Инфратест Карта сайтаКоординатыВерсия для печати
Главная / Измерение температуры / Рекомендации

О компании

Референт-лист

Координаты

Реквизиты

Официальные представители


Продукция

Тепловизоры

Пирометры ручные

Пирометры стационарные

ИК-термопара

Документация

Программное обеспечение

Сертификаты


Услуги

Поверка

Сервис-центр

Пуско-наладка


Измерение температуры

Общие определения

Рекомендации

Примеры применения

Фотогалерея

Бланк заказа приборов




 


Бесконтактное измерение температуры открытой поверхности металла

Добавлено: 02.03.2005, Изменено: 20.11.2017

Бесконтактное измерение температуры открытой поверхности металла

Краткий обзор
Хотя температура как чистой, так и окисленной поверхности металла может почти всегда быть измерена с достаточной точностью инфракрасными пирометрами, выбор наиболее эффективного термометра связан с рассмотрением нескольких факторов.
Наиболее эффективным пирометром является пирометр, использующий наиболее короткую возможную длину волны, но в некоторых случаях следует выбирать пирометр спектрального отношения. Решающим фактором является стабильность излучательных характеристик поверхности  во время процесса и степень происходящего окисления. Кроме того, немаловажным является характер атмосферы в зоне измерения.
Пирометры спектрального отношения не нашли широкого применения на практике соответствующего их теоретической базе.
 
Введение
Измерение температуры поверхности горячего металла в холодном окружении (например, прокатный стан) обычно является идеальным случаем для использования инфракрасных пирометров. Все же очень важно выбрать правильный тип пирометра для конкретного применения. Безусловно, определенный пирометр не должен выбран лишь потому, что другого пирометра нет или вы уже использовали этот тип раньше, и он “успешно выполнил работу”. Понятие “холод” используется в относительном смысле и оно означает, что плотность облучения, падающая на материал, незначительна в сравнении его собственного излучения. Как правило, если температура окружающей среды более чем на 300°С холоднее чем измеряемая, то окружающая среда может считаться “холодной”.
В этой статье описываются факторы, которые должны определять оптимальный выбор термометра, а также указаны возможности некоторых типов пирометров, которые могут быть применены.
В таблице 1 суммируются факторы и дается краткий комментарий к их влиянию на выбор пирометра. Подробнее о них будет сказано ниже.
Факторы
Технические трудности
Выбор пирометра
Меняющееся условия объекта
Изменяющаяся степень окисления
Изменение относительной излучательной способности, может в значительной мере зависеть от длины волны
Почти всегда отдается предпочтение коротковолновому монохроматическому пирометру
Изменяющиеся сплавы
Изменение относительной излучательной способности
Должны быть измерены индивидуально
“Холодные” участки поверхности (например, окалина)
Потенциал для ошибочно низких показаний
Используются  как пирометры спектрального отношения так и коротковолновые для небольших объектов с обработкой максимальных значений. Последний пирометр лучше, если температура “холодных” участков ниже на 200-300°С истинной температуры
Изменяющиеся размеры объекиа, его местоположение
Объект может сместиться  с поля зрения пирометра
Используются как пирометр спектрального отношения так и коротковолновый с обработкой максимальных значений
Свертывание потоков жидкого металла
Вызывает изменение в эффективной относительной излучательной способности
Пирометр спектрального отношения лучше, чем монохроматический, но обычно никогда не дает достаточно точных показаний
Поляризация
Степень поляризации изменяется в зависимости от величины угла между наблюдаемым направлением и перпендикуляром к поверхности
Нужно использовать пирометр, на который не влияет поляризация энергии падающего излучения. Избегать использовать пирометры, включающее в себя угловые зеркала и полузеркала
Поглощение на пути визирования
Потери энергии
Если возможно, избегать все виды потерь и свести их к минимуму
Водяной пар в атмосфере или СО2
Потеря энергии при характерных диапазонах волн
Идеальны коротковолновые термометры с длиной волны ниже 1.8 микрометра.
Пары/дым
Потери на рассеивании во многом зависят от длины волны
Отдается предпочтение коротковолновым пирометрам. Пирометры спектрального отношения измеряют “условную температуру” и могут давать очень низкие показания (например, солнечный свет через туман)
Пыль/большие частицы
Потери при частицах выше определенного размера не очень зависят от длины волны
Используйте пирометр спектрального отношения
Пар (воздушные капли)
Потери выше определенного размера не очень зависят от длины волны
Используйте пирометр спектрального отношения
Отражение дневного света или вольфрамовых ламп
Отражение дает ложно высокие показания, особенно при измерении светлых металлов при низких температурах
Должны устраняться путем экранирования
 
