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KELLER ITS Infrared Thermometer Solutions
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Compact two-colour pyrometer for wear-free temperature measurements in combustion plants 

Thermocouples are traditionally used to measure temperatures in combustion plants or power plants. The problem with thermocouples is their limited life under high temperatures and contaminated furnace atmospheres. As the thermocouples are not necessarily directly destroyed but the measurement reading slowly drifts, measurement errors are not immediately recognised and may lead to significant damages over an extended period of time. Drifting is a physical phenomenon and can be slowed down by pre-aging but it cannot be completely prevented.
Non-contact pyrometers that capture the infrared radiation of a measuring object from a safe distance and calculate the temperature from the radiation values do not face this problem. Over many years, they measure continuously and reproducibly as long as the optical path is clean and the field of view towards the target is unobstructed. The only drawback compared to thermocouples is their restricted measurement range. To measure temperatures, pyrometers need objects that generate thermal radiation.  In an incineration plant these objects are the hot particles in the air stream. A radiation pyrometer determines the temperature from the average value of the radiation it captures in the measurement area. Therefore, the measurement depends on the distribution and density of the particles. With low particle density and a cooler opposite furnace wall, the reading of a radiation pyrometer may fluctuate and a too low value may be displayed.
The new CellaCombust PK 68 of the compact pyrometer PK series is based on the two-colour measuring method where the radiation density is simultaneously detected at two wavelength ranges. The ratio of the two radiation densities is proportional to the temperature. The advantage of this measuring method is that the device determines the maximum temperature within the measurement area. The measurement is therefore not depending on the particle density and on a cooler furnace wall. A two-colour pyrometer also reacts considerably less sensitively to a contamination of the inspection glass. 
Thanks to a high optical resolution with a narrow viewing cone the compact device can easily be mounted on an existing furnace opening formerly used for thermocouples. The bayonet coupling with integrated protective screen of the mounting assembly is easily opened without tools to clean the protective screen, if necessary, and to check whether the kiln opening is closing up. The mounting assembly comes with an axial air nozzle to minimise the risk of contamination. 
The CellaCombust PK 68 is equipped with an electronic Smart Contamination Monitoring (SCM) function. An alarm is triggered in case of too heavy contamination or when the viewing opening of the furnace has largely closed up. This allows prompt reaction in case of failure and prevents more serious damages. The sensitivity of the monitoring function can be set directly on the pyrometer. A display of the signal strength serves to check the reliability of the measurement value.

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Smart pyrometers for monitoring exhaust gas and flame temperatures in coal power plants and waste incineration plants

In the global effort to protect the environment, the minimization of the generation of pollutants in coal-fired power plants or waste incineration plants is of a great importance today. These higher commitments require suitable modern measurement technology to determine the real temperature along the furnace. The commonly used thermocouples can only detect the temperature near the wall and does not correspond to the decisive temperature of the firing process. For this reason pyrometers are ideally suited for measurements in incinerators by recording the gas and flame temperature without wear parts and drift.

KELLER ITS has developed two new models of the PK compact pyrometer series. The CellaCombustion PK 72 is used to measure hot exhaust gases. The spectral range of the infrared thermometer is designed to detect the infrared radiation of the hot CO2 gas in the boiler room, without being disturbed by the cold CO2 gases near to the wall. The CellaCombustion PK 62 is designed for the temperature measurement of sooting flames. A complex mathematical algorithm determines the temperature from the infrared radiation of the hot particles in the flame.
http://www.keller-its.fr/pyrometre/pyrometre-cellatemp-pk-72.php


Thanks to the compact design in the M30 housing and the high optical resolution with a narrow viewing cone, the devices can be easily mounted on existing oven openings for thermocouples. The bayonet fitting assembly with integrated sapphire window can be opened quickly and without tool to check the tube, clean the window or to control the clogging of the furnace opening.

http://www.keller-its.com/temperature-pyrometers/mounting-pk-15-005.php


The reading can be displays on the instrument. All configuration parameters can be set directly on the device via the keyboard. The measured values are transmitted to the controller via the analogue output. In addition, the pyrometers feature the new IO-Link digital interface technology standardized worldwide in accordance with the IEC 61131-9. It can be then used regardless of the manufacturer in all fieldbus systems such as Profibus, Profinet or Ethernet. Temperature reading can be easily integrated into the plant control system in order to control the consumption of utility like the quantity amount of fuel, air or urea.


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Albert Book
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Smarte Pyrometer zur korrekten und verschleißfreien Messung der Abgas- und Flammentemperatur in Kohlekraftwerken und Müllverbrennungsanlagen

Seit dem 01.01.2016 gelten strengere gesetzliche Anforderungen und niedrigere Grenzwerte für den Ausstoß von Stickoxiden beim Betrieb von Verbrennungsanlagen. Nach der Bundes-Immissionsschutzverordnung (BlmSchV) müssen die Verbrennungsbedingungen kontinuierlich überwacht werden. Durch Optimierung des Verbrennungsprozesses sollen die Stickoxide weiter reduziert werden. Dazu fordert die 17. BlmSchV eine kontinuierliche Messung der Mindesttemperatur und eine regelmäßige Überprüfung der Messeinrichtung. Das Ziel ist eine homogene Verteilung der Temperatur innerhalb einer Ebene des Feuerraums. Eine zu hohe Temperatur führt hingegen zu einer Beschädigung der Ausmauerung und Verschlackung des Feuerraums. Daher ist die Überwachung der Temperatur in Kraftwerken und Müllverbrennungsanlagen eine zwingende Notwendigkeit.

Die höheren Anforderungen erfordern entsprechende moderne Messtechnik, um die relevanten Temperaturen innerhalb des Feuerraums ermitteln zu können. Die üblicherweise eingesetzten Thermoelemente können lediglich die Temperatur im wandnahen Bereich erfassen. Diese entspricht jedoch nicht der entscheidenden Temperatur des Brennprozesses. Eine weitere Problematik von Thermoelementen ist die begrenzte Standzeit, insbesondere bei hohen Temperaturen, aggressiven Gasen oder Ablagerungen. Ein weiteres physikalisch bedingtes Problem ist der mit der Zeit driftende Messwert. Dies erfordert eine regelmäßige Kontrolle und Austausch der Thermoelemente, um Fehlmessungen und Folgeschäden am Kessel zu vermeiden.

Aus dem Grund sind Pyrometer für die Messung in Verbrennungsanlagen ideal geeignet, die verschleißfrei und driftfrei die Gas- und Flammentemperatur erfassen. Die Komplexität der Messaufgabe erfordert verschiedene gerätetechnische Lösungen für die unterschiedlichen Messstellen. Auf Basis der Kompaktpyrometer-Serie PK hat KELLER ITS dazu zwei neue Ausführungen entwickelt. Das CellaCombustion PK 72 dient zur Messung der heißen Abgase. Der Spektralbereich des Infrarot-Thermometers ist so ausgelegt, dass es die Infrarot-Strahlung des heißen CO2-Gases im Kesselraum erfasst ohne dabei von den kalten CO2-Gasen in der Nähe der Wandung gestört zu werden. Dank eines neuen hochempfindlichen Sensorelementes in Verbindung mit einer extrem rauscharmen Elektronik arbeitet das auf Gleichlichttechnologie aufgebaute Gerät wartungs- und verschleißfrei.

Das CellaCombustion PK 62 wurde für die Temperaturmessung von rußenden Flammen entwickelt. Ein komplexer mathematischer Algorithmus ermittelt aus der Infrarotstrahlung der heißen Partikel in der Flamme die Temperatur. Dabei fließt die Größe und Konzentration der Partikel als Korrekturwert mit ein, so dass unabhängig von der optischen Dichte die korrekte Temperatur ermittelt wird.
Dank der kompakten Bauform im M30-Gehäuse und der hohen optischen Auflösung mit einem schmalen Sichtkegel lassen sich die Geräte einfach an vorhandene Ofenöffnungen für Thermoelemente montieren. Bereits eine Öffnungen von 1“ (25,4 mm) ist ausreichend, um störungsfrei durch die Kesselwand hindurchmessen zu können. Die Montagearmatur mit Bajonettanschluss und integrierter Saphir-Schutzscheibe ist schnell und ohne Werkzeug zu öffnen, um bei Bedarf die Messeinrichtung zu überprüfen, die Schutzscheibe zu reinigen und das Zusetzen der Ofenöffnung zu kontrollieren. Eine Axialluftdüse mit zirkulierender Luftführung verringert bei minimalem Luftverbrauch die Gefahr einer Verschmutzung.

