تنظیم ضریب تابش در ترمومتر های لیزری

تنظیم-ضریب-تابش-در-ترمومتر-های-لیزری2

تنظیم ضریب تابش در ترمومتر های لیزری

انرژی مادون قرمز

هرجسمی دردمای بالاتر از صفر مطلق ( 273 – درجه سانتیگراد یا صفر کلوین) انرژی را به شکل تابش الکترومغناطیسی ساطع می کند. با افزایش دمای جسم ، شدت این انرژی مادون قرمز افزایش می یابد. بنابراین دمای جسم را می توان با اندازه گیری شدت این انرژی مادون قرمز تعیین کرد. به تجهیزی که برای اندازه گیری دما با این روش استفاده می شود، دماسنج مادون قرمز یا دماسنج غیر تماسی گفته می شود زیرا دماسنج برای اندازه گیری دمای آن نیازی به تماس با جسم ندارد.

کاربردها

اندازه گیری دمای مایعات یا گازها با استفاده از سنسور ترموالکتریک به لطف تبادل حرارتی خوب بین سنسور و سیال به راحتی انجام   می شود. هنگامی که قرار است دمای اجسام جامد اندازه گیری شود، به دست آوردن یک تبادل حرارتی خوب دشوار است و احتمال ایجاد خطای اضافی باید در نظر گرفته شود. اندازه گیری دما به روش تماس مستقیم اغلب هنگامی که جسم در حال حرکت است یا به منابع الکتریکی خطرناک متصل است یا به هر دلیل دیگری لمس کردن آن غیرممکن یا دشوار است ، قابل انجام نمی باشد.

قیمت ترمومتر لیزی و مشاهده مشخصات آن در لینک های زیر:

تابش

سطوح اجسام می توانند انرژی را به شکل تابش (انرژی مادون قرمز) مبادله کنند. مقدار انرژی که یک سطح می تواند ساطع کند به دما و ماهیت آن بستگی دارد. دماسنج های غیر تماسی با استفاده از یک منبع به نام جسم سیاه (ساخته شده با موادی که انرژی را با هر طول موجی جذب می کنند) بعنوان یک مرجع استاندارد کالیبره می شوند.( قانون پلانک تابش یک شی فرضی را که به عنوان یک جسم سیاه شناخته می شود با ضریب تابش1 و اشیاء با تابش کمتر از این رقم را توصیف می کند) با این حال، برای به دست آوردن قرائت دمای صحیح ، لازم است دماسنج را برای تابش واقعی جسم مورد اندازه گیری تنظیم کنیم .

ضریب تابش=       تابش سطحی

                       ________________

                      تابش جسم سیاه

مقادیر ضریب تابش مربوط به مواد مختلف و جنس سطوح مختلف در ادامه به تفصیل آمده است. مقادیر بدست آمده از فرمول بالا فقط مقادیر مرجع هستند زیرا ضریب تابش اجسام با اکسیدشدن مواد می تواند کمی افزایش پیدا کند.

 

جبران انرژی منعکس شده

دمای بدست آمده از دماسنج، تابشی است که از جسم هدف ساطع می شود به اضافه تابش منعکس شده توسط سطح خود جسم. برای به دست آوردن قرائت های دقیق تر، به ویژه برای اندازه گیری دمای اجسام با دمای انتشار پایین، انرژی منعکس شده از هدف باید در نظر گرفته شود. این انرژی منعکس شده  با توجه به دمای محیط اطراف تغییر می کند. (اجسام براق دمای محیط اطراف که همان دمای اجسام اطراف آنها می باشد را منعکس می کنند) .

