Принцип, переваги та застосування нових панорамних пірометрів

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою пірометрів (ІК термометрів), а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цього Розділу

Вступ

Пірометри виявляють теплове випромінювання у певній області вимірювання на поверхні об'єкта вимірювання та обчислюють температуру на основі цих значень випромінювання. Розмір та форма області вимірювання визначаються лінзами пірометра, його оптичною збіркою та системою датчиків. Завдяки геометрії лінз, системі діафрагм та системі датчиків, пристрої, доступні на ринку, зазвичай мають кругле поле зору. Грунтуючись на новій оптичній конструкції та високоякісних лінзах, деякі виробники нещодавно почали пропонувати пристрої із прямокутною областю вимірювання. У наступній статті пояснюється структура, принцип роботи, переваги та сфери застосування пірометрів з прямокутною областю вимірювання.

Вимірювання температури об'єктів, що рухаються

Ідея розробити пірометр з прямокутною областю виміру народилася більше 30 років тому, оскільки існують програми для безконтактної метрології температури, які простіше і насамперед надійніше вирішувати за допомогою такої функції. У порівнянні з контактними вимірюваннями, вимірювання температури за допомогою пірометрів мають велику перевагу, що полягає в тому, що пірометри ідеально підходять для вимірювання температури об'єкта, що рухається. Звичайно, необхідною умовою є те, щоб цільовий об'єкт знаходився у зоні вимірювання пірометра. Однак проблеми виникають, коли об'єкт вимірювання коливається поперечно напрямку виробництва і не завжди повністю заповнює поле зору, як показує приклад із заводу з виробництва дроту (рис. 1).

Рис. 1 Правильне вимірювання може бути виконане до тих пір, поки провід коливається в межах області вимірювання.

До цих пір для вирішення таких прикладних вимірювальних завдань використовувалися одноканальні пірометри з дуже маленькою областю вимірювання і коливається дзеркалом, що обертається або коливається дзеркало. рухомого механізму, який схильний до збоїв, час збору даних також обмежено.

З цих причин багато років тому були проведені експерименти з пристроями, які створювали прямокутну область виміру чисто оптичними засобами. Недоліком. Крім того, пірометри працювали тільки з фіксованою відстанню до цільової плями.

Особливий інтерес представляє прямокутна область виміру для двоколірного пірометра. Двоколірний пірометр виявляє теплове випромінювання об'єкта виміру на двох різних довжинах хвиль. Температура гарячого об'єкта на холодному тлі.

Конструкція та робота

На відміну від рішення з циліндричною лінзою, описаного вище, новий панорамний пірометр створює прямокутну область вимірювання з високоточною апертурою, розташованою у вимірювальній частині детектора між апертурою (3) і дзеркало, що відхиляє з датчиком (4) (рис. 2). Приладу не потрібна лінза спеціальної форми, а видошукач або монітор (якщо прилад оснащений вбудованою відеокамерою) показують зображення цільового об'єкта так само чітким, як і зазвичай, при правильному налаштуванні фокусної відстані.

Рис. 2. Блок-схема оптичної схеми панорамного пірометра: цільовий об'єкт (1), змінний об'єктив з фокусним налаштуванням (2), апертурна система (3) та датчик (4), маркування мети (5), окуляр або відеокамера (6)

Ще однією перевагою цієї інноваційної оптичної структури є правильне відображення маркера мети у видошукачі або на моніторі як щодо його точного положення, так і його фактичного розміру в прямокутній області вимірювання. Це єдиний спосіб перевірити та забезпечити правильне вирівнювання пірометра.

Під час розробки панорамного пірометра ми зіткнулися з ще однією оптичною проблемою. Оптичні аберації та неоднорідний розподіл чутливості на вимірювальній поверхні зазвичай призводять до того, що двоколірні пірометри вимірюють температуру зовсім по-різному в залежності від положення об'єкта вимірювання в полі вимірювання. При температурі цільового об'єкта 1000 °C відображувана температура може підвищитися більш ніж на 30 °C у периферійній області поля зору (рис. 3).

Звичайні двоколірні пірометри можуть відображати різні температури, коли діаметр цільового об'єкта змінюється через виробничі процеси, а область вимірювання заповнена нерівномірно.

Рис. 3 Неправильне підвищення температури (вимірювання двоколірними пірометрами) при розташуванні гарячого об'єкта в периферійній області цільової плями.

