Lämpötilan tarkka seuranta kuuluu prosessiteollisuuden tärkeimpiin tehtäviin. Kosketukseton infrapunamittaus antaa tulokset nopeasti ilman suoraa kosketusta kohteeseen. Kiiltävät ja käsittelemättömät metallipinnat asettavat kuitenkin optisille mittalaitteille merkittäviä fysikaalisia haasteita. Nämä haasteet on tunnettava asennus- ja mittausvaiheessa, jotta virheiltä vältytään.
Emissiokertoimen vaikutus kosketuksettomaan lämpötilanmittaukseen
Kosketukseton lämpömittari ei mittaa suoraan kohteen todellista lämpötilaa. Se havaitsee pinnasta poistuvaa sähkömagneettista lämpösäteilyä. Säteilyn voimakkuus riippuu kohteen lämpötilan lisäksi siitä, miten tehokkaasti materiaali luovuttaa energiaa ympäristöönsä. Tätä kykyä kuvataan fysiikassa emissiokertoimella.
Teoreettinen vertailukohta on niin sanottu musta kappale. Se absorboi kaiken siihen kohdistuvan säteilyn ja säteilee energiaa täydellisesti. Mustan kappaleen emissiokerroin on 1,0. Todelliset pinnat säteilevät aina tätä vähemmän, jolloin niiden emissiokerroin asettuu välille 0 ja 1. Esimerkiksi puun, muovin, kumin ja maalien emissiokerroin on korkea, noin 0,90–0,95. Korkean kertoimen ansiosta ne säteilevät lämpöenergiaa tehokkaasti, ja kosketukseton pintalämpömittari mittaa niiden lämpötilan tarkasti ilman monimutkaisia korjauskertoimia.
Jos mittalaitteen emissiokerroinasetus on väärä, mittaustulos vääristyy väistämättä. Kun laite olettaa pinnan emissioksi 0,95 mutta todellinen arvo on huomattavasti matalampi, mittari tulkitsee heikon säteilytehon matalaksi lämpötilaksi. Kohde saattaa silti olla polttavan kuuma. Mittausvirhe voi nousta kymmeniin tai satoihin celsiusasteisiin, mikä vaarantaa prosessinhallinnan ja työturvallisuuden.
Voiko infrapunalämpömittarilla mitata kiiltäviä metallipintoja?
Ilman erityisjärjestelyjä tai oikeaa aallonpituutta perinteinen pintalämpömittari ei mittaa kiiltäviä metallipintoja luotettavasti. Syy löytyy metallien fysiikasta. Kiillotetut ja puhtaat metallit toimivat peilin tavoin. Ne heijastavat voimakkaasti ympäristön lämpötiloja sen sijaan, että ne säteilisivät omaa lämpöään.
Kiillotetun ruostumattoman teräksen emissiokerroin on usein alle 0,10, jolloin sen heijastavuus on vastaavasti yli 0,90. Mittalaite havaitsee silloin kohteen oman lämpötilan sijaan ympäröivien laitteiden, seinien tai mittaajan heijastuvan lämpösäteilyn. Mittaustulos korjaantuu, kun pinnan mekaanista tilaa tai mittaustapaa muutetaan.
Metallipintojen haasteet voidaan ratkaista muutamalla vakiintuneella teollisuusmenetelmällä:
Pinnan maalaaminen kuumuutta kestävällä mattamaalilla tai mattapintaisen emissioteipin liimaaminen kohteeseen. Toimenpide nostaa pinnan paikallisen emissiokertoimen noin arvoon 0,95. Tämän jälkeen mittaus onnistuu luotettavasti tavallisella infrapunamittarilla.
Karkeat, vahvasti hapettuneet tai ruostuneet metallipinnat säteilevät lämpöä huomattavasti paremmin kuin kiiltävät metallit. Niiden emissiokerroin voi olla 0,60–0,85. Tämä riittää tarkkaan kosketuksettomaan mittaukseen, kunhan laitteen asetus säädetään materiaalin mukaiseksi.
