Warum Infrarot-Pyrometer bei der Induktionserwärmung ungenaue Temperaturmesswerte liefern

Wie Emissionsgrad, Reflexionen und Messbedingungen beeinflussen die Genauigkeit des Pyrometers

Infrarot-Pyrometer werden üblicherweise zur Überwachung der Werkstückoberflächentemperatur während der Induktionserwärmung verwendet. Sie liefern schnell, berührungslose Messungen, Die angezeigte Temperatur entspricht jedoch möglicherweise nicht immer der tatsächlichen Temperatur der vorgesehenen Oberfläche.

Ein unerwarteter Messwert kann durch Änderungen im Metallemissionsgrad verursacht werden, reflektierte Strahlung, falsche Spotpositionierung oder Interferenzen entlang des optischen Pfades. Diese Probleme sind besonders relevant, wenn die Erwärmung lokal erfolgt, Werkstücke bewegen sich oder Oberflächenbedingungen ändern sich während des Erwärmungszyklus.

Bevor Sie den Induktionserwärmungsprozess anpassen, Ingenieure müssen feststellen, ob sich die Temperatur tatsächlich geändert hat oder ob die Messung unzuverlässig geworden ist.

1. Warum Infrarot-Pyrometer Metalltemperaturen falsch messen können

Ein Infrarotpyrometer schätzt die Temperatur anhand der von einem Ziel empfangenen Wärmestrahlung. Die Berechnung hängt von der von der Oberfläche emittierten Strahlung und den vom Instrument verwendeten Annahmen ab.

Zwei Metalloberflächen mit der gleichen Temperatur können unterschiedliche Infrarotsignale erzeugen. Dies ist einer der Gründe, warum die Infrarot-Temperaturmessung von Stahl und anderen Metallen sorgfältige Aufmerksamkeit erfordert Oberflächenzustand.

Emissionsgrad und Zustand der Metalloberfläche

Der Emissionsgrad beschreibt, wie effektiv eine Oberfläche im Vergleich zu einem idealen schwarzen Körper bei derselben Temperatur Wärmestrahlung emittiert.

Für ein herkömmliches Einwellenlängenpyrometer, Eine falsche Einstellung des Emissionsgrads kann zu einem erheblichen Temperaturfehler führen. Der tatsächliche Emissionsgrad hängt vom Material ab, Oberflächenbeschaffenheit, Oxidation, Temperatur, Blickrichtung und Messwellenlänge.

Betrachten Sie eine polierte Stahloberfläche und eine oxidierte Oberfläche desselben Stahls. Auch bei gleicher Temperatur, Sie können innerhalb des Messbereichs des Instruments unterschiedliche Mengen an Infrarotstrahlung aussenden.

Die Verwendung einer identischen Emissionsgradeinstellung für beide Oberflächen kann daher zu unterschiedlichen angezeigten Temperaturen führen.

Die Richtung des Fehlers ist wichtig. Für ein heißes Ziel, umgeben von einer kühleren Umgebung, Wird der Emissionsgrad höher als der tatsächliche Wert eingestellt, führt dies bei Einzelwellenlängenmessungen im Allgemeinen zu einem zu niedrigen Messwert. Reflektierte Strahlung und andere Bedingungen können diesen Zusammenhang erschweren.

Tabellen zum Emissionsgrad von Materialien sind nützliche Referenzen, Ihre Werte sollten jedoch nicht als allgemeingültige Einstellungen betrachtet werden.

Keller-Pyrometersysteme erklärt den Zusammenhang zwischen dem Emissionsgrad, Oberflächenzustand und Messgenauigkeit.

Warum Oxidation den Messwert beim Erhitzen verändern kann

Eine Stahloberfläche kann mit steigender Temperatur oxidieren. Die entstehende Oxidschicht kann ihren spektralen Emissionsgrad verändern, Daher kann eine vor dem Erhitzen festgelegte Pyrometereinstellung später im Zyklus weniger repräsentativ sein.

Zum Beispiel, Eine Änderung der angezeigten Temperatur kann teilweise auf eine Änderung der Oberflächenstrahlungseigenschaften und nicht auf eine entsprechende Änderung der tatsächlichen Temperatur zurückzuführen sein.

Die Wirkung geht nicht immer in die gleiche Richtung. Es kommt auf das Material an, Oxidschicht, Wellenlänge und Umgebungsstrahlung.

