Czujniki temperatury do precyzyjnych pomiarów

Fot. 1. thermoMETER CS - miniaturowy czujnik temperatury thermoMETER CS

Zastosowanie bezkontaktowych czujników IR jest szczególnie korzystne w aplikacjach, gdzie temperatura obiektu, materiału, powierzchni lub płynu jest kluczowa. Wybierając najbardziej odpowiednie urządzenie pomiarowe, użytkownik powinien wziąć pod uwagę specyficzne wymagania danej aplikacji. Czujniki temperatury podczerwieni mierzą temperaturę obiektu bezkontaktowo. Dzięki temu możliwa jest realizacja szybkich, wiarygodnych pomiarów temperatury poruszających się, gorących lub trudno dostępnych obiektów.

Podczas gdy czujniki kontaktowe mogą wpływać na mierzony obiekt, czasem nawet go uszkodzić, metoda bezkontaktowa zapewnia precyzyjne pomiary bez uszkodzenia obiektu. Dodatkowo czujniki podczerwieni mogą mierzyć bardzo wysokie temperatury, co jest trudne dla czujników kontaktowych, gdyż wysoka temperatura może je zniszczyć lub znacznie ograniczyć ich żywotność. Aby uzyskać precyzyjne pomiary za pomocą czujników temperatury, użytkownik musi rozważyć dwa kluczowe parametry: emisyjność oraz długość fali.

Wszystkie ciała powyżej zera absolutnego (-273°C) emitują trzy rodzaje promieniowania podczerwonego: kombinację wyemitowanego promieniowania, promieniowanie odbite od otoczenia oraz promieniowanie przepuszczone przez dany obiekt. Sposób interakcji tych czynników zależy od rodzaju materiału, z którego wykonany jest mierzony obiekt. Jednakże dla bezkontaktowych pomiarów temperatury istotne jest tylko emitowane promieniowanie.

Czujniki temperatury IR określają temperaturę obiektów poprzez bezkontaktowy pomiar promieniowania podczerwonego emitowanego przez powierzchnię obiektu. Detektor przetwarza przechodzące promieniowanie podczerwone na sygnał elektryczny. Wynikiem jest zlinearyzowana wartość temperatury, która może być wykorzystywana do dalszego przetwarzania.

Związek pomiędzy rodzajami emisyjności można najlepiej opisać w następujący sposób. Jeśli bierze się pod uwagę, że przy dowolnej temperaturze suma promieniowania trzech typów emisyjności jest równa jeden i można przyjąć, że ciała stałe przepuszczają nikły poziom promieniowania, to przepuszczane promieniowane może być traktowane jako zero. Co za tym idzie, energia cieplna pochodząca od obiektu zawiera tylko wyemitowane i odbite promieniowanie.

Dzięki temu łatwiej jest zrozumieć, dlaczego takie obiekty jak połyskliwe i błyszczące metale mają niewielką emisyjność, ponieważ promieniowanie z otoczenia jest bardzo silnie odbijane (i jest proporcjonalnie wysokie) przez te powierzchnie. Na przykład typowa emisyjność dla świeżo obrobionej stali przy 20°C wynosi 0,2 (odbita energia będzie równa 0,8). Oznacza to, że 80% emitowanej energii cieplnej obiektu będzie energią cieplną odbitą od otaczających obiektów.

Fot. 2. thermoMETER CSLaser-01 - czujnik temperatury z celownikiem laserowym

Jednakże przy znacznie wyższej temperaturze 1100°C ten sam materiał będzie miał typową emisyjność równą 0,6. W odróżnieniu od tego, takie obiekty jak tkaniny lub matowe czarne powierzchnie odbijają promieniowanie w niewielkim stopniu i dlatego emitują proporcjonalnie dużo energii cieplnej. Emisyjność czarnej matowej farby w temperaturze 110°C wynosi zwykle 0,97 i dlatego jest łatwiejsza do zmierzenia za pomocą bezkontaktowych czujników temperatury. Wiele niedrogich urządzeń pomiarowych ma ustawioną na stałe korektę emisyjności na poziomie 0,95, w związku z czym są bezużyteczne dla większości precyzyjnych zadań pomiarowych, natomiast we wszystkich czujnikach temperatury Micro-Epsilon korekta emisyjności jest regulowana.