Der Messwert lässt sich auf dem integrierten Display vor Ort ablesen. Sämtliche Konfigurationsparameter sind direkt am Gerät über die Tastatur einstellbar. Hilfreich bei der Inbetriebnahme ist die Simulationsfunktion der Temperatur. Damit lässt sich auch bei einem kalten Ofen die komplette Messkette bis hin zur SPS kontrollieren. Die Messwerte werden über den Analogausgang zur Steuerung übertragen.

Darüber hinaus verfügen die CellaCombustion PK 62 / PK 72 über die neue digitale Schnittstellentechnologie IO-Link, um die Geräte in die Anlagensteuerung einzubinden. Insbesondere wenn bis zu 12 Geräte auf einer Ebenen des Kessels eingesetzt werden, um darüber ein zweidimensionales Profil der Temperaturverteilung zu erstellen und die Position des Ausbrandes zu kontrollieren, bietet sich die Vernetzung über die digitale Schnittstelle an. Darüber lassen sich dann die veränderbaren Prozessgrößen wie die Menge des Brennmaterials, die Verbrennungsluft oder Harnstoff regeln.

Im Hinblick auf die Einführung der Industrie 4.0 werden von den smarten Sensoren über die IO-Link Schnittstelle zusätzlich zu den Messsignalen diverse weitere Signale sowie Diagnosedaten, Status- und Fehlermeldungen zur Steuerung und zum Datenerfassungssystem übertragen. Dank der störsicheren digitalen Signalübertragung sind Messunsicherheiten durch Wandlungs- und Umrechnungsfehler wie bei der analogen Übertragungstechnik ausgeschlossen. Bei Bedarf kann die Parametrierung des Gerätes automatisiert während des laufenden Betriebes von der Leitwarte über die Steuerung abhängig vom Betriebszustand der Produktionsanlage erfolgen.

IO-Link wird wohl zu Recht als die USB-Schnittstelle der Industrie für die Anlagen- und Maschinensteuerung bezeichnet. Die Verkabelung der Punkt-zu-Punkt Verbindung ist dank standardisierter Kabel mit Schraubverbinder denkbar einfach, schnell und betriebssicher. Alle namhaften Hersteller von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) haben an der Spezifikation und Entwicklung dieser weltweit genormten Schnittstellentechnologie nach IEC 61131-9 mitgearbeitet. Damit sind Geräte mit IO-Link Schnittstelle herstellerunabhängig in allen führenden Feldbussystemen wie Profibus, Profinet oder Ethernet direkt zur Prozessautomation einsetzbar.

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Pyrometer mit patentierter Signalverarbeitung zur Messung von Metallen bei Temperaturen ab 75 °C

Die berührungslose Temperaturmessung von Metallen bei Temperaturen < 150 °C ist aufgrund der extrem kleinen Wärmestrahlung eine anspruchsvolle Messaufgabe für Pyrometer.
Da physikalisch bedingt die Wärmestrahlung von niedrigen Temperaturen im langwelligen Bereich von > 8 µm erfolgt, werden zur Messung üblicherweise langwellige messende Pyrometer mit einem thermischen Empfänger eingesetzt. In diesem Wellenlängenbereich ist das Emissionsvermögen von Metallen äußerst gering. Ein langwellig messendes Pyrometer erfasst daher zum überwiegenden Teil die sich auf der Oberfläche reflektierende Störstrahlung aus der Messumgebung.

Mit kürzerer Wellenlänge steigt das Emissionsvermögen von Metallen. Um stabile Messergebnisse zu erzielen, sind daher kurzwellig messende Pyrometer zu verwenden. Die spektrale Empfindlichkeit sollte bei <2,7 µm und damit unterhalb der Absoptionsbande von CO2 liegen. Außerdem muss die Messtemperatur mindestens 25 °C über der Eigentemperatur des Detektors liegen, damit überhaupt ein messbarer Fotostrom fließt.
Auch heute noch werden zur Messung von Metallen bei Objekttemperaturen ab ca. 50 °C Geräte mit einem fotoelektrischen PbS-Sensor eingesetzt. Das Problem von PbS-Sensoren ist eine Drift von bis zu 4 % pro °C Änderung der Eigentemperatur. Um überhaupt ein stabiles Messsignal zu erzielen, muss der Sensor daher im Wechsellichtverfahren sprich mit einer rotierenden Filterscheibe betrieben werden. Damit verbunden sind ein starkes Rauschen von bis zu 20 °C am Messbereichsanfang und eine lange Ansprechzeit. Dies schränkt den Einsatz an bewegten Objekten und für schnelle Aufheizprozesse ein. Der Motor mit der rotierenden Mechanik begrenzt den Einsatz bei höheren Umgebungstemperaturen und die Lebensdauer der Wechsellichtgeräte.
Inzwischen werden heutzutage für diese Messaufgabe moderne Geräte mit einer InGaAS-Fotodiode angeboten. Die Empfindlichkeit und Stabilität dieser Dioden sind mittlerweile ausreichend, um sie im Gleichlichtverfahren und somit ohne bewegte Teile betreiben zu können. Stabile Messwerte werden jedoch erst ab Messwerten von deutlich über 100 °C erzielt. In einigen Datenblättern werden zwar die Geräte mit Messbereichsanfangswerten von 50 °C spezifiziert. Bei näherer Betrachtung der technischen Daten wird erkennbar, dass sich die Angaben auf idealisierte Messbedingungen wie z.B. für Umgebungstemperaturen von 25 °C, für einen Emissionsgrad von 100 % und für sehr lange Messzeiten im Minutenbereich beziehen. Die optische Auflösung der Geräte mit InGaAs-Sensoren ist gering, um so über eine große Messfläche mehr Infrarotstrahlung zu empfangen. Für kleine Messobjekte sind die Gerät dahert ungeeignet.

Auf Basis einer neuartigen, hochempfindlichen InGaAS-Fotodiode hat KELLER ITS Pyrometer mit einer patentierten Signalverarbeitung entwickelt die in der Lage ist, kleinste Fotoströme im Picoamperbereich auszuwerten. Das Patent basiert auf einer Kombination aus einer analogen und digitalen Schaltungstechnik verbunden mit extrem rauscharmen Verstärkern mit minimalem NETD (Noice Equivalent Tempeature Difference) und einer hochauflösenden Analog-Digitalwandlung. Die Signalverarbeitung erfolgt mittels eines leistungsstarken Mikroprozessors. Über einen komplexen, mathematischen Algorithmus wird die Linearisierung und Kompensation der Umgebungstemperatur ermittelt.

Zur Steigerung der empfangenen Wärmestrahlung wird ein großes, lichtstarkes Objektiv verwendet. Hochwertige, farbkorrigierte Linsen sorgen dabei für einen guten Size-of-Source Effekt und damit für minimale optische Abbildungsfehler bei gleichzeitig hoher optischer Auflösung.
Mit den beiden neuen Pyrometertypen CellaTemp PK 25 und CellaTemp PA 28 können Temperaturen von Metallen ab 75 °C gemessen werden. Diese Angabe gilt für den Worst-Case –Fall sprich für blanke Metalle mit einem Emissionsgrad ab 10 %, bei gleichzeitig schnellster Messzeit in Millisekundenbereich und für kleine Objekte ab 2 mm.

