Dlaczego pirometry na podczerwień dają niedokładne odczyty temperatury podczas ogrzewania indukcyjnego

Jak emisyjność, Odbicia i warunki pomiaru wpływają na dokładność pirometru

Pirometry na podczerwień są powszechnie stosowane do monitorowania temperatury powierzchni przedmiotu obrabianego podczas nagrzewania indukcyjnego. Zapewniają szybko, pomiary bezdotykowe, jednak wyświetlana temperatura nie zawsze musi odzwierciedlać rzeczywistą temperaturę zamierzonej powierzchni.

Nieoczekiwany odczyt może wynikać ze zmian emisyjności metalu, promieniowanie odbite, nieprawidłowe umiejscowienie plamki lub zakłócenia na ścieżce optycznej. Problemy te są szczególnie istotne, gdy ogrzewanie ma charakter lokalny, elementy obrabiane poruszają się lub warunki powierzchni zmieniają się podczas cyklu nagrzewania.

Przed regulacją procesu nagrzewania indukcyjnego, inżynierowie muszą ustalić, czy temperatura rzeczywiście się zmieniła, czy też pomiar stał się niewiarygodny.

1. Dlaczego pirometry na podczerwień mogą błędnie odczytać temperaturę metalu

Pirometr na podczerwień szacuje temperaturę na podstawie promieniowania cieplnego otrzymanego od celu. Obliczenia zależą od promieniowania emitowanego przez powierzchnię i założeń przyjętych przez przyrząd.

Dwie powierzchnie metalowe o tej samej temperaturze mogą wytwarzać różne sygnały podczerwieni. Jest to jeden z powodów, dla których pomiar temperatury stali i innych metali w podczerwieni wymaga szczególnej uwagi stan powierzchni.

Emisyjność i stan powierzchni metalu

Emisyjność opisuje, jak skutecznie powierzchnia emituje promieniowanie cieplne w porównaniu z idealnym ciałem czarnym w tej samej temperaturze.

Dla konwencjonalnego pirometru o pojedynczej długości fali, nieprawidłowe ustawienie emisyjności może spowodować znaczny błąd temperatury. Rzeczywista emisyjność zależy od materiału, wykończenia powierzchni, Utlenianie, temperatura, kierunek obserwacji i długość fali pomiaru.

Rozważmy polerowaną powierzchnię stali i utlenioną powierzchnię tej samej stali. Nawet w tej samej temperaturze, mogą emitować różną ilość promieniowania podczerwonego w paśmie pomiarowym przyrządu.

Dlatego też zastosowanie identycznego ustawienia emisyjności dla obu powierzchni może skutkować różnymi wskazanymi temperaturami.

Kierunek błędu ma znaczenie. Dla gorącego celu otoczonego chłodniejszym środowiskiem, ustawienie emisyjności wyższej niż jej rzeczywista wartość zazwyczaj powoduje, że odczyt jest zbyt niski w przypadku pomiaru pojedynczej długości fali. Promieniowanie odbite i inne warunki mogą skomplikować tę zależność.

Tabele emisyjności materiałów stanowią przydatne odniesienia, jednak ich wartości nie należy traktować jako ustawień uniwersalnych.

Systemy pirometrów Kellera wyjaśnia związek pomiędzy emisyjnością, stan powierzchni i dokładność pomiaru.

Dlaczego utlenianie może zmienić odczyt podczas ogrzewania

Powierzchnia stali może utleniać się wraz ze wzrostem temperatury. Rozwijająca się warstwa tlenku może zmieniać swoją emisyjność widmową, dlatego ustawienie pirometru ustalone przed ogrzewaniem może stać się mniej reprezentatywne w dalszej części cyklu.

Na przykład, zmiana wyświetlanej temperatury może częściowo odzwierciedlać zmianę charakterystyki promieniowania powierzchniowego, a nie równoważną zmianę rzeczywistej temperatury.

Efekt nie zawsze jest w tym samym kierunku. To zależy od materiału, warstwa tlenku, długość fali i promieniowanie otoczenia.

Staje się to istotne przy porównywaniu zapisów temperatury przedmiotów obrabianych o różnym wykończeniu powierzchni, warunki tlenkowe lub metody wytwarzania.

Powtarzalne ustawienie pirometru niekoniecznie zapewnia porównywalne pomiary, jeśli mierzone powierzchnie są różne.

