Optical pyrometer là gì? Nguyên lý và sai số độ phát xạ
Hồ sơ kiểm tra lò mà nhà máy mẹ hoặc nhà cung cấp Nhật gửi sang ghi thiết bị đo là hikari koonkei (光高温計, optical pyrometer) và giá trị là kido ondo (輝度温度, nhiệt độ chói), ví dụ "1.000 °C". Phiếu công nghệ của bạn lại cần nhiệt độ thực của thép, còn chiếc nhiệt kế hồng ngoại cầm tay của bạn cho một con số khác. Rất có thể cả hai thiết bị đều đang hoạt động đúng.
Nhiệt độ chói không phải là nhiệt độ thực của bề mặt. Đó là nhiệt độ mà một vật đen tuyệt đối phải có để trông sáng bằng vật đo ở bước sóng của thiết bị. Với bề mặt có độ phát xạ nhỏ hơn 1, nếu bỏ qua bức xạ phản xạ thì số đọc thấp hơn nhiệt độ thực.
Bài này giải thích optical pyrometer kiểu dây tóc biến mất hoạt động thế nào, khác nhiệt kế hồng ngoại và nhiệt kế hai màu (tỷ số) ra sao, và độ phát xạ, cửa quan sát, khói, phản xạ làm lệch số đọc ở đâu. Gần cuối bài có checklist và mẫu thư hỏi phía Nhật.
Mục lục
Optical pyrometer là gì?
Optical pyrometer xác định nhiệt độ của vật nóng từ bức xạ nhiệt mà vật phát ra, không cần chạm vào vật. Đây là một loại nhiệt kế bức xạ (hosha ondokei, 放射温度計). Kiểu quan sát bằng mắt kinh điển là loại dây tóc biến mất (senjo shoshitsu-gata, 線条消失形), dùng mắt người làm bộ phát hiện để so sánh.
Người đo chồng ảnh của vật đo lên dây tóc của bóng đèn nằm trong thiết bị, rồi chỉnh dòng điện qua bóng đèn cho đến khi hai bên trông sáng bằng nhau trong một dải đỏ hẹp. Thiết bị sau đó quy đổi dòng điện này thành nhiệt độ. Dây tóc đơn giản là sợi dây mảnh trong bóng đèn, phát sáng khi có dòng điện chạy qua.
Các nhiệt kế bức xạ khác, ví dụ loại hồng ngoại dùng cảm biến điện tử, cũng dựa vào bức xạ từ vật đo. Chỗ khác nhau là dải bước sóng đo, cách phát hiện và cách tạo ra số đọc.
Dùng ở đâu: vật nóng sáng rực
Optical pyrometer quan sát bằng mắt cần vật đo đủ nóng để phát sáng rõ trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Đối tượng điển hình là kim loại nóng chảy, vật liệu trong lò, dây hoặc thanh đang gia nhiệt, tức là những nơi bạn có đường nhìn thẳng tới vật đo.
Ví dụ, IR-URN của hãng CHINO là optical pyrometer kiểu dây tóc biến mất có màn hình số, đo ở bước sóng 0,65 µm và phủ 700–3.500 °C qua ba thang đo chuyển đổi được. Các số này thuộc riêng model đó, không phải thang đo của mọi optical pyrometer.
Thiết bị đọc được nhiệt độ cao như vậy vì nó chỉ nhận ánh sáng từ vật đo, bản thân nó không phải nóng đến mức đó. Tuy vậy nó vẫn có dải nhiệt độ môi trường cho phép, và thang đo cao không có nghĩa là có thể đặt thiết bị trước miệng lò để hứng nhiệt bức xạ liên tục.
Các model cầm tay chạy pin cho phép di chuyển giữa các điểm đo ngay tại xưởng. Nếu dùng theo cách đó, hãy chọn vị trí đứng sao cho lặp lại được cùng khoảng cách và hướng nhìn, để số đọc hôm nay so sánh được với lần trước.
Với thép, chất lượng phụ thuộc vào cả thời gian giữ nhiệt và cách làm nguội, không chỉ nhiệt độ gia nhiệt. Khi quản lý nhiệt luyện như tôi và ram, hãy tách một số đọc bề mặt khỏi việc kiểm tra toàn bộ điều kiện quá trình.
Optical pyrometer, nhiệt kế hồng ngoại và nhiệt kế hai màu
Nhiệt kế bức xạ thông thường dùng cảm biến điện tử, như súng đo nhiệt độ hồng ngoại cầm tay, xử lý tín hiệu từ cảm biến rồi hiển thị nhiệt độ. Với optical pyrometer dây tóc biến mất quan sát bằng mắt, người đo tự ngắm vào vật đo, chỉnh dòng điện và tự phán đoán khi nào độ sáng khớp nhau.