Jos pinnan käsittely ei prosessiteknisistä syistä ole mahdollista, siirrytään kosketuksellisiin pintalämpötila-antureihin. Fyysiseen kontaktiin perustuva pintalämpömittari eliminoi emissiokertoimen ja heijastusten aiheuttamat optiset virheet kokonaan.
Miten ympäristön lämpötila vaikuttaa pintalämpötilan mittaukseen?
Ympäristöolosuhteet vaikuttavat sekä kosketuksettomaan että kosketukselliseen lämpötilanmittaukseen, mutta fysiikan mekanismit ovat erilaisia. Mittaustapaa valittaessa ja asennuksia suunniteltaessa on otettava huomioon sekä optiset heijastushäiriöt että termodynaaminen lämmönsiirto.
Heijastuva taustasäteily (optinen häiriö): Infrapunamittauksessa ympäröivät lämmönlähteet, kuten uunit, höyryputket tai auringonvalo, lähettävät säteilyä, joka heijastuu mitattavasta kohteesta suoraan ilmaisimeen. Taustasäteilyvirhe korostuu erityisesti silloin, kun mitattavan pinnan emissiokerroin on alhainen ja heijastavuus suuri.
Konvektio eli ilmavirtauksen aiheuttama jäähdytys (terminen häiriö): Kosketuksellista mittaustapaa käytettäessä suurin virhelähde liittyy lämmön siirtymiseen anturista ympäristöön. Kun pintalämpömittari asennetaan putken tai säiliön ulkopintaan, ympäröivä ilma ja ilmavirtaukset – kuten ilmanvaihto tai halliveto – alkavat jäähdyttää tai lämmittää anturielementtiä sekä itse mitattavaa pintaa. Tätä ilmiötä kutsutaan konvektioksi.
Virheiden minimoimiseksi kosketukselliset mittaukukset vaativat aina asennuspaikalla mekaanisen suojauksen ja lämpöeristyksen. Ne estävät ympäröivää ilmaa ja virtauksia vääristämästä anturin lukemaa.
Milloin prosessiteollisuudessa kannattaa valita pintalämpötila-anturi suojataskun sijaan?
Teollisuuden prosessiputkistoissa ja säiliöissä lämpötilaa mitataan perinteisesti upottamalla anturi suoraan väliaineeseen suojataskun sisään. Invasiivinen menetelmä tarjoaa hyvän vasteajan ja tarkkuuden. Tästä huolimatta ei-invasiivinen pintalämpömittari on useissa tilanteissa huomattavasti järkevämpi vaihtoehto.
Pintalämpötila-anturin valintaa puoltavat helppo asennus, prosessiturvallisuus ja vaivaton kunnossapito. Kun mittaus toteutetaan putken ulkopuolelta, mekaaniset ja kemialliset riskitekijöt poistuvat.
Pintamittauksen edut suojataskuun verrattuna
Anturin asentaminen tai huoltaminen ei vaadi putkiston tyhjentämistä tai reikien tekemistä. Näin vältetään kalliit tuotantoseisokit ja uusi mittauspiste voidaan lisätä suoraan käynnissä olevaan prosessiin.
Putken sisälle ulottuva suojatasku aiheuttaa aina virtausvastusta ja painehäviötä. Putken ulkopuolinen pintalämpömittari pitää virtausprofiilin täysin muuttumattomana.
Aggressiiviset, syövyttävät tai runsaasti kiintoainetta sisältävät väliaineet kuluttavat mekaanisesti upotettavia suojataskuja. Pintalämpötila-anturi ei kosketa prosessiainetta. Ratkaisu pidentää mittalaitteen käyttöikää ja poistaa vuotoriskit.
Hygieenisyyttä, korroosionkestävyyttä ja käyttöturvallisuutta vaativassa kemian-, paperi- ja elintarviketeollisuudessa ei-invasiivinen mittaus tuo merkittäviä säästöjä elinkaarikustannuksiin. Voit tutustua teollisuuden mittausratkaisuihin ja lämpömittareihin suoraan valikoimassamme.
