Pirometr optyczny: zasada działania i błąd emisyjności

W protokole kontroli pieca od japońskiego dostawcy przyrząd figuruje jako hikari koonkei (光高温計, pirometr optyczny), a odczyt jako kido ondo (輝度温度, temperatura jasnościowa), na przykład „1000 °C”. Karta procesu wymaga temperatury rzeczywistej stali, a Wasz ręczny pirometr na podczerwień pokazuje coś innego. Oba przyrządy mogą działać poprawnie.

Temperatura jasnościowa nie jest rzeczywistą temperaturą powierzchni. To temperatura, jaką musiałoby mieć ciało doskonale czarne, żeby przy długości fali przyrządu wyglądać tak samo jasno. Dla powierzchni o emisyjności poniżej 1 odczyt jest niższy od temperatury rzeczywistej, o ile można pominąć promieniowanie odbite.

Ten poradnik wyjaśnia, jak działa pirometr optyczny z zanikającym włóknem, czym różni się od pirometrów na podczerwień i dwubarwnych (stosunkowych) oraz jak emisyjność, wzierniki, dym i odbicia przesuwają odczyt. Pod koniec znajdziecie listę kontrolną i wzór e-maila do strony japońskiej.

Spis treści

1. Czym jest pirometr optyczny?
2. Jak działa pirometr z zanikającym włóknem
3. Temperatura jasnościowa a temperatura rzeczywista
4. Zalety i ograniczenia pirometrów optycznych
5. Wzorcowanie i spójność pomiarowa
6. Gdy odczyty się różnią: szukanie przyczyny
7. Lista kontrolna i pytania do strony japońskiej
8. Ograniczenia tego poradnika
9. FAQ
10. Źródła

Czym jest pirometr optyczny?

Pirometr optyczny wyznacza temperaturę gorącego obiektu na podstawie emitowanego przez niego promieniowania cieplnego, bez dotykania go. To jeden z rodzajów termometrów radiacyjnych (hosha ondokei, 放射温度計). Klasyczna wersja wizualna to pirometr z zanikającym włóknem (senjo shoshitsu-gata, 線条消失形), w którym detektorem porównawczym jest oko operatora.

Operator nakłada obraz obiektu na włókno lampy wewnątrz przyrządu i reguluje prąd lampy, aż oba wyglądają tak samo jasno w wąskim paśmie czerwieni. Przyrząd przelicza wtedy ten prąd na temperaturę. Włókno to po prostu cienki drucik w lampie, który żarzy się pod wpływem prądu.

Inne termometry radiacyjne, na przykład przyrządy na podczerwień z detektorami elektronicznymi, również wykorzystują promieniowanie obiektu. Różnią się zakresem mierzonych długości fal, sposobem detekcji i tym, jak powstaje wskazanie.

Gdzie się go stosuje: gorące, rozżarzone obiekty

Wizualny pirometr optyczny wymaga obiektu na tyle gorącego, by jasno świecił w świetle widzialnym. Typowe cele to ciekły metal, materiał w piecu oraz rozgrzany drut lub pręt, czyli wszędzie tam, gdzie macie bezpośrednią linię widzenia do obiektu.

Przykładowo pirometr IR-URN firmy CHINO Corporation, z zanikającym włóknem i wyświetlaczem cyfrowym, mierzy przy 0,65 µm i obejmuje 700–3500 °C w trzech przełączanych zakresach. Te liczby dotyczą tego modelu i nie opisują zakresu każdego pirometru optycznego.

Przyrząd może odczytywać tak wysokie temperatury, ponieważ odbiera tylko światło z obiektu, a sam nie musi osiągać takiej temperatury. Ma jednak własny zakres temperatur otoczenia, a wysoki zakres pomiarowy nie oznacza, że można go ustawić przed otworem pieca i wystawiać na ciepło promieniowania.

Przenośne modele zasilane bateryjnie pozwalają przechodzić między punktami pomiarowymi na hali. Przy takim użyciu wybierajcie miejsca, w których można powtórzyć tę samą odległość i kierunek obserwacji, aby dzisiejszy odczyt dało się porównać z poprzednim.

