Aktuální vydání

celé číslo

06

2019

Počítačová podpora vývoje a výroby, software pro řízení údržby 

celé číslo

Pásmové pyrometry

číslo 1/2003

Pásmové pyrometry

Pro bezdotykové měření teploty těles se většinou využívá jejich elektromagnetické záření. Pyrometry používané v první polovině minulého století využívaly šest rozdílných principů činnosti. U jasových a barvových pyrometrů bylo čidlem oko pozorovatele. U zbývajících čtyř byl čidlem vhodný detektor (fotoelektrický, termoelektrický, pyroelektrický nebo bolometr). Podle provedení šlo o pyrometry monochromatické, poměrové, pásmové a na celkové záření.

Obr. 1.

Ve druhé polovině minulého století bylo věnováno velké úsilí výzkumu využití infračerveného záření pro vojenské účely. Začaly se používat nově vyvinuté materiály a mnoho fotoelektrických detektorů. V důsledku toho bylo možné modernizovat pásmové pyrometry, u nichž se také uplatnily mikroprocesorové moduly, které se v té době začaly používat v měřicích přístrojích. Několik firem vyvinulo kompaktní pásmové pyrometry, které pak úplně ovládly trh, jak je vidět z přehledu trhu zveřejněného v roce 1999 [8].

Princip pásmových pyrometrů

Pásmový pyrometr využívá určitou část spektra tepelného záření měřeného tělesa, která je podstatně širší, než je přípustné pro monochromatický pyrometr, a je úzká k tomu, aby bylo možné pyrometr považovat za přístroj, který pro měření využívá celkové záření. Mezi pásmové pyrometry lze zařadit většinu vyráběných pyrometrů, které používají fotoelektrické detektory. Jejich výhodou jsou rychlá reakce přístroje a malé rozměry citlivé plochy. Které z provedení pásmového pyrometru je pro určitý případ vhodné, závisí na rozmezí, v němž se pohybuje měřená teplota objektu, na materiálu objektu a vlastnostech jeho povrchu a na atmosféře, jež je mezi měřeným objektem a pyrometrem. Vliv přítomnosti CO2 nebo vodní páry přitom lze omezit vhodnou volbou pásma vlnových délek použitých u přístroje. Pásmo vlnových délek, které pyrometr používá, závisí na typu fotoelektrického článku a na materiálu optiky, např. selenový fotočlánek je vhodný pro viditelné záření a křemíkové diody se používají v rozsahu vlnových délek 0,6 až 1,1 mm. Fotorezistory mají rozsah vlnových délek různý: např. PbS 2 mm, 16 mm apod. Na obr. 1 jsou ukázány propustnosti různých materiálů v závislosti na vlnové délce. Například pyrometry, které mají měřit teploty do 150 °C, mívají optiku z germania.

Obr. 2.

V elektrické části pyrometrů se v současné době používají moduly určené pro elektronické teploměry.

Uspořádání pásmového pyrometru

Pásmové pyrometry se vyskytují ve dvou provedeních, přenosném a stabilním. Přenosné pyrometry bývají kompaktní přístroje. Stabilní pyrometry mají dva samostatné celky: snímací část se upevní u měřeného objektu a vyhodnocovací zařízení se umístí na vhodném místě jinde.

Energie vyzařovaná měřeným objektem prochází optickým systémem pyrometru a dopadá na detektor, který má požadovanou spektrální charakteristiku. Optický systém mívá pevnou ohniskovou vzdálenost (fixfokus). Volbou ohniskové vzdálenosti objektivu se určuje velikost snímané (měřené) plochy, kterou detektor na měřeném objektu „vidí“, a tím se definuje zorné pole přístroje. Zorný úhel má být takový, aby obraz měřeného objektu vyplnil pokud možno celé zorné pole přístroje. Jestliže měřený objekt zorné pole přístroje nevyplňuje, je naměřená teplota průměrem teploty objektu a jeho pozadí. Pro zajištění správné funkce doporučují výrobci přístrojů, aby měřený objekt přesahoval plochu zorného pole nejméně o 50 %. Většina pásmových pyrometrů umožňuje zaměřit přístroj na žádanou oblast měřeného objektu pomocí hledáčku podobně jako u fotoaparátu. Některé pásmové pyrometry mají vestavěné zdroje laserového záření, které usnadní zaměření tím, že na měřeném objektu vizuálně vyznačí snímanou plochu (obr. 2).

