Missä skenaarioissa pyrometrejä käytetään yleisesti teollisuudessa?

Miten piirtimit mahdollistavat kosketuksettoman lämpötilamittauksen teollisissa sovelluksissa

Kosketuksettoman lämpötila-anturin tarve kovissa olosuhteissa

Metallin sulattaminen ja lasin valmistus ovat esimerkkejä teollisuuden toiminnoista, joissa kontaktipohjaiset anturit kohtaavat todellisia haasteita. Kova lämpötila (joskus yli 1200 celsiusasteen) yhdessä liikkuvien osien ja kovien kemiallisten olosuhteiden kanssa tekee näistä antureista epäluotettavia parhaimmillaankin. Pyrometrit tarjoavat paremman ratkaisun, koska ne eivät vaadi suoraa kontaktia, mikä mahdollistaa tilan jatkuvan valvonnan jopa vaikeasti saavutettavissa olevissa paikoissa, kuten kupolisuuntauksien sisällä tai sulan lasin läheisyydessä. Viimeaikainen tutkimus ei-kontaktisensoreiden teknologiasta paljasti myös jotain mielenkiintoista: terästeollisuudessa, jossa käytettiin ei-kontaktimittauksia lämpötilan mittaamiseen, laitevaurioita esiintyi noin 63 % vähemmän kuin niissä, jotka tukeutuivat vanhoihin kiertokoneisiin. Kun on kyse näin äärimmäisistä olosuhteista, valmistajien on käytettävä työkaluja, jotka kestävät rasitusta ja tuottavat silti tarkkoja lukemia. Siksi monet teollisuuslaitokset ovat siirtyneet pyrometreihin turvallisuussyistä, mutta myös siksi, että ne auttavat pitämään tuotannon käynnissä ilman jatkuvia katkoja.

Infrapunasäteilijöiden toimintaperiaate teollisuudessa

Infrapunasäteilijät toimivat keräämällä esineiden eri aallonpituusalueilla, tyypillisesti 0,7 ja 20 mikrometrin välillä, lähettämää lämpösäteilyä. Näillä laitteilla on optiset järjestelmät, jotka keräävät tämän säteilyn ja välittävät sen laitteen sisällä olevaan termoparikasaan tai valodetektoriin. Mitä sitten tapahtuu? Nämä komponentit muuttavat kerätyn säteilyn sähköisiksi signaaleiksi, jotka vastaavat suoraan lämpötila-arvoja. Otetaan esimerkiksi alumiinin valssimallit. Kun käyttäjät asettavat säteilijöidensä keskittymään erityisesti 1,6 mikrometrin aallonpituuksiin, he saavat paljon parempia tuloksia, koska höyry ja pölyhiukkaset eivät vaikuta mittauksiin yhtä paljon. Miksi tämä on tärkeää? Koska monet teollisuudessa käytetyt materiaalit heijastavat valoa eri tavoin riippuen niiden pinnan ominaisuuksista ja siitä, miten ne lähettävät lämpöä. Tiettyjen aallonpituuksien tarkkailun avulla valmistajat voivat pitää lämpötilan tarkkailun tarkanakin, vaikka olosuhteet muuttuisivat.

Tärkeät tarkkuutta vaikuttavat tekijät: emissiivisyys, aallonpituus ja ympäristön häiriöt

Kolme kriittistä muuttujaa hallitsevat pyrometrin suorituskyvyn:

Esimerkiksi lasinvalmistajat, jotka käyttävät monen aallonpituuden pyrometrejä, saavuttavat ±0,5 % tarkkuuden sulan lasin lämpötilan hallinnassa ottamalla huomioon läpinäkyvyyden ja pintaheijastukset. Säännöllinen kalibrointi mustan kappaleen säteilylähteeseen nähden yllättää luotettavuuden korkean lämmön sovelluksissa.

