Pyrometri – beröringsfri temperaturmätning med pyrometer (IR)

Temperatur kan mätas på flera olika sätt. Vanligast är att man mäter genom kontakt, alltså att en givare eller termometer har direkt kontakt med det som ska mätas. Ett annat sätt är att mäta utan att röra objektet alls. Det kallas beröringsfri temperaturmätning, och ibland även kontaktlös temperaturmätning.

När temperatur mäts beröringsfritt med hjälp av infraröd strålning kallas metoden pyrometri, och instrumentet kallas pyrometer. Du kan också stöta på begrepp som IR-temperaturmätning, infraröd temperaturmätning eller IR-termometer. I praktiken bygger de här benämningarna på samma grundprincip: man registrerar den värmestrålning, alltså IR-strålning, som objektet skickar ut och räknar om den till ett temperaturvärde.

Kontaktmätning och beröringsfri mätning fungerar på olika sätt

Vid kontaktmätning används till exempel ett termoelement eller en Pt100-givare. Då måste givaren ha fysisk kontakt med processen, antingen genom att ligga mot en yta eller sitta monterad i en ficka. Givaren kommer då gradvis att anta samma temperatur som det den har kontakt med.

Det gör att kontaktmätning ofta blir stabil och tillförlitlig, men den kan också vara relativt långsam. Det gäller särskilt när temperaturen förändras snabbt, när ytan rör sig eller när det är svårt eller omöjligt att montera en givare där man egentligen vill mäta.

Pyrometri fungerar på ett annat sätt. Man kan säga att den påminner mer om hur en värmekamera arbetar. Pyrometern behöver inte röra mätobjektet alls. I stället mäter den den värmestrålning som objektet skickar ut. Det är alltså inte någon “mystisk” metod, utan bygger på en grundläggande fysikalisk princip: allt som är varmare än den absoluta nollpunkten avger energi, och en del av denna energi ligger inom det infraröda området. Den strålningen kan vi inte se med ögat, men den finns där hela tiden. Man kan därför beskriva det som ett slags osynligt ljus som bär information om hur hög temperatur något har.

Hur fungerar en pyrometer?

En pyrometer samlar in det osynliga “ljuset” med hjälp av en lins. Strålningen leds vidare till en detektor, som fungerar som en mottagare, och omvandlas till en elektrisk signal. Den signalen bearbetas sedan och räknas om till ett temperaturvärde. I många fall kan värdet också skickas vidare till ett styrsystem, till exempel som en 4–20 mA-signal.

Det gör pyrometri till en snabb och flexibel metod i applikationer där kontaktmätning är opraktisk, för långsam eller helt enkelt inte möjlig.

IR-strålning beter sig ofta som synligt ljus

En viktig nyckel till att förstå nästan alla utmaningar inom beröringsfri temperaturmätning är att infraröd strålning i många fall beter sig som synligt ljus. Den går i raka linjer, den kan reflekteras, den kan absorberas och i vissa fall kan den även passera genom vissa material.

Det innebär att en pyrometer i praktiken kan “se” en blandning av flera saker samtidigt:

• det som objektet själv strålar ut
• det som reflekteras från omgivningen
• det som påverkas av något mellan instrumentet och objektet, till exempel rök, damm, ett fönster eller en plastfilm.

Det är också därför samma pyrometer kan fungera perfekt i en applikation men ge konstiga eller missvisande värden i en annan, trots att det inte är något fel på själva instrumentet.

Emissivitet – varför vissa ytor är enkla att mäta och andra svåra

En av de viktigaste faktorerna inom pyrometri är emissivitet, ibland även kallad emissionsfaktor. Emissiviteten anger hur effektiv en yta är på att skicka ut termisk strålning. En yta med hög emissivitet fungerar som en bra “värmesändare” och avger mycket infraröd strålning vid en viss temperatur. En yta med låg emissivitet strålar ut mindre, och då får reflektioner från omgivningen mycket större påverkan på mätningen.

Ett tydligt exempel är blank metall. Polerat rostfritt stål eller aluminium fungerar ofta nästan som en spegel för infraröd strålning. Om man försöker mäta temperaturen på en sådan yta kan pyrometern i praktiken också “se” värmen från annat som speglas i metallen, till exempel ugnsväggar, värmeelement, lågor, taket eller en varm maskindel bredvid. Då kan instrumentet visa en temperatur som är högre eller lägre än objektets verkliga temperatur.

