Pyrometer: Pengukuran Suhu Penting dalam Pengendalian Kualitas Baja

Definisi dan Konsep Dasar

Sebuah pyrometer adalah instrumen pengukuran suhu tanpa kontak yang digunakan secara luas di industri baja untuk memantau proses suhu tinggi. Alat ini beroperasi dengan mendeteksi radiasi termal yang dipancarkan dari objek panas, mengubah radiasi ini menjadi sinyal listrik yang berkorelasi dengan suhu. Signifikansi dasar dari pyrometer terletak pada kemampuannya untuk memberikan data suhu yang akurat dan real-time selama tahap kritis pembuatan baja seperti peleburan, pengecoran, penggulungan, dan perlakuan panas.

Dalam konteks yang lebih luas dari jaminan kualitas baja, pyrometer berfungsi sebagai alat vital untuk kontrol proses, memastikan bahwa sifat-sifat yang bergantung pada suhu seperti mikrostruktur, kekerasan, dan kekuatan mekanik memenuhi standar yang ditentukan. Mereka memungkinkan operator untuk mempertahankan parameter proses yang optimal, mencegah cacat yang disebabkan oleh deviasi suhu, dan memfasilitasi kualitas produk yang konsisten. Sebagai bagian integral dari karakterisasi material, pyrometer berkontribusi pada pemahaman perilaku termal dan memastikan reproduktifitas proses.

Sifat Fisik dan Dasar Metalurgi

Manifestasi Fisik

Sebuah pyrometer itu sendiri adalah perangkat optik atau inframerah yang mengukur radiasi termal yang dipancarkan oleh permukaan baja atau paduan cair. Alat ini tidak menghasilkan cacat fisik pada baja tetapi memberikan hasil pengukuran yang mencerminkan suhu material.

Di tingkat makro, pembacaan suhu yang diperoleh melalui pyrometer mempengaruhi keputusan proses, seperti penyesuaian daya tungku atau laju pendinginan. Di tingkat mikroskopis, data suhu berkorelasi dengan transformasi mikrostruktur dalam baja, seperti perubahan fase, pertumbuhan butir, atau presipitasi karbida.

Fitur karakteristik yang mengidentifikasi penggunaan pyrometer termasuk penempatannya relatif terhadap permukaan baja, status kalibrasi, dan rentang spektral yang digunakannya. Misalnya, pyrometer optik biasanya beroperasi dalam spektrum terlihat atau dekat inframerah, sementara pyrometer inframerah mengukur dalam rentang mid- hingga far-inframerah.

Mekanisme Metalurgi

Prinsip inti di balik operasi pyrometer adalah pengukuran radiasi termal, yang mengikuti hukum Planck. Ketika baja dipanaskan, ia memancarkan radiasi elektromagnetik yang proporsional dengan suhu, terutama dalam spektrum inframerah. Pyrometer mendeteksi radiasi ini dan mengubahnya menjadi sinyal listrik melalui fotodetektor atau termopile.

Dasar metalurgi melibatkan pemahaman bagaimana suhu mempengaruhi mikrostruktur baja. Misalnya, kontrol suhu yang tepat selama perlakuan panas mempengaruhi transformasi fase seperti austenitisasi, bainitisasi, atau tempering. Deviasi dalam pembacaan suhu dapat menyebabkan mikrostruktur yang tidak diinginkan, mempengaruhi sifat mekanik dan ketahanan korosi.

Komposisi baja mempengaruhi emisivitas—efisiensi di mana permukaan memancarkan radiasi termal. Variasi dalam penyelesaian permukaan, elemen paduan, dan lapisan oksida mengubah emisivitas, mempengaruhi akurasi pengukuran. Kondisi pemrosesan seperti kebersihan permukaan, pelapisan, atau keadaan oksidasi juga mempengaruhi keandalan pembacaan pyrometer.

Sistem Klasifikasi

Pyrometer diklasifikasikan berdasarkan prinsip pengukurannya, rentang spektral, dan aplikasinya:

• Kontak vs. Non-kontak: Pyrometer adalah perangkat non-kontak, tetapi termometer kontak seperti termokopel kadang-kadang digunakan untuk perbandingan.
• Pyrometer Optik: Mengukur suhu dengan mencocokkan kecerahan sumber cahaya yang dikalibrasi dengan radiasi termal target.
• Pyrometer Inframerah (IR): Mendeteksi radiasi IR yang dipancarkan langsung dari permukaan baja, cocok untuk pengukuran suhu tinggi.
• Rentang Spektral: Dibagi menjadi pyrometer dekat-inframerah (NIR), mid-inframerah (MIR), dan far-inframerah (FIR), masing-masing cocok untuk rentang suhu dan kondisi permukaan yang berbeda.

