Termocoppie a infrarossi IRt/c: una nuova tecnologia rivoluzionaria per il rilevamento della temperatura
La linea di prodotti IRt/c rappresenta una svolta epocale nella tecnologia di rilevamento della temperatura. I sensori IRt/c non sono alimentati, hanno un costo basso e sono in grado di misurare la temperatura superficiale dei materiali senza contatto. Possono essere installati direttamente su controller per termocoppie convenzionali, PLC, trasmettitori e altri dispositivi di lettura.
Come misurano la temperatura?
Tutti gli IRt/c dispongono di un sistema di rilevamento a infrarossi proprietario che riceve l'energia termica irradiata dagli oggetti verso cui è puntato il sensore e la converte passivamente in un potenziale elettrico. Viene prodotto un segnale in millivolt, che viene scalato in base alle caratteristiche desiderate della termocoppia. Poiché tutte le IRt/c sono dispositivi autoalimentati e si basano esclusivamente sulla radiazione infrarossa in entrata per produrre il segnale attraverso effetti termoelettrici, il segnale seguirà le regole della fisica termica della radiazione e sarà soggetto alle non linearità inerenti al processo.
Tuttavia, in un intervallo di temperature, l'uscita dell'IRt/c è sufficientemente lineare da produrre un segnale che può essere scambiato direttamente con un segnale t/c convenzionale. Ad esempio, specificando una corrispondenza del 2% con la linearità del t/c si ottiene un intervallo di temperatura in cui l'IRt/c produrrà un segnale entro il 2% del t/c convenzionale che opera in quell'intervallo. Specificando il 5% si otterrà un intervallo leggermente più ampio, ecc.
However, over a range of temperatures, the IRt/c output is sufficiently linear to produce a signal which can be interchanged directly for a conventional t/c signal. For example, specifying a 2% match to t/c linearity results in a temperature range in which the IRt/c will produce a signal within 2% of the conventional t/c operating over that range. Specifying 5% will produce a somewhat wider range, etc.
Ogni modello IRt/c è progettato specificamente per garantire prestazioni ottimali nella regione di migliore adattamento lineare con i t/c convenzionali, ma può essere utilizzato al di fuori di tali intervalli semplicemente calibrando il dispositivo di lettura in modo appropriato. Il segnale di uscita è regolare e continuo su tutto l'intervallo di temperatura nominale e mantiene una ripetibilità dell'1% su tutto l'intervallo.
La Guida alla selezione della temperatura è una sintesi delle prestazioni dell'intervallo lineare di ciascun modello IRt/c. L'utente seleziona il modello e il tipo di IRt/c e l'intervallo di temperatura target per l'applicazione. Le normali regolazioni di offset sul dispositivo di lettura della termocoppia vengono utilizzate per calibrare l'installazione in base all'emissività e agli effetti di fondo.
Quanto sono affidabili questi nuovi dispositivi?
Di fondamentale importanza nel controllo della temperatura è la capacità del dispositivo di misurazione di mantenere la propria calibrazione in condizioni di servizio e per un lungo periodo di tempo. L'IRt/c ha una ripetibilità nominale dell'1% (della lettura) e non presenta variazioni di calibrazione misurabili a lungo termine, il che lo rende particolarmente adatto per un controllo affidabile della temperatura. Queste caratteristiche sono intrinseche nella progettazione e nella costruzione di base di ogni IRt/c.
La ripetibilità è definita come la capacità di un dispositivo di misurazione di riprodurre la propria calibrazione in condizioni identiche. L'IRt/c è un sistema solido, ermeticamente sigillato e completamente incapsulato che non subisce alterazioni meccaniche o metallurgiche durante il funzionamento. Non sono presenti componenti elettronici attivi né fonti di alimentazione per la produzione del segnale, ma solo gli effetti termoelettrici che generano un segnale di termocoppia. Il valore nominale dell'1% è un valore prudenziale basato sulla difficoltà pratica di dimostrare tolleranze più strette in condizioni di prova, piuttosto che una limitazione effettiva del dispositivo.
