Masurarea temperaturii fara contact.Pirometru in infrarosu [301963]

Universitatea “Politehnica” [anonimizat].[anonimizat]: [anonimizat].[anonimizat]

2016

Copyright © 2016 , [anonimizat] a reproduce și de a [anonimizat].

Cuprins:

[anonimizat] (imagini, grafice)

și/[anonimizat], [anonimizat]

(separat pentru figuri și tabele) care conțin numele fiecărui element și numărul paginii la

care se află acesta;

[anonimizat], [anonimizat],

împreună cu semnificația inițialelor și traducerea în limba română (dacă este cazul);

Introducere

Temperatura este cea mai frecvent masurata marine fizica, a doua dupa timp. Ea joaca un rol important ca indicator al conditiei unui produs sau parte a unei masinarii. Monitorizarea cu acuratete a acesteia imbunatateste productia si controlul calitatii.[anonimizat], daca sunt indeplicite conditiile optime. [anonimizat], [anonimizat]. Dar cum putem stii care este acesta si cand suntem aproape de capetele lui ? Raspunsul vine imediat : [anonimizat], termometrul.

Cum vremurile s-au schimbat si tehnologia a avansat, pe langa termometrul clasic cu mercur au aparut variante evoluate ale acestuia pentru a se putea masura temperatura si in alte conditii si situatii extreme. Am ales sa realizez aceasta lucrare deoarece mi s-a parut interesanta ideea de a [anonimizat] a carui temperatura vreau sa o masor.

[anonimizat], cat si metoda de realizare si caracteristicile acestuia. A fost alasa acesta tema din dorinta de a [anonimizat], care de care mai interesante: se poate masura temperatura unor obiecte aflate in miscare, a unor suprafete aflate sub tensiune sau a [anonimizat]. Se vor evidentia avantajele si dezavantajele acestui dispozitiv in comparatie cu termometrul clasic.

[anonimizat] s-a părut o idee bună să aflu mai multe lucruri despre pirometrul in infrarosu și despre dispozitivele ce îl alcătuiesc și să le prezint în lucrarea de față ce a fost structurată în 4 mari capitole: in primul capitol este prezentat un scurt istoric si principiul de functionare al pirometrului in infrarosu,in capitolul al 2-lea sunt prezentati senzorii care stau la baza functionarii pirometrului urmand ca in capitolele urmatoare sa fie prezentate tipurile de pirometre si aplicatiile in care se pot folosi. Ultimul capitol este o contributie proprie la lucrarea de fata, anume realizarea unui sistem de alarma cu ajutorul camerelor termice, o aplicatie a pirometrului in infrarosu foarte utila, avand in vedere ca numarul jafurilor si al intrarilor prin efractie creste direct proportional cu scaderea nivelului de trai.

Capitolul 1:

Descoperirea radiatiei IR si principiul de functionare al pirmoetrului

1.1.Descoperirea radiatiei infrarosu

William Herschel a descoperit radiatia infrarosu din intamplare in anul 1800, cautand noi materiale optice a innegrit varful unui termometru cu mercur. Acest termometru este ca o prisma de sticla prin care razele trec si proiectate pe o masa formeaza aranjamentul de masurare.

Figura 1.1: William Herschel Figura 1.2: W. Herschel vizualizand spectrul

Urmatorul pas a fost ca el sa testeze cat de tare se incalzeste fiecare culoarea spectrului. Deplasand usor varful innegrit al termometrului,el a observat ca temperatura crestea de la culoarea violet catre rosu.Temperatura crestea chiar mai mult dupa culoarea rosu. Astfel a gasit maximul temperaturii mult dupa zona rosie (ceea ce numim zona de infrarosu in ziua de astazi).

Figura 1.3: Sistemul electromagnetic cu zona de infraroșu utilizată de pirometre

Un spectru in sensul fizic este intensitatea unor unde electromagnetice mixate in functie de lungimea de unda sau frecventa.Spectrul radiatiei electromagnetice acopera o zona de lungimi de unda de aproximativ 23 de puteri zecimale. Toate tipurile de radiatie electromagnetica urmeaza principiile deifractiei,refractiei,reflexiei si polarizatiei. Viteza lor de expansiune corespunde vitezei luminii în condiții normale.Rezultatul multiplicării lungimii de undă cu frecvența este constant:

λ · f = c

Radiatia infrarosu acopera o mica parte din intreg spectrul electromagnetic. El porneste de la domeniul vizibil,de la aproximativ 0.78 μm si se termina la o lungime de unda aproximativ egala cu 1000 μm. Lungimile de unda de la 0,7 pana la 14 μm sunt iportante pentru masurarea temperaturii. Mai sus de aceste lungimi de unda, nivelul de energie este atat de mic incat detectorii nu sunt destul de sensibili ca sa il detecteze.

Primul termometru care functiona pe baza radiatiei a fost dezvoltat in 1828.Acesta folosea metoda de focalizare a radiatiei termice in bulbul termometrului folosind o oglinda concava. In 1892 Henry Louis Le Chatelier a creeat primul pirometru optic,care a fost util pentru a masura obiectele care erau destul de fierbinti pentru a straluci. Utilizatorul putea ajusta o diafragma de tip iris pana cand luminozitatea obiectului,vazuta printr-un telescop corespundea cu flacara unei lampi cu ulei. Aceasta setare a irisului indica apoi temperatura. Aceasta tehnica a fost mult mai practica cand lampa cu ulei a fost inlocuita de un bulbul electric la inceputul anilor 1900. Acest instrument cunoscut ca un pirometru optic fara filament inca asigura masuratori de temperatura de inalta calitate pentru otel si industria petrochimica. Ambele dispozitive necestiau operare manuala, limitare pe care Charles Fery a depășit-o în 1901 cu primul termometru cu radiație folosind o lentilă pentru a concentra energia termică pe un termocuplu. Temperatura poate fi citita apoi direct dintr-un galvanometru condus de termocuplu. Prin anii 1950 acest lucru a condus la un instrument mai sensibil, folosind un tub fotomultiplicator ca detector, care a evoluat la termometrele IR fara contact pe care le avem astăzi.

Figura 1.4 Efectul termoelectric: Incalzind doua fire identice, legate la un capat nu obtinem niciun efect, dar incalzind doua fire diferite rezulta o tensiune masurabila

1.2.Tehnologia termometrelor fara contact

Tehnologia temometrelor fara contact, in infrarosu (IR) a devenit tot mai cunoscuta pe piata consumatorilor in ultimii ani ,desi initial conceptul masurarii temperaturii fara contact parea o adevarata magie.Initial tehnologia era una foarte scumpa ,dar odata cu evolutia senzorilor a devenit mult mai accesibila.

In sine, tehnologia in infrarosu nu este un fenomen nou,asa cum am vazut a fost descoperita cu multi ani in urma si este utilizata in industrie si cercetare de decenii.Noile descoperiri si innovatii au redus costul,au marit fialbilitatea si au rezultat senzorii infrarosu fara contact care au o rezolutie foarte buna.Toti acesti factori au facut ca tehnologia in infrarosu sa devina o zona de interes pentru noi tipuri de aplicatii si utilizatori.

In ziua de astazi aceste dispozitive se gasesc sub diferite forme si se pot folosi in diverse domenii de activitate de la supravegherea si monitorizarea altor dispozititve (in industrie), pana la aplicatii de cercetare, sau integrarea lor in alte dispozitive complexe.

Figura 1.5 Figura 1.6 Figura 1.7

In figura 1.5 vedem un termometru de ureche. Acesta foloseste un senzor cu termopila

care are in componenta sa si un termistor de referinta. Termopila asigura o tensiune asociata diferentei de temperatura intre jonctiunile sale calde si reci si termistorul, care reprezinta temperatura jonctiunii reci. Mai departe,un microcontroller combina aceste doua valori,folosind formulele matematice potrivite pentru a realiza o citire cat mai precisa a temperaturii jonctiunii calde. Cand termometrul este inserat corect in ureche ,aceasta citire va reprezenta temperatura interna a corpului tau.

Orice corp cu cu o temperatura mai mare de zero absolut (-273.15°C =0 Kelvin) emite o radiatie electromagnetica de la suprafata sa, proportionala cu temperatura sa intrinseca. O parte din aceasta radiatie intrinseca este radiatie infrarosu, care poate fi folosita pentru a masura temperatura corpului. Aceasta radiatie trece prin aerul atmosferic si cu ajutorul unor lentile razele sunt concentrate pe un element detector, care genereaza un semnal electric.

In calcule vom folosi temperatura, notata T in grade Kelvin (= t + 273.15) !

Figura 1.8: Un termometru de uz general fara contact

1.3.Principiul de masurare al pirometrului

Un termometru in infrarosu poate fi comparat cu ochiul uman. Lentilela ochiului reprezinta elementul optic prin care radiatia (fluxul de fotoni) de la obiect ajunge in stratul fotosensibil (retina) prin atmosfera. Acesta este converiti intr-un semnal, care este trimis catre creier.Figura 1.9 arata procesul de masurare in infrarosu.

Figura 1.9: Sistemul de masurare infrarosu

Sistemul este format din 4 mari componente: sursa, mediul de propagare (aerul),detectorul si afisajul,pe care va fi afisata temperatura corpului masurat.

1.3.1. Sursa:

Fiecare forma de materie cu o temperatura T peste temperatura de zero absolut emite radiatie infrarosu corespunzatoare temperaturii sale.Aceasta este numita radiatie caracteristica si este cauzata de miscarea interna a moleculelor.Intensiotatea acestei miscari depinde de temperatura obiectului. Intrucat deplasarea moleculelor reprezinta dislocarea straturilor, este emisa radiatie electromagnetica (particule de fotoni). Acesti fotoni se deplaseaza cu viteza luminii si se comporta corespunzator principiilor optice cunoscute. Ei pot fi deviati si concentrati cu o lentila,sau reflectati de catre suprafetele reflectoare.Spectrul acestei radiatii este de la lungimi de unda de 0,7 µm pana la 1000 µm.Din acest motiv,aceasta radiatie nu poate fi in mod normal vazuta cu ochiul liber. Această zonă se află în zona roșie a luminii vizibile și, prin urmare, a fost numita "Infraroșu” după limba latină.

Figura 1.10 arata radiatia tipica a unui corp la diferite temperaturi.Asa cum este indicat ,corpurile la temperatura ridicata inca emit o mica cantitate de radiatie vizibila.De aceea putem vedea obiectele la o temperatura mare (de peste 600 °C ) stralucind cu culoare undeva intre rosu si alb. Fierarii cu experienta pot aproxima temperatura metalelor cu acuratete doar dupa culoare lor.

Pirometrul fara filament clasic a fost folosit in industria fierului si a otelului inca din anii 1930. Partea invizibila a spectrului, cu toate acestea, conține până la 100.000 de ori mai multa energie.Tehnologia masurarii in infrarosu se bazeaza pe asta. In figura 1.10 se observa maximul mișcarii radiației spre lungimi de undă din ce în ce mai scurte in timp ce temperatura crește.Curbele unui corp nu se suprapun, la temperaturi diferite. Energia radianta în toată gama de lungimi de undă (aria de sub fiecare curbă) crește la puterea a 4-a a temperaturii. Aceste relații au fost recunoscute de către Ștefan și Boltzmann în 1879 și ilustrează faptul că o temperatură poate fi măsurată in functie radiația sa.

Termometrul fara contact prezentat in lucrare functioneaza ca un pirometru cu radiatie in tot spectrul infrarosu,iar temperatura este calculata in conformitate cu legea Stefan-Boltzmann:

I= ε σ (-)

unde:

I este intensitatea radiatiei infrarosu [W/],

ε este emisivitatea obiectului [-],

σ este constanta lui Boltzmann 5.6703 x W ,

T este temperatura obiectului [K],

este temperatura ambianta [K].

Pirometrele cu spectru intreg sunt mult mai sensibile decat pirometrele cu banda ingusta,dar rezultatele lor sunt foarte puternic dependente de setarea corecta a emisivitatii obiectului masurat. Dispozitivul masoara intensitatea radiatiei infrarosu, I folosind un senzor infrarosu si temperatura ambianta folosind un senzor de temperatura intern.Emisivitatea ε este setata de utilizator. Formula este folosita de dispozitiv pentru a calcula tempetatura masurata,T.

Figura 1.10: Radiatia caracteristica a unui corp negru in functie de temperatura sa.

Privind figura de mai sus, deducem ca scopul nostru este sa setam termometrul IR pentru cea mai larga gama posibila pentru a obtine cea mai multa energie (corespunzatoare ariei de sub curba). Există, totuși, unele situații în care acest lucru nu este întotdeauna

avantajos. De exemplu in figura 1.10, intensitatea radiatiei la 2 µm creste mult mai mult cand temperatura creste decat cea de la 10 µm.

Cu cat diferenta de stralucire pe diferenta de temperatura este mai mare, cu atat acuratetea masurarii termometrului infrarosu este mai mare. In conformitate cu deplasarea maximului radiației la lungimi de undă mai mici odată cu creșterea temperaturii (Legea deplasarii Wien), gama de lungimi de undă se comportă în conformitate cu intervalul de temperatură de măsurare al pirometrului. Un alt motiv pentru a avea dispozitive pentru diferite game de lungimi de undă este modelul emisivitate al unor materiale cunoscute ca organisme non-gri (sticlă, metale și filme de plastic). Figura 1.10 arată modul ideal: așa-numitul "corp negru". Multe corpuri, cu toate acestea,emit mai puține radiații la aceeași temperatură. Relația dintre puterea reală emisiva și cea a unui corpului negru este cunoscuta sub numele de emisivitate ε (epsilon) și poate fi un maxim de 1 (corp corespunde corpului negru) și un minim de 0. Corpurile cu emisivitate mai puțin de 1 sunt numite corpuri gri. Corpurile în care emisivitatea este, de asemenea dependentă de temperatură și lungime de undă sunt numite corpuri non-gri.

Un corp negru este un corp fizic ideal care absoarbe toata radiatia electromagnetica incidenta, indiferent de frecventa sau unghiul de incidență. Un corp negru aflat in echilibru termic (care este la o temperatura constanta) emite radiatie electromagnetica numita „radiatia

corpului negru”.Radiatia este emisa in conformitate cu legea lui Planck, insemnand ca are spectrul determinat doar de temperatura, nu si de forma corpului sau de structura sa (copmpozitie).

Un corp negru aflat la echimibru termic are doua proprietati importante:

Este un emitor ideal: la fiecare frecventa ,el emite la fel de multă energie ca – sau mai multă energie decât – orice alt corp, la aceeași temperatură.

Este un emițător difuz: energia este radiată izotrop, independent de direcție.

Materiale reale emit energie la o fracție numită emisivitatea nivelelor de energie ale corpului negru. Prin definiție, un corp negru aflat în echilibru termic are o emisivitate ε = 1,0. O sursă cu emisivitate mai mică de frecvență independentă este adesea menționată ca un corp de culoare gri. Construcția de corpuri negre cu emisivitate cât mai aproape de 1 posibil, rămâne un subiect de actualitate.

Să presupunem că cavitatea este menținută la o temperatură T fixă, iar radiația prinsa în interiorul incintei se află la echilibru termic cu incinta. Gaura din incintă va permite unele radiații să scape. Dacă gaura este mica, radiațiile care intrta sau ies din gaura au un efect neglijabil asupra echilibrului radiației în interiorul cavității. Aceasta radiatie care scapa va aproxima radiația corpului negru, care prezintă o distribuție în caracteristica energetică a temperaturii T și nu depinde de proprietățile cavității sau gaura, cel puțin pentru lungimi de

undă mai mici decât dimensiunea găurii. Spectrul în funcție de frecvența are legătură cu energia radiației prin ecuația: E = hf,

cu: E = energia,

h = constanta lui Planck

f = frecvența.