Czy długość fali pomiaru ma znaczenie??

Tak. Ponieważ emisyjność metalu zmienia się wraz z długością fali, dwa pirometry pracujące w różnych pasmach widmowych mogą różnie reagować na tę samą powierzchnię.

Pirometry o krótszej długości fali mogą zmniejszyć czułość na pewne błędy emisyjności podczas pomiaru wystarczająco gorących metali, chociaż odpowiednia długość fali zależy od zakresu temperatur i zastosowania.

Dwukolorowy, lub stosunek, pirometry mogą kompensować pewne zmiany w emisyjności lub transmisji optycznej, jeśli podstawowe założenia pomiarowe pozostają aktualne. Nie są odporne na błędy spowodowane zmianą charakterystyki widmowej, nieodpowiednie cele lub niekorzystne warunki optyczne.

Żaden typ przyrządu nie eliminuje konieczności weryfikacji układu pomiarowego.

2. Jak odbicia i warunki optyczne powodują błędy pomiaru

Nawet przy odpowiednim ustawieniu emisyjności, pirometr może odbierać promieniowanie, które nie pochodzi wyłącznie z zamierzonego obszaru pomiaru.

Promieniowanie odbite wiąże się z trzema praktycznymi problemami, wielkość plamki pomiarowej i stan ścieżki optycznej.

Odbicia od otaczających gorących powierzchni

Powierzchnie metalowe odbijają część promieniowania z otoczenia. Na powierzchni o stosunkowo niskiej emisyjności, ta odbita składowa może stanowić znaczną część sygnału docierającego do pirometru.

Jeśli promieniowanie z cieplejszej pobliskiej powierzchni zostanie odbite w kierunku czujnika, wyświetlana temperatura może być wyższa niż rzeczywista temperatura docelowa.

Zmiana kąta widzenia może pomóc w zbadaniu podejrzanego odbicia, ale zmienia także geometrię pomiaru i może wpływać na obserwowaną emisyjność. Zmiana odczytu po zmianie położenia czujnika nie powoduje zmiany, samodzielnie, potwierdzić, że przyczyną była refleksja.

Przy wyborze pozycji pomiarowej należy wziąć pod uwagę otaczające środowisko termiczne, szczególnie gdy odsłonięte gorące elementy znajdują się w odblaskowym otoczeniu celu.

Rozmiar plamki pomiarowej i ustawienie celu

Pirometr mierzy promieniowanie ze skończonego obszaru, a nie nieskończenie mały punkt.

Miejsce pomiaru zależy od optyki przyrządu, ostrość i odległość od celu. Jeśli zamierzony gorący obszar nie wypełnia odpowiednio tego miejsca, Promieniowanie z sąsiedniego materiału może mieć wpływ na odczyt.

Jest to częsty problem związany z miejscowym nagrzewaniem indukcyjnym.

Wąskie nagrzane pasmo może być otoczone znacznie chłodniejszą stalą. Jeśli punkt pomiarowy wykracza poza gorące pasmo, wyświetlana temperatura może nie odzwierciedlać temperatury żądanego regionu.

Ten sam problem może wystąpić, gdy poruszający się przedmiot obrabiany przesuwa się względem nieruchomego czujnika.

Laserowy wskaźnik celowania, gdzie zamontowano, niekoniecznie pokazuje cały punkt pomiarowy. Specyfikacje optyczne należy sprawdzić w rzeczywistej odległości instalacji, z wystarczającym uwzględnieniem ruchu celu i zmian w jego położeniu.

Do małych celów lub ostrych granic temperatur, promieniowanie otrzymane spoza nominalnej plamki może również wpływać na wynik poprzez efekt wielkości źródła instrumentu.

Okna optyczne, dym i zanieczyszczenia

Promieniowanie musi przejść przez ścieżkę optyczną, zanim dotrze do detektora.

Pył, dym, para i inne emisje procesowe mogą wpływać na odbierany sygnał poprzez absorpcję lub rozpraszanie. Rozmiar błędu zależy od występującego materiału i użytej długości fali.

Okna ochronne wprowadzają kolejną kwestię. Okno nieodpowiednie dla zakresu widmowego pirometru, lub pokryte osadami, może zmniejszyć lub w inny sposób zmienić transmitowane promieniowanie.

Czujnik może zatem działać normalnie, a wyświetlana przez niego temperatura staje się niewiarygodna ze względu na zmianę ścieżki optycznej.