Щоб мінімізувати цей фізичний ефект, оптичні системи розробили прецизійні лінзи. Ці лінзи мають стабільно хорошу якість зображення по всій поверхні вхідної апертури (мінімальна сферична аберація). Крім того, лінзи мають мінімальну поздовжню хроматичну аберацію для досягнення однаково чіткого зображення як для двох довжин хвиль, що вимірюваються, так і для видимого діапазону. Крім того, необхідно було розробити оптичну систему, що складається з прецизійних лінз, та використовувати високоточні датчики. Результатом став новий панорамний пірометр, який забезпечує стійке показання вимірювання, наприклад, дроти в зоні вимірювання незалежно від положення та діаметра дроту.

Різноманітність оптичних опцій

Модульна конструкція оптичних та електричних компонентів дає можливість панорамним пірометрам також вибирати між кількома об'єктивами, що фокусуються. Для зменшення поля вимірювання є кілька додаткових лінз, що прикріплюються до передньої різьблення об'єктива. Це призводить до численних варіантів оптичної візуалізації як щодо бажаної відстані до мети, так і необхідного розміру області вимірювання (рис. 4). Наприклад, вже зараз можуть бути виявлені дроти діаметром від 0,1 мм і більше.

Рис. 4 Модульна структура пірометра, що складається з електроніки, змінних лінз та додаткових лінз, пропонує безліч оптичних опцій.

Просте юстирування та висока експлуатаційна надійність

Оптичне юстування пірометра на невеликий об'єкт вимірювання або великі відстані вимірювання вимагає високоякісної механічної системи юстування. За таких умов стає очевидним, що прилади з прямокутною плямою виміру юстуються набагато простіше (рис. 5). Ця перевага особливо помітна при використанні портативного пірометра, коли оператор тримає прилад в руці і спрямовує його на об'єкт, оскільки в залежності від моделі ширина прямокутного поля зору в 3-7 разів більша, ніж у приладу з круглим полем зору аналогічного розміру. Це забезпечить безпечне поводження в заводських умовах.

Рис. 5 Вирівнювання панорамного пірометра з прямокутною областю виміру на невеликих цільових об'єктах і великих відстанях виміру дуже просте.

Типові сфери застосування

Панорамний пірометр забезпечує більшу експлуатаційну надійність і набагато простіше у налаштуванні у виробничих процесах, де положення та розмір гарячого об'єкта можуть змінюватися, або на установках термообробки, де зона нагріву на заготівлі змінюється. Оскільки прямокутна область вимірювання набагато ширша за круглу з тим же розміром, ризик того, що гаряча точка вийде за межі вимірювального поля, набагато нижче.

Типовим прикладом є виробництво нескінченних труб, де матеріал згинається та зварюється разом. Трубки нагріваються індукційною котушкою. Положення невеликої точки зварювання може змінюватися, і у випадку зі звичайними пірометрами зварний шов іноді може виявитися поза увагою, і вимір буде неможливим (рис. 6).

Рис. 6 Надійний вимір температури навіть при зміні положення зварного шва.

Під час виробництва скляних пляшок положення та форма скляної краплі на лезі ножа змінюються. Тут також панорамний пірометр забезпечує більш високу надійність вимірів. Крім того, матеріал та колір скла впливають на глибину видимості пірометра у частково прозорому склі. Цей вплив значно зменшується за допомогою методу виміру відношення панорамного пірометра.

Дріт у волочильних установках проходить наступну термічну обробку, оскільки дріт проходить із високою швидкістю через індукційну котушку. Не можна уникнути коливань дроту між напрямними роликами. Тонкі дроти можуть коливатися у діапазоні, який у кілька разів перевищує діаметр дроту. У умовах вже неможливо виконати вибірковий вимір.

Ручне безконтактне вимірювання температури рідкого металу, що заливається у форму, проводиться з безпечної відстані. Буде складно вирівняти стандартний пірометр з круглим полем зору по відношенню до струменя лиття, особливо коли положення струменя може змінюватись в залежності від кута нахилу ковша. Пристрій з прямокутним полем зору в цьому випадку набагато простіше у використанні (рис. 7).

Рис. 7 Портативний панорамний пірометр вимірює температуру під час заливання.

Вимірювання температури дрібних об'єктів, таких як спірально навиті нитки або нагрівальний елемент у рентгенівській трубці є серйозною проблемою для пірометрів. До цих пір такі програми в основному вирішувалися за допомогою так званих пірометрів порівняння інтенсивності. Це пірометри, в яких оператор візуально перевіряє яскравість цільового об'єкта та порівнює її з еталонним джерелом випромінювання (лампою) усередині пристрою.

Проблема з електронними вимірювальними пірометрами полягала у вирівнюванні пристроїв механічно виявлення надзвичайно малих цільових об'єктів. Такі вимірювальні завдання можна набагато простіше вирішити з допомогою панорамного пірометра.

