Zmienne wpływające na optykę

Bezkontaktowy pomiar temperatury opiera się na optycznej metodzie pomiaru. Właściwości optyczne pirometru mają duży i często niedoceniany wpływ na dokładność pomiaru. W wielu przypadkach podczas testowania niepewności pomiaru porównywane są tylko parametry określone w arkuszu danych. Jednak prosta, nieprawidłowo dobrana lub nieprawidłowo wyregulowana optyka może skutkować bardzo poważnymi błędami pomiarowymi. Poniższy raport wyjaśnia zasady i skutki aberracji optycznych oraz specyfikację parametrów optycznych pirometrów. Przedstawiono w nim sposób, w jaki sam użytkownik może kontrolować jakość optyki pirometru.

Aberracja sferyczna (błąd przysłony)
Promienie światła wpadające blisko krawędzi obiektywu są ogniskowane w innej odległości niż promienie światła wpadające od środka. W rezultacie obraz jest lekko rozmyty. Aberrację sferyczną można zmniejszyć w układach optycznych składających się z kilku soczewek, łącząc kilka powierzchni soczewek w odpowiedni sposób.

Aberracja chromatyczna (podłużna aberracja barwna)
Ogniskowa soczewek zależy od długości fali. Światło lub promieniowanie o różnych długościach fal jest ogniskowane w różnych punktach. Obraz obiektu pojawia się wtedy z kolorowymi krawędziami wokół obrazu. Aberrację chromatyczną można znacznie zmniejszyć, stosując układy optyczne skorygowane dla dwóch (achromat) lub trzech (apochromat) długości fal (rys. 2). Materiały, z których wykonane są soczewki, dobiera się w taki sposób, aby aberracje soczewek kompensowały się wzajemnie dla dwóch lub trzech długości fal.

Aby określić układ optyczny, określa się rozmiar plamki pomiarowej dla określonej odległości lub stosunek odległości, tj. stosunek odległości pomiarowej do średnicy pola pomiarowego.

Rozmiar plamki pomiarowej pirometrów opiera się na ustalonym procencie maksymalnej energii, która może być odbierana w półprzestrzeni. 100% odpowiada nieskończenie dużemu obiektowi pomiarowemu. Wielkość plamki pomiarowej jest zwykle odnoszona do 90, 95 lub 98% maksymalnej energii, która może być odebrana (rys. 3).

Jeśli składowa promieniowania jest odniesiona do 95% zamiast 90%, skutkuje to większym polem pomiarowym. Informacje na temat wielkości pola pomiarowego są zatem porównywalne tylko wtedy, gdy odnoszą się do tej samej wartości procentowej. Niektórzy producenci nie określają procentu promieniowania lub określają go jako niski. W rezultacie producenci ci udają bardzo małe pole pomiarowe w arkuszach danych, doskonale wiedząc, że musieliby podać znacznie większą wartość, gdyby zdefiniowali ją inaczej. Ponadto, niektórzy producenci określają wielkość pola pomiarowego bez uwzględnienia tolerancji obiektywu.

W przypadku pirometrów rozróżnia się urządzenia z optyką ogniskującą i optyką stałoogniskową. Pole pomiarowe jest ostre tylko w odległości ogniskowej. Jeśli pirometr jest używany poza zakresem ogniskowej, równomierny rozkład promieniowania podczerwonego na czujniku nie jest już gwarantowany (rys. 4).

Promieniowanie odbierane przez powierzchnię pomiarową jest następnie wykrywane w różnym stopniu. Zmiany temperatury w centrum mają większy wpływ niż w obszarze peryferyjnym pola pomiarowego.

Ma to szczególny wpływ na kalibrację pirometru przed "czarnym ciałem". Otwór pieca musi być kilka razy większy niż pole pomiarowe pirometru. W przypadku urządzeń z prostym układem optycznym i dużym polem pomiarowym, jako źródło kalibracji należy stosować bardzo duże promienniki w celu zmniejszenia błędów pomiarowych, które mogą wystąpić podczas kalibracji. Jest to jedno z głównych źródeł błędów powodujących wysoką niepewność pomiarową tanich urządzeń.