W przypadku stali o jakości decyduje nie tylko temperatura nagrzewania, lecz także czas wytrzymania i sposób chłodzenia. Przy obróbce cieplnej, takiej jak hartowanie i odpuszczanie, pojedynczy odczyt z powierzchni traktujcie osobno od kontroli całości parametrów procesu.

Pirometr optyczny, na podczerwień i dwubarwny

Typowy termometr radiacyjny z detektorem elektronicznym, na przykład ręczny pirometr na podczerwień, przetwarza sygnał detektora i wyświetla temperaturę. W wizualnym pirometrze z zanikającym włóknem człowiek celuje w obiekt, reguluje prąd lampy i ocenia, kiedy jasności są równe.

Wyświetlacz cyfrowy tego nie zmienia. Jeśli dopasowanie jasności nadal odbywa się „na oko”, ocena człowieka pozostaje w procesie, więc „odczyt cyfrowy” i „automatyczna detekcja” to dwie różne cechy.

Pirometr dwubarwny (nishoku ondokei, 二色温度計), zwany też stosunkowym, korzysta ze stosunku promieniowania zmierzonego w dwóch pasmach długości fali. Porównywanie włókna z obiektem to nie „pomiar dwóch kolorów”, więc pirometru z zanikającym włóknem nie należy traktować jak przyrządu dwubarwnego. Rysunek 1 zestawia główne metody.

Rysunek 1: Metody stykowe, wizualne i elektroniczne dochodzą do temperatury różnymi drogami

Pomiar bezdotykowy to nie jedna metoda detekcji. „Pirometr optyczny” oznacza tu wizualny typ z zanikającym włóknem.

Metoda	Co odbiera	Jak dochodzi do temperatury	Główne warunki do sprawdzenia
Termometr stykowy	Ciepło przewodzone z obiektu do elementu pomiarowego	Przelicza napięcie termoelektryczne, rezystancję itp. na temperaturę	Wprowadzenie, kontakt cieplny, osłona, okablowanie
Wizualny pirometr optyczny	Promieniowanie widzialne z obiektu	Dopasowuje jasność do włókna i odczytuje temperaturę ze wzorcowanego prądu	Celowanie, ostrość, ocena dopasowania, emisyjność
Elektroniczny termometr radiacyjny (np. na podczerwień)	Promieniowanie w paśmie podanym w specyfikacji	Przetwarza sygnał detektora i wyświetla lub wysyła wynik	Pole widzenia, wielkość obiektu, emisyjność, tor optyczny
Termometr dwubarwny (stosunkowy)	Promieniowanie w dwóch pasmach długości fali	Oblicza z stosunku dwóch sygnałów	Stosunek emisyjności przy obu długościach fali, transmisja toru

Przyrządy dwubarwne również wymagają sprawdzenia emisyjności i toru optycznego. Użycie dwóch długości fali nie usuwa błędu dla każdego obiektu.

Producent pirometrów KELLER wyjaśnia, gdzie przyrządy stosunkowe pomagają, a gdzie nie:

• Gdzie pomagają: pył, dym lub zabrudzone okno, które osłabiają wszystkie długości fali jednakowo, nie zmieniają stosunku, a więc i odczyt pozostaje stabilny.
• Założenie: odczyt równa się temperaturze rzeczywistej tylko wtedy, gdy emisyjność jest taka sama przy obu długościach fali. KELLER zaznacza, że w praktyce rzadko tak jest.
• Gdzie mogą wypaść gorzej: jeśli emisyjność różni się między dwiema długościami fali i fluktuuje, błąd może przekroczyć błąd pirometru jednopasmowego, zwłaszcza na metalach nieżelaznych.

Jak działa pirometr z zanikającym włóknem

Aby zrozumieć zasadę działania, rozdzielcie dwa źródła światła: światło z obiektu i światło wytwarzane przez sam przyrząd. Pirometr nie zamienia temperatury obiektu bezpośrednio na prąd. Zamiast tego operator reguluje prąd w lampie porównawczej.

Obiektyw tworzy obraz obiektu w tej samej płaszczyźnie co włókno lampy. Patrząc przez filtr i okular, operator porównuje dwie jasności w jednym polu widzenia.

Filtr czerwony zawęża porównanie do wąskiego pasma czerwieni. To porównanie jasności w ustalonym paśmie, a nie ocena, czy ogólna barwa wygląda podobnie, wiąże odczyt z temperaturą.

