Temassız sıcaklık ölçümü, bir nesneye fiziksel olarak dokunmadan yüzey sıcaklığının, nesnenin yaydığı elektromanyetik radyasyon algılanarak belirlenmesidir. Endüstride bu amaçla kullanılan cihazlar genellikle infrared sıcaklık sensörü, IR termometre, pirometre, radyasyon termometresi veya termal kamera olarak adlandırılır.

En basit haliyle: sıcak olan bir yüzey çevresine elektromanyetik enerji yayar. Temassız sıcaklık sensörü bu enerjinin belirli bir dalga boyu bölgesini optik sistemle toplar, dedektörde elektriksel sinyale dönüştürür ve uygun emissivite ile kalibrasyon bilgilerini kullanarak yüzey sıcaklığını hesaplar.

Önemli düzeltme: Bu sayfanın eski başlığında ve URL yapısında “UV sıcaklık ölçümü” ifadesi geçmektedir. Ancak standart endüstriyel temassız sıcaklık ölçümünün temel prensibi, bir yüzeye ultraviyole ışık gönderip yansımasını veya emilmesini ölçmek değildir. Ticari pirometrelerin ve termal kameraların büyük bölümü cismin kendi yaydığı termal radyasyonu görünür, yakın infrared veya infrared spektrumun seçilmiş bir bölümünde ölçer.

Ultraviyole bölgesinde çalışan özel optik veya spektroskopik sıcaklık ölçüm teknikleri bulunabilir; fakat bunlar genel endüstriyel IR sıcaklık sensörleriyle aynı şey değildir. Bu nedenle “temassız UV sıcaklık sensörü” ifadesi genel bir sıcaklık ölçüm prensibi olarak kullanılmamalıdır.

Temassız sıcaklık sensörü gerçekte neyi ölçer?

Mutlak sıfırın üzerindeki bütün gerçek cisimler elektromanyetik radyasyon yayar. Cismin sıcaklığı değiştikçe yayılan radyasyonun miktarı ve spektral dağılımı da değişir.

Bir radyasyon termometresi yüzeyden gelen ışınımın belirli bir spektral bölümünü ölçer. Sensörün dedektörü ve optik filtreleri örneğin uzun dalga infrared, orta dalga infrared, kısa dalga infrared veya bazı çok yüksek sıcaklık cihazlarında görünür bölgeye yakın dalga boylarında çalışabilir.

Sıcaklık hesabının temelinde kara cisim radyasyonu ve Planck radyasyon yasası bulunur. Gerçek endüstriyel yüzeylerin kara cisim gibi davranmaması nedeniyle hesaba ayrıca emissivite dahil edilir.

Termal radyasyon ile yansıyan ışık aynı şey midir?

Hayır. Bu iki kavram eski metinde birbirine karışmıştı.

Temassız sıcaklık sensörü normalde “bir ışığı yüzeye gönderip geri gelen ışığın miktarından sıcaklık bulmaz.” Sensör esas olarak hedefin yaydığı termal radyasyonu değerlendirir.

Fakat yüzey aynı zamanda çevredeki infrared enerjiyi yansıtabilir. Özellikle parlak metal yüzeylerde bu yansıyan çevresel radyasyon ölçüm hatasının önemli bir kısmını oluşturabilir.

Dolayısıyla dedektöre ulaşan enerji yalnız hedefin kendi yaydığı enerjiden oluşmayabilir; yüzeyin yansıttığı çevresel radyasyon ve bazı malzemelerde yüzeyin arkasından geçen radyasyon da etkili olabilir.

Emissivite nedir?

Emissivite (ε), gerçek bir yüzeyin belirli şartlarda termal radyasyon yayma kabiliyetinin ideal bir kara cisme göre oranını ifade eder.

İdeal kara cismin emissivitesi:

ε = 1

olarak kabul edilir. Gerçek yüzeylerin emissivitesi ise bundan daha düşüktür ve yalnız “malzemenin adı” ile belirlenemez.

