Teoria w pomiarach temperatury metali

Teoria w pomiarach temperatury metali

Zachowanie odpowiednich temperatur w procesie produkcji przemysłowej jest niekiedy jednym z kluczowych czynników, determinujących jakość końcowego wyrobu na praktycznie każdym z jej etapów. W wielu przypadkach, z uwagi na charakter procesu produkcyjnego lub brak możliwości bezpośredniego kontaktu z półproduktem, do pomiaru temperatury wykorzystuje się dobrze już znaną technologię pomiarów bezdotykowych, wykorzystujących promieniowanie podczerwone (emitowane przez obiekt), która znajduje zastosowanie także w przemyśle metalurgicznym.

Prowadzenie stałej kontroli i monitoringu temperatury powierzchni metalicznych z wykorzystaniem urządzeń takich, jak pirometry stacjonarne czy kamery termowizyjne, wymaga od użytkownika minimum podstawowej wiedzy na temat technik przeprowadzania bezdotykowych pomiarów temperatury. Poniższy artykuł omawia szczegółowo najważniejsze kwestie, dotyczące kluczowych parametrów pomiaru temperatury metali, jakimi są np. emisyjność lub reflektancja powierzchni, a także ich (często niekorzystny) wpływ na uzyskane wyniki pomiarowe. Z artykułu dowiesz się m.in. w jaki sposób przeprowadzić wiarygodny i przede wszystkim powtarzalny pomiar temperatury powierzchni metali oraz w jaki sposób dobrać urządzenie, które najbardziej spełni Twoje oczekiwania.

Zaraz po czasie, temperatura jest prawdopodobnie najczęściej mierzoną wielkością fizyczną. Urządzenia do bezdotykowego pomiaru temperatury powierzchni (pirometry, zwane również termometrami bezdotykowymi oraz kamery termowizyjne), określają temperaturę obiektu poprzez pomiar emitowanego przez niego promieniowania podczerwonego. Ale jak właściwie działa bezdotykowy pomiar temperatury? Przed jakimi wyzwaniami staje użytkownik chcący zmierzyć temperaturę powierzchni jakiegoś metalu?

Pasmo promieniowania podczerwonego

Każdy obiekt (ciało) o temperaturze wynoszącej powyżej zera absolutnego 0 K (-273.15°C), emituje promieniowanie podczerwone o natężeniu wprost proporcjonalnym do jego wewnętrznej temperatury. Pasmo promieniowania podczerwonego jest tylko wąskim wycinkiem całego pasma (przedziału) promieniowania elektromagnetycznego, w skład którego wchodzą również fale świetlne, promieniowanie UV, fale radiowe itd. Zakres widmowy podczerwieni rozpoczyna się przy falach o długości 0.78 μm, a kończy przy ok. 1000 μm (1 mm). Najważniejszy z punktu widzenia bezdotykowych pomiarów temperatury jest przedział od 0.7 do 14 μm. Wynika to z właściwości i ograniczeń technologicznych detektorów podczerwieni, które są zbyt mało czułe aby były w stanie wykryć promieniowanie poza tym zakresem (poziom energii promieniowania podczerwonego poza ww. przedziałem jest zbyt niski).

Widmo promieniowania elektromagnetycznego

Promieniowanie emitowane przez obiekt przenika do atmosfery i jest skupiane na detektorze z wykorzystaniem odpowiednio dobranej soczewki. Detektor generuje sygnał elektryczny, którego wartość zmienia się proporcjonalnie do siły (natężenia) zmierzonego promieniowania. Następnie, sygnał ten jest wzmacniany i przetwarzany przy użyciu kolejnych, cyfrowych przetworników, aby w efekcie otrzymać sygnał wyjściowy w postaci temperatury obiektu, wyświetlonej np. na wyświetlaczu urządzenia lub w formie wyjścia analogowego.