Pyrometrin käyttö metallien valmistuksessa ja lämmönkäsittelyprosesseissa

Lämpötilahaasteet teräksen ja alumiinin käsittelyssä

Metallinkäsittelysovelluksissa, joissa lämpötilat nousevat usein yli 1500 celsiusasteen, pirometrit toimivat erityisen hyvin vaikeiden mittausongelmien ratkaisemisessa. Otetaan esimerkiksi teräksen kasaamisoperaatiot tai alumiinin puristusprosessit – nämä valmistusvaiheet vaativat tarkkaa lämpötilan hallintaa. Ongelmana on, että emissiivisyysarvot vaihtelevat merkittävästi prosessoinnin aikana. Sulaneet metallit ovat tyypillisesti välillä 0,3–0,7, kun taas kiinteät materiaalit ovat välillä 0,2–0,4. Tämä ero aiheuttaa todellisia hankaluuksia kosketusjärjestelmille, joiden mittauksissa virhe voi olla jopa plus tai miinus 5 prosenttia. Asia vaikeutuu entisestään ottaessa huomioon ympäristöolosuhteet, kuten sammutusvesien yhteydessä syntyvän höyryn tai kuumien pintojen pinnalle muodostuvien luonnollisten hapettumiskerrosten vaikutus, jotka häiritsevät perinteisten antureiden lukemia. Tämä voi olla ärsyttävää tehtaan käyttäjille, jotka pyrkivät ylläpitämään laatuvaatimuksia.

Reaaliaikainen seuranta ilmestyksessä, vaalauksessa ja valssauksessa

Infrapunapirometrit seuraavat lämpötiloja nopeissa teollisuusprosesseissa, joissa fyysisen anturin käyttö ei ole mahdollista. Otetaan esimerkiksi teräksen ilmestys. Kun valmistajat voivat tehdä välittömiä säätöjä käyttämällä näitä spektrivyöhykkeiden mittauksia sen sijaan, että odottaisivat jonkun tarkistavan lämpötilan manuaalisesti aika ajoin, heidän kokemuksensa mukaan rakeen rakenteen ongelmat laskevat jopa 28 prosenttia. Ja alumiinin valssamosteissa nämä pienet laitteet, jotka toimivat noin 1,6 mikrometrin aallonpituudella, pysyvät melko tarkkoina ±1 prosentin tarkkuudella, vaikka kaikki ympärillä ravistelisi kovasti koneiden ja lentävän metallipölyn vuoksi.

Pirometrien integrointi suljetun säätöpiirin prosessihallintaan

Nykyaikaiset toimipisteet yhdistävät pirometrit PLC-ohjaimiin (Programmable Logic Controllers) lämpötilanhallinnan automatisoimiseksi. Tämä integrointi mahdollistaa:

Vuoden 2023 tutkimus autojen komponenttien kuvotuksesta osoitti, että suljetun silmukan pyrometrijärjestelmät vähensivät lämpötilan ylitystä 35 % millisekunnin tason takaisinkytkennällä induktiokääreisiin.

Tarkka lämpötilan säätö lasin ja keraamisten materiaalien valmistuksessa

Sulaneen lasin lämpötilan mittaaminen spektrikaistojen optimoinnilla

Kun on kyse sulan lasin lämpötilojen mittaamisesta, pirometrit ovat oleellinen osa, sillä perinteiset kosketusanturit eivät kestä noin 1600 celsiusasteen lämpötiloja ja materiaalin tahrautuvaa luonnetta. Näiden laitteiden toiminta on tehokkainta, kun ne keskittyvät tiettyyn osaan spektriä välillä 3–5 mikrometria, mikä auttaa niitä välttämään palamisilmoista aiheutuvaa infrapuna-aaltonsärkää. Tämä menetelmä antaa valmistajille noin 1 prosentin tarkkuuden jatkuvilla lasinvalmistuslinjoilla. Viimeaikaiset tutkimukset ovat myös paljastaneet jotain mielenkiintoista – spektrien asetusten säätäminen parantaa lämpötilan tasaisuutta tarkkavalmistuksessa. Tuloksena? Noin 40 prosenttia vähemmän optista vääristymää kuin tavallilla laajakaistaisilla menetelmillä, kuten Shun ja kollegoiden viime vuonna julkaisema tutkimus osoittaa.

