nl
Een pyrometer meet de temperatuur, met name de temperatuur van objecten en oppervlakken, zonder dat daarvoor enig fysiek contact nodig is. In tegenstelling tot conventionele thermometers die moeten aanraken wat ze meten, detecteren pyrometers de thermische straling die door een doel wordt uitgezonden en zetten dat signaal om in een temperatuurmeting. Deze contactloze mogelijkheid maakt ze onmisbaar in omgevingen waar directe metingen onmogelijk, onpraktisch of gevaarlijk zijn, zoals in ovens, op bewegende machines of op gesmolten metaal.
Het kernprincipe: wat een pyrometer feitelijk detecteert
Elk object boven het absolute nulpunt (−273,15°C) zendt elektromagnetische straling uit als functie van zijn temperatuur. Naarmate een object heter wordt, zendt het meer straling uit en bij kortere golflengten. Dit is de reden waarom een stuk staal dofrood gloeit, vervolgens fel oranje en vervolgens bijna wit wordt naarmate het steeds meer wordt verwarmd. Een pyrometer vangt deze uitgezonden straling op, meestal in het infrarode of zichtbare spectrum, en gebruikt deze om de oppervlaktetemperatuur van het doel te berekenen.
De onderliggende fysica wordt beheerst door de wet van Planck en de wet van Stefan-Boltzmann, die de precieze relatie beschrijven tussen temperatuur en de intensiteit en golflengte van de uitgezonden straling. De sensor en elektronica van een pyrometer passen deze principes in realtime toe om een stralingsmeting om te zetten in een temperatuurwaarde die aan de operator wordt weergegeven.
Soorten pyrometers en wat ze allemaal meten
Optische pyrometers (helderheidspyrometers)
Optische pyrometers meten de temperatuur door het zichtbare licht dat door een heet voorwerp wordt uitgezonden, te vergelijken met een gekalibreerde interne referentie, meestal een verwarmde gloeidraad. De operator past de gloeidraadstroom aan totdat het lijkt alsof de gloeidraad tegen het gloeiende doel verdwijnt, wat aangeeft dat de helderheid overeenkomt. Op dat moment wordt de gloeidraadtemperatuur (en dus de doeltemperatuur) afgelezen van een gekalibreerde schaal.
Optische pyrometers zijn het meest effectief in het bereik van ongeveer 700 °C tot meer dan 3.000 °C en bestrijken toepassingen zoals de staal- en glasproductie, keramische ovens en onderzoek naar materialen met hoge temperaturen. Ze meten de temperatuur op basis van uitgezonden zichtbare straling en zijn grotendeels handmatige instrumenten, hoewel moderne versies elektronische detectoren bevatten om het matchingproces te automatiseren.
Infraroodpyrometers (stralingsthermometers)
Infraroodpyrometers zijn tegenwoordig het meest gebruikte type. Ze meten de infraroodstraling die door een oppervlak wordt uitgezonden over een gedefinieerde golflengteband en zetten deze elektronisch om in een temperatuurmeting. Ze werken over een enorm bereik – van ver onder het vriespunt (sommige modellen meten van −50°C) tot enkele duizenden graden Celsius – waardoor ze veelzijdig zijn in vrijwel elke branche.
Handheld infraroodpyrometers zijn bekende hulpmiddelen bij onderhoud, HVAC, voedselveiligheid en elektrische inspectie. Vaste of scannende infraroodpyrometers worden geïntegreerd in industriële productielijnen om continu de temperatuur te bewaken van bewegende producten zoals plaatwerk, papier, glas en plastic.
Verhoudingspyrometers (tweekleurige pyrometers)
Ratiopyrometers meten straling op twee verschillende golflengten en berekenen de verhouding daartussen om de temperatuur te bepalen. Omdat de verhouding grotendeels onafhankelijk is van de totale hoeveelheid ontvangen straling, zijn deze instrumenten veel minder gevoelig voor stof, rook, stoom of gedeeltelijke obstructie van het doel – omstandigheden die de nauwkeurigheid van pyrometers met één golflengte aantasten.
Ratio-pyrometers zijn vooral waardevol in zware industriële omgevingen zoals gieterijen, smederijen en cementovens, waar het meetpad zelden schoon is. Ze meten de temperatuur effectief, zelfs als slechts een fractie van het doel zichtbaar is binnen het gezichtsveld van het instrument.