În orice moment dat radiația în cavitatea poate să nu fie în echilibru termic, dar a doua lege a termodinamicii afirmă că, dacă sunt lăsate nemișcate, se va ajunge în cele din urmă la echilibru, deși timpul necesar pentru a face acest lucru poate fi foarteare. In mod tipic, echilibrul este atins prin absorbția continuă și emisia de radiații de către materialul în cavitatea sau pereții săi. Radiația care intră în cavitate va fi "thermalized." prin acest mecanism: energia va fi redistribuita până când ansamblul de fotoni realizează o distribuție Planck. Intervalul de timp pentru termalizare este mult mai rapid cu materia condensata prezentă decât cu materia rarefiată, cum ar fi un gaz diluat. La temperaturi foarte mici, interacțiunile directe foton-foton, sunt, de obicei neglijabile în comparație cu interacțiunile cu materia.

1.3.2.Transmisie, absortie si reflexie

Comportamentul unui corp în ceea ce privește radiația termică se caracterizează prin transmisia sa, T, absortia A , și reflexia R.

Granița unui corp formează o interfață cu mediul înconjurător, iar această interfață poate fi aspră sau netedă. O interfață nonreflectoare care separă regiunile cu diferiți indici de refracție trebuie să fie dura, deoarece legile reflecției și refracției guvernate de ecuațiile Fresnel pentru o interfață netedă necesită o rază reflectată atunci când indicii de refracție ai materialului și împrejurimile sale sunt diferiti. Câteva tipuri idealizate de comportament sunt date nume speciale:

– Un corp opac este unul care nu transmite nicio radiație care il atinge, cu toate că unele pot fi reflectate. Aceasta are: T = 0 și A + R = 1

– Un corp transparent este unul care transmite toate radiațiilecare il ating. Adică T = 1 și A = R = 0.

– Un corp gri este unul în care A, R și T sunt uniforme pentru toate lungimile de undă. De asemenea, acest termen este folosit pentru a desemna un corp pentru care A este independent de temperatura si lungimea de unda.

– Un corp alb este unul pentru care toate radiațiile incidente sunt reflectate uniform în toate direcțiile: T = 0, A = 0 și R = 1.

Pentru un corp negru, T = 0, A = 1, și R = 0. Planck ofera un model teoretic pentru corpurile perfect negre, pe care el a menționat nu există în natură: pe langa interiorul lor opace, ele au interfețe care sunt perfect transmitive și non-reflectorizante .

În plus, emisia este compusa din suma absorbției (A), a reflexiei (R) și transmisiei (T) și este egala cu unu.

A + R + T = 1

Figura 1.11: In plus fata de radiatia emisa de la sursa senzorul receptioneaza si radiatia reflectata

1.3.3. Corpul negru perfect al lui Kirchoff

Kirchhoff în 1860 a introdus conceptul teoretic al unui corp negru perfect, cu un strat de suprafață complet absorbant de grosime infinit de mici, dar Planck a remarcat unele restricții severe asupra acestei idei. Planck a remarcat trei cerințe asupra unui corp negru:

i) Corpul trebuie să permită radiațiilor să intre, dar nu sa se reflecte;

ii) Să aibă o grosime minimă adecvată pentru a absorbi radiațiile incidente și pentru a preveni re-emisiile;

iii) Să îndeplinească limitări severe la împrăștiere pentru a preveni radiația sa intre si sa sara inapoi. Ca o consecință, corpurile negre perfecte Kirchhoff care absorb toate radiațiile, care cad pe ele nu pot fi realizate într-un strat de suprafață infinit de subțire. De asemenea, a impune condiții asupra împrăștierii luminii în interiorul corpului negru, este greu derealizat.

Realizari ale corpului negru:

O prima realizare practica a unei suprafete negre este o gaura intr-un peretele unei incinte mari cu pereti opaci pentru radiatie. Radiatia incidenta pe gaura va intra inauntru. Orice lumina care intra in gaura este reflectata sau absorbita în interior și este puțin probabil să fie re emisa daca cavitatea este mare, ceea ce face gaura un absorbant aproape perfect. Gaura nu este o suprafață neagră destul de perfectă – în special, în cazul în care lungimea de undă a radiației incidente este mai mare decât diametrul găurii, o parte va fi reflectată. Radiația închisa într-o incintă poate sau nu sa fie în echilibru termic, în funcție de natura pereților și conținutul incintei. Chiar și în echilibru termic perfect, radiația în interiorul unei cavități de dimensiuni finite nu va avea un spectru perfect Planck pentru lungimi de undă comparabile sau mai mare decât dimensiunea cavității.

În 1898, Otto Lummer și Ferdinand Kurlbaum au publicat un articol despre sursa lor cu cavitate. Era vorba despre o gaură în peretele unei cutii de platină, împărțit de diafragme, cu interiorul înnegrit cu oxid de fier. A fost un ingredient important pentru măsurătorile îmbunătățite în mod progresiv, care au dus la descoperirea legii lui Planck. O versiune descrisă în 1901 a avut interior înnegrit cu un amestec de crom, nichel, și oxizi de cobalt.

Figura 1.12: Cavitate cu o gaura

O a doua realizare o constituie materialele aproape negre. Există un interes în studiul materialelor asemanatare corpului negru pentru camuflaj și materialele absorbante pentru invizibilitatea radar (la avioanele militare).Ele au, de asemenea, aplicare în colectori de energie solară de calitate , și detectoare termice în infraroșu. Ca un emițător perfect de radiații, un material cald, cu un comportament corp negru ar crea un sistem de încălzire cu infraroșu eficient, mai ales în spațiu sau într-un vid, în cazul în care încălzirea convectiva nu este disponibila. Ele sunt de asemenea utile în telescoape și camere video ca suprafete anti-reflexie pentru a reduce lumina, și pentru a aduna informații despre obiecte în zonele cu contrast ridicat (de exemplu, observarea planetelor pe orbită în jurul stelelor lor), în cazul în care materialele asemanatoare corpului negru absorb lumina care vine din surse greșite.

Ea a fost mult timp cunoscut faptul că o acoperire cu lampă neagră va face un corp aproape negru. O îmbunătățire a lămpii-negru se gaseste in nanotuburi fabricate din carbon. Materialele nano-poroase pot atinge indici de refracție aproape de vid, într-un caz, s-a obținut o reflexie medie de 0,045%. În 2009, o echipă de oameni de știință japonezi au creat un material numit nanoblack, care este aproape de un corp negru ideal bazate pe nanotuburi aliniate vertical cu un singur perete de carbon. Aceasta absoarbe între 98% și 99% din lumina care intră în domeniul spectral de la ultra-violet la regiunile de departe infraroșu. Un alt exemplu de material negru aproape perfect este super-negru, realizate prin gravare chimică un aliaj de nichel-fosfor.

1.3.4. Determinarea emisivitatii

Exista multe metode de determinare a emisivitatii unui obiect.O prima metoda ar fi gasirea emisivitatilor multor materiale folosite in tabele( Anexa 2) .Tabelele cu emisivitatile materialelor ne ajuta sa gasim intervalul lungimilor de unda potrivit pentru un material dat si asadar sipozitivul potrivit pentru masurare.In cazul particular al metalelor valorile din tabele se folosesc doar orientativ deoarece suprafata acestora poate fi polisata, oxidata sau acoperita cu coaja („scaled”) si poate influenta emisivitatea mai mult decat materialele in sine.Se poate determina emisivitatea unui material particular prin mai multe metode,dar pentru aceasta este nevoie de un pirometru la care se poate seta emisivitatea.

Pentru aceasta se va aplica una din aceste metode (in functie de posibilitati) :

Se va incalzi o proba de material pana la o temperatura cnoscuta, care poate fi determinata cu acuratete folosind un termometru cu contact (un termocuplu de exemplu). Apoi se masoara temperatura sursei cu ajutorul pirometrului in infrarosu. Se va modifica emisivitatea pana cand temperatura corespunde cu cea a termometrului cu contact.Acum pastram emisivitatea pentru toate masuratorile care vor fi facute pe acest material.

La o temperatura relativ scazuta (pana la 260°C) se ataseaza un abțibild special de plastic cu emisivitatea cunoscuta a sursei. Se foloseste apoi dispozitivul de masurare in infrarosu pentru a determina temperatura abțibildului si emisivitatea corespunzatoare acestuia. Apoi se va masura temperatura suprafetei sursei fara abțibild si se reseteaza emisivitatea pana cand este aratata valoarea corecta a temperaturii.Acum se va folosi emisivitatea determinata prin aceasta metoda pentru masurarea tuturor surselor din acel material.

Se creeaza un corp negru folosind corp proba din materialul care trebuie masurat. Se va fora o gaura in acest obiect. Adancimea gaurii forate in material trebuie sa fie de cel putin cinci ori mai mare decat diametrul sau.Diametrul trebuie sa corespunda marimii punctului care trebuie masurat cu dispozitivul de masura.Daca emisivitatea peretilor interiori este mai mare de 0,5 atunci emisivitatea cavitatii este in jurul valorii de 1 si temperatura masurata in interiorul gaurii este temperatura corecta a sursei (obiectului de masurat).Daca acum punem termometrul in infrarosu la suprafata sursei vom schimba emisivitatea pana cand temperatura afisata va corespunde cu valoarea data anterior de catre corpul negru.Emisivitatea obtinuta prin aceasta metoda se va folosi pentru toate masuratorile pe acelasi material.

Daca sursa poate fi acoperita, o acoperim cu o vopsea neagra mata („3-M Black” de la Minnesota Mining Company) care are o emisivitate in jurul valorii de 0,95.Se masoara temperatura cu termometrul IR a acestui corp negru si apoi se seteaza emisivitataea similar cazurilor de mai sus.

1.3.5. Masurarea metalelor

Emisivitatea unui metal depinde de lungimea de unda si de temperatura acestuia. Deoarece metalele de obicei reflecta,ele tind sa aiba o emisivitate mica care poate produce rezultate diferite sinestabile. In acest caz este important sa selectam un instrument care masoara radiatia infrarosula o anumita lungime de unda particulara si intr-un domeniu particular de temperatura la care metalul are cea mai mare emisivitate. La cele mai multe metale masuratoarea devine mai eronata cu cat lungimea de unda creste,deci ar trtebui sa alegem cea mai mica lungime de undaposibila.

Figura 1.13: Eroarea de masura in cazul unei erori a setarii emisivitatii de 10%

Lungimea de unda optima pentru temperaturi ridicate in cazul metalelor este in jurul a 0,8 -1 µm, la limita domeniului vizibil. Putem avea si lungimi de unda de 1.6, 2.2, si 3.9 µm. Se obtin rezultate bune folosind pirometru cu raport (pirometru „ratio”- pirometru special) in cazuri in care masuratoarea are loc intr-un domeniu larg de temperatura si emisivitatea se modifica cu temperatura (de exemplu in cazul unui proces de incalzire).

1.3.6. Masurarea materialelor plastice

Transmitanta plasticului variaza cu lungimea de unda si este proportionala cu grosimea sa. Materialele subtiri sunt mult mai transmisive decat plasticul gros. Pentru a obtine o masurare a temperaturii optima este foarte important sa selectam lungimea de unda la care transmitanta este cat mai aproape de zero. Cateva materiale plastice ( polietilenă, polipropilenă, nailon și polistiren) nu sunt transmisibile la 3.43 µm, altele (poliester, poliuretan, teflon FEP și de poliamidă) la 7,9 µm. Cu grosimea mai mare de 0,4 mm, peliculele puternic colorate, ar trebui aleasa o lungime de undă între 8 și 14 pm. Aproape toate filmele din plastic au reflexie între 5 și 10%.

Figura 1.14: Transimtanta spectrala a unor pelicule din material plastic.

1.3.7. Masurarea sticlei

Cand masuram temperatura sticlei cu un termometru in infrarosu, trebuie luate in considerare atat reflectanta cat si transmitanta. Selectand cu grija lungimea de unda, este posibil ca sa se masoare temperatura atat la suprafata cat si in adancime. Cand se fac masuratori mai jos de suprafata materialului trebuie folosit un senzor pentru lungimi de unda de 1.0, 2.2, sau 3.9 µm. Pentru suprafata materialului se recomanda folosirea unui senzor de 5 µm. La temperaturi joase se va folosi un senzor de 8,14 µm cu emisivitatea setata la 0,85 pentru a compensa reflectanta. Dat fiind ca sticla este un conductor termic slab si isi poate schimba temperatura la suprafata repede se recomanda un dispozitiv cu timp de raspuns scurt pentru o masurare cu acuratete.

Figura 1.15:Transmitanta spectrala a sticlei.

1.3.8. Conditii ambientale

Un alt motiv pentru a seta termometrul in infrarosu pentru o gama spectrala particulara (pirometre cu radiatie spectrala) este comportamentul transmitantei, al caii de transmisie,de obicei aerul. Anumite componente ale atmosferei, de exemplu vaporii si dioxidul de carbon absorb radiatia infrarosu la lungimi de unda particulare si rezulta o pierdere a transmisiei. Daca nu se ia in considerare faptul ca mediul aboarbe radiatia se ajunge la o temperatura mai joasa decat cea a obiectului masurat. Din fericire exista „ferestre” ( windows) in spectrul infrarosu care nu contin aceste benzi de absortie.

Figura 1.15: Transmitanta pe o distanta de 1 m in aer la temperatura de 32°C

Ferestrele tipice masurate sunt la 1,1-1,7 µm, 2-2.5 µm, 3-5 µm and 8-14 µm. Producatorii au furnizat deja dispozitive de masurare in infrarosu cu filtre de corectie atmosferica,astfel utilizatorul este scutit de aceste griji. Radiatia termica din mediul inconjurator obiectului ar trebui sa fie de asemenea luata in considerare. Temperaturile inalte din peretii furnalelor pot introduce erori in masurarea temperaturii pieselor din metal intr-un furnal industral.Efectul posibil al temperaturii ambientale este luat in considerare in multe dispozitive de masurare a temperaturii si astfel acestea au integrata si o compensare a acestui efect. Alt caz este acela al unei temperaturi mult prea mare care este afisata pentru un obiect. O setare corecta a emisivitatii impreuna cu compensarea automata a temperaturii mediului ambiant dintr-un al doilea senzor de temperatura asigura rezultate extrem de precise.

Figura 1.16:Compensarea temperaturii ambientale este importanta atunci cand obiectul de masurat este mai rece decat mediul inconjurator

Praful, fumul si materia suspendata din atmosfera pot produce contaminarea optica si prin urmare la valori eronate ale masuratorilor.Pentru a preveni depunerea materiei suspendate, optional se pot adauga dispozitivului de masurare suflatoare de aer. Acestea se monteaza de obicei cu suruburi pe teava si au alimentare cu aer comprimat. Aerul asigură suprapresiune, în fața dispozitivului optic, menținând astfel particulele contaminantoare la o parte. În cazul în care o cantitate mare de praf sau fum este creată în timpul procedurii de măsurare și afectează rezultatul, ar trebui folosit un pirometru cu raport („ratio” pirometru).

Senzorii IR sunt dispozitive electronice si pot lucra doar cu anumite game de temperaturi. Unii senzori permit o limita superioara de 85 °C peste temperatura de lucru permisa.La depasirea acesteia este nevoie de accesorii de racire cu aer sau cu apa si pentru acestea este nevoie de cabluri conectoare speciale. Cabd se foloseste racirea cu apa este adesea utila folosirea atasamentului suflator de aer pentru a preveni formarea condesului pe dispozitivul optic.

