BREZKONTAKTNO MERJENJE TEMPERATURE TER TERMOVIZIJA Marjan LUKEŽIČ Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo Oddelek za tehniško varnost Gorazdova 15, SI- 1000 Ljubljana, Slovenja marjan.lukezic@fkkt.uni-lj.si POVZETEK Namen članka je predstaviti področje brezkontaktnega merjenja temperature in termovizije. Termovizija izhaja iz brezkontaktnega merjenja temperature. Razlika je v sami zasnovi tipala, ki predstavlja matrično polje brezkontaktnih tipal. Pri termoviziji so bolj kompleksni tudi algoritmi obdelave podatkov ter nenazadnje prikaz rezultatov. Pri brezkontaktnem merjenju temperature dobimo na izhodu naprave podatke v obliki ASCII kode. Pri termoviziji pa se podatki prikažejo grafično v obliki barvnega diagrama toplotne porazdelitve po merjeni površini. Brezkontaktno merjenje temperature in termovizija sta uporabni pri številnih visokotehnoloških procesnih sistemih. Na tem področju je zelo pomembno, da znamo pravilno interpretirati rezultate meritev. Pri tem nam pomagajo nekateri standardi s tega področja. Eden takih standardov je OIML R 18 iz leta 1989 (E). Ključne besede: brezkontaktno merjenje temperature, termovizija ABSTRACT Pyrometer and thermo vision camera are presented in the article. Thermo vision camera is developed from pyrometer. The main difference is sensor design. In the thermo vision camera sensors are made as two dimension arrays of IR sensors. Algorithms for processing data are more complex in the thermo vision camera then in pyrometer. Output data from pyrometer is usually ASCII code. Output data from thermo vision camera is graphics diagrams of heat distribution on measuring surface. Thermo vision cameras are used in large numbers of high tech processing systems. Right interpretation of results from pyrometer or thermo vision camera is very important for this field of research. For right interpretation of results we can use some standards from this field. One of them is OIML R18, edition year is 1989 (E). Keywords: non-contact thermometry, pyrometer, thermo vision camera - 1 -
UVOD Termovizija je bila v drugi polovici 20. stoletja rezervirana le vojaške namene kot je primer IR vodenja protiletalskih izstrelkov na daljavo. S koncem hladne vojne sta se brezkontaktno merjenje temperature ter termovizija uveljavila v kot sredstvo za nadzor kvalitete ali neposredne funkcionalnosti izdelkov v najnaprednejših procesnih aplikacijah. V najsodobnejših proizvodnih procesih lahko srečamo aplikacije vse od spodnjega dela elektromagnetnega spektra, ki se pričenja od področja X žarkov (kontrola napak v materialih), preko področja vidnega spektra, pa vse naprej v infra področje področje toplote. Sodobna matrična zaznavala omogočajo zajemanje toplotnih slik, ki se vrednotijo zelo podobno kakor slike v vidnem delu spektra. Zaradi specifičnih lastnosti to tehnologijo srečamo vse od proizvodnje in končne kontrole kakovosti vseh vrst gospodinjskih aparatov preko proizvodnje v železarnah do iskanja preživelih v elementarnih nesrečah in v gorečih stavbah. PRINCIP DELOVANJA INFRARDEČEGA MERJENJA TEMPERATURE Vsako telo s temperaturo višjo od Kelvinove ničle seva toploto. Večja je temperatura telesa, večja je energija v infrardečem delu elektromagnetnega valovanja in manjše so najbolj zastopane valovne dolžine. Zaradi tega postanejo vroče snovi vidne tudi za človekove oči pri dovolj visokih temperaturah (na primer talina železa). Toplota je elektromagnetno valovanje, katere valovne dolžine se pričenjajo tik nad vidnim delom svetlobnega spektra, imenovanega tudi infrardeči spekter. Infrardeči spekter sestavljajo štirje pasovi: kratki (od 0.75 do 3μm), srednji (3-6μm), dolgi(6-15 μm) in ekstremno dolgi (od 15-100 μm). Spekter izsevanega elektromagnetnega valovanja ima maksimum pri določeni valovni dolžini. Ta valovna dolžina ( m ) je odvisna od temperature in to tako, da je produkt valovne dolžine, pri kateri ima spekter maksimum, in absolutne temperature konstanten. Wienov zakon podaja zvezo med temperaturo črnega telesa T in valovno dolžino svetlobe, ki je v elektromagnetnem spektru najbolj zastopana m. Matematična formulacija Weienovega zakona se zapiše kot: T 3 k, k 2.898 m K (1) max w w 10 Delitev elektromagnetnega spektra infrardeče svetlobe je prikazan na sliki 2. Elektromagnetno sevanje je možno zaznavati na površini snovi, saj je to eno od snovnih lastnosti snovi. Infrardeči termometer izkorišča to lastnost, za merjenje trenutne temperature na površini snovi. Infrardeči termometer je sestavljen iz sistema optičnih leč, ki so usmerjene na določeno točko na površini merjenega telesa. Točko merjenja določimo s pomočjo laserskega žarka. - 2 -