تنظیم ضریب تابش

نحوه تنظیم ضریب تابش اجسام

ضریب تابش درواقع توانایی جسم برای جذب، انتقال و انتشار انرژی مادون قرمز است. مقدار آن میتواند از 0 (آینه براق) تا 1.0 (جسم سیاه) متغیر باشد. اگر روی ترمومتر مقدار ضریب تابشی بالاتر از مقدار واقعی جسم تنظیم شود، عدد دمای بدست آمده پایین تر از عدد صحیح خواهد بود، مشروط بر اینکه دمای هدف بالاتر از دمای محیط باشد. به عنوان مثال، اگر ضریب تابش  0.95 انتخاب شود و ضریب تابش واقعی 0.9 باشد .

ضریب تابش  را می توان به ترتیب اولویت با یکی از روش های زیر تعیین کرد:

  1. دمای واقعی مواد سازنده ی جسم را با استفاده از سنسوری مانند RTD، ترموکوپل یا روش مناسب دیگری تعیین کنید. در مرحله بعد، دمای جسم را اندازه گیری کنید و تنظیم کردن ضریب تابش را تا رسیدن به مقدار دمای صحیح ادامه دهید. این ضریب تابش صحیح برای جسم مورد نظر می باشد.
  2. برای اجسام با دمای نسبتاً پایین (تا 260 درجه سانتیگراد یا 500 درجه فارنهایت، یک تکه نوار را مثل یک پوشش را روی قسمتی از جسم قرار دهید. مطمئن شوید که نوار آنقدر بزرگ است که میدان دید ترمومتر لیزری را بپوشاند. سپس دما را روی نوار با استفاده از ضریب تابش 0.95.اندازه گیری کنید ودرنهایت دماسنج لیزری را روی یک ناحیه مجاور نوارروی جسم بتابانید وضریب تابش را تا رسیدن به همان دما تنظیم کنید. این ضریب تابش صحیح برای جسم مورد نظرمی باشد.
  3. اگر می توانید قسمتی از سطح جسم را بپوشانید ، از یک رنگ مشکی مسطح استفاده کنید که ضریب تابشی حدود 0.98 داشته باشد. در مرحله بعد، دمای ناحیه رنگ شده را با استفاده ازضریب تابش 0.98 اندازه گیری کنید. درنهایت، دماسنج لیزری را روی یک ناحیه مجاورقسمت رنگ شده روی جسم تابانده و دما را اندازه گیری کنید و ضریب تابش را تا رسیدن به همان دما تنظیم کنید. این ضریب تابش صحیح برای جسم مورد نظرمی باشد.

اندازه گیری ضریب تابش دمای بالا در سطوح فلزی نسوز

برای کاربردهای مهندسی دما بالا، ضریب تابش یک ویژگی مهم است. افزایش ضریب تابش اغلب برای اطمینان از خنک‌سازی کافی، افزایش بازده انرژی یا فراهم کردن شرایط فرآیند پایدار وهمگن بسیار محبوب است. این موضوع درزمینه‌های تحقیقاتی مختلف، از جمله فرآیندهای حرارتی آشکار در نیروگاه‌ها و کوره‌ها، سودمند است.

در زمینه های دیگر، مانند صنعت هوانوردی و فضاپیماها  یا صنعت روشنایی ، گرما اغلب به عنوان یک محصول جانبی ناخواسته تولید می شود. دراین کاربردها، ازسطوحی با ضریب تابش بالا برای حذف گرما از سیستم استفاده می شود تا از طول عمر بیشتر قطعات اطمینان حاصل شود.

از آنجایی که ضریب تابش  به شدت به شرایط سطح بستگی دارد، ساختار سطح و ترکیب مواد هر دو فاکتورهای مهم برای پارامترهای نوری(تابشی) هستند. رابطه بین ساختار و تابش در تحقیقات تجربی  و همچنین رویکردهای مدل‌سازی مورد مطالعه قرار گرفته است.

طبق قانون تابش حرارتی کریشهوف، تابش یک جسم مات برابر با جذب آن درطول موج ودمای معین است. این قانون می تواند برای بدست آوردن ضریب تابش از طریق معادلات مورد استفاده قرار گیرد.

