Het handhaven van de juiste temperaturen in industriële productieprocessen is van vitaal belang voor zowel de efficiëntie als de kwaliteit van het eindproduct. Contactloze infrarood thermometers worden beschouwd als een nauwkeurige en betrouwbare meettechnologie, omdat ze geen invloed hebben op het te meten object. Om deze temperaturen effectief te monitoren en te regelen, is een nauwe samenwerking tussen producenten en klanten essentieel, waarbij basiskennis van deze meettechniek van cruciaal belang is. Dit artikel verklaart belangrijke parameters zoals emissie en reflectie, en hoe deze van invloed kunnen zijn op het meten van metalen, terwijl het ook benadrukt dat betrouwbare en reproduceerbare contactloze metingen mogelijk zijn, zelfs in deze context.
Waarom zou je kiezen voor infraroodmetingen?
Naast tijd is temperatuur een van de meest gemeten fysieke eigenschappen. Infrarood temperatuurmetingen geven temperaturen weer op basis van de infraroodstraling die door het object wordt uitgezonden, zonder dat er contact hoeft te worden gemaakt met het object.
De voordelen van contactloze temperatuurmetingen zijn overduidelijk:
- - Niet-destructief meten
- - Niet-interactief meten, zonder invloed op het meetobject
- - Temperatuurmetingen van bewegende objecten
- - Zeer korte meet- en reactietijden, waardoor tijd wordt bespaard
- - Temperatuurmetingen van (zeer) hete objecten (tot 3000⁰ C)
- - Temperaturen meten van gevaarlijke of moeilijk bereikbare objecten
- - Geen slijtage, dus een langere levensduur van het meetpunt
Infraroodstraling, wat is het en hoe gebruik je het?
Wanneer lichamen hoge temperaturen bereiken, boven de 600⁰ C, kunnen ze van rood naar wit gloeien. Dit fenomeen is al eeuwenlang bekend bij ervaren staalwerkers, die op basis van de kleur van het gloeien de temperatuur vrij nauwkeurig konden schatten. Dit komt doordat lichamen bij dergelijke hoge temperaturen nog steeds een kleine hoeveelheid zichtbare straling uitzenden. Elk object met een temperatuur boven het absolute nulpunt van 0 K (-273,15 ° C) zendt elektromagnetische straling uit, waarbij een deel van deze straling bestaat uit infrarode straling. Deze infrarode straling bevindt zich onder het zichtbare, rode licht en is theoretisch gezien evenredig met de temperatuur van het object.
Infrarode straling gedraagt zich op vergelijkbare wijze als licht en kan door de atmosfeer reizen. Met behulp van een lens (input optics) kan deze straling worden gefocust op een detectorelement (sensor). Het detectorelement genereert vervolgens een elektrisch signaal dat proportioneel is aan de ontvangen straling en dus aan de temperatuur van het object. Door middel van digitale signaalverwerking (Electronics) wordt dit detectorsignaal versterkt en omgevormd tot een bruikbaar uitgangssignaal dat de gemeten temperatuur weergeeft.
Om de meetresultaten door te geven aan besturingssystemen, zijn gestandaardiseerde uitgangen beschikbaar in de vorm van 0 / 4-20 mA, 0-10 V en een thermokoppelsignaal. Bovendien bieden moderne infrarood thermometers digitale interfaces (USB, RS232, RS485) voor verdere digitale signaalverwerking en om toegang te krijgen tot de apparaatparameters.
Infrarood straling en emissiviteit
Hoewel IR-straling niet zichtbaar is voor het menselijk oog, kunnen we het ons voorstellen als een vorm van onzichtbaar licht. Dit helpt ons om te begrijpen hoe een pyrometer werkt en om de verschillende toepassingen en vragen die daaruit voortkomen beter te begrijpen. In veel opzichten gedraagt IR-straling zich net als zichtbaar licht. Het beweegt zich in rechte lijnen vanuit een bron en kan worden weerkaatst of geabsorbeerd door obstakels op zijn pad. De meeste objecten die ondoorzichtig zijn voor het menselijk oog zullen een deel van de infraroodstraling absorberen en een ander deel reflecteren. Deze objecten zullen op hun beurt een deel van de ontvangen energie uitstralen en intern reflecteren. Zelfs materialen die als transparant worden beschouwd, zoals glas, gassen en dunne plastic films, zullen een deel van de infraroodstraling absorberen en een ander deel doorlaten. Al deze eigenschappen dragen bij aan wat bekend staat als de emissiviteit van een object of oppervlak.
De stralingswet van Planck
Bij temperaturen boven het absolute nulpunt van 0 K (-273,15 ° C) straalt elk object elektromagnetische straling uit. De stralingswet van Planck biedt een schitterende beschrijving van dit fenomeen en illustreert de essentiële correlatie voor contactloze temperatuurmetingen. Deze wet onthult hoe de spectrale specifieke straling (Mλs) van een 'ideaal' (theoretisch perfect) lichaam, ook wel bekend als een black body, afhangt van zowel de temperatuur T als de golflengte λ. De Planck kromme geeft boeiend inzicht in de spectrale emissie Mλs van een black body bij verschillende temperaturen, waarbij elk temperatuurvoorbeeld op een logaritmische manier aangeeft hoe de emissie varieert afhankelijk van de golflengte.
De black body
Een black body, zwarte straler, is de basis voor het begrijpen van de fysische grondbeginselen van contactloze temperatuur meting en voor het kalibreren van infraroodthermometers. Dit is een ’geïdealiseerd’ (theoretisch volmaakt) lichaam dat alle, op hem vallende, elektromagnetische straling absorbeert. Het reflecteert niets en laat niets door. Een 'zwarte straler' zendt altijd op alle golflengten uit. Het is een ‘ideale uitzender’ en zendt, bij gegeven temperatuur, de maximaal mogelijke hoeveelheid energie per oppervlakte-eenheid uit op elke golflengte.
De grey body
Er zijn maar weinig objecten die voldoen aan het ideale black body concept. Vaak stralen objecten veel minder warmte uit bij dezelfde temperatuur. De verhouding tussen de werkelijke straling en die van een ideale black body wordt emissiviteit ε genoemd. Deze waarde varieert tussen nul en één. Objecten met een emissiviteit van minder dan 1 worden grey bodies genoemd. Objecten waarvan de emissiviteit ook afhangt van de temperatuur en golflengte worden non-grey bodies of selectieve emitters genoemd.
De non-grey body (selectieve stralers)
Niet-grijze lichamen of selectieve stralers zoals glas en plastic, maar ook metalen oppervlakken, hebben een emissiviteit die afhankelijk is van zowel de temperatuur als de golflengte. Door de golflengte van de meting te veranderen, kunnen sommige objecten meer of minder doorzichtig zijn bij bepaalde golflengten en ondoorzichtig bij andere golflengten. Verschillende materialen zullen daarom over het algemeen verschillende emissiewaarden hebben. Dit benadrukt het belang van emissiviteit als cruciale parameter bij het meten van temperaturen met behulp van infraroodtechnologie. Een nauwkeurige temperatuurmeting is alleen mogelijk wanneer de specifieke emissie van het object bekend is en correct wordt toegepast.