Emissivite:

malzemeye · yüzey pürüzlülüğüne · oksidasyona · boyaya veya kaplamaya · sıcaklığa · dalga boyuna · görüş açısına

bağlı olarak değişebilir.

Bu nedenle internetten bulunan tek bir emissivite değerini bütün ölçüm şartlarında kesin değer kabul etmek doğru değildir.

Parlak metal sıcaklığı neden zor ölçülür?

Parlak alüminyum, paslanmaz çelik, bakır veya diğer çıplak metal yüzeyler düşük emissiviteye sahip olabilir.

Düşük emissivite, yüzeyin kendi termal radyasyonunun zayıf olması ve çevreden gelen radyasyonun daha fazla yansıtılması anlamına gelebilir.

Bu durumda IR sensör tavandaki sıcak bir ısıtıcıyı, fırın duvarını veya başka bir sıcak objeyi hedef metal üzerinden kısmen “görebilir”. Sonuçta sensör hedef metalin gerçek sıcaklığından farklı bir değer gösterebilir.

Bu nedenle metal uygulamalarında yüzey durumu, oksidasyon ve doğru spektral dalga boyu seçimi kritik önemdedir.

Neden kısa dalga IR sensörler sıcak metallerde avantaj sağlar?

Birçok metalin emissivitesi uzun dalga infrared bölgede düşük ve yüzey durumuna karşı oldukça hassastır.

Yüksek sıcaklık metal ölçümlerinde daha kısa dalga boyunda çalışan pirometreler bu nedenle avantaj sağlayabilir.

Örneğin uygun sıcaklık bölgesinde 0,8–1,0 µm veya 1,6 µm gibi kısa dalga sensörler parlak metal yüzeylerde uzun dalga 8–14 µm cihazlardan daha uygun olabilir.

Burada doğru seçim yalnız sıcaklık aralığına değil, hedef malzemenin spektral emissivitesine göre yapılmalıdır.

Temassız sıcaklık ölçümü animasyonu

IR sensör nesnenin hangi sıcaklığını ölçer?

Temassız radyasyon termometresi esas olarak sensörün görüş alanına giren yüzeyden gelen radyasyonu değerlendirir. Bu nedenle çoğu uygulamada ölçülen değer yüzey sıcaklığıdır.

Bir borunun dış yüzeyini IR sensörle ölçmek, borunun içindeki akışkan sıcaklığını doğrudan ölçmek anlamına gelmez. Boru duvarı, izolasyon, ısı transferi ve ortam şartları nedeniyle iki sıcaklık farklı olabilir.

Akışkanın veya malzemenin iç sıcaklığının doğrudan ölçülmesi gerekiyorsa uygun Pt100 veya termokupl gibi temaslı sensörler daha doğru çözüm olabilir.

Temassız ölçüm temaslı sensörden daha doğru mudur?

Genel olarak hayır. Temassız ölçümün temas gerektirmemesi onu otomatik olarak daha hassas veya daha güvenilir yapmaz.

IR ölçüm;

hareketli nesnelerde · çok sıcak yüzeylerde · elektriksel olarak tehlikeli noktalarda · erişilemeyen alanlarda · hızlı proseslerde · sensörün ürüne dokunmasının istenmediği proseslerde

büyük avantaj sağlayabilir.

Buna karşılık uygun montaj yapılmış bir Pt100 sensörü düşük ve orta sıcaklıklarda bazı uygulamalarda IR sensörden daha düşük ölçüm belirsizliği sağlayabilir.

Doğru ölçüm tekniği “temaslı mı temassız mı daha iyi?” sorusundan ziyade hangi sıcaklığın, hangi yüzeyde, hangi hızda ve hangi belirsizlikle ölçülmek istendiğine göre seçilmelidir.

Hareketli yüzeylerde temassız sıcaklık ölçümü neden avantajlıdır?

