eng
Pyrometri mittaa lämpötilaa – erityisesti esineiden ja pintojen lämpötilaa ilman fyysistä kosketusta. Toisin kuin tavanomaiset lämpömittarit, joiden on kosketettava mittaamaansa, pyrometrit havaitsevat kohteen lähettämän lämpösäteilyn ja muuntavat signaalin lämpötilalukemaksi. Tämä kosketukseton ominaisuus tekee niistä välttämättömiä ympäristöissä, joissa suora mittaus on mahdotonta, epäkäytännöllistä tai vaarallista, kuten uuneissa, liikkuvissa koneissa tai sulassa metallissa.
Perusperiaate: mitä pyrometri todella havaitsee
Jokainen absoluuttisen nollapisteen (−273,15°C) yläpuolella oleva esine lähettää sähkömagneettista säteilyä lämpötilansa funktiona. Kun esine kuumenee, se lähettää enemmän säteilyä ja lyhyemmillä aallonpituuksilla – tästä syystä teräspala hehkuu himmeän punaisena, sitten kirkkaan oranssina ja sitten lähes valkoisena, kun sitä kuumennetaan asteittain. Pyrometri kaappaa tämän emittoidun säteilyn, tyypillisesti infrapuna- tai näkyvässä spektrissä, ja laskee sen avulla kohteen pintalämpötilan.
Taustalla olevaa fysiikkaa hallitsevat Planckin laki ja Stefan-Boltzmannin laki, jotka kuvaavat tarkkaa suhdetta lämpötilan ja emittoidun säteilyn intensiteetin ja aallonpituuden välillä. Pyrometrin anturi ja elektroniikka soveltavat näitä periaatteita reaaliajassa muuntaakseen säteilymittauksen käyttäjälle näytettäväksi lämpötila-arvoksi.
Pyrometrien tyypit ja mitä kukin mittaa
Optiset pyrometrit (kirkkauspyrometrit)
Optiset pyrometrit mittaavat lämpötilaa vertaamalla kuuman esineen lähettämää näkyvää valoa kalibroituun sisäiseen referenssiin - tyypillisesti lämmitettyyn filamenttiin. Käyttäjä säätää hehkulangan virtaa, kunnes hehkulanka näyttää katoavan hehkuvaa kohdetta vasten, mikä osoittaa kirkkauden vastaavuutta. Siinä vaiheessa hehkulangan lämpötila - ja siten tavoitelämpötila - luetaan kalibroidulta asteikolta.
Optiset pyrometrit ovat tehokkaimpia alueella noin 700 °C - yli 3000 °C, ja ne kattavat sovellukset, kuten teräksen ja lasin valmistuksen, keraamiset uunit ja korkean lämpötilan materiaalien tutkimuksen. Ne mittaavat lämpötilaa emittoituneen näkyvän säteilyn perusteella ja ovat suurelta osin manuaalisia laitteita, vaikka nykyaikaisissa versioissa on elektroniset ilmaisimet, jotka automatisoivat täsmäysprosessin.
Infrapunapyrometrit (säteilylämpömittarit)
Infrapunapyrometrit ovat nykyään yleisimmin käytetty tyyppi. Ne mittaavat infrapunasäteilyä, jonka pinta säteilee määritellyllä aallonpituuskaistalla ja muuntaa sen lämpötilalukemaksi elektronisesti. Ne toimivat valtavalla alueella – reilusti pakkasen alapuolelta (jotkut mallit ovat -50°C) useisiin tuhansiin celsiusasteisiin, mikä tekee niistä monipuolisia lähes kaikilla toimialoilla.
Kädessä pidettävät infrapunapyrometrit ovat tuttuja työkaluja kunnossapidossa, LVI-, elintarviketurvallisuus- ja sähkötarkastuksessa. Kiinteät tai pyyhkäisevät infrapunapyrometrit on integroitu teollisiin tuotantolinjoihin valvomaan jatkuvasti liikkuvien tuotteiden, kuten metallilevyjen, paperin, lasin ja muovin, lämpötiloja.
Suhdepyrometrit (kaksiväriset pyrometrit)
Suhdepyrometrit mittaavat säteilyä kahdella eri aallonpituudella ja laskevat niiden välisen suhteen lämpötilan määrittämiseksi. Koska suhde on suurelta osin riippumaton vastaanotetun säteilyn kokonaismäärästä, nämä instrumentit ovat paljon vähemmän herkkiä pölylle, savulle, höyrylle tai kohteen osittaiselle tukkeutumiselle - olosuhteille, jotka heikentävät yhden aallonpituuden pyrometrien tarkkuutta.
Suhdepyrometrit ovat erityisen arvokkaita ankarissa teollisuusympäristöissä, kuten valimoissa, takomoissa ja sementtiuuneissa, joissa mittausrata on harvoin puhdas. Ne mittaavat lämpötilaa tehokkaasti, vaikka vain murto-osa kohteesta näkyy instrumentin näkökentässä.