1.3.9. Dispozitivele optice si ferestrele

Sistemul optic al unui termometru in infrarosu capteaza energia IR emisa dintr-un punct de masurare circular si o concentreaza pe un detector. Obiectul masurat trebuie sa umple complet punctul de masurare circular, altfel termometrul IR va vedea si alta radiatie termica de pe fundal ducand la valori masurate eronate.

Figura 1.16: Obiectul masurat trebuie sa umple complet punctul de masurare

Rezolutia optica se defineste ca relatia dintre distanta dispozitivului de masura de sursa si diametrul punctului de masurare („spot”) : D:S. Cu cat acesta are o valoare mai mare, cu atat rezolutia optica este mai buna si surse mai mici pot fi masurate la o anumita distanta.

Figura 1.17: Diagrama optica a unui senzor infrarosu.La o distanta de 130 mm marimes punctului de masura este 33 mm, insemnand un rapor de 4:1.

Dispozitivul optic poate fi o oglinda optica sau lentile optice. Lentilele optice pot fi folosite doar pentru game particulare de lungimi de unda datorita gamelor de lungimi de unda ale materialelor din care sunt facute. Totusi acestea sunt preferate din motive de design.

Figura 1.18: Transimisa materialelor infrarosu uzuale la o grosime de 1 mm

Figura de mai sus arata cateva tipuri de lentile usuele si materiale fereastra pentru termometrul in infrarosu in functie de lungimea de unda. Astfel avem:

Sticla optica

Florura de calciu (CaF)

Seleniură de zinc (ZnSe)

KRS-5

Sticlă de cuarț

6-Germaniu

7- Silicon

8- Fluorură de litiu

9- Sticla calcogenură IG-2

Pentru masuratorile facute intr-un vas de reactie inchis, furnal sau cameră cu vid, de obicei este necesar sa se masoare printr-o fereastră de măsurare corespunzătoare. Atunci când selectam un material pentru fereastra, ținem cont de faptul că valorile de transmisie ale ferestrei sunt reglate la sensibilitatea spectrală a senzorului. La temperaturi ridicate, materialul cel mai des folosit este sticla de cuarț. La temperaturi scăzute (în intervalul 8,14 µm), este necesar să se utilizeze un material transmisiv in infrarosu, special precum germaniu, Amtir sau seleniură de zinc. Atunci când alegem fereastra, luam în considerare parametrii spectrali de sensibilitate, diametrul ferestrei, cerințele de temperatură, diferența maximă de presiune a fereastrei, precum și condițiile ambiante, precum și posibilitatea de a păstra fereastra fara contaminare pe ambele părți. De asemenea, este important să existe transparență în domeniul vizibil, pentru a putea alinia mai bine cu dispozitivul de masurat (de exemplu, într-un recipient de vid).

Tabelul 1.1: Diferite materiale fereastra

Transmisia ferestrei depinde puternic de grosimea ei.Pentru o fereastra cu un diametru de 25 mm (care ar trebui să poată să reziste la diferența de presiune de o atmosfera) este buna o grosime de 1,7 mm. Ferestrele cu un strat antireflectator prezinta o transmisie mult mai mare (pana la 95%). În cazul în care producătorul precizează factorul de transmisie pentru intervalul de lungimi de undă corespunzătoare, pierderea de transmisie poate fi corectată, împreună cu setarea emisivitatii. De exemplu, o fereastră Amtir cu 68% transmitanță este utilizată pentru a măsura un obiectiv cu emisivitate de 0,9. Apoi 0.9 se înmulțește cu 0,68, rezultând în 0,61. Aceasta este valoarea emisivitatii care trebuie să fie setata pe dispozitivul de măsurare.

Pirometre sunt adesea echipate cu un telescop de aliniere sau cu lasere, care sunt fie integrate sau înșurubate în fața dispozitivului. Raza de laser permite utilizatorului să urmărească punctul de măsurare mai rapid și ma precis. Este foarte util să vedem punctul de măsurare cu laser pentru măsurarea obiectelor în mișcare și în condiții de lumină slabă.

Se pot distinge urmatoarele metode de ochire a laserului:

Fascicul laser, cu un decalaj față de axa optică. Acesta este cel mai simplu model, în special pentru dispozitive cu rezoluție optică mică (pentru obiecte de masurat mari ). Spotul cu laser ocheste aproximativ la centrul obiectului de măsurat, dar există o eroare notabilă vizibila de aproape.

Fascicul laser coaxial. Acest fascicul laser iese din centrul dispozitivului optic și rămâne de-a lungul axei optice. Centrul spotului de măsurare este marcat cu precizie la orice distanță de măsurare.

Laser dublu / geaman. Laserul geaman („twin”) cu două puncte de urmarire poate fi utilizat pentru a arata diametrul spotului de măsurare pe o distanță lungă. Cu aceasta, utilizatorul nu are nevoie să ghicească mărimea diametrului sau sa il calculeze în prealabil. În plus, împiedică utilizatorul să facă greșeli în cursul procedurii de măsurare.

Laser cu ochire circulara cu compensare („offset”). Acest aparat este cea mai simplă soluție pentru a determina nu numai localizarea zonei de măsurare, dar si dimensiunea și forma exterioară a acesteia. Suprafața de măsurare este în interiorul cercului laser de la o anumită distanță minimă. Producătorul calculează cercul laser să fie mai mare decâtpunctul de masura real, în scopul de a reduce eroarile. Prin urmare, utilizatorul trebuie să se asigure că cercul laser în ansamblu este umplut de către subiect a avea o măsurare corectă. Dar acest lucru împiedică utilizatorul să utilizeze în totalitate a rezoluției geometrice declarata pentru acest dispozitiv (compară zona roșie cu cercul laser de ochire [linia întreruptă] în figura 1.19).

Figura 1.19: Laser de ochire circular cu compensare avand un cerc mai mare decat punctul de masurare

Laser coaxial de precizie cu ochire in trei puncte. Un fascicul laser este împărțit in trei puncte luminoase într-un rând care permit utilizatorului să marcheaze în mod clar dimensiunile locului de măsurare de la toate distanțele și unghiurile de măsurare. Punctul de mijloc arată întotdeauna centrul țintei, în timp ce celelalte doua de afară marchează diametrul spotului de măsurare. În plus, poziția punctelor exterioare pot fi folosite pentru a indica distanța până la cea mai mică dimensiune posibilă a punctului de masurare

Figura 1.20: Laser coaxial de precizie cu 3 puncte de ochire.

Utilizarea spotului laser de măsurare se dovedește a fi un ajutor vizual eficient în orientarea dispozitivului de masurare in infrarosu precis catre obiectul masurat.

Aplicarea unui telescop de aliniere împreună cu un laser de ochire este foarte util pentru

determinarea suprafeței de măsurare, atunci când sunt vizate obiecte luminoase (cu temperaturi mari ) sau pentru a face măsurători la lumina zilei puternica sau la distanțe lungi.

La fel ca și cu un aparat de fotografiat, performanțele optice determină ce dimensiune a țintei poate fi vizualizata sau măsurata. Raportul de distanță (distanța de la obiect: diametrul spotului) caracterizează performanțele dispozitivelor optice într-un aparat de măsură IR. Spotul proiectat trebuie să fie complet umplut pentru măsurarea exactă a țintei. Pentru alinierea mai ușoară, dispozitivele optice sunt dotate cu un dispozitiv de ochire prin lentile, sau cu pointeri laser. În cazul în care ferestrele de protecție între dispozitivul de măsurare și țintă sunt necesare, trebuie ales materialul ferestrei. În acest caz, gama de lungimi de undă și condițiile de funcționare joacă un rol semnificativ.

1.3.10. Detectoarele:

Detectorul formeaza miezul termometrului IR. Acesta convertește radiația infraroșu primita în semnale electrice, care sunt apoi emise ca valori de temperatură de electronice

sistem. În plus față de reducerea costurilor termometrelor IR, cele mai recente evoluții din

tehnologia procesoarelor au însemnat o creștere a stabilității sistemului, fiabilitatea, rezoluția și vitezei.

Detectoare în infraroșu se încadrează în 2 grupe principale:

i)Detectoare cuantice (fotodiode). Acestea interactioneaza direct cu fotonii, având ca rezultat perechi de electroni și, prin urmare, un semnal electric. Detectoare cuantice sunt întotdeauna utilizate pentru sistemele de formare a imaginii și scanere de linie.

ii)Detectoare termice. Acestea schimba temperatura lor în funcție de radiația de impact. Modificarea temperaturii creaza, similar unui thermocouplu,o tensiune. Detectoarele termice sunt mult mai lente decât detectoarele cuantice datorate auto-încălzirii necesare. (Aici, mult mai lente inseamna milisecunde.)

1.3.11. Afisajul si interfetele:

Interfețele și tipurile de ecrane de valori măsurate disponibile sunt importante pentru utilizator. Unele dispozitive, în special cele portabile, au un afișaj și panou de control direct accesibile care poate fi considerată ieșirea principala a dispozitivului de măsurare.

Iesirile analogice sau digitale controleaza afișearile suplimentare în stația de măsurare sau poat fi utilizate în scop de reglare. De asemenea, este posibil să se conecteze un data-logger, imprimante și calculatoare în mod direct.

1.4. Avantajele oferite de pirometrele fara contact

Avantajele oferite de masurarea temperaturii fara contact sunt:

1.Este rapida (ne referim la intervale de ms). Astfel timpul salvat il putem folosi pentru a face mai multe masuratori si acumulari de informatii.

2. Facilitează măsurarea în obiectelor aflate in mișcare.

3. Măsurătorile pot fi facute pe obiecte periculoase sau inaccesibile fizic

(piese de înaltă tensiune, distanța de măsurare mare).

4. Măsurătorile de temperaturi ridicate (mai mari de 1300 ° C) care nu prezintă probleme. În cazuri similare, termometre de contact nu pot fi folosite, sau au o durată de viață limitată.

5. Nu există nici o energie pierduta din sursa. De exemplu, în cazul

a unui slab conductor termic, cum ar fi lemn sau plastic, măsurătorile sunt extrem

exacte cu nici o denaturare a valorilor măsurate, în comparație cu măsurătorile cu

termometre de contact.

6. Nu există nici un risc de contaminare și nici un efect mecanic pe suprafata

obiectului; astfel, fără uzură.Suprafețe lăcuite, de exemplu, nu sunt zgâriate și suprafetele moi

pot fi de asemenea măsurate.

Atunci când se utilizează un termometru IR, pentru ca masuratoarea sa se realizeze in conditii bune trebuiesa fie indeplinite cateva conditii:

1. Obiectul trebuie să fie optic (infraroșu optic) vizibil pentru termometrul infrarosu.Nivelurile inalte de praf sau fum fac măsuratorile mai puțin precise.

2. Optica senzorului trebuie să fie protejate de praf și lichide de condensare.

(Producătorii furnizează echipamentul necesar pentru acest lucru.)

3. În mod normal, numai temperaturile de suprafață pot fi măsurate.

Marile avantaje ale termometrului in infrarosu fara contact sunt viteza,lipsa inteferentei si abilitatea de a masura temperaturi ridicate de pana la 3000 °C. De retinut ca masoara doar temperatura de suprafata.

Capitolul 2:

Senzori folositi in masurarea temperaturii fara contact

In primul capitol am vazut care sunt principiile care stau la baza functionarii pirometrului in infrarosu folosit in masurarea fara contact a temperaturilor. Una din cele mai importante componente ale acestui dispozitiv o reprezinta senzorii pe care aceste aparate ii folosesc pentru a detecta si masura temperatura. Acesti senzori sunt traductoare de temperatura care primesc radiatia infrarosu la intrare si genereaza un semnal electric proportional la iesire, care apoi este preluat, procesat si afisat. In cele ce urmeaza vom vedea care sunt principalele tipuri de detectori termici, caracteristicile acestora, precum si modul in care functioneaza.

Figura 2.1: Block diagram of an infrared thermometer

Imaginea prezintă construcția generală a unui termometru cu infraroșu. Cu ajutorul de sistemelor optice de intrare radiația emisă a obiectului de masurat este focalizata pe un detector în infraroșu. Detectorul generează un semnal electric corespunzător, care este apoi amplificat și poate fi utilizat pentru prelucrarea ulterioară. Procesarea digitala a semnalului transformă semnalul într-o valoare de ieșire proporțională cu temperatura obiectului. Rezultatul temperaturii este fie afișat pe un ecran, fie poate fi utilizat ca semnal analogic pentru o prelucrare ulterioară. Pentru a compensa influențele din mediul înconjurător, un al doilea detector capteaza temperatura dispozitivului de măsurare și a canalului său optic. Prin urmare, temperatura obiectului măsurat este generată în principal în trei etape:

1. Transformarea radiației infraroșu primite într-un semnal electric

2. Compensarea radiatiei de fundal („background”) din termometru și obiectul masurat

3. Liniarizarea și afisarea informațiilor de temperatură

In afara de valoarea temperaturii afișată, termometrele ofera, de asemenea ieșiri liniare, cum ar fi 0 / 4-20 mA, 0-10 V și elemente care permit o conexiune ușoara cu sisteme de control pentru managementul procesului. În plus, cele mai multe dintre termometrele în infraroșu utilizate în prezent oferă interfețe digitale: USB, figura 2.2 a), RS232, figura 2.2 b) sau RS485, figura 2.2 c), pentru prelucrarea ulterioară a semnalului digital.

Figura 2.2: a) Figura 2.2: b) Figura 2.2: c)

Detectorii termici functioneaza prin incalzire, ca rezultat al absorbirii energiei termice,care poate dura de la milisecunde pana la secunde in functie de marimea detectorului. Detectorii cuantici masoara direct fotonii incidenti.Acest lucru ofera o viteza foarte buna,tipic nanosecunde sau milisecunde. De asemenea,sunt mult mai sensibili decat detectorii termici,dar opereaza intr-o gama mult mai ingusta de lungimi de unda,acest lucru depinzand de materialul detectorului. Adesea necesita o racire externa pentru reducerea zgomotului in timpul masurarii temperaturii la temperaturi egale sau mai mici decat temperatura camerei.In continuare ne vom axa pe termopila si detectorii piroelectrici,deoarece acestia sunt cei mai folositi senzori pentru detectorii infrarosu fara contact (sunt atat de folositi si datorita costului redus).

Cel mai important element în fiecare termometru in infraroșu este receptorul de radiații, de asemenea, numit detector. Există două grupe principale de detectoare în infraroșu: detectoare termice si detectoare cuantice.

Tabel 2.1: Tipuri de senzori

Detectorii termici

În aceste detectoare temperatura elementului sensibil variaza datorită absorbției radiației electromagnetice. Aceasta conduce la o proprietate modificată a detectorului, care depinde de temperatură. Această modificare a proprietății va fi analizată electric și utilizata ca standard pentru energia absorbită.

2.1.1.Termopila

O termopila este alcatuita dintr-o serie de termocupluri conectate in serie.Pentru a intelege modul de functionare al unui termocuplu trebuie sa ne intoarcem in timp,in anul 1821 ,cand Thomas Johann Seebeck descoperea ca va curge un curent prin două fire de metale diferite, care au fost îmbinate la ambele capete, daca o joncțiune era incalzita la o temperatură diferită fata de cealalta. Acest lucru este cunoscut sub numele de efect termoelectric, sau efect Seebeck. Efectul Seebeck rezulta din faptul ca electronii de la o sectiune mai calda la una mai rece a firului. Dacă se încălzește o parte dintr-un singur fir, electronii vor difuza în mod egal în ambele directii ale firului, provocând un gradient de tensiune in sârmă, dar nici o diferență de tensiune netă la capetele sale. Dar rata de difuzie variază pentru diferite materiale. Prin urmare, dacă se încălzește joncțiunea din două fire diferite, gradientele vor fi diferite pentru fiecare fir, și se va vedea o tensiune la capetele opuse ale firelor.

