Принцип, преимущества и применение новых панорамных пирометров

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой пирометров (ИК термометров), а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Введение

Пирометры обнаруживают тепловое излучение в определенной области измерения на поверхности объекта измерения и вычисляют температуру на основе этих значений излучения. Размер и форма области измерения определяются линзами пирометра, его оптической сборкой и системой датчиков. Благодаря геометрии линз, системе диафрагм и системе датчиков, устройства, доступные на рынке, обычно имеют круглое поле зрения. Основываясь на новой оптической конструкции и высококачественных линзах, некоторые производители недавно начали предлагать устройства с прямоугольной областью измерения. В следующей статье объясняется структура, принцип работы, преимущества и области применения пирометров с прямоугольной областью измерения.

Измерение температуры движущихся объектов

Идея разработать пирометр с прямоугольной областью измерения родилась более 30 лет назад, поскольку существуют приложения для бесконтактной метрологии температуры, которые проще и, прежде всего, надежнее решать с помощью такой функции. По сравнению с контактными измерениями, измерения температуры с помощью пирометров имеют большое преимущество, заключающееся в том, что пирометры идеально подходят для измерения температуры движущегося объекта. Конечно, необходимым условием является то, чтобы целевой объект находился в зоне измерения пирометра. Однако проблемы возникают, когда объект измерения колеблется поперечно направлению производства и не всегда полностью заполняет поле зрения, как показывает пример с завода по производству проволоки (рис. 1).

Рис. 1 Правильное измерение может быть выполнено до тех пор, пока провод колеблется в пределах области измерения.

До сих пор для решения таких прикладных измерительных задач использовались одноканальные пирометры с очень маленькой областью измерения и колеблющимся зеркалом, установленным перед пирометром. Вращающееся или колеблющееся зеркало периодически отклоняет целевое пятно. Пиковый пикер в пирометре фиксирует температуру в то время, когда целевое пятно полностью заполнено целевым объектом. В дополнение к подвижному механизму, который подвержен сбоям, время сбора данных также ограничено. Сканирующее движение не фиксирует температуру целевого объекта непрерывно, а только циклически.

По этим причинам много лет назад были проведены эксперименты с устройствами, которые создавали прямоугольную область измерения чисто оптическими средствами. Специальная цилиндрическая линза расширяла область измерения в направлении оси, например, как в зеркальном шкафу. В принципе, этот метод обеспечивал решение проблемы. Но проблемой также было неравномерное распределение чувствительности на измерительной поверхности датчика. Высокая стоимость этой специальной линзы также была недостатком. Кроме того, пирометры работали только с фиксированным расстоянием до целевого пятна. Еще одной сложностью было искаженное оптическое изображение в видоискателе, что затрудняло правильное выравнивание прибора.

Особый интерес представляет прямоугольная область измерения для двухцветного пирометра. Двухцветный пирометр обнаруживает тепловое излучение объекта измерения на двух разных длинах волн. Соотношение двух спектральных излучений изменяется пропорционально температуре. Согласно этому принципу измерения целевой объект может быть даже меньше поля измерения, и, в отличие от одноканального пирометра, двухцветный пирометр все же обнаруживает правильную температуру горячего объекта на холодном фоне.

Конструкция и работа

В отличие от решения с цилиндрической линзой, описанного выше, новый панорамный пирометр создает прямоугольную область измерения с высокоточной апертурой, расположенной в измерительной части детектора между апертурой (3) и отклоняющим зеркалом с датчиком (4) (рис. 2). Прибору не требуется линза специальной формы, а видоискатель или монитор (если прибор оснащен встроенной видеокамерой) показывают изображение целевого объекта таким же четким, как и обычно, при правильной настройке фокусного расстояния.

Рис. 2. Блок-схема оптической схемы панорамного пирометра: целевой объект (1), сменный объектив с фокусной настройкой (2), апертурная система (3) и датчик (4), маркировка цели (5), окуляр или видеокамера (6)

Еще одним преимуществом этой инновационной оптической структуры является правильное отображение маркера цели в видоискателе или на мониторе, как в отношении его точного положения, так и его фактического размера в прямоугольной области измерения. Это единственный способ проверить и обеспечить правильное выравнивание пирометра.

При разработке панорамного пирометра мы столкнулись с еще одной оптической проблемой. Оптические аберрации и неоднородное распределение чувствительности на измерительной поверхности обычно приводят к тому, что двухцветные пирометры измеряют температуру совершенно по-разному в зависимости от положения объекта измерения в поле измерения. При температуре целевого объекта 1000 °C отображаемая температура может повыситься более чем на 30 °C в периферийной области поля зрения (рис. 3).