هنگام اندازه گیری ضریب تابش دمای بالا، باید مراقب نحوه تولید و انتقال گرما به سطح جسم نمونه بود. گرم کردن نمونه توسط تشعشعات حرارتی عناصر گرمایشی خارجی قابل قبول نیست، زیرا انعکاس گرمای ساطع شده از آنها در اندازه گیری تابش سطح نمونه اختلال ایجاد می کند. علاوه بر این، سطح نمونه باید برای اندازه گیری دما بصورت نوری با استفاده از یک پایرومتر قابل دسترسی باشد. به دلیل تشکیل اکسید در هوا، اندازه گیری باید در اتمسفر بی اثر انجام شود. علاوه بر این در مورد تنگستن، اکسیدهای فرّار تحت شرایط اکسید کننده تشکیل می شوند.با این توصیف برای این اندازه گیری، اکثر کوره های موجود که میتوانند نمونه مورد نظر را تا دمای 1800 درجه سانتیگراد گرم کنند، حذف می شود.

از آنجایی که اکسیداسیون ناخواسته یکی از مشکلات اصلی برای غلبه بر اندازه‌گیری ضریب تابش در دمای بالا است، هنگام اندازه گیری باید فویل‌های فلزی به تنظیمات اضافه شوند تا با عمل بعنوان یک جاذب اکسیژن(ورق تانتالیوم) یا با کاهش دسترسی نمونه به اکسیژن (ورق مولیبدنیوم) از حداقل جذب اکسیژن توسط نمونه اطمینان حاصل شود . یک تشک گرافیتی و یک محفظه گرافیتی حلقه‌ای شکل برای سرکوب بازتاب و کاهش بیشتر دسترسی به اکسیژن، تنظیمات آزمایشی را تکمیل می کنند. برای حذف کربوریزه شدن سطح فلز ، آزمایش باید با نمونه خالص انجام شود.

تنظیم ضریب تابش

یک چالش دیگر برای بررسی ضریب تابش دمای بالا، اندازه گیری دمای سطح واقعی نمونه است. دو اندازه گیری دما ی جداگانه اما هر دو دقیق برای مقایسه لازم است. در اصل، دو راه برای تعیین دمای نمونه وجود دارد، با استفاده از ترموکوپل یا بصورت نوری با اندازه گیری پایرومتریک. اندازه گیری دمای سطح تا 1800 درجه سانتی گراد توسط ترموکوپل کار ساده ای نیست.ترموکوپل های W-Re که برای اندازه گیری چنین دماهای بالایی مناسب هستند بسیار سفت هستند و بنابراین تماس آنها با سطح نمونه دشوار است.

تنظیم ضریب تابش

علاوه بر تماس بد ترموکوپل با سطح نمونه و گرادیانت دمای نمونه، جرم ذاتی سیم‌های W-Re و در نتیجه اثر خنک‌کنندگی آن‌ها منابع اصلی خطای مشاهده شده در طول اندازه‌گیری‌ها هستند. روش دیگر تعیین دما توسط ترموکوپل اندازه گیری دمای هسته و تخمین دمای سطح از آن است. در حالی که به نظر می رسد این کار منابع خطای فوق الذکر را حذف می کند، دمای سطح به میزان ضریب تابش خود سطح بستگی دارد. در نتیجه، اندازه‌گیری دمای هسته برای تخمین دمای سطح نمونه نیاز به دانش خوبی از ضریب تابش سطح از قبل دارد.همچنین مشخص است که تعیین صحیح دمای سطح برای اندازه‌گیری میزان ضریب تابش چقدر اهمیت دارد. به جای اندازه گیری دمای سطح توسط ترموکوپل، می توان دمای آن را به صورت نوری نیز با اندازه گیری پایرومتریک تعیین کرد.

