Perché i pirometri a infrarossi forniscono letture di temperatura imprecise nel riscaldamento a induzione

Come Emissività, Le riflessioni e le condizioni di misurazione influiscono sulla precisione del pirometro

Pirometri a infrarossi sono comunemente usati per monitorare la temperatura superficiale del pezzo durante il riscaldamento a induzione. Forniscono velocemente, misurazioni senza contatto, ma la temperatura visualizzata potrebbe non rappresentare sempre la temperatura effettiva della superficie prevista.

Una lettura inaspettata può derivare da cambiamenti nell'emissività del metallo, radiazione riflessa, posizionamento errato dello spot o interferenza lungo il percorso ottico. Questi problemi sono particolarmente rilevanti quando il riscaldamento è localizzato, i pezzi si muovono o le condizioni della superficie cambiano durante il ciclo di riscaldamento.

Prima di regolare il processo di riscaldamento a induzione, gli ingegneri devono stabilire se la temperatura è effettivamente cambiata o se la misurazione è diventata inaffidabile.

1. Perché i pirometri a infrarossi possono leggere erroneamente la temperatura dei metalli

Un pirometro a infrarossi stima la temperatura dalla radiazione termica ricevuta da un bersaglio. Il calcolo dipende dalla radiazione emessa dalla superficie e dalle ipotesi utilizzate dallo strumento.

Due superfici metalliche alla stessa temperatura possono produrre segnali infrarossi diversi. Questo è uno dei motivi per cui la misurazione della temperatura a infrarossi dell'acciaio e di altri metalli richiede particolare attenzione condizioni della superficie.

Emissività e stato della superficie metallica

L'emissività descrive l'efficacia con cui una superficie emette radiazione termica rispetto a un corpo nero ideale alla stessa temperatura.

Per un pirometro convenzionale a lunghezza d'onda singola, un'impostazione errata dell'emissività può produrre un errore sostanziale di temperatura. L'emissività effettiva dipende dal materiale, la finitura superficiale, ossidazione, temperatura, direzione di visualizzazione e lunghezza d'onda di misurazione.

Consideriamo una superficie di acciaio lucidato e una superficie ossidata dello stesso acciaio. Anche alla stessa temperatura, possono emettere quantità diverse di radiazioni infrarosse all’interno della banda di misurazione dello strumento.

Utilizzando un'impostazione di emissività identica per entrambe le superfici è quindi possibile produrre temperature indicate diverse.

La direzione dell'errore è importante. Per un bersaglio caldo circondato da un ambiente più fresco, l'impostazione dell'emissività su un valore superiore al suo valore effettivo generalmente produce una lettura troppo bassa nella misurazione a lunghezza d'onda singola. La radiazione riflessa e altre condizioni possono complicare questa relazione.

Le tabelle di emissività dei materiali sono riferimenti utili, ma i loro valori non dovrebbero essere trattati come impostazioni universalmente applicabili.

Sistemi pirometrici Keller spiega la relazione tra emissività, condizioni della superficie e precisione della misurazione.

Perché l'ossidazione può modificare la lettura durante il riscaldamento

Una superficie in acciaio può ossidarsi quando la sua temperatura aumenta. Lo strato di ossido in via di sviluppo può modificare la sua emissività spettrale, pertanto l'impostazione del pirometro stabilita prima del riscaldamento potrebbe diventare meno rappresentativa più avanti nel ciclo.

Per esempio, un cambiamento nella temperatura visualizzata può in parte riflettere un cambiamento nelle caratteristiche della radiazione superficiale piuttosto che un cambiamento equivalente nella temperatura effettiva.

L’effetto non è sempre nella stessa direzione. Dipende dal materiale, strato di ossido, lunghezza d'onda e radiazione circostante.

Ciò diventa rilevante quando si confrontano i record di temperatura di pezzi con diverse finiture superficiali, condizioni dell'ossido o metodi di preparazione.

Un'impostazione ripetibile del pirometro non fornisce necessariamente misurazioni comparabili se le superfici misurate sono diverse.