Därför är många icke-metalliska material ofta enklare att mäta. Målade ytor, plast, gummi, trä, papper och många keramiska material har vanligtvis hög och relativt stabil emissivitet. Om metallen däremot är oxiderad, grov eller matt brukar emissiviteten bli högre, vilket också gör mätningen stabilare.

Samma material kan uppföra sig olika beroende på ytan

Det räcker alltså inte alltid att veta vilket material man mäter på. Ytans skick spelar också stor roll. Samma material kan ge olika mätresultat beroende på om ytan är blank, matt, grov, oxiderad eller behandlad på något annat sätt.

Ett enkelt sätt att förstå det är att jämföra en blank bil med en matt bil i solen. Den blanka bilen speglar och bländar, medan den matta ytan inte gör det på samma sätt. På liknande sätt beter sig många ytor också inom det infraröda området.

Mätfläcken – du mäter inte en punkt

En pyrometer mäter inte temperaturen i en enda punkt, utan över ett område som brukar kallas mätfläck. Man kan likna det vid ljuskäglan från en ficklampa. Ju längre bort instrumentet är från objektet, desto större blir mätfläcken.

Det här är mycket viktigt i praktiken. Om objektet är mindre än mätfläcken kommer pyrometern även att registrera bakgrunden. Temperaturvärdet blir då en blandning av objektets temperatur och bakgrundens temperatur. Resultatet kan bli rejält fel, trots att det inte är något fel på instrumentet. Man mäter helt enkelt fel område.

Därför spelar optik, avstånd och riktning stor roll. För små objekt eller längre mätavstånd behövs ofta bättre optik, och ibland även sikthjälpmedel, för att säkerställa att pyrometern verkligen mäter rätt område.

När kan en tvåfärgspyrometer vara rätt lösning?

En vanlig pyrometer kan vara känslig för variationer i emissivitet och för vissa typer av störningar. I sådana fall kan en tvåfärgspyrometer, även kallad kvotpyrometer, ibland vara ett bättre val. Den arbetar genom att jämföra två mätningar vid olika våglängder och använder förhållandet mellan dem för att beräkna temperaturen.

Om något dämpar båda våglängderna ungefär lika mycket, till exempel lite rök eller damm, kan temperaturvärdet ändå bli relativt stabilt. Det gör tvåfärgspyrometrar särskilt användbara i mer krävande miljöer.

Men det är inte någon universallösning. Vissa material, vissa specialfall med filter eller fönster och även varma bakgrunder kan fortfarande påverka mätningen. Det är därför viktigt att även tvåfärgspyrometrar väljs utifrån rätt applikation.

Hur får man en tillförlitlig beröringsfri temperaturmätning?

För att pyrometri ska fungera bra i praktiken behöver man ha kontroll på några centrala faktorer. Den viktigaste är ofta emissiviteten. Vet man vilken emissivitet ytan har, eller behöver den justeras i instrumentet? Ytans egenskaper spelar också stor roll: är den blank eller matt, ren eller oxiderad?

Därefter behöver man se på mätfläcken. Fyller objektet hela pyrometerns synfält, eller råkar instrumentet även registrera bakgrunden? Slutligen måste man ta hänsyn till miljön runt mätningen. Finns det lågor, heta väggar, rök, damm, ånga eller fönster mellan pyrometern och objektet som kan påverka resultatet?

Ett praktiskt tips som ofta är mycket användbart är att, om det är möjligt, jämföra med en kontaktgivare vid en känd temperatur. Genom att justera emissiviteten tills pyrometern visar samma värde får man ofta en betydligt säkrare beröringsfri mätning.

Sammanfattning

Beröringsfri temperaturmätning med pyrometer, alltså pyrometri eller IR-mätning, är en snabb, flexibel och ofta mycket effektiv metod i många industriprocesser. I vissa fall är det också den enda rimliga lösningen, till exempel när objektet är mycket varmt, rör sig snabbt eller inte går att nå med en kontaktgivare.

Samtidigt är det viktigt att förstå att pyrometern inte mäter temperaturen direkt genom kontakt, utan den infraröda strålning som objektet avger. Eftersom denna strålning kan reflekteras, absorberas eller påverkas av omgivningen behöver man ha kontroll på faktorer som emissivitet, mätfläck, optik och miljö. När man har förståelse för det blir pyrometri en mycket tillförlitlig metod, och i många fall också enklare i drift än kontaktmätning.