Das Rauschen sprich die Temperaturauflösung der neuen Pyrometer beträgt am Messbereichsanfang 0,1 K und ist damit um mehr als den Faktor 10 höher, als die bisher am Markt angebotenen Geräte mit InGaAs-Sensor.
Bei der Messung von niedrigen Temperaturen mit kurzwelligen Pyrometern an blanken Metallen von unter ca. 150 °C kann es jedoch notwendig sein, dass die Messstelle von der Störstrahlung aus der Umgebung abzuschatten ist. Bereits das normale Tageslicht besitzt im Vergleich zu der geringen Wärmestrahlung des Objektes noch störende Strahlungsanteile im Wellenlängenbereich der Pyrometer.

Eingesetzt werden die Geräte zur Überwachung von Abkühlprozessen, bei der Wärmenachbehandlung, beim Presshärten, in Bandbeschichtungsanlagen oder aus sicherheitstechnischen Gründen zum Schutz vor wärmetechnischen Überlastungen und Beschädigungen.

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Sichere und verschleißfreie Temperaturmessung in induktiven Erwärmungsanlagen

Bei der induktiven Wärmebehandlung ist die Temperatur der wichtigste Prozessparameter. Jedoch ist die korrekte und langzeitstabile Ermittlung der Temperatur oft nicht so einfach möglich. Eine kontaktbehaftete Messung mittels Thermoelemente ist im laufenden Produktionsprozess an bewegten Teilen oder Induktoren nicht wirklich praktikabel durchführbar. Infrarot-Thermometer, die aus der Wärmestrahlung des Messobjektes berührungslos die Temperatur ermitteln, sind ideal für die Messaufgabe geeignet. Voraussetzung ist jedoch die richtige Auswahl und der korrekte Einsatz der Geräte. Der folgende Artikel beschreibt die Voraussetzungen und die neuesten technischen Entwicklungen für eine sichere, korrekte und langzeitstabile Temperaturmessung mittels Pyrometer in induktiven Erwärmungsanlagen.

Obwohl die Temperatur in induktiven Erwärmungsprozessen mit die entscheidende Prozessgröße ist, um konstante und reproduzierbare Produktionsbedingungen zu schaffen, werden aufgrund der Schwierigkeiten in der Erfassung der korrekten Temperatur nur bedingt Messgeräte eingesetzt. Stattdessen wird die Regelung über die Leistung des Induktors, die Vorschubgeschwindigkeit und die Zeit gesteuert.

Eine berührende Messung mittels Thermoelemente ist in Induktionsanlagen mit einer Reihe von Problemen verbunden und daher in der Praxis nicht anwendbar, da sich das Messobjekt oder der Induktor bewegt. Bei kleinen Produktionsteilen oder Heizzonen lässt sich bei einer Kontaktmessung eine ungewollte Wärmeableitung nicht verhindern. Für schnelle Aufheizprozesse ist die Reaktionszeit von Thermoelementen zu langsam. Auch wären aufwendige mechanische Lösungen notwendig, um den Kontaktfühler zur Messung an das Werkstück heran zu führen. Zudem führen Alterungseffekte der Thermoelemente mit der Zeit zu einem fehlerhaften Temperaturwert, da der Messwert durch Diffusionsprozesse langsam wegdriftet. Eine langzeitstabile sichere Temperaturmessung ist damit nicht gewährleistet.

Daher sind berührungslos, verschleißfrei und driftfrei messende Infrarot-Thermometer grundsätzlich ideal geeignet, um in induktiven Wärmebehandlungsanlagen die Temperatur zu messen. Bei der berührungslosen Temperaturmessung wird die von der Messstelle abgestrahlte Infrarotstrahlung vom Pyrometer erfasst und in einen Temperaturwert umgerechnet.

Allerdings ist die Infrarottemperaturmessung komplexer als die Kontaktmessung, da die abgestrahlte Energie von dem Material und der Oberfläche abhängig ist. Wenn bei gleicher Einstellung ein Spektralpyrometer die Strahlung eines Messing- und eines Stahlbolzens erfasst, zeigt das Gerät bei der Messung an Messing eine niedrigere Temperatur an, da Messing schlechtere Strahlungseigenschaften sprich einen kleineren Emissionsgrad als Stahl besitzt. Am Pyrometer wird dies durch die Einstellung des Emissionsgrades korrigiert. Doch es stellt sich bei der pyrometrischen Temperaturmessung immer die Frage nach dem Emissionsgrad der Messoberfläche und wie konstant ist er selbst bei gleichen Materialien jedoch unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit? Wie bei der Kontaktmessung gibt es natürlich auch bei der berührungslosen Temperaturmessung das Problem, dass sich die Heizzone nicht zwingend an der gleichen Stelle befindet. Beispielsweise kann ein Draht schwanken und sich somit die Position periodisch verändern. Trotz der sonstigen Vorteile der Infrarot Messung wird aufgrund dieser Schwierigkeiten in Induktionsanlagen wohl eher aus Unsicherheit und Unkenntnis zum Teil auf eine Temperaturmessung verzichtet und stattdessen rein über die zugeführte Energie, die Vorschubgeschwindigkeit und die Zeit die Anlage gesteuert, um konstante Produktionsbedingungen zu schaffen. Eine wirkliche Kontrolle oder sogar ein Nachweis über die Einhaltung der vorgegebenen Bearbeitungstemperatur ist dann nicht gewährleistet. Werden jedoch die richtigen Infrarot-Thermometer ausgewählt und die heutigen Möglichkeiten der modernen Geräte genutzt, lassen sich die Probleme der pyrometrischen Messung lösen und Pyrometer erfolgreich für eine korrekte Erfassung der Temperatur einsetzen.

Bei der optischen Temperaturmessung werden sowohl Geräte mit dem Einkanal- als auch mit dem Zweikanalmessverfahren eingesetzt. Einkanal- oder Spektralpyrometer erfassen bei einer Wellenlänge die Infrarotstrahlung und berechnen daraus die Temperatur. Störende Signaländerungen, wie unterschiedlich strahlende Messobjekte, Messung an Objekten, die kleiner als das Messfeld sind, Oxidation auf der Messoberfläche oder Staub und Dampf im Sichtfeld wirken sich unmittelbar als Störgröße auf den Messwert aus. Die Fehlmessung ist umso größer, je langwelliger und breitbandiger die Messwellenlänge des Pyrometers ist (Bild 1).




Moderne Zweikanal- oder Quotientenpyrometer sind mit einem Doppelsensor in Sandwich Bauweise ausgestattet. Damit erfassen sie die Strahlung zeitgleich und bei bewegten Objekten auch ortsgleich an zwei Wellenlängen. Aus den beiden spektralen Signalen wird der Quotient gebildet. Dieser verhält sich bei Abgleich vor einem Kalibrierstrahler proportional zur Temperatur. Wenn die Signale der beiden Kanäle gleichermaßen durch die beschriebenen Störungen geschwächt werden, bleibt der Quotientenmesswert konstant und zeigt weiterhin die korrekte Temperatur an. Dies funktioniert selbst bei einer Signalschwächung von bis zu 90 %. Wirkt die Schwächung jedoch selektiv d.h. für die beiden Wellenlängen unterschiedlich, führt dies bei einem Quotientenpyrometer zu teils erheblichen Messabweichungen.

hysikalisch bedingt ändert sich bei Metallen die Strahlungseigenschaft, sprich der Emissionsgrad in Abhängigkeit der Objekttemperatur, des Materials sowie durch Oxidation oder Zunderbildung. Bei Stahl ist der Emissionsgrad zum einen deutlich höher und zum anderen der Störeinfluss deutlich geringer als bei NE-Metallen wie Messing, Kupfer oder Aluminium (Tabelle 1).