Pirometry stacjonarne Optris są wyposażone np. ustandaryzowane wyjścia analogowe w postaci liniowych wyjść prądowych (0/4 ... 20mA), napięciowych (0 ... 5/10V) lub termoparowych (K/J). Ponadto, większość urządzeń z naszej oferty pozwala na komunikację cyfrową z wykorzystaniem interfejsu USB, RS232 lub RS485 w celu dalszej obróbki uzyskanych wyników w zewnętrznych urządzeniach (systemach) oraz komunikacji i sterowania pracą urządzenia.

Schemat blokowy głowicy pirometrycznej

Obliczanie temperatury z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego

Detektor promieniowania podczerwonego jest najważniejszym elementem każdej kamery termowizyjnej lub pirometru, przeznaczonego do bezdotykowego pomiaru temperatury powierzchni. Sygnał pochodzący z detektora powstaje w wyniku skupienia promieniowania elektromagnetycznego, którego wartość można z łatwością ocenić. Zależność pomiędzy sygnałem wyjściowym detektora U oraz temperaturą obiektu Tobj wygląda następująco:

Równanie Stefana-Boltzmana 1

Wartość sygnału na wyjściu detektora, wynikająca z wartości promieniowania emitowanego przez obiekt w całym paśmie promieniowania podczerwonego wzrasta proporcjonalnie do czwartej potęgi temperatury absolutnej obiektu. Oznacza to, że np. podwojenie temperatury obiektu spowoduje 16 krotny wzrost sygnału na wyjściu detektora (24 = 16).

Powyższa zależność jest jednak mocno wyidealizowana - w przypadku bezdotykowych pomiarów temperatury należy wziąć pod uwagę czynniki "zakłócające", jakimi są: emisyjność obiektu ε, promieniowanie odbite Tamb (które jest emitowane przez otocznie obiektu), a nawet promieniowanie, które jest emitowane przez sam pirometr (Tpyro):

Równanie Stefana-Boltzmana 2

Co więcej, pirometry i kamery termowizyjne nie działają w całym zakresie pasma promieniowania podczerwonego, dlatego też wykładnik potęgi zależy od długości fali (lub przedziału) na jakiej (w jakim) dokonywany jest pomiar. Wykładnik N przyjmuje wartość od 17 do 2 dla pasma promieniowania z zakresu 1 ... 14μm, a dla urządzeń "krótkofalowych" (wykorzystywanych do pomiaru temperatury metali w zakresie 1.0 ... 2.3μm), N przyjmuje wartość od 15 do 17:

Równanie Stefana-Boltzmana 3

Przekształcenie powyższego równania pozwala na uzyskanie temperatury obiektu (powierzchni podlegającej pomiarom). Rezultaty obliczeń są zapisywane w pamięci EEPROM urządzenia dla wszystkich występujących temperatur:

Równanie Stefana-Boltzmana 4

Ze wzoru widać, że poza przedziałem długości promieniowania podczerwonego, bardzo duży wpływ na jakość i dokładność pomiarów ma promieniowanie otoczenia (które jest odbijane przez obiekt) a także emisyjność samego obiektu mierzonego. Definicja i znaczenie tych parametrów zostaną omówione poniżej.

Ciało doskonale czarne jako ważny punkt odniesienia

Już na początki XX wieku naukowcy: Planck, Stefan, Boltzman, Wien i Kirchoff szczegółowo zdefiniowali czym jest widmo elektromagnetyczne oraz ustalili jakościowe i ilościowe współzależności, opisujące energię promieniowania podczerwonego. Pojęcie ciała doskonale czarnego stanowi podstawę do zrozumienia fizycznych właściwości technologii bezdotykowych pomiarów temperatury oraz kalibracji urządzeń wykorzystujących tę metodę pomiaru.

Z jednej strony, ciało doskonale czarne jest obiektem, który pochłania całe występujące promieniowanie. Ani promieniowanie odbite (reflektancja ρ = 0) ani przepuszczalność (transmisyjność τ = 0) nie mają na nie najmniejszego wpływu. Z drugiej strony, ciało doskonale czarne emituje maksimum możliwej energii dla każdej długości fali, proporcjonalnie do własnej temperatury.