Kadonneet filamenttipyrometrit
Optisen pyrometrin erityinen muoto, katoava filamenttityyppi vertaa hehkulampun hehkulangan kirkkautta kohteen hehkuun. Kun hehkulangan virta säädetään vastaamaan kohteen kirkkautta, hehkulanka sulautuu visuaalisesti taustaan ja näyttää katoavan. Tämä nollasovitustekniikka tarjoaa korkean tarkkuuden ja oli historiallisesti vertailustandardi korkeiden lämpötilojen mittauksille ennen kuin elektroniset instrumentit tulivat hallitsevaksi.
Emissiivisuuden rooli pyrometrimittauksissa
Emissiivisyys on yksi tärkeimmistä – ja useimmiten väärinymmärretyistä – tekijöistä pyrometrimittauksissa. Se kuvaa kuinka tehokkaasti pinta emittoi lämpösäteilyä verrattuna täydelliseen teoreettiseen emitteriin, joka tunnetaan nimellä musta kappale, jonka emissiokyky on 1,0. Oikeiden materiaalien emissiivisyys on välillä 0 ja 1, ja tämä arvo vaihtelee materiaalin, pinnan viimeistelyn ja tasaisen lämpötilan mukaan.
Kiillotetun alumiinipinnan emissiokyky voi olla noin 0,05, mikä tarkoittaa, että se lähettää vain 5 % säteilystä, jonka täydellinen musta kappale antaisi samassa lämpötilassa. Lasittamaton keraaminen pinta voi olla lähellä 0,95. Jos pyrometri on asetettu väärään emissiivisyysarvoon, lämpötilalukema voi olla merkittävästi virheellinen – joskus satoja asteita.
Useimmat nykyaikaiset infrapunapyrometrit antavat käyttäjälle mahdollisuuden säätää emissiivisyysasetusta kohdemateriaalin mukaan. Tarkka mittaus riippuu mitattavan pinnan emissiivisyyden tuntemisesta, joka löytyy julkaistuista vertailutaulukoista tai määritetään kokeellisesti käyttämällä kontaktilämpömittaria vertailua varten. Suhdepyrometrit kiertävät osittain tämän ongelman luottamalla kahden aallonpituuden suhteeseen absoluuttisen intensiteetin sijaan, mikä tekee niistä vähemmän herkkiä emissiokyvyn epävarmuudelle.
Lämpötila-alueet Pyrometreillä voidaan mitata
Yksi pyrometrien tärkeimmistä eduista kontaktilämpömittareihin verrattuna on niiden kyky mitata erittäin laajalla lämpötila-alueella. Tavalliset teollisuusinfrapunapyrometrit kattavat tyypillisesti alueet, kuten 0°C - 1000°C tai −50°C - 500°C mallista riippuen. Teräs-, lasi- ja keramiikkateollisuudelle suunnitellut korkean lämpötilan pyrometrit mittaavat rutiininomaisesti jopa 2 000 °C tai yli. Äärimmäisessä päässä tutkimus- ja puolustussovelluksissa käytetyt optiset pyrometrit voivat mitata yli 3 000 °C lämpötiloja, mikä ylittää minkään lämpöparin tai vastuslämpömittarin kyvyn.
Spektrin alapäässä erittäin herkät infrapunailmaisimet mahdollistavat joidenkin pyrometrien mittaamisen lähellä ympäristön tai jopa pakkasen lämpötiloja, mikä on hyödyllistä elintarvikkeiden jäähdytysten valvonnassa, lääkkeiden kylmäketjun hallinnassa ja rakennusten energiakatselmuksissa.
Teolliset sovellukset: mitä pyrometrit mittaavat käytännössä
Metallin tuotanto ja jalostus
Pyrometrit ovat perustyökaluja teräksen valmistuksessa, alumiinin sulatuksessa ja metallin takomisessa. Ne mittaavat sulan metallin lämpötilaa uuneissa ja valusanoissa, aihioiden ja laattojen pintalämpötilaa niiden kulkiessa valssaamojen läpi sekä valmiiden tuotteiden lämpötilaa lämpökäsittelyn ja hehkutuksen aikana. Tarkka lämpötilan säätö jokaisessa vaiheessa määrittää suoraan lopputuotteen metallurgiset ominaisuudet.
Lasin valmistus
Lasi on pidettävä tarkkojen lämpötilaikkunoiden sisällä muotoilun, hehkutuksen ja karkaisun aikana. Pyrometrit mittaavat sulan lasin lämpötilaa uunissa, lasinauhaa float-linjalla ja lasilevyjä, kun ne kulkevat hehkutusuunin läpi. Kosketusmittaus ei ole mahdollista sulasta tai liikkuvasta lasista, joten kosketukseton pyrometria on ainoa käyttökelpoinen tekniikka näissä mittauksissa.