L'accuratezza a lungo termine è influenzata dagli stessi fattori che influenzano la ripetibilità: cambiamenti meccanici e metallurgici. È noto che le termocoppie possono cambiare la calibrazione nel tempo a causa di questi effetti. I cambiamenti meccanici si verificano perché le termocoppie convenzionali sono generalmente costruite il più piccole e leggere possibile per migliorare il tempo di risposta, rendendole così vulnerabili a deformazioni che possono modificare le proprietà termoelettriche. Ancora più importante, la termocoppia convenzionale deve funzionare a temperature elevate poiché misura semplicemente la propria temperatura.
I cambiamenti metallurgici che influenzano le proprietà termoelettriche sono fortemente dipendenti dalla temperatura, essendo trascurabili a temperatura ambiente e molto rilevanti ad alte temperature.
L'IRt/c risolve entrambi i problemi grazie al suo design e al suo funzionamento di base. La sua solida struttura completamente incapsulata in un alloggiamento in acciaio inossidabile meccanicamente rigido e il funzionamento a temperature vicine a quelle ambiente eliminano sostanzialmente i classici problemi di deriva delle termocoppie convenzionali. Ogni IRt/c viene sottoposto a doppia ricottura a temperature superiori a 100 °C per garantire la stabilità a lungo termine e viene testato 5 volte prima dell'imballaggio. A parte una percentuale molto piccola di guasti, l'IRt/c ha una precisione di calibrazione a lungo termine sostanzialmente illimitata.
Guida rapida all'installazione
Tutti i sistemi di rilevamento a infrarossi devono essere calibrati in base alle proprietà specifiche della superficie del materiale (ad esempio, la quantità di calore irradiato dalla superficie del bersaglio, i riflessi di calore dell'ambiente, ecc.). Questa calibrazione viene eseguita misurando la temperatura della superficie target con una sonda di temperatura superficiale indipendente affidabile. Il metodo più semplice e veloce per calibrare con precisione questi effetti è utilizzare un termometro a infrarossi portatile OMEGA OS91 con un sistema brevettato di compensazione automatica dell'emissività per fornire una lettura reale indipendentemente dall'emissività.
The following procedure is recommended:
- Installare IRt/c il più vicino possibile al materiale target da misurare.
- Collegare IRt/c al controller, al trasmettitore PLC, ecc. in modo standard (compresa la schermatura). Come nei t/c convenzionali, il filo rosso è sempre (–).
- Portare il processo alla temperatura di esercizio normale e misurare la temperatura effettiva del materiale target con il termometro a infrarossi serie OS90.
- Regolare "input offset", "zero" e "low cal" sul dispositivo di lettura in modo che corrispondano alla lettura dell'OS91.
Installazione completata.
Configurazione IRt/c con regolatori di temperatura con sintonizzazione automatica
In molte applicazioni, gli elementi riscaldanti vengono utilizzati per riscaldare un prodotto in un forno, in una fornace o con getti di aria calda. I dispositivi di controllo convenzionali che utilizzano termocoppie a contatto misurano e controllano la temperatura dell'aria del forno, la temperatura dell'elemento riscaldante IR o la temperatura del getto d'aria nel tentativo di mantenere la temperatura del prodotto e, pertanto, la sua qualità; spesso con risultati non soddisfacenti.
Sostituendo la termocoppia a contatto (ad esempio per misurare la temperatura del forno) con un prodotto IRt/c senza contatto che misura direttamente la temperatura del prodotto, si garantisce il mantenimento della temperatura del prodotto. È necessario un certo riadattamento dei parametri del controller a causa delle differenze nei tempi di risposta del sensore (un IRt/c è molto più veloce) e del tempo necessario per riscaldare il prodotto rispetto al sensore originale (più lento). Dopo aver installato l'IRt/c e calibrato la lettura del controller utilizzando uno scanner a infrarossi OS91 (vedere la Guida rapida all'installazione di seguito),
IRt/c può essere utilizzato con un cavo di prolunga per termocoppia lungo fino a 1.000 piedi
I risultati del test hanno mostrato un rumore inferiore a 0,1 °C in qualsiasi posizione relativa del cavo, della scintilla e del trasformatore. Le straordinarie caratteristiche di soppressione del rumore integrate nell'IRt/c consentono di posizionarlo a distanze molto lunghe, senza la necessità di un trasmettitore. L'alloggiamento dell'IRt/c è isolato elettricamente dai cavi di segnale ed è collegato alla messa a terra schermatura del cavo di prolunga. Per lunghe distanze, è necessario utilizzare un cavo di prolunga schermato intrecciato e collegare la schermatura a una buona messa a terra elettrica.