Prawo promieniowania opracowane przez Planka pokazuje podstawową zależność dla bezdotykowych pomiarów temperatury: opisuje ono specyficzne spektralne promieniowanie Mλs ciała doskonale czarnego w półprzestrzeni, które zależy od jego temperatury T oraz długości fali λ (c jest prędkością światła a h - stałą Planka).

Równanie na prawo Plancka

Charakterystyka natężenia promieniowania w funkcji długości fali Charakterystyka prezentuje logarytmiczną zależność pomiędzy promieniowaniem spektralnym Mλs a długością fali promieniowania, dla kilku różnych temperatur.

Z powyższej charakterystyki można odczytać kilka zależności, poniżej skupimy się jednak tylko na dwóch z nich. Prawo Stefana-Boltzmana mówi o tym, że w wyniku całkowania natężenia promieniowania widmowego dla wszystkich fali z zakresu od 0 do nieskończoności, można uzyskać całkowitą wartość promieniowania emitowanego przez obiekt. Praktyczne znaczenie tego prawa dla bezdotykowego pomiaru temperatury wyjaśniliśmy w akapicie dotyczącym obliczania temperatury.

Druga zależność, która wynika wprost z obserwacji powyższej charakterystyki wskazuje, że wraz ze wzrostem temperatur zwiększa się wartość emitowanego promieniowania oraz zmniejsza się długości fali, na którą przypada jego szczyt (największa wartość). To zachowanie leży u podstaw prawa przesunięć Wiena i można je wyprowadzić z równania Planka poprzez jego różniczkowanie.

Wysoka wartość promieniowania jest więc powodem - ale nie najważniejszym - dla którego temperaturę powierzchni metalowych można mierzyć z wykorzystaniem pirometrów lub kamer działających w zakresie krótkofalowym.

Powierzchnie metalowe jako promienniki selektywne

Emisyjność metalu w funkcji zakresu spektralnego W rzeczywistości, tylko kilka obiektów w przyrodzie spełnia definicję ciała doskonale czarnego. W praktyce do kalibracji pirometrów stacjonarnych i kamer wykorzystuje się specjalne piecyki kalibracyjne, których powierzchnia osiąga emisyjność zbliżoną do 0,99 w żądanym zakresie długości fali. Temperatura obiektu może być zdefiniowana dzięki emisyjności ε (Epsilon), która jest wyrażana jako stosunek rzeczywistej wartości promieniowania do teoretycznych wartości, uzyskanych w przypadku pomiaru temperatury ciała doskonale czarnego. Emisyjność zawiera się zatem zawsze w przedziale od 0 do 1.

Wiele powierzchni mierzonych charakteryzuje się stałą emisyjnością w całym przedziale długości fali, ale emituje mniej promieniowania niż ciało doskonale czarne - nazywa się je ciałami szarymi. Pewna liczba niemetalicznych ciał stałych wykazuje wysoką i względnie stałą emisyjność w zakresie fal długich promieniowania podczerwonego, niezależnie od stanu i struktury ich powierzchni.



Błąd emisyjności w funkcji temperatury Obiekty (np. elementy metalowe), których emisyjność zależy między innymi od ich temperatury oraz długości fali na której dokonywany jest pomiar, nazywa się promiennikami selektywnymi. Jest kilka ważnych powodów, dla których bezdotykowy pomiar temperatury metali powinien być przeprowadzany w zakresie fal krótkich z wykorzystaniem urządzeń jakimi są pirometry krótkofalowe lub krótkofalowe kamery termowizyjne.