The voltage is typically in the microvolt range for small temperature differences (below 100°C), so multiple thermocouples can be assembled into a thermopile to get a more manageable output signal.

În ingineria electrică, un termocuplu este un senzor utilizat pentru măsu-rarea temperaturii. El funcționează pe baza efectului Seebeck, care conduce la formarea unei diferențe de potențial electric pe baza unei diferențe de potențial termic. Termocuplurile sunt utile pentru că pot fi integrate în mașini automate și pot măsura o gamă largă de temperaturi, limitarea lor principală reprezentând-o precizia. Efectul Seebeck, sau efectul termoelectric direct, constă în apariția unei tensiuni termoelectromotoare într-un circuit compus din doi sau mai mulți conductori sau semiconductori diferiți ale căror contacte sunt menținute la temperaturi diferite. A fost descoperit în 1823 de fizicianul german Thomas Johann Seebeck.

Figura 2.3: Principiul de masurare al termocuplului

Materiale întrebuințate la construcția termocuplurilor Ca electrozi se utilizează în special metale și aliaje, care în afară de faptul că satisfac unele condiții impuse acestora dezvoltă în același timp tensiuni termoelectromotoare relativ mari. Se pot utiliza metale sau aliaje care satisfac următoarele condiții:

să aibă o compoziție omogenă și constantă;

să dezvolte o tensiune termoelectromotoare stabilă la temperaturi ridicate;

curba tensiunii termoelectromotoare în funcție de temperatură să fie cât se poate de liniară;

să aibă o bună conductivitate electrică;

proprietățile electrice ale metalului sau aliajului să nu se modifice în urma oxidării;

forța electromotoare să fie constantă în timp;

să fie posibilă fabricarea unor materiale identice care să asigure intersanjabilitatea termocuplurilor.

Cele mai bune termocupluri se caută pe cale experimentală. Se studiază proprietățile electrice ale diferitelor metale sau aliaje și se selecționează acelea care satisfac cel mai mult condițiile de mai sus. Pentru a găsi combinația cea mai bună din punctul de vedere al tensiunii termoelectromotoare dezvoltate s-a determinat experimental curba tensiune electromotoare în funcție de temperatura pentru o serie de metale și aliaje care formează termocupluri cu platină. S-a ales platina ca metal de referință deoarece ea se poate obține în stare foarte pură și are o mare stabilitate electrică și chimică.

Datorită calităților chimice și electrice, platina (Pt) împreună cu aliajele de platină cu rhodiu PtRh (10% Rh) constituie un termocuplu de mare precizie. Platina având o mare stabilitate chimică și o temperatură de topire ridicată (1769 °C ) se întrebuințează la măsurarea temperaturilor înalte, devenind chiar un instrument etalon pentru măsurarea acestor temperaturi. Termocuplul platină rhodiu măsoară temperaturi între 0 și 1600 °C. Se mai obișnuiește formarea termocuplului platină cu platin-iridiu (10% Ir). Platina trebuie ferită însă de carbon, hidrogen și vapori de metale, care au efecte dăunătoare asupra ei. În mod special trebuie evitată utilizarea platinei în atmosferă oxidantă sau reducătoare în care se găsesc oxizi metalici.

Figura 1.5 arată interiorul unui termometru de ureche. Acesta folosește un senzor thermopila cu un termistor de referință încorporat. Termopila oferă o tensiune in fubnctie de diferența de temperatură între jonctiunile sale calde și reci, iar termistorul raportează temperatura la joncțiunea rece. Un microcontroler combină aceste două valori folosind formulele matematice adecvate pentru a produce o citire corectă a temperaturii joncțiunii calde. Când se introduce termometrul în mod corespunzător în ureche, această citire va reprezenta temperatura internă a corpului.

Pentru a vedea cat de usor se poate folosi iesirea directa a senzorului, am măsurat iesirea acestuia în timp ce am variat temperatura de intrare in intervalul de funcționare al termometrului de 34 ° C la 43 ° C.

Se spune ca exista anumiti călugări budiști, care pot varia temperatura corpului lor în timp ce mediteaza adânc. Poate ca aste adevarat, poate ca nu, in schimb pentru a varia temperatura am indreptat senzorul spre lampa de birou aflata la cativa centimetrii departare si am acoperit toata gama de temperatura variind usor distanta pana la lampa. Rezultatele experimentului sunt prezentate în figura 2.4. Se observa faptul ca curba de are o pantă de aproximativ 50 μV pe ° F.

Figura 2.4: Iesirea senzorului unui termometru de ureche

Display-ul cu cristale lichide (LCD) poate arata temperatura la o precizie de o zecime de grad, care ar insemna o rezoluție de 5 μV. Dacă am extrapola curba spre stânga, ar lovi 0 mV la aproximativ 88 ° F ( aproximativ 31°C). Aceasta este o valoare rezonabilă pentru temperatura ambiantă, din moment ce termometrul a fost așezat sub lampa de birou când am început efectuarea măsurătorilor.

2.1.2 Bolometru:

Un bolometer (din grecescul „bolometron” ) este un dispozitiv pentru măsurarea puterii radiației electromagnetice incidente prin încălzirea unui material cu o temperatură dependentă de rezistența electrică. A fost inventat în 1878 de către astronomul american Samuel Pierpont Langley.

Figura 2.4: Schema conceptuala a unui bolometru

Principiul de functionare al bolometrului:

Un bolometer constă dintr-un element absorbant, cum ar fi un strat subțire de metal, conectat la un rezervor termic (un corp de temperatură constantă) printr-o legătură termică. Rezultatul este că orice radiație lovind elementul absorbant ridică temperatura peste cea a rezervorului, astfel cu cat puterea absorbită este mai mare, cu atat temperatura este mai mare. Constanta intrinsecă de timp, care stabilește viteza detectorului, este egal cu raportul dintre capacitatea calorică a elementului absorbant si conductanța termica între elementul absorbant și rezervor.

Modificarea temperaturii poate fi măsurată direct cu un termometru rezistiv atașat, sau rezistența elementului de absorbție în sine poate fi folosita ca un termometru. Bolometrele din metal lucreaza, de obicei, fără răcire. Acestea sunt fabricate din folii subțiri sau pelicule metalice. Astăzi, cele mai multe bolometru folosesc elemente absorbante semiconductoare sau supraconductoare, mai mult decât metale. Aceste dispozitive pot fi exploatate la temperaturi criogenice, permițând o sensibilitate mult mai mare.

Primul bolometru folosit de Langley a constat din două benzi de platină acoperite cu funingine. O singură bandă a fost protejata de radiații și una expusa la ea. Fâșiile au format două ramuri ale unei punți Wheatstone, care a fost echipat cu un galvanometru sensibil și conectata la o baterie. Radiațiile electromagnetice care cadeau pe banda expusă auîncălzit-o și i-au schimbat schimba rezistența.

In anul 1880, bolometru Langley a fost imbunatatit suficient pentru a detecta radiația termică a unei vaci de la un sfert de milă distanta. Acest detector de căldură este sensibil la diferențele de temperatură de la o suta de miime de grad Celsius (0,00001 C).

Acest instrument i-a permis să detecteze termic peste un spectru larg, notand toate liniile de absortie principale de absortie Fraunhofer. El a descoperit, de asemenea, noi linii de absorbție atomică și moleculare în porțiunea de infraroșu invizibilă a spectrului electromagnetic. In 1892 Nikola Tesla l-a intrebat personal pe doctorul Langley dacă ar putea folosi bolometrul pentru experimentele sale de transmisie a puterii.

Bolometrele sunt direct sensibile la energia din interiorul absorbantului. Din acest motiv, ele pot fi utilizate nu numai pentru ionizarea particulelor si a fotonilor, dar, de asemenea, pentru particule non-ionizante, orice fel de radiații, și chiar pentru a căuta forme necunoscute de energie a unor mase (cum ar fi materianeagra). Cele mai sensibile bolometre sunt se reseteaza foarte greu (adică,trebuie sa se revina la echilibru termic cu mediul). Pe de altă parte, în comparație cu mai multe detectoare de particule convenționale, acestea sunt extrem de eficiente în rezoluție și sensibilitate. Ele sunt cunoscute de asemenea ca detectoare termice.

Puterea, P, de la un semnal incident este absorbită de bolometer și acesta încălzește o masă termică cu o capacitate termică, C și temperatura, T. Masa termică este conectata la un rezervor de temperatură constantă printr-o legătură cu conductanță termică, G. Creșterea temperaturii este ΔT = P / G. Schimbarea temperaturii se citește cu un termometru rezistiv. Constanta de timp intrinsecă termică este τ = C / G.

Microbolometre:

Un microbolometrul este un tip specific de bolometer utilizat ca detector într-o cameră termică. Radiații în infraroșu cu lungimi de undă între 7.5-14 μm lovesc materialul detectorului, il încălzesc, și schimba astfel rezistența electrică. Această schimbare de rezistență se măsoară și se prelucrează în temperaturi care pot fi folosite pentru a crea o imagine. Spre deosebire de alte tipuri de echipamente de detectare în infraroșu, microbolometrle nu necesită răcire. Un microbolometrul este un senzor termic fara racire. Senzorii termici de înaltă rezoluție anteriori necesitau metode exotice și costisitoare de răcire, inclusiv racitoare cu nitrogen lichid. Aceste metode de racire facut camerele de termoviziune costisitoare si nu puteau oferi mobilitate. De asemenea, camerele de termoviziune mai vechi necesitau un timp de racire de 10 minute, înainte de a fi utilizabile.

Un microbolometrul constă dintr-o matrice de pixeli, fiecare pixel fiind alcătuit din mai multe straturi. Diagrama secțiune transversală prezentată în figura 2.5 oferă o vedere generalizată a pixelului. Fiecare companie care produce microbolometere are propria ei procedură unică pentru producerea lor și folosesc chiar și o varietate de materiale absorbante diferite. În acest exemplu, stratul inferior este format dintr-un substrat de silicon si un circuit integrat de citire. Contactele electrice sunt depozitate și apoi gravate selectiv. Un reflector, de exemplu, o oglindă de titan, este creata sub materialul absorbant IR. Din moment ce unele unde de lumina sunt capabile să treacă prin stratul absorbant, reflectorul redirecționează această lumină din spate pentru a asigura cea mai mare absorbție posibilă, permițând astfel ca un semnal mai puternic pentru sa fie produs. Un strat de material absorbant este apoi depozitat și gravat mod selectiv, astfel încât contactele finale pot fi create. Pentru a creea puntea finală ca structura prezentată în figura 2.5, materialul absorbant este suspendat aproximativ 2 μm deasupra circuitului de citire. Pentru că microbolometrele nu suferă nici o răcire, materialul absorbant trebuie să fie izolat termic de fund și podul permite ca acest lucru să aibă loc. După crearea matricei de pixeli microbolometrul este încapsulat sub vid pentru a crește longevitatea dispozitivului. În unele cazuri, întregul proces de fabricație se face în vid.

Calitatea imaginilor create cu microbolometre a continuat să crească. Matricea microbolometrullui se găsește de obicei în două dimensiuni, 320 × 240 pixeli sau mai puțin costisitoare de 160 × 120 pixeli. Tehnologia actuală a dus la producerea de dispozitive cu rezolutie de 640 × 480 sau chiar 1024×768 pixeli (HD). De asemenea, a existat o scădere a dimensiunilor pixelilor individuali. Dimensiunea pixelilor a fost în mod tipic de 45 μm în dispozitive mai vechi și a fost redusa la 17 μm în dispozitivele noi. Pe măsură ce dimensiunea pixelilor este scăzuta, numărul de pixeli per unitate de suprafață este mărit proporțional si este creată o imagine cu o rezoluție mai mare, dar cu o diferenta de temperatura a zgomotului echivalent, NETD („Noise Equivalent Temperature Difference”) mai mare datorită pixelilor mai mici. Acest lucru face ca dispozitivele sa fie mai puțin sensibile la radiațiile IR .

Figura 2.5: Vedere din sectiunea transversala a unui microbolometru

Există o mare varietate de materiale care sunt utilizate pentru elementul detector în microbolometers. Un factor principal care dicteaza cât de bine va funcționa dispozitivul este responsivitatea dispozitivului. Responsivitatea este capacitatea dispozitivului de a transforma radiația de intrare într-un semnal electric. Proprietățile de material ale detectorului influențează această valoare și, prin urmare, mai multe proprietăți principale de materiale trebuie să fie investigate: coeficientul de temperatura al rezistentei („Temperature coefficient of resistance”, TCR), zgomotul 1 / f și rezistența.

a) Coeficientul de temperatură al rezistenței, TCR : Materialul utilizat în detector trebuie produca schimbări mari în rezistență, ca urmare a modificărilor de temperatură. Deoarece materialul este încălzit, datorită radiației infraroșii de intrare, rezistența materialului scade. Acest lucru este reprezentat de coeficientul de temperatură al rezistenței (TCR), care in mod normal este negativ. Industria produce în prezent microbolometers care contin materiale cu TCR-uri in apropiere de -2% / K. Cu toate că multe materiale existente au TCR-uri mult mai mari, există o serie de alți factori care trebuie să fie luati în considerare atunci când se produc microbolometre optimizate.

b) Zgomotul 1/f, la fel ca alte zgomote, cauzează o tulburare care afectează semnalul și care poate denatura informațiile transportate de semnal. Modificări ale temperaturii peste materialul absorbant sunt determinate de schimbări ale polarizarii ale curentilor sau tensiunilor care curg prin materialul detector. În cazul în care zgomotul este mare, atunci schimbări mici care apar nu pot fi văzute în mod clar și dispozitivul este inutil. Folosind un material detector care are un factor minim de zgomot 1/f permite să fie menținut un semnal mai clar între detecția IR și de ieșirea care este afișată. Materialul detector trebuie să fie testat pentru a se asigura că acest zgomot nu interferează semnificativ cu semnalul.

c) Rezistența: Folosind un material care are o rezistență scăzută la temperatura camerei este de asemenea important. Rezistența mai scăzută a lungul materialului detector înseamnă ca mai puțină energie va trebui să fie utilizata. De asemenea, există o relație între rezistență și zgomot: cu car rezistenta este mai mare, cu atat si zgomotul va fi mai mare. Astfel, pentru detectarea mai ușoară și pentru a satisface cerința de zgomot redus, rezistența ar trebui să fie redusă.

Microbolometre actvie vs. microbolometre pasive:

Cele mai multe microbolomete conțin un rezistor sensibil la temperatură care il face un dispozitiv electronic pasiv. In anul 1994 o companie, Electro-Optic Sensor Design (EOSD), a început să produca microbolomete care au folosit un tranzistor cu peliculă subțire („thin film transistor”,  TFT), care este un tip special de tranzistor cu efect de câmp. Principala schimbare în aceste dispozitive ar fi adăugarea unui electrod poarta. Deși principalele concepte ale dispozitivelor sunt similare, folosirea acestui design permite ca avantajele tranzistorului TFT să fie utilizate. Anumite beneficii includ ajustarea energiei de rezistență și de activare și reducerea modelelor de zgomot periodice. In 2004 acest dispozitiv era încă în curs de testare.

