ERK'2019, Portorož, 177-180 177 Vpliv velikosti vira referenčnih sevalnih termometrov v LMK Igor Pušnik 1 1 Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani, Tržaška cesta 25, 1000 Ljubljana E-pošta: igor.pusnik@fe.uni-lj.si Size-of-source effect of reference radiation thermometers in LMK Abstract. For measurements with radiation thermometers, it is very important to take into account the factors that influence the measurement uncertainty. One of them is the phenomenon called the size-of-source effect (SSE). This occurs due to irregularities in the optical system of the measuring instrument, which can cause a higher or lower temperature reading of a measured object, as it really is. This is due to radiation having a source outside the nominal size of the measured area. There are two commonly used methods for determining this effect, namely indirect and direct method. The latter is more appropriate for radiation thermometers with a lower resolution and a temperature output signal. In this case, calibration furnaces (blackbodies) are used as a source of radiation, and with the corresponding apertures we reduce the size-of-source. Thus, we measure the response of a radiation thermometer at different sizes of the source. The nominal size-of-source is at the specified distance the minimum required measurement surface, where it is possible to measure the temperature with a radiation thermometer. Knowing the size-of-source effect of a radiation thermometer is very important, as this allows adjustment of the measurement conditions for the correct performance of measurements. 1 Uvod Sevalni termometri predstavljajo termometre za realizacijo temperaturne lestvice ITS-90 nad strdiˇ sˇ cem srebra (961,78 ◦ C) 1 . Sevalni termometri ali pirometri spadajo v skupino termometrov, ki z detektorjem zaznavajo toplotno sevanje in ga pretvorijo v električni signal. Izkoriščajo dejstvo, da vsi objekti s temperaturo nad absolutno ničlo (0 K) oddajajo toploto v obliki elektromagnetnega sevanja. Največje prednosti pirometrov so brez kontaktno merjenje, merjenje premikajočih se objektov ter merjenje zelo visokih temperatur. Najpogosteje so uporabljeni v industriji, dostopne pa so tudi razne cenejše izvedbe, kot so prenosni baterijski sevalni termometri. Pri kalibracijah referenčnih sevalnih termometrov za različna območja so pogosto uporabljena črna telesa, z različnimi dimenzijami odprtin. Zato je pomembno poznati vse morebitne dejavnike, ki lahko vplivajo na točnost meritev. Z različnimi oddaljenostmi pirometra do črnega telesa lahko dobimo različne rezultate meritev. Zato je pomembno poznati podatke o najmanjši oziroma nazivni velikosti vira ter karakteristiko vpliva velikosti vira za določen sevalni termometer. Vpliv velikosti vira smo izmerili in izračunali za dva sevalna termometra proizvajalca Heitronics, tipa TRT II in KT 19.01 II, ki se v Laboratoriju za metrologijo in kakovost uporabljata kot referenčna sevalna termometra. Pri izvedbi meritev temperature smo si pomagali z grafoma najmanjšega premera merjene površine (tarče), kot ju je podal proizvajalec za posamezen pirometer Cilj je bil ugotoviti, pri kateri velikosti vira za posamezen pirometer, pri različnih oddaljenostih od vira in temperaturi, je izvedba meritev še dovolj točna in je nižja izmerjena temperatura zaradi tega vpliva še sprejemljiva za določen namen merjenja. Z manjšanjem merjene površine se namreč zmanjšuje točnost meritve, ker detektor sevalnega termometra ne dobi zadostnega signala. Razlogi poleg majhne velikosti vira so še ovire na prenosni poti (transmisivnost atmosfere, običajno izgube sevanja) ter neidealnosti optičnega sistema pirometra (odklon, lom, uklon). 