Bezkontaktní měření teploty kovů

Infračervené spektrum vyzařování

Pokud má nějaký objekt vyšší teplotu, než je absolutní nula 0 K (-273,15 °C), vysílá elektromagnetické záření, které je proporcionální k jeho teplotě. Infračervený spektrální rozsah přitom z celého vyzářeného elektromagnetického spektra zabírá jen velmi omezenou část. Začíná od konce viditelného spektra od přibližně od 0,78 μm až do vlnové délky 1000 μm. Spektrum, které je zajímavé pro infračervené měření teploty, leží mezi 0,8 μm a 14 μm. Nad touto vlnovou délkou je množství energie tak malé, že detektory nejsou dostatečně citlivé, aby takové záření změřily.

Objektem vysílané infračervené záření prochází atmosférou a je možné jej pomocí čočky zaostřit na element detektoru. Detektor vyrábí elektrický signál, odpovídající záření. Přeměna signálu na výstupní veličinu, proporcionálně odpovídající teplotě objektu, se uskutečňuje pomocí zesílení a digitálního zpracování. Měřená hodnota může být zobrazena na displeji nebo být předána dál jako signál.

Pro další předávání měřené hodnoty do regulačních systémů jsou k dispozici standardizované výstupy, jako lineární 0/4-20 mA, 0-10V a nebo signál termočlánku. Pro výstup dat a pro přímý přístup k parametrům přístroje používá navíc většina současných infračervených teploměrů digitální rozhraní (USB, RS232, RS485, Relé, PROFIBUS DP, CAN Bus, Ethernet).

V následujícím článku přesněji prozkoumáme chování infračerveného záření u kovových povrchů. Nejdříve se krátce soustředíme na přeměnu signálu na teplotu objektu.

Výpočet teploty z infračerveného záření

Detektor jako příjemce záření je nejdůležitější element každého infračerveného teploměru. Dopadem elektromagnetického záření vzniká elektrický signál, který lze přesně vyhodnotit. Signál detektoru U souvisí s teplotou objektu T_Objekt následovně:

Signál detektoru, který vzniká z emitovaného záření objektu v celém vyzařovacím spektru, stoupá proporcionálně se čtvrtou mocninou absolutní teploty objektu. To znamená: zdvojnásobí-li se teplota měřeného objektu, zvýší se signál detektoru 16 krát.

Protože je potřeba kromě emisivity objektu ε zohlednit také povrchem objektu odražené záření z okolí TAmbient a vlastní záření infračerveného teploměru T_Pyro (C je specifická konstanta přístroje), změní se vzorec na:

Navíc, infračervený teploměr nepracuje v celém vyzařovacím spektru. Exponent n je závislý na vlnové délce. N leží pro vlnové délky od 1 do 14 μm v rozsahu od 17…2, u krátkovlnně měřících přístrojů pro měření teploty kovů  (1,0 až 2,3 μm) mezi 15…17:

Teplotu objektu získáme pomocí přepočtu podle zmíněného vzorce. Výsledky výpočtů jsou pro všechny existující teploty uloženy jako soustava křivek v EEPROM infračerveného teploměru:

 
Infračervený teploměr dostává tedy principiálně dostatečný signál pro měření teploty. Z rovnic ale vyplývá, že kromě rozsahu vlnových délek (vyzařovací spektrum) má zásadní význam i odražené záření z okolí a emisivita, pokud má být teplota stanovena přesně. V následující části odvodíme a vysvětlíme význam těchto parametrů.

Černý zářič jako důležitá reference

Už kolem roku 1900 definovali Planck, Stefan, Boltzmann, Wien a Kirchhoff přesněji elektromagnetické spektrum a stanovili kvalitativní a kvantitativní souvislosti pro popsání infračervené energie. Černý zářič nebo také černé těleso je základem pro pochopení fyzikálních základů techniky bezkontaktního měření teploty a pro kalibraci infračervených teploměrů.

Černý zářič je na jedné straně těleso, které absorbuje veškeré na něj dopadající záření; na něm nevzniká ani reflexe (ρ = 0) ani transmise (τ = 0). Jeho stupeň absorpce α je jedna. Na druhé straně vyzařuje černé těleso maximální možnou energii pro každou vlnovou délku, v závislosti na jeho teplotě. Jeho emisivita ε je rovněž jedna.

Konstrukce černého zářiče je v podstatě jednoduchá. Vyhřívané duté těleso, které má na jednom konci malou díru. Pokud ohřejeme toto těleso na libovolnou, ale konstantní teplotu, nachází se toto duté těleso v tepelné rovnováze a z díry vystupuje ideální černé záření v celém elektromagnetickém spektru.

Planckův vyzařovací zákon popisuje základní souvislosti pro bezkontaktní měření teploty. Popisuje specifické spektrální vyzařování Mλs černého zářiče v dutém tělese v závislosti na jeho teplotě T a vlnové délce λ (c: rychlost světla, h: Planckova konstanta):

Průběh specifického spektrálního vyzařování černého zářiče.

Vedlejší graf ukazuje pro každý příklad teploty logaritmicky spektrální vyzařování Mλs černého tělesa při vlnové délce λ.

