• darkblurbg
    Welkom bij JOPOS Techniek
  • darkblurbg
  • darkblurbg

Uitleg infrarood

Introductie

Binnen bijna alle industriële productiestappen is het handhaven van temperaturen een proces- en kwaliteitsbepalende factor. Contactloze infrarood thermometers hebben zichzelf daarbinnen gevestigd als betrouwbare meettechnologie omdat ze het te meten object niet beïnvloeden.Een goede bewaking en regeling van procestemperaturen vereist een zeer goede begeleiding door de producent maar ook basiskennis met betrekking tot deze meettechniek bij de klant. Belangrijke parameters, zoals emissie en reflectie, alsmede hieruit resulterende meetfouten, worden in het volgende artikel uitgelegd.Ook zal er worden aangetoond welke invloed ze hebben op het meten van metalen en waarom een ​​betrouwbare en reproduceerbare, contactloze, meting hier ook mogelijk is. 

Waarom infrarood meten?

Naast tijd is temperatuur de meest gemeten fysieke eigenschap.Infrarood temperatuurmetingen definiëren temperaturen door de infraroodstraling die door het object wordt afgegeven, zonder contact te maken met het object. 

De voordelen van contactloze temperatuurmeting zijn duidelijk:

  • Niet-destructieve meting

  • Niet-interactieve meting, geen invloed op het meetobject

  • Temperatuurmetingen van bewegende objecten

  • Zeer korte meet- en reactietijden waardoor tijd bespaart wordt

  • Temperatuurmetingen van (te) hete objecten (boven 1300⁰ C)

  • Temperaturen van gevaarlijke of moeilijk bereikbare objecten

  • Levensduur van het meetpunt, geen  slijtage 

Infrarood, wat is dat en hoe kunnen we dat gebruiken?

Lichamen met hoge temperaturen, boven 600⁰ C, kan men zien gloeien van rood naar wit. Ervaren staalwerkers konden de temperatuur vanaf de kleur zelf vrij nauwkeurig schatten. Dit is omdat lichamen bij deze hoge temperatuur nog steeds een kleine hoeveelheid zichtbare straling uitzenden.Elk lichaam met een temperatuur boven het absolute nulpunt van 0 K (-273,15 ° C) zendt elektromagnetische straling uit. Een deel van deze zgn intrinsieke straling is infrarode straling. Straling die ligt onder het zichtbare, rode, licht. In theorie is deze uitgestraalde infrarood energie evenredig met de temperatuur. Infrarood begint bij ongeveer 0,78 μm en eindigt bij golflengten van ongeveer 1000 μm. Voor infrarood temperatuurmeting zijn de golflengtes van 0,7 tot 14 μm belangrijk. Boven deze golflengten is het energieniveau zo laag dat detectoren niet gevoelig genoeg zijn om ze te detecteren.

Infrarode straling verspreid zich, net als licht, door de atmosfeer en kan met behulp van een lens (input optics) op een detectorelement (sensor) gefocust worden. Het detectorelement genereert een elektrisch signaal evenredig met de straling/temperatuur. Dit detectorsignaal wordt versterkt en, met behulp van opeenvolgende digitale signaalverwerking (Electronics), getransformeerd in een bruikbaar uitgangssignaal. Dit signaal is een weergave van de gemeten temperatuur. 

Gestandaardiseerde uitgangen om meetresultaten door te geven aan besturingssystemen zijn beschikbaar in de vorm van 0 / 4-20 mA, 0-10 V en als een thermokoppelsignaal. Verder bieden de momenteel gebruikte 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 waarneembaar is voor het menselijk oog, is het nuttig om deze straling voor te stellen als zichtbaar licht, om te begrijpen hoe een pyrometer werkt en om de vragen te begrijpen die voortkomen uit verschillende toepassingen. In veel situaties gedraagt ​​IR-straling zich feitelijk op dezelfde manier als zichtbaar licht. IR-straling reist vanuit een bron in rechte lijnen en kan worden gereflecteerd of geabsorbeerd door obstakels in het stralingspad. De meeste objecten die als ondoorzichtig voor het menselijk oog worden beschouwd, zullen gedeeltelijk een deel van de invallende straling absorberen en gedeeltelijk een deel weerkaatsen. Dit voorwerp straalt op zijn beurt een deel van de energie uit dat het heeft opgenomen en reflecteert een deel intern. Dit geldt zelfs voor materialen die als transparant kunnen worden beschouwd, zoals glas, gasvormige stoffen en dunne transparante plastic films. Bij deze materialen zal echter ook een deel van de stralingsenergie door het object worden doorgelaten, zoals hieronder geïllustreerd. Deze functies dragen bij aan wat bekend staat als de emissiviteit van een object of een oppervlak. 