2 Oprema Vpliv velikosti vira je bil določen po direktni metodi za referenčna sevalna termometra Heitronics KT 19.01 II in Heitronics TRT II. Uporabljena oprema za izvedbo meritev je poleg pirometrov obsegala: - kalibracijske temperaturne kopeli in peči s črnimi telesi, uporabljenih je bilo šest kopeli in peči za različna temperaturna območja, - ohmmeter HP 34420A in referenčne uporovne termometre kalibracijskih peči, - aluminijaste zaslonke debeline 2 mm in s premerom odprtine od 8,8 mm do 60 mm, pobarvane s črno barvo z visoko emisivnostjo, - nosilec zaslonk z vodnim hlajenjem na 23 °C, - računalnik s programskim okoljem LabVIEW za zajemanje in obdelavo podatkov (temperaturnih meritev). Tabela 1. Specifikacije termometra Heitronics KT 19.01 II merilno obmoˇ cje 350 ◦ C - 2000 ◦ C spektralna odzivnost 2 − 2,7 µm najmanjˇ sa velikost tarˇ ce 22 pri 733 mm loˇ cljivost 0,1 do 1000 ◦ C, 1 nad 1000 ◦ C detektor piroelektriˇ cni optika leˇ ca S922 (kalcijev fluroid), detektor tipa B 178 Slika 1: Podatki o najmanjšem premeru tarče za Heitronics KT19.01 II Tabela 2. Specifikacije termometra Heitronics TRT II merilno obmoˇ cje - 50 ◦ C - 300 ◦ C; 150 ◦ C - 1000 ◦ C spektralna odzivnost 8 – 14 µm; 3,9 µm najmanjˇ sa velikost tarˇ ce 6,8 pri 380 mm; 5,6 pri 360 mm loˇ cljivost 0,01 do 100 ◦ C, 0,1 nad 100 ◦ C detektor piroelektriˇ cni optika leˇ ca S977AR (cinkov selenid), detektor tipa A Slika 2: Podatki o najmanjšem premeru tarče za Heitronics TRT II 3 Meritve Meritve smo izvedli pri različnih oddaljenostih od roba črnega telesa do leče pirometra (razdalja s) glede na podatke o vidnem polju oz. najmanjši velikosti tarče pri določeni razdalji instrumenta (field of view - grafa na sliki 1 in 2). Na sliki 3 je predstavljena postavitev pirometra pri izvajanju meritev. Slika 3: Postavitev pirometra glede na črno telo Iz projekcij razdalj in premerov na sliki 3 se lahko izpelje razmerje [ 𝐷 + 𝑆 𝑠 ] = [ 𝐷 + 𝐵 𝑏 ]   (1) kjer je D premer leče pirometra, S navidezna tarča na odprtini črnega telesa, B premer zaslonke, ki predstavlja tarčo, s razdalja od leče do črnega telesa in b razdalja od leče do zaslonke. Iz tega lahko sklepamo, da morajo biti zaslonke ˇ cim bliˇ zje ˇ crnemu telesu, s tem doseˇ zemo manjˇ so navidezno tarˇ co S in merimo sevanje, ki izhaja le iz črnega telesa in ne merimo povrˇ sine okoli njega. Pri meritvah stojala z zaslonkami ni bilo mogoˇ ce povsem pribliˇ zati ˇ crnemu telesu zaradi stojala peˇ ci in pri eni od peˇ ci tudi zaradi referenˇ cnega termometra, ki se je nahajal na sprednji strani pod njeno odprtino (slika 4). Pri ostalih peˇ ceh so se le-ti nahajali v zadnjem delu, na koncu ˇ crnega telesa. Pri temperaturah 50 °C, 150 °C in do 250 °C se uporabljajo tri kalibracijske kopeli enakih dimenzij, s premerom odprtine ˇ crnega telesa 60 mm in z dolˇ zino votline 400 mm. Pri 500 °C se uporablja kalibracijska peˇ c s premerom odprtine ˇ crnega telesa 55 mm in z dolˇ zino votline 500 mm. Pri 750 °C in 1000 °C se uporablja kalibracijska peˇ c s premerom odprtine ˇ crnega telesa 40 mm in z dolˇ zino votline 500 mm. Meritve so se izvajale s pomoˇ cjo programske opreme, narejene v okolju LabVIEW. Slika 4: Merilno mesto v LMK (črno telo v ozadju, pred njim zaslonka s hlajenjem in pirometer na stojalu) Pri direktni metodi merjenja vpliva velikosti vira 