Miten pintalämpömittari asennetaan putkeen luotettavasti?
Kosketuksellisen anturin tarkkuus riippuu lämmön siirtymisestä putken seinämästä anturielementtiin. Ilma toimii tehokkaana eristeenä, joten huonosti asennettu anturi reagoi hitaasti ja näyttää liian matalaa lämpötilaa.
Luotettava asennus LVI- ja prosessiputkistoissa vaatii tarkkaa mekaanista esivalmistelua. Seuraavat työvaiheet varmistavat parhaan mahdollisen lämmönsiirron anturielementtiin:
- Pinnan puhdistus: Putken tai säiliön ulkopinta puhdistetaan asennuskohdasta liasta, ruosteesta ja maalista. Puhdas metallipinta takaa suoran kontaktin.
- Lämpöä johtavan materiaalin käyttö: Anturin ja putken väliin levitetään ohut kerros piitahnaa tai muuta lämpöä johtavaa tahnaa. Se täyttää mikroskooppiset ilmaraot, jotta lämpö siirtyy metallista toiseen viiveettä.
- Tukeva mekaaninen kiinnitys: Anturi kiinnitetään putkeen tiukasti pannoilla tai jousilla. Löysä asennus altistaa mittauksen tärinähäiriöille ja heikentää kontaktia.
- Huolellinen lämpöeristys: Asennusalue ja anturielementti suojataan riittävän paksulla lämmöneristekerroksella. Eristys estää ympäröivää ilmaa jäähdyttämästä mittauspistettä, jolloin anturi mittaa vain putken seinämän todellista lämpötilaa.
Kiinteissä LVI-järjestelmissä ja teollisuuden putkistoissa oikein asennettu ja eristetty LVI-lämpömittari takaa vakaan ja toistettavan mittauksen. Se vastaa tarkasti putken sisällä virtaavan aineen todellista lämpötilaa.
Mittaustarkkuuden varmistaminen haastavissa prosessiolosuhteissa
Lämpötilanmittauksen onnistuminen teollisuusympäristöissä vaatii oikean laitteen ja asennustavan valintaa. Kosketukseton infrapunamittaus ja kosketuksellinen pintalämpötila-anturi täydentävät toisiaan, mutta niitä käytetään eri tilanteissa.
Valintamatriisi: Infrapunamittaus vs. kosketuksellinen pintalämpömittari
| Ominaisuus | Infrapunamittaus (kosketukseton) | Kosketuksellinen pintalämpömittari |
|---|---|---|
| Pinnan tyyppi | Matat, tummat ja korkean emissiokertoimen pinnat. | Kaikki materiaalit (myös kirkas ja kiiltävä metalli). |
| Asennuspaikka | Etämittaus, pyörivät ja liikkuvat osat. | Kiinteät putkistot, säiliöt ja LVI-järjestelmät. |
| Häiriöherkkyys | Herkkä taustasäteilylle ja ilmassa olevalle pölylle. | Herkkä ilmavirtauksille ja ympäristön lämpötilalle (vaatii eristyksen). |
| Vasteaika | Välitön (mittaus tapahtuu millisekunneissa). | Riippuu mekaanisesta kontaktista ja tahnasta (sekunteja). |
Laitteen asennuksen jälkeen mittaustarkkuuden säilyminen vaatii säännöllistä kalibrointia ja kunnossapitoa. Laadunvalvonnassa ja energiatehokkuuden optimoinnissa pienetkin mittapoikkeamat voivat aiheuttaa huomattavia tuotantotappioita tai kasvattaa energiankulutusta. Suunnittelemalla mittauspisteet fysiikan reunaehdot huomioiden ja suojaamalla ne ympäristön mekaanisilta ja termisiltä häiriöiltä varmistetaan luotettavat prosessiarvot kaikissa olosuhteissa.