Por que os pirômetros infravermelhos fornecem leituras de temperatura imprecisas no aquecimento por indução

Como a emissividade, Reflexões e condições de medição afetam a precisão do pirômetro

Pirômetros infravermelhos são comumente usados ​​para monitorar a temperatura da superfície da peça durante o aquecimento por indução. Eles fornecem rápido, medições sem contato, mas a temperatura exibida nem sempre representa a temperatura real da superfície pretendida.

Uma leitura inesperada pode resultar de alterações na emissividade do metal, radiação refletida, posicionamento incorreto do ponto ou interferência ao longo do caminho óptico. Estes problemas são particularmente relevantes quando o aquecimento é localizado, as peças de trabalho estão se movendo ou as condições da superfície mudam durante o ciclo de aquecimento.

Antes de ajustar o processo de aquecimento por indução, os engenheiros precisam estabelecer se a temperatura realmente mudou ou se a medição se tornou não confiável.

1. Por que os pirômetros infravermelhos podem interpretar mal as temperaturas do metal

Um pirômetro infravermelho estima a temperatura a partir da radiação térmica recebida de um alvo. O cálculo depende da radiação emitida pela superfície e das suposições utilizadas pelo instrumento.

Duas superfícies metálicas à mesma temperatura podem produzir sinais infravermelhos diferentes. Esta é uma das razões pelas quais a medição infravermelha da temperatura do aço e de outros metais requer atenção cuidadosa. condição da superfície.

Emissividade e condição da superfície metálica

A emissividade descreve a eficácia com que uma superfície emite radiação térmica em comparação com um corpo negro ideal à mesma temperatura..

Para um pirômetro convencional de comprimento de onda único, uma configuração incorreta de emissividade pode produzir um erro substancial de temperatura. A emissividade real depende do material, acabamento superficial, oxidação, temperatura, direção de visualização e comprimento de onda de medição.

Considere uma superfície de aço polido e uma superfície oxidada do mesmo aço. Mesmo na mesma temperatura, eles podem emitir diferentes quantidades de radiação infravermelha dentro da banda de medição do instrumento.

Usar uma configuração de emissividade idêntica para ambas as superfícies pode, portanto, produzir temperaturas indicadas diferentes.

A direção do erro é importante. Para um alvo quente cercado por um ambiente mais frio, definir a emissividade mais alta do que seu valor real geralmente produz uma leitura muito baixa na medição de comprimento de onda único. A radiação refletida e outras condições podem complicar esta relação.

Tabelas de emissividade de materiais são referências úteis, mas os seus valores não devem ser tratados como configurações universalmente aplicáveis.

Sistemas de Pirômetro Keller explica a relação entre emissividade, condição da superfície e precisão da medição.

Por que a oxidação pode alterar a leitura durante o aquecimento

Uma superfície de aço pode oxidar à medida que sua temperatura aumenta. A camada de óxido em desenvolvimento pode alterar sua emissividade espectral, portanto, uma configuração do pirômetro estabelecida antes do aquecimento pode se tornar menos representativa posteriormente no ciclo.

Por exemplo, uma alteração na temperatura exibida pode refletir parcialmente uma alteração nas características de radiação da superfície, em vez de uma alteração equivalente na temperatura real.

O efeito nem sempre é na mesma direção. Depende do material, camada de óxido, comprimento de onda e radiação circundante.

Isto se torna relevante ao comparar registros de temperatura de peças com diferentes acabamentos superficiais., condições de óxido ou métodos de preparação.

Uma configuração de pirômetro repetível não fornece necessariamente medições comparáveis ​​se as superfícies medidas forem diferentes.

O comprimento de onda de medição faz diferença?

Sim. Como a emissividade do metal varia com o comprimento de onda, dois pirômetros operando em bandas espectrais diferentes podem responder de maneira diferente à mesma superfície.

Pirômetros de comprimento de onda mais curto podem reduzir a sensibilidade a certos erros de emissividade ao medir metais suficientemente quentes, embora o comprimento de onda apropriado dependa da faixa de temperatura e da aplicação.

Duas cores, ou proporção, os pirômetros podem compensar algumas mudanças na emissividade ou na transmissão óptica quando suas suposições de medição subjacentes permanecem válidas. Eles não estão imunes a erros causados ​​pela alteração das características espectrais, alvos inadequados ou condições ópticas desfavoráveis.

Nenhum tipo de instrumento elimina a necessidade de verificar o arranjo de medição.

2. Como as reflexões e as condições ópticas causam erros de medição

Mesmo com uma configuração de emissividade adequada, o pirômetro pode receber radiação que não se origina inteiramente da área de medição pretendida.

Três preocupações práticas são a radiação refletida, tamanho do ponto de medição e a condição do caminho óptico.

