Bezdotykové meranie teploty
Bezdotykové meranie teploty |
|
| Pátek, 08. srpen 2014 |
|
Pri bezdotykovom meraní teploty sa využíva vyžarovanie v infračervenej oblasti tepelného žiarenia meraného telesa. V rozsahu teplôt od – 40 °C vyššie vyžaruje každý predmet infračervené žiarenie o vlnovej dĺžke od 0,8 do 30 µm. Prístroje, ktoré určujú teplotu vyhodnotením tepelného žiarenia, sa nazývajú pyrometre. Ich základ tvoria snímače infračerveného žiarenia, ktoré sa podľa princípu funkcie delia na kvantové a tepelné .Kvantové snímače využívajú k vyhodnocovaniu infračervenej oblasti žiarenia fotoelektrického javu v polovodičoch. Senzor je tu fotodióda, fotoodpor alebo fotoelektrické články. Kvantové snímače majú rôznu citlivosť na jednotlivú vlnovú dĺžku žiarenia, majú malú časovú konštantu a vysokú citlivosť. Tepelné snímače zvyšujú svoju teplotu vplyvom dopadajúceho žiarenia bez ohľadu na jeho vlnovú dĺžku. Ako senzory používajú termoelektrické články zapojené obvykle do sériových batérií, termistory, pyroelektrické senzory apod.
1.1 Ručné pyrometre a stacionárne pyrometre Ručné pyrometre sa navzájom odlišujú svojimi vlastnosťami, medzi ktoré patrí hlavne veľkosť meraného bodu v závislosti na vzdialenosti meraného objektu a teplotnom rozsahu pyrometra. Ďalšie vlastnosti poukazujú na spôsob prezentácie údajov, možnosti ukladania hodnôt, meracie funkcie atď. Stacionárne bezkontaktné pyrometre nachádzajú najväčšie uplatnenie pri kontrole kvality výroby v mnohých oblastiach priemyslu.
Hlavne sa používajú pre trvalé sledovanie a následné vyhodnotenie zmien teploty meraného objektu. Pomocou analógového výstupu (mV alebo mA) možno tieto pyrometre prakticky pripojiť na akékoľvek vyhodnocovacie zariadenie, medzi ne patrí aj sada voliteľných monitorov, ktoré sú ponúkané výrobcom. Tiež ich možno s použitím príslušného softvéru nastavovať a merané dáta snímať do externého počítača (napr. pre štatistický rozbor a pod.). V ponuke je široký výber snímačov, ktoré sa navzájom odlišujú svojimi vlastnosťami, medzi ktoré patrí hlavne veľkosť meraného bodu v závislosti na vzdialenosti meraného objektu a teplotný rozsah pyrometra. Tiež je v ponuke široká škála pyrometrov (i mnoho príslušenstva aj pre špeciálne účely), ktoré sú schopné pokryť akúkoľvek požiadavku na meranie. Pyrometre slúžia pre jednoduché priemyslové aplikácie bezdotykového merania teploty. Jeden pyrometer nevytvára tepelný obraz, ale určí teplotu v danej oblasti. Spojením niekoľkých pyrometrov však už možno vytvoriť jednoduchý tepelný obraz v pomerne prijateľných ekonomických reláciách (obr. 3).
Obr. 3 Príklad meracieho systému s niekoľkými pyrometrami Ako už bolo vyššie uvedené, samostatnú skupinu prístrojov pre bezdotykové meranie teploty tvoria snímače teplotného poľa. Pre snímanie teplotného poľa sa používa tzv. termovízia. Termovízia prevádza dopadajúce infračervené žiarenie na obrazový signál. Ten sa zobrazuje na obrazovke v niekoľkých farbách, z nich každá vykresľuje zvolený teplotný rozsah. Použitie rôznych farieb tak umožňuje selektívne rozlíšenie teplotných polí. 1.2 Vytvorenie obrazu rôznych objektov prostredníctvom infračerveného žiarenia Vytvorenie obrazu rôznych objektov infračerveným žiarením, ako sa v ďalšom zmienime, má veľký praktický význam pre vedecké a technické účely. Túto úlohu môžeme realizovať buď prostredníctvom merania infračerveného žiarenia, vysielaného slabo nahriatymi telesami (na čo sa využíva napr. envaporografická metóda, metóda televízneho rozkladu infračerveného obrazu atď.), alebo prostredníctvom zviditeľnenia infračerveného žiarenia, vysielaného technickým zdrojom žiarenia, ktoré sa odráža od rôznych objektov (na čo sa používa fotografia infračerveného obrazu, elektrónový obrazový menič, obrazové elektrónky atď.). Rôzne prístroje podľa princípu činnosti a vyhotovenia, môžeme klasifikovať v zmysle schémy uvedenej na obr. 4. V ďalšej časti sa veľmi stručne zmienime o metódach a zariadeniach, ktoré sa používali prípadne ešte používajú na vytvorenie infračerveného obrazu, pričom pracujú bez rozkladu a rozkladové prístroje, ktoré pracujú s rozkladom elektrónovým lúčom (vidikon) a svetelným zväzkom (termikon).
