Infrarood temperatuurmeten:

[IR THEORIE B.L.W. VISSER BW ] 1 augustus 2011 Infrarood temperatuurmeten: Special: 2 Kleuren‐ of Ratio Pyrometer Straling, convectie en geleiding: Met een infrarood temperatuurmeter of pyrometer meten we de straling of “Radiation” van een object. De stralingsenergie wordt gemeten in het infrarood spectrum. Pyrometers maken gebruik van het gebied tussen 0,7 µm en 14 µm. Lagere temperaturen zijn enkel te meten in een gebied van 8 tot 14 µm, hoge temperaturen weer beter in het bereik tot 8 µm. De Planck Curves later in dit verhaal verklaren waarom. Emissiviteit: De stralingsenergie van een object bestaat uit zijn eigen stralingsenergie, de gereflecteerde stralingsenergie uit de omgeving en de stralingsenergie die door het object heen straalt. Omdat er geen energie verloren gaat, geldt: R(reflection) + A(absorption) + T(transmission) = 1! BLWVISSER | © B.L.W. Visser www.blwvisser.eu 1 [IR THEORIE B.L.W. VISSER BW ] 1 augustus 2011 In veel gevallen is T te verwaarlozen en E = A (Emitted energie = Absorbed energie). Dan geldt: E (Emitted) = 1‐R De mate van reflectie is afhankelijk van het materiaal, maar tevens van de temperatuur en golflengte. Maken we gebruik van een zogenaamde ideale “zwarte straler” dan bedoelen we daarmee een object dat geen reflectie heeft, oftewel E = 1. Een ideale straler is in de praktijk te benaderen, maar voor elk object geldt dat een deel van de geëmitteerde energie (E) zal bestaan uit reflectie. De mate van reflectie wordt aangegeven met de emissiviteit factor: -
emissiviteit Ɛ = verhouding van totaal emissievermogen t.o.v. emissievermogen van een zwarte straler op dezelfde temperatuur Vele niet metalen objecten hebben een lage reflectiefactor en daardoor een hoge emissiviteit factor. Hout, kunststof, rubber, organische materialen, steen en beton hebben een emissiviteit factor tussen de 0,8 en 0,95. Metalen hebben afhankelijk van hun oppervlak en temperatuur vaak een lage emissiviteit factor die kan variëren van 0,1 (glimmend of gepolijst oppervlak) tot 0,95 (verroest en/of ruw ijzer). Er bestaan tabellen met de emissiviteitswaarden van veel materialen. De emissiviteit kan ook proefondervindelijk worden bepaald. Omdat de emissiviteitswaarde afhankelijk is van de golflengte en soms van de temperatuur, verdiend het de aanbeveling uw keuze te overleggen met één van de experts van B.L.W. Visser. Van Infrarood naar Temperatuur •
Wat zijn we nodig voor de keuze van een Infrarood sensor? 1) Gewenst temperatuurbereik 2) Emissiviteit / Materiaal van het object 3) Reflectie van de omgeving 4) Golflengte 5) Transmissie 6) Spotgrootte en eventuele visuele obstakels (vensters) 7) Meethoek BLWVISSER | © B.L.W. Visser www.blwvisser.eu 2 [IR THEORIE B.L.W. VISSER BW ] 1 augustus 2011 De wetenschap achter de techniek van Infrarood temperatuurmeten: Stefan‐Boltzmann’s law Wet van Planck: totale emissie van een zwarte straler heeft een spectrale verdeling 2hc 2
5
I ( , T ) 
1
hc
e
kT
1
Uit de naastgelegen grafiek blijkt dat de afgegeven energie van een “zwart straler” afhankelijk van de golflengte varieert. Voor elke golflengte heeft elke temperatuur zijn eigen specifieke waarde. Hebben we een bepaalde waarde bepaalt bij een bepaalde golflengte, dan is daaruit de temperatuur af te leiden. Dat is het principe van de infrarood temperatuurmeter of pyrometer. ─1
─2
─1
-1
I is spectral radiance (J·s ·m ·s ·Hz ; sr is steradian, the SI unit of solid angle. A sphere comprises
4π steradians, since its surface is 4πr
h is Planck’s constant (J/Hz);
c is speed of light (m/s);
k is Boltzmann’s constant (J/K).