Reflexos das superfícies quentes circundantes

Superfícies metálicas refletem alguma radiação do seu entorno. Em uma superfície de emissividade relativamente baixa, este componente refletido pode representar uma porção significativa do sinal que chega ao pirômetro.

Se a radiação de uma superfície próxima mais quente for refletida em direção ao sensor, a temperatura exibida pode ser superior à temperatura alvo real.

Alterar o ângulo de visão pode ajudar a investigar uma suspeita de reflexo, mas também altera a geometria da medição e pode afetar a emissividade observada. Uma leitura alterada após o reposicionamento do sensor não, por si só, confirmar que a reflexão foi a causa.

O ambiente térmico circundante deve ser considerado ao selecionar uma posição de medição, particularmente onde componentes quentes expostos estão dentro do ambiente reflexivo do alvo.

Tamanho do ponto de medição e alinhamento do alvo

Um pirômetro mede a radiação de uma área finita, não é um ponto infinitamente pequeno.

O ponto de medição depende da óptica do instrumento, foco e distância do alvo. Se a região quente pretendida não preencher adequadamente esse ponto, a radiação do material adjacente pode influenciar a leitura.

Esta é uma preocupação comum em aquecimento por indução localizado.

Uma estreita faixa aquecida pode ser cercada por aço muito mais frio. Se o ponto de medição se estender além da banda quente, a temperatura exibida pode não representar a temperatura da região pretendida.

O mesmo problema pode ocorrer quando uma peça em movimento se desloca em relação a um sensor fixo.

Um indicador de mira a laser, onde instalado, não mostra necessariamente todo o ponto de medição. As especificações ópticas devem ser verificadas na distância real de instalação, com margem suficiente para movimento do alvo e variação de posicionamento.

Para alvos pequenos ou limites de temperatura nítidos, a radiação recebida de fora do ponto nominal também pode influenciar o resultado através do efeito do tamanho da fonte do instrumento.

Janelas ópticas, fumaça e contaminação

A radiação deve passar pelo caminho óptico antes de chegar ao detector.

Pó, fumaça, vapor e outras emissões de processo podem afetar o sinal recebido através de absorção ou dispersão. A extensão do erro depende do material presente e do comprimento de onda utilizado.

As janelas de proteção apresentam outra consideração. Uma janela inadequada para a faixa espectral do pirômetro, ou um coberto com depósitos, pode reduzir ou de outra forma alterar a radiação transmitida.

Um sensor pode, portanto, estar funcionando normalmente enquanto sua temperatura exibida se torna não confiável porque o caminho óptico mudou.

A discussão de Keller sobre erros de medição do pirômetro identifica perdas de transmissão e radiação de fundo entre as influências importantes na medição de temperatura infravermelha.

3. Por que as leituras flutuam durante o aquecimento por indução

Um sinal de temperatura flutuante não é necessariamente evidência de potência de aquecimento instável.

durante o aquecimento por indução, a superfície observada pode se mover, sua condição pode mudar e a temperatura dentro da área de medição pode ser não uniforme. Esses efeitos podem produzir flutuações mesmo quando a saída elétrica é estável.

Aquecimento rápido e resposta do instrumento

O aquecimento por indução pode produzir mudanças rápidas na temperatura da superfície local.

Se o tempo de resposta do pirômetro ou a média do sinal for muito lento para o processo, o valor exibido pode ficar atrás da temperatura real ou suavizar picos de curta duração.

Aumentar a velocidade de resposta pode revelar mudanças mais rápidas, mas também pode tornar as variações de sinal mais aparentes. Suavizar um sinal não estabelece que a medição seja precisa.

As configurações de resposta devem refletir as mudanças de temperatura que precisam ser monitoradas.

Mover e girar peças de trabalho

Em aquecimento por indução de varredura, um pirômetro fixo pode observar diferentes regiões da superfície à medida que a peça se desloca através do campo de medição.

Se o ponto cruzar um gradiente de temperatura, a temperatura indicada pode mudar mesmo quando as condições de aquecimento permanecem inalteradas.

Componentes rotativos pode apresentar um problema semelhante. Variações periódicas podem resultar de diferenças reais de temperatura circunferencial, mudanças na emissividade da superfície ou movimento da área observada.

A primeira questão útil é se as flutuações correspondem à posição ou rotação da peça..

Um sinal que muda repetidamente no mesmo local merece uma investigação diferente daquele que muda de forma imprevisível.

E quanto à interferência eletromagnética?

Equipamento de aquecimento por indução gera campos eletromagnéticos alternados. Sob algumas condições de instalação, a interferência pode afetar a eletrônica do sensor suscetível, cabos de sinal ou sistemas de comunicação.

