Рекомендации по использованию пирометров

Использование пирометров для бесконтактного измерения температуры на открытой поверхности (зеркале) металла

Краткий обзор

Поверхность металла как с чистой, так и с окисленной поверхностью может быть измерена с достаточно высокой точностью с использованием инфракрасных пирометров разного типа. Тип используемого пирометра зависит от нескольких параметров. 
Наиболее часто и эффективно использовать пирометр, который работает на наиболее короткой из возможных длине волны, но также бывают случаи, когда необходимо остановить свои выбор на пирометр спектрального отношения. Основным из главных факторов является стабильность характеристик излучения измеряемой поверхности нагретого материала во время рабочего процесса, а также степень окисления его поверхности. Также важным фактором является наличие и характер атмосферы попадающую в зону измерения.
Необходимо учитывать, что пирометры спектрального отношения так и не нашли более широкого распространения соответствующего их теоретической базе.

Введение

Для инфракрасных пирометров идеальным случаем по бесконтактному измерению температуры является измерение температуры поверхности нагретого металла, который находиться при комнатной температуре (в качестве примера можно назвать прокатный стан установленный в цеху). Следует учитывать что от правильного выбора пирометра зависит точность и стабильность измерения температуры. Не существует универсального пирометра, который позволит решить все поставленные перед ним задачи по измерению температуры. Существующее понятие “холод” означает, что излучаемая средой плотность облучения, которая взаимодействует с измеряемым материалом, незначительна, по сравнению с излучением нагретого материала. Другими словами, если температура окружающей среды холоднее на 300°С чем температура поверхности измеряемого материала, то окружающую среду можно считать “холодной”. Далее вы узнаете о факторах, которые позволят определить оптимальный пирометр, а также узнаете о возможностях некоторых типов используемых пирометров. В таблице ниже предлагаются факторы влияющие на выбор пирометра и краткий комментарий к нему:

Факторы влияющие на выбор пирометра

Наличие трудностей влияющих на измерения

Предлагаемый
к выбору пирометр

Изменяющие условия измерения объектов

Изменяющаяся степень окисления поверхности

Постоянное изменение параметра относительной излучательной способности измеряемого объекта в значительной мере от
длины волны

Оптимальным выбором почти всегда будет коротковолновый
монохроматический пирометр

Сплавы изменяющиеся
во времени

Постоянное в зависимости от сплава изменение параметра относительной излучательной способности

Каждый сплав должен
измеряться индивидуально

Наличие "холодных"
участков на поверхности
измеряемого материала
(например, окалина)

Наличие большого потенциала для возникновения ошибочных заниженных показаний

Для измерения можно использовать не только пирометры спектрального отношения но для небольших объектов коротковолновые пирометры с последующей   обработкой максимальных измеренных значений. Применение последнего типа пирометров предпочтительней при температуре“холодных” участков меньше 200-300°С температуры измеряемого объекта

В процессе измерения измеряемые объекты меняют
габаритные размеры
и местоположение

Размер и положение объекта может изменятся относительно поля зрения пирометра

Используются как пирометр спектрального отношения так и коротковолновый с обработкой максимальных значений

Свертывание, завихрение потоков жидкого металла

Постоянно изменяет эффективную относительную
излучательную способность

Предпочтительней использовать пирометр спектрального отношения, но также как и монохроматический он никогда не сможет дать достаточно точные показания

Наличие на поверхности поляризации

На степень поляризации влияет величина угла между осью оптики пирометра и перпендикуляром к
измеряемой поверхности

Необходимо использовать тип пирометра не подверженный влиянию энергии поляризации падающего излучения. Необходимо в процессе измерения избегать использование пирометров, к конструкцию которых входят угловые зеркала,
а также полузеркала

Поглощение излучения
на пути визирования

Большие потери энергии излучения

Необходимо попытаться избегать всех видов потерь, и по возможности свести потери к минимуму

Наличие между пирометром и измеряемой поверхностью водяного пара или СО2

Потеря энергии при определенных диапазонах
длин волн

Рекомендуется использование коротковолновых пирометров, имеющих длину волны не выше
1.8 микрометра.