Межі виміру

Завдяки двоколірному принципу вимірювання діапазон застосування обмежений температурами вище 600 °C. Інше обмеження задається ступенем часткового освітлення (тобто коли поле зору не повністю заповнене цільовим об'єктом), при якому двоколірний пірометр все ще в змозі обчислити значення вимірювання, що відтворюється.

Це також залежить від випромінювальної здатності цільового об'єкта і від абсолютної температури. Двоколірний пірометр може вже давати надійні показання на початку діапазону, якщо енергія випромінювання становить 10% від яскравості чорного тіла за тієї ж температури. Більш сильне загасання сигналу допустиме навіть у разі підвищення температури. Випромінювальна здатність, ступінь часткового освітлення, форма цільового об'єкта та візуальні перешкоди, такі як пара, пил та дим у полі зору, є факторами, які сприяють загасанню сигналу. Як приклад ми візьмемо сталевий дріт із випромінювальною здатністю 0,6. При круглому цільовому об'єкті ми повинні враховувати, що випромінювання, уловлюване пірометром, певною мірою відбивається під дуже плоским кутом. Коефіцієнт безпеки 1,5 включений як наближення. Ступінь часткової освітленості, ширина поля зору та максимальна відстань виміру розраховуються за такими формулами.

Ступінь часткової освітленості = (мінімальна аналізована потужність сигналу ÷ випромінювальна здатність) × коефіцієнт безпеки

Щодо наведеного вище прикладу цільовий об'єкт повинен бути заповнений щонайменше на 10 % ÷ 0,6 × 1,5 = 25 %, щоб пірометр міг розрахувати показання температури. Сила сигналу, що є індикатором надійності показань вимірювання, може відображатися на пірометрі.

Для діаметра дроту 5 мм це призводить до максимальної ширини поля зору 5 мм ÷ 0,25 = 20 мм на початку діапазону.

У панорамному пірометрі оптична роздільна здатність вказується відношенням відстані до мети (відстань вимірювання ÷ розмір області вимірювання) для ширини DW та для висоти DH. Стосовно відношення відстані до мети, наприклад, DW = 40 : 1 максимальна відстань виміру становить 40 x 20 мм = 800 мм. Або, іншими словами: при передбачуваній відстані вимірювання, наприклад, 500 мм, слід використовувати об'єктив із відношенням відстані до мети DW ≥ 500 мм ÷ 20 мм, тобто ≥ 25 : 1, щоб гарантувати, що поле зору достатньо заповнене цільовим об'єктом.

Ви також можете використовувати панорамний пірометр із полем зору, вирівняним поздовжньо щодо цільового об'єкта. Таким чином, пірометр захоплює велику поверхню цільового об'єкта в порівнянні з пірометром з круглим полем зору, і його можна використовувати для дротів з меншим діаметром.

Моделі пірометрів

Пірометри з панорамною оптикою пропонуються для стаціонарної серії CellaTemp PA та переносної серії CellaTemp PT. Обидві моделі мають прицілювання через об'єктив для правильного вирівнювання та фокусного регулювання приладу. Стаціонарний CellaTemp PA також доступний із кольоровою відеокамерою. Ця камера дозволяє в будь-який час контролювати вирівнювання та траєкторію прицілювання на цільовий об'єкт на екрані диспетчерської. Разом з маркуванням мети відеосигнал передає та відображає показання вимірювання та номер точки вимірювання. Завдяки спеціальній функції управління яскравістю мети (TBC) камери інтенсивність випромінювання фіксується тільки в області вимірювання, а не, як це зазвичай робиться, по всьому полю камери. Таким чином, невеликий гарячий цільовий об'єкт перед холодним тлом відображається на екрані з оптимальною яскравістю та без обрізки.

Нещодавно ми випустили на ринок дві моделі компактної серії пірометрів CellaTemp PKL із панорамною оптикою (рис. 8) (зображення 8). Ці моделі оснащені світлодіодним точковим світлом для перевірки правильного вирівнювання. На додаток до положення, точкове світло висвітлює реальну ширину виміру, що дозволяє легко і точно навести його на цільовий об'єкт.

Рис. 8 Компактний панорамний пірометр із світлодіодним точковим світлом.

Висновок

Для процесів з температурою вище 600 °C, де вирівнювання утруднене через малий розмір мети або занадто великої відстані, або коли гаряча точка, т.е. е. точка, яку потрібно захопити, рухається, новий панорамний пірометр явно перевершує звичайні пірометри із круглим полем зору. Додаткові витрати приблизно 25% безумовно є вигідною тратою грошей через більш високу експлуатаційну надійність.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник пірометрів в Україну: 
https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/pirometry