Rzeczywiste przyrządy zawierają też filtry osłabiające światło, służące do przełączania zakresów. Rysunek 2 pokazuje tylko zależność między obrazem a porównaniem; rzeczywiste filtry i ich położenie sprawdzajcie w układzie optycznym danego przyrządu.

Rysunek 2: Obraz obiektu jest ogniskowany w płaszczyźnie włókna i porównywany w paśmie czerwieni

Dwa reprezentatywne promienie biegną od górnego punktu obiektu do płaszczyzny włókna. Niebieska linia przerywana pokazuje tylko stronę okularu; to nie jest ślad promieni.

Samo włókno świeci i jest widoczne razem z obrazem obiektu. Wybór pasma czerwieni i osłabienie światła to funkcje pomiarowe układu optycznego; rysunek nie oznacza, że filtr zastępuje ochronę oczu.

Włókno ciemne, zanikające i jasne

Gdy prąd włókna jest niski i włókno jest ciemniejsze od obiektu, widać ciemną kreskę na jasnym tle. Wraz ze wzrostem prądu włókno jaśnieje, a kontrast z tłem maleje.

Jeśli prąd jest zbyt wysoki, włókno staje się jaśniejsze od obiektu i widać jasną kreskę. Wtedy zmniejszcie prąd i szukajcie punktu zrównania między ustawieniem „ciemnym” a „jasnym”.

Gdy obiekt i włókno są równie jasne, krawędź włókna na tle obiektu trudno dostrzec. To właśnie „zanikające włókno”. Lampa nadal świeci i nic fizycznie nie znika.

Ustawcie okular i ostrość na obiekcie tak, aby porównanie było łatwe. Przy rozmytym obrazie albo gdy włókno leży na krawędzi obiektu, samo dopasowanie staje się niepewne. Rysunek 3 pokazuje trzy obrazy.

Rysunek 3: Włókno „znika”, gdy jego jasność zrówna się z tłem

Jasność obiektu jest stała. Zakrzywiona linia w każdym polu widzenia to to samo włókno.

Kolory i grubości linii są poglądowe. Na środkowym obrazie lampa nadal świeci; włókno po prostu zlewa się z tłem.

Dlaczego prąd lampy można przeliczyć na temperaturę

Zwiększenie prądu zmienia temperaturę włókna i jego promieniowanie, ale samo to nie mówi, jaka jest temperatura obiektu. Przyrząd potrzebuje wzorcowania, które wiąże prąd zrównania z temperaturą jasnościową.

Przy wzorcowaniu laboratorium używa lampy wzorcowej lub ciała doskonale czarnego o znanej temperaturze jasnościowej i szuka prądu, przy którym włókno przyrządu się z nią zrównuje. Skala lub wewnętrzne przeliczenie przyrządu wykorzystuje tę zależność do odczytu temperatury.

Jeśli zmieni się lampa lub elementy optyczne, ten sam prąd może wyglądać inaczej. W utrzymaniu ruchu rozdzielajcie dwa sprawdzenia: „włókno się zapala” i „wskazanie zgadza się z wzorcem”.

Lampa, z którą porównuje się obiekt podczas pomiaru, i lampa wzorcowa używana przy wzorcowaniu pełnią różne role. Wzorcowanie wiąże wskazanie temperatury z prądu lampy porównawczej z lampą wzorcową lub ciałem doskonale czarnym.

0,65 µm to nie maksimum promieniowania cieplnego

W miarę nagrzewania ciała jego promieniowanie cieplne w zakresie widzialnym rośnie, aż zaczyna świecić na czerwono. Maksimum widma ciała doskonale czarnego przesuwa się ku krótszym falom wraz ze wzrostem temperatury, ale ciało, które dopiero zaczęło świecić, nie emituje najsilniej w zakresie widzialnym.

Prawo przesunięć Wiena podaje przybliżone położenie maksimum widmowej luminancji energetycznej ciała doskonale czarnego w przeliczeniu na jednostkę długości fali. Dla długości fali w µm i temperatury termodynamicznej w K stała wynosi około 2898 µm·K.

Dla ciała doskonale czarnego o temperaturze 700 °C maksimum wypada przy około 2,98 µm, głęboko w podczerwieni. Pirometr może mimo to porównywać jasność w zakresie widzialnym, dlatego długość fali maksimum i długość fali pomiarowej przyrządu traktujcie jako dwie osobne rzeczy.