Un tranzistor cu peliculă subțire (TFT) este un tip special tranzistor cu efect de câmp realizat prin depunerea de straturi subtiri pe un strat semiconductor activ, precum și a unui strat dielectric și a contactelor metalice peste un substrat suport (dar non-conductor). Un substrat tipiceste sticla, deoarece aplicatia principala a tranzistoarelor TFT este în ecranele cu cristale lichide (LCD). Aceasta diferă de tranzistorul convențional, în care de obicei substrat este din materialul semiconductor, cum ar fi o plachetă de siliciu.

Figura 2.6: Structura tranzistorului TFT

Avantaje:

Sunt mici și ușoare. Pentru aplicațiile care necesită intervale relativ scurte, fac ca dimensiunile fizice ale camerei sa fie mai mici. Această proprietate permite, de exemplu, montarea camerelor de termoviziune cu microbolometre fara racire pe căștile de protecție.

Ofera iesire video reala imediat dupa pornire.

Consum de energie mult mai mic in comparatie cu camerele bazate pe detectoare cu semiconductori racite.

Au un timp mediu foarte lung intre caderi („mean time between failures”, MTBF).

Sunt mai putin scumpe in comparatie cu camerele bazate pe detectoare cu semiconductori racite.

Dezavantaje:

Sunt mai puțin sensibile decât imaginile termice.

Nu pot fi folosite pentru aplicatii multispectrale sau aplicatii infrarosu de mare viteza.

Nu se pot compara cu rezolutia detectoarelor bazate pe semiconductori.

Au zgomot mai mare decat detectoarele bazate pe semiconductori.

Limitari de performata

Sensibilitatea este parțial limitată de conductibilitatea termică a pixelului. Viteza de reacție este limitată de capacitatea calorică termică împărțită la conductanță termică. Reducerea capacității de căldură crește viteza, dar, de asemenea, crește fluctuațiile statistice mecanice termice de temperatura (zgomotul). Creșterea conductanței termice ridică viteza, dar scade sensibilitatea.

2.1.3. Detectori piroelectrici

Un detector piroelectric este o componentă optoelectronica sensibilă în infraroșu, care este utilizata în mod specific pentru detectarea radiațiilor electromagnetice într-un interval de lungimi de undă de la (2 la 14) µm.

Un cip receptor al unui detector de infraroșu piroelectric constă dintr-un singur cristal de litiu tantalat. Din cauza temperaturii sale foarte mare de 620 ° C, litiu tantalat garantează un coeficient de temperatură extrem de scăzut, si o stabilitate a semnalului de tensiune extrem de mare.

Spre deosebire de detectoare cu semiconductori, un detector piroelectric este un detector termic care lucreaza cu un cip izolat termic, care este acoperit de un strat de absorbție negru. Această acoperire transformă radiația în infraroșu care cade pe cipin caldura. Chip-ul își schimbă temperatura ( in ordinul de mărime al μK … mK) și, ca urmare a efectului piroelectric, produce semnalul electric dorit. Termopilele, de asemenea, fac parte din grupul de detectoare termice, cu toate acestea,domeniul de masurare al acestor dispozitive este mai mic. In timp ce detectoarele în infraroșu piroelectrice au un raport semnal / zgomot bun până la frecvențe de modulație de 4 kHz (de exemplu în spectrometre FTIR), termopilele produc rezultate bune până la frecvențe de modulare limitate.

În plus față de cristalul piroelectric, un detector de infraroșu piroelectric de conține componente optice și micro-mecanice. Detectoarele piroelectrice cu două și cu patru canale cu separator de fascicule integrat și amplificator CMOS integrat sunt micro-sisteme care constau in componente care funcționează termic, electronic și optic.

După cum piroelectricitatea este o caracteristică a unui subgrup de cristale piezoelectrice, un detector piroelectric reactioneaza la sunetul transmis prin aer și prin solide. Acest efect este adesea numit microphonie. Cu toate acestea, un sistem de închidere patentat de cip piroelectric reduce dramatic aceste efecte negative pentru detectoarele piroelectrice, astfel încât, în multe cazuri, aceste efecte negative sunt de ordinul de mărime a altor tensiuni perturbatoare sau a zgomotului inerent al detectorului în infraroșu.

Un detector pyroelectric este compus dintr-un cristal care are un câmp electric intern de-a lungul axelor sale polare. Astfel radiația IR este aplicata, există o modificare a polarizarii cauzată de o alterare a rețelei cristaline a cristalului. Prin conectarea 2 electrozi la cristal, detectorul piroelectric poate lucra ca un condensator. Efectele depind de rata de schimbare a temperaturii, nu temperatura se schimba. Detectorul va ignora, de asemenea, efectele radiațiilor de fond. Detectoarele piroelectrice sunt frecvent utilizate în spectrometre FTIR.

Figura 2.7 : Detector piroelectric

Un detector pyroelectric este un senzor capacitiv care își schimbă polarizarea ca răspuns la o schimbare a temperaturii. Aceasta are ca rezultat o modificare a sarcinii de suprafață ΔQ = A x p x ΔT, unde:

A – este suprafața senzorului,

p – este coeficientul piroelectric materialului,

ΔT- este schimbarea temperaturii.

Senzorul este în mod inerent un dispozitiv de curent alternativ (AC), deci are nevoie de un proces extern pentru a face ca temperatura detectată să se schimbe pentru a produce o ieșire. Acest lucru îl face perfect pentru senzorii de mișcare, dar este de asemenea folosit pentru termometre care utilizează un obturator mecanic pentru a produce o schimbare controlată a temperaturii de intrare.

Figura 2.8: Senzorul unui termometru de ureche.

Figura 2.8 prezintă capătul de interes al unui termometru de ureche cu un detector piroelectric. Acest model, are o vechime de câțiva ani, dar servește ca un exemplu util de funcționarea detectorului. În mod normal, detectorul este ascuns în spatele unui obturator care este montat în interiorul blocului metalic amplasat în partea stângă a butonului. Un termistor montat în interiorul blocului urmărește temperatura blocului și obturatorului. Atunci când se apasa butonul, un mecanism cu arc fixează declanșatorul afară din fața detectorului, dându-i o imagine clară a ceea ce sonda are ca tinta. Ieșirea detectorului va fi un semnal care este o funcție de diferența de temperatură.

În anexa 1 se arată capătul frontal analogic al termometrului. Acesta folosește un analog-digital convertor (ADC) cu dubla pantă format dintr-un multiplexor și un amplificator operational („op-amp”) integrator. În mod normal, sistemul măsoară în mod repetat, temperatura termistorului (SEL2: 0 = 4,5) și detectorul pyroelectric (SEL2: 0 = 1,2). Cursoarele arată când a fost apăsat și eliberat butonul de măsură. Când butonul este presat, sistemul resetează imediat integratorul la 100 ms (SEL2: 0 = 0) și apoi se integrează intrarea detectorului la 200 ms (SEL2: 0 = 1). Apoi se integrează o tensiune de referință, până cand ieșirea comparatorului merge in punctul de sus (SEL2: 0 = 2). Tensiunea de intrare este legată de timpii de integrare și rezistențele de intrare ale multiplexorului după cum urmează:

= – x x

Această formulă este valabilă pentru o tensiune de intrare constantă, dar veți observa că intrarea nu este constantă în timpul perioadei de integrare. Mai degrabă, se degradează cu o constantă de timp RC determinata de capacitatea senzorului și rezistența de intrare a etajului amplificator al intrarii senzorului. Din moment ce acest timp constant este fix, iar timpul de integrare al ADC începe întotdeauna la 100 ms după deschiderea declanșatorului și durează 200 ms, este posibil pentru microcontroler sa calculeze valoarea vârfului inițial. Acesta utilizează această valoare împreună cu valoarea termistorului pentru a calcula temperatura.

2.2. Detectori cuantici

Diferența decisivă dintre detectoarele cuantice și detectoare termice este reactia lor mai rapida la radiațiile absorbite. Modul de funcționare a detectoarelor cuantice se bazează pe efectul fotonic. Fotonii izbitori ai radiației infraroșu duc la o creștere a electronilor într-un nivel de energie mai mare din interiorul materialului semiconductor. Atunci când electronii cad înapoi, este generat un semnal electric (tensiune sau putere). De asemenea, este posibilă o schimbare a rezistenței electrice. Aceste semnale pot fi analizate într-un mod precis. Detectoare cuantice sunt foarte rapide (ns pana la pS). Temperatura elementului sensibil al unui detector termic se schimba relativ lent. Constante de timp ale detectoarelor termice sunt, de obicei mai mari decât constante de timp ale detectoarelor cuantice. O aproximatie grosolana poate spune că constantele de timp ale detectoarelor termice pot fi măsurate în în nanosecunde sau chiar milisecunde. În ciuda dezvoltării rapide a domeniului detectoarelor cuantice, există o mulțime de aplicații în care detectoarele termice sunt preferate. Acesta este motivul pentru care sunt poziționate în mod egal cu detectoarele cuantice.

Capitolul 3

Tipuri de pirometre

In ziua de astazi exista pe piata multe tipuri de pirometre in infrarosu, fiecare creeat pentru un anumit tip de aplicatii. Pentru realizarea acestora s-a plecat de la modelul de baza al pirometrului si principiile sale de functionare si s-a adaptat in functie de necesitati si cerere.

Măsurarea temperaturii fara contact cu termometre în infraroșu este o metodă calificată de control, monitorizare și gestionare a temperaturilor de proces și de întreținere preventivă a mașinilor și instalațiilor. Termometre portabile în infraroșu sau senzori în infraroșu on-line, în plus, se impart în produse punctiforme și de măsurare a imaginii si pot fi selectate în funcție de necesitatiile aplicațiiilor.

Importanta sistemelor IR industriale crește tot mai mult. Ele permit o mai mare flexibilitate și mai puține cabluri și eforturi de cablare mai mici. În cazul în care producătorul intenționează o modificare a produselor, parametrii senzorilor (emisivitatea, domeniul de măsurare sau valoarile limită ) pot fi ajustate la distanță. În consecință, un proces de control continuu și de management este asigurat chiar și într-un cadru periculos și cu un minim de muncă. În cazul în care apare o defecțiune, de exemplu, întreruperi de cablu, defectarea unei componente, apare în mod automat un mesaj de eroare. Un avantaj suplimentar al termometrelor în infraroșu cu interfață digitală este posibilitatea de a efectua calibrări de teren cu software-ul de calibrare al producătorului.

3.1. Pirometru optic: pirometrul fara filament („vanishing filament pyrometer”)

Acesta masoara temperatura filamentului luminos al becului si determină

transmisivitatea spectrala a materialului prezent (folie de plastic) și transmisivitatea spectrală a filtrului gri incorporat utilizat pentru comutare. Pentru masurarea temperaturii, pirometrul optic, spre deosebire de pirometrul de banda larga cu spectru intreg, masoara intensitatea radiatiei la o singura lungime de unda (intr-o banda ingusta), de obicei in banda rosie vizibila pentru ochiul uman. Este mai putin sensibil decat pirometrul de banda larga, dar este si mult mai putin sensibil la setarea incorecta a valorii emisivitatii ε. Pirometrul fara filament („vanishing filament pyrometer”) se foloseste in industria metalurgiei pentru a masura temperatura fierului topit in furnal.

Figura 3.1: Pirometrul optic

Vom seta tensiunea de alimentare a becului cu transformator variabil la aproximativ 30V. Se vor alinia axele dispozitivului la filamentul becului (ca in figura 3.1). De pe ecranul dispozitivului vom vizualiza si controla curentul filamentului de comparatie cu potentiometru incorporat. Comparand luminozitatea celor doua filamente ,vom regla curentul pana cand cele doua filamente vor ajunge la aceeasi luminozitate. Vom citi temperatura cand echilibrul este indeplinit.Apoi vom modifica foarte usor curentul filamentului de comparatie,deoarece acesta reactioneaza cu un mic delay.Apoi citim valoare temperaturii de pe afisajul dispozitivului si aceasta va fi temperatura neagra, .

Corpurile gri reale au mereu emisivitatea, adica capacitatea de a emite energie, mai mica decat cea a corpului negru absolut. De aceea temperatura lor trebuie sa fie mai mare pentru a obtine acceasi stralucire spectrala.Temperatura reala trebuie sa fie calculata pornind de la temperatura neagra indicata de pirometru si de la emisivitatea (cunoscuta) a obiectului. Filamentul becului este facut din wolfram si are emisivitatea ε = 0.428.

Figura 3.2 a) Figura 3.2 b)

In figura 3.2 avem o vedere prin ineriorul pirometrului care pune in evidenta comparatia filamentelor: la punctul a) filamentul este rece, iar la punctul b) filmentul este cald.

Pentru a masura transmisivitatea spectrala, dupa ce a fost masurata si calculata temperatura reala, se va pune o proba de material translucid intre bec si pirometru si se va masura noua temperatura. Inserand un material in calea optica,este simulata o situatie reala in care apare fumul sau praful intre pirometru si obiectul masurat. Pentru acesta pirometrul arată o scădere bruscă a temperaturii obiectului măsurat.

Din noua temperatura măsurată T0’ (și din cunoașterea temperaturii reale TS calculata in măsurătorile anterioare) se poate calcula transmisivitatea materialului. Într-un mod similar, se poate măsura, de asemenea, transmisivitatea filtrului gri încorporat (utilizat în mod normal pentru comutarea sensibilității instrumentului). Acesta este cuplat / decuplat de o mica maneta în partea superioară a pirometrului si procedura de măsurare este aceeași ca și în cazurile anterioare.

Se va folosi ecuatia:

= + ln ) si = 1−

unde:

TS [K] este temperatura reala a obiectului masurat,

T0 [K] este temperatura afisata de catre pirometru (temperatura neagra),

λ este lungimea de unda [m],

c2 este o constanta fizica, c2 = 1.44 x [m.K],

este emisivitatea spectrala a obiectului, pentru wolfram = 0.428,

este transmisivitatea spectrala (pentru aerul curat, consideram = 1.0),

este absortia spectrala.

3.2. Termometre portabile în infraroșu

În general termometre cu infraroșu portabile sunt utilizate pentru întreținerea de prevenire și inspecțiea instalațiilor electrice, mașinilor rotative, precum și ca un instrument de diagnosticare pentru sistemele de încălzire, ventilație și aer condiționat, precum și pentru analiza rapidă a mașinilor. Inspecțiea rapidă cu termometre în infraroșu portabile este ușoara și precisa. Termometrele cu infraroșu sunt, de asemenea, concepute pentru aplicații în condiții industriale dificile. Ele pot fi folosite în interior și în afara, în soare și ploaie, în condiții de temperatură nestatornice. Termometrul in infrarosu portabil este robust și ușor de manevrat. Nu contează dacă este transportat în buzunarul de la cămașă, la curea sau este pus în caseta de instrumente, ar trebui să fie întotdeauna cu tine pentru inspecții rapide.

Figura 3.3: Termometre portabile în infraroșu

În timp de doar 0,3 secunde se pot masura temperaturi de la -32 la 530 ° C, cu o precizie de ± 1%, sau ± 1 ° C. Laserul instalat permite ochirea obiectului de măsurare si cu un singur clic temperatura este afișată pe ecran cu o rezoluție de 0,1 ° C. Un semnal de alarmă pentru valorile maxime și minime ofera o scanare sistematică a obiectului de măsurare și o detectare rapidă a punctului cald.

Noile sisteme optice de precizie permit măsurarea obiectelor foarte mici. În cazul în care se poate apropia obiectul de măsurare până la 14 cm, punctul de masurarea va avea o dimensiune de numai 13 mm. Dimensiunea punctului de masurare crește odată cu cresterea distanței. La o distanță (D) de 1 metru se poate masura temperatura unei suprafețe de 50 mm (S) si în consecință, rezoluția optică D : S este 20 : 1. Cursoarele cu laser instalate ajuta pentru a tinti exact la obiectul măsurat și marcheaza dimensiunea reală a punctului de măsurare.