Первое решение
Первое решение, которое необходимо сделать, безусловно, наиболее трудное, даже для эксперта: - Должны ли мы использовать монохроматический пирометр или пирометр спектрального отношения (2-х цветовой пирометр)?
Как правило, имеющаяся в распоряжении основная информация об условиях работы и свойствах материалов незначительна, чтобы принять теоретически обоснованное решение. Следовательно, необходимо будет часто ставить эксперименты, чтобы определить относительные достоинства.
Однако, в большинстве случаев применения лучшим и наиболее экономным решением окажется простой монохроматический пирометр. Поэтому, мы сначала рассмотрим проблему выбора оптимального монохроматического пирометра, а затем рассмотрим приемущества и недостатки двух методов.

Монохроматический (яркостный пирометр)
Оптимизация здесь относительна проста. Если относительная излучательная способность материала высокая и постоянная, нетрудно добиться высокой и постоянной точности измерения с помощью любого пирометра. Многие неметаллические материалы отвечают этим требованиям и, следовательно, являются идеальными объектами.
В этой статье уделяется особое внимание проблемам, возникающим со многими металлами, относительная излучающая способность которых может меняться с течением времени и с изменением температуры. Если ошибки такого порядка не будут сведены к минимуму, результаты будут неудовлетворительны.
В приложении А описывается изменение относительной измлучательной способности поверхностей чистого металла при различной длине волны. При этом относительная излучательная способность тем выше, чем короче длина волны. В приложении В показано, что (по закону тепловой радиации) ошибка, вызванная любым изменением излучаемости, будет пропорционально эффективной длины волны.
И при изменении излучательно способности с изменением длины волны, и при изменении значения ошибки с изменением длины волны, мы приходим к одному выводу:
Следует всегда использовать коротковолновый яркостный пирометр!
Дополнительные факторы могут тоже привести к тому же заключению, например:

Окисление
Если металл имеет частично окисленное состояние, то излучение поверхности быстрее достигает стабильного значения при короткой длине волны, чем при длинной. По мере того, как толщина окисленного слоя будет возрастать, слой будет просвечиваться до тех пор, пока толщину его можно будет сравнить с соответствующей длиной волны; тогда слой постепенно станет совершенно не просвечивающимся. Это вероятно случится сначала при наиболее короткой длине волны. Поэтому поверхность будет иметь высокую и стабильную излучательную способность, связанную с толщиной окисленного слоя скорее при короткой длине волны, чем при длинной.

Атмосферное поглощение
Кроме того, коротковолновые яркостные пирометры обычно менее подвержены влиянию атмосферного поглощения, чем пирометры широкого спектра. Если поглощение вызвано частицами или каплями на пути визирования, уменьшенное значение погрешности при коротких волнах будет иметь меньшую относительную зависимость измерений температуры от энергии.
 

Таблица 2. Погрешности температуры на пяти литейных формах, использующих три пирометра с различной длиной волны (Т=500°С).
Дина волны, микрометры
1.0
2.0
3.0
Литейная форма
Время работы, час
Погрешность температуры, °С
1
 
-2,5
-29
-61
2
8
0
+8
+7
3
13
+2,0
+24
+52
4
22
+1,8
+27
+60
5
34
+2,5
+29
+61
Однако, при температуре ниже 300°С возможно, также, избежать ошибок, возникших из-за поглощения водяного пара в атмосфере.           
 