Màn hình số không làm thay đổi điều đó. Nếu việc so khớp độ sáng vẫn do mắt thực hiện thì bước phán đoán của con người vẫn còn, nên hãy coi "hiển thị số" và "phát hiện tự động" là hai đặc điểm riêng.
Nhiệt kế hai màu (nishoku ondokei, 二色温度計), còn gọi là pyrometer tỷ số, dùng tỷ số bức xạ đo ở hai dải bước sóng. So dây tóc với vật đo không phải là "đo hai màu", vì vậy đừng coi optical pyrometer dây tóc biến mất là nhiệt kế hai màu. Hình 1 so sánh các cách tiếp cận chính.
Không tiếp xúc không có nghĩa chỉ có một cách phát hiện. "Optical pyrometer" ở đây là loại dây tóc biến mất quan sát bằng mắt.
| Phương pháp | Nhận được gì | Cách đi đến nhiệt độ | Điều kiện chính cần kiểm tra |
|---|---|---|---|
| Nhiệt kế tiếp xúc | Nhiệt dẫn từ vật đo đến phần tử cảm biến | Quy đổi suất nhiệt điện, điện trở... thành nhiệt độ | Độ sâu nhúng, tiếp xúc nhiệt, ống bảo vệ, dây dẫn |
| Optical pyrometer quan sát bằng mắt | Bức xạ nhìn thấy từ vật đo | So độ sáng với dây tóc, đọc từ dòng điện đã hiệu chuẩn | Ngắm, lấy nét, phán đoán khi khớp, độ phát xạ |
| Nhiệt kế bức xạ cảm biến điện tử (vd. hồng ngoại) | Bức xạ trong dải ghi ở thông số kỹ thuật | Xử lý tín hiệu cảm biến rồi hiển thị hoặc xuất ra | Trường nhìn, kích thước vật đo, độ phát xạ, đường quang |
| Nhiệt kế hai màu (tỷ số) | Bức xạ ở hai dải bước sóng | Tính từ tỷ số của hai tín hiệu | Tỷ số độ phát xạ ở hai bước sóng, độ truyền qua của đường quang |
Nhiệt kế hai màu vẫn cần kiểm tra độ phát xạ và đường quang. Dùng hai bước sóng không có nghĩa là hết sai số với mọi vật đo.
KELLER, một nhà sản xuất pyrometer, giải thích khi nào loại tỷ số có lợi và khi nào không:
- Có lợi khi: bụi, khói hoặc cửa sổ bẩn làm yếu mọi bước sóng như nhau thì tỷ số, và do đó số đọc, vẫn ổn định.
- Giả định: số đọc bằng nhiệt độ thực chỉ khi độ phát xạ ở hai bước sóng bằng nhau. KELLER lưu ý rằng điều này hiếm khi đúng trong thực tế.
- Có thể kém hơn khi: nếu độ phát xạ khác nhau giữa hai bước sóng và còn dao động, sai số có thể lớn hơn pyrometer một bước sóng, nhất là với kim loại màu.
Nguyên lý của optical pyrometer dây tóc biến mất
Để hiểu nguyên lý, hãy tách hai nguồn sáng: ánh sáng đến từ vật đo và ánh sáng do chính thiết bị tạo ra. Pyrometer không đổi trực tiếp nhiệt độ vật đo thành dòng điện. Thay vào đó, người đo chỉnh dòng điện của bóng đèn so sánh.
Vật kính tạo ảnh của vật đo trên cùng mặt phẳng với dây tóc bóng đèn. Qua kính lọc và thị kính, người đo so sánh hai mức sáng trong cùng một trường nhìn.
Kính lọc đỏ thu hẹp việc so sánh vào một dải bước sóng đỏ nhỏ. Việc so độ sáng trong một dải cố định, thay vì xét xem màu tổng thể có giống nhau không, mới là điều gắn số đọc với nhiệt độ.
Thiết bị thật còn có các kính lọc giảm sáng để chuyển thang đo. Hình 2 chỉ cho thấy quan hệ giữa ảnh và việc so sánh; kính lọc thực tế và vị trí của chúng cần xem trong thiết kế quang học của từng thiết bị.
Hai tia đại diện đi từ đỉnh vật đo đến mặt phẳng dây tóc. Đường chấm xanh chỉ phía thị kính, không phải kết quả dò tia.
Bản thân dây tóc phát sáng và được nhìn cùng với ảnh vật đo. Việc chọn dải đỏ và giảm sáng là chức năng quang học phục vụ phép đo; hình không có nghĩa là kính lọc thay được kính bảo vệ mắt.
Dây tóc tối, biến mất và sáng
Khi dòng điện qua dây tóc nhỏ và dây tóc tối hơn vật đo, bạn thấy một vạch tối trên nền sáng. Tăng dòng điện thì dây tóc sáng dần lên và độ tương phản với nền giảm đi.