The test results showed less than 0.1°C of noise at any relative position of the wire, spark, and transformer. The extraordinary noise suppression characteristics designed into the IRt/c make it possible to locate it at very long distances, without the necessity of a transmitter. The IRt/c housing is electrically isolated from the signal leads and is connected to the shielded ground of the extension cable. For long distances, twisted shielded extension cable should be used, and the shield connected to a good electrical ground.
Gli IRt/c sono intrinsecamente sicuri in caso di utilizzo con barriere.
"Gli apparecchi da campo con caratteristiche di accumulo o generazione di energia pari a < 1,2 V, 0,1 A, 25 mW o 25 microJ devono essere considerati apparecchi semplici (senza accumulo di energia). Questi dispositivi per uso generico possono essere utilizzati in luoghi pericolosi (classificati) senza ulteriore approvazione se collegati a un circuito certificato a sicurezza intrinseca." – Citazione da R. Stahl, Inc. Manuale completo dei prodotti sui relè di barriera e ripetitori a sicurezza intrinseca. Esempi di apparecchi a sicurezza intrinseca senza accumulo di energia sono:
- Termocoppie
- RTD
- LED
- Contatti a secco
- Interruttori di prossimità induttivi NAMUR
- Dispositivi e resistori non induttivi con estensimetri
L'IRt/c rientra nella categoria delle termocoppie, poiché genera il proprio segnale convertendo l'energia termica irradiata in un segnale elettrico tramite gli effetti Seebeck, la forza motrice fondamentale delle termocoppie. Come tutte le termocoppie, non richiede alcuna fonte di alimentazione e genera segnali misurati in millivolt di tensione, microampere di corrente e nanowatt di potenza. Gli IRt/c hanno una piccola capacità, ma a un microFarad, l'accumulo di energia è misurato in nanojoule ed è mille volte inferiore al criterio di 25 microjoule.
Di conseguenza, l'IRt/c è qualificato come apparecchio semplice per l'uso in luoghi pericolosi e, con la barriera appropriata, è qualificato come intrinsecamente sicuro.
Gli IRt/c sono a sicurezza intrinseca se utilizzati con barriere
Note applicative IRt/c
IRt/c monitora la temperatura degli pneumatici per garantire prestazioni ottimali in gara.
La temperatura degli pneumatici è un fattore critico nelle competizioni automobilistiche per due motivi: la temperatura degli pneumatici influisce direttamente sulla loro aderenza e sulle loro caratteristiche di usura; inoltre, i modelli di temperatura degli pneumatici forniscono informazioni preziose sull'impostazione e sulle prestazioni delle sospensioni. Ad esempio, un carico eccessivo su uno pneumatico causato da sospensioni non regolate correttamente farà sì che quello pneumatico si riscaldi notevolmente rispetto agli altri.
L'IRt/c è uno strumento di misura ideale per l'acquisizione dei dati a bordo, grazie alle sue dimensioni ridotte, alla sua robustezza e al suo basso costo. Può essere collegato a sistemi di lettura termocoppia standard. L'installazione deve includere il collegamento della schermatura a una messa a terra adeguata, al fine di evitare interferenze dall'ambiente elettricamente ostile di un'automobile da corsa. L'installazione meccanica deve prestare attenzione ai modelli di flusso d'aria per ridurre al minimo l'accumulo di sporco sulla lente. Si consigliano i modelli OS36-2 o OS36-5 per il loro campo visivo più ristretto, che consente di posizionarli più lontano.
IRt/c Misurazione dell'umidità relativa.
