Jak wybrać pirometr?
| TechnikaTemperatura jest jedną z częściej mierzonych wielkości w przemyśle. Charakteryzuje ona przebieg procesów produkcyjnych, jakość produktów czy też stan maszyn. W tym celu wykorzystywane są czujniki kontaktowe, takie jak termopary i czujniki rezystancyjne. Nie zawsze jest to najlepsze rozwiązanie – w pomiarach bardzo wysokich temperatur, w miejscach trudno dostępnych i w sytuacjach, gdy nie można oddziaływać na obiekt, alternatywą są przyrządy bezdotykowe. Takimi są pirometry na podczerwień.
Wszystkie ciała o temperaturze powyżej zera bezwzględnego (–273,15°C) emitują promieniowanie podczerwone, które jest proporcjonalne do ich temperatury – te cieplejsze w większym stopniu niż te chłodniejsze. Pirometry mierzą to promieniowanie punktowo – jest ono skupiane przez ich układ optyczny na detektorze. Ten generuje proporcjonalny sygnał elektryczny, którego wartość zostaje przeliczona na temperaturę.
Ilość promieniowania cieplnego docierającego do detektora zależy od charakterystyki emisyjności obiektu pomiaru. W przypadku, gdyby było to ciało doskonale czarne pochłaniające całe przychodzące promieniowanie, nie wykazywałby on refleksyjności ani przepuszczalności, emitując maksymalną możliwą energię na każdej długości fali. Rzeczywiste obiekty nie mają jednak takich cech i emitują znacznie mniej promieniowania przy takiej samej temperaturze niż abstrakcyjne ciało doskonale czarne.
Czym jest emisyjność?
Właściwości w tym zakresie charakteryzuje emisyjność (ε), parametr związany z odblaskowością (ρ) i przepuszczalnością (τ) zależnością: ε + ρ + τ = 1, o wartość w przedziale 0...1. Materiały, które charakteryzują się dużą refleksyjnością, jak na przykład aluminium, mają małą emisyjność (0,1 w przypadku aluminium), i odwrotnie te matowe, jak na przykład powierzchnia cegieł, charakteryzuje duża wartość tego parametru (0,9 w przypadku cegieł).
Na ilość promieniowania cieplnego docierającego do detektora mają również wpływ właściwości transmisyjne wszelkich przeszkód optycznych znajdujących się między przyrządem pomiarowym a mierzonym obiektem. Przykładami takich są: para wodna, płomienie, dymy, pyły i gazy spalinowe.
Na rysunku 1 przedstawiono główne źródła błędów pomiarowych temperatury przy użyciu pirometrów. Są to: kalibracja, przeszkody optyczne, zmienność emisyjności obiektu, odbicia promieniowania od otoczenia obiektu, jego przesunięcie poza pole widzenia pirometru. Poza pierwszym, na udział pozostałych w sumarycznym błędzie ma wpływ czułość detektora dla różnych długości fali. Właściwy wybór pirometru pod tym kątem zatem znacząco zmniejsza niedokładności pomiaru.
Dlaczego długość fali jest istotna?
Długość fali to ważny parametr pirometrów, gdyż niektóre przeszkody optyczne są przezroczyste jedynie w jej określonych przedziałach. Łatwo to zrozumieć przez analogię z falami z innych pasm widma promieniowania elektromagnetycznego. Przykładem są różniące się właśnie długością fali światło widzialne oraz promieniowanie rentgenowskie, dla których ciało ludzkie jest odpowiednio nieprzezroczyste i przenikalne. Podobnie wybór pirometru z detektorem o czułości we właściwym przedziale długości fal umożliwia niezafałszowany pomiar temperatury obiektu, mimo że jest on przesłonięty przeszkodami optycznymi. Jak wynika z rysunku 2 w pewnych przedziałach długości fal para wodna oraz gazy spalinowe są dla podczerwieni nieprzezroczyste, a dla pozostałych przenikalne, mimo przecież dużej przejrzystości dwutlenku węgla, jak i pary wodnej w świetle widzialnym. Dlaczego jest to tak istotne, wyjaśnia poniższy przykład.
Załóżmy, że należy monitorować temperaturę w piecu do ciągłej obróbki cieplnej, który podzielony jest na strefy: ogrzewania, wygrzewania i chłodzenia. W tym celu używamy dwóch pirometrów: z detektorem o czułości w przedziale długości fal dobranym z uwzględnieniem specyfiki aplikacji i ogólnego przeznaczenia. W strefie wygrzewania, gdzie temperatura gazów spalinowych i obiektu obróbki są w przybliżeniu takie same, oba pirometry wskażą tę samą wartość temperatury. W strefie grzewczej jednak, w której gazy spalinowe są jeszcze gorętsze niż obiekt obróbki, jedynie pierwszy pirometr zmierzy rzeczywistą temperaturę obiektu, natomiast wskazanie drugiego będzie zawyżone. Podobnie w strefie chłodzenia odczyt z pierwszego przyrządu będzie zgodny ze stanem faktycznym, natomiast drugi pirometr wskaże temperaturę zaniżoną z powodu schłodzonych gazów piecowych.