Verdwijnende filamentpyrometers
Een specifieke vorm van optische pyrometer, het verdwijnende gloeidraadtype, vergelijkt de helderheid van een gloeilampgloeidraad met de gloed van het doel. Wanneer de gloeidraadstroom wordt aangepast aan de helderheid van het doel, versmelt de gloeidraad visueel met de achtergrond en lijkt te verdwijnen. Deze nul-matchingtechniek biedt een hoge nauwkeurigheid en was historisch gezien de referentiestandaard voor metingen bij hoge temperaturen voordat elektronische instrumenten dominant werden.
De rol van emissiviteit bij pyrometermetingen
Emissiviteit is een van de belangrijkste en vaakst verkeerd begrepen factoren bij pyrometermetingen. Het beschrijft hoe efficiënt een oppervlak thermische straling uitzendt in vergelijking met een perfecte theoretische zender, bekend als een zwart lichaam, die een emissiviteit van 1,0 heeft. Echte materialen hebben een emissiviteit tussen 0 en 1, en deze waarde varieert afhankelijk van het materiaal, de oppervlakteafwerking en zelfs de temperatuur.
Een gepolijst aluminium oppervlak kan een emissiviteit hebben van ongeveer 0,05, wat betekent dat het slechts 5% van de straling uitzendt die een perfect zwart lichaam bij dezelfde temperatuur zou uitzenden. Een ongeglazuurd keramisch oppervlak kan bijna 0,95 zijn. Als een pyrometer op de verkeerde emissiviteitswaarde is ingesteld, kan de temperatuurmeting aanzienlijk foutief zijn, soms met honderden graden.
Met de meeste moderne infraroodpyrometers kan de operator de emissiviteitsinstelling aanpassen aan het doelmateriaal. Nauwkeurige meting hangt af van het kennen van de emissiviteit van het oppervlak dat wordt gemeten, wat kan worden gevonden in gepubliceerde referentietabellen of ter vergelijking experimenteel kan worden bepaald met behulp van een contactthermometer. Ratiopyrometers omzeilen dit probleem gedeeltelijk door te vertrouwen op de verhouding van twee golflengten in plaats van op de absolute intensiteit, waardoor ze minder gevoelig zijn voor onzekerheid over de emissiviteit.
Temperatuurbereiken Pyrometers kunnen meten
Een van de bepalende voordelen van pyrometers ten opzichte van contactthermometers is hun vermogen om over extreem brede temperatuurbereiken te meten. Standaard industriële infraroodpyrometers bestrijken doorgaans een bereik van 0 °C tot 1.000 °C of −50 °C tot 500 °C, afhankelijk van het model. Gespecialiseerde hogetemperatuurpyrometers, ontworpen voor de staal-, glas- en keramiekindustrie, meten routinematig tot 2000 °C of hoger. Aan de andere kant kunnen optische pyrometers die worden gebruikt in onderzoeks- en defensietoepassingen temperaturen meten van meer dan 3000 °C – veel verder dan de mogelijkheden van een thermokoppel of weerstandsthermometer.
Aan de onderkant van het spectrum zorgen zeer gevoelige infrarooddetectoren ervoor dat sommige pyrometers temperaturen kunnen meten die dicht bij de omgevingstemperatuur of zelfs onder nul liggen, wat handig is bij het monitoren van voedselkoeling, het beheer van de farmaceutische koelketen en energie-audits van gebouwen.
Industriële toepassingen: wat pyrometers in de praktijk meten
Metaalproductie en -verwerking
Pyrometers zijn fundamentele instrumenten bij de staalproductie, het smelten van aluminium en het smeden van metaal. Ze meten de temperatuur van gesmolten metaal in ovens en gietpannen, de oppervlaktetemperatuur van knuppels en platen als ze door walserijen gaan, en de temperatuur van eindproducten tijdens warmtebehandeling en gloeien. Nauwkeurige temperatuurregeling in elke fase bepaalt rechtstreeks de metallurgische eigenschappen van het eindproduct.
Glasproductie
Glas moet tijdens het vormen, uitgloeien en temperen binnen nauwkeurige temperatuurvensters worden gehouden. Pyrometers meten de temperatuur van gesmolten glas in de oven, het glaslint op de vlotterlijn en de glasplaten terwijl ze door de gloeioven gaan. Contactmeting is niet mogelijk op gesmolten of bewegend glas, waardoor contactloze pyrometrie de enige haalbare technologie voor deze metingen is.