Наличие между пирометром и измеряемой поверхностью
пара или дыма

Возникновение потерь от рассеивания, зависящих от диапазона длин волн

Рекомендуется использование коротковолновых пирометров. Пирометры спектрального отношения из-за измерения “условной температуры” дают очень низкие значения (например, пропускание солнечного света через туман)

Наличие между пирометром и измеряемой поверхностью
пыли или больших частиц

Возникновение потерь при размерах частиц выше определенного размера и не всегда зависящих
от длины волны

Необходимо использование пирометра спектрального отношения

Наличие между пирометром и измеряемой поверхностью
насыщенного пара
(воздушных каплей)

Возникновение потерь при размерах капель воды выше определенного размера, и не всегда зависящих
от длины волны

Необходимо использование пирометра спектрального отношения

Отражение от поверхности дневного света или излучения   вольфрамовых ламп

Наличие отражения всегда приводит к наличию больших ложных показаний, это особенно актуально при измерении температуры светлых металлов
низких температур

Необходимо защитить пирометр от этого излучения путем установки соответствующих экранов

 

Принятие решения о выборе пирометра

Наиболее трудное решение это выбор правильного пирометра для решения задачи измерения температуры: монохроматический пирометр или пирометр двух спектрального отношения (так называемый 2-х цветовой пирометр). Обычно предоставляемой информации о условиях работы и свойствах измеряемого материала недостаточно для выбора пирометра. Для выбора желательно провести тестирование разных типов пирометра для оптимального выбора его модели. Следует учитывать что в большинстве случаев подойдет простой монохроматический пирометр. В параграфе ниже мы рассмотрим выбор типа монохроматического пирометра, преимущества и недостатки обоих типов пирометров.

Монохроматический (яркостный) пирометр

Выбор этого типа пирометра достаточно прост. Если в режиме измерения температуры поверхности материала его относительная излучательная способность стабильная и высокая, то тогда легко добиться от пирометра высокой точности измерения не зависимо от его типа. Большинство неметаллических материалов почти всегда отвечают этим требованиям и являются идеальными объектами измерения. Далее вы узнаете о проблемах, которые возникают при измерении многих металлов, у которых относительная излучающая способность меняется со временем, а также с изменением температуры. Если игнорировать эти факторы, то результаты измерения температуры будут совершенно неудовлетворительными.

Происходящие на поверхности пирометра окисления

Если на поверхности металла имеется окисление, то при излучении поверхности более стабильный результат получается при короткой длине волны, менее стабильный при длинной. По мере роста толщины окисленного слоя этот окисленный слой просвечивается, пока не достигнет значения соответствующего используемой пирометром длины волны, после превышения этой толщины слой окисления постепенно станет менее просвечивающимся, пока не достигнет значение полного его не пропускания.

Ошибки, вызванные атмосферным поглощением излучения

Из-за особенностей коротковолновых яркостных пирометров они также менее подвержены атмосферному поглощению, чем спектральные пирометры. Следует учитывать что если поглощение на пути визирования вызывается каплями или частицами воды, то значение погрешности меньше при использовании коротковолновых пирометров из-за меньшей относительной зависимости измеренной температуры от излучаемой энергии.


Таблица 2. Появление погрешности измеряемой температуры пяти различных литейных форм, с использованием трех пирометра различной длины волны (температура формы 500°С).

Длина волны, микрометры 1,0 2,0 3,0
Тип литейных форм Время прогрева, час Возникающая погрешность температуры, °С
1   -2,5 -29,0 -61,0
2 8 0 +8,0 +7,0
3 13 +2,0 +24,0 +52,0
4 22 +1,8 +27,0 +60,0
5 34 +2,5 +29,0 +61,0

Следует учитывать что при температуре ниже 300°С имеется возможность по нивелированию ошибок, возникающих из-за поглощения в атмосфере водяного пара.


Использование промышленных коротковолновых пирометров

Конструктивно коротковолновые пирометры состоят стабильных детекторов, которые работают в диапазоне волн от 0,4 до 30 мкм. Детекторы работая совместно с оптическими фильтрами позволяют получить широкий модельный ряд пирометров, которые отвечающих почти всем требованиям соответствующей промышленности. С некоторыми их этого модельного ряда пирометрами вы можете ознакомиться в таблице ниже.