Dönen mil, hareketli bant, sıcak sac, ekstrüzyon hattı, sürekli akan plastik film veya hızlı ürün akışı üzerine fiziksel sensör bağlamak mümkün olmayabilir.

IR sensör yüzeye temas etmediği için mekanik sürtünme veya sensör aşınması oluşmaz ve çok hızlı ölçüm yapılabilir.

Bu nedenle temassız sıcaklık sensörleri özellikle hareketli proseslerde PLC sistemleri ile birlikte sürekli proses izleme ve alarm amacıyla kullanılabilir.

Ölçüm mesafesi neden önemlidir?

Bir IR sensör yalnız lazer noktasındaki tek bir atomu veya pikseli ölçmez. Optik sistemi belirli büyüklükte bir görüş alanından radyasyon toplar.

Sensör hedef yüzeyden uzaklaştıkça ölçülen alan genellikle büyür.

Bu ilişki çoğu portatif infrared termometrede D:S — Distance-to-Spot oranıyla ifade edilir.

Örneğin:

D:S = 12:1

ise yaklaşık 12 birim mesafeden 1 birim çaplı ölçüm noktası elde edilir. Gerçek cihazın optik diyagramı mutlaka üretici verisinden kontrol edilmelidir.

Hedef, sensörün ölçüm alanından küçükse sensör hedefle birlikte arka planı da görür ve sonuç iki bölgeden gelen radyasyonun karışımına dönüşebilir.

Lazer noktası sıcaklığı mı ölçer?

Hayır. Portatif infrared termometrelerde bulunan lazer genellikle yalnızca nişan almaya yardımcı olur.

Sıcaklığı ölçen sistem lazer değil; optik mercek, spektral filtre ve infrared dedektördür.

Kullanıcı lazer noktasının çok küçük olmasına bakıp aynı büyüklükte alan ölçüldüğünü varsaymamalıdır. Gerçek spot büyüklüğü cihazın optik D:S özelliğine göre belirlenir.

Ölçüm açısı neden önemlidir?

Mümkün olduğunda sensör hedef yüzeye mümkün olduğunca dik bakmalıdır.

Açı büyüdükçe sensörün gördüğü yüzey alanı uzayabilir ve yüzeyin yönsel emissivite özellikleri devreye girebilir.

Özellikle düşük emissiviteli metal yüzeylerde ölçüm açısı değişiminin sonuç üzerinde etkisi daha belirgin olabilir.

IR sensör camın arkasından ölçüm yapabilir mi?

Her zaman değil. Görünür ışığa şeffaf olan bir cam, infrared sensörün kullandığı dalga boyunda şeffaf olmayabilir.

Örneğin 8–14 µm uzun dalga infrared çalışan birçok sensörde sıradan cam pencerenin arkasındaki nesneyi ölçmeye çalışırsanız cihaz büyük ölçüde cam yüzeyin sıcaklığını görebilir.

Cam üretiminde yüzey veya camın iç bölgesini ölçmek için farklı spektral bantlar kullanılabilir. Bu nedenle sensörün dalga boyu ile camın spektral geçirgenliği birlikte değerlendirilmelidir.

Fırın görüş pencerelerinde de sıradan pencere camı yerine sensörün çalışma dalga boyuna uygun özel optik malzeme gerekebilir.

Plastik film sıcaklığı temassız ölçülebilir mi?

Evet, ancak doğru spektral sensör seçilmelidir.

İnce plastik film bazı infrared dalga boylarında kısmen şeffaf olabilir. Sensör filmin arkasındaki sıcak veya soğuk nesneleri de görebilir.

Bu nedenle PE, PET veya başka plastik malzemelerde sensör dalga boyu filmin güçlü emilim gösterdiği spektral bölgeye göre seçilebilir.

Malzeme adı aynı olsa bile kalınlık, katkılar ve yüzey yapısı spektral davranışı değiştirebilir.

Cam, plastik ve metal için aynı IR sensör kullanılabilir mi?