Elektrónový obrazový menič (EOM). Tento predstavuje vákuové zariadenie, ktoré premieňa optický obraz, vytvorený infračerveným žiarením, prostredníctvom elektrónového medziobrazu na viditeľný obraz. Poznáme napr. jednokomorový, dvojkomorový apod. Evaporografy. V šestdesiatych-sedemdesiatych rokoch bolo vyrobených niekoľko typov týchto infračervených pyrometrov v USA a bývalom. Meranie rozloženia teplôt pomocou envaporografa je založené na porovnávaní žiarenia čierneho telesa s premennou teplotou a meraného objektu, napr. metódou interpolácie. Fotografovanie infračerveného obrazu. Fotografovanie v infračervenej oblasti umožnilo riešiť celý rad vedeckých, technických ale i umeleckých úloh. Fotografovanie infračervenými lúčmi je založené na tom, že sa pri tejto fotografii použijú negatívne materiály s citlivou vrstvou na toto žiarenie. Pritom sa viditeľné žiarenie, ktoré sa šíri od objektu, potláča vhodnými svetelnými filtrami. Infračervená fotografia sa realizuje pomocou obyčajných alebo špeciálnych fotoaparátov. Obrazové meniče s posuvom absorpčnej hrany a kvapalnokryštalické. Tieto prístroje sa používali najviac v laboratórnych podmienkach na rovnaké účely ako evaporografy, t.j. používali sa ako plošné pyrometre, ktoré vytvárajú obraz rozloženia teplôt na ploche meraného objektu. Objektívom je vytvorený infračervený obraz objektu na citlivej dvojvrstve, t.j. absorpčnej a indikačnej vrstve. Prístroje s rozkladom elektrónových lúčov (vidikon). Základným prvkom snímacej elektrónky je citlivý terč na infračervené žiarenie fotoelektricky vodivá rozkladová elektróda, ktorá má mať veľký merný elektrický odpor, ktorý je nevyhnutný na zaznamenávanie informácie. Terče v infračervených vidikonoch tvoria naparené vrstvy z PbO a PbS vo vákuu. Pritom kysličník olovnatý zvyšuje ionizačnú energiu PbS. Zároveň sa vo vrstve realizujú potenciálové bariéry typu PN prechodov.
