроме диапазона длины волны (спектра излучения) и отражаемого фонового излучения, на точность измерения температуры также влияет коэффициент излучения.
Далее приводится описание этих параметров.
Черное тело как эталон
Уже в 1900 году Планк, Стефан, Больцман, Вин и Кирхгоф более детально определили электромагнитный спектр и оценили качественные и количественные связи для описания инфракрасной энергии. В основе понимания базовых принципов технологии бесконтактного измерения температуры и калибровки инфракрасных термометров лежит черное тело.
С одной стороны черное тело – это объект, которое поглощает все излучения. Оно не отражает (? = 0) и не пропускает (? = 0) излучение. С другой стороны, черное тело излучает максимальное количество энергии для каждой длины волны в зависимости от собственной температуры.
Конструкция черного тела проста: пустотелый термообъект с небольшим отверстием с одной стороны. Если тело нагревается и достигает определенной температуры, внутри полости происходит сбалансированное распределение температуры.
Закон излучения Планка выражает базовую корреляцию для бесконтактных измерений температуры: Он описывает спектральное удельное излучение M?s черного тела в полушаговом интервале в зависимости от его температуры T и длины волны ? (c: скорость света, h: постоянная Планка):
На диаграмме рисунка 3 показано логарифмическое соотношение спектрального излучения M?s черного тела в зависимости от длины волны для каждой температуры.
Видимый спектр Длина волны в мкм
Рисунок. 3: Процесс удельного излучения черного тела в зависимости от длины волны для выбранных температур
Некоторые связи могут быть производными, но мы рассмотрим только две. Интегрируя интенсивность спектрального излучения для всех длин волн от 0 до бесконечности, можно получить величину испускаемого излучения всего тела. Эта взаимосвязь называется законом Стефана-Больцмана. Практическое применение бесконтактного измерения температуры уже пояснялось в разделе вычисления температуры.
Второй параметр, имеющий отношение и очевидный из графика, это длина волны, которая включает в себя максимальное количество излучения в области коротких длин волн во время увеличения температур. Это поведение лежит в основе закона смещения Вина и может выводиться из уравнения Планка путем дифференцирования.
Таким образом, высокий уровень излучения является причиной – хотя и не самой важной – почему при высоких температурах металлические поверхности можно измерять на коротких длинах волн. Длинноволновый диапазон также имеет высокую интенсивность излучения. Поскольку металлы являются селективными излучателями, коэффициент излучения, отражения и их влияние на погрешности измерения играют более важную роль.
Металлические поверхности как селективные излучатели
В действительности только некоторые объекты являются идеальными черными телами. На практике такие поверхности излучения используются для калибровки датчика, коэффициент излучения которого достигает 0,99 в пределах необходимого спектрального диапазона. Температура объекта может устанавливаться посредством измерения коэффициента излучения ? (Эпсилон), который определяет соотношение между действительным значением излучения объекта и значением излучения одного из черных тел с такой же температурой. Таким образом, коэффициент излучения всегда будет представлять собой число между нулем и единицей; отсутствующая часть излучения компенсируется путем индикации коэффициента излучения. Многие измеряемые поверхности имеют постоянный коэффициент излучения на определенных длинах волн, но излучают меньшее количество излучения по сравнению с черным телом. Такие объекты называются серыми телами. Независимо от состояния поверхности ряд неметаллических твердых веществ показывают высокий и относительно постоянный коэффициент излучения в длинноволновом диапазоне.
Такие объекты, как металлические поверхности, коэффициент излучения которых среди прочего зависит от температуры и длины волны, называются селективными излучателями.
По ряду важных причин измерение металлов следует выполнять только в коротковолновом диапазоне. Прежде всего, металлические поверхности при высоких температурах, а также на коротких длинах волн (2,3 мкм; 1,6 мкм; 1,0 мкм) имеют не только максимальный уровень излучения, но и максимальный коэффициент излучения. Во-вторых, они регулируются до коэффициента излучения оксидов металла, поэтому разность температур, вызываемая изменением коэффициента излучения (цвет побежалости), сводится к минимуму (Рисунок 4).
Коэф.излучения Длина волны
Рисунок 4: Пример адаптации коэффициентов излучения белых металлов и соответствующих оксидов металла
Рисунок 5: На рисунке показаны погрешности измерения относительно длины волны, если коэффициент излучения металлов регулируется неправильно на 10% (LT = 8…14 мкм; G5 = 5 мкм; MT = 3,9 мкм; 3M = 2,3 мкм; 2M = 1,6 мкм; 1M = 1,0 мкм)
Еще в пользу коротковолнового инфракрасного термометра выступает то, что металлы по сравнению с другими материалами могут иметь неизвестные коэффициенты излучения.
При неправильно отрегулированных коэффициентах излучения коротковолновые устройства позволяют существенно уменьшить погрешности измерения (Рисунок 5).
Воспроизводимые измерения несмотря на отражение
Чем меньше коэффициент излучения поверхности, тем больше отражаемого излучения получает инфракрасный термометр от окружающих объектов. Так как большинство таких тел, как металлы, не обладают пропускной способностью в пределах инфракрасного диапазона, применима следующая формула:
В этом случае эпсилон – это коэффициент излучения, а ро – это коэффициент отражения. На инфракрасное излучение, которое оценивается устройством и преобразовывается в результаты измерения температуры, влияет не только коэффициент излучения металлической поверхности (и доля компенсируемого излучения), но и окружающие горячие объекты (TAmbient), такие как детали и печи.
Чем ниже температура измеряемой металлической поверхности и чем выше фоновая температура, тем тщательнее следует учитывать параметр TAmbient. Фактически направление отражаемого излучения обычно является направленным и поэтому его легко определить.
Уровень отражения можно рассматривать как величину и гарантирует воспроизводимые результаты измерения.
Использование инфракрасных термометров:
Процессы индуктивной закалки
Примером измерения металлических поверхностей является термообработка в процессе индуктивной закалки. Во время этого процесса элемент помещается в сильное переменное поле и подвергается воздействию высоких и низких температур, пока не достигнет необходимых структурных характеристик.
Проникновение тепла в материал можно регулировать локально путем управления частотой; обработке подвергаются только части элемента. Необходимая структура металла зависит от идеального температурно-временного процесса. Поэтому, очень важно постоянно контролировать температуру.
Важные особенности инфракрасных термометров:
- Головка датчика отделена от блока электроники; поэтому электромагнитное поле не влияет на результаты измерения
- Определенная длина волны (1,0 мкм / 1,6 мкм / 2,3 мкм) для металлических поверхностей
- Компенсация фоновой температуры (TAmbient), например, при помощи температурного эталона
- Надежное измерение температуры металлов от 50 °C до 1800 °C
- Быстрое управление температуры путем измерения в течение 1 мс
- Измерение маленьких элементов благодаря высокому оптическому разрешению (размер измеряемого пятна от 0,7 мм) и двойному лазерному целеуказателю
Рисунок 6: Инфракрасный термометр для точного измерения металлических поверхностей с двойным лазерным целеуказателем для точного определения измеряемого пятна с определенного расстояния
|