Промышленные коротковолновые пирометры
На практике имеются стабильные детекторы, работающие в диапазоне вон от 0.4 до 30 мкм. Эти детекторы, в сочетании с рядом оптических фильтров могут дать возможность получить целый ряд пирометров, отвечающих почти всем промышленным требованиям. Некоторая подборка таких пирометров представлена в таблице 3.
Таблица 3.
Диапазон температур
Эффектив-ная длина 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
Диапазон температур Т, °С
Диапазон волн
Эффектив-ная длина волны, мкм
Ошибка при 1% изменении Е1/Е2
мин
макс
1
2
При Т (мин), °С
При Т (макс), °С
Пирометры 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
Название этой группы пирометров “коротковолновые пирометры” может иногда поставить в тупик. Название “коротковолновый” – относительное, например при Т=1000°С 1мкм – короткая длина волны; в то время как при Т=10°С 10 мкм также считается короткой длиной. В другом контексте 10 мкм пирометр может считаться пирометром “широкого диапазона волн”.
За критерий для отнесения пирометра к “коротковолновому” принимается максимальная длина волны, которая должна быть выбрана настолько короткой, насколько это возможно, соразмерной с наличием достаточной энергии, чтобы получить необходимое отношение сигнал-шум от детектора при минимальной температуре.
Энергия излучения наиболее существенно меняется в области коротких длин волн. Отсюда вытекает очевидное соотношение между длиной волны и минимумом рабочей температуры, даже для приемников с повышенной чувствительностью.
 
Эффективная длина волны
При выполнении теоретического анализа исходим из предположения, что пирометры используют узкий диапазон волн и поэтому изменение показаний в зависимости от изменения температуры может быть определено по закону Планка.
На практике, большинство приемников излучения имеет существенно широкий диапазон волн и даже использование фильтров не достаточно ограничивает диапазон волн, чтобы иметь возможность считать его строго монохроматическим. Однако, как было уже сказано, кривая энергии в зависимости от длины волны очень крутая при короткой длине волны и пирометры имеют показания, которые четко согласуются, в значительном температурном диапазоне, с расчетами Планка, соответствующими длине волны близкой к “отсечной” верхней длине волны системы приемник-фильтр. Понятие эффективной длины волны является весьма удобным для оценки скорости изменения энергии (и следовательно показаний пирометра) с изменением температуры.
В таблице 3 эффективная длина волны дана для каждого пирометра при среднем диапазоне температур
 
Выбор оптимального пирометра
Если изменение излучательной способности составляет проблему и, если диапазон температур не существенен:
Всегда выбирайте пирометр с самой короткой длиной волны, которая позволяет провести необходимые измерения самой низкой температуры в диапазоне измерения.
Нельзя допускать большого запаса при выборе нижнего предела температуры.
Если Вы допускаете это, значительно понизится точность измерения при нормальной рабочей температуре.
Например, нормальная рабочая температура 500°С, а нижний предел выборочно определяется равным 200, 250, 300, 350, 400, 450°С.
При этом из таблицы 3 видно, в каких широких пределах изменяется оптимальный диапазон рабочих температур. В таблице 4 приведены ошибки, обусловленные 10% изменением излучательной способности при 500°С.
Таблица 4. Погрешности различных пирометров при 10% изменении излучательной способности (Тобъекта=500°С).
Номинальная Тмин, °С
Пирометр
Погрешность,
°С
Тип
Эффектнивная длина 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
Как видно из таблицы, при минимальной температуре 350°С лучшим пирометром будет пирометр типа 6, следующим будет типа 5.
Очевидно, экономичность решения может повлиять на выбор 5 или 6 типа пирометра, но технические аспекты являются четко очерченными.
 