Slika 1: Pirometer Imapc IPE 140 [1]. Upoštevanje teh zakonitosti, razvoj sodobnih polprevodniških matričnih tipal za IR spekter in uporaba optike, ki je prepustna za elektromagnetno valovanje z omenjenimi valovnimi dolžinami, nam omogoča prostorsko zajemanje in vrednotenje ter s tem popisovanje toplotnih procesov brezkontaktno merjenje temperature, imenovano termovizija. Termokamera je po zgradbi in funkciji zelo podobna običajni video kameri. Razlikuje se le v lastnostih optike in IR-detektorja. Optika ima tudi pri termokamerah nalogo, da ustvari čim boljšo sliko. Konstruirana in izdelana je po enakih načelih kot optika za vidno svetlobo, od nje se razlikuje po nekaterih posebnih zahtevah. Njihova najpomembnejša lastnost je, da zelo dobro prepuščajo IR-sevanje. Med njimi je najbolj znan in uporaben germanij. Uporablja se praktično v vseh napravah, ki sprejemajo IR-sevanje v pasu od 8 do 14 mikrometrov. V spektru od 3 do 5 mikrometrov se najbolj uporablja silicij, pogosto tudi safir, vendar za manjše optične elemente. Zaznavalo je srce termokamere, saj IR-sevanje, ki ga nanj usmerja optika, pretvarja v električne signale. Njemu je podrejena celotna zasnova naprave, z njim je določena kakovost slike, občutljivost in ne nazadnje cena. Zaznavalo je namreč tudi najdražji element termokamere. Elektronika obdeluje električne signale zaznavala z algoritmi, ki so dobro znani in preskušeni v televizijski in računalniški tehniki. Toplotna slika se prikaže na zaslonu, ki je pri sodobnih termokamerah najpogosteje tipa LCD. V termokamerah je običajno vgrajen tudi program za kvantitativno analizo toplotne slike (termograma), tako da lahko takoj odčitamo temperaturo v poljubni točki na površini merjenca. - 3 -
IZBIRA PRIMERNEGA PIROMETRA ZA MERJENJE TEMPERATURE Izbira primernega pirometra je odvisna od določenih aplikativnih razlik v lastnostih merjenega objekta. Glede na lastnosti merjenega objekta moramo oceniti parametre kot so: temperatura, lastnosti snovi ter velikost vzorca. Za vsako temperaturno območje imamo na voljo različne tipe pirometrov. Na sliki 2 je prikazano področje vidne in infrardeče svetlobe, ki jo zaznavmo s pirometrom Imapc IPE 140. Slika 2: Elektromagnetni spekter [1]. TEMPERATURNO PODROČJE IMPACT PIROMETROV Temperaturno področje Impact termometrov sega od - 50 o C do 4000 o C. Izbira temperaturnega področja je odvisna od načina uporabe. V konkretnem primeru bomo uporabili Impac pirometer IPE 140, ki ima definirano temperaturo območje delovanja med 5 o C in 1200 o C. Slika 3: Temperaturna področja za različne tipe materialov ter posledično za različne tipe Impac pirometrov [1]. Na sliki 3 so prikazana temperaturna področja za različne tipe materialov. Z Impac pirometri lahko merimo temperaturo površine za: nekovinske materiale, steklo, kovine, keramiko, grafitne materiale in materiale s posebnimi lastnostmi. - 4 -