Przedstawiony wcześniej opis emisyjności jest znacznie uproszczony, aby wyjaśnić zależność pomiędzy trzema komponentami energii promieniowania podczerwonego. Należy jednak pamiętać, że emisyjność danego obiektu będzie się różnić podczas pomiarów emitowanej energii cieplnej, przy różnych długościach fali. Co za tym idzie, zastosowanie czujników, które realizują pomiary przy określonych długościach fali może znacznie zwiększyć stabilność pomiarów.

Ustawienie optymalnej długości fali dla danych materiałów pozwala uzyskać bardzo stabilne rezultaty dzięki możliwości pomiarów przy wysokiej emisyjności. Przykładowo dla metali przy emisyjności 0,8 długość fali wynosi 2,3 μm, dla szkła 5 μm, dla tkanin i matowych powierzchni jest to 8-14 μm. Tworzywa sztuczne mają bardziej złożoną strukturę, dlatego wymagają specjalnych czujników o długości fali 3,43 μm. Poliester, poliuretan, teflon, FEP oraz poliamid wymagają 7,9 μm, a grubsze folie 8-14 μm.

Biorąc pod uwagę wskazane wyżej czynniki, a w szczególności emisyjność oraz długość fali, Micro-Epsilon przygotował kilka serii produktów, wśród których znajdują się zarówno uniwersalne czujniki, jak i specjalne rozwiązania przeznaczone do danej aplikacji, a także czujniki OEM, które można dostosować do danej aplikacji. Najbardziej uniwersalną wersją czujników jest seria CT, której standardowy zakres pomiarowy wynosi od -50 do 900°C.

Dostępne są również wykonania przeznaczone do zastosowań w przemyśle metalowym z ograniczoną długością fali, które mierzą temperatury w zakresie od 50° do 2200°C. Czujniki do pomiaru płynnych metali charakteryzują się zakresem pomiarowym od 1000 do 2000°C, natomiast te do pomiaru szkła mierzą temperatury w zakresie od 100 do 1650°C. Ciekawym wykonaniem są czujniki do pomiaru płomieni o zakresie pomiarowym od -50 do 975°C, które wyposażone są w podwójny celownik laserowy, oznakowujący rzeczywiste miejsca i wielkości w dowolnej odległości.

W serii CT dostępne są również czujniki przeznaczone do zastosowań w środowisku niebezpiecznym, zagrożonym wybuchem, o różnorodnych standardach wyjściowych. Warto zwrócić uwagę na czujniki temperatury CS ze zintegrowanym kontrolerem, idealne do aplikacji OEM wymagających wielkoseryjnej produkcji. Czujniki CS mają kontroler umieszczony w czujniku lub w przewodzie i bardzo kompaktowe wymiary, mogą mierzyć temperatury w zakresie od -30°C do +900°C.

Fot. 3. thermoMETER CT - uniwersalne czujniki temperatury z serii thermoMETER CT

Funkcjonalną grupą produktów są przenośne czujniki temperatury o zakresie pomiarowym od - 35°C do 900°C z opatentowanym celownikiem laserowym, które idealnie nadają się do szybkiego i mobilnego pomiaru temperatury. Czujnik, prócz precyzyjnego celownika, jest wyposażony w interfejs USB i oprogramowanie graficzne z funkcją oscyloskopu oraz wbudowany rejestrator danych.

Poza różnorodnymi czujnikami temperatury WObit proponuje również kamery termowizyjne, charakteryzujące się niewielkimi rozmiarami 46 mm × 56 mm × 90 mm oraz wagą do 320 g włączając soczewki. Urządzenia te są również bardzo odporne na zewnętrzne warunki środowiskowe - stopień ochrony wynosi IP67, co czyni je odpowiednimi dla wielu aplikacji. Kamery pozwalają m.in. na kontrolę gorących, szybko poruszających się lub trudno dostępnych obiektów w niebezpiecznym środowisku.

Zastosowanie przenośnych lub zintegrowanych w aplikacji czujników pomiaru temperatury IR otwiera różne możliwości pomiaru i wyświetlania zmian temperatury m.in. w zakresie kontroli jakości, systemów automatyki, w procesach produkcyjnych, konserwacji maszyn i dużych obiektów.

P.P.H. WObit E. K. J. Ober s.c.
www.wobit.com.pl