2  je instrument fokusiran na odprtino zaslonke, ki se nahaja pred stabilnim virom sevanja, običajno črnim telesom, in merimo signal detektorja pri različnih polmerih odprtine zaslonke. Vpliv velikosti vira pri nekem polmeru r je določen z razmerjem med signalom pri tem polmeru S(r,L) in signalom, ki bi ga dobili pri neskončnem polmeru S(∞,L). Ker v praksi ne moremo realizirati neskončnega polmera, merimo vpliv velikosti vira kot funkcijo polmera vira sevanja na nekem omejenem območju r min  r  r max, kjer r max najpogosteje predstavlja polmer odprtine črnega telesa. Vpliv velikosti vira tako izrazimo z razmerjem med signalom detektorja pri polmeru r in signalom pri največjem polmeru r max 179 𝜎 𝑆 ( 𝑟 , 𝑟 m ax ) = 𝜎 𝑆 ( 𝑟 ) 𝜎 𝑆 ( 𝑟 𝑚 𝑎 𝑥 ) = 𝑆 ( 𝑟 , 𝐿 ) 𝑆 ( 𝑟 𝑚 𝑎 𝑥 , 𝐿 ) (2) kjer L predstavlja sevanje črnega telesa v skladu s Planckovim zakonom 1 λ c 5 1 b , λ b , 1 e λ c ) , λ ( 2 −       −  = = T M T L   (3) kjer sta c 1 =2hc 0 2 =1,1911 10 -16 W/sr  in c 2 = hc 0/k = 0,014388 m K  prva in druga sevalna konstanta. 4 Rezultati 4.1 Heitronics KT 19.01 II Vpliv velikosti vira je bil merjen pri temperaturah 500 °C, 750 °C 1000 °C in 1300 °C. Najmanjˇ sa nazivna velikost vira merjenja znaˇ sa 22 mm pri oddaljenosti 733 mm. Na sliki 5 je prikazana karakteristika vpliva velikosti vira pri temperaturi 500 °C. Uporabljena je bila kalibracijska peˇ c s premerom odprtine 50 mm in z dolˇ zino votline 500 mm. Pri meritvah je bil rob leˇ ce od roba ˇ crnega telesa oddaljen 415 mm, od roba zaslonk pa 165 mm. Pri tej razdalji med zaslonkami in leˇ co je znaˇ sal premer najmanjˇ se tarˇ ce za pravilno meritev temperature 29 mm. Z nadaljevanjem meritev z zaslonkami pod nazivno velikostjo vira temperatura pade, saj vpadno sevanje na detektor ne izhaja veˇ c samo iz votline ˇ crnega telesa. Slika 5: Karakteristika vpliva velikosti vira pri 500 °C, do zaslonke s premerom 16 mm. Za merjenje vpliva velikosti vira pri temperaturah 750 °C, in 1000 °C sta bili uporabljeni dve kalibracijski peˇ ci (proizvajalca ACT in Land), za 1300 °C pa samo peˇ c Land. Pri ˇ crnem telesu ACT je bila temperatura merjena na razdaljah 485 mm in 730 mm, pri Landu pa na razdaljah 430 mm in 730mm. Oddaljenost zaslonk od leˇ ce pirometra je pri ACT znaˇ sala 230 mm in 475 mm, pri Landu pa 230 mm in 530 mm. Pri ACT je bil za merjenje referenˇ cne temperature uporabljen uporovni termometer, pri drugi pa kar isti pirometer, le da so meritve te temperature potekale brez zaslonk. Na sliki 6 je prikazana karakteristika vpliva velikosti vira pri razdalji od roba leˇ ce od ˇ crnega telesa 730 mm, kjer so zdruˇ zene meritve za obe kalibracijski peˇ ci. Glede na razdalje leˇ ce do zaslonk je z naˇ sal najmanjši premer tarˇ ce pri peˇ ci ACT 24 mm, pri Land pa 23 mm. Iz grafa je razvidno, da se po zmanjˇ sanju premera zaslonk pod 25 mm pojavi vpliv velikosti vira pri pribliˇ zno enaki velikosti tarˇ ce, zaradi zelo razliˇ cnih padcev temperatur pri meritvah pa se karakteristike od tega premera dalje precej razlikujejo, tudi za 5 %. Na sliki 7 je predstavljena karakteristika z veˇ cjo loˇ cljivostjo, preden zaˇ cne vrednost SSE padati pod kritiˇ cno mejo 95 %. Slika 6: Karakteristika vpliva velikosti vira pri temperaturah od 700 °C do 1300 °C, do zaslonke s premerom 13,9 mm. Slika 7: Karakteristika vpliva velikosti vira pri temperaturah od 700 °C do 1300 °C, do zaslonke s premerom 25 mm. 4.1 Heitronics TRT II Vpliv velikosti vira je bil merjen pri temperaturah 50 °C, 150 °C, 250 °C, 500 °C, 750 °C