Таблица 3.

Диапазон изменяемых температур Значение эффективной длины волны, мкм Ошибка при 1% изменении Е
Оптимальная (Т0), °С Полная (Тf), °С При Т0 (мин), °С При Т0 (макс), °С
мин макс мин макс
“Коротковолновые” пирометры
1 0 100 -50 400 10 -0,2 0,7
2 0 150 0 500 7 -0,15 0,5
3 100 300 100 300 2,3 0,25 0,5
4 250 400 250 650 1,8 0,35 0,55
5 300 450 300 700 1,5 0,35 0,55
6 350 500 350 650 1,3 0,35 0,55
7 400 750 400 750 1,0 0,35 0,75
8 600 900 600 1100 0,9 0,5 0,8
9 900 1100 900 1500 0,75 0,7 0,9
10 1000 1400 1000 1700 0,6 0,7 1,2
Пирометры двух спектрального отношения
11 600 1600 0,85 1,00 5,7 3,0 13,9
12 300 600 2,0 2,4 12 2,7 6,4
13 200 700 1,65 2,2 6,6 1,0 4,3

Следует учитывать что название группы пирометров “коротковолновые" - относительное, так как при температуре 1000°С - 1 мкм – считается короткой длины волны так же как и при температуре 10°С - 10 мкм тоже считается короткой длиной. Пирометр с длиной волны 10 мкм считается пирометром “широкого" диапазона волны. Основным критерием для отнесения пирометра к группе “коротковолновых” пирометров является максимальная длина волны, выбираемая настолько короткой чтобы сохранялась возможность получения требуемого отношения "шум-сигнал", поступаемого от детектора, при минимальной температуре. Важно знать что энергия излучения существенно изменяется в области коротких длин волн. Поэтому необходимо знать соотношение между значением длины волны и минимальной рабочей температурой в том числе и для приемников с повышенной чувствительностью.

Эффективное значение длины волны

Принимаем во внимание что работа пирометра основывается на узком диапазоне волн, в следствии чего изменение показаний пирометра зависит от изменения температуры объекта и определяется по закону Планка. Но фактически используемые в пирометрах приемники работают на достаточно широком диапазоне волн, поэтому даже использовании фильтров не позволяет ограничить работу в узком диапазоне для того чтобы назвать пирометр строго монохроматическим. Учитывая то, что кривая энергии сильно зависит от используемой длины волны и имеет вид от очень крутой кривой на короткой длине волны, показания пирометров почти во всем температурном диапазоне почти полностью согласуются с теоретическими расчетами Планка и соответствующие значению длины волны очень близкой к так называемой “отсечной” максимальной длине волны системы приемник-фильтр. Вводимое понятие "эффективной" длины волны позволяет произвести оценку скорости изменения энергии (и как следствие показаний пирометра) в соответствии с изменением измеряемой температуры. В предложенной ранее таблицы 3 значение эффективной длины волны дано каждого типа указанного в таблице пирометра при его работе в диапазоне средних температур.

Описание выбора оптимального типа пирометра

Если имеется проблема при изменении излучательной способности или диапазон измеряемых температур не существенен: то необходимо останавливать свой выбор на пирометре с минимальной (наиболее короткой) длиной волны, позволяющей проводить необходимые измерения минимальной температуры в стандартном рабочем диапазоне измерения. Необходимо не допускать наличие большого запаса при выборе пирометра измерения нижнего предела температуры и рабочей температуры. Если же произвести такой выбор, то это сильно повлияет на точность измерения при измерении нормальной рабочей (средний рабочий диапазон) температуре. В качестве примера можно привести следующий алгоритм выбора пирометра: стандартная измеряемая температура нагретого тела равна 500°С, а нижний предел измерения выборочно определяется из ряда значений: 200, 250, 300, 350, 400, 450°С. В таблице 4 приведена погрешность измерения температуры от выбранной минимальной температуры. Из этой таблице ясно что оптимальным выбором будет пирометр с минимально измеряемой температурой в 400 и 450°С. при выборе пирометра с минимальной температурой 200°С погрешность измерения будет достаточно большой. В таблице ниже приведены погрешности измерения температуры в 500°С при разной номинальной минимальной температуры измерения пирометра.