Da die Quotientenmessmethode Schwankungen des Emissionsgrades bis zu einem gewissen Grad kompensieren kann, liefert ein Quotientenpyrometer bei der Messung an Eisen und Stahl genauere Messwerte und ist daher besser geeignet, als ein Spektralpyrometer. Moderne Quotientenpyrometer mit einer scharf abbildenden und hochauflösenden Optik sind in der Lage, zwischen sauberen und oxid- und schlackebehafteten Oberflächen zu unterscheiden. Bewegt sich das Messobjekt an dem Pyrometer vorbei, wird mittels dieser CSD-Filterfunktion (Clean Surface Detection) die korrekte Temperatur der oxid- und zunderfreien Stellen ermittelt. Auch sind moderne Geräte durch leistungsstarke Mikroprozessoren heute in der Lage, völlig autark heiße Objekte zu erkennen und die Messung automatisch durchzuführen. Am Ende der Messung wird der gefilterte Messwert am Display des Gerätes angezeigt und über den Ausgang übertragen. Mittels integrierter Schaltkontakte lassen sich beispielsweise bei der Bolzenerwärmung direkt über das Gerät zu heiße und zu kalte Teile auszusortieren (Bild 2).


Bei Bundmetallen ist im Unterschied zu Eisen und Stahl der wellenlängenabhängige Einfluss so groß, dass der Messfehler mit einem Quotientenpyrometer deutlich höher werden kann, als bei einem kurzwellig messenden Spektralpyrometer. Ändert sich beispielsweise der Emissionsgrad bei der Messung an Messing zwischen 25 – 35 %, ergeben sich bei einer Objekttemperatur von 900 °C folgende Messabweichungen (Tabelle 2):




Daher sollte für die Messung an NE-Metallen ein kurzwellig und schmalbandig messendes Spektralpyrometer eingesetzt werden, um den Messfehler zu minimieren.

Da es sich bei Pyrometern um eine optische Temperaturmessung handelt, sind neben den elektrischen auch die möglichen optischen Messfehler zu beachten. Um die optisch bedingten Messabweichungen zu minimieren, sind insbesondere bei kleinen Objekten, die kaum größer als das Messfeld des Pyrometers sind, Geräte mit einer hochauflösenden und qualitativ hochwertigen Optik notwendig. Die Geräte sind im Fokusabstand zu montieren bzw. bei Geräten mit fokussierbarem Objektiv ist der Fokusabstand passend einzustellen. Allerdings kommt es in der Praxis vor, dass Produkte mit unterschiedlichen Abmessungen auf einer Anlage erwärmt werden und dadurch der Messabstand variiert. Erfahrungsgemäß wird der Messabstand oder der Fokus der Geräte nicht verändert, so dass die Geräte teils außerhalb des Fokusabstandes betrieben werden. Abstands- und objektgrößenabhängige Messfehler können durch den Einsatz von optisch hochwertigen Geräten mit einem kleinen Size-of-Source Effekt stark reduziert werden, wie aus der Grafik (Bild 3) abzulesen ist.


Die Grafik zeigt die SSE Kurven für zwei Geräte mit qualitativ unterschiedlichen Optiken. Wenn sich die Objektgröße beispielsweise von 16 mm auf 32 mm verdoppelt, ändert sich die Temperaturanzeige bei dem Gerät mit dem hochwertigen Objektiv von 998,8 °C auf 999,7 °C d.h. umlediglich 0,9 K. Im Vergleich dazu steigt bei einem Strahlungsthermometer mit einem einfachen optischen Aufbau der Messwert von 990 °C auf 995,8 °C also um 5,8 K. Bezogen auf die wahre Temperatur von 1000 °C ergibt sich bei einem Objektdurchmesser von 16 mm für das hochwertige Gerät ein Messfehler von 1,2 °C. Das optisch einfache Gerät weicht hierbei um 10 °C von der wahren Temperatur ab. D.h. allein der optische Einfluss verursacht bei dem einfachen Gerät eine Messunsicherheit von 1 %.

Mittels eines LED-Pilotlichtes, eines Durchblickvisiers oder einer integrierten Videokamera werden die Ausrichtung, die Fokussierung sowie die Größe des Messfeldes überprüfen. Weniger geeignet sind Laser als Pilotlicht, da der Laserpunkt im Gegensatz zum LED-Lichtfleck nur die Mitte des Messfeldes und nicht die exakte Größe anzeigt. Da bei hohen Temperaturen die Objekte rot glühen, sind neuartige Geräte mit grünem LED-Licht besser geeignet, da ein roter Leuchtpunkt am heißen Objekt schwerer erkennbar ist.

Um bei der Messung mit einem Spektralpyrometer den Einfluss durch Zunder und Oxidation auf der Oberfläche so gering wie möglich zu halten, sollten die Geräte bei Durchlauföfen unmittelbar am Ofenausgang montiert werden und senkrecht auf die Seite des Objektes messen.

Bei der Messung von Metallen bei niedriger Temperaturen < 400 °C kann sich bei Materialien mit einem hohen Reflektionsgrad Sonnenlicht oder künstliches Licht auf dem Objekt spiegeln und zu einer fehlerhaften Mehranzeige führen. Für derartige Anwendungen sind spezielle Geräte mit einem Blocking-Filter einzusetzen, um den Streulichteinfluss zu unterbinden.

Zur Messung an kleinen Objekten, bei variablem Hot Spot oder bei schwingenden Drähten sind neueste Panorama-Pyrometer mit rechteckigem Messfeld ideal geeignet, um stabile Messwerte zu erzielen. Solange sich das Messobjekt innerhalb des Messfeldes bewegt, wird ein korrekter Messwert ermittelt (Bild 4).




Im Zuge der Einführung der Industrie 4.0 und damit der Möglichkeit zur Auswertung zusätzlicher Messdaten, der Nutzung von Überwachungsfunktionen sowie der Fernbedienbarkeit intelligenter Sensoren, löst die digitale Signalübertragung mehr und mehr die reine Analogwertübertragung 0(4)20 mA ab. Die neue IO-Link Schnittstellentechnologie entwickelt sich aufgrund der hohen Übertragungsgeschwindigkeit, der einfachen und störsicheren Verkabelung per Schraubverbinder und der universelle Einsatzmöglichkeit in allen namhaften vom Markt verwendeten Feldbussystemen mehr und mehr zum Standard in der Maschinen und Anlagensteuerung (Bild 5).




Fazit

Durch entwicklungstechnische Fortschritte in der berührungslosen Temperaturmesstechnik in den letzten Jahren konnten Lösungen für die Probleme der berührungslosen Temperaturmessung gefunden und damit erhebliche Verbesserungen zur korrekten Temperaturmessung in Wärmebehandlungsprozessen erzielt werden. Bei der Auswahl der richtigen Geräte und Nutzung der verfügbaren Funktionalitäten in den Geräten lässt sich in induktiven Erwärmungsprozessen heutzutage die Temperatur sicher und genauer erfassen, um darüber direkt statt rein über die Energie, Zeit oder Vorschubgeschwindigkeit die Anlage zu regeln.
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15/09/2017
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Principe, avantages et application pour les pyromètres Panorama

Les pyromètres mesurent le rayonnement infrarouge émis par une surface déterminée de l’objet pour en déterminer la température. La taille et la forme de la zone de mesure sont déterminées par la géométrie des lentilles et l’ensemble des composants comme le diaphragme ou le détecteur. On trouve principalement des instruments avec une visée circulaire. Grâce aux progrès technologiques, certains fabricants proposent désormais des visées rectangulaires. Cet article décrit le fonctionnement, les applications concernées et les avantages de la visée rectangulaire.

Température des objets en mouvement
L’idée d’utiliser une visée rectangulaire en pyrométrie infrarouge est apparue il y a une trentaine d’années pour faciliter l’alignement des instruments pour certaines applications. L’un des gros avantages des pyromètres par rapport aux sondes contact est de pouvoir mesurer la température d’objets en mouvement. Cela sous-entend néanmoins que l’instrument puisse « voir » l’objet, autrement dit que l’objet apparaisse dans la cible de visée. Les problèmes commencent quand l’objet oscille et ne remplit pas continuellement la cible comme lors du tréfilage (Fig 1).