Obr. 5 Krivka spektrálnej citlivosti infračerveného vidikona
Prístroje s rozkladom svetelných zväzkov (termikon). Termikon predstavuje infračervený obrazový menič – vákuovú banku. Vnútri snímacej elektrónky je umiestnená rozkladová elektróda – veľmi tenká platnička, pokrytá na jednej strane vrstvou pohlcujúcou infračervené žiarenie a na druhej strane zvláštnou fotokatódou. Fotoelektrická emisia tejto fotokatódy je úmerná zmene teploty. Rozlišovacia schopnosť termikona ale nie je veľká. 1.3 Prístroje s opticko-mechanickým rozkladom Rozklad predstavuje postupnú prehliadku jednotlivých bodov objektu, a to v riadkoch, ako pri televíznom snímaní obrazu. Z celej skupiny úloh, ktoré sa riešia rozkladovými prístrojmi, uvádzame tu v krátkosti len meranie žiarivých polí. Pri väčšine nahriatych telies sú tieto polia dvojrozmerné. Informácie o žiarivých poliach, získané meracím systémom (pyrometrom, termovíznou kamerou), obyčajne predstavuje obraz rozloženia teplôt meraného objektu na tienidle obrazovky, pričom jasy jednotlivých bodov obrazu objektu sú úmerné žiare zodpovedajúcich bodov meraného objektu. Ďalej nasleduje spracovanie zviditeľného infračerveného obrazu rozloženia teplôt na ploche meraného objektu. V prístrojoch s opticko-mechanickým rozkladom je snímanie jednotlivých bodov objektu uskutočňované zmenou smeru optickej osi prístroja Pritom okamžité zorné pole prístroja postupne zobrazuje všetky body (plôšky) objektu, vysielajúceho infračervené žiarenie, a to v dráhe, ktorá je vopred stanovená konštruktérom. Dráhy rozkladu infračerveného obrazu bývajú rôzne a sú uskutočňované zmenou smeru optickej osi sústavy, ktorá sa realizuje optickými časťami prístroja – otočnými alebo kolísavými zrkadlami, hranolmi atď. Zrkadlo, otočné okolo jednej osi, rozkladá body objektu v riadku alebo po obvode kruhu. Ak použijeme kolísanie zrkadla okolo dvoch osí, dostaneme sieťkový rozklad, a ak použijeme sústavy zrkadiel, optické hranoly, kliny atď., dostaneme zložitejší krivočiary rozklad. V súčasnosti je opísaných pomerne veľa rôznych konštrukcií rozkladových pyrometrov s opticko- mechanickým rozkladom. Ako príklad uvedieme dve skupiny starších infračervených pyrometrov. 1.3.1 Termografická komora švédskej firmy AGA Tento prístroj (obr. 6) sa skladá z optickej hlavice, v ktorej je umiestnená optická sústava, snímač žiarenia, predzosilňovač a elektromotory rozkladového systému, a z indukčného bloku, v ktorom je rozložený oscilograf, blok elektronického riadenia a napájací blok . Ako snímač žiarenia 9 sa používa fotodióda z InSb chladená skvapalneným dusíkom. Rozmer plochy citlivého článku ac je určený vstupným otvorom clony chladiaceho zariadenia, ktorej priemer d ≈ 0,5 mm (ac ≈ 0,19 mm2). Hlavná optická sústava komory sa skladá z guľového zrkadla 12 s centrálnym otvorom (priemer zrkadla D ≈ 195 mm, ohniskovej vzdialenosti f ≈ 350 mm) a kolísavého rovinného zrkadla 1 (priemer D1 ≈ 71,4 mm). Optická sústava vytvára obraz objektu v rovine rozloženým vo vnútri otočného germániového hranola 13. Proces vodorovného rozkladu sa realizuje následným spôsobom. V polohe a hranola (obr. 7) na snímač dopadá žiarenie, ktoré vychádza z bodu 1 obrazu. Po otočení hranola do polohy b na snímač dopadá žiarenie z bodu 2, ktorý je rozložený v strede obrazu. V polohe c na snímač dopadá žiarenie, ktoré vychádza z bodu 3 obrazu, ktorý je rozložený v strede obrazu. V prípade c na snímač dopadá žiarenie, ktoré vychádza z bodu 3 obrazu, ktorý je rozložený súmerne s bodom 1. Takto otočný hranol uskutočňuje taký istý horizontálny rozklad v riadku, ako by nastal pri rýchlom spiatočno-postupujúcom pohybe snímača v smere čiary 1-2-3.
