Skomentuj 
Podziel się!
Udostępnij
Twittnij
Wyślij
Drukuj
W artykule omówiono badanie wpływu ustawień emisyjności cieplnej dla wybranego termometru bezkontaktowego (pirometru) na odczyt temperatury i błąd pomiaru.
Podano w nim, jak na podstawie własnych badań sprawdzono właściwości wybranego pirometru pod tym względem. Zbadano różne materiały, określono ich emisyjność i zmierzono temperaturę bezkontaktow, a także za pomocą termopary. Wyniki pomiarów przedstawiono w postaci tabeli.
1. Wprowadzenie
Temperatura jest wielkością fizyczną wpływającą na zjawiska fizyczne, procesy fizjologiczne, technologiczne i cieplne [1]. Stanowi jeden z najważniejszych parametrów badań naukowych. Kontrola temperatury gwarantuje bezpieczne użytkowanie wszelkich urządzeń i aparatury. Dokładny pomiar temperatury, a niekiedy jej stałość ma zasadniczy wpływ na wyniki prowadzonych badań. Miarą temperatury może być każdy parametr ciała zmieniający swoją wartość w funkcji temperatury. Ogólnie znane i powszechnie stosowane są pomiary temperatury za pomocą termometrów rtęciowych, termoelementów, termometrów oporowych i manometrycznych.
Wymienione przyrządy mają szereg wad - mogą być stosowane tylko w wąskim zakresie pomiarowym, nieprzekraczającym zwykle 1200 oC.
Przyrządami pozbawionymi wymienionych wad są pirometry i kamery termowizyjne. Są one przystosowane do bezstykowego pomiaru temperatury. W pirometrach i kamerach termowizyjnych temperaturę wyznacza się na podstawie promieniowania temperaturowego wysyłanego przez badany obiekt, zarówno w zakresie promieniowania jak i części promieniowania podczerwonego.
Pirometry i kamery termowizyjne mają szereg zalet, które kwalifikują je do grupy przyrządów uniwersalnych - nie wprowadzają zakłóceń w mierzone pole temperaturowe, mogą być stosowane do nieograniczenie wysokiej temperatury, do pomiarów płomieni i gazów. Mają małą bezwładność cieplną, dużą dokładność, a sygnał otrzymywany z tych urządzeń jest zazwyczaj przystosowany do współpracy z układami rejestracji, sterowania i automatyzacji procesów technologicznych [2].
2. Cel badań
W pomiarach bezstykowych temperatury stosuje się pomiar promieniowania cieplnego generowanego przez badany obiekt.
Każde ciało ma charakterystyczną zdolność do emisji takiego promieniowania. Można określić parametr opisujący to zjawisko jako względną zdolność emisyjną [3-5]. Jest to zależność między promieniowaniem ciała doskonale czarnego i badanego ciała. Ciało doskonale czarne ma największą zdolność emisyjną.
Parametr względnej zdolności emisyjnej przyjmuje wartości od 0 (dla ciała, które praktycznie nie generuje promieniowania) do 1 (dla ciała doskonale czarnego, które promieniuje maksymalną wartość). Opisuje on emisję cieplną danego obiektu. Jest ustawiany w kamerach termowizyjnych oraz w niektórych termometrach bezkontaktowych i wpływa znacząco na wynik pomiaru temperatury. Jeżeli zostanie niewłaściwie dobrany, spowoduje powstanie błędu pomiaru temperatury. Należy go wówczas uwzględniać.
Emisyjność to cecha danego materiału, a w szczególności struktury jego powierzchni. Istnieją powszechnie dostępne tabele, w których zawarto orientacyjne wartości względnej zdolności emisyjnej [6-9]. W wielu termometrach bezkontaktowych jest on ustalony sztywno jako 0,95. Wynika to z faktu, że najwięcej materiałów ma właśnie taką emisyjność.
Celem badań było przeprowadzenie pomiarów, które umożliwiły by sprawdzenie, jak ustawienie emisyjności w termometrze bezkontaktowym wpłynie na wartość odczytu temperatury.
W artykule przedstawiono wyniki pomiarów temperatury powierzchni obiektów wykonanych z różnych materiałów zrealizowane za pomocą termometru bezkontaktowym oraz ich porównanie z wynikami uzyskanymi na drodze pomiaru za pomocą termopary. Zastosowany termometr umożliwiał ustawianie emisyjności w zakresie od 0,1 do 1 z rozdzielczością 0,1.
Dokładność pomiaru zdefiniowano jako 2% lub 2 oC, a rozdzielczość wynosi 0,1 oC. Zakres widma przyjmuje wartości z zakresu od 8 μm do 14 μm.