Обычные двухцветные пирометры также могут отображать различные температуры, когда диаметр целевого объекта изменяется из-за производственных процессов, а область измерения заполнена неравномерно.

Рис. 3 Неправильное повышение температуры (измерение двухцветными пирометрами) при расположении горячего объекта в периферийной области целевого пятна.

Чтобы минимизировать этот физический эффект, для оптических систем были разработаны прецизионные линзы. Эти линзы имеют стабильно хорошее качество изображения по всей поверхности входной апертуры (минимальная сферическая аберрация). Кроме того, линзы имеют минимальную продольную хроматическую аберрацию для достижения одинаково четкого изображения как для двух измеряемых длин волн, так и для видимого диапазона. Кроме того, необходимо было разработать оптическую систему, состоящую из прецизионных линз, и использовать высокоточные датчики. Результатом стал новый панорамный пирометр, который обеспечивает устойчивое показание измерения, например, провода в зоне измерения независимо от положения и диаметра провода.

Разнообразие оптических опций

Модульная конструкция оптических и электрических компонентов дает возможность панорамным пирометрам также выбирать между несколькими фокусируемыми объективами. Для уменьшения поля измерения доступно несколько дополнительных линз, прикрепляемых к передней резьбе объектива. Это приводит к многочисленным вариантам оптической визуализации как в отношении желаемого расстояния до цели, так и требуемого размера области измерения (рис. 4). Например, уже сейчас могут быть обнаружены провода диаметром от 0,1 мм и более.

Рис. 4 Модульная структура пирометра, состоящая из электроники, сменных линз и дополнительных линз, предлагает множество оптических опций.

Простая юстировка и высокая эксплуатационная надежность

Оптическая юстировка пирометра на небольшой объект измерения или на большие расстояния измерения требует высококачественной механической системы юстировки. При таких условиях становится очевидным, что приборы с прямоугольным пятном измерения юстируются гораздо проще (рис. 5). Это преимущество особенно заметно при использовании портативного пирометра, когда оператор держит прибор в руке и направляет его на объект, так как в зависимости от модели ширина прямоугольного поля зрения в 3-7 раз больше, чем у прибора с круглым полем зрения аналогичного размера. Это обеспечит безопасное обращение в заводских условиях.

Рис. 5 Выравнивание панорамного пирометра с прямоугольной областью измерения на небольших целевых объектах и ​​больших расстояниях измерения очень простое.

Типичные области применения

Панорамный пирометр обеспечивает большую эксплуатационную надежность и гораздо проще в настройке в производственных процессах, где положение и размер горячего объекта могут меняться, или на установках термообработки, где зона нагрева на заготовке меняется. Поскольку прямоугольная область измерения намного шире круглой с тем же размером, риск того, что горячая точка выйдет за пределы измерительного поля, намного ниже.

Типичным примером является производство бесконечных труб, где материал сгибается и сваривается вместе. Трубки нагреваются индукционной катушкой. Положение небольшой точки сварки может меняться, и в случае с обычными пирометрами сварной шов иногда может оказаться вне поля зрения, и измерение будет невозможным (рис. 6).

Рис. 6 Надежное измерение температуры даже при изменении положения сварного шва.

Во время производства стеклянных бутылок положение и форма стеклянной капли на лезвии ножа изменяются. Здесь также панорамный пирометр обеспечивает более высокую надежность измерений. Кроме того, материал и цвет стекла влияют на глубину видимости пирометра в частично прозрачном стекле. Это влияние значительно уменьшается с помощью метода измерения отношения панорамного пирометра.

Проволока в волочильных установках проходит последующую термическую обработку, поскольку проволока проходит с высокой скоростью через индукционную катушку. Нельзя избежать колебаний проволоки между направляющими роликами. Тонкие проволоки могут колебаться в диапазоне, который в несколько раз превышает диаметр проволоки. В этих условиях уже невозможно выполнить выборочное измерение.

Ручное бесконтактное измерение температуры жидкого металла, заливаемого в форму, производится с безопасного расстояния. Будет сложно выровнять стандартный пирометр с круглым полем зрения по отношению к струе литья, особенно когда положение струи может меняться в зависимости от угла наклона ковша. Устройство с прямоугольным полем зрения в этом случае гораздо проще в обращении (рис. 7).

Рис. 7 Портативный панорамный пирометр измеряет температуру во время процесса заливки.

Измерение температуры мелких объектов, таких как спирально навитые нити или нагревательный элемент в рентгеновской трубке, является серьезной проблемой для пирометров. До сих пор такие приложения в основном решались с помощью так называемых пирометров сравнения интенсивности. Это пирометры, в которых оператор визуально проверяет яркость целевого объекта и сравнивает ее с эталонным источником излучения (лампой) внутри устройства.