La lunghezza d'onda di misurazione fa la differenza?

Sì. Perché l'emissività del metallo varia con la lunghezza d'onda, due pirometri che operano in bande spettrali diverse possono rispondere in modo diverso alla stessa superficie.

I pirometri a lunghezza d'onda più corta possono ridurre la sensibilità a determinati errori di emissività quando si misurano metalli sufficientemente caldi, sebbene la lunghezza d'onda appropriata dipenda dall'intervallo di temperatura e dall'applicazione.

Bicolore, o rapporto, i pirometri possono compensare alcuni cambiamenti nell'emissività o nella trasmissione ottica quando le ipotesi di misurazione sottostanti rimangono valide. Non sono immuni da errori causati dal cambiamento delle caratteristiche spettrali, target inadatti o condizioni ottiche sfavorevoli.

Nessuno dei due tipi di strumento elimina la necessità di verificare la disposizione di misurazione.

2. Come i riflessi e le condizioni ottiche causano errori di misurazione

Anche con un'adeguata impostazione dell'emissività, il pirometro può ricevere radiazioni che non provengono interamente dall'area di misurazione prevista.

Tre preoccupazioni pratiche sono le radiazioni riflesse, dimensione del punto di misurazione e condizione del percorso ottico.

Riflessi dalle superfici calde circostanti

Le superfici metalliche riflettono parte della radiazione proveniente dall'ambiente circostante. Su una superficie a emissività relativamente bassa, questa componente riflessa può rappresentare una porzione significativa del segnale che raggiunge il pirometro.

Se la radiazione proveniente da una superficie vicina più calda viene riflessa verso il sensore, la temperatura visualizzata potrebbe essere superiore alla temperatura target effettiva.

La modifica dell'angolo di visione può aiutare a indagare su un sospetto riflesso, ma cambia anche la geometria di misurazione e può influenzare l'emissività osservata. Una lettura modificata dopo il riposizionamento del sensore non lo fa, da solo, confermare che la riflessione è stata la causa.

Quando si seleziona una posizione di misurazione è necessario considerare l'ambiente termico circostante, in particolare quando i componenti caldi esposti si trovano all'interno dell'ambiente riflettente del bersaglio.

Misurazione della dimensione del punto e allineamento del target

Un pirometro misura la radiazione proveniente da un'area finita, non un punto infinitamente piccolo.

Il punto di misurazione dipende dall’ottica dello strumento, messa a fuoco e distanza dal bersaglio. Se la regione calda prevista non riempie adeguatamente quel punto, la radiazione proveniente dal materiale adiacente può influenzare la lettura.

Questa è una preoccupazione comune nel riscaldamento a induzione localizzato.

Una stretta fascia riscaldata può essere circondata da acciaio molto più freddo. Se il punto di misurazione si estende oltre la banda calda, la temperatura visualizzata potrebbe non rappresentare la temperatura della regione prevista.

Lo stesso problema può verificarsi quando un pezzo in movimento si sposta rispetto a un sensore fisso.

Un indicatore di puntamento laser, dove montato, non mostra necessariamente l'intero punto di misurazione. Le specifiche ottiche devono essere verificate alla distanza di installazione effettiva, con spazio sufficiente per il movimento del target e la variazione di posizionamento.

Per obiettivi piccoli o limiti di temperatura netti, anche la radiazione ricevuta dall’esterno del punto nominale può influenzare il risultato attraverso l’effetto della dimensione della sorgente dello strumento.

Finestre ottiche, fumo e contaminazione

La radiazione deve passare attraverso il percorso ottico prima di raggiungere il rilevatore.

Polvere, fumo, vapore e altre emissioni di processo possono influenzare il segnale ricevuto attraverso assorbimento o diffusione. L'entità dell'errore dipende dal materiale presente e dalla lunghezza d'onda utilizzata.

Le finestre protettive introducono un'altra considerazione. Una finestra non adatta al campo spettrale del pirometro, o uno coperto da depositi, possono ridurre o alterare in altro modo la radiazione trasmessa.

