КОЭФФИЦИЕНТ ИЗЛУЧЕНИЯ — АХИЛЛЕСОВА ПЯТА ПИРОМЕТРОВ?

Пирометры уже много лет используются для измерения температуры в агрессивных термических процессах, и их технические преимущества общеизвестны:

1.    Пирометры — это оптическое измерение температуры без физического контакта.

2.    Хорошо работают в диапазоне высоких температур – до 2200°C (3200°F)

3.    Они измеряют реальную температуру продукта, а не температуру корпуса/крепления датчика, как, например, с помощью термопар, термометров сопротивления или других контактных методов.

4.    Пирометры могут работать в очень жестких условиях, например, в условиях сильной вибрации или высоких температур окружающей среды.

5.    Технология обеспечивает чрезвычайно быстрые измерения – время отклика составляет до миллисекунд для быстропротекающих процессов.

Благодаря всем этим преимуществам пирометры могут стать отличным решением по сравнению с традиционными «контактными» методами, однако, как и в случае с любой измерительной техникой, существуют типичные «ограничения» (часто основанные на физических принципах), которые, если ими не управлять, могут привести к значительным ошибкам измерений.

Так что же насчет «ахиллесовой пяты»?

Согласно греческой мифологии, Ахилл был окунут в реку Стикс младенцем, и все части его тела, которые подверглись воздействию воды, стали бессмертными. Единственной частью, которая не была затронута водой, была его пятка, за которую его держала мать – эта часть тела стала его единственной слабостью (или «ограничением», если хотите).

Как ни странно, мы можем взглянуть на мир промышленных измерений температуры и увидеть много общего с Ахиллом. 

Как и Ахиллес, пирометры имеют ряд фундаментальных преимуществ. Будучи по своей сути бесконтактным оптическим измерением температуры, они могут измерять до 10 000 раз в секунду, их можно использовать в жестких условиях, например, при производстве полупроводниковых пластин или расплавленного стекла, и они могут поддерживать точность ±1°C до температур 2000°C и более.

Так в чем же подвох?

Когда дело доходит до пирометрии, существует «ограничение» техники, которое необходимо контролировать — эффект изменения излучательной способности материала (т. е. как материал излучает тепловую энергию и как это изменяется). Это физическое свойство есть у каждого материала, и когда оно изменяется, это кардинально влияет на производительность измерения любого пирометра.

Для измерительного прибора, точность которого может достигать ±1°C, погрешности, вызванные изменениями излучательной способности, могут превышать указанные в технических характеристиках в 50 раз!

Таким образом, проблема заключается в том, что излучательная способность материала, обозначаемая как «Ɛ», часто меняется в зависимости от температуры, формы и шероховатости поверхности и должна учитываться с помощью методов оптической пирометрии, что не так-то просто.

Так является ли излучательная способность ахиллесовой пятой пирометрии?

Короче говоря, ответ — нет, это не так, но если этот эффект не контролировать очень хорошо, он может стать большой головной болью для достижения точности измерений, близкой к той, на которую способна пирометрия.

Производители оптических пирометров уже давно пытаются решить эту проблему — с разной степенью успеха. Большинство из них справились с этой проблемой, используя так называемые двухцветные или двухволновые решения. Вместо измерения на одной длине волны эти пирометры пытаются сделать систему «иммунной» к любым изменениям излучательной способности, вычисляя температуру на основе соотношения двух используемых длин волн (излучательная способность материала все еще меняется — и пирометр не может сказать вам, насколько — но цель состоит в том, чтобы позволить пирометру игнорировать изменения Ɛ).

К сожалению, этот и другие пассивные методы, такие как настройка длины волны, могут работать только при определенных обстоятельствах и по своей природе принципиально ограничены.

«Активная» альтернатива…

Недавно Advanced Energy представила «активный» метод коррекции изменений излучательной способности, при котором измеряется не только температура образца, но и его излучательная способность. Используя эту технику, изменения Ɛ теперь можно измерять и активно корректировать на частой основе, что позволяет пирометру поддерживать точность измерений независимо от изменений температуры, шероховатости поверхности или свойств материала.

Логика этого метода заключается в измерении отражательной способности материала, R (коэффициент излучения, Ɛ = 1 – R), в режиме реального времени, чтобы пирометр мог поддерживать точность измерений даже при изменяющихся условиях процесса.

Итак, является ли это «единственным ответом» для всех проблем измерения, связанных с излучательной способностью? К сожалению, нет, не существует панацеи для всех приложений, однако работа с поставщиком, который предоставляет как пассивные, так и активные методы коррекции, дает пользователю максимально возможную гибкость для оптимизации производительности пирометра.

В следующей статье этой серии мы продолжим рассматривать методы пассивной и активной коррекции излучательной способности, а также то, как их лучше всего применять для достижения надежных измерений температуры.

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик пирометров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/pirometry