Nếu dòng điện quá lớn, dây tóc sáng hơn vật đo và hiện ra thành một vạch sáng. Khi đó hãy giảm dòng điện và tìm điểm khớp nằm giữa trạng thái tối và trạng thái sáng.
Khi vật đo và dây tóc sáng bằng nhau, mép dây tóc trở nên khó phân biệt trên nền vật đo. Đó là hiện tượng "dây tóc biến mất". Bóng đèn vẫn sáng, và không có gì biến mất theo nghĩa vật lý.
Hãy chỉnh thị kính và lấy nét vào vật đo để việc so sánh dễ thực hiện. Khi ảnh bị mờ, hoặc dây tóc nằm ngay mép vật đo, việc phán đoán khi nào khớp tự nó đã không đáng tin. Hình 3 cho thấy ba trạng thái nhìn thấy.
Độ sáng vật đo được giữ không đổi. Đường cong trong mỗi hình là cùng một dây tóc.
Màu và độ dày nét chỉ để minh họa. Ở hình giữa bóng đèn vẫn sáng; dây tóc chỉ hòa vào nền.
Vì sao dòng điện bóng đèn quy đổi được thành nhiệt độ
Tăng dòng điện làm đổi nhiệt độ và bức xạ của dây tóc, nhưng riêng điều đó chưa cho biết nhiệt độ vật đo. Thiết bị cần một phép hiệu chuẩn nối dòng điện lúc khớp với nhiệt độ chói.
Khi hiệu chuẩn, phòng thí nghiệm dùng bóng đèn chuẩn hoặc vật đen tuyệt đối có nhiệt độ chói đã biết, rồi tìm dòng điện làm dây tóc của thiết bị khớp với nó. Thang chỉ thị hoặc phép quy đổi bên trong thiết bị dùng mối quan hệ này để đọc ra nhiệt độ.
Nếu bóng đèn hoặc bộ phận quang học thay đổi, cùng một dòng điện có thể cho hình ảnh khác. Trong bảo trì, hãy tách hai việc kiểm tra: "dây tóc có sáng" và "số đọc có khớp với chuẩn".
Bóng đèn bạn so sánh khi đo và bóng đèn chuẩn dùng khi hiệu chuẩn có vai trò khác nhau. Hiệu chuẩn nối chỉ thị nhiệt độ lấy từ dòng điện của bóng đèn so sánh với chuẩn là bóng đèn chuẩn hoặc vật đen tuyệt đối.
0,65 µm không phải là đỉnh của bức xạ nhiệt
Khi vật nóng lên, bức xạ nhiệt trong vùng nhìn thấy mạnh dần cho đến khi bạn thấy nó đỏ rực. Đỉnh phổ của vật đen tuyệt đối dịch về phía bước sóng ngắn khi nhiệt độ tăng, nhưng vật vừa bắt đầu phát sáng thì chưa bức xạ mạnh nhất trong vùng nhìn thấy.
Định luật dịch chuyển Wien cho đỉnh gần đúng của độ bức xạ phổ trên một đơn vị bước sóng của vật đen tuyệt đối. Với bước sóng tính bằng µm và nhiệt độ nhiệt động học tính bằng K, hằng số xấp xỉ 2898 µm·K.
Với vật đen tuyệt đối ở 700 °C, đỉnh nằm khoảng 2,98 µm, sâu trong vùng hồng ngoại. Pyrometer vẫn so sánh được độ sáng trong vùng nhìn thấy, vì vậy hãy coi bước sóng đỉnh và bước sóng đo của thiết bị là hai thứ riêng.
Tương tự, 650 nm (0,65 µm) không có nghĩa là kính lọc dịch về phía đỉnh khi nhiệt độ thay đổi. Model ví dụ dùng dải đỏ ở 0,65 µm, nhưng bước sóng hiệu dụng còn phụ thuộc vào kính lọc, độ nhạy của mắt và các yếu tố khác. Hình 4 đặt các giá trị này lên cùng một trục.
Trục bước sóng theo thang tuyến tính. Các chấm đánh dấu vị trí đỉnh đã tính, không biểu thị cường độ bức xạ.
Độ rộng dải đỏ chỉ để minh họa, không phải dải thông thực của model nào. So sánh đỉnh bỏ qua việc độ phát xạ làm đổi phân bố phổ.
Nhiệt độ chói và nhiệt độ thực
Nhiệt độ chói (kido ondo) là nhiệt độ của vật đen tuyệt đối sẽ trông sáng đúng bằng vật đo ở một bước sóng nhất định. Vật đen tuyệt đối là vật lý tưởng hấp thụ toàn bộ bức xạ chiếu tới, và là chuẩn để so sánh bức xạ nhiệt của các vật thật ở cùng nhiệt độ.