Keramiikka ja uunit
Keramiikka, posliini, tulenkestävät tiilet ja edistynyt tekninen keramiikka poltetaan uuneissa yli 1 600 °C:n lämpötiloissa. Pyrometrit mittaavat lämpötilaa uunin sisällä ja itse astioiden lämpötilaa koko polttosyklin ajan, jolloin käyttäjät voivat varmistaa tasaisen lämpenemisen ja estää lämpöshokin tai alipolton.
Muovin ja kumin käsittely
Muovien ja kumin suulakepuristus, ruiskupuristus ja kalanterointi vaativat tarkan pintalämpötilan mittauksen tuotteen laadun varmistamiseksi ja hajoamisen estämiseksi. Infrapunapyrometrit mittaavat materiaalin lämpötilaa sen poistuessa muotista ja muoteista tai kun se liikkuu kuljetinjärjestelmiä pitkin, mikä antaa reaaliaikaista palautetta prosessin ohjaamiseen.
Sähköinen ja mekaaninen huolto
Kädessä pidettävät infrapunapyrometrit ovat vakiovarusteita sähkötarkastajille ja huoltoinsinööreille. Ne mittaavat kytkinlaitteiden, muuntajien, moottoreiden, laakereiden ja kaapeliliitosten pintalämpötilaa tunnistaakseen kuumat kohdat, jotka osoittavat viallisesta eristyksestä, ylikuormitetuista johtimista tai riittämättömästä voitelusta – ennen kuin vika ilmenee.
Elintarviketurvallisuus ja LVI
Elintarviketeollisuudessa pyrometreillä mitataan kypsennettyjen ja jäähdytettyjen tuotteiden pintalämpötilaa varmistaakseen elintarviketurvallisuuden vaatimustenmukaisuuden tuotteen saastuttamatta. Talotekniikassa ne mittaavat putkipintojen, lämpöpatterien, ilmakanavien ja eristeiden lämpötilaa lämmitysjärjestelmän suorituskyvyn arvioimiseksi ja lämpöhäviöiden tunnistamiseksi.
Pyrometrien edut kontaktilämpömittareihin verrattuna
Pyrometrian kosketukseton luonne tarjoaa useita käytännön etuja fysikaalisten vaarojen välttämisen lisäksi. Pyrometreillä voidaan mitata liikkuvia kohteita, joita lämpöpari ei voi seurata, mitata hyvin pieniä kohteita imemättä niistä lämpöä ja reagoida lähes välittömästi lämpötilan muutoksiin – millisekuntien vasteajat ovat yleisiä verrattuna materiaaliin upotettujen termoparien sekunteihin.
Pyrometrit eliminoivat myös riskin saastuttaa herkkiä materiaaleja anturin kosketuksella, mikä on kriittistä puolijohteiden valmistuksessa, lääkejalostuksessa ja elintarviketuotannossa. Ne eivät vaadi kuluvia anturin kärkiä tai suojaputkia, mikä vähentää jatkuvia ylläpitokustannuksia suurien tuotantomäärien tuotantoympäristöissä.
Ymmärtämisen rajoitukset
Monipuolisuudestaan huolimatta pyrometreillä on tärkeitä rajoituksia. Ne mittaavat vain pintalämpötilaa – ne eivät voi määrittää kohteen sisälämpötilaa. Käyttökohteissa, joissa läpimittaiset lämpötilagradientit ovat merkittäviä, kuten paksuprofiilisissa takeissa tai valukappaleissa, voidaan silti tarvita täydentäviä kosketusmittausmenetelmiä.
Mittaustarkkuus riippuu suuresti oikeista emissiivisyysasetuksista, puhtaasta optisesta tiestä ja sopivasta kohteen koosta suhteessa instrumentin näkökenttään. Jos kohde on pienempi kuin mittauspiste, taustasäteily saastuttaa lukeman. Ympäristöissä, joissa on voimakasta hiukkaskontaminaatiota, höyryä tai välissä olevaa lasia, säteilysignaali vaimenee ja yhden aallonpituuden pyrometrit aliarvostavat todellisen lämpötilan.
Yhteenveto
Pyrometri mittaa esineiden ja pintojen lämpötilaa havaitsemalla niiden lähettämän lämpösäteilyn ilman fyysistä kosketusta. Tyypistä riippuen – optinen, infrapuna tai suhde – pyrometrit voivat mitata lämpötiloja pakkasesta yli 3 000 °C:een useissa teollisissa, tieteellisissä ja kunnossapitosovelluksissa. Niiden tarkkuus riippuu oikeista emissiivisyysasetuksista ja selkeästä näköyhteydestä kohteeseen, mutta näillä parametreilla ne ovat ainutlaatuisia laitteita kaikissa tilanteissa, joissa kosketuslämpömittari on epäkäytännöllistä, mahdotonta tai vaarallista.