No entanto, a interferência eletromagnética não deve ser a explicação padrão para leituras instáveis.

Alinhamento óptico, a condição da superfície e a variação genuína de temperatura também devem ser examinadas.

Se houver suspeita de interferência, compare o tempo da perturbação com a operação por energia de indução e verifique a instalação elétrica de acordo com as instruções do fabricante do instrumento.

Instrumentos de Processo Fluke discute interferência eletromagnética junto com emissividade, reflexões e problemas ópticos como possíveis causas de indicações incorretas de temperatura infravermelha.

4. Como verificar se a leitura do pirômetro é confiável

Quando um pirômetro relata uma temperatura inesperada, verifique as condições de medição antes de alterar a potência de aquecimento ou as configurações do processo. O objetivo é separar as mudanças genuínas de temperatura da peça de erros de medição.

Comece com o alvo e o caminho óptico

Confirme se o pirômetro observa a superfície pretendida e se o alvo preenche adequadamente o ponto de medição na distância instalada.

Para mover ou girar peças de trabalho, verifique se a área observada muda durante a operação. Inspecione a lente e a janela protetora quanto a contaminação, e procure possíveis reflexos, fumaça, vapor ou obstruções intermitentes.

Revise a emissividade e as configurações do instrumento

Verifique a condição real da superfície, incluindo oxidação e acabamento, contra a emissividade configurada e comprimento de onda de medição.

Não ajuste a emissividade simplesmente para fazer com que o display corresponda à temperatura esperada. Qualquer ajuste deve ser apoiado por uma referência apropriada ou método de medição validado.

Revise também a faixa de medição, tempo de resposta e configurações de média, especialmente quando o aquecimento é rápido.

Leituras de sensores separadas da transmissão de sinal

Se o controlador mostrar uma temperatura diferente da exibição do pirômetro, examinar a escala do sinal, configurações de fiação e comunicação.

Para leituras flutuantes, compare a perturbação com o movimento da peça, mudanças de superfície e operação de energia de indução. Investigue a interferência elétrica onde a evidência sugerir que ela possa estar envolvida.

Verifique medições incertas

Se a leitura permanecer questionável, compará-lo com uma referência independente adequada sob condições representativas.

O método de referência deve levar em conta o material, local de medição, faixa de temperatura e tempo de resposta. Um sensor de contato não é automaticamente mais preciso em uma superfície aquecida rapidamente, e a concordância entre dois pirômetros não prova que nenhum deles esteja correto.

A calibração do instrumento confirma o desempenho sob condições de referência especificadas. Não estabelece que o sensor instalado esteja medindo com precisão a superfície pretendida da peça de trabalho.

Uma leitura de superfície confiável também tem limites: não estabelece diretamente a temperatura interna ou aquecimento uniforme em todo o componente.

Onde as medições do pirômetro são usadas para controle de circuito fechado, um sinal impreciso pode influenciar a resposta do controlador. A distinção entre medir temperatura e controlar a potência de indução é abordada em Controle de temperatura de aquecimento por indução: Controle de potência vs.. Feedback de temperatura.

Perguntas frequentes

Clique em uma pergunta para expandir a resposta.

Por que meu pirômetro mostra uma temperatura diferente da superfície real da peça de trabalho??

A leitura depende da emissividade, radiação refletida, tamanho do ponto de medição e caminho óptico. Uma alteração em qualquer uma destas condições pode alterar a temperatura exibida sem uma alteração correspondente na temperatura real da superfície.. Verifique estas condições antes de alterar o processo de aquecimento.

Preciso alterar a configuração de emissividade quando o aço oxida durante o aquecimento?

A oxidação altera a emissividade espectral da superfície, portanto, uma configuração estabelecida antes do aquecimento pode se tornar menos precisa posteriormente no ciclo. Verifique novamente a configuração em relação à superfície oxidada real, idealmente com uma referência adequada, em vez de ajustá-lo apenas para corresponder à temperatura esperada.

É bicolor (razão) pirômetro sempre mais preciso?

Não necessariamente. Um pirômetro de duas cores pode compensar algumas alterações na emissividade e na transmissão óptica quando suas suposições são válidas, mas não está imune a erros decorrentes da alteração das características espectrais, alvos inadequados ou condições ópticas desfavoráveis. O arranjo de medição ainda precisa ser verificado.

Por que a leitura flutua mesmo quando a potência de indução está estável?

A superfície observada pode se mover, girar ou ter uma temperatura não uniforme, e a condição da superfície pode mudar durante o aquecimento. Esses efeitos podem produzir flutuações mesmo com saída elétrica estável. Verifique se as variações correspondem à posição ou rotação da peça, e revise as configurações de tempo de resposta e média.