Pomiar temperatury z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego

Fot. 1. Ręczny czujnik temperatury

Zakres promieniowania podczerwonego, które jest niewidoczne dla ludzkiego oka, wynosi od 0,7 do 1000 μm. Wykorzystując soczewki, można go rozpraszać oraz skupiać. Można je odbijać również za pomocą lustra. Dla pomiarów temperatury w zakresie podczerwieni interesujący jest zakres liniowy od 1 do 14 μm.

Czujniki bezkontaktowe mogą być stosowane do pomiaru temperatury obiektów poruszających się, bardzo gorących lub trudno dostępnych. Podczas gdy kontaktowy czujnik temperatury lub sonda mogą wpłynąć na temperaturę obiektu badanego, metoda bezkontaktowa zapewnia bardziej precyzyjny pomiar.

Zastosowanie bezkontaktowych czujników podczerwieni możliwe jest również dla bardzo wysokich temperatur, przy których czujnik kontaktowy lub sonda dotykowa ulegałyby zniszczeniu lub degradacji.

W automatyce przemysłowej czujniki podczerwieni umożliwiają ciągłe monitorowanie temperatury. Inteligentne systemy cyfrowe pozwalają na programowanie czujników na odległość oraz realizują transmisję danych online i zapewniają rejestrację danych pomiarowych.

Zasada pomiaru temperatury z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego

Fot. 2. Kamera termowizyjna TIM200

Promieniowanie podczerwone jest emitowane przez każde ciało, którego temperatura jest wyższa od zera absolutnego. Czujniki podczerwieni skupiają emitowane promieniowanie na jednym lub kilku detektorach. Energia promieniowania podczerwonego jest w detektorze przekształcana na sygnał elektryczny po uwzględnieniu emisyjności obiektu.

Na podstawie tej oceny zmierzona temperatura może być prezentowana np. na wyświetlaczu. Wszystkie ciała emitują promieniowanie podczerwone, wydzielając je, odbijając z otoczenia lub transmitując przez własną strukturę. Sposób, w jaki różnorodne czynniki wchodzą w interakcję, zależy od materiału obiektu pomiarowego.

Do pomiarów istotne jest tylko promieniowanie wydzielane. Wzajemna zależność indywidualnych emisji jest opisana przez zdolność emisyjną. Przy założeniu, że ciała stałe nie przepuszczają promieniowania, ich transmisja jest zerowa. Emisyjność jest wtedy funkcją temperatury ciała i częstotliwości emitowanego promieniowania.

W przypadku obiektów połyskliwych i metali promieniowanie z otoczenia jest silnie odbijane przez ich powierzchnię. W przeciwieństwie do tego np. odzież czy czarne matowe powierzchnie są w małym stopniu odblaskowe i bardzo dobrze nadają się do bezkontaktowych pomiarów temperatury.

Podsumowując - intensywność promieniowania danego ciała zależy od jego temperatury i emisyjności. Dla standardowych czujników temperatury emisyjność może być regulowana pomiędzy 0,1 i 1,0, co pozwala na pomiary temperatury różnych obiektów.

Budowa czujników podczerwieni

Fot. 3. Przykład termogramu obrazującego nawijanie gorących arkuszy metalu na szpule

Czujniki podczerwieni nie różnią się znacząco w swojej podstawowej konstrukcji. Ważnym, integralnym elementem wpływającym na rozdzielczość i rozmiar plamki pomiarowej dla określonych odległości są soczewki skupiające strumień promieniowania na detektorze podczerwieni. Określa to również relację rozmiaru plamki pomiarowej do odległości od czujnika.

Istnieją trzy typy obiektów fizycznych przetwarzających promieniowanie na prąd elektryczny: bolometr, stos termoelektryczny i detektor kwantowy. Kolejnym elementem toru pomiarowego jest przetwornik A/C, w systemie znajduje się też moduł zasilający. Bolometr jest przyrządem czułym na podczerwień, pracującym w oparciu o zmianę wewnętrznej rezystancji.