Monen aallonpituuden pirometrit parantaakseen tarkkuutta läpinäkyvissä materiaaleissa

Perinteiset pirometrit kärsivät emissiivisyyden vaihteluista borosilikaatti- ja sulan kvartsilasin mittauksissa. Monen aallonpituuden mallit vertailevat lämpösäteilyä 0,8 μm, 1,6 μm ja 2,2 μm aallonpituuksilla samanaikaisesti ja kompensoivat automaattisesti läpinäkyvyyden muutokset faasimuutosten aikana. Tämä lähestymistapa vähentää mittausvirheitä 68 %:lla lääketeollisuuden lasipulssien valmistuksessa, jossa ±2 °C:n tarkkuus on välttämätön kemialliselle stabiilisuudelle.

Lämpötilan seuranta polttouunin lämpötiloissa keraamisten tuotteiden sintrauksen ja polttamisen aikana

Nykyiset pirometriryhmät seuraavat lämpötilagradientteja 20 metrin mittaisissa teollisuusuuneissa ja havaitsevat kylmät kohdat, jotka aiheuttavat keraamien vääntymisen. Laatan valmistuksessa reaaliaikainen seuranta 5 sekunnin välein estää lasituksia, ylläpitäen huippulämpötilaa 1 250 °C ±5 °C toleranssialueella.

Kalibrointi- ja kohdistusstrategiat luotettavien mittausten saavuttamiseksi kuumissa olosuhteissa

Vuosineljänneksen kalibrointi mustan kappaleen säteilylähteitä vastaan varmistaa pyrometrin tarkkuuden myös linssisaasteen vaikutuksesta huolimatta. Insinöörit yhdistävät 30° asennuslaserit puhallusilmaan järjestelmiin ylläpitääkseen optisen kirkkauden, ja saavuttavat 99,3 % käyttöjatkuvuuden lasin float-linjoissa. Säädettävät emissiivisyysasetukset (alue 0,20–0,95) mahdollistavat erilaisten materiaalien käytön, kuten läpinäkyvien keraamisten aineiden ja läpikuultavien piidioksidigeelien, käytön.

Pyrometrit nopeilla ja raskaina teollisuusvalmistusprosesseilla

Reaaliaikainen seuranta rullasta rullalle -pinnoitteessa ja muovituotannossa

Pyrometrit soveltuvat erityisen hyvin tilanteisiin, joissa lämpötilan tulee muuttua nopeasti. Ajattele esimerkiksi rullalta rullalle -pinnoitettaessa tai kun muovia ekstrudoidaan nopeasti. Polymeereillä työskenneltäessä nämä infrapunantunnukset pystyvät seuraamaan sulamislämpötilaa juuri näissä kriittisissä kohdissa muotissa ylivoimaisella tarkkuudella noin plusmiinus 1 %. Tämä mahdollistaa sen, että käyttäjät voivat säätää materiaalin jäähtymisnopeutta ennen kuin se johtaisi vääntymiseen tai epätoivottujen kiteiden muodostumiseen. Puhuttaessa nopeudesta, metallin pinnoituksessa nämä laitteet seuraavat alustan lämpötilaa, kun taonta etenee yli 300 metriä minuutissa. Tämä on paljon nopeampaa kuin vanhat kermisit, joissa vastausaika oli tyypillisesti yhden ja kahden sekunnin välillä.

Hyötynä edellytyksissä, joissa on pölyä, tärinää ja syöpälaitteita

Kontaktittomat pyrometrit voittavat kolme keskeistä teollista haastetta:

• Pölyn sietokyky : IP67-luokitellut mallit säilyttävät tarkkuutensa sementtitehtailla, joiden hiukkaspitoisuus on 20 mg/m³
• Tärinänkestävyys : Kiinteätila-suunnittelu toimii luotettavasti kovettamispurskeissa, jotka ylittävät 12 G-voimaa
• Korrosiokestävyys : Safiirioptiikka kestää happamoita olosuhteita galvanointitehtaissa

Vuoden 2023 kenttätutkimus osoitti 93 % vähemmän kalibrointitoimenpiteitä kovissa olosuhteissa verrattuna kosketusantureihin.