Szczególnie w przypadku małych obiektów pomiarowych, które są tylko nieznacznie większe od obszaru pomiarowego pirometru, nieprawidłowe ustawienie ostrości może prowadzić do znacznych błędów pomiarowych. Jednak nawet jeśli pirometr patrzy na mierzony obiekt przez otwory, wzierniki, ściany pieca lub rury wziernikowe, źle wyregulowana optyka lub nieprawidłowe ustawienie ostrości może szybko doprowadzić do zwężenia stożka widzenia, a tym samym do nieprawidłowych pomiarów. Jeśli pomiary są wykonywane na obiektach, które są znacznie większe niż pole pomiarowe pirometru, wyświetlana temperatura zmieni się przy prostej optyce, jeśli zmieni się rozmiar obiektu pomiarowego lub odległość pomiarowa. Rys. 5 przedstawia porównanie zredukowanego wyświetlania wartości mierzonej dla wysokiej jakości i prostego układu optycznego w odniesieniu do średnicy obiektu pomiarowego. W przypadku prostego układu optycznego zmierzona wartość znacznie spada, gdy zmienia się rozmiar celu. Zmiana odległości pomiarowej ma taki sam efekt przy stałym rozmiarze obiektu. Oznacza to, że urządzenia z prostą optyką wyświetlają różne wartości pomiarowe przy różnych odległościach pomiarowych. To źródło błędu należy wziąć pod uwagę, zwłaszcza w przypadku korzystania z prostych urządzeń ręcznych, które z pewnością są używane w różnych odległościach. Efekt ten nazywany jest efektem wielkości źródła (SSE) i jest mniej lub bardziej znaczącym źródłem błędu we wszystkich pirometrach. Przyczynami są błędy obrazowania w optyce, rozproszenie światła i odbicie od elementów optycznych i części obudowy, a także dyfrakcja spowodowana falową naturą światła. Efekt wielkości źródła maleje wraz ze zmniejszaniem się długości fali pomiarowej. Wpływ ten można zminimalizować poprzez staranną korektę błędów obrazowania optycznego, stosowanie antyrefleksyjnych elementów optycznych oraz unikanie światła rozproszonego i odbić w urządzeniu. W praktyce użytkownik może zminimalizować ten błąd poprzez precyzyjne ustawienie odległości pomiarowej.

W zależności od temperatury, promieniowanie podczerwone emitowane przez obiekt pomiarowy mieści się w zakresie długości fal od 0,6 do 20 µm, tj. zwykle powyżej światła widzialnego. Po pierwsze, oznacza to, że optyka musi być skorygowana pod kątem zakresu długości fal używanego przez pirometr. Jeśli użytkownik chce ustawić ostrość wizualnie lub urządzenia są wyposażone w kamerę wideo jako pomoc w obserwacji, optyka musi być zaprojektowana w taki sposób, aby błędy obrazowania optycznego były korygowane jednakowo dla obu zakresów długości fal widzialnych i podczerwonych. W prostych urządzeniach stosowane są soczewki, które nie są korygowane kolorystycznie lub są korygowane tylko dla jednej długości fali. W takim przypadku ogniska promieniowania podczerwonego i widzialnego nie pokrywają się (rys. 2). Jeśli pirometr jest ogniskowany za pomocą urządzenia celowniczego, nie jest on optymalnie ogniskowany dla promieniowania podczerwonego.

Szczególnie w przypadku stosowania laserów do wyświetlania punktu pomiarowego, punkt laserowy nie odpowiada odległości pomiarowej za pomocą prostych soczewek.

Błędy te można wyeliminować w miarę możliwości tylko za pomocą optycznie złożonych systemów z dwoma lub trzema soczewkami. Na przykład pirometry z serii CellaTemp PA mają wysokiej jakości precyzyjny układ optyczny z szerokopasmowym systemem soczewek antyrefleksyjnych.