Trecerea la modul de focalizare apropiat ofera utilizatorului să măsoare exact obiecte cu dimensiunea de 1 mm. Două lasere, care se întretaie direct in punctul de focalizare la o distanță de 62 mm, ajuta ochirea unui punct mic. Până în prezent termometre au fost construite astfel încât să fie măsoare la distanțe lungi, sau pentru a măsura în mod exclusiv obiecte mici. Astfel, era necesar sa se cumpere mai multe instrumente sau lentile schimbabile. Termometrul infrarosu portabil este un instrument "totul într-un singur" („all in one”), care permite să se concentreze pe distanțe mici prin trecerea în modul de focalizare apropiata.

O imbunatatire fata de pirometrele standard este afisajul inteligent al termometrului. Un senzor de poziție integrat transformă automat afișajul LCD în poziția de vizionare cea mai convenabilă pentru măsurători verticale sau orizontale. La termometrele cu infraroșu comune era dificil de citit afișajul în poziții în jos pe verticală.

Termometrele în infraroșu tinute in mana, cum ar fi acestea, cu foarte mici geometriile punctului de măsurare de 1 mm reprezintă o alternativă la cumpărarea unui imager termic în infraroșu. În condiții obisnuite, din cauza cantităților mari de producție și un număr mare de locuri de testare, utilizarea mai multor tipuri de camere de termoviziune in infrarosu la diferite statii poate fi scumpa.

Figura 3.4: Masurarea foarte precisa a temperaturii in infrarosu cu termometrul portabil a componentelor SMD cu dimensiuni de 1 mm în timpul unui test de circuite imprimate

Panourile electrice, siguranțele fuzibile, motoare și conexiunile electrice defecte sunt abia vizibile cu ochiul liber. Dar se cunoaste că cele mai multe unități de producție, care consumă energie electrică sau realizeaza transfer de energie mecanică, se încălzeasc în cazul unei defecțiuni. Măsurarea temperaturii fără contact este un instrument important în întreținerea preventivă („preventive maintenance”), pentru a garanta siguranta productiei. Termometrele portabile ofera o dimensiune de numai 1 mma punctului de masurare. Combinat cu de ochire tehnica laser ele sunt instrumente ideale pentru masuratori rapide de temperatura de zi cu zi a unui număr mare de obiecte măsurate într-o companie.

3.3. Pirometre speciale :

3.1 Pirometeru cu fibra optica

Pirometre cu fibra optica sunt utilizate pentru aplicații care implică câmpuri puternice de interferența electrice sau magnetice. Acest lucru face posibilă pozitionarea sistemului electronic sensibil în afara zonei de pericol. Tipic pentru aceste aplicații sunt încălzirea prin inducție și sudarea prin inducție. Având în vedere că fibrele optice nu conțin componente electronice, temperatura de operare poate fi mărită în mod semnificativ, fără a fi nevoie de răcire. Temperatura standard pentru utilizare este de 200 ° C, dar temperatura cea mai înaltă este de pana la 300 ° C. Instalarea și costurile continue de funcționare pentru fiecare punct de măsurare sunt reduse, deoarece nu este necesară răcirea cu apă.

Cu dispozitive moderne, este posibilă înlocuirea cablului de fibră optică și a dispozitivelor optice fără recalibrare. Pur și simplu se introduce un număr de calibrare din fabrică cu mai multe cifre. Fibrele optice sunt disponibile pentru lungimi de undă de 1 µm și 1,6 µm.

Figura 3.5: Pirometru digital modern cu fibra optica

3.2 Pirometre cu raport

Pirometre speciale (numite pirometre în două culori sau pirometre cu lungime de undă duală) au două canale de măsurare optice și electrice identice ca structură. Ambele game de lungimi de undă sunt amplasate cât mai aproape posibil una de alta și este setata o banda foarte ingusta, astfel încât efectul particularităților specifice ale materialelor (reflexie, emisivitate) de la tinta este aproape identic in ambele lungimi de undă. Prin intermediul unui calcul matematic al raportului, anumite influențe asupra măsurării pot fi eliminate.

Aceasta procedura a demonstrat cu urmatoarele lucruri:

1. Se poate secționa radiația măsurata cu ajutorul a două filtre care gravitează în fața unui detector de radiații (roata de filtrare). Măsurarea în ambele canale astfel are loc alternativ, caz in care, pentru ținte aflate în mișcare rapidă poate avea ca rezultat erori în calculul raportului (canalul 1 vede un alt punct de pe țintă decât canalul 2).

2. Ramificarea radiației măsurate se face cu ajutorul separatorilor de fascicul („beam splitters”) și a două detectoare de radiație echipate cu filtre.

Folosind ecuațiile pirometrului pentru canalul 1 cu lungimea de undă și canalul 2 cu lungimea de unda , rezultatul pentru temperatura măsurată este:

= + ln

Daca emisivitatile ambelor canale sunt identice, atunci temenul de dupa semnul plus devine zero si temperatura măsurată corespunde temperaturii țintă . Același lucru poate fi aplicat la suprafața țintei, A, unde A2 și A1 identice în cazul ambelor canale, ceea ce înseamnă că și aici termenul de după semnul plus se neglijeaza.

= + ln

Astfel, măsurarea este independenta de dimensiunea țintei. De asemenea, radiația obiectului care este trimisa la pirometru devine se reduce proporțional, nu numai atunci când există o suprafață de măsurare mai mică, dar, de asemenea, atunci când pirometru "ajunge sa vada" ținta un interval de timp scurt. Prin aceste mijloace, tintele care sunt în linia de vedere pentru o perioadă mai scurtă decât timpul de răspuns al pirometru pot fi, de asemenea, masurate.

Schimbarea caracteristicilor de transmisie în calea de măsurare sunt eliminate în același mod. Dispozitivele pot fi folosite în cazul în care există praf sau fum, sau orice alt factor de interferență care reduce radiația de la țintă. Dispozitivele moderne pot aplica acest efect (Atenuare) pentru propriiile dispozitive optice și trimit un semnal de alarmă la nivelul corespunzător al contaminarii (De exemplu insuficiență de epurare a aerului cu atașament de suflare de aer).

Un pirometru de raport cu factor de atenuare citibil poate asigura informatii aditionale in unele aplicații în care exista o anumită densitate a particulelor din jurul țintei.

Figura 3.6 prezintă informațiile furnizate de către un pirometru raport utilizând software-ul PC-ului. În plus față de temperatura calculată din raport, sunt date temperaturile măsurate din ambele canale individuale. Mai mult decât atât, atenuarea, care este calculată prin compararea celor două este afișată în procente.

Figura 3.6: Măsurarea datelor emise de softwareul pentru PC a unui pirometru cu raport

Pirometrele cu raport pot măsura temperatura atunci când:

1. Ținta este mai mică decât punctul de masurare sau este într-o continuă schimbare

a dimensiunii (fundalul mai rece decat tinta).

2. Ținta („target”) se mișcă prin fațapunctului de masurare în timpul de răspuns

3. Campul de vedere a obiectivului este restricționat (de praf sau alte particule,

de vapori sau fum).

4. Apar modificări de emisivitate în timpul măsurării.

5. Factorul de atenuare oferă informații suplimentare despre procesul tehnologic sau poate fi folosit ca o alarmă în cazul contaminării lentilelor sau a ferestrelor.

Capitolul 4

Aplicatii ale pirometrelor IR fara contact

Calibrarea termometrelor in infrarosu

Ininte de folosirea pirometrelor in diverse aplicatii acestea trebuiesc calibrate. Termometrele in infrarosu sunt calibrate cu ajutorul unor surse de radiatie de referinta ,asa numitele corpuri negre. Aceste surse radiante pot produce temperaturi diferite cu o mare stabilitate. Cunosterea exacta a temperaturii radiante este importanta pentru procesul de calibrare. Aceasta se poate masura fie folosind un termometru de contact (in combinatie cu determinarea emisivitatii), fie cu un termometru in infrarosu etalon. Aceasta valoare poate fi folosita pentru a determina constanta dispozitivului pentru calibrarea initiala a senzorilor infrarosu. Pentru a putea efectua o post-calibrare de catre utilizatori sau pentru a oferi posibilitati de calibrare locala , calibrarea temperaturii trebuie sa se faca in apropierea temperaturilor care apar in respectivele aplicatii.

Dispozitivul optic al unui termometru in infrarosu este caracterizat de distanta pana la punctul de masura („distance to-spot-ratio”), D:S. In functie de calitatea dispozitivului optic o anumita parte a radiatiei este receptionata de la surse din afara punctului de masurare. Valoarea maximă aici este egală cu radiația emisă de o sursă radiantă emisferică. Schimbarea semnalului respectiv în corelație cu o redimensionare a sursei de radiație este descrisă de efectul dimensiunea-sursei, SSE („Size-of-source effect”).

În radiometrie, fotometrie și termometria radiației, măsurători precise ale radiantei, luminanței sau temperaturilor radiante ale surselor necesită o cunoaștere a contribuției mediului inconjurator la semnalul măsurat din zona sursei. Dependența radiometrului sau termometru cu radiație de zona din jurul zonei sursa este descrisă ca efectul de dimensiunea-sursei (SSE) și reducerea la minimum a sensibilitatea radiometrului la SSE este critică în măsurătorile optice cu cel mai scăzut de incertitudine.

Efectul de dimensiunea-sursei (SSE) este un factor care contribuie semnificativ la eroare și incertitudine în măsurătorile termometrice de radiații în ambele standarde de laborator și de măsurare a temperaturii industriale.

SSE provine din difracția și împrăștierea radiațiilor, precum și datorita imperfecțiunilor și aberațiilor din cadrul sistemului optic al termometrului cu radiație. Rezultatul este că domeniul exact de vedere al termometrului nu este bine definit – unele radiatii din interiorul câmpului de vedere nominal se pierd și este detectată o anumită radiație din afara câmpului de vedere. Astfel, semnalul măsurat depinde de dimensiunea țintei („target”) și distribuția radianta jurul acesteia.

SSE poate fi măsurată prin determinarea creșterii semnalului măsurat in timp ce dimensiunea unei surse uniforme radiante este crescută progresiv.

Figura 4.1: Statie de calibrare automata

Ca rezultat al acestei corelații toți producătorii de termometre IR folosesc geometrii precis definite pentru calibrarea unităților ; adică se defineste în funcție de diafragma sursei de radiație (A) o distanță (a) între termometru IR și sursa de referință. Astfel, valoarea specificată în documentația tehnica („datasheet”) este, în general, un anumit procent stabilit din această radiație maximă – valori de 90% sau 95% sunt comune.

Atunci când se eliberează certificate de calibrare este trecuta in documentatie nu numai temperatura de laborator și umiditatea, dar si distanța de măsurare și diametrul sursei (geometrie de calibrare).

4.1. Aplicații tipice pentru intreținere și service

Echipamentele de comutare, motoarele și conexiunile electrice defecte abia sunt vizibile cu ochiul liber. Dar cunoaște, că cele mai multe unități de producție, care consumă energie electrică sau fac transfer de energie mecanică, se încălzesc în cazul unei defecțiuni. Măsurarea temperaturii fără contact este un instrument important în întreținere preventivă, în scopul de a garanta siguranta. Termometrele portabile oferă o dimensiune a punctului de masurare de numai 1mm. Combinat cu tehnica laser de ochire ele sunt instrumente ideale pentru masuratori rapide de temperatura de zi cu zi a unui număr mare de obiecte măsurate într-o companie.

Figura 4.2: Masurarea temperaturii unui panou electric de control

In cardul acestor masuratori de mentenanta putem avea:

• Masuratori de temperatura ale unor mașini și instalații aflate in miscare, conexiunile electrice ale motoarelor și a obiectelor aflate în zone periculoase.

• Detectia punctelor de connexiune

• Localizarea defecțiunilor ascunse în cablu

• Inspecția siguranțelor și întrerupătoarelor de circuit

• Monitorizarea instalațiilor de joasă și medie tensiune

• Detectia supra-sarcinii distribuite pe o singura parte si a distributiei de energie neechilibrata.

• Verificarea transformatoarelor si a componentelor mici.

4.1.1. Măsurarea temperaturii contactelor

In timpul transferului de energie in contactele de inalta performanta adesea apare o distributie de sarcina neechilibrata si incalzire care poate fi un risc de securitate. Mișcarea mecanică a materialului poate duce la contacte defecte, care – datorită încălzirii și răcirii ciclice – crește rezistența electrică, ceea ce duce la un consum mai mare de energie și generează mai multă căldură. De asemenea, praful și coroziunea pot fi motive pentru o rezistență mai mare. Diferența de temperatură intre contactele încărcate uniform și temperatura ambiantă duc la concluzii cu privire la starea de funcționare: 10 K diferență indică o conexiune proastă, iar 30 K implică o stare critică.

4.1.2.Verificarea transformatoarelor

Transformatoarele au o temperatura maxima de functionare. In călzirea în mod necorespunzător a transformatorului indică o defecțiune. Un motiv pentru aceasta incalzire pot fi fie instalația electrică, fie cablajele sau o încărcare inconstantă a fazelor.

4.1.3. Localizarea cablurilor defecte

Defecte "ascunse" in cabluri pot fi localizate printr-o scanare rapidă cu termometre în infraroșu. Temperaturile crescute semnalizeaza un consum sporit de energie. La aceste puncte cablurile pot fi verificate pentru fisuri, coroziune și îmbătrânire.

4.2. Aplicații tipice în încălzire, ventilație și sisteme de aer condiționat

Camerele inchise reci sau climatele rele sunt adesea rezultatul de lucrului defect sau nestatornical sistemelor de încălzire, ventilare și a aerului condiționat. Un inginer HVAC (heating, ventilating, and air conditioning) este rugat să localizeze sursa de problemelor, în cel mai scurt timp posibil și pentru a preveni intreruperile neprogramate. Acest lucru a fost foarte consumator de timp și o muncă supărătoare, în funcție de metoda. Adesea, inginerul trebuia să foreze găuri în canale, filtre sau bobine de refrigerare blocate cu gheață în scopul depistării scurgerilor. Erau apoi introduse termometre si dura ceva timp să se stabilizeze și să ia în mod corect temperatura aerului conductei. Utilizarea de termometre în infraroșu face ca acest mod considerabil mai ușoar și economisește timp de lucru valoros. Temperaturile de suprafață ale componentelor pot fi acum luate de la o distanță sigură într-un mod rapid și confortabil. Nu mai avem nevoie de scări. Inginerii HVAC au nevoie de instrumente, care funcționează în mod eficient și sigur, care au un design robust și sunt ușor de manevrat in timpul măsurararii.

Termometrele ininfrarosu se pot folosi pentru a detecta o serie de probleme, cum ar fi:

– pentru a detecta izolatiile defecte

-pentru a gasi scurgeri in sistemul de incalzire al podelei

– pentru a verifica arzătoarele de încălzire a petrolului și a cazanelor pe gaz

– pentru a controla schimbătoarele de căldură, cercurile de încălzire precum și distribuitorii de încălzire

– pentru a localiza scurgeriledin conducte

– pentru a controla prizele de aer si supapele de siguranta

– pentru a regla termostaturile sau pentru a condiționa aerul unei camere

4.2.1.Controlul conductelor de aer

Imbinările conductelor de aer sunt adesea surse de probleme. Ele fie sunt slăbite din cauza vibrațiilor sau din cauza expansiunii constante și contracției conductelor atunci când trece prin ele aerul rece și cald. Fisurile pot duce la un climat supraîncărcat și poate scurta durata de viata a acestora. Controale periodice ale conductelor cu termometre în infraroșu

sprijina detectarea și monitorizarea distribuției temperaturii neechilibrate (creștere sau scădere a temperaturii), ceea ce poate duce la scurgeri, fisuri sau indică izolarea defectă.