Dans le cas des câbles oscillants, la méthode classique consiste à utiliser un pyromètre monochromatique avec une taille de spot la plus petite possible combiné à un miroir oscillant. Le miroir balaie une zone large et le système garde en mémoire la température maximale mesurée qui correspond à celle du câble qui recouvre entièrement le spot de mesure. Le miroir oscillant étant un mécanisme en mouvement, il y a toujours un risque de panne sans compter que la mesure est périodique.

L’utilisation d’un rectangle de visée permet de se passer du miroir oscillant et d’avoir une mesure en continu. Une lentille cylindrique est utilisée à cet effet. La difficulté réside en l’homogénéisation de la distribution de l’énergie en tout point de la cible rectangulaire. Il ne faut pas que le centre de la cible sur/sous-évalue la température par rapport aux bords. De telles optiques constituent un surcoût élevé. De plus, des phénomènes de distorsion optique et de focales compliquaient l’alignement de l’instrument.

Cependant, un pyromètre bichromatique détecte le rayonnement infrarouge à deux longueurs d’onde et calcule le ratio. Ce dernier est alors comparé à une courbe d’étalonnage pour en extraire la température de l’objet. Dès lors, l’objet peut être plus petit que la zone de mesure et on peut donc mesurer sa température tant qu’elle est supérieure à celle de l’environnement.


Conception et fonctionnement du Panorama
Le pyromètre Panorama n’utilise pas une lentille cylindrique pour créer la cible rectangulaire mais se concentre sur la géométrie des diaphragmes(3) entre le détecteur le miroir déflecteur (4) (Fig2). Les lentilles n’ont alors pas besoin d’avoir une forme spéciale, l’image reçue par la visée optique ou par la caméra est conforme à la réalité. L’opérateur voit le champ de visée ainsi que la visée rectangulaire. La focalisation pour obtenir une image nette reste la même.

L’autre avantage de cette conception est d’avoir une zone de mesure, cible, strictement représentative de la zone effectivement mesurée. C’est le seul moyen de s’assurer du bon alignement et d’une focalisation correcte.

Un autre problème à surmonter dans l’élaboration du Panorama est lié aux aberrations optiques et la distribution hétérogène de l’énergie sur l’aire de détection. Ainsi en mode bichromatique, pour un objet à 1000°C, on peut avoir une dérive proche de 30°C entre la zone centrale et les bords du rectangle (Fig3). Les modèles standards peuvent afficher une température oscillante dès que la taille de l’objet varie.

Pour atténuer ce phénomène, il est nécessaire d’utiliser des lentilles spécifiques. Ces lentilles gardent les mêmes performances optiques en tout point de leur surface (aberration sphérique minimale). De plus, l’aberration chromatique longitudinale a été optimisée pour garantir une image nette aux deux longueurs d’onde utilisée par le détecteur ainsi que dans le spectre visible. Enfin, des détecteurs hautes performances sont utilisés. Le résultat est la série Panorama qui permet une mesure fiable d’un câble métallique dont la position ou la section varient dans le temps.


Un large choix d’équipement optique
Les pyromètres Panorama est construite sur un concept modulaire composé de : l‘optique, le détecteur, l’électronique et le système de visée. Il est ainsi possible de choisir différentes lentilles ou systèmes de visée pour s’adapter pour s’adapter à la taille de l’objet et à la distance de mesure (Fig. 4).

Des lentilles supplémentaires peuvent également être vissées devant la lentille principale afin d’obtenir une taille de cible extrêmement petite pouvant aller jusqu’à 0.1 mm.


Alignement très facile et grande fiabilité opérationnelle
L’alignement du pyromètre sur un objet de petite taille ou à grande distance réclame des optiques de haute précision et un système de fixation sensible et robuste. L’utilisation d’un rectangle de visée est alors le gage d’une grande simplification (Fig. 5).
Cette facilité d’utilisation est encore plus probante avec un portable où il est difficile à l’opérateur de rester parfaitement stable tout en visant l’objet. Un modèle Panorama permet d’avoir pour une même application, une taille de visée 3 à 7 plus grande qu’avec un modèle à visée circulaire. Cela sécurise grandement la fiabilité des mesures portables.


Applications types
Les modèles Panorama augmente la fiabilité des mesures dès que l’objet oscille ou que l’alignement est plus délicat : objet de petite taille, distances variables, position changeante, mesure portable...

Pour une même application, les dimensions d’une visée rectangulaires sont nettement supérieures à son équivalent en visée circulaire. On diminue ainsi la probabilité que l’objet sorte de la cible ou ne recouvre plus suffisamment cette dernière.

Ligne de soudage et de bending en continu. Les tubes d’acier sont chauffés par le biais d’une boucle d’induction et le point de soudure, de faible dimension, varie. Avec un pyromètre classique, le point de soudure sort régulièrement tout ou partie de la cible de mesure conduisant à des imprécisions de mesure (Fig. 6).

Paraison sur chaîne de fabrication de bouteilles en verre. La position et la tailles des paraisons varient. Mais avec la visée rectangulaire, toutes les pièces sont détectées et mesurées. De plus, le mode bichromatique est moins sensible aux variations de composition ou de couleur du verre.

Ligne fabrication de câbles métalliques. Les câbles sont traités thermiquement par passage successif dans des inducteurs. La section ou la position peut également varier. Le Panorama permet de fiabiliser la mesure et de ne pas changer les réglages ou l’alignement en fonction de chaque section ou nuance.

Mesure portable de la température d’un jet de coulée. Cette mesure doit se faire à une distance relativement importante pour des raisons de sécurité des opérateurs. Plus la distances est grande, plus viser correctement le métal devient difficile surtout si celui-ci oscille quelque peu. Seule la visée rectangulaire (Fig. 7) peut être utilisée en combinaison avec le CellaCast.

Température d’un filament métallique. La prise de température d’un filament de tungstène en spirale dans une lampe utilisée comme source de rayon X est un véritable challenge. Pendant longtemps, seuls les pyromètres à disparition de filament puis à comparaison d’intensité étaient utilisés. Avec ces instruments, l’opérateur doit ajuster l’intensité afin de l’objet mesuré et le filament de référence se confondent. La mesure est purement manuelle.

Le problème des pyromètres numériques pour cette application est la difficulté d’aligner l’instrument sur des objets de si petite taille, sans compter sur les phénomènes de dilatation et de la section ronde du filament… Ces problèmes disparaissent avec le Panorama.


Limites de mesure
L’utilisation d’un modèle bichromatique limite la température basse mesurable à 600°C. Bien que le mode bichromatique permette d’avoir une mesure fiable même lorsque la cible de mesure n’est que partiellement recouverte, le pourcentage minimal requis dépend de l’émissivité du matériau et de sa température. On définit donc ce pourcentage comme le « degré d’illumination minimal » noté CIM.

Un modèle Panorama tolère une perte de signal de l’ordre de 90%, valeur qui peut encore augmenter lorsque la température augmente. Il tolère donc une intensité du signal minimal de 10%.

L’émissivité, l’angle de visée, la forme de l’objet, la quantité d’obstacle sur le trajet optique comme les poussières ou la vapeur vont impacter le CIM.

Par exemple, prenons un câble en acier ayant une émissivité de 0,6. Sa section étant ronde, l’énergie émise est moindre qu’une section plane. Pour en tenir compte on appliquera un facteur de sécurité de 1,5. On peut alors calculer le CMI selon la formule empirique suivante :

Degré d’illumination partielle= (intensité du signal minimum mesurable ÷ émissivité) × facteur de sécurité

Soit avec notre exemple : CMI= (10% / 0,6) x 1,5 soit un CMI de 25%

Il faut donc que le câble d’acier recouvre au minimum 25% de la surface du rectangle de visée pour assurer une mesure fiable.

Ainsi pour une section de câble de 5 mm qui doit recouvrir au moins 25% de la hauteur de la cible de visée rectangulaire, on obtient une taille de 5/.25 soit 20 mm. Une hauteur de 20 mm permet d’installer l’instrument à une distance raisonnable. Une lentille avec un rapport optique de DW = 40 : 1 signifie que la distance sera de 40 fois ces 20 mm minimum soit une distance de 800 mm.