Относительные преимущества пирометров спектрального отношения и пирометров частичного излучения
Тяжело равнооценить относительные преимущества коротковолновых пирометров и спектрального отношения при измерении температуры металлических поверхностей.
Пирометр спектрального отношения был бы идеальным, если ба отражательная способность металла была одинакова при обеих длинах волн. Даже если бы она был различна, но соотношение оставалось постоянным, то результирующую погрешность можно было бы скорректировать тем же способом, как и при учете погрешности, принятой для монохроматического пирометра.
К сожалению, материалы серого цвета (материалы с одинаковой излучательной способностью при любой длине волны) встречаются также редко, как материалы черного цвета (материалы с излучательной способностью равной 1). Следовательно, все измерения зависят от излучательной способности материалов.
Вопрос, на который необходимо ответить, следующий:
Может ли погрешность, связанная с изменением излучательной способности Е для монохромтического пирометра быть уменьшена по сравнению с погрешностью, связанно с изменением соотношения Е12 , для пирометра соотношения?
К сожалению (опять таки), в распоряжении имеется очень мало информации о том как изменяется способность металлов с изменением времени и температуры, особенно во время многочисленных процессов, в ходе выполнения которых желательно измерение температуры. Это, в частности справедливо для данных при различной длине волны. Самое лучшее, что может быть сделано в большинстве случаев применения, это экспериментальная проверка относительных ошибок, или измерение отражательной способности целого ряда образцов. Так как, по мнению автора, пирометры соотношения теоретически выглядят заманчиво, приведенный ниже пример показывает возможные ошибки, возникающие при использовании их в случаях, когда известно значение показаний. Взяв в качестве примера расплавленный материал, описанный на рис.1, мы видим, что для любого приемлемого диапазона длин волн ошибки при использовании пирометра спектрального отношения больше, нежели для монохроматического пирометра с длиной волны, расположенной в середине выбранного диапазона.
В таблице 5 показаны погрешности, вычисленные для пирометра отношения при l1=0.9 мкм, l2=1.1 мкм, которые сравниваются с монохроматическим прибором с lэффективной=1 мкм, а также два пирометра спектрального отношения l1=1.8 мкм, l2=2.2. мкм и при l1=1.5 мкм, l2=2.0 мкм, которые сравниваются с монохроматическим прибором с lэффективной=2 мкм.
Во всех случаях градуировка пирометров оптимизировалась с целью сведения к минимуму разброса погрешностей.

Таблица 5. Температурные погрешности на пяти литейных формах при использовании монохроматических пирометров и спектрального отношения (Т=500°С)
Пирометр №
21
24
22
25
26
Тип
монохро-матический
отношения
монохро-матический
отношения
отношения
Диапазон 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
+35
+32
2
0
-1.7
+8
-8
-6
3
+2
-8.2
+24
-30
-28
4
+1.8
-8.2
+27
-35
-32
5
+2.5
-9.5
+29
-35
-32
Эти результаты приводят к важным выводам:
А) оптимальным пирометром является монохроматический пирометр с наименьшей длиной волны.
Б) изменение разделения двух диапазонов волн пирометра спектрального отношения дает лишь незначительные изменения в точности (пирометры №25 и №26).
В) решить какой пирометр выбрать, трудно (между типами термометров 22, 25, 26 большой разницы нет).
Приведенный выше пример представляет ситуацию, в которой основной проблемой является прогрессирующее окисление. Приведенный комментарий не должен пониматься как отрицание использования пирометра спектрального отношения, а просто как предупреждение, что он не универсальное средство, как это может показаться на первый взгляд. В некоторых случаях применения пирометр спектрального отношения будет давать лучшие результаты, в большинстве же случаев – нет. Рассмотрим некоторые другие факторы, упомянутые в таблице 1.
 