4.2.2. Verificarea evacuări pentru sursa de aer si aerului extras

Diferențele de temperatură dintre alimentarea cu aer și aerul extras indică defecțiuni. Intre 10 si 12 K este normal în procesele de răcire. În cazul în care valorile cresc mai mult de 12 K lichidul de răcire s-ar putea să fie prea rece. În cazul în care valorile scad sub 10 K ele indica bobine de refrigerare blocate, unde lichidul de răcire nu poate trece. Temperaturile în sistemele de încălzire pot varia între 15 și 40 K. În cazul în care temperaturile arată o variație mai mare, motivul poate fi blocarea unor filtre sau defecțiuni în schimbătoarele de căldură.

4.2.3. Regularea aerului conditionat dintr-o camera

Inginerul are nevoie de informații detaliate cu privire la distribuția temperaturii în interiorul unei încăperi cu scopul de a dimensiona agregatele climatice sau de a evalua prizele de aer. Cu un termometru infraroșu termometru pereții, tavanele și pardoselile pot fi scanate în câteva secunde. Doar indreptam termometrul la suprafața de măsurare și se afișează temperatura. Cu ajutorul datelor de măsurare inginerii HVAC sunt capabili sa creeze climatul optim. Astfel, condițiile ambientale optime ajută la protejarea aparatelor și instalațiilor și în plus, pot asigura un climat sănătos pentru angajați.

4.2.4. Verificarea arzatoarelor

Măsurarea temperaturii în infraroșu ajută pentru verificarea arzătoarelor a sistemelor de încălzire cu petrol și a cazanelor pe gaz. Rezultatele oferă informații cu privire la sursele de probleme. Temperaturile crescute implică blocarea schimbătoarelor de caldura.

4.3. Aplicații tipice in analiza masinilor

Cel mai important lucru este să se localizeze și să se repare sursele de probleme cât mai repede posibil. In continuare vom vedea cum se pot folosi pirometrele in infrarosuy pentru a preveni schimbarea repetata de componente scumpe ale masinii:

Cu ajutorul pirometrelor infrarosu putem analiza:

– defectiuni ale motorului

– supraîncălzirea convertizoarelor catalitice

– sistemul de management al motorului

– sistemul de aer conditionat

– sistemul de racire

-sistemul de franare.

4.3.1 Verificarea funcționalității frânelor și anvelopelor

Pentru a verifica motivul unui comportament de frânare instabil, se conduce masina drept înainte și apoi se frâneaza. Se masoara instantaneu temperatura tamburilor de frână și a discurilor. Diferențele de temperatură mari indică faptul ca etrierele de franare sunt blocate și pistoane de frână au probleme de funcționare.

4.3.2 Controlul încălzirii

Se verifica temperatura lichidului de răcire la capătul superior al țevii când motorul este cald. În cazul în care temperatura scade sub 95 °C, termostatul nu s-ar mai putea închide. Se iau mai apoi temperaturile de intrare și de ieșire a țevilor peretelui murdarit. O creștere de 20 K este normala. O conductă de evacuare rece arata faptul că nu există lichid de răcire care trece prin sistemul de încălzire. Fie schimbătorul de căldură este blocat sau bobina de control de încălzire este închisă.

Figura 4.3: Verificarea sistemului de incalzire

4.3.3. Analiza sistemului de răcire

Motorul funcționează cald, dar nu se poate găsi o scurgere în sistemul de răcire. Cauzele pentru care ar putea fi diverse: un bloc de radiator blocat, un senzor de ventilator defect, un termostat defect sau un rotor uzat în pompa de lichidului de răcire. Ai verificat deja dispozitivul de răcire, senzorul lichidului de răcire și convertorul catalitic. Termostatul trebuie să fie controlat cu motorul cald intr-o treapta de viteza neutra. Apoi se ia temperatura capătul superior al conductei de răcire și a carcasei termostatului.

Cu motorul atingând o temperatură de 80 până la 105 ° C, termostatul trebuie să se deschidă și ar trebui să se vada o creștere a temperaturii în capătul superior al conductei de răcire. În cazul în care valorile rămân neschimbate, nu există lichid de răcire și termostatul poate fi sursa problemei.

4.4. Online Infrared Thermometers

Senzori de temperatură în infraroșu online sunt aplicabili în scopuri de management al calității în liniile de producție. În plus față de măsurarea temperaturii fără contact și afișarea rezultatelor utilizatorul este capabil să controleze și să gestioneze temperaturile de proces. Gama largă de posibilități pentru a ajusta senzori în infraroșu pentru sarcina de măsurare permite un upgrade ușor în instalațiile de producție existente, precum și în echipamentul planificat pe termen lung în cooperare cu clienții în industria constructoare de masini. Principalele aplicatii sunt:

-Procesarea maselor plastice

– Procesarea sticlei

– Procesarea hartiei

– În instalațiile de imprimare

– La sudarea cu laser și a proceselor de tăiere

– Măsurători ale componentelor electronice

4.4.1 Măsurarea temperaturii pe parcursul solidificării

Tratamentul termic a câștigat o mare importanță în industria metalurgică. Charateristici cum ar fi rezistența la coroziune, magnetism, duritate, ductilitate, rezistență la uzură și rezistenta la rupere poate fi influențată de tratament termic aplicat. Incălzirea prin inducție este un fel de tratament termic. Bucatile de material („workpieces”) sunt aduse într-un câmp electromagnetic puternic, prin urmare, este încălzit și în cele din urmă ingheat într-o textură definită. Este posibil să se definească local adâncimea imprimarii căldurii în material prin controlul frecvenței. Textura structurii metalului vizat depinde de temperatura ideala din timpul procesului . Prin urmare, este important să se monitorizeze permanent temperatura.

4.4.2. Controlul proceselor la termoformarea materialelor („Thermoforming”)

Procesoarele de plastic produc o gamă largă de produse din material plastic cu diferite dimensiuni, grosimi, texturi, culori și modele de imprimare în relief. Producția de produse se realizeaza în cadrul unor procese termice multiple.Termometrele cu infraroșu sunt utilizate pentru măsurarea și controlul temperaturii, în cazul în care sunt cunoscute zonele critice in cadrul procesului. O zonă operațională importantă este instalarea mașinii de termoformare. În cadrul proceselor de termoformare, materialul de bază va fi încălzit cu emițători și omogenizat termic. O configurare corectă a temperaturii de formare și de omogenitate ridicată va duce la procese de formare de înaltă calitate. Termometrele cu infraroșu vor fi setate într-o singură linie la ieșirea zonei de încălzire pentru a monitoriza profilul de temperatură și vizualizarea gradienții de temperatură.

4.4.3. Măsurarea temperaturii în infraroșu în prelucrarea hârtiei și cartonului

Termometrele online in infrarosu sunt folosite pentru a controla temperatura hârtiei online și aplicarea adezivului în timpul productiei de carton ondulat. Viteza mare de producție a hârtiei în instalațiile moderne de laminare necesită un control precis și rapid al temperaturii hârtiei, a adezivului și a produsului de bază. O laminare corectă este posibilă numai în cazul în care echilibrul de temperatură necesară pentru acest proces monitorizat in orice moment.

Figura 4.4: Măsurarea temperaturii în infraroșu în prelucrarea hârtiei și cartonului

Monitorizarea temperaturii și gestionarea temperaturilor mașinilor de imprimat se realizeaza senzori de temperatura in infrarosu miniaturizati. Utilizarea senzorilor de temperatură în infraroșu miniaturizati de-a lungul benzii de hârtie a presei pe role și de-a lungul mașinii de aplicare a adezivului pentru a monitoriza și a gestiona temperaturile necesita un proces de laminare constantă. Epurarea aerului și procesele de curățare pe canalele optice ale senzorilor în infraroșu asigurao măsurare care nu necesită întreținere. Procesarea semnalului inteligent de la senzorii în infraroșu de-a lungul liniei permit o corecție geometrică a procesului de aplicare a adezivului.

4.4.4. Control al temperaturii componentelor electronice în cadrul testelor de funcționalitate

Din ce in ce mai multi producatori de componente electronice și de PCB – uri folosesc măsurari a temperaturii fara contact, în scopul de a monitoriza și verifica comportamentul termic al produselor lor.

Figura 4.5: Măsurarea temperaturii în infraroșu plachetelor si a componentelor electronice

Camerele în infraroșu oferao analiză detaliată în timp real a reacției termice a plăcilor de circuit în cercetare și dezvoltare, precum și în producția de serie. În anumite circumstanțe, un număr mare de producție și numărul tot mai mare de stații de testare și de calibrare a face utilizarea camerelor termice în infraroșu prea scumpa. Senzori de temperatura in infrarosu miniaturizati pot fi folositi pentru monitorizarea în serie a componentelor critice în instalațiile de producție. Rezultatul este imediat comunicat la biroul de testare pentru luarea deciziilor ulterioare. În acest fel, cele mai mici dimensiuni de numai 0,6 mm poat fi monitorizate cu un senzor de temperatura și o lentilă de focalizare instalata.

4.4.5. Monitorizarea temperaturii produsului în procesele de sudare cu laser și de tăiere cu laser

A alătura și a taia cu ajutorul unor laseri pare a fi foarte sofisticat si costisitor. Aceste procese utilizează precizia laserelor și o concentrație de energie ridicată. Mai multă acuratețe pe marginea de taiere si reducerea timpului de retenție, combinate cu o temperatură mai ridicată necesită o manipulare produs de înaltă calitate. Dilatarea în lungime în funcție de modificările de temperatură este un rezultat deteriorarii preciziei. Senzori de temperatură miniaturizati în infraroșu măsoară temperatura produsului la marginea de tăierea sau alăturare foarte repede reacționeaza cu corecția corespunzătoare semnalelor. Senzorul si o lentila optica de focalizare poate măsura puncte mici de doar 0,6 mm. Astfel, inginerii de productie au un sistem de măsurare și control, care funcționează continuu și monitorizează reacțiile de temperatura ale produselor, în scopul de a:

• ajusta calitatea in timpul schimbului de lot reducand timpii morti si materialul de test

• monitoriza si inregistreaza productia lotului

• garanta calitate inata si constanta a procesului

Figura 4.6: Masurarea in infrarosu a proceselor de sudare

4.5. Camere de termoviziune

Pentru a a vedea încălzirea locală și punctele slabe de incalzire în mediul inconjurator se poate folosi tehnologia moderna de imagistica termica. Pe baza tehnologiilor de fabricație mai eficiente pentru senzorii de imagine optici IR, aceste camere au dus la o îmbunătățire drastică a raportului lor preț-performanță. Dispozitivele au devenit tot mai mici, mai robuste și mai economice în consumul lor de energie. De ceva timp, există sisteme de măsurare termographice disponibile, care sunt – similar cu un webcam tradițional – controlat și alimentat numai printr-un port USB.

Figura 4.7: Imager termic cu sursa de alimentare prin USB si vizualizare pe un Tablet-PC

Camerele IR lucreaza similar cu camerele digitale normale: Acestea au o zonă de observare, așa-numitul câmp vizual (FOV), care poate varia în mod tipic între 6 ° pentru un sistem optic telescopic și 48 ° pentru un sistem optic cu unghi larg. Cele mai multe sisteme optice standard, arată un camp vizual de 26 °. Cu cât obiectul este departe, cu atat mai mare va fi zona de observatie. Un lucru bun este că densitatea de radiație este independentă de distanța considerata suficient de mare pentru zona de măsurare. Prin urmare, masuratorile de temperatura nu sunt influențate de distanța până la un obiect de măsurare.

În domeniul infrarosului mediu, radiatia temperaturii poate fi concentrata doar cu dispozitive optice realizate din germaniu, aliaje de germaniu, săruri de zinc sau cu oglinzi de suprafață. Acelea sisteme optice acoperite sunt încă ce reprezintă un factor de cost semnificativ în camerele de termoviziune, in compataie cu dispozitivele optice obisnuite pentru lumina vizbila, care sunt produse in cantitati mari. Ele sunt proiectate ca trei lentile sferice sau ca două lentile asferice aliniate. În special pentru camerele cu optica inlocuibila fiecare dispozitiv optic trebuie să fie calibrat pentru fiecare pixel, pentru de a obține măsurători corecte.

În aproape toate sistemele termografice utilizate în întreaga lume, inima acestor aparate este o matrice plan focal (FPA), un senzor de imagine integrat, cu dimensiuni de la 20.000 pana la un milion de pixeli. Fiecare pixel în sine este un microbolometru de 17 x 17 μ la 35 x 35 μ. Aceste detectoare termice cu grosimea de 150 mm, sunt încălzite prin radiație termică în timpul de 10 ms la aproximativ o cincime din diferența de temperatură dintre obiect și temperatura cipului. Această sensibilitate extrem de ridicată este obtinuta printr-o capacitate termică foarte scăzută si printr-o izolație foarte buna a circuitului de siliciu.

Zona bolometrului trebuie să fie poziționat în aproximativ 2 μm distanță de circuitul citit. Trebuie să fie utilizate tehnici speciale de decapare pentru aplicarea structurii oxidului de vanadiu sau a materialelor de siliciu amorf. Rezistența bolometrului se schimbă cu temperatura intrinsecă a acestuia. Această modificare generează un semnal electric. Convertoare analog – digitale (A / D) rapide pe 14 biți digitizeaza semnalul video amplificat și serializat. O procesare a semnalului digital calculeaza o valoare de temperatura pentru fiecare pixel. În timp real, generează imagini color false cunoscute. Camere de luat vederi termice necesită o calibrare extensivă relativă în care un număr de valori de sensibilitate sunt alocate pentru fiecare pixel la diferite cipuri. Pentru a spori acuratetea de masurare a bolometrului, matricele plan focal ( FPA) sunt adesea stabilizate la temperaturi de cip definite cu precizie mare.

Datorita dezvoltării unei performante mai bune, laptop-uri mai puțin costisitoare si mai mici, UMPC – uri, netbook-uri și tablet PC-uri pot în zilele noastre să se utilizeze:

• afisaje mari pentru prezentarea atractiva a imaginii termice,

• Baterii Li-Ion reincarcabile ca alimentare,

• capacitate de calcul pentru afișajul unui semnal în timp real,

• Memorii mari pentru a inregistra practic nelimitat inregistrari video in infrarosu

• Interfețe Ethernet, Bluetooth, WLAN și interfete software pentru integrarea sistemului termografic în mediul lor de aplicare.

Figura 4.8: Camera infrarosu pe USB

Interfetele USB 2.0 standardizate și disponibile oriunde asigură rate de transmisie de date de:

• 30 Hz, cu o rezoluție a imaginii de 320 x 340 pixeli

• 120 Hz, cu dimensiuni de imagini de 20.000 de pixeli

Anul 2009 a introdus tehnologia USB 3.0 care este potrivita pentru imagini XGA termice de rezoluții până la frecvența video de 100 Hz. În domeniul termografiei utilizarea principiului camerei web permite noi caracteristici ale produsului, cu un raport semnificativ îmbunătățit performanța – preț. Camera în infraroșu este conectata printr-o interfață, în timp real, cu un computer bazat pe Windows, care, în același timp furnizeaza puterea necesară.

Hardware-ul camerelor de luat vederi infraroșu pe USB

În trecut USB-ul a fost văzut ca un mediu de comunicare pur de birou. Dar, utilizarea foarte largă a inițiat o serie de evoluții pentru a îmbunătăți aplicabilitatea industrială și, prin urmare, gradul de utilizare a acestuia a crescut pentru un număr mare de dispozitive USB 2.0, in special camere USB.