Dies wird relevant, wenn Temperaturaufzeichnungen von Werkstücken mit unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten verglichen werden, Oxidbedingungen oder Herstellungsmethoden.

Eine wiederholbare Pyrometereinstellung liefert nicht unbedingt vergleichbare Messungen, wenn die gemessenen Oberflächen unterschiedlich sind.

Macht die Messwellenlänge einen Unterschied??

Ja. Weil der Emissionsgrad von Metallen mit der Wellenlänge variiert, Zwei Pyrometer, die in unterschiedlichen Spektralbändern arbeiten, reagieren möglicherweise unterschiedlich auf dieselbe Oberfläche.

Shorter-wavelength pyrometers can reduce sensitivity to certain emissivity errors when measuring sufficiently hot metals, although the appropriate wavelength depends on the temperature range and application.

Two-color, or ratio, pyrometers can compensate for some changes in emissivity or optical transmission when their underlying measurement assumptions remain valid. They are not immune to errors caused by changing spectral characteristics, unsuitable targets or unfavorable optical conditions.

Neither instrument type eliminates the need to verify the measurement arrangement.

2. Wie Reflexionen und optische Bedingungen zu Messfehlern führen

Even with a suitable emissivity setting, the pyrometer may receive radiation that does not originate entirely from the intended measurement area.

Three practical concerns are reflected radiation, measurement spot size and the condition of the optical path.

Reflexionen von umgebenden heißen Oberflächen

Metalloberflächen reflektieren einen Teil der Strahlung ihrer Umgebung. Auf einer Oberfläche mit relativ niedrigem Emissionsgrad, Diese reflektierte Komponente kann einen erheblichen Teil des Signals darstellen, das das Pyrometer erreicht.

Wenn Strahlung von einer heißeren Oberfläche in der Nähe zum Sensor reflektiert wird, Die angezeigte Temperatur kann höher sein als die tatsächliche Zieltemperatur.

Das Ändern des Betrachtungswinkels kann bei der Untersuchung einer vermuteten Spiegelung hilfreich sein, es verändert aber auch die Messgeometrie und kann sich auf den beobachteten Emissionsgrad auswirken. Ein veränderter Messwert nach Neupositionierung des Sensors ändert sich nicht, von selbst, bestätigen, dass Reflexion die Ursache war.

Bei der Auswahl einer Messposition sollte die umgebende thermische Umgebung berücksichtigt werden, insbesondere wenn sich freiliegende heiße Komponenten innerhalb der reflektierenden Umgebung des Ziels befinden.

Messfleckgröße und Zielausrichtung

Ein Pyrometer misst die Strahlung eines begrenzten Bereichs, kein unendlich kleiner Punkt.

Der Messpunkt hängt von der Optik des Instruments ab, Fokus und Entfernung vom Ziel. Wenn der vorgesehene heiße Bereich diese Stelle nicht ausreichend ausfüllt, Strahlung von angrenzendem Material kann den Messwert beeinflussen.

Dies ist ein häufiges Problem bei der lokalen Induktionserwärmung.

Ein schmales erhitztes Band kann von viel kühlerem Stahl umgeben sein. Wenn der Messpunkt über das heiße Band hinausragt, Die angezeigte Temperatur entspricht möglicherweise nicht der Temperatur der gewünschten Region.

Das gleiche Problem kann auftreten, wenn sich ein bewegtes Werkstück relativ zu einem festen Sensor verschiebt.

Ein Laser-Zielanzeiger, wo angebracht, zeigt nicht unbedingt den gesamten Messpunkt an. Die optischen Spezifikationen sollten im tatsächlichen Installationsabstand überprüft werden, mit ausreichender Berücksichtigung von Zielbewegungen und Positionierungsschwankungen.

Für kleine Ziele oder scharfe Temperaturgrenzen, Strahlung, die von außerhalb des Nennflecks empfangen wird, kann das Ergebnis auch durch den Größeneffekt des Instruments beeinflussen.

Optische Fenster, Rauch und Verunreinigungen

Strahlung muss den optischen Pfad durchlaufen, bevor sie den Detektor erreicht.

Staub, Rauch, Dampf und andere Prozessemissionen können das empfangene Signal durch Absorption oder Streuung beeinflussen. Das Ausmaß des Fehlers hängt vom vorhandenen Material und der verwendeten Wellenlänge ab.