Obr. 3.

Fotoelektrický detektor převádí tepelné záření na elektrické napětí, proud nebo odpor. Spektrální citlivost detektoru ve spojení s optikou určí spektrální charakteristiku pyrometru. Výstupní signál je zpracováván v modulu označovaném jako elektronický teploměr (obr. 3). Signál se v A/D převodníku digitalizuje, zpracuje se mikroprocesorem, který podle vloženého programu zajišťuje např. linearizaci, různé korekce a matematické úpravy měřených dat, jejich ukládání do paměti, kompenzaci vnějších vlivů a převody fyzikálních jednotek. Většina pásmových pyrometrů má displej, na kterém je možné číst naměřené hodnoty v požadovaných jednotkách (stupeň Celsia, stupeň Fahrenheita, kelvin). Také bývá možné zobrazit maximální a minimální teplotu v jistém časovém intervalu, vypočtenou průměrnou teplotu, rozdíl teplot apod.

Pásmové pyrometry jsou kalibrovány pro měření teploty absolutně černého tělesa. Pokud se u objektu nevezme v úvahu skutečná emisivita, bude přístroj ukazovat teplotu nižší, než je skutečná teplota měřeného objektu. Naměřené hodnotě se někdy říká „pseudoteplota“ [10] nebo pásmová teplota. Přístroje bývají vybaveny možností korekce emisivity měřeného povrchu. To umožní, aby pyrometr měřil skutečnou teplotu. Jiný problém je určit skutečnou emisivitu měřené plochy. Protože pásmové pyrometry pracují bezdotykově, reagují na změny teploty téměř okamžitě. Umožňují tudíž měřit teplotu pohybujících se objektů nebo objektů, jejichž teplota se rychle mění.

Použití pyrometrů

Způsob použití pyrometrů je určen jejich konstrukcí. U kompaktních přístrojů tvoří optická část s detektorem, elektronikou, indikátorem a napájecími obvody jeden celek. Tyto přístroje jsou určeny pro měření obsluhovatelem. Pyrometrický snímač, který obsahuje optickou část a detektor, se používá k trvalému zamontování. Elektrická část je oddělena a zpravidla zapojena do nadřazeného měřicího anebo řídicího systému.

Výběr vhodného přístroje

Vybrat správný pásmový pyrometr pro konkrétní použití vyžaduje, aby dodavatel znal některé podrobnosti. Například Karen Acklandová navrhuje v [5] dotazník, který je uveden jako tab. 1.

Tab. 1. Základní otázky kladené při výběru pyrometru (podle [8])
Jaké je rozmezí teploty měřeného objektu?
Jak velký je měřený objekt?
Jak blízko měřeného objektu je možné pyrometr instalovat?
Vyplňuje měřený objekt zorné pole pyrometru?
Z jakého materiálu je měřený objekt?
Jak rychle se teplota mění nebo měřený objekt pohybuje?
Mají se měřit diskrétní objekty, nebo spojitý proces?
Jaká je teplota okolí?
Je okolní atmosféra znečištěna (prachem, kouřem, párou)?
Má se pyrometr připojit ke stávajícímu řídicímu systému?
Je zapotřebí protokol o měření pro audit, anebo pro program řízení jakosti?

Vlivy působící při měření pyrometry

Předpokladem správné funkce pásmových pyrometrů je dodržení správné velikosti zaměřovací plošky na tělese, jehož teplota se měří. Velikost této plošky závisí na zaměřovacím úhlu pyrometru, na vlastnostech optické části pyrometru (ohnisková délka, vstupní pupila apod.), na velikosti účinné plochy detektoru a na zaměřovací vzdálenosti. Vztah mezi zaměřovací vzdáleností a rozměrem měřené plochy výrobci většinou uvádějí v podobě grafu. Předepsané rozměry zaměřovací plochy je nutné dodržet.