Podobnie 650 nm (0,65 µm) nie oznacza, że filtr przesuwa się ku maksimum wraz ze zmianą temperatury. Przykładowy model używa pasma czerwieni przy 0,65 µm, ale długość fali efektywna zależy od filtra, czułości oka i innych czynników. Rysunek 4 umieszcza te wartości na jednej osi.

Rysunek 4: Czerwone pasmo pomiarowe a maksimum promieniowania ciała doskonale czarnego

Oś długości fali jest liniowa. Punkty oznaczają obliczone położenia maksimum, a nie natężenie promieniowania.

Szerokość czerwonego pasma jest poglądowa i nie odpowiada rzeczywistemu pasmu przepuszczania żadnego modelu. Porównanie maksimów nie uwzględnia zmian rozkładu widmowego wynikających z emisyjności.

Temperatura jasnościowa a temperatura rzeczywista

Temperatura jasnościowa (kido ondo) to temperatura ciała doskonale czarnego, które przy danej długości fali wyglądałoby dokładnie tak jasno jak obiekt. Ciało doskonale czarne to wyidealizowany obiekt pochłaniający całe padające promieniowanie; służy jako punkt odniesienia do porównywania promieniowania cieplnego rzeczywistych ciał o tej samej temperaturze.

Obiekt o emisyjności (hosharitsu, 放射率) poniżej 1 emituje mniej promieniowania niż ciało doskonale czarne o tej samej temperaturze. Jeśli można pominąć odbicia z otoczenia, temperatura jasnościowa odczytana względem ciała doskonale czarnego jest niższa od temperatury rzeczywistej.

Jeśli stosujecie korekcję emisyjności, użyjcie wartości pasującej do długości fali pomiaru i stanu powierzchni. Nie ustalajcie jej wyłącznie po nazwie materiału; sprawdźcie, jak zmieniają ją zgorzelina, chropowatość, temperatura i kąt obserwacji.

Przykład obliczeniowy: jak bardzo emisyjność przesuwa odczyt

W przybliżeniu Wiena temperaturę jasnościową i rzeczywistą wiąże zależność, którą w materiałach kursowych IIT Madras nazwano idealnym równaniem pirometru, pokazana niżej. Liczby są fikcyjne i ilustrują tylko rząd wielkości efektu.

Długość fali ma znaczenie: wstawcie to samo ε = 0,80 do równania dla hipotetycznego przyrządu 1,6 µm, a temperatura rzeczywista przy odczycie 1000 °C wyniesie około 1042 °C. Krótsza fala sprawia, że odczyt jest mniej wrażliwy na błąd emisyjności. KELLER podobnie zaleca pirometry krótkofalowe do metali.

To także jeden z powodów, dla których pirometr na podczerwień i pirometr optyczny mogą się różnić na tej samej powierzchni, nawet gdy oba są wzorcowane. Zanim zaczniecie podejrzewać usterkę, porównajcie ich długości fali i ustawienia emisyjności.

Odczyt z powierzchni a temperatura wewnątrz

Na nieprzezroczystej stali pirometr optyczny odbiera promieniowanie głównie z widocznej powierzchni. Nie odczyta bezpośrednio temperatury rdzenia grubego wyrobu ani temperatury za ścianą.

Podczas nagrzewania powierzchnia nagrzewa się pierwsza, a ciepło potrzebuje czasu, by dotrzeć do rdzenia. Odczyt z powierzchni, który osiągnął wartość zadaną, nie oznacza, że wyrób jest jednorodny na wskroś.

Termometry stykowe mają ten sam problem: umieszczone w złym miejscu nie pokażą potrzebnej temperatury. Przy pomiarze temperatury płynów głębokość zanurzenia osłony termometrycznej i odpowiedź czujnika stawiają to samo pytanie, skąd czujnik faktycznie pobiera ciepło.

W materiałach przepuszczających światło, takich jak szkło, może się domieszać promieniowanie z wnętrza lub z tyłu obiektu. Nie zakładajcie, że pirometr mierzy tylko powierzchnię każdego materiału; sprawdźcie, czy obiekt jest nieprzezroczysty przy długości fali pomiaru.