On peut également faire le calcul en partant d’une distance imposée par exemple de 500 mm. Puisque qu’on veut une hauteur de cible de 20 mm, on en déduit que le rapport optique de la lentille devra être au minimum de : DW ≥ 500 mm ÷ 20 mm soit au minimum DW ≥ 25 :1


Modèles de pyromètres
La série de pyromètres fixes CellaTemp PA et portable CellaPort PT proposent des modèles Panorama avec lentilles focalisables. La visée directe permet un alignement et une focalisation parfaite. Les modèles PA existent en version avec caméra vidéo couleur. Avec la caméra, il est ainsi possible de visualiser et d’enregistrer en salle de contrôle la température de l’objet ainsi que l’alignement et la focalisation. La caméra est équipée de la fonction TBC qui contrôle en continu les réglages de luminosité afin d’avoir une image nette de l’objet quel que soit sa température et celle de l’environnement. L’image ne sature pas même lorsque que l’on mesure un objet de petite taille et très chaude avec un arrière-plan froid : un filament par exemple.

La série CellaTemp PKL avec pointeur LED existe désormais en version Panorama (fig 8). Le pointeur LED visualise la zone exacte de mesure.


Conclusion
Lorsque la mesure du procédé dépasse les 600°C et que l’alignement peut être difficile, les pyromètres avec visée rectangulaire sont recommandés. Les modèles Panorama sont donc utilisés pour les applications où l’objet est de petite taille ou la distance élevée ou lorsque la position ou la taille varie. Le surcoût de l’ordre de 25% de ces modèles est très vite rentabilisé en faisant gagner du temps aux opérateurs et en sécurisant la fiabilité des mesures.
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25/08/2017
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Safe and Wear-free Temperature Measurement in Induction Heating Systems
by Ralf Körholz

Temperature is the most important process parameter for induction heat treatment. Nevertheless, a precise and long-time stable determination of the temperature is often not quite that simple. A contact measurement with thermocouples is not really practicable in a running production process with moving parts or inductors. Infrared thermometers capture the temperature of the object from its thermal radiation without any contact and are ideal for these measuring tasks. A prerequisite, however, is the correct selection and the correct use of the devices. The following article describes the conditions
and the latest technological developments for a safe, precise and longtime stable temperature measurement with pyrometers in induction heating systems.

Even though the temperature in induction heat treatment processes is one of the decisive process variables to reach constant and reproducible conditions of production, measuring instruments are used partly due to the difficulties in the
detection of the correct temperature. Instead, the heating process is controlled via the power of the inductor, the feed rate and the heating period. The contact temperature measurement with thermocouples bears some difficulties. In practice, it is not applicable as the measuring object or the inductor moves.
The dissipation of heat by conduction from the object to the thermocouple cannot be avoided when used with small pieces or with small heating zones. The response time of thermocouples is too slow for the fast heating-up time of inductive heating processes. Complicate mechanical solutions would be necessary to reach the workpiece with the contact probe for measurement. In addition, the thermocouple is subject to drift and aging. Therefore the accuracy decreases slowly and the reading values drift continuously. A long-term stable temperature measurement is thus not guaranteed.

This is why non-contact, wear-free and drift-free infrared thermometers are basically ideal to measure the temperature in induction heat treatment processes. These instruments measure the infrared radiation of the object to convert it into a temperature value. However, infrared temperature measurement is more complex than the contact-based method. The radiation energy emitted by the object depends on the material or the surface aspects. With a single colour (spectral) pyrometer, the instrument will display a lower value for the same real temperature when used with brass compared to steel billets at the same setting. The reason is the different emissivity of these two materials.
The operator must indeed set the correct emissivity depending on the material he wants to measure. The very question is then how to determine the correct value of emissivity for a specific material and how constant the emissivity remains even at the same material, but at different temperatures and surface textures. As with the contact method, it can sometimes happen that the
aiming could be difficult as the heating zone is not necessarily at the same position. For example, in a wire rod mill the wire may fluctuate and thus the position changes periodically. Thus the wire can be out of the field of view of the instrument. Despite of all the advantages of infrared measuring people sometimes forgo to use a temperature measuring instrument due to the difficulties of temperature measurement in induction heating processes. This is
often done because of uncertainty and lack of knowledge. Instead
the machine is driven by the electrical power, feed rate and heating
period in order to create constant production conditions. There is
no monitoring or proof about compliance of the given processing
temperature then.

In case that the right infrared thermometer has been selected, the today’s possibilities of the modern devices are being utilized and the users are also trained to the use, problems with non-contact temperature measurements can be solved and pyrometers can be used successfully for a correct detection of
the temperature.
Devices with one-channel as well as two-channel measuring method are used for infrared temperature measuring. A single colour infrared instrument measures the infrared radiation at one wavelength and then computes the temperature. Disturbing infrared radiation changes, such as different emissivity values of the measured object, measurement on objects which are smaller than the spot size of the pyrometer, oxidation on the surface or the presence of dust and steam in the field of view have a direct influence on the measured value. The longer and more broadband the wavelength of the pyrometer, the greater
is the error due to these disturbances (Fig. 1).

On the contrary, a two-colour instrument is much less influenced. It uses a double sandwich sensor that measures the radiation at exactly the same position and simultaneously at 2 close wavelengths. A ratio signal is computed from these two signals and is calibrated according to the temperature. In case of loss of infrared radiation as described above the ratio value remains constant and the two-colour pyrometer shows still an accurate temperature reading even up to a loss of energy of 90 %. Nonetheless, it may occur that the disturbance
does not influence the two channels to the same degree. For these exceptions, the ratio method will lead to an even bigger measuring error. For reasons of physics one should understand that the emissivity of metals depends on their temperature, their degree of oxidation and scaling and their surface roughness. The emissivity of steel alloys is much bigger than that of non-ferrous
metals like brass, copper or aluminium (Chart 1).

The capacity to compensate the variations of emissivity makes the two-colour infrared thermometer more precise and secure when measuring iron and steel alloys. For that reason, they should be preferred to single colour models every time it is possible. State-of-the-art two-colour pyrometers use high resolution lenses. Together with a special software algorithm CSD (Clean Surface Detection), they are capable to differentiate the energy emitted by the oxidized zone from the free-scale zones. Today, high-performance microprocessors in the instruments allow measure in terms of milliseconds and can detect
the presence of a new hot object to perform the measurement automatically. The temperature of each new hot object is displayed on the instrument and transmitted via the analogue output. Pieces which are too cold or too hot can be rejected by the production line thanks to the use of integrated switching
contacts (Fig. 2).

In contrast to iron and steel, the wavelength-dependent emissivity influence of non-ferrous metals is much greater. Therefore, the measurement error of a two-colour pyrometer can be significantly larger. In that case, it is better to use a
single colour pyrometer with a short wavelength detector. In chart 2, you will find an example where the emissivity of brass varies from a value of 25 % to 35%. The last column shows the deviation of reading for different type of instruments at a trues object temperature of 900 °C. For measurement of non-ferrous
metals, it is not possible to completely compensate the influence of emissivity but you can minimize it by using a pyrometer with a short and narrow wavelength detector.

An infrared thermometer is by essence an optical instrument. Whatever the improvement of the electronics, the quality of the complete optical elements is critical. In order to minimize the measurement deviations caused by the optical components devices with a high-resolution and qualitatively high-end
optics are necessary especially for small objects, which are hardly larger than the measurement area of the pyrometer. To avoid optical errors fix focus instruments have to be mounted exactly at the focal distance. For devices with a focusable lens, the focus distance must be adjusted appropriately. However it
can happen in practice that products with different diameters are heated up thus the measurement distance varies. As experience teaches, the measurement distance or focus of the devices does not get adapted through the operator, which means that the devices are partly run out of focus distance.
Distance and size of the object dependent measuring errors can be greatly reduced by the use of a device with high-quality optics with means with a small size-of-source effect (SSE), as you can see in the graphic (Fig. 3).

