Měření záření v průmyslové praxi

Měření záření v průmyslové praxi

Záření se měří nejen v laboratořích, ale i v průmyslové praxi. Jde např. o bezkontaktní měření teplot, detekci pohybu objektů vyzařujících teplo, detekci a analýzu obsahu látek prostřednictvím absorpce záření a mnoho jiných aplikací. Společnou vlastností uvedených metod je přeměna části dopadajícího elektromagnetického spektra na příslušný elektrický signál a jeho další zpracování pro daný účel.

V tomto článku jsou představeny některé metody měření záření a jejich aplikace v praxi.

Elektromagnetické záření

Prostor kolem nás je vyplněn elektromagnetickým zářením, jehož vlnová délka sahá od rádiových vln, přes optické spektrum, které lze registrovat zrakem, až po záření gama. Každý hmotný předmět je zdrojem elektromagnetického záření. Vlnová délka emitovaného záření je dána fyzikální podstatou této emise. Může jít např. o teplotní záření nebo o emisi způsobenou jadernými procesy, elektrickými silami (elektroluminiscence), chemickou reakcí (chemoluminiscence) či jinými interakcemi částic. Je-li v radiačním elektromagnetickém poli umístěn hmotný předmět, část záření je jím absorbována, část propuštěna a část se odrazí.

Věnujme se nyní trochu podrobněji teplotnímu elektromagnetickému záření. Teplotní záření je způsobeno termickým pohybem nabitých částic hmoty. Jak říká Stefanův-Boltzmannův zákon, každé těleso, které má nenulovou absolutní teplotu, září, přičemž hustota zářivého toku je úměrná čtvrté mocnině absolutní teploty. Stefanův-Botzmannův zákon lze odvodit integrací Planckova vyzařovacího zákona. Planckův vyzařovací zákon, tj. zákon spektrálního rozdělení monochromatického vyzařování, stanovuje závislost hustoty zářivého toku absolutně černého tělesa na vlnové délce a teplotě tělesa. Tyto vztahy však platí pouze pro absolutně černé těleso. Reálné tepelné zářiče mají spektrální hustotu zářivého toku v závislosti na vlnové délce značně proměnnou, a to obvykle s několika lokálními extrémy.

Podíl hustoty zářivého toku reálného zářiče a absolutně černého tělesa se nazývá emisivita (). Emisivitu 1,0 tedy má absolutně černé těleso, zrcadlová plocha má emisivitu přibližně 0,1. Emisivita závisí na vlnové délce, teplotě a stavu povrchu měřeného tělesa. Přesnost stanovení emisivity je při bezdotykovém radiačním měření teploty těles jedním z významných faktorů ovlivňujících přesnost měření. Problém stanovení emisivity odpadá pouze v případech, kdy se zjišťuje např. teplotní rozdíl (detektory pohybu), nebo při porovnávacím měření proti referenčnímu zdroji při zjišťování obsahu určitých látek v plynech.

Systém pro měření záření

Základem systému pro měření záření je senzor. Záření je na něj přiváděno prostřednictvím optické soustavy, obsahující čočky nebo zrcadla a popř. spektrální filtry vymezující analyzované vlnové pásmo. Dále bývá do optické cesty zařazena rotující nebo kmitající clona, modulující záření dopadající na senzor.

Typ senzoru je dán požadavky měření – může jít o měření úhrnné (radiační), pásmové nebo monochromatické. Podle toho je třeba vybrat senzor se správnou spektrální citlivostí. Dále probereme některé z široké řady detektorů záření používaných v praxi.

Polovodičové čipy
Při dopadu záření na polovodičový čip s hradlovým přechodem v závěrném směru vzniká elektrický signál úměrný dopadajícímu zářivému toku. Jde o obdobu fotovoltaických diod nebo fototranzistorů z materiálů InSb nebo InAs. Maximum citlivosti těchto prvků leží v intervalu 700 až 1 000 nm.

Keramické látky TGS a DTGS
V pyroelektrickém krystalu udržovaném pod kritickou Curieovou teplotou způsobí dopad záření změny krystalové mřížky. Jejich důsledkem jsou silná elektrická pole na povrchu krystalu. Ta lze použít k detekci dopadajícího záření. V praxi se pro měření teplot používají triglycin sulfát (TGS), deuterovaný triglycin sulfát (DTGS), popř. lithium niobáty (LiNbO3). Tyto senzory je nutné modulovat, protože elektrické pole se vytváří pouze při změně dopadajícího záření. Jejich běžná spektrální citlivost se pohybuje v oblasti 0,1 až 20 µm. V této souvislosti je třeba připomenout, že při měření v běžné atmosféře je nutné respektovat omezení vyplývající z její propustnosti.

Termočlánky
Termoelektrické články při dopadu záření produkují termoelektrické napětí. Často se spojují do sériově paralelních kombinací a používají se v maticovém uspořádání.

Příklad zpracování signálu

Energie záření dopadajícího na senzor je většinou velmi malá. Vstup zesilovače detektoru pracuje s velkými vstupními impedancemi a obzvláště malými vstupními proudy, řádově až deset na minus třináctou ampérů. Zpracování takových signálů je náročné, stejně jako odstínění elektromagnetického rušení. Obvykle se používají speciální obvody, které jsou již zabudovány do pouzdra senzoru.