Bazen kullanılabilir; fakat hassas endüstriyel ölçümde “tek sensör her malzemeyi aynı kalitede ölçer” yaklaşımı doğru değildir.

Metal, cam ve plastiklerin emissivite ve transmissivite davranışları farklı spektral bölgelerde ciddi biçimde değişir.

Bu nedenle sensör seçiminde:

hedef malzeme · sıcaklık aralığı · yüzey durumu · spektral dalga boyu · hedef büyüklüğü · ölçüm mesafesi · proses atmosferi

birlikte değerlendirilmelidir.

IR termometre ile pirometre aynı şey midir?

Günlük endüstriyel kullanımda iki terim sıklıkla aynı sınıf cihazlar için kullanılır.

Pirometre sözcüğü özellikle yüksek sıcaklığın uzaktan optik/radyometrik yöntemle ölçülmesiyle ilişkilendirilir. Infrared termometre ise düşük, orta ve yüksek sıcaklık bölgelerindeki daha geniş ürün grubunu kapsayabilir.

Her iki durumda da ölçümün temeli hedef yüzeyden gelen termal radyasyonun değerlendirilmesidir.

IR sensör ile termal kamera arasındaki fark nedir?

Noktasal IR sensör veya pirometre belirli bir görüş alanından tek veya sınırlı sayıda sıcaklık değeri üretir.

Termal kamera ise çok sayıda dedektör pikseli kullanarak yüzeyin iki boyutlu sıcaklık dağılımını görüntüler.

Bir üretim hattında yalnız tek bir kritik noktayı izlemek gerekiyorsa sabit IR sensör yeterli olabilir. Yüzeyde sıcak noktanın nerede oluşacağı bilinmiyorsa termal kamera daha fazla bilgi sağlayabilir.

Ratio pyrometer — oran pirometresi nedir?

Bazı yüksek sıcaklık uygulamalarında sensör aynı hedefi iki farklı spektral bantta ölçer ve iki radyasyon sinyalinin oranından sıcaklık hesaplar.

Bu yönteme ratio pyrometry, two-color pyrometry veya iki renkli pirometre denir.

Uygun şartlarda emissivitenin mutlak değerindeki bazı değişimlere, hedefin görüş alanını tamamen doldurmamasına veya optik yolun kısmen zayıflamasına karşı tek dalga boylu ölçümden daha dayanıklı olabilir.

Ancak iki dalga boyundaki emissivite davranışının uygun olduğu varsayımı her malzemede geçerli değildir; oran pirometresi de hatasız değildir.

Çok yüksek sıcaklıkta IR ölçüm mü, termokupl mu?

Sıcaklık yükseldikçe temaslı sensörün kendisinin dayanımı önemli bir problem haline gelir.

Örneğin B tipi termokupl yüksek sıcaklık fırınlarında önemli bir seçenekken, C tipi ve A tipi tungsten-renyum termokupllar kontrollü atmosferlerde 2000 °C üzerindeki bölgelerde kullanılabilir.

Buna karşılık yüksek sıcaklık pirometresi proses içine fiziksel sensör sokmadan aynı yüzeyi optik olarak izleyebilir.

Hangi yöntemin daha doğru olduğu uygulamaya bağlıdır. Termokuplda sensör drift'i, montaj ve iletim/radyasyon etkileri; pirometrede emissivite, optik yol ve görüş alanı kritik olabilir.

Temassız sensör hızlı mıdır?

Genellikle evet. Sensörün hedefle termal dengeye gelmesini beklemek gerekmediğinden radyasyon termometreleri çok hızlı cevap sürelerine ulaşabilir.

Bu özellik sıcak sac, plastik ekstrüzyon, kağıt, ambalaj, dönen parçalar ve yüksek hızlı üretim proseslerinde önemli avantaj sağlar.

Ancak hızlı sensör seçmek tek başına yeterli değildir. PLC tarama süresi, analog filtreleme, transmitter çıkışı ve proses kontrol algoritması ölçüm zincirinin toplam hızını etkiler.