The figure shows the SSE curve of two different pyrometers with high and inferior optical components. If the size of the object doubles from 16 mm to 32 mm, the temperature reading of the high quality infrared pyrometer changes from 998.7 °C to 999.7 °C. The deviation is only 0.9 K. In comparison the measured temperature of an inferior instrument rises from 990 °C to 995.8
°C, which means even by 5.8 K. Based on the true temperature of 1000 °C and an object diameter of 16 mm, the measurement error of the high-quality device is 1.2 °C but 10 °C for the simple instrument which means an uncertainty of 1 % just because of the change of the size of the sample.
The correct alignment, the right focal distance as well as the exact measuring area can be visualized by an LED spot, a through-the-lens sighting or video camera. A laser is less suitable than a spot indicator because, unlike the LED spot light, the laser can only show the center of the measuring spot but does not inform the user of the true size of the measuring area. Moreover, the red colour of the laser will vanish when the object reaches medium high temperature. For this reason, the use of a green LED is highly advised.

To minimize the influence of emissivity changes on the surface of an object, the pyrometer should be installed directly at the very exit of the furnace and perpendicularly to the conveyer. Background radiations emitted by day or artificial light and other hot sources in the immediate surroundings of the measured object have a negative effect when measuring on shiny metals
with high reflection at temperatures less than 400°C. For this kind of application, special devices with a blocking filter have to be used to stop the influence of stray light. Small objects or moving objects like wires or rods are difficult to
measure because of the difficulty to make a correct alignment. The new Panorama pyrometer features a rectangular field of measurement that makes the alignment very easy. As long as the wires move within this rectangular field of view, a correct measure is ensured (Fig. 4).

In the course of the introduction of Industry 4.0 the digital interface replaces step by step the well-known and classic 0/4-20 mA analogue output. This enables the evaluation of additional measuring data, the use of monitoring functions as well as the remote control of smart sensors. Therefore the
new IO-Link interface technology evolves more and more standard in machine and plant control due to the high speed communication, the simple wiring by screwed connectors and the universal application in all well-known Fieldbus systems (Fig. 5).

Conclusion
New developments in infrared temperature measurement technology in the last few years have led to solutions for the difficulties of temperature measurement with infrared-thermometers. As a result, significant improvements regarding trustable and reliable temperature measurement in heat treatment
processes have been performed by using correct and state-of-the-
art instruments.

Author
Dipl.-Wirtsch.-Ing. Ralf Körholz
KELLER HCW GmbH ∙ Germany
Infrared Thermometer Solutions
Tel. +49 54 51 85 381
ralf.koerholz@keller-msr.de
www.keller-msr.com/pyrometer
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22/08/2017
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Mesure en toute sécurité et sans pièce d’usure de la température dans les systèmes de chauffe par induction
Par Ralf Körholz

La température est la grandeur la plus importante à contrôler dans les systèmes de chauffe par induction. Pourtant, une mesure fiable dans le temps n’est pas toujours simple à mettre en place. Les mesures à contact avec thermocouples ne sont pas possibles dès que les pièces à mesurer sont en mouvement ou que la mesure se fait au cœur de l’inducteur. Les thermomètres infrarouges permettent de capter le rayonnement infrarouge à distance et de définir précisément la température. Ils sont donc les instruments idéaux pour cette application.
Toutefois, il est crucial de choisir le bon modèle et de le paramétrer correctement. Cet article décrit les conditions à respecter et les dernières avancées technologiques dans ce domaine pour garantir une mesure fiable, précise et stable dans le temps.

Alors que le contrôle de la température est essentiel pour garantir une production constante et une qualité optimale des pièces traitées par le four à induction, les thermomètres ne sont pas systématiquement utilisés. Ceci est dû à la difficulté rencontrée par les opérateurs pour les installer correctement. La machine est alors généralement contrôlée via la puissance des inducteurs, la vitesse et les courbes de chauffe. Les sondes contact de type thermocouples sont difficiles voire impossibles à mettre en place lorsque les pièces sont en mouvement.

La dissipation thermique par conduction entre la pièce chauffée et le thermocouple ne peut pas être totalement supprimée pour les petites pièces ou les zone de mesure restreintes. Le temps de réponse des thermocouples est souvent trop grand au regard des vitesses de chauffe de l’induction. Les montages de fixation peuvent être compliqués et difficiles à ajuster pour atteindre la pièce. De plus, une sonde contact dérive dans le temps et doit être ré-étalonnée. Sa durée de vie est limitée. Pour toutes ces raisons, la mesure par thermocouples ne peut garantir une mesure fiable dans le temps.

A l’inverse, la mesure infrarouge est sans contact, sans dérive, sans pièce d’usure et presque sans maintenance. C’est la technologie idéale pour tous les procédés par induction. Le thermomètre mesure l’énergie infrarouge émit par la pièce pour la convertir en température. C’est une mesure plus complexe car indirecte et le paramétrage est essentiel. L’énergie émise dépend de la nature du matériau ainsi que de son état de surface. Avec un modèle mono-chromatique, la valeur affichée pour une même température vraie sera plus faible pour une pièce en bronze par rapport à une pièce en acier si on garde le même paramétrage. Ceci est dû aux valeurs d’émissivités différentes. Chaque matériau a une émissivité propre qui définit la capacité de ce matériau à renvoyer le rayonnement infrarouge.

Il est essentiel de régler la bonne valeur d’émissivité. La question est donc comment la déterminer correctement en fonction du matériau et dans quelle mesure elle reste constante lorsque la surface ou la température changent.
Comme pour la mesure sans contact, la zone souhaitée à mesurer peut être difficile à visualiser. Par exemple, le câble métallique peut osciller et sa position donc changer. Dès lors, l’objet sort du champ de visée et la mesure est perdue. Heureusement des solutions existent pour contrecarrer ces situations.

A cause de ces difficultés, les opérateurs peuvent être freinés dans l’utilisation de l’infrarouge et optent pour un pilotage sans contrôle réel de la température. Le four est piloté uniquement en utilisant toujours les mêmes conditions de tension et de vitesse. Il n’y a pas de mesure en continue de la température et aucune traçabilité réelle.

En choisissant le bon modèle de thermomètre infrarouge et avec un personnel qualifié, les équipements modernes permettent de garantir une mesure précise et fiable dans presque toutes les installations.
Il existe 2 types de thermomètres infrarouges. Le thermomètre infrarouge monochromatique mesure le rayonnement à une longueur d’onde et calcule la température. Toutes perturbations du rayonnement infrarouges comme un changement d’émissivité de la surface, un objet plus petit que la cible de mesure, la présence de fumées/poussières entraînent une variation de la valeur affichée. Plus la bande spectrale du détecteur est grande et large, plus l’erreur induite par une perturbation est importante (Fig. 1).


Pour contrer ces erreurs, on utilise des modèles bi-chromatiques travaillant à 2 longueurs d’onde. Le détecteur en double sandwiches mesure le rayonnement provenant exactement du même point de mesure et simultanément. L’électronique définit alors le rapport d’intensité des 2 signaux et détermine la température à partir de sa courbe d’étalonnage. L’énorme avantage est que la mesure reste stable et fiable même en présence des perturbations précédemment évoquées.

Ce mode de mesure tolère une baisse de 90% de l’intensité du signal. Parfois l’influence engendrée par la perturbation a un impact différent sur les 2 voies de mesure. Pour ces quelques exceptions, l’erreur de mesure sera plus importante qu’avec un modèle monochromatique.

La valeur d’émissivité des métaux varie avec la température, leur degré d’oxydation et l’état de surface. Ainsi, l’émissivité d’un acier oxydé est beaucoup plus grande que celle d’un métal non ferreux comme le bronze, le cuivre ou l’aluminium (Tableau 1).