Po pierwsze: wszystkie powierzchnie metalowe charakteryzujące się wysoką temperaturą, której pomiar jest dodatkowo dokonywany w wąskim paśmie krótkich fal promieniowania podczerwonego (2.3 μm; 1.6 μm; 1.0 μm), charakteryzują się nie tylko najwyższą dawką promieniowania emitowanego do otoczenia, ale również najwyższą emisyjnością.

Po drugie: dostosowują się do emisyjności tlenków (pokrywających ich powierzchnie), więc różnice temperatur wynikające z pojawienia się tzw. barwy nalotowej (wpływającej na emisyjność powierzchni), są zredukowane do minimum.

Innym ważnym czynnikiem, wpływającym na dobór pirometru lub kamery krótkofalowej jest to, że metale (w porównaniu do innych obiektów), mogą charakteryzować się bardzo często nieznaną emisyjnością. Urządzenia krótkofalowe zmniejszają w sposób znaczący potencjalne błędy pomiarowe, wynikające z błędnie dobranej emisyjności.

Powtarzalne pomiary, niezależne od promieniowania odbitego

Wraz ze spadkiem emisyjności obiektu zwiększa się ilość promieniowania podczerwonego emitowanego przez otoczenie, która jest przez ten obiekt odbijana - a w konsekwencji - mierzona przez pirometr. Ponieważ większość ciał takich, jak np. metale, charakteryzuje się zerową transmisyjnością (tj. nie przepuszczają przez siebie żadnego promieniowania), stosuje się następującą zależność:

ε + p = 1

gdzie ε to emisyjność a ρ to reflektancja.

Promieniowanie podczerwone, które jest interpretowane i przetwarzane przez urządzenie na wskazania temperatury, zależy nie tylko od emisyjności powierzchni (i skompensowanego promieniowania własnego) ale również od obiektów o podwyższonej temperaturze (Tambient), które znajdują się w otoczeniu powierzchni mierzonej.

Parametr Tambient powinien być brany pod uwagę szczególnie wtedy, gdy temperatura mierzonej powierzchni metalicznej jest niższa niż temperatura obiektu wprowadzającego zakłócenia.

Wielkość promieniowania odbitego jest de facto normalnie skierowana i łatwa do ustalenia. Wartość reflektancji można określić liczbowo i częściowo wyeliminować, zapewniając tym samym powtarzalne wyniki pomiarowe.

Pirometry stacjonarne i kamery termowizyjne w praktyce: zastosowanie w procesie hartowania indukcyjnego

Przykładem procesu wykorzystującego bezdotykowy pomiar temperatury powierzchni metalowych jest obróbka cieplna, wykorzystująca hartowanie indukcyjne. Podczas tego procesu komponent jest umieszczany w silnym, zmiennym polu elektromagnetycznym, które powoduje zmianę jego struktury poprzez rozgrzewanie i chłodzenie - najważniejszą rolę odgrywa tutaj korelacja dwóch parametrów: temperatury i czasu obróbki. Monitoring temperatury obrabianego detalu jest bardzo ważny z punktu widzenia osiągnięcia idealnej, żądanej struktury materiału.

Parametry na które warto zwrócić uwagę dobierając pirometr stacjonarny do metalu:

  • Głowica pirometryczna odseparowana od elektroniki sterującej - brak wpływu pola elektromagnetycznego na dokładność pomiarów
  • Długość fali na jakiej dokonywany jest pomiar (w przypadku metali najczęściej: 1.0 μm / 1.6 μm / 2.3 μm, w zależności od temperatury roboczej)
  • Kompensacja temperatury otoczenia (Tambient) np. poprzez referencyjny pomiar temperatury
  • Przewidywany zakres pomiarowy (który determinuje też długość fali na jakiej działa pirometr)
  • Szybkość zachodzących zmian (procesy wolno / szybkozmienne)
  • Dobór odpowiedniej optyki do aplikacji (możliwość pomiaru małych obiektów)
  • Wskaźnik laserowy (precyzyjnie wskazujący miejsce wykonywania pomiarów)
Pirometr stacjonarny do metalu CTlaser