Schutzfenster bringen eine weitere Überlegung mit sich. A window that is unsuitable for the pyrometer’s spectral range, or one covered with deposits, may reduce or otherwise alter the transmitted radiation.

A sensor can therefore be functioning normally while its displayed temperature becomes unreliable because the optical path has changed.

Keller’s discussion of pyrometer measurement errors identifies transmission losses and background radiation among the important influences on infrared temperature measurement.

3. Warum die Messwerte während der Induktionserwärmung schwanken

A fluctuating temperature signal is not necessarily evidence of unstable heating power.

Während der Induktionserwärmung, the observed surface may move, its condition may change and the temperature within the measurement area may be nonuniform. These effects can produce fluctuations even when the electrical output is stable.

Rapid heating and instrument response

Induktionserwärmung kann zu schnellen Änderungen der lokalen Oberflächentemperatur führen.

Wenn die Reaktionszeit oder Signalmittelung des Pyrometers für den Prozess zu langsam ist, Der angezeigte Wert kann hinter der tatsächlichen Temperatur zurückbleiben oder kurzzeitige Spitzen glätten.

Eine Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit kann zu schnelleren Änderungen führen, Es kann aber auch Signalschwankungen deutlicher machen. Das Glätten eines Signals stellt nicht sicher, dass die Messung genau ist.

Die Reaktionseinstellungen sollten die Temperaturänderungen widerspiegeln, die überwacht werden müssen.

Werkstücke bewegen und drehen

In scannende Induktionserwärmung, Ein stationäres Pyrometer kann verschiedene Oberflächenbereiche beobachten, während sich das Werkstück durch das Messfeld bewegt.

Wenn der Fleck einen Temperaturgradienten kreuzt, Die angezeigte Temperatur kann sich auch bei unveränderten Heizbedingungen ändern.

Rotierende Komponenten kann ein ähnliches Problem darstellen. Periodische Schwankungen können aus tatsächlichen Temperaturunterschieden in Umfangsrichtung resultieren, Änderungen im Oberflächenemissionsgrad oder Bewegung des beobachteten Bereichs.

Die erste sinnvolle Frage ist, ob die Schwankungen mit der Werkstückposition oder -drehung korrespondieren.

Ein Signal, das sich am selben Ort wiederholt ändert, verdient eine andere Untersuchung als ein Signal, das sich unvorhersehbar ändert.

Was ist mit elektromagnetischen Störungen??

Induktionsheizgeräte erzeugen elektromagnetische Wechselfelder. Unter bestimmten Installationsbedingungen, Störungen können die empfindliche Sensorelektronik beeinträchtigen, Signalkabel oder Kommunikationssysteme.

Jedoch, Elektromagnetische Störungen sollten nicht die Standardursache für instabile Messwerte sein.

Optische Ausrichtung, Der Oberflächenzustand und die tatsächliche Temperaturschwankung sollten ebenfalls untersucht werden.

Bei Verdacht auf eine Störung, Vergleichen Sie den Zeitpunkt der Störung mit dem Induktionsbetrieb und überprüfen Sie die elektrische Installation gemäß den Anweisungen des Geräteherstellers.

Fluke-Prozessinstrumente diskutiert elektromagnetische Interferenzen neben dem Emissionsgrad, Reflexionen und optische Probleme als mögliche Ursachen für falsche Infrarot-Temperaturanzeigen.

4. So überprüfen Sie, ob der Pyrometerwert zuverlässig ist

Wenn ein Pyrometer eine unerwartete Temperatur meldet, Überprüfen Sie die Messbedingungen, bevor Sie die Heizleistung oder Prozesseinstellungen ändern. Ziel ist es, echte Werkstücktemperaturänderungen von Messfehlern zu trennen.

Beginnen Sie mit dem Ziel und dem optischen Pfad

Stellen Sie sicher, dass das Pyrometer die vorgesehene Oberfläche beobachtet und dass das Ziel den Messpunkt im installierten Abstand ausreichend ausfüllt.

Zum Bewegen oder Drehen von Werkstücken, Prüfen Sie, ob sich der beobachtete Bereich während des Betriebs verändert. Überprüfen Sie die Linse und das Schutzfenster auf Verunreinigungen, und suchen Sie nach möglichen Reflexionen, Rauch, Dampf oder zeitweilige Verstopfungen.