To samo dotyczy izolowanych rurociągów: temperatura zewnętrznego płaszcza to nie temperatura płynu w środku. Mając na uwadze związek grubości izolacji, strat ciepła i temperatury powierzchni, sprawdźcie, czy mierzona powierzchnia odpowiada temperaturze, którą chcecie kontrolować.

Odbicia, wzierniki, dym i wielkość obiektu

Gdy promieniowanie ściany pieca odbija się od błyszczącego metalu do przyrządu, do światła emitowanego przez obiekt dodaje się składnik odbity. W takim przypadku nie można po prostu zakładać, że niska emisyjność zawsze daje niski odczyt. Rysunek 5 rozdziela te drogi.

Rysunek 5: Światło docierające do przyrządu zależy nie tylko od temperatury obiektu

Rozdzielcie własne promieniowanie obiektu, odbicia od tła oraz wziernik i dym po drodze. Obie drogi są dla czytelności przesunięte.

Strzałki tylko rozróżniają drogi; nie pokazują ilości promieniowania ani kątów odbicia w skali. Wpływ wziernika, dymu i tła na odczyt zależy od ich pochłaniania, emisji i natężenia.

Każdy element toru wymaga osobnego sprawdzenia:

• Wziernik (okno obserwacyjne): liczy się, ile światła okno przepuszcza przy długości fali pomiaru. Okno wyglądające na przezroczyste dla oka nie oznacza, że jego wpływ na odczyt można pominąć. KELLER opisuje kompensację znanej straty na oknie przez ustawienie emisyjności (ustawienie przyrządu = emisyjność obiektu × transmisyjność toru).
• Brud, zaparowanie i osady: w miarę narastania zmienia się światło docierające z obiektu i odczyt się przesuwa. KELLER zaznacza, że osady na obiektywie obniżają odczyt. Zapisujcie stan okna i tor obserwacji, aby odróżnić to od rzeczywistej zmiany temperatury.
• Odbicie od tła: o ile to możliwe, celujcie w miejsce, do którego nie dociera promieniowanie ściany pieca.
• Małe obiekty: optyka metody wizualnej może tu pomóc, ale sprawdźcie, czy obszar obiektu pod włóknem jest wyraźnie widoczny i czy powiększenie oraz ogniskowa przyrządu są odpowiednie.
• Przyrządy elektroniczne: obiekt musi wypełniać podane w specyfikacji pole pomiarowe. Nie utożsamiajcie plamki lasera celowniczego z obszarem pomiaru; porównajcie wielkość obiektu z zależnością odległości do plamki z karty katalogowej.

Zalety i ograniczenia pirometrów optycznych

Główna zaleta to możliwość uzyskania temperatury z promieniowania gorącej części bez umieszczania na niej czujnika. Unikacie wpływu kontaktu na obiekt i nie wystawiacie czujnika na samą wysoką temperaturę.

W czujnikach stykowych trwałość zależy od typu czujnika, osłony, atmosfery i warunków pracy ciągłej. Nie można wybierać według ogólnych limitów w rodzaju „wszystkie termopary pracują do 2000 °C” albo „wszystkie czujniki rezystancyjne do 700 °C”.

Temperatura mieszcząca się w zakresie pirometru optycznego nie czyni go lepszym wyborem niż czujnik stykowy. Wybierajcie według potrzebnego punktu pomiaru i sposobu wykorzystania wyniku.

Pomiary kontrolne a ciągły monitoring

Porównanie wizualne nadaje się do pomiarów, w których człowiek celuje i ocenia zrównanie. Jeśli trzeba rejestrować szybko zmieniające się temperatury w sposób ciągły i podawać je do automatycznej regulacji, rozważcie przyrząd elektroniczny albo inny typ z potrzebnym wyjściem.

W regulacji PID nie można dobierać przyrządu wyłącznie według temperatury maksymalnej. Czas odpowiedzi, częstotliwość odświeżania, wyjście i utrzymanie ruchu w razie zabrudzenia toru optycznego muszą odpowiadać potrzebom pętli regulacji.

Drobna rozdzielczość wyświetlacza nie oznacza, że temperatura rzeczywista jest mierzona równie dokładnie. To samo dotyczy przyrządów stykowych, takich jak termometry kwarcowe: nie oceniajcie jakości pomiaru wyłącznie po liczbie cyfr.