برای اندازه گیری های بهتر، تعیین دما با پایرومتر(ترمومتر لیزری)  2 رنگ انتخاب ارجح خواهد بود. در این حالت، دما با اندازه گیری نوری با استفاده از دو طول موج مختلف به طور همزمان تعیین می شود. با این فرض که سطح برای هر دو طول موج تابش یکسانی را نشان می دهد، این اندازه گیری مستقل از عدد مطلق ضریب تابش سطح  است. پس از تعیین دمای سطح با ترمومتر لیزری 2 رنگ، یک پایرومتر معمولی تک رنگ می تواند به سمت نمونه هدف قرار گیرد. مانند هر روش دیگری برای تعیین دما، مقدارضریب تابش  ذخیره شده در پایرومتر را می توان تغییر داد تا زمانی که دو قرائت دما برابر شوند.

پایرومترهای نسبت (دو رنگ) چگونه کار می کنند؟

پایرومتر نوعی سنسور حرارتی است که برای اندازه‌گیری دمای بالای یک سطح، اغلب در کوره‌ها استفاده می‌شود. این دستگاه ها دمای یک جسم یا سطح را از تابش حرارتی ساطع شده از آن اندازه گیری می کنند که به آن رادیومتری نیز می گویند.

کاربردهای زیادی وجود دارد که در آن یک پایرومتر (ترمومتر لیزری) استاندارد یک رنگ دما را به اشتباه می خواند:

  1.  اجسام کوچک (بسیار کوچک برای پر کردن مخروط دید).
  2. گرد و غبار، دود یا بخار که خط دید را پنهان می کند.
  3. پنجره هایی که کثیف می شوند و تمیز نگه داشتن آنها دشوار است.
  4. ضریب تابش جسم تغییر می کند (به دلیل تغییر در وضعیت آلیاژ یا سطح).

درصورت وجود مشکلات بالا سیگنال تابش شده از جسم تضعیف میشود اما پایرومتر نسبت میتواند همچنان دما را درست بخواند اما به این شرط که ضریب تابش ثابت بماند و متغیر نباشد.

تنظیم ضریب تابش

دماسنج لیزری دو رنگ با یک رنگ چه تفاوتی دارد؟

یک پایرومتر دو رنگ از دو پایرومتر تک رنگ در یک بسته تشکیل شده است. از دو آشکارساز استفاده می کند که در دو طول موج مجزا کار می کنند، اما هر دو آشکارساز یک هدف گرمایی را می بینند.

شیب الکترونیکی(E-SLOPE) :

اساساً یک دماسنج دو رنگ تا زمانی به درستی کار می کندکه هر چیزی که روی یک طول موج تأثیر می گذارد،به همان میزان روی طول موج دیگرنیز تأثیر بگذارد. متأسفانه، کاربردهایی وجود دارد که ضریب تابش شی برای دو طول موج متفاوت است، به عنوان مثال اندازه گیری فلزات مذاب. هنگامی که دماسنج دو رنگ به فلز مذاب نگاه می کند، نسبت سیگنال (یا شیب) نادرست خواهد بود و خطا در خواندن دما رخ می دهد.

این مشکل را چطور میتوان اصلاح کرد؟ تمامی دماسنج های دو رنگ دارای تنظیمی به نام E-Slope هستند. هنگام مشاهده فلز مذاب، تنظیم E-Slope تا زمانی که دستگاه دمای صحیح فلز را بخواند، چرخانده می شود. دمای صحیح را می توان با استفاده از ترموکوپل یکبار مصرف به دست آورد. این تنظیم E-Slope صرفاً نسبت را با یک ثابت تصحیح می کند که نشانگر دستگاه را برای تابش نابرابر طیفی هدف تصحیح می کند. هنگامی که E-Slope تنظیم شد، مشکلات دود، بخار، گرد و غبار، اهداف کوچک و غیره به درستی توسط ابزار کنترل می شود.

 

 
 
tehrani
ارسال دیدگاه