Vật đo có độ phát xạ (hosharitsu, 放射率) nhỏ hơn 1 phát ra bức xạ ít hơn vật đen tuyệt đối ở cùng nhiệt độ. Nếu bỏ qua phản xạ từ môi trường xung quanh, nhiệt độ chói đọc theo vật đen tuyệt đối sẽ thấp hơn nhiệt độ thực.
Nếu áp dụng hiệu chỉnh độ phát xạ, hãy dùng giá trị phù hợp với bước sóng đo và tình trạng bề mặt. Đừng cố định giá trị chỉ theo tên vật liệu; hãy xem lớp oxit, độ nhám, nhiệt độ và góc nhìn làm giá trị đó đổi thế nào.
Ví dụ tính: độ phát xạ làm lệch số đọc bao nhiêu
Theo xấp xỉ Wien, nhiệt độ chói và nhiệt độ thực liên hệ qua phương trình mà giáo trình khóa học của IIT Madras gọi là phương trình pyrometer lý tưởng, nêu dưới đây. Các số là giả định, chỉ để cho thấy mức độ ảnh hưởng.
Bước sóng có vai trò quan trọng: đưa cùng ε = 0,80 vào phương trình với một thiết bị giả định 1,6 µm thì nhiệt độ thực ứng với số đọc 1.000 °C là khoảng 1.042 °C. Bước sóng ngắn hơn làm số đọc ít nhạy hơn với sai số độ phát xạ. KELLER cũng khuyến nghị pyrometer bước sóng ngắn cho kim loại.
Đây cũng là một lý do khiến nhiệt kế hồng ngoại và optical pyrometer có thể cho số khác nhau trên cùng một bề mặt, dù cả hai đều đã hiệu chuẩn. Hãy so bước sóng và cài đặt độ phát xạ của chúng trước khi nghi ngờ thiết bị hỏng.
Số đọc bề mặt và nhiệt độ bên trong
Trên thép không trong suốt, optical pyrometer chủ yếu nhận bức xạ từ bề mặt nhìn thấy. Nó không đọc trực tiếp được tâm của chi tiết dày hay nhiệt độ phía sau một bức tường.
Trong lúc gia nhiệt, bề mặt nóng trước và nhiệt cần thời gian để vào đến lõi. Số đọc bề mặt đã đạt giá trị đặt không có nghĩa là chi tiết đã đồng đều xuyên suốt.
Nhiệt kế tiếp xúc cũng gặp vấn đề tương tự: đặt sai chỗ thì không đọc được nhiệt độ bạn cần. Với nhiệt độ chất lưu, chiều dài nhúng và đáp ứng của thermowell cũng đặt ra cùng câu hỏi là cảm biến thực sự nhận nhiệt từ đâu.
Với vật liệu cho ánh sáng đi qua, như thủy tinh, bức xạ từ bên trong hoặc phía sau vật đo có thể lẫn vào. Đừng mặc định pyrometer chỉ đọc bề mặt của mọi vật liệu; hãy kiểm tra xem vật đo có không trong suốt ở bước sóng đo hay không.
Điều này cũng đúng với đường ống bảo ôn: nhiệt độ lớp vỏ ngoài không phải là nhiệt độ lưu chất bên trong. Hãy nhớ mối liên hệ giữa độ dày bảo ôn, thất thoát nhiệt và nhiệt độ bề mặt, rồi kiểm tra xem bề mặt đang đo có thật sự ứng với nhiệt độ cần kiểm soát hay không.
Phản xạ, cửa quan sát, khói và kích thước vật đo
Khi bức xạ từ thành lò phản xạ trên bề mặt kim loại bóng vào thiết bị, một thành phần phản xạ cộng thêm vào ánh sáng do vật đo tự phát ra. Khi đó không thể mặc định rằng độ phát xạ thấp luôn làm số đọc thấp. Hình 5 tách riêng các đường đi.
Tách riêng bức xạ của chính vật đo, ánh sáng phản xạ từ nền, và cửa sổ cùng khói ở giữa. Hai đường được vẽ lệch nhau cho dễ nhìn.
Mũi tên chỉ để phân biệt các đường đi, không thể hiện lượng bức xạ hay góc phản xạ theo tỷ lệ. Cửa sổ, khói và nền ảnh hưởng đến số đọc nhiều hay ít tùy vào độ hấp thụ, độ phát xạ và cường độ của chúng.
Mỗi yếu tố trên đường nhìn cần được kiểm tra riêng:
- Cửa quan sát: điều quan trọng là cửa sổ cho bao nhiêu ánh sáng đi qua ở bước sóng đo. Cửa sổ nhìn bằng mắt thấy trong không có nghĩa là có thể bỏ qua ảnh hưởng của nó lên số đọc. KELLER mô tả cách bù tổn hao đã biết của cửa sổ qua cài đặt độ phát xạ (giá trị cài = độ phát xạ vật đo × độ truyền qua của đường quang).