Temassız sıcaklık sensörü PLC'ye bağlanabilir mi?

Evet. Endüstriyel sabit IR sensörler genellikle sıcaklık sonucunu doğrudan elektriksel veya dijital çıkış olarak verir.

Sensör çıkışı örneğin:

4–20 mA · 0–10 V · röle/alarm · seri haberleşme · endüstriyel dijital iletişim

şeklinde olabilir.

Bir PLC, sensörden gelen standart analog sinyali okuyabilir ve proses sıcaklığını izleme, alarm, kayıt veya kontrol amacıyla kullanabilir.

4–20 mA ve 0–10 V sinyalleri hakkında ayrıntılı bilgi ilgili analog ölçüm bölümünde bulunmaktadır.

IR sıcaklık sensörü sıcaklık kontrolünde kullanılabilir mi?

Evet. Sabit IR sensörden gelen ölçüm değeri bir ısı kontrol cihazına veya PLC'ye gönderilebilir.

Kontrol sistemi ölçülen yüzey sıcaklığını set değeriyle karşılaştırarak ısıtıcı gücünü ayarlayabilir.

Çıkış tarafında SSR, kontaktör veya başka güç kontrol elemanları kullanılabilir.

Ancak kontrol sisteminin başarısı IR sensörün doğru emissivite ve doğru optik geometriyle ölçüm yapmasına bağlıdır. Yanlış ölçülen sıcaklığın üzerine mükemmel PID algoritması kurmak doğru prosesi kontrol etmez.

IR sensör çıkışı dönüştürülebilir mi?

Bazı temassız sensörlerde elektronik ünite doğrudan sensörün parçasıdır. Bazı sistemlerde ise küçük optik algılama başlığı ayrı bir elektronik dönüştürücüye bağlanır.

Sistem tasarımına göre sıcaklık sensörü çeviricileri veya analog sinyal dönüştürücüler üzerinden PLC'ye uygun çıkış elde edilebilir.

Temassız ölçümün avantajları nelerdir?

Doğru uygulamada temassız sıcaklık ölçümü:

hareketli hedefleri ölçebilir
çok hızlı cevap verebilir
çok sıcak yüzeylere fiziksel temas gerektirmez
erişilemeyen veya elektriksel olarak tehlikeli noktaları ölçebilir
sensörde mekanik sürtünme ve yüzey aşınmasını ortadan kaldırır
ürüne sensör temasının istenmediği proseslerde kullanılabilir
çok küçük veya düşük termal kütleli hedeflerde temaslı sensörün oluşturacağı ısı yükünü önleyebilir

Temassız ölçümün sınırlamaları nelerdir?

Temassız ölçümün dezavantajları da en az avantajları kadar önemlidir:

emissivite bilinmelidir veya doğru tahmin edilmelidir
parlak metaller ciddi ölçüm hatasına neden olabilir
hedef görüş alanını yeterince doldurmalıdır
toz, duman, buhar veya optik pencere radyasyonu zayıflatabilir
çoğunlukla yüzey sıcaklığı ölçülür
yansıyan çevresel radyasyon sonucu etkileyebilir
yanlış spektral sensör cam ve plastiklerde hatalı ölçüm oluşturabilir

Toz, duman ve buhar IR ölçümünü etkiler mi?

Evet. Sensör ile hedef arasındaki optik yol temiz değilse hedefin yaydığı radyasyon zayıflayabilir veya başka radyasyon kaynakları sisteme eklenebilir.

Yoğun su buharı, yanma gazları, toz veya duman belirli infrared dalga boylarını absorbe edebilir.

Bu nedenle endüstriyel IR sensörlerde spektral çalışma bölgesi seçilirken yalnız hedef değil, sensör ile hedef arasındaki atmosfer de değerlendirilir.

Kirli lens sıcaklık hatasına neden olur mu?

Evet. Sensörün optik lensi, koruyucu penceresi veya görüş tüpü kirlenirse hedef radyasyonunun bir bölümü dedektöre ulaşamaz.