Omówienie Kellera na temat błędów pomiaru pirometrem identyfikuje straty transmisji i promieniowanie tła wśród ważnych czynników wpływających na pomiar temperatury w podczerwieni.

3. Dlaczego odczyty zmieniają się podczas nagrzewania indukcyjnego

Wahający się sygnał temperatury nie musi koniecznie oznaczać niestabilnej mocy grzewczej.

Podczas nagrzewania indukcyjnego, obserwowana powierzchnia może się poruszać, jego stan może się zmienić, podobnie jak temperatura w obszarze pomiaru niejednolite. Efekty te mogą powodować wahania nawet wtedy, gdy moc wyjściowa jest stabilna.

Szybkie nagrzewanie i reakcja instrumentu

Ogrzewanie indukcyjne może powodować szybkie zmiany lokalnej temperatury powierzchni.

Jeśli czas reakcji pirometru lub uśrednianie sygnału jest zbyt wolny dla procesu, wyświetlana wartość może opóźniać się w stosunku do temperatury rzeczywistej lub wygładzać krótkotrwałe szczyty.

Zwiększenie szybkości reakcji może ujawnić szybsze zmiany, ale może również sprawić, że różnice w sygnale będą bardziej widoczne. Wygładzanie sygnału nie gwarantuje dokładności pomiaru.

Ustawienia reakcji powinny odzwierciedlać zmiany temperatury, które należy monitorować.

Ruchome i obracające się detale

W skanowanie nagrzewanie indukcyjne, nieruchomy pirometr może obserwować różne obszary powierzchni, gdy przedmiot przemieszcza się przez pole pomiarowe.

Jeśli plama przekracza gradient temperatury, wskazana temperatura może się zmienić nawet wtedy, gdy warunki ogrzewania pozostają niezmienione.

Elementy obrotowe może powodować podobny problem. Okresowe wahania mogą wynikać z rzeczywistych różnic temperatur na obwodzie, zmiany emisyjności powierzchni lub ruch obserwowanego obszaru.

Pierwszym użytecznym pytaniem jest, czy wahania odpowiadają położeniu przedmiotu obrabianego, czy obrotowi.

Sygnał, który wielokrotnie zmienia się w tym samym miejscu, zasługuje na inne badanie niż sygnał, który zmienia się w sposób nieprzewidywalny.

A co z zakłóceniami elektromagnetycznymi?

Indukcyjne urządzenia grzewcze wytwarzają zmienne pola elektromagnetyczne. W pewnych warunkach instalacyjnych, zakłócenia mogą mieć wpływ na podatną elektronikę czujnika, kable sygnałowe lub systemy komunikacyjne.

Jednak, Zakłócenia elektromagnetyczne nie powinny być domyślnym wyjaśnieniem niestabilnych odczytów.

Wyrównanie optyczne, należy również sprawdzić stan powierzchni i rzeczywiste zmiany temperatury.

Jeśli podejrzewa się zakłócenia, porównać czas wystąpienia zakłócenia z pracą na zasilaniu indukcyjnym i sprawdzić instalację elektryczną zgodnie z instrukcją producenta przyrządu.

Przyrządy procesowe Fluke omawia zakłócenia elektromagnetyczne obok emisyjności, odbicia i problemy optyczne jako możliwe przyczyny nieprawidłowych wskazań temperatury w podczerwieni.

4. Jak sprawdzić, czy odczyt pirometru jest wiarygodny

Gdy pirometr zgłasza nieoczekiwaną temperaturę, sprawdzić warunki pomiaru przed zmianą mocy grzewczej lub ustawień procesu. Celem jest oddzielenie rzeczywistych zmian temperatury przedmiotu obrabianego od błędów pomiaru.

Zacznij od celu i ścieżki optycznej

Upewnij się, że pirometr obserwuje zamierzoną powierzchnię i że cel odpowiednio wypełnia plamkę pomiarową w zainstalowanej odległości.

Do przesuwania lub obracania przedmiotów obrabianych, sprawdzić, czy obserwowany obszar zmienia się podczas pracy. Sprawdź soczewkę i okienko ochronne pod kątem zanieczyszczeń, i poszukaj możliwych odbić, dym, para lub sporadyczne przeszkody.

Przejrzyj ustawienia emisyjności i instrumentu

Sprawdź rzeczywisty stan powierzchni, łącznie z utlenianiem i wykończeniem, względem skonfigurowanej emisyjności i długości fali pomiaru.