Zasada działania stosu termoelektrycznego jest oparta na zjawisku Seebecka. Polega ono na powstawaniu siły elektromotorycznej w obwodzie zawierającym dwa metale lub półprzewodniki ze złączami znajdującymi się w różnych temperaturach.

Z kolei detektory kwantowe zliczają elektrony wzbudzone padającymi na ich powierzchnię fotonami (co daje sygnał cyfrowy) lub sumują je w czasie trwania ekspozycji, zamieniając na sygnał analogowy, np. natężenie prądu. Istotny podczas pomiarów jest również rozmiar badanego obiektu.

Aby możliwe było wykonanie dokładnych pomiarów, obiekt ten musi być przynajmniej tak duży, jak plamka pomiarowa. Jeżeli będzie mniejszy, czujnik odbierze również promieniowanie podczerwone tła i pomiar nie będzie miał żadnej wartości.

Różne urządzenia i czujniki temperatury

Fot. 4. Obraz termograficzny urządzenia elektronicznego

Urządzenia ręczne i stacjonarne różnią się możliwościami. Te pierwsze, bardziej odpowiednie do szybkich, sporadycznych pomiarów są często stosowane w utrzymaniu ruchu oraz do zadań kontrolnych. Najprostsze urządzenia produkcji firmy Micro-Epsilon cechują się zakresem pomiarowym od -32 do +420°C. Generuje pojedynczą plamkę pomiarową laserową.

Bardziej zaawansowany model thermoMETER LS o zakresie pomiarowym od -35 do +900°C generuje 4 plamki pomiarowe, co jest szczególnie korzystne przy pomiarach temperatury małych obiektów. Pirometry stacjonarne zapewniają większą klasę dokładności. Do standardowych zastosowań rekomendowane są przyrządy serii thermoMETER CT znajdujące zastosowanie we wszystkich gałęziach przemysłu.

Umożliwiają one pomiar temperatury w zakresie od -50 do +1600°C, mogą być stosowane także w strefach zagrożonych wybuchem. Miniaturowe czujniki ze zintegrowanym kontrolerem noszą nazwę thermoMETER CS lub CSmicro. Jeżeli istnieje potrzeba wskazania miejsca pomiaru przez dwa punkty laserowe, należy zastosować czujniki serii thermoMETER CTlaser.

Oba promienie lasera znakują rzeczywiste miejsce pomiaru na każdym dystansie, przez co unika się błędów związanych z nieprecyzyjnym określeniem odległości. Stacjonarne czujniki temperatury różnią się obszarem zastosowań. Dostępne są wykonania specjalne o krótkim czasie odpowiedzi dla bardzo szybkich procesów.

Istnieją również modele przystosowane do pracy w temperaturze otoczenia do 250°C oraz przeznaczone do branży metalurgicznej, pracujące na określonej długości fali. W ofercie Micro-Epsilon dostępne są również niewielkie kamery termowizyjne przeznaczone do zastosowań stacjonarnych w aplikacjach obrazowania termicznego.

Kamery thermoIMAGER 400 i thermoIMAGER 450 cechuje rozdzielczość 382 × 288 pikseli, a nowy detektor zapewnia czułość na poziomie 80 mK (TIM 400) i 40 mK (TIM 450), co pozwala na wykrywanie bardzo małych zmian temperatury. Urządzenia te są również odporne na warunki środowiskowe, w tym cechują się stopniem ochrony IP67.

Szeroki obszar zastosowań czujników podczerwieni

Pomiar temperatury jest bardzo często wykonywany w warunkach przemysłowych. Czujniki podczerwieni są polecane do zastosowań głównie tam, gdzie temperatura jest kluczowym parametrem procesu produkcji.

Przykładem może być wykrywanie defektów w łożyskach, monitorowanie temperatury komponentów w przemyśle elektronicznym, pomiar temperatury produktów w przemyśle spożywczym czy pomiar temperatury nawijanych na szpule gorących arkuszy metalu.

Poza produkcją urządzenia te doskonale sprawdzają się w badaniach naukowych, medycynie, przemyśle wojskowym oraz w diagnostyce urządzeń mechanicznych, obwodów elektrycznych i budynków.

P.P.H. WObit E. K. J. Ober s.c.
www.wobit.com.pl