Un sensore può quindi funzionare normalmente mentre la temperatura visualizzata diventa inaffidabile perché il percorso ottico è cambiato.

La discussione di Keller sugli errori di misurazione del pirometro identifica le perdite di trasmissione e la radiazione di fondo tra le influenze importanti sulla misurazione della temperatura a infrarossi.

3. Perché le letture fluttuano durante il riscaldamento a induzione

Un segnale di temperatura fluttuante non è necessariamente indice di una potenza riscaldante instabile.

Durante il riscaldamento a induzione, la superficie osservata potrebbe muoversi, le sue condizioni potrebbero cambiare e la temperatura all'interno dell'area di misurazione potrebbe cambiare non uniforme. Questi effetti possono produrre fluttuazioni anche quando la potenza elettrica è stabile.

Riscaldamento rapido e risposta dello strumento

Il riscaldamento a induzione può produrre rapidi cambiamenti nella temperatura superficiale locale.

Se il tempo di risposta del pirometro o la media del segnale sono troppo lenti per il processo, il valore visualizzato potrebbe essere inferiore alla temperatura effettiva o attenuare picchi di breve durata.

L'aumento della velocità di risposta può rivelare cambiamenti più rapidi, ma può anche rendere più evidenti le variazioni del segnale. Il livellamento di un segnale non stabilisce che la misurazione sia accurata.

Le impostazioni di risposta dovrebbero riflettere i cambiamenti di temperatura che devono essere monitorati.

Pezzi in movimento e rotanti

In riscaldamento a induzione a scansione, un pirometro fisso può osservare diverse regioni superficiali mentre il pezzo si sposta attraverso il campo di misurazione.

Se la macchia attraversa un gradiente di temperatura, la temperatura indicata può variare anche quando le condizioni di riscaldamento rimangono invariate.

Componenti rotanti può presentare un problema simile. Variazioni periodiche possono derivare da effettive differenze di temperatura circonferenziale, cambiamenti nell’emissività superficiale o movimento dell’area osservata.

La prima domanda utile è se le fluttuazioni corrispondono alla posizione o alla rotazione del pezzo.

Un segnale che cambia ripetutamente nello stesso punto merita un'indagine diversa da uno che cambia in modo imprevedibile.

E che dire delle interferenze elettromagnetiche??

Gli apparecchi di riscaldamento a induzione generano campi elettromagnetici alternati. In alcune condizioni di installazione, le interferenze possono influenzare l'elettronica sensibile del sensore, cavi di segnale o sistemi di comunicazione.

Tuttavia, l'interferenza elettromagnetica non dovrebbe essere la spiegazione predefinita per letture instabili.

Allineamento ottico, Dovrebbero essere esaminate anche le condizioni della superficie e la reale variazione della temperatura.

Se si sospetta un'interferenza, confrontare i tempi del disturbo con il funzionamento a induzione e verificare l’impianto elettrico secondo le istruzioni del produttore dello strumento.

Strumenti di processo Fluke discute l'interferenza elettromagnetica insieme all'emissività, riflessi e problemi ottici come possibili cause di indicazioni errate della temperatura a infrarossi.

4. Come verificare se la lettura del pirometro è affidabile

Quando un pirometro segnala una temperatura inaspettata, verificare le condizioni di misurazione prima di modificare la potenza di riscaldamento o le impostazioni del processo. Lo scopo è quello di separare le reali variazioni della temperatura del pezzo dagli errori di misurazione.

Inizia con il target e il percorso ottico

Confermare che il pirometro osservi la superficie prevista e che il target riempia adeguatamente il punto di misurazione alla distanza installata.

Per spostare o ruotare pezzi, verificare se l'area osservata cambia durante il funzionamento. Ispezionare la lente e la finestra protettiva per individuare eventuali contaminazioni, e cercare possibili riflessioni, fumo, vapore o ostruzioni intermittenti.