Langattomat pyrometrilähiverkot teollisuus 4.0:lle ja ennakoivaan huoltoon

Valmistajat turvautuvat yhä useammin akkujen varassa toimiviin pirometreihin, joissa on LoRaWAN-yhteys, jotta voivat asentaa kattavan lämpötilan seurantajärjestelmän laajoissa teollisuusalueilla. Näistä verkoista kerätty data syötetään ennakoiviin malleihin, jotka voivat ennustaa milloin takkamateriaalit alkavat kulua sulatuksessa, joskus jopa kolme viikkoa etukäteen. Otetaan esimerkiksi yksi saksalainen autotehdas, jossa langattomien lämpötila-antureiden käyttöönotto vähensi kuumaan liittyviä tuotantokatkoja lähes kahdella kolmasosalla. Huoltokustannukset laskivat merkittävästi myös, säästäen noin 740 000 dollaria vuodessa heidän raporttiensa mukaan.

Miksi valita pirometri kosketusantureiden sijaan? Vertailevat hyödyt ja ROI

Termoparien rajoitukset liikuvissa tai aggressiivisissa olosuhteissa

Kontaktiantureilla, kuten termopareilla, on merkittäviä haasteita teollisissa olosuhteissa. Korkean nopeuden valssimillien tai syövyttävien kemiallisten prosessien yhteydessä anturien fyysinen kosketus pintoihin kiihdyttää niiden kulumista ja lisää kalibrointivirhettä vuosittain 15–20 %. Termoparit kohtaavat myös seuraavia ongelmia:

• Mittausviiveet (3–8 sekuntia) nopeilla tuotantolinjoilla
• Turvallisuusriskit seurattaessa sulametallia tai räjähdysvaarallisia ilmavia
• Usein tarvittavat korvaukset mekaanisen kulumisen vuoksi, mikä maksaa tehtaille keskimäärin 18 000 $/vuosi huoltokustannuksina

Pitkäaikainen stabiilisuus, turvallisuus ja käyttökatkosten vähentyminen piirtimillä

Nykyiset infrapuna-piirit ratkaisevat nämä ongelmat kosketuksettomalla toiminnalla. Mittaamalla lämpösäteilyä ne säilyttävät ±0,5 %:n tarkkuuden yli 5 vuoden ajan terästeollisuudessa ja lasinvalmistuksessa. Keskeiset edut ovat:

• Ei mekaanista kulumista tärinän tai hankaamisen vaikutuksesta
• Reaaliaikaiset mittaukset (0,1 sekunnin vastausaika) suljetun säätöpiirin lämpötilan hallintaan
• 40 %:n vähennys odottamattomassa pysähdysajassa tunnistamalla ylikuumeneminen kuljettimissa

Kokonaisomistuskustannukset: Pyrometrin investoinnin perustelu teollisissa olosuhteissa

Vaikka pyrometreillä on korkeammat alkuperäiset kustannukset kuin kosketusantureilla (2 000–8 000 dollaria vs. 300–1 500 dollaria), niiden ROI tulee ilmeiseksi 12–18 kuukauden sisällä:

Tehtaat, jotka käyttävät pyrometrejä, raportoivat 23 % vähemmän laatuhylkäyksiä alumiinipuristuksessa ja 17 % säästöjä energiankulutuksessa savisulatuksessa tarkan lämpötilan säädön ansiosta.

Usein kysyttyjä kysymyksiä

Mikä on pirometri?

Pirometri on laite, jota käytetään korkean lämpötilan mittaamiseen ilman suoraa fyysistä kontaktia mitattavan kohteen kanssa.

Miksi pirometrejä suositaan kosketusantureita teollisissa olosuhteissa?

Pirometrit mahdollistavat jatkuvan, ei-kosketuksen lämpötilan mittauksen, mikä tekee niistä luotettavampia ja vähemmän kulumisalttiita kuin kosketusantureita äärimmäisissä olosuhteissa.

Miten pirometrit mittaavat lämpötilaa?

Pyrometrit mittaavat lämpötilaa havaitsemalla esineestä lähtevän infrapunasäteilyä ja muuntamalla sen lämpötilan mukaiseksi sähkösignaaliksi.

Mitkä tekijät vaikuttavat pyrometrien tarkkuuteen?

Pyrometrien tarkkuuteen voi vaikuttaa päästöaste, aallonpituuden valinta ja ympäristön häiriöt, kuten pöly ja kaasut.

Kuinka usein pyrometrejä on kalibroitava?

Pyrometrit tarvitsevat tyypillisesti kalibrointia kaksi kertaa vuodessa verrattuna kuukausittain kalibroituviin kontaktidessoreihin, kuten termopareihin.