Keramiek en ovens
Aardewerk, porselein, vuurvaste stenen en geavanceerde technische keramiek worden allemaal gebakken in ovens bij temperaturen die kunnen oplopen tot boven de 1.600 °C. Pyrometers meten de temperatuur in de oven en de temperatuur van het ware zelf gedurende de hele bakcyclus, waardoor operators een uniforme verwarming kunnen garanderen en thermische schokken of onderverhitting kunnen voorkomen.
Kunststof- en rubberverwerking
Extrusie, spuitgieten en kalanderen van kunststoffen en rubber vereisen nauwkeurige metingen van de oppervlaktetemperatuur om de productkwaliteit te garanderen en degradatie te voorkomen. Infraroodpyrometers meten de temperatuur van het materiaal terwijl het de matrijzen en mallen verlaat of terwijl het langs transportsystemen beweegt, waardoor realtime feedback wordt gegeven voor procescontrole.
Elektrisch en mechanisch onderhoud
Handheld infraroodpyrometers zijn standaarduitrusting voor elektrische inspecteurs en onderhoudsmonteurs. Ze meten de oppervlaktetemperatuur van schakelapparatuur, transformatoren, motoren, lagers en kabelverbindingen om hotspots te identificeren die duiden op falende isolatie, overbelaste geleiders of onvoldoende smering – allemaal voordat er een storing optreedt.
Voedselveiligheid en HVAC
In de voedselproductie en catering meten pyrometers de oppervlaktetemperatuur van gekookte en gekoelde producten om de naleving van de voedselveiligheid te verifiëren zonder het product te besmetten. Bij gebouwinstallaties meten ze de temperatuur van leidingoppervlakken, radiatoren, luchtkanalen en isolatie om de prestaties van het verwarmingssysteem te beoordelen en warmteverlies te identificeren.
Voordelen van pyrometers ten opzichte van contactthermometers
Het contactloze karakter van pyrometrie biedt verschillende praktische voordelen die verder gaan dan alleen het vermijden van fysieke gevaren. Pyrometers kunnen bewegende doelen meten die een thermokoppel niet kan volgen, zeer kleine doelen meten zonder er warmte van te absorberen, en vrijwel onmiddellijk reageren op temperatuurveranderingen - responstijden van milliseconden zijn gebruikelijk, vergeleken met seconden voor thermokoppels ingebed in een materiaal.
Pyrometers elimineren ook het risico van besmetting van gevoelige materialen met sondecontact, wat van cruciaal belang is bij de productie van halfgeleiders, farmaceutische verwerking en voedselproductie. Ze vereisen geen verbruikbare sondepunten of beschermbuizen, waardoor de lopende onderhoudskosten in productieomgevingen met grote volumes worden verlaagd.
Beperkingen om te begrijpen
Ondanks hun veelzijdigheid hebben pyrometers belangrijke beperkingen. Ze meten alleen de oppervlaktetemperatuur; ze kunnen de interne temperatuur van een object niet bepalen. In toepassingen waarbij de temperatuurgradiënten in de dikte aanzienlijk zijn, zoals bij smeedstukken of gietstukken met een dikke doorsnede, kunnen aanvullende contactmeetmethoden nog steeds vereist zijn.
De meetnauwkeurigheid is sterk afhankelijk van de juiste emissiviteitsinstellingen, een schoon optisch pad en een geschikte doelgrootte ten opzichte van het gezichtsveld van het instrument. Als het doel kleiner is dan de meetvlek, vervuilt achtergrondstraling de meting. In omgevingen met zware verontreiniging door deeltjes, stoom of tussenliggend glas wordt het stralingssignaal verzwakt en zullen pyrometers met één golflengte de werkelijke temperatuur te weinig aflezen.
Samenvatting
Een pyrometer meet de temperatuur van objecten en oppervlakken door de uitgezonden thermische straling te detecteren zonder enig fysiek contact. Afhankelijk van het type (optisch, infrarood of ratio) kunnen pyrometers temperaturen meten van onder nul tot ruim 3000 °C in een breed scala aan industriële, wetenschappelijke en onderhoudstoepassingen. Hun nauwkeurigheid hangt af van de juiste emissiviteitsinstellingen en een duidelijke zichtlijn naar het doel, maar binnen deze parameters zijn het unieke instrumenten voor elke situatie waarin contactthermometrie onpraktisch, onmogelijk of onveilig is.