Nie reguluj emisyjności tylko po to, aby wyświetlacz odpowiadał oczekiwanej temperaturze. Wszelkie korekty powinny być poparte odpowiednią referencyjną lub zwalidowaną metodą pomiaru.

Sprawdź także zakres pomiarowy, czas reakcji i ustawienia uśredniania, szczególnie przy szybkim nagrzewaniu.

Oddziel odczyty czujnika od transmisji sygnału

Jeżeli sterownik pokazuje inną temperaturę niż wyświetlacz pirometru, zbadać skalowanie sygnału, ustawienia okablowania i komunikacji.

Dla zmiennych odczytów, porównać zaburzenie z ruchem przedmiotu obrabianego, zmiany powierzchni i działanie mocy indukcyjnej. Zbadaj zakłócenia elektryczne, jeśli dowody wskazują, że mogą mieć one miejsce.

Sprawdź niepewne pomiary

Jeśli odczyt pozostaje wątpliwy, porównać go z odpowiednim niezależnym źródłem odniesienia w reprezentatywnych warunkach.

Metoda referencyjna musi uwzględniać materiał, miejsce pomiaru, zakres temperatur i czas reakcji. Czujnik kontaktowy nie jest automatycznie dokładniejszy w przypadku szybko nagrzewającej się powierzchni, a zgodność między dwoma pirometrami nie dowodzi, że którykolwiek z nich jest prawidłowy.

Kalibracja przyrządu potwierdza działanie w określonych warunkach referencyjnych. Nie stwierdza się, że zainstalowany czujnik dokładnie mierzy zamierzoną powierzchnię przedmiotu obrabianego.

Wiarygodny odczyt powierzchni również ma swoje ograniczenia: nie ustala bezpośrednio temperatury wewnętrznej ani równomiernego ogrzewania całego elementu.

Gdzie pomiary pirometrem są wykorzystywane do kontroli w pętli zamkniętej, niedokładny sygnał może mieć wpływ na reakcję sterownika. Rozróżnienie pomiędzy pomiarem temperatury a kontrolowaniem mocy indukcyjnej omówiono w artykule Kontrola temperatury ciepła indukcyjnego: Kontrola mocy vs. Sprzężenie zwrotne temperatury.

Często zadawane pytania

Kliknij pytanie, aby rozwinąć odpowiedź.

Dlaczego mój pirometr pokazuje inną temperaturę niż rzeczywista powierzchnia przedmiotu obrabianego??

Odczyt zależy od emisyjności, promieniowanie odbite, wielkość plamki pomiarowej i ścieżkę optyczną. Zmiana któregokolwiek z tych warunków może spowodować przesunięcie wyświetlanej temperatury bez odpowiedniej zmiany rzeczywistej temperatury powierzchni. Przed zmianą procesu ogrzewania należy sprawdzić te warunki.

Czy muszę zmieniać ustawienie emisyjności, gdy stal utlenia się podczas ogrzewania??

Utlenianie zmienia emisyjność widmową powierzchni, dlatego ustawienie ustalone przed podgrzewaniem może stać się mniej dokładne w dalszej części cyklu. Ponownie sprawdź ustawienie względem rzeczywistej utlenionej powierzchni, najlepiej z odpowiednim referencją, zamiast dostosowywać ją tylko do oczekiwanej temperatury.

Jest dwukolorowy (stosunek) pirometr zawsze dokładniejszy?

Niekoniecznie. Pirometr dwukolorowy może kompensować pewne zmiany emisyjności i transmisji optycznej, jeśli jego założenia są spełnione, ale nie jest odporny na błędy wynikające ze zmiany charakterystyk widmowych, nieodpowiednie cele lub niekorzystne warunki optyczne. Należy jeszcze zweryfikować układ pomiarowy.

Dlaczego odczyt się zmienia, nawet gdy moc indukcyjna jest stabilna??

Obserwowana powierzchnia może się poruszać, obracać się lub mieć niejednolitą temperaturę, a stan powierzchni może ulec zmianie podczas ogrzewania. Efekty te mogą powodować wahania nawet przy stabilnej mocy wyjściowej. Sprawdź, czy zmiany odpowiadają położeniu lub obrotowi przedmiotu obrabianego, i przejrzyj ustawienia czasu reakcji i uśredniania.