Przy porównywaniu kilku termometrów najpierw sprawdźcie, czy mierzą to samo miejsce w tych samych warunkach. Czujnik dwuelementowy daje dwa kanały pomiarowe, ale nie będzie automatycznie zgodny z odczytem bezdotykowym wykonanym na innej powierzchni.

Wzorcowanie i spójność pomiarowa

Wzorcowanie wyznacza różnicę między przyrządem a wzorcem. Nawet wzorcowany przyrząd może dawać inne odczyty w zakładzie, jeśli zmieni się punkt pomiaru, emisyjność albo wziernik.

Kilka punktów ułatwia czytanie japońskich dokumentów wzorcowania pirometru:

• ITS-90 (MST-90): powyżej temperatury krzepnięcia srebra (961,78 °C) Międzynarodowa Skala Temperatury z 1990 r. definiuje temperaturę przez prawo promieniowania Plancka, odniesione do temperatury krzepnięcia srebra, złota (1064,18 °C) lub miedzi (1084,62 °C). Powyżej tego punktu sama skala jest realizowana za pomocą termometrów radiacyjnych.
• JCSS: japoński system akredytowanych wzorcowań (Japan Calibration Service System) obejmuje termometry radiacyjne. Jeśli potrzebujecie uznawalności międzynarodowej, zapytajcie, czy wzorcowanie jest wykonane w systemie JCSS i czy świadectwo ma znak ilac-MRA.
• ITS-90 czy temperatura termodynamiczna: w styczniu 2020 r. NITE poinformował laboratoria JCSS, że NMIJ (japoński krajowy instytut metrologiczny) zmienił wzorce termometrów radiacyjnych w zakresie od 960 °C do 2800 °C na wartości oparte na temperaturze termodynamicznej, a nie na ITS-90. Laboratoria poproszono o podawanie na świadectwie, której podstawy dotyczy każda wartość, więc sprawdźcie ten wiersz.
• Zakres wzorcowania: nie zakładajcie, że błąd w punktach wzorcowania utrzymuje się poza nimi. Porównajcie punkty ze świadectwa ze swoim zakresem roboczym.
• Strona polska: w Polsce wzorcowania wykonują m.in. laboratoria akredytowane przez PCA według PN-EN ISO/IEC 17025, a krajowym instytutem metrologicznym jest GUM. Jeśli japońskie świadectwo ma trafić do Waszego systemu jakości, ustalcie z klientem i audytorem, czy akceptują JCSS ze znakiem ilac-MRA, czy wymagają wzorcowania w laboratorium akredytowanym lokalnie. Zakres akredytacji (temperatury, typ przyrządu) sprawdzajcie w dokumencie akredytacji danego laboratorium.

Japońskie karty katalogowe termometrów radiacyjnych mogą powoływać się na JIS C 1612:2023, japońską normę o metodach badania właściwości termometrów radiacyjnych. Po stronie amerykańskiej i międzynarodowej spotkacie ASTM E1256 (metody badania termometrów radiacyjnych jednopasmowych) i IEC TS 62492-1 (dane techniczne, które karta katalogowa powinna podawać). Nie sprawdziliśmy, czy dla tych dokumentów istnieją polskie odpowiedniki PN, więc nie zakładajcie ich z góry.

Jeśli dane o parametrach są istotne dla odbioru, zapytajcie dostawcę, według jakiej normy i w jakich warunkach badał przyrząd.

Przy wysyłaniu przyrządu do wzorcowania podajcie zakres temperatur i ustawienia zakresów, których używacie, i sprawdźcie błąd wskazania w tych warunkach. Błąd względem wzorca zapisujcie osobno od źródeł błędu na hali.

Gdy odczyty się różnią: szukanie przyczyny

Jeśli dwa przyrządy pokazują co innego albo dzisiejszy odczyt różni się od zeszłotygodniowego, uporządkujcie przyczyny według punktu pomiaru, toru optycznego i sposobu odczytu. Różnice temperatur i różnice warunków zapisujcie osobno, a przed zmianą jakiegokolwiek ustawienia wyrównajcie warunki porównania. Rysunek 6 pokazuje cztery obszary.