in 1000 °C. Oddaljenost leˇ ce sevalnega termometra od ˇ crnega telesa je bila prilagojena glede na dimenzije peˇ ci in prostorske zmoˇ znosti. Pri tem sta bili upoˇ stevani dve razliˇ cni obmoˇ cji valovnih dolˇ zin glede n a temperaturno obmoˇ cje in izmerjena temperatura pri doloˇ cenem premeru zaslonke. V obmoˇ cju do 300 °C ima sevalni termometer n a j m a n j š i premer tarˇ ce 6 ,8 mm na razdalji 380 mm. Pri vseh meritvah je bila emisivnost sevalnega termometra nastavljena na 1. Na sliki 8 so prikazane meritve vpliva velikosti vira med 50 °C in 250 °C pri razdalji od leˇ ce do ˇ crnega telesa s=175 mm pri premeru odprtine ˇ crnega telesa S=60 mm. Razdalja stojala z zaslonkami od ˇ crnega telesa je znaˇ sala 130 mm, torej je bila leˇ ca pirometra od vira (zaslonke) oddaljena 45 mm. Pri tej razdalji je bila odˇ citana velikost najmanjˇ sega vira iz grafa najmanjˇ sega vidnega polja za ta pirometer, ki pri tej razdalji znaˇ sala 45 mm. Iz tega podatka lahko predvidevamo, da se bo signal pirometra znižal po vstavitvah zaslonk ma n j ših od 45 mm. Izkazalo se je, da s e pri zaslonki s premerom 40 mm temperatura ˇ se ne zniža, pri naslednji zaslonki d=30 mm pa se temperatura zniža za 10 °C. 180 Slika 8: Karakteristika vpliva velikosti vira pri temperaturah od 50 °C do 250 °C, do zaslonke s premerom 40 mm. Iz grafa na sliki 9 vidimo, da pri krajˇ si razdalji merjenja pride do veˇ cjega in bolj nenadnega padca temperature, medtem ko pri daljˇ si razdalji (npr. s=500 mm) pride do manjˇ sega padca temperature, vendar ta zaˇ cne sistematiˇ cno padati, ko zmanjˇ sujemo premer zaslonk. Tako pri razdalji s=295 mm in zaslonki d=30 mm temperatura pade za 29,2 °C, pri razdalji s=500 mm in zaslonki d=16 mm pa temperatura pade za 4,6 °C. Slika 9: Karakteristika vpliva velikosti vira pri 500 °C, do zaslonke s premerom 16 mm. Iz grafa pri meritvah na razdalji s=560 mm in 570 mm (slika 10) in iz podatkov lahko ponovno sklepamo, da se vpliv velikosti vira pojavi kmalu za tem, ko preidemo na manjše zaslonke od najmanjše nazivne velikosti vira. Karakteristika je odvisna od oddaljenosti pirometra do zaslonke (s-b), v primeru meritev s pečjo Land je ta oddaljenost blizu najmanjše nazivne velikosti vira, torej se pojavi vpliv velikosti vira pri manjših premerih zaslonk. Slika 10: Karakteristika vpliva velikosti vira za pirometer Heitronics TRT II pri temperaturah 750 °C in 1000 °C, pri dveh razliˇ cnih ˇ crnih telesih. 5 Zaključek Vpliv velikosti vira je pomemben prispevek k negotovosti pri merjenju in umerjanju sevalnih termometrov. Za oba referenčna sevalna termometra v LMK smo želeli ugotoviti, če specifikacije proizvajalca v zvezi z najmanjšo velikostjo merjene površine (imenovane tudi tarče ali vira) veljajo in je s tem vpliv velikosti vira pri umerjanju v primerjavi z našimi črnimi telesi zanemarljiv. Meritve in izračuni so pokazali, da je vpliv velikosti vira za oba referenčna sevalna termometra v LMK pri umerjanju v primerjavi s črnimi telesi, katerih premer odprtine je vsaj 40 mm, zanemarljiv. Literatura [1] Preston-Thomas H., Bloembergen P., Quinn T. J., The supplementary information for the international temperature scale of 1990, Bureau International des poids et mesures, Pavillon de Breteuil, F-92310 Sevres, France, 1990 [2] I. Pušnik, G. Grgić in J. Drnovšek, “System for the determination of the size-of-source effect of radiation thermometers with the direct reading of temperature,” Measurement Science and Technology, vol. 17, no. 6, str. 1330, 2006.