Pyrometrické snímače bývají zabudovány tak, aby mohly trvale sledovat určitou plochu měřeného povrchu (zářiče). Je třeba zabezpečit, aby teplota tělesa pyrometru nepřekročila meze stanovené výrobcem. Často je nutné těleso chladit. Jeho teplota ovšem musí být vyšší než teplota rosná. To se týká zejména optiky, jejíž orosení by působilo velkou chybu měření.

Horké plyny a plameny jsou selektivními zdroji záření, jejichž teplotu může běžný pyrometr měřit jen stěží. Je vhodné umístit do topeniště na jednom konci uzavřenou žárovou trubici a pyrometr zaměřit na její dno.

Obr. 4.

Hlavní zdroje chyb

Hlavní zdroje chyb při měření teplot pyrometry jsou schematicky znázorněny na obr. 4:

  • měřený objekt 1 může být lesklý, drsný, barevný, černý nebo také průhledný, přičemž tyto vlastnosti se při měření uplatňují rozdílně,

  • za průhledným měřeným objektem se může v některých případech nacházet zdroj rušivého záření 2,

  • u neprůhledného měřeného objektu může být zdrojem rušení odraz záření pocházejícího z rušivého zdroje 3,

  • prostředí 4 mezi měřeným povrchem a pyrometrem má proměnný činitel prostupu.

Další chyby jsou působeny nedodržením zaměřovací vzdálenosti určené výrobcem.

Chyby pyrometru působí znečištěná optika, stárnutí detektoru, odchylka teploty přístroje od jmenovité hodnoty apod. Přístroje je nutné pravidelně kalibrovat.

Měří-li se teplota černého tělesa, pyrometr naměří jeho skutečnou teplotu. U šedého tělesa je naměřená teplota tělesa nižší, než je teplota skutečná.

Ing. Jindřich Běťák,
Česká metrologická společnost, Praha

Názvosloví (vybrané termíny z oboru pyrometrie – podrobně viz [1], [2], [3] a [4])
Činitel odrazu spektrální r (l)
Podíl zářivého (světelného) odraženého toku a zářivého toku dopadajícího, kde l je vlnová délka záření (také reflektance, činitel odrazivosti, odrazivost, spektrální činitel odrazu, spektrální odrazivost).
Činitel pohlcení spektrální a (l)
Podíl zářivého toku pohlceného a toku dopadajícího (absorptance, činitel pohltivosti, pohltivost, spektrální pohltivost).
Činitel prostupu spektrální t (l)
Podíl zářivého toku z tělesa vystupujícího a zářivého toku na těleso za daných podmínek dopadajícího (spektrální činitel prostupu, spektrální propustnost, transmitance, propustnost).
Emisivita e
Poměr vyzařování tepelného zářiče k vyzařování ideálního zářiče (černého tělesa) při téže teplotě.
Teplota chromatičnosti (barvová)
Teplota černého zářiče, jehož záření má tutéž chromatičnost jako uvažované záření. U teploty chromatičnosti se uplatňují vlastnosti oka rozeznávat jednotlivé barvy, tj. teplota tělesa může být určena podle barvy jím vyzářeného světla, jak se jeví lidskému oku: velmi tmavě červená barva odpovídá teplotě 525 °C, tmavě červená (700 °C) přechází v jasně červenou (900 °C), v oranžovou (1 100 °C), v počínající bílý žár (1 300 °C) a v bílý žár 1 500 °C.
Teplota jasová
Teplota černého zářiče, při níž pro danou l má měřené těleso s teplotou T (K) jas stejný, jako má černé těleso s teplotou Tj. V rozsahu platnosti Wienova zákona platí

Rovnice 1. kde c2 je druhá radiační konstanta, c2 = 14,388 mm·K

Teplota pásmová
Tq: používá se tehdy, je-li spektrální oblast vymezená propustností optiky, filtrů a spektrální citlivostí detektoru podstatně širší, než se připouští u jasové teploty (popř. teploty záře), a podstatně užší, než se předpokládá u teploty úhrnného záření.
Teplota spektrálního rozložení
Je taková teplota černého zářiče, při níž je tvar křivky spektrálního rozložení černého tělesa alespoň přibližně stejný jako tvar téže křivky uvažovaného zářiče.
Teplota úhrnného záření
Teplota černého zářiče, při níž má stejnou intenzitu vyzařování jako uvažovaný zářič. Pro šedé těleso s emisivitou e je vztah mezi teplotou úhrnného záření TS a skutečnou teplotou T dán výrazem

Rovnice 2.