2
BLWVISSER | © B.L.W. Visser www.blwvisser.eu 3 [IR THEORIE B.L.W. VISSER BW ] 1 augustus 2011 Werking van een Infrarood sensor Een infrarood sensor is een nauwkeurige “fotonen” teller of energiemeter voor zijn specifieke golflengte. De elektronica zorgt voor de omzetting naar een temperatuur uitlezing. De 2 Kleuren of Ratio Pyrometer Dit is een variant van de bovenstaande “standaard” pyrometer waarbij de energie op 2 afzonderlijke golflengtes wordt gemeten: BLWVISSER | © B.L.W. Visser www.blwvisser.eu 4 [IR THEORIE B.L.W. VISSER BW ] 1 augustus 2011 Stel de detector 1 (blauwe stippellijn) meet 500 eenheden energie en de detector 2 (gele stippellijn) meet 1000 eenheden energie. Aan de hand van de unieke Planck curves kan met verrekening van de emissiviteit de bijbehorende temperatuur worden bepaald, zoals in dit voorbeeld 1500°C, en Ɛ = 1,0. Verstoringen als damp, stof, of een object kleiner dan de volle meetspot, foutieve emissiviteit etc, hebben tot gevolg dat de lijnen in de grafiek van “Planck” naar beneden verschuiven (energieniveau daalt), zie de groene lijn: De energieniveaus van detector 1 en detector 2 zijn nu lager en beide detectoren zullen, net als een standaard pyrometer, een foutieve temperatuur (< 1500°C) vaststellen. Kijken we echter naar de verhouding (RATIO) van de energieniveaus, dan geld in beide gevallen dat deze gelijk zijn gebleven! BLWVISSER | © B.L.W. Visser www.blwvisser.eu 5 [IR THEORIE B.L.W. VISSER BW ] 1 augustus 2011 Rode lijn: stralingsenergie uitgezet tegen de golflengte voor een goed zichtbaar object met hoge emissiviteit en volle spotdekking. Groene lijn: stralingsenergie van object dat niet in de volle meetspot ligt, of lagere emissiviteit of verminderd zicht door rook, stof of andere obstakels. Een ratio pyrometer meet dus de energie op 2 verschillende, dicht bij elkaar gelegen golflengtes, en berekent de RATIO tussen de 2 gemeten energieniveaus per golflengte! Omdat de lijnen in de grafiek van Planck voor elke temperatuur een specifieke vorm (hoek van de raaklijn) hebben, heeft elke temperatuur ook een eigen Ratio getal! Dit Ratio getal wordt met behulp van geprogrammeerde tabellen en interpolatie omgezet naar een temperatuur. Een beknopt voorbeeld van een dergelijke tabel (per type sensor verschillend!): Ratio
0,1
0,5
1
2
5
10
50
80
=>
=>
=>
=>
=>
=>
=>
=>
Bijbehorende Temperatuur
5000°C
4000°C
2800°C
1500°C
700°C
600°C
400°C
300°C
Voorbeeld 2: Als we de Planck curves bekijken, en in het onderstaande voorbeeld de 1000K lijn volgen, zien we bij verlagen van de E waarde (of een object kleiner dan de meetspot, of damp, rook of andere obstructies) dat de afgegeven energie van het 1000K object vermindert (A), maar dat de ratiopyrometer een gelijke waarde houdt (5,0) en dus de temperatuur goed blijft weergeven. BLWVISSER | © B.L.W. Visser www.blwvisser.eu 6 [IR THEORIE B.L.W. VISSER BW ] 1 augustus 2011 Wanneer passen we een ratio pyrometer toe? 1. Als het object kleiner is dan de volle meetspot 2. Als het object niet volledig te zien is 3. Bij verminderd “zicht” door rook, damp of stof. 4. Als we kleine deeltjes willen meten tegen een koude achtergrond 5. Bij wisselende emissiviteit 6. Bij een lage emissiviteit 7. Als de metingen met een 1 kleuren pyrometer teveel variëren Voorwaarden: 1. Temp > 400°C (eventueel 250°C, dit is een dure oplossing) 2. Brekingsindex van eventuele vensters of damp mogen voor de 2 golflengtes niet teveel varieren 3. Achtergrondtemperatuur moet ruim afwijken van te meten temperatuur 4. Praktijktest is gewenst 5. Vraag onze specialisten om advies Een volledig overzicht van alle mogelijke Ircon of Raytek pyrometers is te vinden op de website van B.L.W. Visser. Ook is aangegeven welke van deze sensor de ratio pyrometer zijn! Voor specificaties zie onze website op www.blwvisser.eu en kies voor producten of toepassingen en sensor selector. N.B.: Een Ratio Pyrometer is vaak ook als 1 color pyrometer te gebruiken. Het temperatuurbereik wordt dan vaak vergroot! BLWVISSER | © B.L.W. Visser www.blwvisser.eu 7 [IR THEORIE B.L.W. VISSER BW ] 1 augustus 2011 Voorbeeld van de invloed van de Emissiviteitswaarde op de afgegeven energie: E = 1 Black‐body spectrum E = 0,1 Grey‐body spectrum ©B.L.W. Visser Cromhoffsbleekweg 146 7513EW ENSCHEDE +31 534319661 www.blwvisser.eu [email protected] BW Enschede 2011. BLWVISSER | © B.L.W. Visser www.blwvisser.eu 8