Gli IRt/c possono essere utilizzati per misurare l'umidità relativa effettiva in molte situazioni dove è presente una comoda fonte d'acqua e aria in movimento, e misurarla in modo accurato e affidabile.
Un IRt/c puntato su una superficie porosa bagnata con aria ambiente che soffia sulla superficie bagnata, può effettivamente misurare quella che viene chiamata temperatura del "bulbo umido" per quell'area ambientale. (Più precisamente, la temperatura del bulbo umido è la temperatura di equilibrio dell'interfaccia aria-acqua quando un film d'acqua evapora. Quando l'aria viene spostata su una superficie bagnata, l'acqua si raffredda per evaporazione fino a raggiungere la temperatura del bulbo umido, quindi il raffreddamento si interrompe, indipendentemente dalla quantità di aria che viene spostata sulla superficie. La temperatura alla quale il raffreddamento si interrompe è la temperatura del bulbo umido).
L'IRt/c misura direttamente la temperatura dell'interfaccia aria-acqua su una superficie. La qualità dell'acqua o del materiale assorbente non influisce sulla lettura, poiché l'IRt/c può visualizzare direttamente l'interfaccia aria-acqua e la temperatura di equilibrio del bulbo umido non è influenzata in modo significativo dalle impurità.
Il metodo più preciso consiste nell'utilizzare un IRt/c collegato in modo differenziale con una termocoppia convenzionale per misurare la quantità di "depressione del bulbo umido". La disposizione differenziale della coppia garantisce un'elevata precisione, poiché l'umidità relativa è una funzione forte della depressione del bulbo umido e una funzione debole della temperatura del bulbo secco. È possibile utilizzare tabelle psicrometriche standard, grafici e algoritmi software con i dati per ottenere un'umidità relativa accurata per le misurazioni dell'ambiente.
Controllo della temperatura dei rulli del nastro
Le termocoppie a infrarossi IRt/c sono diventate rapidamente i sensori preferiti per il monitoraggio e il controllo della temperatura sia del nastro che dei rulli. Suggerimenti per una misurazione accurata della temperatura dei rulli:
- Rulli in metallo non rivestito o cromati – I rulli in metallo lucido non rivestito sono difficili da rilevare correttamente da qualsiasi sensore a infrarossi (il sensore rileverà troppi riflessi ambientali). La soluzione al problema è semplice: dipingere una piccola striscia nera su un'estremità inutilizzata del rullo. Puntare il sensore IRt/c sulla striscia di vernice nera. In questo modo misurerà la temperatura in modo accurato e affidabile, indipendentemente dai cambiamenti delle condizioni della superficie del resto del rullo.
Se lo spazio sul bordo del rullo è molto ridotto, avvicinare il sensore e dipingere una striscia nera molto piccola. La dimensione minima del punto dell'IRt/c è di 8 mm (pollici) e per l'OS36-2 è di 4 mm (pollici) quando il sensore viene avvicinato alla superficie. - Rulli in metallo opaco – I rulli in metallo opaco possono fornire un segnale affidabile. È tuttavia consigliabile testare l'affidabilità della superficie, poiché le proprietà emissive della superficie possono variare a causa di sporco, umidità, pulizia, ecc. In caso di dubbio, è meglio dipingere semplicemente una striscia per eliminare queste variazioni.
- Rulli con superficie non metallica – Questi rulli forniscono un segnale IR affidabile in qualsiasi punto venga puntato l'IRt/c. Non è necessaria alcuna striscia dipinta.
Controllo dei processi di formatura sottovuoto e termoformatura
Per la formatura della plastica, una combinazione eccellente di metodo di riscaldamento e controllo è il calore radiante con un IRt/c per il controllo. Funzionano straordinariamente bene insieme, poiché sia il riscaldamento che la misurazione avvengono proprio sulla superficie, dove si trova la plastica. La lettura IRt/c non è influenzata dai riflessi del riscaldatore, poiché la risposta spettrale della lente IRt/c da 6-14 micron filtra le lunghezze d'onda più corte dell'energia del riscaldatore radiante.