Je možné odvodit mnoho souvislostí, přičemž následně krátce zmíníme dvě z nich. Integrací spektrální vyzařovací intenzity přes celý vlnový rozsah od nuly do nekonečna získáme hodnotu celého emitovaného vyzařování tělesa. Tato závislost se označuje jako Stefanův - Boltzmannův zákon. Praktický význam pro bezkontaktní měření teploty bude vysvětlen v článku o výpočtu teploty.

Další, z grafického zobrazení patrná souvislost je, že vlnová délka, při které vzniká maximální intenzita vyzařování, se při rostoucí teplotě posunuje směrem ke krátkovlnnému rozsahu. Toto chování je základem Wienova posuzovacího zákona a lze ho derivací odvodit z Planckovy rovnice.
Vysoká intenzita vyzařování je proto důvod, ale ne ten nejdůležitější, proč se kovy s vysokou teplotou měří pomocí krátkých vlnových délek. Rovněž v dlouhovlnném rozsahu najdeme opravdu vysokou intenzitu. Největší vliv zde mají emisivita a reflexivita, stejně jako z toho plynoucí důvod chyby měření, protože u kovů se jedná o selektivní zářič.

Kovové povrchy jako selektivní zářič

V realitě stěží odpovídá těleso ideálnímu černému zářiči. V praxi se pro kalibraci senzorů používají vyzařovací plochy, které při požadované vlnové délce dosahují emisivity až 0,99. Pomocí emisivity ε (Epsilon), která stanoví poměr mezi reálnou hodnotou schopnosti vyzařování objektu a vyzařování černého tělesa při stejné teplotě, lze proto měřením záření velmi dobře určit teplotu objektu. Emisivita přitom leží vždy mezi nulou a jednou; chybějící podíl záření je kompenzován zadáním emisivity.

Mnoho měřených povrchů má přes celý vlnový rozsah konstantní emisivitu, emitují ale ve srovnání s černým tělesem méně záření. Nazývají se šedý zářič nebo také šedé těleso. Mnoho nekovových materiálů vykazuje alespoň v dlouhovlnném spektrálním rozsahu, nezávisle na povrchové úpravě, vysokou a relativně konstantní emisivitu.

Objekty, jejichž emisivita závisí mimo jiné na teplotě a vlnové délce, např. kovové povrchy, se nazývají selektivní zářič. Existuje více důležitých důvodů, proč by se mělo měření kovů uskutečňovat pokud možno v krátkovlnném rozsahu. Za prvé mají kovové povrchy při vysoké teplotě a krátké vlnové délce měření (2,3 μm; 1,6 μm; 1,0 μm, 0,525 µm) ne jen nejvyšší intenzitu vyzařování, ale také nejvyšší emisivitu. Za druhé se lépe přizpůsobujeme emisivitě oxidů kovů, takže teplotní rozdíly, vyvolané měnící se emisivitou (nabíhací barvy), jsou minimalizovány.

Dalším důležitým důvodem pro volbu krátkovlnného měřícího infračerveného teploměru je skutečnost, že kov může ve srovnání s jinými materiály vykazovat i neznámé emisivity. Krátkovlnně měřící pyrometr snižuje značně měřící chybu při špatně nastavené emisivitě.

Infračervený teploměr optris pro měření kovů

Firma Optris GmbH nabízí velký výběr pyrometrů a termálních kamer pro měření kovů pro všestranné využití v metalurgickém průmyslu.

Měření vysoké teploty kovů

Pro měření velmi vysoké teploty kovů, oxidů kovů a keramiky jsou velmi vhodné tyto infračervené teploměry:

• Pyrometr optris CT 1M / 2M: 250°C - 2.200°C*
• Pyrometr optris CTlaser 1M / 2M inovativním dvojbodovým laserem: 250 °C - 2.200 °C*
• Handthermometer optris P20 1M / 2M: 385 °C - 1.800 °C*
• Poměrový pyrometr optris CTratio 1M: 700 °C - 1.800 °C
  
  

Měření nízké teploty kovů

V průmyslu zpracování kovů existuje i velké množství aplikací s nízkými teplotami. Pro tuto oblast nabízí Optris tyto infračervené teploměry:

• Pyrometr optris CT 3M: 50 °C - 1.800 °C
• Pyrometr optris CTlaser 3M mit innovativem Doppel-Laser: 50 °C -  1.800 °C*
  
  

Měření tekutých kovů

Následující infračervené teploměry jsou díky extrémně krátké měřící vlnové délce vhodné pro měření teploty tekutých kovů:

• Pyrometr optris CTlaser 05M: 1.000 °C - 2.000 °C
• Ruční teploměr optris P20 05M: 1.000 °C - 2.000 °C
  
  

Termální kamery pro měření teploty kovů

Termální kamery optris řady PI je možné použít i pro měření kovů a pokrývají tyto teplotní rozsahy:

• Infračervená kamera optris PI 160: -20 °C - 1.500 °C*
• Infračervená kamera optris PI 200 / 230 kombinovaný skutečný a termální obraz: -20 °C - 1.500 °C*
• Infračervená kamera optris PI 400 / PI 450 pro měření minimálních teplotních rozdílů: -20 °C - 1.500 °C*
• Infračervená kamera optris PI 640 s velmi vysokým rozlišením: -20 °C – 900 °C