Bazat pe lățimea de bandă mare a magistralei USB până la șase camere IR la 120 Hz pot fi conectate printr-un hub standard, printr-un cablu Ethernet de 100 m la un laptop. Legat de rezistenta la apă, vibrații și soc, dispozitivele de imagistica termice sunt certificate „National Electrical Manufacturers Association” (NEMA 4) și, prin urmare, de asemenea, potrivite pentru aplicații pretențioase în cabinele de testare. Dimensiunea de 4 x 5 x 4 centimetri cubi, iar greutatea de 200 de grame reduc efortul pentru realizarea carcaselor de răcire și epurărilor de aer în mod semnificativ.

Din cauza deviatiei termice a bolometrului cu privire la procesarea semnalului, la nivel mondial toate camerele IR comercializate au nevoie de o corecție de echilibru („offset”) la fiecare câteva minute. Această corecție se face printr-o mișcare acționată de un motor a unei bucati de metal înnegrit prin partea din față a senzorului de imagine. Astfel, fiecare element al imagininii se afla la aceeași temperatură. Pe parcursul acestor calibrări de compensare camerele termice sunt oarbe. În scopul reducerii la minimum a acestui efect deranjant corecția de compensare poate fi inițiată printr-un pin de control extern într-un moment potrivit de timp. Camerele termice sunt proiectate pentru a minimiza durata calibrării : In cadrul camerei USB in infraroșu, calibrarea in sine, se face în termen de 250 ms. Acest lucru este comparabil cu durata unei mișcări de clipire pentru ochi și, prin urmare, acceptabila pentru o mulțime de procese de măsurare. În procesele în care punctele fierbinți bruste trebuie să fie detectate, generarea în timp util a unor imagini de referință "bune" pot fi adesea utilizate ca imagini dinamice intermediare.

În special în aplicații în care lasere CO2 de 10,6 μm utilizeaza un sistem de închidere controlat din exteriorul canalului optic este favorabil sa fie conectat un mod de auto-protectie cu semnalizare independenta.

Principalele domenii de aplicare ale dispozitivului de imagistică termică sunt:

• analiza proceselor termice dinamice în timpul dezvoltării produsului,

• utilizarea staționară pentru monitorizarea continuă și controlul procedurilor de încălzire și de răcire

• utilizarea ocazională în întreținerea electrica și mecanica și pentru detectarea scurgerilor de căldură în clădiri.

Procese termice sunt prezentate în câmpul vizual al camerei pentru o perioadă scurtă de timp pot fi analizate în reluare („slow-motion) . După aceea, imaginile unice dintr-o astfel de secvență video pot fi generate în rezoluția geometrică și termică completă. In plus, dispozitivul optic care include un microscop oferă o mulțime de posibilități de a adapta camera la diferite sarcini măsurare. In timp ce 9 ° optice sunt destul de potrivite pentru monitoare de la o distanță mai mare, un accesoriu de tip microscop poate fi folosit pentru a măsura obiecte de dimensiuni de 5,5 x 4,2 m, cu o rezoluție geometrică de 35 x 35 μ.

Imaginile termice pot fi stocate automat pe serverele centrale. Documentatia unei singure piese a lotului vizualizarea altor informatii de temperatura pot fi monitorizate din diferite calculatoare în cadrul unei rețele.

Software-ul de analiza termică garantează flexibilitate

Nu este nevoie de drivere instalate deoarece camerele USB IR folosesc deja drivere video HID pentru standardul USB integrate in Windows XP si windows-urile superioare. Corecția în timp real a datelor video și calcularea temperaturii se face pe PC. Un senzor este suficient pentru 20.000 pixeli si calitatea imaginii este realizata printr-un software bazat pe algoritm complex de randare care calculează matrici de temperatură în format VGA. Software-ul se caracterizează printr-o mare flexibilitate și portabilitate. În afară de funcțiile care sunt standard pentru un software termografic există caracteristici avansate, cum ar fi:

• amestecul de palete de culori scalabile,

• multe date si imagini termice exporta functii a pentru a oferi rapoarte și analize offline,

• se afișează linie orizontală și verticală,

• un număr nelimitat de zone de măsurare cu opțiuni de alarmă,

• afisari video diferite bazate pe imagini referinta,

• diagrame de temperatura / timp pentru anumite zone de interes.

În plus, software-ul oferă un mod care salvează diferite ajustări de afișare. Un software-ul video integrat permite editarea de fișiere AVI radiometrice. Astfel de fișierele pot fi analizate, de asemenea off-line cu multiple în software-ul utilizabile in paralel. Modurile de achiziție video permit de asemenea, înregistrarea intermitentă a proceselor termice lente și afișarea lor rapidă. Transferul de date în timp real, la alte programe se realizeaza printr-un document cuprinzător DLL ca parte a unui kit de dezvoltare software. Prin această interfață DLL toate celelalte funcții ale camerei sunt, de asemenea, controlabile. În mod alternativ software-ul poate comunica cu un port serial. Cu ajutorul acestei legături de date, adaptoare RS422 pot fi conectate direct. În plus, un software-ul specific de utilizator este suportat prin drivere LabVIEW.

Utilizarea camerelor de termoviziune („thermal imagers”) este tot mai importantă pentru întreținerea preventivă. În ceea ce privește anomaliile și funcționarea necorespunzătoare asupra componentelor sensibile și importante,se prezintă adesea cu o radiație de căldură, utilizarea consecventă și dirijată a acestei tehnologii ajută la prevenirea unor costuri ridicate, care ar putea fi rezultatul eșecului mașinii și de producția s-ar opri.

Figura 4.9: Camera de termoviziune

Cele mai recente camere de termoviziune sunt mici, ușoare, sunt ușor de utilizat. Conectat la la un laptop, se poate face o analiza de date pe site, în scopul de a decide cu privire la metodele adecvate de întreținere și pentru a efectua reparații. În conformitate cu rating-ul de mediu IP67 sistemele sunt sigure împotriva influenței mediului înconjurător, cum ar fi praf și stopi de apă și, prin urmare, sunt cel mai bine echipate pentru utilizarea industrială. Camerele de termoviziune masoara temperaturi cuprinse între – 20 și 900 ° C. Acuratețea sistemelor este de ± 2% sau ± 2 ° C a unei citirii. Un meniu logic construit permite ajustarea ușoară a caracteristicilor de bază, cum ar fi alegerea culorilor, punctele de masurare, valorile de alarmă, emisivitatea. De asemenea, ea ajută la organizarea imaginilor și clipurile video termice stocate.

Detectoarele in infrarosu de înaltă calitate de oxid de vanadiu sunt în siguranță împotriva radiațiilor ridicate, luminii orbitoare a soarelui și obiectelor fierbinți, care sunt incluse în mod accidental în imagine. În consecință, măsurătorile pot fi efectuate în condiții de siguranță în exterior și in lumină directă. Evaluarea imaginii de 120 Hz combinata cu o rezoluție termică ridicată, mai mica de 0,08 K ajuta pentru a prinde chiar și mici discrepanțe de temperatură în timp real, chiar și în cazul în care obiectele sunt în mișcare sau sunt ochite obiecte diferite în succesiune rapidă. Din cauza sensibilității termice ridicate detectorului acesta arată împrejurimile obiectelor măsurate în contrast ridicat. Acest lucru ajută la o mai bună orientare in imaginea termica.

4.5.1. Optimizarea proceselor de fabricație

Productia de piese din material plastic, cum ar fi sticle PET necesită o căldură definită din așa-numitele semifabricate pentru a se garanteaza o grosime a materialului omogen în cursul procedurii formarea prin suflare. Se execută de a testare cu doar câteva din blank-uri de 20 de mm grosime cu viteză maximă de lucru de aproximativ 1 m / s. Pentru a măsura profilul de temperatură al unei prefabricate o secvență video cu 120 Hz trebuie să fie înregistrată, deoarece momentul în care aceste blank-uri sunt în câmpul vizual poate varia. Aparatul foto este poziționat în așa fel încât acesta urmareste mișcarea materialului sub un unghi oblic – similar cu vederea ultimului vagon al unui trenin miscare. Secvența video de IR oferă în sfârșit profilul de temperatură, care este important pentru reglarea tuturor parametrilor de încălzire.

Figura 4.10: Analiza video și imagini IR

În timpul formării in vid a pieselor mari din plastic ale frigiderelor video-inregistrarile permit determinarea exactă a comportamentului de răcire la zone parțiale ale pieselor de formă. Vitezele diferite de răcire pot avea ca rezultat o deformare a materialului. De asemenea, optimizarea vitezei de răcire poate evita efectele de memorie din plastic. Aceste efecte ar reprezenta, practic, modificări de formă, după un anumit interval de timp. Similar cu un osciloscop pentru analiza comportamentelor semnalelor electrice, camera video IR este un instrument important pentru a se califica procese termice dinamice.

4.5.2. Inspectia calatorilor bolnavi de H1N1 (se recunoaste prin febra)

Epidemia virusului bolii porcine a dus la cererea la nivel mondial de tehnici de screening adecvate care să permită o detectare rapidă fara contact a călătorilor cu posibile

simptome de febră. Metoda consta in măsurarea temperaturii feței în zona cavității ochiului, si compararea cu temperatura corpului. Deși această metodă nu reprezintă metoda de masurare precisa a febrei, cu toate acestea, este potrivita pentru a observa grupuri de călători. Camerele IR normale au o precizie de plus – minus 2 ° C datorita unor limitari.

Figura 4.11 a) Figura 4.11 b)

Pentru masuratori in domeniul medical această incertitudine nu este suficientă. Ca urmare au fost dezvoltate radiatoare plate de referință mici care să permită, la 34 ° C masurarea radiației temperaturii o precizie de măsurare de 0,2 ° C. Aceste radiatoare sunt poziționate la marginea imaginii IR la aceeași distanță cu suprafața pielii. La baza sistemului de măsurare sta un termometru IR cu 25 mK de rezoluție termica. Valorile efective de temperatură sunt transmise printr-o interfață 4-20mA la portul analogic al camerei IR. Software-ul calculaza în zona respectivă a imaginii o valoare de corecție, care este, de asemenea, utilizata pentru toti celelalti pixeli ale imaginii de măsurare. La temperatura presupusa de febra o alarmă este generată automat și o imagine radiometrica este stocată pentru documentație. Pentru persoanele afectate o măsurare febră cu contact trebuie să fie făcuta, de exemplu, prin utilizarea unui termometru de ureche.

4.5.3. Scanarea în liniile de intarire a sticlei

Dupa ce sticla a fost tăiata in forma finală, adesea suprafata ei trebuie sa fie intarita. Acest lucru se face în cuptoare de intarire a sticlei în care sticlele tăiate sunt încălzite până la aproximativ 600 ° C. După incalzire rolele mobile transportă materialul din cuptor într-o secțiune de răcire. Aici suprafața este răcita rapid cu aceeași viteză. În acest fel, o structură fină cristalină întărită este generată, care este importanta mai ales pentru sticla de protecție. Structura fină și mai ales rezistența de frânare a sticlei depinde de o încălzire uniformă și de modelul de răcire pentru toate zonele parțiale ale materialului de sticlă. Deoarece carcasa cuptorului și secțiunea de răcire sunt situate aproape unul de altul, este posibil să se monitorizeze doar cuptorul. Ca rezultat in imaginea în infraroșu materialul este prezentat doar în câteva rânduri. Software-ul afișează suprafața de sticlă ca o imagine generată de linii sau grupuri de linii. Aceste linii sunt scoase din fiecare 8 ms de înregistrate a imaginii termice. Camera măsoară fanta într-un mod diagonal cu un sistem optic de 48 ° si un câmp de vedere (FOV) de ansamblu de 60 °.

Sticla are emisivitati diferite in functie de straturile de protecție. Un termometru IR măsoară temperatura exactă pe partea neacoperita a suprafețelor, pentru care lungimea de undă optimă este de 5 pm. Acestea sunt transmise la intrarea analogică a camerei. Ca rezultat, o emisivitate corecta se calculează pentru imaginea de ansamblu de măsurare. În cele din urmă acele imagini de măsurare permit o ajustare exactă a tuturor secțiunilor de încălzire în cuptor asigurând o omogenitate termică bună.

Figura 4.12: Măsurarea termica pe o linie de călire de sticlă cu camera IR și pirometru de referință

4.6. Camere Inteligente

Rezultatul temperaturii este afișat pe afisajcu o rezoluție de 0,1 ° C. Apoi, cursoarele marchează punctul de măsurare pe afișaj. Astfel, utilizatorul poate, într-o primă etapă, obține o imagine de ansamblu a cutiei electrice a comutatorului. In a doua etapă, el poate controla componente individuale, cum ar ficonexiunile electrice, contactele sau contactorii și le înregistrează. Obiecte foarte mici, de exemplu circuite sau componente SMD de pe plăcile cu circuite imprimate, sunt mai bine controlate cu un aparat de fotografiat cu infraroșu. Camerele în infraroșu pot fi comutate într-un mod care ajută la găsirea temperaturii maximă: În interiorul unei imagini pătrat definia decupata, toți pixelii sunt detaliati și temperaturile lor sunt afișate pe display. Această funcție foarte utilă deoarece permite determinarea temperaturii obiectelor mici. Opțional la rezultatul maxim, pe display apare, de asemenea, rezultatul minim sau mediu.

Figura 4.13: Controlul temperaturii pe un circuit

Aparatul foto stochează imaginile în infraroșu în format JPG, inclusiv toate datele radiometrice ale fiecărui pixel în scopuri de prelucrare ulterioare sau documentare. O interfață integrata USB acceptă transferul datelor la PC sau laptop. Software-ul furnizat permite analiza rezultatelor.

4.7. Software pentru imagerul termic si solutii termografice

Soluțiile termografice sunt completate cu software-ul pentru afișare video on-line și înregistrarea proceselor termodinamice rapide cu instrumente multiple pentru analiza imaginii. Transferul confortabil și gestionarea datelor din camera infraroșu, precum și analiza ulterioară a datelor radiometrice ale imaginilor în infraroșu ofera procesarea rezultatelor de temperatură. Informații despre temperatură pot fi afișate pentru fiecare pixel de imagine. Se poate face ajustarea ulterioară a culorilor precum și configurarea cu ajutorul paletei de culori pentru a personaliza datele la cerințele analizei.

Figura 4.14: Software pentru imagerul termic

Capitolul 5

Sistem de alarma bazat pe camerele de termoviziune

sau drona de spuraveghere pe timp de noapte dotata cu camera termala

Concluzii

Noua tehnologie de imagistica IR reprezintă o noutate în ceea ce privește flexibilitatea și lățimea aplicațiilor sale posibile. In afara de analize de temperatură sofisticate atunci când

conectat la tablet PC-uri, dispozitivul poate fi folosit pentru a rezolva sarcini simple de întreținere. Datorită interfeței standard USB al sistemului de măsurare poate fi conectat cu PC în orice moment.

Măsurarea temperaturii fara contact se bazează pe principiul conform căruia toate corpurile emit radiației termică în raport cu temperaturilelor. Senzorii cu infraroșu sunt capabile să detecteze radiația termica de intrare și sa determine la ce nivel este. Nivelul de radiații este utilizat pentru a măsura temperatura punctului de contact sau a conductorului.

Bibliografie

Anexa 1

The pyroelectric ear thermometer’s analog input circuitry and dual-slope ADC. Calibration is done using several adjustment pots.

Anexa 2

Emissivity Tables