SPEKTRALNO PODROČJE Snov, ki jo merimo zahteva pravilno izbiro optimalnega spektralnega področja pirometra, da dosežemo zadovoljiv rezultat. S pravilno izbiro spektralnega področja so rezultati meritev bolj točni. Zaradi tega dejstva je pravilna izbira spektralnega področja najpomembnejši parameter, pri nastavitvi in izbiri pirometra. Tipična spektralna področja so: merjenje staljenega stekla, kovin in keramičnih materialov (minimalna temperatura 600 o C), merjenje kovin in keramike (minimalno 250 o C), merjenje kovin (minimalno 50 o C), merjenje kovin, keramičnih materialov, merjenje PE in PP folij (minimalno 50 o C, časovni interval minimalno 5 min.), merjenje plamena v talilni peči (min. 75 o C), merjenje steklenih površin (min. 100 o C), merjenje nekovinskih površin in premazi za zaščito kovin (min. - 40 o C). ZAZNANO PODROČJE MERJENJA Dimenzije merjenega objekta določajo zahtevano velikost pike, ki jo ustvarja snop laserske svetlobe, ki jo generira pirometer. Velikost pike je odvisna od tipa pirometra in razdalje med pirometrom in snovjo, ki jo merimo. Velikost pike se izračuna z uporabo razmerja med razdaljo merjenja in velikostjo pike. Podatek, ki ga dobimo s tem količnikom imenujemo zaznano področje merjenja (field of view FOV). FOV razdaljamerjenja velikost pike Primer: 240:1 pomeni, da je razdalja merjenja 1200 mm ter velikost pike 5 mm. Slika 4: Prikaz optične poti laserskega žarka in velikost pike [1]. - 5 -
Na sliki 4 vidimo sredinsko črto, ki predstavlja snop usmerjene laserske svetlobe. Številke pod črto predstavljajo razdaljo merjenja, medtem ko številke nad njo predstavljajo velikost pike. Minimalna velikost pike pri pirometeru IPE 140 je 0.7 mm. PROBLEMI PRI IR MERJENJU TEMPERATURE Pri merjenjih temperature v procesih velja pravilo, da je to eno najzahtevnejših merjenj, predvsem iz naslova množice okoliških vplivov. Sama absolutna točnost termovizijskih kamer je predvsem funkcija upoštevanja (ali zmožnosti upoštevanja) prej navedenih dejavnikov in njihove stabilnosti v času trajanja meritev. Tako se absolutna točnost v laboratorijskih pogojih meritev lahko približa nivoju ločljivosti kamer, v praksi je pa taka točnost običajno za faktor nekaj krat nad ločljivostjo kamere. Srednje kvalitetne termovizijske kamere danes dosegajo ločljivosti med 0.1 in 0.2 o C, medtem ko najkvalitetnejše kamere dosegajo ločljivosti pod 0.03 o C. Zaznano sevanje na zaznavalu IR kamere je posledica: dejanske temperature opazovanega telesa (2), atmosferskih vplivov (3) drugih absorbcijsko emisivnih lastnosti telesa ter parametrov okolice (1). Slika 5: Prikaz dejavnikov, ki vplivajo na natančno določitev temperature na površini telesa, ki oddaja toploto [2] Sevanje površine opazovanega telesa je rezultat snovnega prenosa toplote iz njegove notranjosti (običajno je vir toplote pod dano površino telesa) na površino in emisivno absorbcijskih lastnosti površine. Na primer, določena površina z ustrezno obliko je lahko skorajda popolno toplotno zrcalo, zato je v takih primerih merjenje temperature zahteven proces. Obratno velja za idealna črna telesa, ki so zmožna absorbirati nase vse sevanje iz okolice, ne glede na valovne dolžine. Natančna določitev oziramo izračun dejanske temperature je odvisna še od parametrov, kot so oddaljenost toplotnega vira, projekcijski koti, vlažnost, temperatura okolice na strani vira in na strani zaznavala ter lastnosti optike pred zaznavalom. - 6 -
PRIMERI UPORABE TERMOVIZIJE TER BREZKONTAKTNEGA MERJENJA TEMPERATURE Nekaj primerov uporabe termovizije in pirometrov v proizvodnih procesih ter na področju požarne varnosti: merjenje toplotnih izgub stavb, iskanje toplotnih mostov in vlažnih mest, ugotavljanje kakovosti izolacijskih materialov, proizvodnja in distribucija električne energije; pregledi in nadzorovanje generatorjev, napetostnih regulatorjev, relejev, transformatorjev, stikališč, toplotnih izmenjevalcev, hladilnih stolpov, visoko in nizkonapetostnih linij, kablov, proizvodnja in končna kontrola kakovosti vseh vrst gospodinjskih aparatov (hladilniki, štedilniki, televizorji itd.), proizvodnja v železarnah, v plavžih, vroče valjanje, proizvodnja gumarskih izdelkov, cementa, stekla, vzdrževanje energetske opreme, nadzorovanje ležajev (pregrevanje, razširjanje toplote, mazanje itd.), neporušno testiranje raznih mehanizmov in izdelkov kot so osi, ulitki, odkovki, zvari. pregledovanje tiskanih vezij, merjenje in analiza mehanskih napetosti, ki so posledica dinamičnih obremenitev (vibracije), pregledovanje in nadzorovanje terena v pogojih zmanjšane vidljivosti (noč, prah, dim, meglice), odkrivanje začetnih požarov v rudnikih, zgodnje odkrivanje motenj in bolezni vegetacije, odkrivanje in merjenje stopnje določenega tipa onesnaženja okolice, daljinsko merjenje temperature, odkrivanje plitvo zakopanih in zazidanih objektov ter napeljav ter iskanje preživelih v elementarnih nesrečah in v gorečih stavbah. Slika 6: Spremljanje ustreznega delovanja hladilnega aparata s pomočjo termovizije [2] - 7 -