U detektorů modulovaných clonou se výstupní signál zesiluje v pásmovém zesilovači. Pásmo odpovídá frekvenci modulace. Následuje převodník na stejnosměrný signál. Tento signál je poté linearizován a přiveden do operačního zesilovače s kompenzačním vstupem. Kompenzuje se vliv teploty okolí, která se měří kontaktně v blízkosti detektoru. Kompenzace je někdy už součástí převodníku. Výsledný, korigovaný signál je dále již klasicky zpracováván.

Detektory se srovnávací metodou měření

U srovnávacích pyrometrů se porovnává vzorek záření měřeného tělesa, kolimovaného optickou soustavou, která má optický filtr pro dané pásmo záření zdroje, se vzorkem záření z referenčního zdroje. Záření z referenčního zdroje s matovým černým povrchem se na senzor odráží pomocí zrcadla. Teplota referenčního zdroje musí být s vysokou přesností regulována a měřena kontaktní sondou. Opticko-mechanická soustava bezdotykových poměrových měřidel teploty bývá poměrně jednoduchá. Vlnovou délku měřeného záření vymezuje materiál optiky (včetně filtrů) a druh detektoru.

Základní problém uvedeného typu přístroje je udržování konstantního záření referenčního zdroje. Některé vlivy lze omezit použitím korekčních a srovnávacích metod. V některých aplikacích je používán teplotně samostabilizující materiál na bázi např. PbTiO₃ nebo SnTiO₃.

Tento systém lze použít nejen pro měření teploty, ale také pro měření obsahu konkrétní látky ve směsi plynů. Zdrojem záření je výbojka se zářením o vlnové délce, která odpovídá pohltivosti hledané látky. Záření prochází pásmovým filtrem a dvěma kyvetami, z nichž jedna je naplněna vzorkem o referenčním složení a druhá je plněna zkoumanou látkou. Množství hledané příměsi je funkcí poklesu kvanta záření procházejícího druhou kyvetou na dané vlnové délce. Clona zajišťuje periodické snímání obou vzorků záření.

Detekce pohybu osob

Co se týče detektorů pohybu osob pracujících na principu snímání infračerveného záření, většinou se používají pyroelektrické detektory. V detektorech pohybu nejsou třeba pohyblivé clony, ale k přerušování paprsku záření jsou určeny plastové lamelově uspořádané čočky, které současně fungují i jako pásmový filtr. U dražších provedení těchto přístrojů jsou použita parabolická lamelová zrcadla. Vzniklé impulsy se následně filtrují a statisticky třídí. Velmi často se používá časová selekce náhodných impulsů: první impuls v řadě nastartuje časový interval, v kterém se kontroluje četnost a perioda impulsů, a výsledkem statistického vyhodnocení se řídí aktivace poplachu.

Měření teploty při indukčním kalení

Regulovat výkon agregátu při kalení středofrekvenčním ohřevem v indukční smyčce je obtížné. Při stejném nastaveném výkonu kalicího agregátu se dosahuje různých teplot v závislosti na struktuře materiálu kalené součásti a obsahu uhlíku. Radiační pyrometr zaměřený do oblasti kalení a následná automatická regulace výkonu s prodlevami na karuselovém nebo řetězovém zásobníku je velmi vhodným řešením odstranění kolísání výsledné tvrdosti zakalené vrstvy.

Měření teploty v pecích

V pecích je třeba měřit vysoké teploty, aby bylo možné zjišťovat stav jednotlivých vsádek a současně kontrolovat teplotu klenby, popř. plamene hořáků pro optimalizaci provozu pece. Pyrometr, zaměřený na vsádkový materiál, měří úhrnnou intenzitu vyzařování H_i, tj. intenzitu vyzařování vsádky H_m, intenzitu vyzařování odraženého ze stěn pece Hp a intenzitu vyzařování pecní atmosféry H_a. Protože určit emisivitu vnitřní atmosféry v peci je v praxi neřešitelné, používá se měření na dvou pásmech: jedno spektrální pásmo je v oblasti, kde se emisivita spalin blíží nule. Protože emisivita vyzdívky pece jen málo ovlivňuje měření, lze říci, že do jisté míry představuje jednoduché černé těleso, jehož emisivita se blíží jedné. Po příslušných matematických úpravách lze dojít ke vztahu:

kde H_m je intenzita vyzařování vsádky, H_i celková intenzita vyzařování, H_p intenzita vyzařování vyzdívky, e_m emisivita vsádky.

Systém pracuje tak, že jeden senzor měří teplotu vsádky, druhý teplotu pozadí. Zmíněný princip používají jednotliví výrobci s různými obměnami (měření záření klenby pece, měření záření vnitřku speciálního pouzdra umístěného v peci atd.).

Závěr

V průběhu vývoje metod měření záření se objevilo množství modifikací základních principů. Součástí moderních měřicích přístrojů jsou soustavy měřící na několika vlnových délkách pro náhradní stanovení emisivity, složité skenovací clony, uspořádané nad maticově seřazenými čipy detektorů, a rychlé záznamy do přechodových pamětí. Analytické softwarové vybavení počítá prostorová teplotní pole zářících objektů včetně potřebných korekcí. Bloky moderních infradetekčních systémů dokážou odhalit živého tvora v pozorovaném objektu vzdáleném několik kilometrů nebo pohyb ponořené ponorky ze stacionárního satelitu.

Základem některých metod měření záření jsou principy objevené a patentované českými vědci v 80. a 90. letech dvacátého století. Mnoho světových výrobců je nyní volně používá a prodává bez jakýchkoliv vazeb na jejich české původce.