- Bụi bẩn, mờ sương, cặn bám: khi tích tụ, ánh sáng từ vật đo tới thiết bị thay đổi và số đọc bị lệch. KELLER lưu ý rằng cặn bám trên thấu kính làm số đọc thấp đi. Hãy ghi lại tình trạng cửa sổ và đường nhìn để phân biệt với thay đổi nhiệt độ thật.
- Phản xạ từ nền: nếu có thể, hãy ngắm vào chỗ mà bức xạ từ thành lò không chiếu tới được.
- Vật đo nhỏ: hệ quang của loại quan sát bằng mắt có thể giúp ích, nhưng cần kiểm tra vùng vật đo dưới dây tóc có nhìn rõ không, và độ phóng đại cùng tiêu cự của thiết bị có phù hợp không.
- Thiết bị điện tử: vật đo phải lấp đầy trường đo quy định. Đừng coi chấm laser ngắm là diện tích đo; hãy đối chiếu kích thước vật đo với quan hệ khoảng cách – đường kính điểm đo trong thông số kỹ thuật.
Ưu điểm và giới hạn của optical pyrometer
Ưu điểm chính là lấy được nhiệt độ từ bức xạ của chi tiết nóng mà không phải đặt cảm biến lên nó. Bạn không làm nhiễu vật đo do tiếp xúc, và không bắt cảm biến chịu chính nhiệt độ cao đó.
Với cảm biến tiếp xúc, độ bền phụ thuộc vào loại cảm biến, ống bảo vệ, môi trường và điều kiện dùng liên tục. Không thể chọn theo giới hạn chung kiểu "mọi cặp nhiệt điện chịu được 2.000 °C" hay "mọi RTD chịu được 700 °C".
Nhiệt độ nằm trong thang đo của optical pyrometer không có nghĩa là nó tốt hơn cảm biến tiếp xúc. Hãy chọn theo điểm đo bạn cần và cách dùng số đo.
Đo kiểm tại chỗ và giám sát liên tục
So sánh bằng mắt phù hợp với phép đo mà một người ngắm và phán đoán khi khớp. Nếu cần ghi liên tục nhiệt độ thay đổi nhanh và đưa vào điều khiển tự động, hãy xem xét thiết bị điện tử, hoặc loại khác có đầu ra bạn cần.
Với điều khiển PID, không thể chọn thiết bị chỉ theo nhiệt độ tối đa. Đáp ứng, chu kỳ cập nhật, tín hiệu đầu ra và việc bảo trì khi đường quang bị bẩn đều phải khớp với yêu cầu của vòng điều khiển.
Độ phân giải hiển thị mịn không có nghĩa là nhiệt độ thực được đo mịn tương ứng. Điều này đúng cả với thiết bị tiếp xúc như nhiệt kế thạch anh: đừng đánh giá độ tin cậy của phép đo chỉ bằng số chữ số hiển thị.
Khi so sánh nhiều nhiệt kế, trước hết hãy kiểm tra xem chúng có đo cùng một chỗ, trong cùng điều kiện hay không. Cảm biến hai phần tử (double element) cho hai kênh đo, nhưng không tự động khớp với số đọc không tiếp xúc lấy trên một bề mặt khác.
Hiệu chuẩn và liên kết chuẩn
Hiệu chuẩn tìm ra chênh lệch giữa thiết bị và chuẩn tham chiếu. Ngay cả thiết bị đã hiệu chuẩn cũng có thể cho số đọc hiện trường khác nếu điểm đo, độ phát xạ hoặc cửa quan sát thay đổi.
Vài điểm giúp bạn đọc giấy tờ hiệu chuẩn pyrometer của Nhật:
- ITS-90: trên điểm đông đặc của bạc (961,78 °C), Thang nhiệt độ quốc tế 1990 xác định nhiệt độ qua định luật bức xạ Planck, lấy điểm đông đặc của bạc, vàng (1.064,18 °C) hoặc đồng (1.084,62 °C) làm tham chiếu. Phía trên điểm đó, chính thang đo được thực hiện bằng nhiệt kế bức xạ.
- JCSS: hệ thống hiệu chuẩn được công nhận của Nhật (Japan Calibration Service System) có bao gồm nhiệt kế bức xạ. Nếu cần được chấp nhận ở tầm quốc tế, hãy hỏi việc hiệu chuẩn có theo JCSS không và giấy chứng nhận có mang dấu ilac-MRA không.