Таблица 4. Погрешности различных пирометров при 10% изменении излучательной способности (Тобъекта=500°С).

Номинальная Тмин, °С Пирометр Погрешность,°С
Тип пирометра Значение эффективной
длины волны, мкм
200 2 7 17
250 4 1,8 7
300 5 1,5 6
350 6 1,3 5
400 7 1,0 4
450 7 1,0 4


Описание преимуществ пирометров спектрального отношения и пирометров частичного излучения

Нельзя равноценно сравнивать пирометры коротковолновые и пирометры спектрального отношения при их использовании для измерения температуры металлических поверхностей. Например пирометр двух спектрального отношения является идеальным для случая одинаковой отражательной способности металла на обеих длинах волн. В случае если отражательная способность разная, то их соотношение оставалось бы постоянным, в результате чего погрешность корректируется так же как и погрешности рассчитываемая для монохроматического пирометра. К тому же материалы серого цвета (это материалы у которых при любой длине волны одинаковая излучательная способность) встречаются очень редко, по сравнению с материалами черного цвета (это материалы у которых излучательная способность равна 1). Надо помнить что все измерения температуры зависит от от излучательной способности материалов. Необходимо дать ответ на вопрос: погрешность монохроматического пирометра связанная с изменением излучательной способности может быть уменьшена по сравнению с погрешностью связанной с изменением соотношения Е1/Е2 для пирометра двух спектрального отношения. Из-за маленькой накопленной базы с информацией о изменении излучательной способности металлов с изменением температуры и времени, особенно во время различных процессов, в ходе которых желательно измерение температуры. Поэтому желательно экспериментально проверить работоспособность пирометра на возникающие, в следствии измерения, ошибки или проведения измерения отражательной способности комплекта образцов. Как вы видим для решения этой задачи пирометры двух спектрального отношения предпочтительней, но как мы увидим ниже, это не верно. Приведем пример с измерением температуры объекта с заведомо известной температурой. При измерении пирометром двух спектрального отношения ошибка больше чем при использовании монохроматического пирометра. В таблице 5 показаны погрешности, вычисленные для пирометра спектрального отношения при l1=0.9 мкм и l2=1.1 мкм, которые сравниваются с монохроматическим прибором с lэффективной=1 мкм, а также два пирометра спектрального отношения с l1=1.8 мкм и l2=2.2. мкм, а также l1=1.5 мкм, l2=2.0 мкм, которые сравниваются с монохроматическим пирометром lэффективной=2 мкм. Во всяком случае требуемая градуировка пирометров должна быть оптимизирована с целью сведения к минимуму разброса погрешностей.


Таблица 5. Значения температурных погрешностей при измерении температуры пяти литейных форм монохроматическими пирометрами и пирометрами двух спектрального отношения (Т=500°С)

Пирометр № 21 24 22 25 26
Тип монохро-матический отношения монохро-матический отношения отношения
Значение диапазона длин волн, мкм 1,0 0,9 и 1,1 2,0 1,8 и 2,2 1,5 и 2,5
Литейная форма № Погрешность, °С
1 -2,5 +9,5 -29,0 +35,0 +32,0
2 0,0 -1,7 +8,0 -8,0 -6,0
3 +2,0 -8,2 +24,0 -30,0 -28,0
4 +1,8 -8,2 +27,0 -35,0 -32,0
5 +2,5 -9,5 +29,0 -35,0 -32,0

В результате мы можем сделать важные выводы:

  • оптимальным пирометром можно считать монохроматический пирометр, имеющей наименьшую длину волны;
  • выбор пирометра из двух различных спектральных диапазонов не дает преимущество в точности измерения (пример в таблице 5: пирометры №25 и №26);
  • сделать выбор между пирометрами проблематично (так как особенной разницы между пирометрами 22, 25, 26 нет);

Описанный выше пример дает информацию о ситуации в которой главное проблемой является прогрессирующее окисление на поверхности. Но это не значит что не может использоваться пирометр двух спектрального отношения. Всегда существуют случаи в которых этот тип пирометра дает более точные результаты, чем монохроматический, но в большинстве случаев такого не происходит. Далее мы рассмотрим следующие факторы, рассмотренные в таблице 1.