3. Wyniki badań
Podczas eksperymentu przeprowadzono pomiary temperatury różnych powierzchni badanych obiektów - elementów wykonanych z wybranych materiałów. Przeprowadzono badania dla szeregu nastaw emisyjności w termometrze bezdotykowym - 0,1; 0,3; 0,6; 0,9; 0,95; 1,0. Ponadto przeprowadzono pomiary temperatury powierzchni za pomocą termometru z termoparą typu K (dokładność 2%, rozdzielczość 0,1 oC) w temperaturze pokojowej (20 oC), przyjmując wynik uzyskany w tej temperaturze jako wartość odniesienia. Na podstawie dostępnych danych [6-9] przyjęto typowe wartości emisyjności dla badanych obiektów.
Po wykonaniu pomiarów przeprowadzono analizę otrzymanych rezultatów. W tabeli 1 zestawiono wyniki badań. Zauważono, że generalnie najbardziej zbliżone wyniki w odniesieniu do pomiaru temperatury powierzchni za pomocą termopary otrzymano dla ustawienia emisyjności o wartości zbliżonej do 1, zarówno dla materiałów o bardzo małej, jak i o dużej emisyjności.
Wraz ze zmniejszaniem nastaw emisyjności w pirometrze, otrzymane rezultaty znacząco odbiegały od wyników pomiaru otrzymanych za pomocą termopary. Przy ustawieniach emisyjności na poziomie 0,1 zauważono bardzo duże odstępstwa. Odczyty temperatury dla ciał o bardzo niskiej emisyjności (określonej na podstawie tabel [6-9]) były na tyle odbiegające od pomiarów temperatury powierzchni termoparą, że należało je uznać za całkowicie błędne.
4. Podsumowanie i wnioski
Przeprowadzone badania eksperymentalne pozwalają wnioskować, że badany termometr bezkontaktowy (pirometr), mimo wbudowanej funkcjonalności umożliwiającej ustawianie emisyjności badanych materiałów, podczas pomiarów temperatury obiektów o bardzo niskiej emisyjności (i jej zaprogramowaniu w termometrze) nie wskazuje poprawnych wartości. Nie można na tej podstawie stwierdzić, że wszystkie urządzenia tego typu mierzą niepoprawnie. Dopuszcza się bowiem rozrzut wyników pomiaru w przedziale o promieniu równym niepewności pomiaru wokół wartości średniej (z założonym prawdopodobieństwem). Dlatego należy przyjąć, że ten konkretny model cechuje się niepoprawnością odczytów w rozpatrywanym zakresie. Ma to miejsce dla obiektów o małej emisyjności. Testowany przyrząd należy do grupy urządzeń tanich i jest powszechnie dostępny w sprzedaży.
Należy przyjąć, że przed wykonaniem pomiarów urządzeniem tego typu, wyposażonym w możliwość nastawiania emisyjności, konieczne jest wykonanie kalibracji. Następnie trzeba ocenić krytycznie, czy otrzymane wyniki mieszczą się w granicach niepewności przyrządu, podanych przez producenta.
Bibliografia
1. Miłek M., Metrologia elektryczna wielkości nieelektrycznych, Uniwersytet Zielonogórski, Zielona Góra 2006.
2. Minkina W., Pomiary termowizyjne: przyrządy i metody, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, 2004.
3. Mazikowski A., Bezkontaktowe, wielopasmowe pomiary emisyjności, "Elektronizacja: podzespoły i zastosowania elektroniki", Nr 7-8, 2002, 29-31.
4. Piątkowski T., Madura H., Chmielewski K., Precyzyjne pomiary temperatury powierzchni metali pirometrem trzypasmowym, "Prace Instytutu Elektrotechniki", zeszyt 234, 2008.
5. https://pl.wikipedia.org/wiki/Zdolność_emisyjna 6. http://www.remes.gda.pl/wp-content/uploads/2013/11/ Tabela-emisyjności.pdf 7. http://www.mera-sp.com.pl/rozwiazania/wiecej/pirometry- poradnik-uzytkowania 8. http://termo-sfera.pl/termowizja/przykladowe-wartosci- -wspoczynnikow-emisyjnosci.html 9. http://www.kameratermowizyjna.com/pliki_do_pobrania_ files/tabele%20wspoczynnika%20emisyjnosci.pdf
1
KOMENTARZE (0)
Do artykułu: Wpływ ustawień emisyjności w termometrze bezdotykowym na wynik pomiaru temperatury