Pirometry wąskopasmowe
Ze względu na czułość detektora na promieniowanie podczerwone o różnej długości fal wyróżnić można dwa rodzaje pirometrów. Pierwszym są przyrządy z detektorem o maksymalnej czułości na promieniowanie o pojedynczej długości fali (single-wavelength). W tej kategorii wprowadza się dalszy podział na pirometry wąskopasmowe i szerokopasmowe. Pierwsze wyróżniają się znikomym wpływem zmian emisyjności i występowania przeszkód optycznych na wyniki pomiarów, dlatego w większości zastosowań rekomendowane są właśnie pirometry z wąskopasmowym detektorem. Na rysunku 3 przedstawiono dwa zakresy długości fal: 1,6 μm oraz 2,2 μm, dla których para wodna i dwutlenek węgla są przenikalne – pirometry z wąskopasmowymi filtrami dla odpowiadających tym długościom fali częstotliwości dostarczą w obecności tych barier optycznych wiarygodniejszych odczytów temperatury niż przyrządy szerokopasmowe, na przykład z filtrami o przepustowości 1‒2 μm czy 2‒3 μm. Pirometry wąskopasmowe sprawdzają się m.in. w pomiarach temperatury w reaktorach termicznych, topielnikach, kotłach, piecach. Dostępne są też w wersjach przeznaczonych do konkretnych zastosowań, na przykład pomiarów przez cienkie folie z tworzyw sztucznych, jak polietylen i polipropylen (3,43 μm), gorące gazy spalinowe, płomienie w spalaniu węgla (4,65 μm), szkło, m.in. w piecach i promiennikach podczerwieni (5 μm), cienkowarstwowe tworzywa sztuczne, takie jak poliester i akryl oraz powierzchnie malowane (7,9 μm).
Pirometry proporcjonalne
Drugą główną grupą są pirometry proporcjonalne. Różnią się one od tych jednofalowych tym, że mierzą promieniowanie termiczne dla dwóch długości fal zamiast jednej. Następnie na podstawie stosunku tych wartości wyznaczana jest temperatura. Metoda ta pozwala skompensować zmiany emisyjności, jedynie częściowe wypełnienie pola widzenia przyrządu oraz występowanie przeszkód optycznych.
Wyróżnia się dwa rodzaje pirometrów proporcjonalnych: dwukolorowe oraz dwufalowe. Różnią się one pod względem konstrukcji, a co za tym idzie i możliwości pomiarowych.
Pirometry dwukolorowe wykorzystują detektor z dwoma filtrami dla różnych długości fal. Są one ułożone jeden na drugim. Pierwszy z nich ma szersze pasmo, na przykład 0,7‒1,1μm, niż drugi, dla którego zakres ten wynosi na przykład 1‒1,1. Pasmo przenoszenia drugiego jest, jak widać, podzbiorem szerszego pasma. Pirometry dwukolorowe sprawdzają się, jeśli istnieje wyraźna ścieżka optyczna między przyrządem a obiektem pomiaru. Na wiarygodność odczytów mają niestety w ich przypadku wpływ stałe zasłony w polu widzenia pirometru, na przykład dym, plazma, płomienie, para, brud, kurz. Pod tym względem przewyższają je przyrządy dwufalowe.
Pirometry tego typu wykorzystują dwa oddzielne i różne zestawy długości fal na kole filtrowym. Pozwala to na ich dobór i łączenie tak, by uzyskać najdokładniejszy odczyt w danych warunkach, na przykład w pomiarach temperatury przez parę wodną, płomienie, plazmę. Pirometry dwufalowe lepiej niż dwukolorowe sprawdzają się także w pomiarach temperatury metali pokrytych osadem z kamienia. Ponieważ ten ostatni na gorącym metalu będzie miał niższą temperaturę, sztucznie zaniży wynik pomiaru. Jest to większym problemem w przypadku pirometrów dwukolorowych, które mierzą średnią temperaturę powierzchni w swoim polu widzenia niż tych dwufalowych, mierzących temperaturę najwyższą. Ponadto ponieważ przyrządy dwufalowe nie mają dwóch oddzielnych detektorów, nie są aż tak podatne na dryft po kalibracji, jak te dwukolorowe.
Przegląd zastosowań
Na koniec warto dodać, że temperaturę niektórych materiałów trudno jest zmierzyć zarówno przy użyciu pirometrów jednofalowych, jak i proporcjonalnych, z powodu ich złożonej charakterystyki emisyjności. Przykładami są: aluminium, stal nierdzewna, mosiądz, brąz, miedź, cynk. W ich przypadku korzysta się z pirometrów wielofalowych (multi-wavelength), które wykorzystują specyficzne dla danej aplikacji algorytmy przetwarzania danych pomiarowych, które kompensują złożone zmiany emisyjności.
Podsumowując, pirometry jednofalowe sprawdzą się w pomiarach temperatury m.in. wyściełających na przykład piece materiałów ogniotrwałych, które charakteryzuje typowo duża i stała emisyjność, jak i stali walcowanej na zimno, która ma małą emisyjność. Pirometry dwufalowe z kolei wykorzystuje się m.in. w pomiarach temperatury stopionej stali i na liniach wyżarzania. Pirometry wielofalowe to zaś najlepsze rozwiązanie m.in. do monitorowania procesu nakładaniu powłok metalowych w wysokich temperaturach, na przykład w produkcji stali cynkowanej.
Monika Jaworowska