Сплавы разного химического состава

Предприятие может на одной линии всегда выплавлять разные сплавы с разным химическим составом и температурой. Точно определиться с выбором универсального пирометра без проведения испытаний на большом количестве материалов не возможно. В качестве примера можно привести две компании по переработки алюминия. Первая использует пирометр спектрального отношения, вторая измеряет методом частичного диапазона волн. Объективно показания приборов сравнить не возможно, можно сравнить только экономическую составляющую от выбора одного из этих методов.

Возникающий эффект от неоднородности измеряемого объекта (например, наличие окалины на стали)

Не всегда можно точно определиться с правильным выбором пирометра одного из двух методов, например при измерении нагретого объекта с “крапленой поверхностью”, поверхность которого частично покрыта окалиной. В этом случае монохроматический и двух спектральный  пирометр измеряют одинаковый участок поверхности объекта, но спектральный из-за своей особенности всегда даст более точные результаты. Степень точности будет зависеть от разницы температуры окалины и температуры объекта. При непрерывно движущемся объекте можно использовать монохроматический пирометр с режимом выборки максимального измеренного значения, так как пирометр будет всегда видеть истинную температуру. При неподвижном объекте выбор монохроматического пирометра так-же возможен, но тогда необходимо использование нескольких пирометров с осуществлением сканирования поверхности и математического выбора измеренного значения.

Трудности зависящие от размеров измеряемой поверхности

Одно из главных преимуществ использования двух спектрального пирометра это его не зависимость от размера измеряемого объекта. Если у потребителя имеется сомнения в точном расположении измеряемого объекта в поле зрения монохроматического пирометра, то необходимо использовать спектральный пирометр с большим углом обзора. 

Измерение расплавленного потока жидкого металла

При измерении плоского потока жидкого металла всегда возникают трудности, аналогичные трудностям которые возникают при работе с твердыми материалами. Наличие вертикального или неравномерный поток создает дополнительные трудности из-за возникающих на поверхности неровностей, которые создают частичные полости абсолютно черного тела. Прогнозировать величину ошибки при описанных факторах трудно, так эти факторы в равной степени влияют на оба типа пирометра. Произвести относительную оценку измеренной температуры поверхности жидкой стали обоими пирометрами, на которой возникает турбулентность различной силы, различная степень отражения поверхности: от в лучшем случае двух отражений до множества отражений на поверхности. В таблице ниже показан возникающий эффект от отражений при измерении монохроматическим пирометром (lэффективная=0.6 мкм) и пирометром спектрального отношения (l1=0.6 мкм, l2=0.8 мкм) при измерении потоке с температурой 1600°С.

Таблица 6. Ошибки, вызванные турбулентностью в потоке жидкой стали.

Условие на поверхности Плоская поверхность 1 отражение Много отражений
/ Тип пирометра Температурная погрешность, °С
Монохроматический 0 +63 +110
Спектрального отношения 0 -21 -78


Наличие поляризации поверхности

Излучение, которое испускает нагретая поверхность металла поляризуется до уровня, зависящего от величины угла между перпендикуляром к измеряемой поверхности и направлением визирования пирометра. Необходимо убедиться, что полученные показания пирометра не будут зависеть от степени поляризации. Пирометры всегда будут зависеть от этого типа погрешности, если они конструктивно содержат сферы отражатели или полу отражатели, не перпендикулярные к этому исходящему излучению. Измерение температуры с использованием двух спектральных пирометров, которые расщепляют поток излучения и имеют угловые отражатели всегда ненадежно. 