- ITS-90 hay nhiệt độ nhiệt động học: thông báo tháng 1/2020 của NITE gửi các phòng hiệu chuẩn JCSS cho biết NMIJ (viện đo lường quốc gia Nhật) đã đổi chuẩn nhiệt kế bức xạ từ 960 °C đến 2.800 °C sang giá trị dựa trên nhiệt độ nhiệt động học thay vì ITS-90. Các phòng được yêu cầu ghi trên giấy chứng nhận mỗi giá trị theo cơ sở nào, vì vậy hãy kiểm tra dòng đó.
- Dải hiệu chuẩn: đừng cho rằng sai số tại các điểm đã hiệu chuẩn vẫn giữ nguyên ngoài các điểm đó. Hãy đối chiếu các điểm trên giấy chứng nhận với dải làm việc của bạn.
Datasheet nhiệt kế bức xạ của Nhật có thể dẫn JIS C 1612:2023, tiêu chuẩn Nhật về phương pháp thử tính năng nhiệt kế bức xạ. Ở phía quốc tế, bạn có thể gặp ASTM E1256 (phương pháp thử nhiệt kế bức xạ một dải bước sóng) và IEC TS 62492-1 (dữ liệu kỹ thuật mà datasheet nên nêu).
Nếu số liệu tính năng ảnh hưởng đến nghiệm thu, hãy hỏi nhà cung cấp họ theo tiêu chuẩn và điều kiện thử nào. Tôi chưa xác nhận được mối tương ứng giữa JIS C 1612 với IEC TS 62492-1 hay ASTM E1256, và cũng chưa xác nhận được tiêu chuẩn TCVN tương ứng. Nếu hồ sơ ghi "theo TCVN", hãy hỏi đúng số hiệu tiêu chuẩn và năm ban hành.
Ở Việt Nam, Luật Đo lường 2011 phân biệt hiệu chuẩn và kiểm định, và hai việc này không thay cho nhau. Nhiệt kế dùng giám sát quá trình thường được hiệu chuẩn; nếu không chắc thiết bị có thuộc diện kiểm định bắt buộc hay không, hãy hỏi cơ quan quản lý đo lường hoặc phòng hiệu chuẩn. Khi chọn phòng hiệu chuẩn trong nước, hãy hỏi họ có được công nhận theo ISO/IEC 17025 (ở Việt Nam là TCVN ISO/IEC 17025, công nhận VILAS) cho đúng dải nhiệt độ của bạn không.
Khi gửi thiết bị đi hiệu chuẩn, hãy nêu dải nhiệt độ và thang đo bạn dùng, rồi kiểm tra sai số chỉ thị trong các điều kiện đó. Ghi sai số so với chuẩn tách riêng khỏi các nguồn sai số ngoài hiện trường.
Khi các số đọc không khớp: tách nguyên nhân
Nếu hai thiết bị cho số khác nhau, hoặc số hôm nay khác số tuần trước, hãy phân loại nguyên nhân theo điểm đo, đường quang và cách đọc. Ghi chênh lệch nhiệt độ và chênh lệch điều kiện riêng, và đưa điều kiện so sánh về như nhau trước khi đổi bất kỳ cài đặt nào. Hình 6 cho thấy bốn nhóm.
Giữ chênh lệch nhiệt độ và chênh lệch điều kiện đo tách bạch. Đưa điều kiện so sánh về như nhau trước khi thay đổi cài đặt.
Chỉnh độ phát xạ chỉ để xóa chênh lệch sẽ che mất nguyên nhân thật. Hãy dùng giá trị ứng với vật đo và điều kiện chuẩn.
Hãy lưu hồ sơ để có thể lặp lại phép đo:
- Ngắm ở đâu, ngắm thế nào: mã thiết bị, số đọc, vị trí vật đo và hướng nhìn, gồm cả cửa lò nào và phần nào của vật liệu bạn đã ngắm.
- Cài đặt: thang đo, giá trị độ phát xạ cài đặt, điều kiện cửa sổ hoặc kính lọc.
- Thay đổi theo thời gian: lần lau cửa sổ gần nhất và biến đổi của bề mặt vật đo, để phân biệt với thay đổi điều kiện vận hành.
- Độ phân tán: nếu khó quyết định một lần khớp bằng mắt, hãy xác nhận vật đo ổn định và xem độ phân tán của các số đọc lặp lại. Tách dao động của vật đo khỏi sai khác do ngắm và do phán đoán khớp.
- Đồng nhất giữa người đo: khi đổi ca, hãy thống nhất cách lấy nét và vị trí so sánh. Đừng ghi số đọc chỉ ở điểm sáng nhất thành cùng điểm đo với số đọc ở chỗ khác.
