Az infravörös hőmérsékletmérés alapjai

Tartalom

Bevezetés

Ez az anyag azok számára készült, akik még nem kerültek kapcsolatba a non-kontakt, infravörös elven nyugvó hőmérsékletméréssel. Komoly gondot fordítottunk arra, hogy a témát a lehető legtömörebben és legegyszerűbben járjuk körbe. Azok az olvasók, akik alaposabban szeretnének megismerkedni az infravörös hőmérsékletméréssel, tájékozódhatnak a témával foglalkozó szakmai cikkekből. Az anyag a non-kontakt hőmérsékletmérés gyakorlati megközelítésére fókuszál, és az itt felmerülő kérdésekre ad választ.

Ha Ön a későbbiekben tervezi a non-kontakt hőmérsékletmérés alkalmazását, és további kérdése van a témával kapcsolatban, kérem, küldje el az anyag végén található kérdőívet!

1 fejezet: Az infravörös hőmérsékletmérés alkalmazásának előnyei

A hőmérsékletmérés a fizikai mennyiségek mérései közül az idő mérése után a leggyakrabban alkalmazott mérés. A hőmérséklet nagyon fontos szerepet játszik mint mutatószám a termékek, gyártmányok, munkadarabok viselkedésében, úgy a gyártásban, mint az ellenőrzésben. A pontos hőmérsékletmérés növeli a termék minőségét és javítja a termelékenységet. A gyártási folyamat kényszerű leállásai minimális időtartamra csökkenthetők.

Az infravörös technológia nem egy teljesen új találmány.  Évtizedek óta sikerrel alkalmazzák az iparban és a kutatásban. Új felfedezések, alkalmazások csökkentették az árakat, növelték a megbízhatóságot, melyek végeredményeként az infravörös alkalmazások során kisebb méretű, olcsóbb készülékeket lehet használni. Mindezen összetevők ahhoz vezettek, hogy az infravörös technológia vonzóvá vált új alkalmazások és a felhasználók számára is.

Mik az előnyei a non-kontakt hőmérsékletmérésnek?

1.       Gyors mintavétel (mikroszekundum nagyságrendű), így időt lehet megtakarítani, egységnyi idő alatt több mérést tesz lehetővé (pl. hőtérképet lehet készíteni).

2.       Mozgó tárgyakon is lehetővé teszi a hőmérsékletmérést.

3.       A mérések olyan helyeken is lehetővé válnak, ahol egyébként az életveszély vagy a nehéz hozzáférés miatt eddig lehetetlen volt a mérés (nagyfeszültség, nagy mérési távolságok, magas hőmérséklet).

4.       Magas hőmérséklet mérése is lehetővé vált (egészen 3000°C-ig)

5.       Nem keletkezik interferencia. A mért tárgy nem veszít hőmérsékletéből. Pl. a csekély hővezető képességgel rendelkező anyagok, mint a műanyag, fa hőmérséklete is nagy pontossággal mérhető. Nincs a mért értékek között nagy szóródás.

6.       Nem jár roncsolással, nincs mechanikai sérülésveszély a mért tárgy felületén. Lakozott vagy puha felületek mérése is lehetséges.

Miután felsoroltuk az infravörös mérés alkalmazásának előnyeit, marad a kérdés, mit kell szem előtt tartani, amikor az IR mérési elvet alkalmazzuk:

1.       A mérendő célnak láthatónak kell lenni. Amikor a műszer és a mérendő tárgy közé por vagy füst kerül, a mérési eredmény pontatlanná válhat.

2.       Az érzékelő optikáját védeni kell por és kicsapódó gőzök ellen (a gyártótól rendelhetők ezek a kiegészítők).

3.       Csak felületen lehet hőmérsékletet mérni, a különféle anyagú felületek eltérő emissziójának figyelembevételével.

Összefoglaló:

A non-kontakt infravörös hőmérsékletmérés előnye a gyorsaság, az extrém körülmények közötti biztonságos mérés, az interferencia hiánya és az a képesség, hogy magas hőmérsékleten (egészen 3000ºC-ig) is lehet hőmérsékletet mérni. Figyelembe kell venni, hogy csak felületek hőmérsékletét lehet megmérni!

2. fejezet: Az infravörös mérési elv

Az infravörös hőmérsékletmérőt az emberi szemhez lehet hasonlítani.  A szemlencse képviseli az optikát, amin keresztül a sugárzás (fotonok áramlata) a mérendő objektumról érkezve eléri a fényérzékeny felületet (retina). Itt átalakul egy olyan jellé, amit fogad az agy.
Az 1. sz. ábra mutatja a mérési rendszer folyamatábráját:

1. ábra

2.1 A céltárgy

Minden anyag bocsát ki infravörös sugárzást, amennyiben a hőmérséklete abszolút 0 fok (-273°C) felett van, és a sugárzás mértéke függ a test hőmérsékletétől.