De stralingswet van Planck 

Elk lichaam met een temperatuur boven het absolute nulpunt van 0 K (-273,15 ° C) zendt elektromagnetische straling uit.De stralingswet van Planck toont de basiscorrelatie voor contactloze temperatuurmetingen.Het beschrijft de spectraal specifieke straling Mλs van een ’geïdealiseerd’ (theoretisch volmaakt)  lichaam, het black body, afhankelijk van de temperatuur T en de golflengte λ. De Planck kromme toont voor elk temperatuurvoorbeeld logaritmisch de spectrale emissie Mλs van een black body 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 

Slechts weinig lichamen voldoen aan het ideaal van het black body. Veel lichamen zenden veel minder straling uit bij dezelfde temperatuur. De relatie van de daadwerkelijke straling  en die van het geïdealiseerde lichaam (black body) wordt emissisiviteit ε genoemd. De waarde hiervan bevindt zich tussen nul en één. Lichamen met emissiviteit minder dan 1 worden grey body genoemd. Lichamen waarbij de emissiviteit ook afhankelijk is van de temperatuur en de golflengte worden non-grey bodies of selective emitters genoemd. 

De non-grey body (selectieve stralers) 

Non-grey bodies of selectieve stralers b.v. glas en plastic, maar ook metalen oppervlakken, zijn lichamen waarvan de emissiviteit onder meer afhangt van de temperatuur en de golflengte.Door het veranderen van de golflengte van de meting kunnen sommige objecten meer of minder transparant zijn bij de ene golflengte en ondoorzichtig bij andere golflengten. Verschillende materialen zullen dus over het algemeen verschillende emissiewaarden hebben. Het voorafgaande maakt duidelijk dat emissiviteit een bijzonder belangrijke parameter is bij het meten van temperaturen via infrarood. Een nauwkeurige temperatuuraflezing kan alleen dan worden verkregen als de specifieke emissie van het object bekend is en in aanmerking wordt genomen.  

Hoe bepaal ik Emissiviteit? 

Er zijn verschillende methoden om de emissiviteit van een object te bepalen. U kunt  de emissie van veel gebruikte materialen in een tabel vinden. Met deze emissiviteitstabellen kunt u ook het juiste golflengtebereik voor een bepaald materiaal vinden en zo ook de bijbehorende juiste  meetapparatuur. Maar vooral in het geval van metalen mogen deze waarden alleen worden gebruikt voor oriëntatiedoeleinden, aangezien de toestand van het oppervlak (bijvoorbeeld gepolijst, geoxideerd of bewerkt) meer van invloed kan zijn op de emissiviteit dan de verschillende materialen zelf. Het is ook mogelijk om de emissiviteit van een bepaald materiaal zelf te bepalen met behulp van verschillende methoden.

Om dit te doen, heb je een pyrometer nodig waarbij de emissiviteit instelbaar is (Optris). 

  1. Verwarm een ​​monster van het materiaal op tot een bekende temperatuur die u zeer nauwkeurig kunt bepalen met behulp van een contactthermometer (bijvoorbeeld thermokoppel). Meet vervolgens de temperatuur met de IR-thermometer. Wijzig de emissiviteit totdat de temperatuur overeenkomt met die van de contact thermometer. Bewaar deze emissiviteit voor alle toekomstige metingen op dit materiaal.
  2. Bij een relatief lage temperatuur (tot 260 ° C), bevestigt U een speciale plastic sticker met bekende emissiviteit aan het doel. Gebruik de IR-thermometer om de temperatuur van de sticker en de bijbehorende emissie te bepalen. Meet vervolgens de oppervlaktetemperatuur van het doel zonder de sticker en stel de emissiviteit opnieuw in totdat de juiste temperatuurwaarde wordt weergegeven. Gebruik nu de emissiviteit bepaald door deze methode voor iedere verdere meting op dit materiaal.
  3. Creëer een blackbody met een voorbeeld van het te meten materiaal. Boor een gat in het voorwerp. De diepte van het boorgat moet ten minste vijfmaal de diameter van het boorgat zijn. De diameter komt overeen met de grootte van de te meten plek met uw meettoestel. Als het emissievermogen van de binnenmuren groter is dan 0,5 zal de emissiviteit van het lichaam van de holte ongeveer 1 zijn en de gemeten temperatuur in het gat zal de temperatuur van het doel correct weergeven. Meet vervolgens de oppervlaktetemperatuur van het doel en stel de emissiviteit opnieuw in totdat de juiste temperatuurwaarde wordt weergegeven. Gebruik nu de emissiviteit bepaald door deze methode voor iedere verdere metingen op dit materiaal.
  4. Als het doelwit gecoat kan worden, bedek het dan met een matte zwarte verf ("3-M zwart" van het bedrijf 3M of "Senotherm" van Weilburger Lackfabrik (Grebe Group), beide met een emissiviteit van ongeveer 0,95). Meet de temperatuur van dit blackbody en stel de emissiviteit in zoals beschreven eerder.

 

 
Bron (https://www.optris.global/infrared-basics)

Wilt u meer uitleg? Neem contact op!