Sistem keparahan atau penilaian sering mengkategorikan akurasi pyrometer dan status kalibrasi:

• Kelas 1: Akurasi tinggi, cocok untuk pengukuran kritis.
• Kelas 2: Akurasi sedang, digunakan untuk kontrol proses umum.
• Kelas 3: Akurasi dasar, untuk penilaian suhu kasar.

Interpretasi tergantung pada standar kalibrasi, penyesuaian emisivitas, dan kondisi lingkungan. Misalnya, deviasi lebih dari ±2°C dalam aplikasi presisi tinggi menunjukkan potensi kesalahan pengukuran yang memerlukan kalibrasi ulang.

Metode Deteksi dan Pengukuran

Teknik Deteksi Utama

Metode deteksi utama meliputi:

• Deteksi Radiasi Inframerah: Pyrometer inframerah memanfaatkan termopile atau photodiode yang sensitif terhadap radiasi IR. Optik perangkat memfokuskan radiasi IR yang dipancarkan ke detektor, yang mengubahnya menjadi sinyal listrik.

• Pencocokan Emisi Optik: Pyrometer optik membandingkan kecerahan target dengan sumber cahaya yang dikalibrasi, menyesuaikan sumber hingga kecerahan cocok, sehingga menunjukkan suhu.

• Penyaringan Spektral: Banyak pyrometer IR menggabungkan filter untuk memilih panjang gelombang tertentu, mengurangi gangguan dari radiasi lingkungan atau variasi emisivitas permukaan.

Pengaturan peralatan melibatkan penempatan pyrometer pada jarak dan sudut yang tepat terhadap permukaan target, memastikan garis pandang yang jelas. Kalibrasi melibatkan pengaturan perangkat sesuai dengan standar suhu yang diketahui dan penyesuaian untuk emisivitas.

Standar dan Prosedur Pengujian

Standar internasional yang relevan meliputi:

• ASTM E275-17: Praktik Standar untuk Radiometri Titik Inframerah (IR).
• ISO 18473-1: Pengukuran suhu tanpa kontak—Termometer inframerah.
• EN 60751: Termometer resistansi platinum industri, kadang-kadang digunakan untuk kalibrasi.

Prosedur tipikal meliputi:

1. Persiapan: Bersihkan permukaan baja untuk menghilangkan oksida, kotoran, atau pelapisan yang dapat mempengaruhi emisivitas.
2. Kalibrasi: Gunakan sumber blackbody atau termometer referensi untuk mengkalibrasi pyrometer.
3. Pengukuran: Arahkan pyrometer ke target, memastikan ukuran titik mencakup area yang diminati.
4. Penyesuaian: Atur parameter emisivitas berdasarkan kondisi permukaan.
5. Pencatatan: Ambil beberapa pembacaan untuk memastikan konsistensi, terutama dalam proses dinamis.

Parameter kritis meliputi respons spektral, pengaturan emisivitas, rasio jarak-ke-titik, dan faktor lingkungan seperti debu atau asap, yang dapat mempengaruhi akurasi.

Persyaratan Sampel

Sampel atau titik pengukuran harus representatif dari zona proses. Persiapan permukaan melibatkan pembersihan untuk menghilangkan oksida, minyak, atau pelapisan yang mengubah emisivitas. Untuk baja cair, jendela pengukuran harus bebas dari slag atau turbulensi permukaan.

Pemilihan sampel mempengaruhi validitas pengujian; misalnya, mengukur permukaan kasar yang teroksidasi tanpa koreksi emisivitas dapat menyebabkan kesalahan signifikan. Penempatan dan kondisi permukaan yang konsisten sangat penting untuk hasil yang dapat direproduksi.

Akurasi Pengukuran

Akurasi pengukuran tergantung pada kalibrasi instrumen, emisivitas permukaan, dan stabilitas lingkungan. Repetabilitas dicapai melalui beberapa pengukuran di bawah kondisi identik, sementara reproduktifitas melibatkan operator atau instrumen yang berbeda.

Sumber kesalahan termasuk pengaturan emisivitas yang salah