Slika 7: Temperaturna porazdelitev na kompleksnem tiskanem vezju mikroprocesorja [2] Hladilni sistem je kompleksen termodinamski proces. Na sliki 6 vidimo, da termovizijska tehnologija omogoča spremljanje delovanja hladilnega aparata na topli strani in s tem neposredno kontrolo funkcionalne ustreznosti izdelka. Slika 7 prikazuje temperaturno porazdelitev na tiskanem vezju. Kljub temu, da vezje vključuje Pentium II mikroprocesor, je najvišja temperatura na napetostnem regulatorju (belo) zaradi majhne površine, ki ima omejeno zmožnost odvajanja toplote v okolico, kakor pa sam mikroprocesor z bistveno večjo površino. Slika 8: Merjenje toplotnih izgub stavb oziroma iskanje toplotnih mostov [3] Natančnejša analiza stavbe pokaže, da je pod ogrevanimi prostori toplotno neizolirana betonska plošča na zemljini. Na sliki 8 ugotovimo, da gre v primeru cokla za tipičen toplotni most neizolirano talno konstrukcijo. Najtoplejši del opazovane zunanje površine je na mestu»sp01«, kjer gre za tridimenzionalen toplotni most. Toplotna izolacija polnila parapetov ter opečnega votlaka je bistveno boljša kot nosilni betonski skelet. - 8 -
Heksamin T 500 450 400 T/ o C 350 300 250 200 150 100 1. meritev 2. meritev 3. meritev 4. meritev 5. meritev 6. meritev 7. meritev 8. meritev 9. meritev 10. meritev povprečje 50 0 0 50 100 150 200 250 300 t/s Slika 9: Spreminjanje temperature heksamina pri izvajanju testa gorljivosti za trdne vnetljive snovi razreda 4.1 v odvisnosti od časa gorenja Na sliki 9 imamo prikazanih deset temperaturnih profilov, ki so bili izmerjeni s pomočjo pirometra Imapc IPE 140. Način merjenja hitrosti gorenja je opisan v Poglavju 33 o metodah razvrščanja, testne metode in kriteriji za transportni razred 4.1. Poglavje 33 je del priročnika, ki ga izdaja organizacija združenih narodov. Metoda je bila predstavljena že v referatu z naslovom:»transport vnetljivih trdnih snovi v zračnem prometu«, na posvetu, ki ga je organizirala Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Oddelek za tehniško varnost, leta 2005. Potrebno je poudariti, da brezkontaktno merjenje temperature ni del omenjene testne metode, vendar smo izvedli tovrstne meritve z namenom, da dobimo popolnejšo sliko o nevarnosti določene snovi, ki je razvrščena v transportni razred 4.1. Pomembno je izvesti vsaj pet meritev, da dobimo dovolj zanesljivo povprečno temperaturo gorenja za nevarno snov transportnega razreda 4.1. - 9 -
ZAKLJUČEK Brezkontaktno merjenje temperature s pomočjo različnih tipov pirometrov ter termovizija sta zelo pomembna merilna postopka, ki se ju uporablja na številnih področjih. Uporabna sta na področju kemije, požarne varnosti ter nenazadnje tudi v številnih visokotehnoloških proizvodnih sistemih, kot neposredna kontrola funkcionalne ustreznosti izdelka. Za doseganje ponovljivosti merilnih postopkov je potrebno dosledno upoštevati standarde, ki pokrivajo omenjeno področje. Naj na tem mestu izpostavim le standard OIML R 18, edition 1989 (E), predvsem področje tehničnih lastnosti, ki jih morajo izpolnjevati pirometri in metodologijo merjenja ter postopke za umerjanje tovrstnih inštrumentov. Na tem področju merjenja temperature dobimo le z doslednim upoštevanjem standardov, ki pokrivajo omenjeno področje in s pravilno interpretacijo rezultatov merjenja, dovolj verodostojne rezultate. V nasprotnem primeru bo lahko prišlo do tako velikih odstopanj, da bodo meritve temperaturnih profilov v celoti neuporabne. LITERATURA Spletni viri: 1. www.impacinfrared.com, Impac pirometri. 2. www.fdsresearch.si, FDS Research, d.o.o., Francelj Trdič. 3. www.zag.si, ZAG d.d. Ljubljana. 4. www.oiml.org/publications/r/r018-e89.pdf, OIML R 18 standard, leto izdaje 1989. - 10 -