Rysunek 6: Przyczynę rozdzielajcie według punktu pomiaru, toru optycznego i odczytu

Różnice temperatur i różnice warunków pomiaru trzymajcie osobno. Przed zmianą ustawienia wyrównajcie warunki porównania.

Punkt pomiaruKtóra powierzchnia i które miejsce wyrobu? Przed porównaniem z czujnikiem stykowym uwzględnijcie różnicę między temperaturą powierzchni a wnętrza.

Powierzchnia obiektuCzy zmieniła się zgorzelina, osady lub chropowatość? Stosujcie emisyjność odpowiadającą długości fali pomiaru i stanowi powierzchni.

Tor optycznyCzy zmienił się brud na wzierniku, dym lub odbicie od tła? Porównajcie tor i korekcję z poprzednim zapisem.

Przyrząd i odczytSprawdźcie zakres, ostrość, stan włókna i ocenę dopasowania. Różnicę względem wzorca oceniajcie przez wzorcowanie.

Zmienianie emisyjności tylko po to, by zamknąć rozbieżność, ukrywa prawdziwą przyczynę. Używajcie wartości odpowiadających obiektowi i warunkom odniesienia.

Prowadźcie zapisy, które pozwalają powtórzyć pomiar:

• Gdzie i jak celowano: numer przyrządu, odczyt, położenie obiektu i kierunek obserwacji, w tym który otwór pieca był użyty i w którą część materiału celowano.
• Ustawienia: zakres, ustawienie emisyjności, stan wziernika lub filtrów.
• Zmiany w czasie: kiedy czyszczono okno i jak zmieniała się powierzchnia obiektu, aby odróżnić to od zmian warunków pracy.
• Rozrzut: jeśli pojedynczego dopasowania wizualnego trudno ocenić, upewnijcie się, że obiekt jest stabilny, i sprawdźcie rozrzut powtórzonych odczytów. Rozdzielcie wahania obiektu od zmienności celowania i dopasowania.
• Spójność operatorów: gdy operatorzy zmieniają się na zmianach, ujednolicie sposób ustawiania ostrości i miejsce porównania. Nie zapisujcie odczytu samego najjaśniejszego miejsca jako tego samego punktu co odczyt wykonany gdzie indziej.

Lista kontrolna i pytania do strony japońskiej

Skorzystajcie z tej listy, gdy japońska specyfikacja, protokół kontroli lub instrukcja pieca podaje odczyt pirometru optycznego:

• Typ przyrządu: wizualny z zanikającym włóknem, jednopasmowy na podczerwień czy dwubarwny
• Długość fali pomiarowa (efektywna), na przykład 0,65 µm
• Czy zapisana wartość to temperatura jasnościowa (kido ondo), czy temperatura po korekcji emisyjności
• Użyte ustawienie emisyjności i sposób jego doboru (stan powierzchni, długość fali)
• Wziernik: materiał, stan i czy skorygowano jego transmisyjność
• Punkt pomiaru: która powierzchnia, miejsce i otwór pieca oraz kierunek obserwacji
• Możliwe odbicia od ścian pieca lub grzałek w tym miejscu
• Dym, para lub pył na torze obserwacji
• Świadectwo wzorcowania: JCSS czy nie, punkty wzorcowania a Wasz zakres roboczy, znak ilac-MRA, jeśli potrzebny
• Czy wartości na świadectwie są podane w ITS-90, czy w temperaturze termodynamicznej (zakres 960–2800 °C objęty komunikatem NITE)
• Czy Wasza specyfikacja procesu wymaga temperatury powierzchni, wnętrza czy pieca

Jeśli czegoś brakuje, zwykle wystarczy krótki e-mail. Poniższy wzór jest po angielsku, bo w takim języku zwykle koresponduje się z Japonią; dostosujcie go i podstawcie dane w nawiasach kwadratowych.