Überprüfen Sie den Emissionsgrad und die Geräteeinstellungen

Überprüfen Sie den tatsächlichen Oberflächenzustand, einschließlich Oxidation und Finish, gegen den konfigurierten Emissionsgrad und die Messwellenlänge.

Passen Sie den Emissionsgrad nicht einfach an, um die Anzeige an die erwartete Temperatur anzupassen. Jede Anpassung sollte durch eine geeignete Referenz oder validierte Messmethode unterstützt werden.

Überprüfen Sie auch den Messbereich, Reaktionszeit und Mittelungseinstellungen, insbesondere wenn das Aufheizen schnell erfolgt.

Trennen Sie Sensorwerte von der Signalübertragung

Wenn der Regler eine andere Temperatur als die Pyrometeranzeige anzeigt, Untersuchen Sie die Signalskalierung, Verkabelungs- und Kommunikationseinstellungen.

Für schwankende Messwerte, Vergleichen Sie die Störung mit der Werkstückbewegung, Oberflächenveränderungen und Induktionsbetrieb. Untersuchen Sie elektrische Störungen, wenn Anhaltspunkte dafür vorliegen, dass sie beteiligt sein könnten.

Überprüfen Sie unsichere Messungen

Bleibt die Lesart fraglich, Vergleichen Sie es mit einer geeigneten unabhängigen Referenz unter repräsentativen Bedingungen.

Die Referenzmethode muss das Material berücksichtigen, Messort, Temperaturbereich und Reaktionszeit. Ein Kontaktsensor ist auf einer schnell erhitzten Oberfläche nicht automatisch genauer, und die Übereinstimmung zwischen zwei Pyrometern beweist nicht, dass eines von beiden korrekt ist.

Die Gerätekalibrierung bestätigt die Leistung unter bestimmten Referenzbedingungen. Es stellt nicht sicher, dass der installierte Sensor die vorgesehene Werkstückoberfläche genau misst.

Eine zuverlässige Oberflächenablesung hat auch Grenzen: Es stellt keine direkte Innentemperatur oder gleichmäßige Erwärmung im gesamten Bauteil her.

Wo Pyrometermessungen zur Regelung eingesetzt werden, Ein ungenaues Signal kann die Reaktion des Controllers beeinflussen. Der Unterschied zwischen Temperaturmessung und Steuerung der Induktionsleistung wird in behandelt Temperaturregelung durch Induktionserwärmung: Leistungskontrolle vs. Temperatur-Feedback.

Häufig gestellte Fragen

Klicken Sie auf eine Frage, um die Antwort zu erweitern.

Warum zeigt mein Pyrometer eine andere Temperatur an als die tatsächliche Werkstückoberfläche??

Der Messwert hängt vom Emissionsgrad ab, reflektierte Strahlung, Messfleckgröße und der optische Weg. Eine Änderung einer dieser Bedingungen kann die angezeigte Temperatur verschieben, ohne dass sich die tatsächliche Oberflächentemperatur entsprechend ändert. Überprüfen Sie diese Bedingungen, bevor Sie den Heizvorgang ändern.

Muss ich die Emissionsgradeinstellung ändern, wenn der Stahl während des Erhitzens oxidiert??

Durch Oxidation verändert sich der spektrale Emissionsgrad der Oberfläche, Daher kann eine vor dem Erhitzen festgelegte Einstellung später im Zyklus ungenauer werden. Überprüfen Sie die Einstellung noch einmal anhand der tatsächlich oxidierten Oberfläche, Idealerweise mit passender Referenz, anstatt es nur an die erwartete Temperatur anzupassen.

Ist zweifarbig (Verhältnis) Pyrometer immer genauer?

Nicht unbedingt. A two-color pyrometer can compensate for some emissivity and optical-transmission changes when its assumptions hold, but it is not immune to errors from changing spectral characteristics, unsuitable targets or unfavorable optical conditions. The measurement arrangement still needs to be verified.

Why does the reading fluctuate even when the induction power is stable?

The observed surface may move, rotate or have a nonuniform temperature, and the surface condition may change during heating. These effects can produce fluctuations even with stable electrical output. Check whether the variations correspond to workpiece position or rotation, and review the response-time and averaging settings.