L'IRt/c può essere montato tra i riscaldatori ceramici o nella copertura o nel riflettore del riscaldatore radiante, in modo tale da poter vedere tra gli elementi. Selezionare il modello IRt/c standard, OS36-2 o OS36-5, a seconda del campo visivo necessario per vedere oltre gli elementi fino alla superficie verniciata. Prestare attenzione nel montaggio dell'IRt/c in modo da mantenere la sua temperatura al di sotto dei 93 °C (200 °F) e mantenere pulita la lente. Il modello OS36-2 è il modello preferito per questa applicazione grazie alle sue dimensioni ridotte e al sistema di spurgo dell'aria integrato. È possibile utilizzare il dispositivo in ambienti con temperature fino a 121 °C (250 °F) quando si utilizza il sistema di spurgo dell'aria. Il suo campo visivo più ristretto consente una maggiore libertà di posizionamento e quindi una maggiore flessibilità di installazione. Per campi visivi ancora più ristretti, utilizzare l'OS36-5 con il suo campo visivo 5:1.
IRt/c Controlli del circuito stampato preriscaldamento durante la saldatura ad onda
Una soluzione eccellente al problema del corretto controllo del riscaldatore per il preriscaldamento del circuito stampato è un IRt/c. Funzionano straordinariamente bene insieme, poiché sia il riscaldamento che la misurazione avvengono proprio sulla superficie, dove deve fluire la saldatura. La lettura IRt/c non è influenzata dai riflessi del riscaldatore, poiché la risposta spettrale della lente IRt/c da 6-14 micron filtra tutte le lunghezze d'onda più corte dell'energia del riscaldatore radiante.
Per questa applicazione, l'IRt/c può essere montato in modo identico alla formatura sottovuoto/termoformatura (sopra).
Controllo del riscaldatore a induzione
Il processo di riscaldamento a induzione può essere facilmente controllato dalla temperatura del pezzo misurata da una termocoppia a infrarossi senza contatto IRt/c. Durante l'installazione è necessario tenere conto di diversi aspetti.
- L'effetto del campo sull'IRt/c: poiché il segnale di misurazione è isolato elettricamente dall'alloggiamento, l'IRt/c funzionerà anche in presenza di un campo molto forte. Il cavo di schermatura deve essere collegato a una messa a terra del segnale adeguata. Se il campo provoca un riscaldamento eccessivo, prendere in considerazione l'utilizzo del kit di raffreddamento opzionale, con la stessa fonte d'acqua utilizzata per raffreddare la bobina.
- Il campo visivo: il metodo preferibile è quello di visualizzare la parte tra le spire della bobina o dall'estremità. Selezionare il modello IRt/c più adatto alle esigenze.
- Temperatura della parte: entrambi i modelli OS36-2 e OS36-5 possono essere utilizzati per temperature target di 1100 °C (2000 °F) e hanno intervalli lineari fino a 260 °C (500 °F). .
Monitoraggio della temperatura dell'asfalto
Le proprietà dell'asfalto sono particolarmente sensibili alla temperatura ed è importante che l'asfalto venga applicato alla temperatura corretta per garantire le prestazioni previste dalle specifiche. Di conseguenza, il monitoraggio della temperatura è un requisito comune, ma le termocoppie normalmente utilizzate presentano gravi problemi di rottura a causa dell'elevata abrasività del materiale e devono essere costantemente sostituite con costi elevati e interruzioni della produzione.
L'IRt/c risolve direttamente questo problema, poiché la temperatura viene monitorata senza contatto. È possibile utilizzare il normale controller a termocoppia: è sufficiente calibrare l'offset, se necessario. Si consigliano i modelli OS36-2 e OS36-5 grazie al loro sistema di spurgo dell'aria integrato, che mantiene pulita la lente impedendo la condensazione dei vapori sulla stessa. È possibile montare il modello OS36-2 nello scivolo per visualizzare l'asfalto attraverso un piccolo foro, mentre il modello OS36-5 può essere montato a una certa distanza grazie al suo Campo visivo stretto 5:1.
Riprodotto con il permesso di Exergen Corp.
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