Поглощение излучения в поле визирования пирометра

Всегда необходимо прилагать большие усилия для уменьшения влияния на измерения поглощения излучения из-за препятствий в поле визирования пирометра. Добиться этого можно в том числе и: за счет оптимального расположения пирометра, наличия постоянной продувки очищенным воздухом (инертным газом) поля визирования. В случае если принятые меры не помогают необходимо:

  1. при наличии в атмосфере водяного пара или двуокиси водорода - подбор оптимальной для этой атмосферы рабочей длины волны пирометра. Необходимо учитывать что при использовании двух спектрального пирометра одна из рабочит длин вол полностью поглощается водяным паром (двуокисью водорода), то полученные результаты измерения температуры будут больше чем при измерении монохроматическим пирометром с аналогичной длиной волны. Ошибка измеренной температуры будет всегда пропорциональна эффективной длине волны двух этих пирометров.
  2. при наличии продуктов сгорания между пирометром и измеряемым объектов (двуокись углерода при 2.7 мкм и 4.3 мкм) необходимо использовать пирометры с большей длиной волны. При наличии газа или дыма пирометр спектрального отношения измеряет  так называемую “цветовую температуру” источника излучения, при этом возникающий эффект от частичного затемнения поля видения пирометра маленькими частицами (размер которых соизмерим с используемыми в пирометре длинами волн) аналогичный тому, как вы рассматривали бы солнце сквозь туман. Температура солнца в 6000К представлялась бы темно-вишневым цветом, который соответствовал бы температуре 1000К. Аналогично можно представить измерение потока жидкой стали через завесу тумана и дыма. Ни один из пирометров не справиться с такой задачей измерения температуры, однако монохроматический пирометр всегда даст более лучший результат нежели спектральный;
  3. наличие пыли, частиц и паровые капель в зоне виденья пирометра размером больше чем используемая длина волны дает противоположный результат. Их воздействие на пирометр спектрального отношения не большое и использование этого пирометра более предпочтительно. Поглощение излучения водяными каплями (видимый насыщенный пар) в значительной мере также не зависит от используемой длины волны.
  4. наличие воды не влияет на проницаемость излучения с короткой длиной волны, но поглощение водой излучения быстро возрастает при с ростом длины волны. Если требуется измерять температуру сквозь слой воды, то это это можно сделать только при условии достаточно горячего объекта измерения, для измерения монохроматическим пирометром который имеет длину волны не более 1 мкм.


В таблице ниже показана взаимосвязь от использования различной длины волны и возникающих препятствий между объектом измерения с температрурой 1050°С и различных пирометром.

Таблица 7. Ошибки, вызванные введением воды и пара в поле визирования четырех различных типов пирометров (температура объекта 1050°С)

Диапазон рабочих длин волны пирометра, мкм Погрешность при
столбе воды 6 мм, °С
Погрешность при
столбе пара 300 мм, °С
от 0.4 до 2.8 пирометр
частичного
излучения
-420 -150
от 0.5 до 1.1 -7 -56
от 0.5 до 0.7 0 -29
0.67/0.9 пирометр
спектрального
отношения
+31 +3



Наличие отражения от дневного или электрического (вольфрамовая нить) света

Если измерения нагретого объекта происходит монохроматическим пирометром или пирометром спектрального отношения необходимо убедиться в защите объекта от попадания на него излучения от источника с высокой температурой. Частично это относиться и к поверхностям, которые имеют низкую излучательную способность, а так же  низкую температуру. Брусок холодного и отполированного металла, на который будет попадать солнечный свет, для пирометра (с рабочей длиной волны 0,7 мкм) будет казаться нагретым до температуры 1000°С. Это влияние будет оказываться даже в пасмурные дни, когда солнце скрыто за облаками, например использование пирометра спектрального отношения с длинами волн 0.6 мкм и в 0.7 мкм даст завышенные показания температуры этого тела. Величина, на которую будут завышаться показания, всегда зависит от силы света, попадаемого на объект измерения. При измерении температуры холодных объектов это всегда надо иметь в виду!

Способ быстрого получения данных по излучательной способности объекта

Всегда при наличии измеряемых объектов можно получить в удобной для Вас форме относительно быстрое измерение параметра спектрального отражения (а следовательно и спектральной излучательной способности, поскольку оно рассчитывается по формуле Еl=1-Rl). Этот метод включает измерение отношения энергии, которая отражена от холодного образца материала, погруженного в абсолютно черное тело, к энергии излучения самого черного тела при отсутствии установленного в него образца. Измерения производятся для различного типа пирометров, имеющих различное значение параметра El для определения зависимости изменения Еl от l.