L’immunité relative du mode bichromatique face aux variations d’émissivité et donc sa fiabilité de mesure en fait le mode privilégié pour la mesure les métaux ferreux. Les modèles bichromatiques doivent être préférés aux thermomètres infrarouges monochromatiques dès que la température permet leur utilisation. Les instruments de bonne qualité utilisent des lentilles traitées spécifiquement et de haute résolution. Grâce à l’algorithme CSD (Clean Surface Detection), ces instruments peuvent séparer les signaux provenant du métal non oxydé du reste. Le microprocesseur de dernière génération permet une mesure en quelques millisecondes. La présence d’un nouvel objet chaud est détectée automatiquement et le système peut renvoyer une température unique pour chaque pièce via la sortie analogique. Les pièces trop chaudes ou trop froides peuvent être écartées en utilisant les 2 sorties relais (Fig2).

En revanche, l’influence des émissivités est très dépendante de la longueur d’onde du détecteur pour les métaux non ferreux. Dès lors, l’erreur de mesure d’un modèle bichromatique sera plus importante qu’un modèle mono-chromatique lors de la mesure d’une pièce en bronze ou en aluminium. Pour ces métaux, on préféra un modèle monochromatique utilisant un détecteur courte longueur d’onde et à bande spectrale étroite. Le tableau 2 montre un exemple où l’émissivité du bronze varie de 25% à 35%. La dernière colonne affiche l’erreur engendrée pour différentes longueurs d’onde pour une température vraie de 900°C.

Un thermomètre infrarouge est avant tout un instrument optique. Quel que soit l’amélioration des électroniques et des algorithmes, les éléments optiques restent le premier maillon pour assurer une mesure de qualité. Afin de minimiser les erreurs dues aux éléments optiques, l’utilisation de lentilles à haute résolution et de bonne qualité est indispensable tout particulièrement en cas de mesure sur des objets de tailles proches de la taille de la cible.

Pour éviter les erreurs optiques, les modèles à focale fixe doivent être positionnés exactement à la distance focale. Pour les modèles focalisables, il suffit d’ajuster la focale pour avoir une image nette. En pratique, la distance entre l’instrument et l’objet peut varier pour diverses raisons. Souvent les réglages des focales ne sont pas réalisés précisément alors que cela influence directement la précision de la mesure comme le montre le graphique (Fig. 3). Afin de diminuer cette erreur appelée Effet de Taille de Source (SSE), il est primordial d’utiliser des pyromètres infrarouges haut de gamme.

Ce graphe montre la valeur de SSE pour un thermomètre infrarouge premier prix et pour un modèle industriel de qualité. Lorsque la taille de l’objet passe de 16 mm à 32 mm, la valeur affichée par l’instrument passe de 998.7°C à 999.7 °C pour le modèle haut de gamme. Soit une déviation de 0.9 K pour une température vraie de 1000.0 °C.
Dans le même temps, le modèle premier prix affiche des valeurs de 990.0°C et 995.8°C soit une déviation de 5.8 K.
Dans notre exemple, la précision de mesure à 1000°C pour une cible de 16 mm du modèle haut de gamme était d’environ +/- 0.13% mais seulement de +/- 1% pour le modèle premier prix simplement à cause de l’augmentation de taille de l’objet.
L’alignement correct et la distance de focalisation optimale peuvent facilement être visualisés en utilisant un pointeur LED, une visée directe ou une caméra vidéo. A noter, le pointeur laser ne permet pas de visualiser la zone exacte de mesure (surface) et devrait être réservé uniquement pour l’alignement des instruments. De plus sa couleur rouge peut rapidement se confondre avec la couleur du matériau mesuré. On préféra une LED verte.

Une autre astuce pour minimiser les variations d’émissivité est de placer le thermomètre perpendiculairement à la surface de l’objet et au plus près de la sortie du four, du convoyeur. La surface de mesure est alors minimale ainsi que les réflexions parasites. Le rayonnement des sources lumineuses (naturelle ou artificielle) a une influence négative en particulier sur les surfaces réfléchissantes pour les températures inférieures à 400°C. Pour ces applications, on utilise un détecteur spécifique équipé d’un filtre coupe-bande.

L’alignement sur les objets de petites tailles ou oscillants comme les câbles peut être difficile. Les thermomètres de la gamme Panorama utilisent une cible rectangulaire qui facilite grandement ce réglage. La mesure reste acquise tant que l’objet couvre en partie la cible rectangulaire (Fig. 4).

L’introduction de l’IO-Link dans l’industrie 4.0 permet de remplacer peu à peu la sortie standard analogique 0/4-20 mA par une sortie intelligente numérique. Ceci permet d’accéder à de nouvelles fonctionnalités de mesure, de monitoring ou de communication avec le capteur. Ainsi l’IO-Link permet d’upgrader les machines-outils et l’usine dans son ensemble grâce à une vitesse de communication élevée, la simplification et l’uniformisation des câbles de connections et de l’inter-compatibilité avec tous les bus de terrain déjà en place (Fig. 5).

Conclusion
Les derniers développements dans le domaine de la mesure de température par infrarouge permettent aujourd’hui de garantir une mesure fiable et ont levé les difficultés d’installation rencontrées par le passé. Les modèles de dernière génération et de qualité constituent dorénavant un atout pour contrôler finement le bon fonctionnement des fours à induction et assurer la traçabilité des procédés de fabrication.



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17/08/2017
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Precise non-contact temperature measurement of liquid iron and steel thanks to a novel CSD pyrometer

In castings, the temperature of melted metals is typically measured by immersion thermometers. The high consumption cost of the thermocouples is problematic. As an alternative, special short-wave measuring one-colour pyrometers have been offered as portable devices for a long time. A special feature and advantage, compared to standard pyrometers, is the lower sensitivity to interference due to the change of the radiation properties of the surface of the alloys. The actual measuring problem of the non-contact temperature measurement, is the presence of slag and oxide layer on the surface of the melt. Clean surface melt has an emissivity of approx. 35-45 %. Whereas the emissivity of the oxide layer with approx. 80 % is significantly higher. With reference to a temperature of e.g. 1350 °C of the melt and with the same parameter setting, the device displays a temperature of approx. 1460 °C. The operating instruction that the oxide and slag layer has to be removed for measurement in the melting furnace or transport ladle is not really practical, since the layer is reformed within milliseconds. When measuring on a pour stream, the removal of the oxide is not possible at all. This leads to strongly varying measuring results. This is probably the reason why the alleged special portable pyrometers for liquid metals could not be established on the market so far.

With the CellaCast PT 183, KELLER ITS (Infrared Thermometer Solutions) has developed a new pyrometric measuring method, which is able to distinguish between a clean and oxide-bearing surface.This CSD (Clean Surface Detection) function detects the temperature of the clean melt. The only pre-requirement is, that a clean melt is seen from the device at least for a few milliseconds during the measurement. In practice this is ensured by the pouring into a transport ladle or into the mold as well as into the runner of a melting or cupola furnace.

However, a non-contact temperature measurement on the smooth surface in the holding furnace or ladle doesn’t submit reliable measurements, because of the permanent oxide layer.

Conclusion: with state-of-the art pyrometers, in contrast to immersion thermometers, the actual process-relevant temperature of the metal can be controlled safely, wear-free and from a considerable distance, when filling the molds. The temperature in the melting furnace or ladle can be determined with an immersion thermometer only before casting. Though the melt loses about 10 °C/ min of temperature in the meantime. The proof required by the automobile industry, with which temperature each individual component was cast, is therefore only possible with a pyrometer.

The portable device CellaCast PT 183 is equipped with an ATD (Automatic Temperature Detection) function. The operator only needs to aim at the pour stream with the device and the measurement starts automatically. An acoustic alarm signals the end of the measurement. Depending on the width of the pouring stream, a traffic light indicator indicates the maximum measuring distance in the through-the-lens sighting.

Another technological innovation of CellaCast is the rectangular measurement area. Capturing the molten pour within the rectangular area greatly facilitates targeting from a distance. This also ensures that the molten stream is captured every time even when its position varies, such as when the angle of the pour changes.

The 2-colour measurement method in the CellaCast yields accurate readings even in the extreme environmental conditions due to by strong dust, steam and smoke in the field of view in foundries or steel plants.

Albert Book

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