Özellikle tozlu, yağlı veya dumanlı proseslerde hava purjlu koruyucu başlıklar kullanılabilir.

Bakım gerektirmeyen sensör yoktur; temassız olması yalnız sensörün hedefle mekanik olarak temas etmediği anlamına gelir.

IR sensör VFD bulunan makinelerde kullanılabilir mi?

Evet. Optik sıcaklık algılaması elektromanyetik parazitten termokuplun milivolt hattı kadar doğrudan etkilenmeyebilir; ancak sensör elektroniği ve analog çıkış kablolaması yine doğru yapılmalıdır.

VFD, servo sürücüler ve güçlü anahtarlama sistemlerinin bulunduğu panolarda 4–20 mA, 0–10 V ve haberleşme kabloları uygun biçimde güç kablolarından ayrılmalıdır.

Temassız sıcaklık ölçümü hangi sektörlerde kullanılır?

Doğru spektral ve optik sensör seçildiğinde temassız ölçüm:

demir-çelik ve metal işleme
cam üretimi
plastik ekstrüzyon ve film
seramik
gıda üretimi
kağıt ve tekstil
fırın ve ısıl işlem
elektronik üretimi
rulman, motor ve döner makine izleme
yüksek hızlı üretim hatları

gibi birçok alanda kullanılabilir.

Temassız sıcaklık sensörü seçerken nelere bakılmalıdır?

Doğru sensör seçimi için en azından:

minimum ve maksimum hedef sıcaklığı
hedef malzeme
emissivite ve yüzey durumu
metal, cam veya plastik olması
sensörün spektral dalga boyu
hedef büyüklüğü
ölçüm mesafesi ve D:S oranı
istenen cevap süresi
ortam sıcaklığı
toz, duman veya buhar
analog veya dijital çıkış ihtiyacı
PLC veya kontrol sistemi bağlantısı

bilinmelidir.

Yalnız “0–1000 °C IR sensör lazım” bilgisi çoğu endüstriyel uygulamada doğru ürün seçmek için yeterli değildir.

Sonuç

Temassız sıcaklık ölçümü, bir yüzeye fiziksel sensör değdirmeden, yüzeyden yayılan elektromanyetik radyasyonun seçilmiş bir spektral bölgede algılanmasıyla sıcaklığın belirlenmesidir.

Standart endüstriyel sistemler sıcaklığı genel olarak UV ışığın yüzeyden yansımasını ölçerek değil, termal radyasyonu — çoğunlukla infrared veya yüksek sıcaklıklarda görünür/near-IR bölgesini — değerlendirerek belirler.

Temassız ölçümün en büyük avantajları hız, hareketli hedeflere erişim ve çok sıcak yüzeylerde fiziksel temas gerektirmemesidir. Buna karşılık emissivite, yüzey yansıtıcılığı, spektral dalga boyu, hedef büyüklüğü, D:S oranı, görüş açısı ve optik yol doğru değerlendirilmezse ciddi ölçüm hataları oluşabilir.

Bu nedenle iyi bir IR sıcaklık ölçüm sistemi yalnız sensörün katalog sıcaklık aralığına göre değil, ölçülecek malzemenin optik özellikleri ve gerçek proses geometrisine göre seçilmelidir.

İlgili sıcaklık ölçüm konuları

+ Temassız Sıcaklık Sensörleri · Tüm Isı Sensörleri

+ Pt100 Sensörleri · Pt100 ve Termokupl Karşılaştırması

+ Termokupl Nedir? · Termokupl Çeşitleri

+ B Tipi Termokupl · C Tipi Termokupl · A Tipi Termokupl

+ Sıcaklık Sensörü Çeviricileri · Isı Kontrol Cihazları

+ PLC Sistemleri · Analog Giriş ve Çıkışlar · 0–10 V / 4–20 mA

+ SSR Röleler · Kontaktörler · Hız Kontrol Cihazları