Проблема с электронными измерительными пирометрами заключалась в выравнивании устройств механически для обнаружения чрезвычайно малых целевых объектов. Такие измерительные задачи можно гораздо проще решить с помощью панорамного пирометра.

Пределы измерения

Благодаря двухцветному принципу измерения диапазон применения ограничен температурами выше 600 °C. Другое ограничение задается степенью частичного освещения (т. е. когда поле зрения не полностью заполнено целевым объектом), при котором двухцветный пирометр все еще в состоянии вычислить воспроизводимое значение измерения.

Это значение также зависит от излучательной способности целевого объекта и от абсолютной температуры. Двухцветный пирометр может уже давать надежные показания в начале диапазона, если энергия излучения составляет 10% от яркости черного тела при той же температуре. Более сильное затухание сигнала допустимо даже при повышении температуры. Излучательная способность, степень частичного освещения, форма целевого объекта и визуальные препятствия, такие как пар, пыль и дым в поле зрения, являются факторами, которые способствуют затуханию сигнала. В качестве примера мы возьмем стальную проволоку с излучательной способностью 0,6. При круглом целевом объекте мы также должны учитывать, что излучение, улавливаемое пирометром, в определенной степени отражается под очень плоским углом. Коэффициент безопасности 1,5 включен в качестве приближения. Степень частичной освещенности, ширина поля зрения и максимальное расстояние измерения рассчитываются по следующим формулам.

Степень частичной освещенности = (минимальная анализируемая мощность сигнала ÷ излучательная способность) × коэффициент безопасности

В отношении приведенного выше примера целевой объект должен быть заполнен как минимум на 10 % ÷ 0,6 × 1,5 = 25 %, чтобы пирометр мог рассчитать показания температуры. Сила сигнала, служащая индикатором надежности показаний измерения, может отображаться на пирометре.

Для диаметра проволоки 5 мм это приводит к максимальной ширине поля зрения 5 мм ÷ 0,25 = 20 мм в начале диапазона.

В панорамном пирометре оптическое разрешение указывается отношением расстояния к цели (расстояние измерения ÷ размер области измерения) для ширины DW и для высоты DH. В отношении отношения расстояния к цели, например, DW = 40 : 1 максимальное расстояние измерения составляет 40 x 20 мм = 800 мм. Или, другими словами: при предполагаемом расстоянии измерения, например, 500 мм, следует использовать объектив с отношением расстояния к цели DW ≥ 500 мм ÷ 20 мм, т. е. ≥ 25 : 1, чтобы гарантировать, что поле зрения достаточно заполнено целевым объектом.

Вы также можете использовать панорамный пирометр с полем зрения, выровненным продольно относительно целевого объекта. Таким образом, пирометр захватывает большую поверхность целевого объекта по сравнению с пирометром с круглым полем зрения, и его можно использовать для проводов с еще меньшим диаметром.

Модели пирометров

Пирометры с панорамной оптикой предлагаются для стационарной серии CellaTemp PA и переносной серии CellaTemp PT. Обе модели имеют прицеливание через объектив для правильного выравнивания и фокусной регулировки прибора. Стационарный CellaTemp PA также доступен с цветной видеокамерой. Эта камера позволяет в любое время контролировать выравнивание и траекторию прицеливания на целевой объект на экране в диспетчерской. Вместе с маркировкой цели видеосигнал передает и отображает показания измерения и номер точки измерения. Благодаря специальной функции управления яркостью цели (TBC) камеры интенсивность излучения фиксируется только в области измерения, а не, как это обычно делается, по всему полю зрения камеры. Таким образом, небольшой горячий целевой объект перед холодным фоном отображается на экране с оптимальной яркостью и без обрезки.

Недавно мы выпустили на рынок две модели компактной серии пирометров CellaTemp PKL с панорамной оптикой (рис. 8) (изображение 8). Эти модели оснащены светодиодным точечным светом для проверки правильного выравнивания. В дополнение к положению, точечный свет освещает реальную ширину области измерения, что позволяет легко и точно навести его на целевой объект.

Рис. 8 Компактный панорамный пирометр со светодиодным точечным светом.

Заключение

Для процессов с температурой выше 600 °C, где выравнивание затруднено из-за малого размера цели или слишком большого расстояния, или когда горячая точка, т. е. точка, которую нужно захватить, движется, новый панорамный пирометр явно превосходит обычные пирометры с круглым полем зрения. Дополнительные затраты примерно в 25% определенно являются выгодной тратой денег из-за более высокой эксплуатационной надежности.

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