Различные сплавы
Завод может выплавлять много различных сплавов из одного основного материала. Невозможно прогнозировать, какой из методов даст наиболее удовлетворительные результаты измерений без испытания отражательной способности целого ряда материалов. Даже тогда решение может зависеть от личного выбора факторов экономии. Например, из двух кампаний, производящих алюминий в Англии, одна использует метод спектрального отношения, другая – метод частичного диапазона волн. Показания приборов не могут служить для объективного сравнения.

Эффект неоднородного объекта (например, окалина на стали)
Не всегда можно правильно решить преимущество одного из двух методов при измерении “крапленой поверхности”, например, поверхность, покрытая частичной окалиной.
Если спектральный и монохроматический пирометры измеряют один и тот же участок поверхности, то спектральный пирометр всегда дает лучший результат. Степень улучшений, однако, будет зависеть от разницы температур.
Необходимо рассмотреть использование монохроматического пирометра со схемой выборки максимальных значений, который измеряет небольшую поверхность. Если объект движется, пирометр будет периодически “видеть” и фиксировать истинную максимальную температуру. Если материал неподвижен, необходимо осуществить развертку (сканирование поверхности).

Эффект от размеров измеряемой поверхности
Одним из самых реальных преимуществ спектрального пирометра является его минимальная зависимость от размеров измеряемой поверхности. Если неизвестно, будет ли позиция или размер объекта оставаться в поле зрения монохроматического пирометра, то истинную температуру покажет спектральный пирометр с большим углом обзора.
Одним из вариантов, который следует рассмотреть, является излучение наблюдаемого объекта монохроматическим пирометром малого угла с электронной схемой, поддерживающей максимальное значение. Более удачный выбор может зависеть от технических и экономических факторов и обычно не может быть спрогнозирован.

Потоки жидкого металла
При работе с относительно плоскими потоками жидкого металла возникает тот же тип трудностей, что и при работе с твердыми металлами. Вертикальный или неравномерный поток вызывает дополнительные трудности из-за неровностей на поверхности, создающие частичные полости черного тела.
Прогнозировать величины ошибок, вызванных этим эффектом, сложно, но оба типа пирометров будут подвержены этим ошибкам.
Как пример относительных оценок рассмотрим изменение результатов показаний двух пирометров, свизированных на поверхность жидкой стали с изменяющейся степенью турбулентности, и поверхность, жидкой стали с изменяющейся степенью турбулентности, и поверхность, таким образом, может быть и плоской, и изогнутой с:
А) в лучшем случае с двумя отражениями на поверхности;
Б) со многими отражениями на поверхности.
В таблице 6 показаны эффект визирования монохроматического пирометра (lэффективной=0.6 мкм) и пирометра спектрального отношения (l1=0.6 мкм, l2=0.8 мкм) при потоке с Т=1600°С.
Таблица 6. Ошибки, вызванные турбулентностью в потоке жидкой стали.
Условие
Плоская поверхность
1 отражение
Много отражений
Дина волны
Эффективная излучательная способность потока
l1=0.6 мкм
 
 
 
l2=0.8 мкм
 
 
 
Отношение Е12
 
 
 
Пирометр
Температурная погрешность, °С
Монохроматический
0
+63
+110
Спектрального отношения
0
-21
-78

Поляризация
Излучение, испускаемое поверхностью металла, будет поляризовано до уровня, который зависит от величины угла между перпендикуляром и направлением визирования. Очень важно убедиться, что используемые показания пирометра не зависят от степени поляризации.
Пирометры будут чувствительны к этому типу погрешности. Если они будут содержать отражатели и полуотражаетли, которые не перпендикулярны к исходящему излучению. Спектральные пирометры с расщеплением потока излучения, использующим угловые отражатели, очень ненадежны. Будьте осторожны!