Rivedere l'emissività e le impostazioni dello strumento

Verificare le effettive condizioni della superficie, compresa l'ossidazione e la finitura, rispetto all'emissività configurata e alla lunghezza d'onda di misurazione.

Non regolare l'emissività semplicemente per far sì che il display corrisponda alla temperatura prevista. Qualsiasi aggiustamento dovrebbe essere supportato da un riferimento appropriato o da un metodo di misurazione convalidato.

Esaminare anche l'intervallo di misurazione, tempo di risposta e impostazioni della media, soprattutto quando il riscaldamento è rapido.

Separare le letture del sensore dalla trasmissione del segnale

Se il controller mostra una temperatura diversa dal display del pirometro, esaminare la scalatura del segnale, impostazioni di cablaggio e comunicazione.

Per letture fluttuanti, confrontare il disturbo con il movimento del pezzo, cambiamenti di superficie e funzionamento a induzione. Investigare sulle interferenze elettriche laddove le prove suggeriscono che potrebbero essere coinvolte.

Verificare misurazioni incerte

Se la lettura rimane discutibile, confrontarlo con un riferimento indipendente adeguato in condizioni rappresentative.

Il metodo di riferimento deve tenere conto del materiale, luogo di misurazione, intervallo di temperatura e tempo di risposta. Un sensore di contatto non è automaticamente più preciso su una superficie riscaldata rapidamente, e l'accordo tra due pirometri non dimostra che nessuno dei due sia corretto.

La calibrazione dello strumento conferma le prestazioni nelle condizioni di riferimento specificate. Non dimostra che il sensore installato stia misurando accuratamente la superficie prevista del pezzo.

Anche una lettura affidabile della superficie presenta dei limiti: non stabilisce direttamente la temperatura interna o il riscaldamento uniforme in tutto il componente.

Dove le misurazioni con pirometro vengono utilizzate per il controllo a circuito chiuso, un segnale impreciso può influenzare la risposta del controller. Viene trattata la distinzione tra la misurazione della temperatura e il controllo della potenza di induzione Controllo della temperatura del riscaldamento a induzione: Controllo della potenza vs. Feedback della temperatura.

Domande frequenti

Fare clic su una domanda per espandere la risposta.

Perché il mio pirometro mostra una temperatura diversa da quella della superficie effettiva del pezzo in lavorazione??

La lettura dipende dall'emissività, radiazione riflessa, dimensione del punto di misurazione e percorso ottico. Un cambiamento in una qualsiasi di queste condizioni può spostare la temperatura visualizzata senza un corrispondente cambiamento nella temperatura superficiale effettiva. Verificare queste condizioni prima di modificare il processo di riscaldamento.

È necessario modificare l'impostazione dell'emissività quando l'acciaio si ossida durante il riscaldamento?

L’ossidazione modifica l’emissività spettrale della superficie, pertanto un'impostazione stabilita prima del riscaldamento potrebbe diventare meno precisa nelle fasi successive del ciclo. Ricontrollare l'impostazione rispetto alla superficie ossidata effettiva, idealmente con un riferimento adeguato, invece di regolarlo solo per adattarlo alla temperatura prevista.

È un bicolore (rapporto) pirometro sempre più preciso?

Non necessariamente. Un pirometro a due colori può compensare alcuni cambiamenti di emissività e trasmissione ottica quando valgono le sue ipotesi, ma non è immune da errori derivanti dal cambiamento delle caratteristiche spettrali, target inadatti o condizioni ottiche sfavorevoli. La disposizione delle misurazioni è ancora da verificare.

Perché la lettura fluttua anche quando la potenza di induzione è stabile??

La superficie osservata potrebbe muoversi, ruotare o avere una temperatura non uniforme, e le condizioni della superficie potrebbero cambiare durante il riscaldamento. Questi effetti possono produrre fluttuazioni anche con un'uscita elettrica stabile. Controllare se le variazioni corrispondono alla posizione o alla rotazione del pezzo, e rivedere le impostazioni del tempo di risposta e della media.