Stralingspyrometer: Een Contactloze Temperatuursensor

Een stralingsthermometer is een apparaat dat de temperatuur van een ver object meet door de thermische straling die het uitstraalt te detecteren. Dit type temperatuursensor hoeft het object niet aan te raken of in thermisch contact met het te zijn, in tegenstelling tot andere thermometer zoals thermokoppels en weerstandstemperatuursensoren (RTD's). Stralingsthermometers worden voornamelijk gebruikt voor het meten van hoge temperaturen boven 750°C, waar fysiek contact met het hete object niet mogelijk of wenselijk is.

Wat is een stralingsthermometer?

Een stralingsthermometer wordt gedefinieerd als een contactloze temperatuursensor die de temperatuur van een object afleidt door de thermische straling die het natuurlijk uitzendt te detecteren. De thermische straling of straling van een object hangt af van de temperatuur en emissiviteit, wat een maat is voor hoe goed het warmte uitstraalt ten opzichte van een perfecte zwarte straler. Volgens de wet van Stefan-Boltzmann kan de totale thermische straling die een lichaam uitzendt worden berekend door:

Waarbij,

• Q is de thermische straling in W/m$^2$

• ϵ is de emissiviteit van het lichaam (0 < ϵ < 1)

• σ is de constante van Stefan-Boltzmann in W/m$2$K$4$

• T is de absolute temperatuur in Kelvin

Een stralingsthermometer bestaat uit drie belangrijke componenten:

• Een lens of spiegel verzamelt en focust de thermische straling van het object op een ontvangende element.

• Een ontvangend element dat de thermische straling omzet in een elektrisch signaal. Dit kan een weerstandsthermometer, een thermokoppel of een fotodetector zijn.

• Een registratie-instrument dat de temperatuur weergeeft of registreert op basis van het elektrische signaal. Dit kan een millivoltmeter, een galvanometer of een digitale weergave zijn.

Soorten stralingsthermometers

Er zijn voornamelijk twee soorten stralingsthermometers: vaste brandpuntsafstand en variabele brandpuntsafstand.

Stralingsthermometer met vaste brandpuntsafstand

Een stralingsthermometer met vaste brandpuntsafstand heeft een lange buis met een smalle opening aan de voorkant en een holle spiegel aan de achterkant.

Een gevoelig thermokoppel wordt voor de holle spiegel op een geschikte afstand geplaatst, zodanig dat de thermische straling van het object door de spiegel wordt weerspiegeld en gefocust op de hete verbinding van het thermokoppel. De emf die in het thermokoppel wordt gegenereerd, wordt vervolgens gemeten door een millivoltmeter of een galvanometer, die direct gekalibreerd kan worden met temperatuur. Het voordeel van dit type pyrometer is dat het niet hoeft te worden aangepast voor verschillende afstanden tussen het object en het instrument, omdat de spiegel de straling altijd focust op het thermokoppel. Echter, dit type pyrometer heeft een beperkt meetbereik en kan beïnvloed worden door stof of vuil op de spiegel of lens.

Stralingsthermometer met variabele brandpuntsafstand

Een stralingsthermometer met variabele brandpuntsafstand heeft een verstelbare holle spiegel gemaakt van hoogglans staal.

De thermische straling van het object wordt eerst ontvangen door de spiegel en dan weerspiegeld op een zwartgeverde thermojunctie bestaande uit een klein koperen of zilveren schijfje waaraan de draden die de junctie vormen gesoldeerd zijn. Het zichtbare beeld van het object kan op de schijf worden gezien door een oculair en een centrale opening in de hoofdspiegel. De positie van de hoofdspiegel wordt aangepast totdat de focus samenvalt met de schijf. Het verwarmen van de thermojunctie door het thermische beeld op de schijf produceert een emf die wordt gemeten door een millivoltmeter of een galvanometer. Het voordeel van dit type pyrometer is dat het temperaturen over een breed bereik kan meten en ook onzichtbare stralen van straling kan meten. Echter, dit type pyrometer vereist zorgvuldige instelling en uitlijning voor nauwkeurige metingen.

Voordelen en nadelen van stralingsthermometers

Stralingsthermometers hebben enkele voordelen en nadelen vergeleken met andere types temperatuursensoren.

Enkele voordelen zijn:

• Ze kunnen hoge temperaturen boven 600°C meten, waarbij andere sensoren kunnen smelten of beschadigen.

• Ze hebben geen fysiek contact nodig met het object, wat besmetting, corrosie of interferentie voorkomt.

• Ze hebben een snelle respons en hoge uitgang.

• Ze worden minder beïnvloed door corrosieve atmosferen of elektromagnetische velden.

Enkele nadelen zijn:

• Ze hebben niet-lineaire schalen en mogelijke fouten door emissiviteitsvariaties, tussengelegen gassen of dampen, veranderingen in de omgevingstemperatuur, of vuil op optische componenten.

• Ze vereisen kalibratie en onderhoud voor nauwkeurige metingen.

• Ze kunnen duur en complex in gebruik zijn.

Toepassingen van stralingsthermometers

Stralingsthermometers worden wijdverspreid gebruikt voor industriële toepassingen waarbij hoge temperaturen betrokken zijn of waar fysiek contact met het object niet haalbaar of wenselijk is.

Enkele voorbeelden zijn:

• Het meten van de temperatuur van ovens, ketels, bakstenen, ovens, enz.

• Het meten van de temperatuur van gesmolten metalen, glas, keramiek, enz.

• Het meten van de temperatuur van vlammen, plasmas, lasers, enz.

• Het meten van de temperatuur van bewegende objecten zoals rollen, transportbanden, draad, enz.

• Het meten van de gemiddelde temperatuur van grote oppervlakken zoals muren, daken, leidingen, enz.

Conclusie

Een stralingsthermometer is een apparaat dat de temperatuur van een ver object meet door de thermische str