Ezt nevezzük jellemző vagy karakterisztikus sugárzásnak, melynek az oka a molekulák anyagon belüli mozgása.  Ennek a mozgásnak az intenzitása az objektum hőmérsékletétől függ. Mivel a molekuláris mozgás töltéssel rendelkező részecskék elmozdulásával jár, a test elektromágneses sugárzást (foton részecskéket) bocsát ki. Ezek a fotonok a fény sebességével mozognak és a fénytan alapelveinek megfelelően viselkednek. El lehet őket téríteni, fókuszálni lehet őket lencsével, vagy vissza lehet őket verni egy visszaverő felületről. Ennek a sugárzásnak a spektruma 0,7-től 1000 μm hullámhosszig terjed, ebből kifolyólag saját  szemünkkel nem érzékeljük. Ez a spektrális tartomány a látható fénytartományon belül a vörös tartományába esik, ezért a latin eredetű előtaggal infravörös fénynek nevezik (2. ábra).

2 ábra :

Az elektromágneses spektrum a 0,7-14 μm tartományban hasznos a mérési folyamatok számára.

A 3. ábra a testek tipikus sugárzását mutatja különféle hőmérsékleteken. Ahogy az ábrán megfigyelhetjük, az anyagok magas hőmérsékleten kis mennyiségű látható fényt is kibocsátanak. Ez magyarázza a magas hőmérsékleten (általában 600°C-tól) látható vörös és fehér közötti izzást. Gyakorlott kohászok a fénye alapján nagy pontossággal meg tudják becsülni a fémek hőmérsékletét. A klasszikus filament pirométert már a 1930-as években alkalmazták az acél- és fémkohászatban, jóllehet a spektrum nem látható része 100.000-szer nagyobb energiát tartalmaz, mint a látható rész. Az infravörös méréstechnika a spektrum emberi szem által nem látható része alapján méri a hőmérsékletet. Megfigyelhető a 3. ábrán, hogy a sugárzás maximuma a rövidebb hullámhosszú tartomány felé tolódik el a hőmérséklet emelkedésével, és a test különböző hőmérsékleteken felvett görbéi nem metszik egymást. A kisugárzott energia az egész hullámhossz tartományban (az egyes görbék alatti terület) a hőmérséklet 4. hatványával arányosan növekszik. Ezeket az összefüggéseket Stefan és Boltzmann fedezte fel 1879-ben, mellyel igazolták, hogy egy test hőmérséklete egyértelműen meghatározható az általa kibocsátott sugárzás alapján.

3. ábra

A 3. ábra görbéi alapján a fejlesztők célja az, hogy az IR hőmérőt minél szélesebb hullámhossztartományra állítsák azért, hogy a lehető legtöbb kisugárzott energiát (görbék alatti terület) tudják összegyűjteni. Azonban vannak olyan esetek is, amikor ez a mérés szempontjából előnytelen. 2 mikron hullámhossznál - 10 mikronnal összevetve - a sugárzás intenzitása a hőmérsékletnél jóval gyorsabban növekszik. Minél nagyobb a sugárzásváltozás - hőmérsékletváltozás hányados, annál nagyobb pontossággal mér az IR hőmérő. Az emelkedő hőmérséklettel a sugárzási maximum a rövidebb hullámhosszak felé tolódik el (Wien eltolódási törvény), ennek megfelelően az infravörös hőmérsékletmérő hullámhossztartományát a mérni kívánt hőmérséklettartománynak megfelelően kell beállítani.

Alacsony hőmérsékleten (600ºC alatt) egy 2 μm-en működő IR hőmérő nem mér, mert nincs, vagy túl kicsi az adott hullámhosszon kibocsátott energia. Egy másik ok, ami miatt különböző hullámhosszokon érzékeny műszerekre van szükség, az az, hogy léteznek úgynevezett "nem-szürke" anyagok (üveg, fémek, műanyag filmek). Az elméletekben általában egy ideális, "fekete test" szerepel, ugyanakkor a valóságos testek nagy része adott hőmérsékleten annál kisebb sugárzást bocsát ki. A valós és a fekete test sugárzása közti különbséget az emissziós tényezővel lehet kifejezni, melynek jele: ε (epszilon), értéke elméletileg 0 és 1 között lehet (fekete test: ε=1 ). Szürke testeknek nevezik azokat a testeket, melyeknek az emissziós tényezője kisebb 1-nél. Azokat a testeket, melyeknek a kibocsátása a hőmérséklettől és a hullámhossztól is függ, nem-szürke testeknek nevezik.

Az emisszió (kibocsátás) felírható egy összegként is, melyben a tagok az elnyelés (absorption: A), a visszaverés (reflection: R) és az áteresztés (transmission: T).

A+R+T=1 (4. ábra)

4. ábra: A mérést befolyásolhatja az átengedett és a visszavert sugárzás is

A tömör tárgyaknak nincs átbocsátó képességük az infravörös tartományban (T=0). A Kirchhof törvény alapján feltételezhetjük, hogy egy test hőmérsékletét növelő elnyelt sugárzást a test ki is bocsátja. Így az emisszió és az abszorpció felítható a következő egyenlettel: A=E=1-R

Az ideális fekete test nem veri vissza az infravörös sugarakat: R=0, E=1.

Sok nem fémes anyag, mint a fák, műanyagok, szerves anyagok, kőzetek vagy beton olyan felülettel rendelkezik, amely nem visszaverő, így magas az emissziós tényezőjük: ε=0,8~0,98. Velük ellentétben a fémeknek - különösen, ha polírozott, fényes a felületük - az emissziós tényezője csak ε=0,1 körül van. Az infra-hőmérők állítható emissziós tényezővel kompenzálják az eltérő anyagok méréséből fakadó esetleges pontatlanságot (5. ábra).

5 . ábra