Checklist và câu hỏi gửi phía Nhật
Dùng checklist này khi bản vẽ, hồ sơ kiểm tra hoặc tài liệu vận hành lò của phía Nhật ghi số đọc optical pyrometer:
- Loại thiết bị: dây tóc biến mất quan sát bằng mắt, hồng ngoại một dải hay hai màu
- Bước sóng đo (hiệu dụng), ví dụ 0,65 µm
- Giá trị ghi là nhiệt độ chói (kido ondo) hay nhiệt độ đã hiệu chỉnh độ phát xạ
- Độ phát xạ đã cài và cách chọn (tình trạng bề mặt, bước sóng)
- Cửa quan sát: vật liệu, tình trạng, và độ truyền qua đã được hiệu chỉnh hay chưa
- Điểm đo: mặt nào, vị trí nào, cửa lò nào, và hướng nhìn
- Khả năng có phản xạ từ thành lò hoặc thanh gia nhiệt tại điểm đó
- Khói, hơi nước hoặc bụi trên đường nhìn
- Giấy chứng nhận hiệu chuẩn: có theo JCSS không, các điểm hiệu chuẩn so với dải làm việc của bạn, dấu ilac-MRA nếu cần
- Giá trị trên giấy chứng nhận dựa trên ITS-90 hay nhiệt độ nhiệt động học (dải 960–2.800 °C trong thông báo của NITE)
- Tiêu chuẩn quy trình của bạn yêu cầu nhiệt độ bề mặt, nhiệt độ bên trong hay nhiệt độ lò
Nếu còn mục nào thiếu, một email ngắn thường đủ để làm rõ. Hãy chỉnh mẫu dưới đây, thay các phần trong ngoặc vuông, rồi dịch sang tiếng Anh hoặc nhờ biên phiên dịch tiếng Nhật chuyển cho phía Nhật.
Tiêu đề: Số đọc optical pyrometer của [lò / quy trình] – xác nhận điều kiện đo
Kính gửi [tên],
Cảm ơn anh/chị đã gửi hồ sơ kiểm tra ngày [ngày]. Hồ sơ ghi nhiệt độ là nhiệt độ chói (輝度温度) đo bằng optical pyrometer (光高温計). Để đối chiếu với số đo của chúng tôi, xin anh/chị xác nhận giúp các điểm sau:
- Model pyrometer và bước sóng đo của nó.
- Giá trị ghi là nhiệt độ chói hay đã hiệu chỉnh độ phát xạ; nếu đã hiệu chỉnh thì độ phát xạ đã dùng là bao nhiêu.
- Phép đo có thực hiện qua cửa quan sát không; nếu có, độ truyền qua của cửa sổ đã được đưa vào cài đặt chưa.
- Điểm đo (mặt nào, vị trí nào của chi tiết) và cửa quan sát đã dùng.
- Giấy chứng nhận hiệu chuẩn mới nhất của thiết bị, gồm các điểm hiệu chuẩn, và cho biết giá trị dựa trên ITS-90 hay nhiệt độ nhiệt động học.
- Yêu cầu nhiệt độ trong tiêu chuẩn kỹ thuật là nhiệt độ bề mặt, lõi hay môi trường lò.
Trân trọng,
[Họ tên]
[Công ty]
Giới hạn của bài viết này
- Thang đo, độ chính xác, bước sóng và tính năng tùy theo từng model. Các số của CHINO IR-URN chỉ là một ví dụ, không phải thông số chung.
- Ví dụ tính dùng độ phát xạ và độ truyền qua giả định, và bỏ qua bức xạ phản xạ. Độ phát xạ thật phụ thuộc vào vật liệu, tình trạng bề mặt, nhiệt độ, bước sóng và góc nhìn.
- Bài này không đưa giá trị độ phát xạ cho vật liệu cụ thể. Hãy lấy từ nhà sản xuất thiết bị hoặc đo trên chi tiết của bạn.
- Cách hiệu chuẩn và cách ghi giấy chứng nhận khác nhau giữa các phòng thí nghiệm. Giấy chứng nhận của Nhật có được hệ thống chất lượng của bạn chấp nhận hay không là tùy yêu cầu của bạn và của khách hàng.
- Bài này chưa xác nhận được tiêu chuẩn TCVN tương ứng cho nhiệt kế bức xạ. Các điểm về Luật Đo lường và VILAS ở trên chỉ là hướng cần hỏi lại, không phải kết luận pháp lý.
- Bài này không phải hướng dẫn thao tác nhìn lò. Bảo vệ mắt và vị trí quan sát an toàn thực hiện theo quy định an toàn của nhà máy, dựa trên Luật An toàn, vệ sinh lao động 2015.
Câu hỏi thường gặp
Chỉ nhìn màu đỏ rực có biết được nhiệt độ không?
Không. Cái bạn nhìn thấy còn phụ thuộc vào ánh sáng xung quanh và sự thích nghi của mắt, nên màu sắc đơn thuần không thay được thiết bị. Optical pyrometer dây tóc biến mất so độ sáng với dây tóc chuẩn trong một dải xác định và đọc nhiệt độ từ quan hệ đã hiệu chuẩn.