Zákon Kirchhoffův
Každé těleso má určitou odraznost a propustnost závislé na l. Součet emisivity (popř. pohltivosti), odraznosti a propustnosti je roven jedné. Podle Kirchhoffova zákona pro záření se emisivita v bodu na povrchu tepelného zářiče při dané teplotě a vlnové délce rovná pohltivosti.
Zákon Lambertův
Zářivost Id rovinného plošného zdroje klesá s kosinem odklonu d od kolmice k jeho ploše: Id = I0 cos d, kde I0 je zářivost v kolmém směru. Zářiče vyzařující podle Lambertova zákona se nazývají zářiče kosinové. Je to především dokonale černé těleso a tělesa, jejichž povrch je drsný.
Zákon Stefanův-Boltzmannův
Intenzita vyzařování černého zářiče při teplotě T je úměrná čtvrté mocnině teploty M = sT4, kde
s = 5,670 32 · 10–8 W·m–2·K–4 je Steffanova-Boltzmannova konstanta.
Zákon Wienův
Zjednodušení Planckova zákona vynecháním čísla 1 v závorce v Planckově vzorci. Zjednodušený vzorec dává výsledek s přesností lepší než 1 %, je-li lT < 0,002 m·K (např. v červeném světle pro T < 3 500 K).
Zákon Wienův posouvací
S rostoucí teplotou klesá vlnová délka lmax, při které je vyzářeno největší množství energie.
Platí: lmaxT = 2,897 779·10–3 m·K.
Zákon Talbotův
Je-li některý bod sítnice drážděn světelným podnětem, jehož intenzita se periodicky mění s kmitočtem větším, než je kmitočet splývání, je počitek stejný jako při neměnném podnětu s intenzitou rovnou střední intenzitě periodického podnětu za dobu jedné periody.
Literatura:

[1] (01 1300) ČSN ISO 31-6 Veličiny a jednotky. Část 6: Světlo a příbuzná elektromagnetická záření. Vydání: listopad 1995.

[2] (33 0050) ČSN IEC 50(845) Mezinárodní elektrotechnický slovník, kap. 845: Osvětlení. Vydání: květen 1996.

[3] ČSN 25 8005 Názvosloví z oboru měření teploty. Schválena 3. 8. 1988.

[4] ČSN 25 8010 Směrnice pro měření teplot v průmyslu. Schválena 15. 7. 1988.

[5] ACKLAND, K: Výběr správného infračerveného teploměru pro konkrétní aplikaci. Automatizace, 1999, roč. 42, č. 4, s. 288–290.

[6] JENČÍK, J.: Bezdotykové měření teploty pyrometry. Automatizace, 1999, roč. 42, č. 4, s. 274–276.

[7] KAFKA, M.: Bezdotykové měření teploty od firmy Hartmann & Braun. Automatizace, 1999, roč. 42, č. 4, s. 291.

[8] KABEŠ, K.: Přehled trhu – infračervené pyrometry. Automatizace, 1999, roč. 42, č. 4, s. 276–287.

[9] LINEVEG, F.: Handbuch der technischen Temperaturmessung (ruský překlad: Izmerenije těmperatur v těchnike – spravočnik). Metalurgija, Moskva, 1980.

[10] LYSENKO, V.: Citlivost pseudoteplot. Jemná mechanika a optika, 2000, roč. 45, č. 3, s. 74–79.

[11] MARTÍNEK, M.: Nová generace levných přenosných pyrometrů Land. Automatizace, 1999, roč. 42, č. 4, s. 292.

Inzerce zpět