Pri každom plnom otočení hranola sa rozkladá na 8 čiar. V uvažovanej komore b hranol robí 200 otáčok za sekundu, teda za 1 sekundu optická sústava rozkladá 1600 čiar. V optickej hlavici sú umiestnené tri elektromotory: jeden z nich uskutočňuje kolísavý pohyb rovinného zrkadla 1, druhý otáčanie germániového hranola, tretí fokusovanie optickej sústavy (pomocou premiestňovania rovinného zrkadla pozdĺž osi sústavy) na vytvorenie ostrých obrazov pri vzdialenosti objektov od 2 do 6 m alebo od 4 m do nekonečna. Motor, ktorý uskutočňuje fokusovanie optickej sústavy, sa ovláda prepínačom, ktorý sa nachádza v indikačnom bloku. Signál na výstupe snímača sa zosilňuje predzosilňovačom 8 po hodnotu, nevyhnutnú na prenos káblom z optickej hlavice k indikačnému bloku. Predzosilňovač je zapojený v diferenciálnej schéme, používa kremíkové tranzistory osadené na platničke s plošnými spojmi, ktorá je uložená v kovovom tienidle a rozložená v bezprostrednej blízkosti snímača. Signály synchronizácie obrazového a riadkového rozkladu sú vytvorené pomocou modulátorov, ktoré periodicky prerušujú svetelný tok vysielaný osvetľovacími žiarovkami. Tento svetelný tok sa privádza na fotodiódy 4 a 5. Synchrónne signály uvažovaných fotodiód sa privádzajú na zosilňovač. Celé zariadenie základného signálu, zosilňovania, zavedenie pomocných signálov, zvislé a vodorovné vychyľovanie snímacieho lúča atď. je sústredené v bloku elektronického riadenia. V tom istom bloku sú vytvorené indikačné záblesky na obrazovke – značky stupnice citlivosti, záblesk sivej poltónovej tepelnej stupnice, značky hladiny vyznačenej izotermy atď. Charakteristické údaje termografickej komory AGA:
Teplotný obraz na vhodnej obrazovke je v skutočnosti pozbavený mihania, umožňuje prehliadku snímku za 1/16 s. Pri expozícii, ktorá trvá 1 s, snímok termografickej komory obsahuje 1600 riadkov, mierne posunutých vo zvislom smere, a preto získavame obraz, na ktorom jednotlivé riadky nie sú pozorované. Veľkosť obrazu pri užitočnom rozmere obrazovky 50 × 60 mm2 je vhodná na prezeranie jedným operátorom zo vzdialenosti 25 cm. Zároveň prístroj používa obrazovku, na ktorej vytvorí obraz veľkosti 150 × 180 mm2, ktorý je vhodný pre priame pozeranie skupinou pozorovateľov. 1.3.2 Infračervené mikropyrometre Prístroje tejto skupiny sú určené na bezdotykové meranie žiarivých polí objektov veľmi malých rozmerov, hlavne na určenie teplôt výrobkov mikroelektronického priemyslu. Ako príklad z tohto odboru možno uviesť niektoré integrované obvody, ktorých veľkosť pozorovanej plochy dosahuje 1 mm2 a menej, pričom na týchto blokoch sú zapojené stovky diód, tranzistorov, odporov atď. a elektrické spoje predstavujú tenké vrstvy, ktorých šírka je niekoľko mikrometrov. Na porovnanie týchto výrobkov musí mať prístroj vysokú rozlišovaciu schopnosť rádovo 20 až 100 µm. Inými slovami, v mikropyrometroch treba použiť optiku, podobnú optike mikroskopov. Pritom je potrebné, aby optika mikropyrometra bola zrkadlová s konštantnou ohniskovou vzdialenosťou (ako v mikroskopoch). Pri prezeraní objektu zaostrovanie sa robí zmenou vzdialenosti medzi objektom a objektívom prístroja. Mikropyrometer sa skladá z dvoch základných blokov:
Uvedené infračervené pyrometre sa používajú na určenie teplôt integrovaných obvodov a iných výrobkov mikroelektronického priemyslu. Charakterizujú sa týmito údajmi : tepelná rozlišovacia schopnosť je 0,5 až 1 °C (pri teplote 300 K), lineárne rozlišovanie je do 20 µm, rýchlosť rozkladu až 100 čiar/s, podrobnosti snímky až 100 čiar a viac, optické zväčšenie je 7,6 až 14, hĺbka ostrosti ± 20 µm. Na obr. 8 je fotografia hlavy zhotovená termografickou komorou (a) a obyčajná mikrofotografia (b) (pri zväčšení 50 - krát) integrovaného obvodu s rozmermi 1 × 1 mm2. Biele oblasti na snímkach charakterizujú úseky s najväčšou intenzitou vyžarovania. Pri známej emisivite žiarenia prvkov objektu možno určiť pomocou sivej stupnice teploty jednotlivých bodov objektu.
|