Oznacza to, że nawet przewody o średnicy 0,3 mm mogą być prawidłowo mierzone pod względem temperatury.

Właściwości obrazowania pirometru mogą być łatwo sprawdzone przez użytkownika. W tym celu pirometr jest ustawiany w jednej linii ze zdefiniowanym źródłem promieniowania.

Rozmiar obszaru promieniowania powinien być kilka razy większy niż pole pomiarowe pirometru. Teraz należy ustawić otwartą przesłonę irysową w odległości ogniskowej (a) pirometru przed źródłem promieniowania i użyć pirometru do określenia temperatury przy ustawieniu emisyjności ε = 1 (rys. 6). Zaleca się przeprowadzenie pomiaru na końcu zakresu pomiarowego pirometru, ponieważ błędy pomiaru optycznego stają się bardziej widoczne w wyższych temperaturach. Emisyjność pirometru powinna być wówczas ustawiona na 0,98, co prowadzi do zwiększenia wskazania temperatury.

Następnie należy zmniejszyć średnicę przysłony, aż wyświetlana temperatura ponownie osiągnie pierwotną wartość. Średnica otworu przysłony odpowiada wówczas wielkości pola pomiarowego w odniesieniu do 98% energii promieniowania. Stosunek do odległości pomiarowej a daje współczynnik odległości D = . Pomiar ten należy następnie powtórzyć dla wielkości pola pomiarowego wynoszącej 95% i 90%, a wynik porównać ze specyfikacjami podanymi w broszurze producenta.

W ten sposób można bardzo łatwo sprawdzić i porównać rzeczywiste optyczne właściwości obrazowania, w tym wpływ błędów obiektywu, różnych urządzeń.

Na przykład rysunek 7 przedstawia średnice obiektów pomiarowych dla 90% i 95% energii promieniowania. W odniesieniu do 90%, różnice w rozmiarach pola pomiarowego są nadal stosunkowo niewielkie i wynoszą Ø 14 mm dla prostego układu optycznego i Ø 10,2 mm dla wysokiej jakości układu optycznego. Jednak przy 95% (Ø 24 mm dla prostego układu optycznego i Ø 11,5 mm dla wysokiej jakości układu optycznego) wartości są już bardzo różne. Aby móc określić lepszą (mniejszą) wartość dla średnicy pola pomiarowego, niektórzy producenci wolą określić wartość dla mniejszej wartości referencyjnej promieniowania (np. 90%). Sprawia to, że prosty system optyczny wydaje się być znacznie lepszy niż jest w rzeczywistości.

W przypadku pirometrów ze światłem pilotującym, kamerą wideo lub przeziernikiem, test może być również wykorzystany do określenia, czy odległość ogniska od pola pomiarowego i pola widzenia jest identyczna oraz czy oznaczenie pola pomiarowego rzeczywiście odpowiada położeniu i rozmiarowi powierzchni pomiarowej pirometru.

Przy wyborze pirometrów, oprócz porównania parametrów metrologicznych, należy również dokładnie porównać właściwości optyczne. Ponieważ informacje dostarczane przez niektórych producentów w ich broszurach są niestety często niewystarczające, należy szczegółowo zapytać, w jaki sposób określono określone pole pomiarowe i czy w specyfikacji uwzględniono błędy obiektywu i tolerancje wyrównania. Porównanie różnych pirometrów jest możliwe tylko wtedy, gdy specyfikacje optyczne i wartości referencyjne są identyczne. W krytycznych przypadkach należy samodzielnie sprawdzić jakość i specyfikację informacji w broszurze, jak opisano powyżej, aby zachować bezpieczeństwo. W końcu jaki jest pożytek z pirometru, którego niepewność pomiaru elektrycznego jest znacznie mniejsza niż 1%, ale z drugiej strony użycie prostych soczewek i ustawień optycznych skutkuje znacznie większymi błędami pomiaru?