Ograniczenia tego poradnika

• Zakres, dokładność, długość fali i funkcje zależą od modelu. Dane CHINO IR-URN to jeden przykład, a nie cechy wspólne wszystkich przyrządów.
• Przykład obliczeniowy używa fikcyjnych wartości emisyjności i transmisyjności i pomija promieniowanie odbite. Rzeczywista emisyjność zależy od materiału, stanu powierzchni, temperatury, długości fali i kąta obserwacji.
• Poradnik nie podaje wartości emisyjności dla konkretnych materiałów. Weźcie je od producenta przyrządu albo z pomiarów na własnych częściach.
• Praktyka wzorcowania i sformułowania na świadectwach różnią się między laboratoriami. To, czy japońskie świadectwo zostanie przyjęte w Waszym systemie jakości, zależy od wymagań Waszych i Waszego klienta.
• Nic tu nie jest instrukcją pracy przy piecach. Ochrona oczu i bezpieczne miejsce obserwacji wynikają z oceny ryzyka zawodowego i przepisów BHP obowiązujących na Waszym stanowisku.

FAQ

Czy po samym kolorze żaru można poznać temperaturę?

Nie. To, co widzicie, zależy też od oświetlenia otoczenia i adaptacji oka, więc sam kolor nie zastąpi przyrządu. Pirometr z zanikającym włóknem porównuje jasność z włóknem odniesienia w określonym paśmie i odczytuje temperaturę ze wzorcowanej zależności.

Czy gdy włókno znika, obiekt jest ciałem doskonale czarnym?

Nie. Zanikające włókno oznacza tylko, że światło docierające z obiektu do przyrządu zrównało się z jasnością włókna. Nic to nie mówi o tym, czy obiekt jest ciałem doskonale czarnym; aby poznać temperaturę rzeczywistą, sprawdźcie emisyjność i tor optyczny.

Czy pirometr optyczny zmierzy obiekt w ruchu?

Może, o ile utrzymacie obiekt w polu widzenia i zdołacie ocenić jego jasność. Weźcie pod uwagę prędkość, czas, przez jaki obiekt jest widoczny, i jego wielkość; jeśli potrzebny jest pomiar ciągły, dobierzcie metodę detekcji i czas odpowiedzi.

Czy wzorcowany pirometr pokaże to samo przez wziernik?

Niekoniecznie. Wzorcowanie dotyczy samego przyrządu, a transmisyjność i zabrudzenie wziernika zmieniają docierające światło. Porównajcie warunki wzorcowania z rzeczywistym torem obserwacji, a potem zdecydujcie, jakiej korekcji i kontroli potrzebujecie.

Dlaczego mój pirometr na podczerwień i pirometr optyczny pokazują co innego?

Zwykle winne są różne długości fali, ustawienia emisyjności i wielkości plamki pomiarowej. Ten sam błąd emisyjności przesuwa odczyt dłuższej fali bardziej niż odczyt przy 0,65 µm, więc porównajcie ustawienia obu przyrządów i wycelujcie je w to samo miejsce, zanim zaczniecie podejrzewać któryś z nich.

Źródła

• Zanikające włókno, temperatura jasnościowa, podstawy promieniowania cieplnego: NBS/NIST, Self-Study Manual on Optical Radiation Measurements, Technical Note 910-8 (1985), §8.2
• Idealne równanie pirometru, długość fali efektywna, praca z zanikającym włóknem: S. P. Venkateshan, Mechanical Measurements, IIT Madras (NPTEL)
• Zasada pomiaru i dane IR-URN: CHINO Corporation, cyfrowy pirometr optyczny (jap.)
• Optyka i pasmo pomiarowe IR-URN: CHINO Corporation, katalog CP-107-02 (jap.)
• Temperatura jasnościowa a rzeczywista: Ushio, „Podstawy lamp halogenowych”, §8(1) (jap.)
• Stała przesunięć Wiena: NIST, wartości CODATA 2022 (w artykule zaokrąglona do 2898 µm·K)
• Odbicie od tła, transmisja toru, pirometry stosunkowe: KELLER, „Metrological errors”
• Emisyjność a długość fali: KELLER, „Definition and influence of emissivity”
• ITS-90 powyżej punktu srebra: BIPM/CCT, Guide to the Realization of the ITS-90: Radiation Thermometry (2018)
• Termometry radiacyjne JCSS, temperatura termodynamiczna od 960 °C do 2800 °C: NITE, komunikat dla laboratoriów JCSS z 30 stycznia 2020 r. (jap.)
• Metody badania termometrów radiacyjnych jednopasmowych: ASTM E1256-17(2022)
• Dane do podawania w kartach katalogowych termometrów radiacyjnych: IEC TS 62492-1:2008