Поглощение в поле визирования
Нужно приложить все усилия, чтобы свести к минимуму поглощение в поле визирования инфракрасного пирометра. Этого можно добиться путем нахождения оптимальной позиции пирометра или путем продувки поля визирования чисты воздухом или инертным газом. Однако, если проблема остается, то следующие действия могут быть предприняты:
А) Водяной пор и двуокись водорода
Большинство эффектов поглощения атмосферы во многом зависят от рассматриваемой длины волны. Если одна из двух волн пирометра спектрального отношения включает диапазон, в котором имеется поглощение водяного пара, то полученная в результате погрешность будет больше, чем при использовании монохроматического пирометра с той же длиной волны. Ошибки будут пропорциональны эффективной длине волны двух пирометров. Следует быть осторожным, если необходимо вести наблюдение сквозь продукты сгорания, чтобы избежать влияния более широких полос двуокиси углерода при 2.7 мкм и 4.3 мкм.
Б) Газ/дым
Пирометр спектрального отношения измеряет “цветовую температуру” источника. Эффект частичного затемнения маленькими частицами (соизмеримыми с используемыми длинами волн) можно наблюдать, рассматривая солнце сквозь туман. 6000К на солнце могут быть представлены темно-вишневым цветом, соответствующим 1000К.
Примерно такая же картина будет наблюдаться, если рассматривать поток жидкой стали сквозь создаваемый этим потоком дым. В этом экспериментальном случае ни спектральный, ни монохроматический пирометры не будут эффективны, однако монохроматический пирометр даст лучший результат.
В) Пыль, частицы и паровые капли
И наоборот, если частицы намного больше используемой длины волны, то их побочное воздействие на пирометр спектрального отношения весьма мало. В данном случае такой пирометр является идеальным. Поглощение водяными каплями (видимый пар), также не зависит в значительной мере от длины волны.
В таблице 7, приведенной ниже, показан эффект использования различной длины волны, показывая экспериментальные результаты, достигаемые при наблюдении за предметом при Т=1050°С сквозь 6мм столб воды и 300мм столб пара, используя 4 различных пирометра.
Таблица 7. Ошибки, вызванные введением воды и пара в поле визирования четырех типов пирометров (температура объекта 1050°С)
Диапазон волны пирометра, мкм
6мм воды, °С
300 мм пара,°С
от 0.4 до 2.8
частичного излучения
-420
-150
от 0.5 до 1.1
-7
-56
от 0.5 до 0.7
0
-29
спектрального отношения
0.67/0.9
+31
+3

Е) Вода
Вода очень проницаема для излучения с короткой длиной волны, но поглощение воды быстро возрастает при увеличении длины волны. Если возникает необходимость сквозь слой воды производить наблюдение, то это может быть сделано успешно лишь в том случае, если предмет достаточно горячий, чтобы воспользоваться монохроматическим пирометром с максимальной длиной волны менее 1 мкм.

Отражение дневного или электрического света
При изменении монохроматическим пирометром или пирометром спектрального отношения важно убедиться, что объект измерения защищен от излучения источника высокой температуры. Это частично относится к поверхностям с низкой излучательной способностью и с низкой температурой. Кусок холодного отполированного металла будет казаться имеющим температуру около 1000°С при 0.7мкм, если он наблюдается при дневном свете, даже в пасмурный день пирометр спектрального отношения с длинами волн 0.6 мкм и в 0.7 мкм, измеряя этот же образец будет давать завышенные показания; величина завышения зависит от количества отражаемого света. Это не следует забывать!

Быстрый метод получения данных по излучательной способности
При наличии измеряемых объектов можно в удобной форме сделать относительно быстрое измерение спектрального отражения (и, таким образом, спектральной излучательной способности, поскольку Еl=1-Rl). Метод включает измерение отношения энергии, отраженной от холодного образца материала, когда он погружен в сферическую абсолютно черную печь, к энергии излучения самой печи при отсутствии образца. Измерения должны быть сделаны различными типами пирометров с разным значением lЕ для того, чтобы определить изменение Еl в зависимости l.


« Назад


О компанииПродукцияУслугиИзмерение температуры

© 2005 ООО "Инфратест" ®. Сайт работает на WebMotor ™.

Rambler's Top100             Рейтинг ресурсов "УралWeb"