Khi dây tóc biến mất, vật đo có phải là vật đen tuyệt đối không?
Không. Dây tóc biến mất nghĩa là ánh sáng từ vật đo tới thiết bị khớp với độ sáng dây tóc. Điều đó không nói lên vật đo có phải vật đen tuyệt đối hay không; muốn có nhiệt độ thực, hãy kiểm tra độ phát xạ và đường quang.
Optical pyrometer có đo được vật đang chuyển động không?
Được, miễn là bạn giữ được vật đo trong tầm nhìn và phán đoán được độ sáng của nó. Hãy xét tốc độ, thời gian vật còn trong tầm nhìn và kích thước vật; nếu cần đo liên tục, hãy chọn phương pháp phát hiện và thời gian đáp ứng cho phù hợp.
Pyrometer đã hiệu chuẩn có cho cùng số đọc khi đo qua cửa sổ không?
Không nhất thiết. Hiệu chuẩn chỉ áp dụng cho riêng thiết bị, còn độ truyền qua và độ bẩn của cửa sổ làm đổi ánh sáng tới thiết bị. Hãy so điều kiện hiệu chuẩn với đường nhìn thực tế rồi quyết định cần hiệu chỉnh và kiểm tra gì.
Vì sao nhiệt kế hồng ngoại của tôi và optical pyrometer cho số khác nhau?
Thủ phạm thường là bước sóng, cài đặt độ phát xạ và kích thước điểm đo khác nhau. Cùng một sai số độ phát xạ làm lệch số đọc ở bước sóng dài nhiều hơn số đọc ở 0,65 µm, nên hãy so cài đặt của cả hai thiết bị và ngắm vào cùng một điểm trước khi nghi ngờ thiết bị nào.
Nguồn
- Dây tóc biến mất, nhiệt độ chói, cơ bản về bức xạ nhiệt: NBS/NIST, Self-Study Manual on Optical Radiation Measurements, Technical Note 910-8 (1985), §8.2
- Phương trình pyrometer lý tưởng, bước sóng hiệu dụng, vận hành dây tóc biến mất: S. P. Venkateshan, Mechanical Measurements, IIT Madras (NPTEL)
- Nguyên lý đo và thông số IR-URN: CHINO Corporation, optical pyrometer số (tiếng Nhật)
- Hệ quang và dải đo của IR-URN: CHINO Corporation, catalogue CP-107-02 (tiếng Nhật)
- Nhiệt độ chói và nhiệt độ thực: Ushio, "Cơ bản về đèn halogen", §8(1) (tiếng Nhật)
- Hằng số dịch chuyển Wien: NIST, giá trị CODATA 2022 (làm tròn thành 2898 µm·K trong bài)
- Phản xạ nền, độ truyền qua đường quang, pyrometer tỷ số: KELLER, "Metrological errors"
- Độ phát xạ và bước sóng: KELLER, "Definition and influence of emissivity"
- ITS-90 trên điểm bạc: BIPM/CCT, Guide to the Realization of the ITS-90: Radiation Thermometry (2018)
- Nhiệt kế bức xạ JCSS, nhiệt độ nhiệt động học từ 960 °C đến 2.800 °C: NITE, thông báo gửi các phòng hiệu chuẩn nhiệt kế bức xạ JCSS, 30/1/2020 (tiếng Nhật)
- Phương pháp thử nhiệt kế bức xạ một dải bước sóng: ASTM E1256-17(2022)
- Thuật ngữ datasheet của nhiệt kế bức xạ: IEC TS 62492-1:2008
Bài gốc tiếng NhậtHướng dẫn này được biên soạn từ một bài viết của MONOSCOPE dành cho độc giả tại Nhật: 光高温計の原理とは？線条消失・放射温度計との違いと測定誤差
Về biên tập viên
Biên tập viên MONOSCOPEFOUNDER & EDITORKhoảng mười năm làm việc tại một nhà sản xuất thiết bị nhà máy và một công ty kỹ thuật nhà máy, phụ trách đề xuất, thiết kế và chạy thử thiết bị, sau đó chuyển sang tiếp thị trực tuyến. Hiện là tư vấn web cho các nhà sản xuất B2B, giúp họ trình bày rõ sản phẩm và công nghệ. Có chứng chỉ quốc gia Nhật Bản về Quản lý năng lượng (Energy Manager) và Kỹ sư điện trưởng hạng ba.
Viết blog kỹ thuật từ năm 2017 (hơn 500 bài) và có kênh YouTube tiếng Nhật với khoảng 20.000 người đăng ký. Mỗi hướng dẫn được viết từ góc nhìn hiện trường Nhật Bản và đối chiếu với các tiêu chuẩn được trích dẫn.
