setila i preobrazuvaci - infracrvena termometrija Сетила и... · 3.1 opis i princip na...
TRANSCRIPT
INFRACRVENATERMOMETRIJA
M-r. Petre Risteski dipl.el.in`.
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
S O D R @ I N A
1. Voved .............................................................................................................. 3
1.1 Podelba na setilata ................................................................................... 4
2. Termometrija ............................................................................................... 5
2.1 Vidovi termi~ki setila ............................................................................ 7
3. Infracrvena termometrija ...................................................................... 10
3.1 Opis i princip na rabota na IC sistemi za merewe temperatura ... 12
3.2 Ra~ni (prenosni) pirometri ..................................................................... 18
3.3 Termoviziski kameri ................................................................................. 18
3.4 Stacionarni beskontaktni pirometri .................................................. 20
4. Merewe temperatura na materijalite .................................................... 23
4.1 Merewe temperatura na metali ............................................................... 23
4.2 Merewe temperatura na plastika ............................................................ 24
4.3 Merewe temperatura na staklo ................................................................ 25
5. Ambientalni uslovi pri mereweto ........................................................ 26
6. Merna optika ................................................................................................ 28
7. Detektori ...................................................................................................... 30
8. Displei i interfejsi ................................................................................. 31
9. Specijalni pirometri ............................................................................... 32
9.1 Fiberopti~ki pirometri ........................................................................ 32
9.2 Dvobojni pirometri .................................................................................... 33
10. Pretstavuvawe na prakti~na instalacija ............................................. 34
11. Zaklu~ok ........................................................................................................ 36
12. Literatura .................................................................................................... 38
PRILOG: Tabeli so vrednosti za emisivnosta na razli~ni materijali
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 2
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
1. VOVED
^ovekoviot apetit za informacii e skoro bezgrani~en. Vo sekoj mig
~ovekoviot mozok pribira ogromno koli~estvo informacii od okolnata
sredina preku sofisticirani merni sistemi vo ~ovekovoto telo koi se
narekuvaat setila. Toa se setilata za vid, sluh, miris, vkus i dopir i so niv se
merat fizi~ki i hemiski kvantitativni osobini na okolnata sredina.
Dobienite informacii od ovie biolo[ki setila, po obrabotkata vo
ogromnata nevronska mre`a vo mozokot, ovozmo`uvaat kompletirawe na golem
broj ednostavni i slo`eni biolo[ki zada~i vo sekojdnevieto.
Na slika 1 e pretstaven osnovniot na~in na funkcionirawe na eden
meren sistem za obrabotka na informacii.
slika 1
Vlezniot signal vo merniot sistem se narekuva mezurant i toj
pretstavuva fizi~ka ili hemiska golemina koja treba da se izmeri (na primer
pritisok, temperatura, koncentracija i sl.). Mezurantot se detektira od
strana na t.n. setilo ili vlezen preobrazuva~. Setiloto mo`e da se definira
kako ured koj pretvora neelektri~en ili hemiski kvantitet vo elektri~en
signal. Elektri~niot signal od setiloto ~esto pati e potrebno da se izmeni
pred da mo`e da poslu`i kako korisna informacija. Imeno, pove]eto signali
koi doa\aat od setilniot element se analogni po priroda pa za niv e potrebna i
dopolnitelna analogna obrabotka. Ovaa obrabotka ja vr[i ured koj se
narekuva procesor.
Procesorot mo`e da se sefinira kako ured koj go menuva elektri~niot
signal koj doa\a od setiloto, bez promena na formata ili energijata [to go
opi[uva toj signal. Kone~no, signalot koj proizleguva od procesorot mo`e da
se koristi za prikaz na vleznata informacija i istiot se prenesuva na ured koj
se narekuva pogon ili izlezen preobrazuva~.
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 3
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
Pogon ili izlezen preobrazuva~ e ured koj go preobrazuva vlezniot
elektri~en signal vo fizi~ka ili hemiska golemina. Na primer, signalot
obraboten od procesorot mo`e da se dovede do pogonot na eden ekran (izlezen
preobrazuva~) koj ]e go prika`e vo opti~ka forma razbirliva za ~ovekot.
Se razbira, vo merniot sistem mo`at da postojat i mnogu drugi podfazi
na te~enie na vlezniot kon izlezniot signal, no na slikata 1 se prika`ani
najosnovnite sostavki na istiot: setilo, procesor i pogon.
1.1 Podelba na setilata
Pri obrabotka na temata za setila, neophodno e istite da se podelat
spored funkcijata koja ja vr[at (na pr. merewe temperatura, pritisok i sl.)
ili spored fizi~kiot princip na nivnata rabota (na pr. magnetootporni,
optoelektri~ni i sl.). Voobi~aena praksa e da se vr[i podelba na setilata vo
smisol na formata na energijata koja ja nosi signalot. Vo tabela 1 se dadeni
razli~nite formi na energija [to voobi~aeno se koristat za podelba na
setilata, zaedno so nekoi od nivnite tipi~ni mezuranti.
tabela 1: formi na signali i nivnite tipi~ni mezuranti
forma na signalot
mezuranti
toplinska temperatura, toplina, protok na toplina, entalpija itn.
zra~ewe gama zraci, vidliva svetlina, IC svetlina, mikrobranovi itn.
mehani~ka pomestuvawe, brzina, sila, pritisok, masa, protok itn.
megnetska magnetno pole, fluks, magnetizacija, magneten moment itn.
hemiska vla`nost, PH nivo, koncentracija na gas, isparuvawe itn.
biolo[ka [e]eri, proteini, hormoni, antigeni itn.
elektri~na polne`, struja, napon, otpor, kapacitet, frekfencija itn.
Celta na ovoj seminarski trud e da se pretstavat mernite sistemi koi se
nameneti za obrabotka na toplinski signali, pa vo tekstot koj sleduva ]e se
napravi obid za prodlabo~eno pretstavuvawe na istite.
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 4
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
2. TERMOMETRIJA
Termometrija e nauka za merewe na temperaturata na sistemite i za
merewe na sposobnosta na eden sistem da prenesuva temperatura na drug sistem.
Mereweto na temperaturata e va`no za [irok obem aktivnosti,
vklu~itelno vo proizvodstvoto, vo nau~nite istra`uvawa, vo medicinata itn.
Istorijata na termometrijata zapo~nuva vo
Italija okolu 1600 godina so pronao\aweto na t.n.
vozdu[en termoskop (slika 2).
Termoskopot e ,,pradedo” na termometarot i
barometarot bidej]i reagiral na promenata i na
temperaturata i na pritisokot.
Okolu 1650 godina se pojavuva t.n.
termometar so te~nost vo staklo (slika 3).
Izraboten od vrvnite Florentinski stakloduva~i,
ovoj termometar koristel vinski alkohol kako
indikatorski fluid.
Do 1714 godina ve]e bila vostanovena
praktika da se koristat `ivini termometri bidej]i
`ivata se poka`ala kako fluid so podobra
linearna karakteristika od vinskiot alkohol.
Farenhajt (Fahrenheit) bil najuspe[niot
izrabotuva~ na termometri vo ovie pionerski
denovi, [to pridonelo negovite termometri da
dominiraat vo anglofonskiot svet.
Celzius (Celsius) bil prviot koj vo 1742 godina predlo`il stopodelna
skala, koristej]i 100 ~ekori po~nuvaj]i od to~kata na vriewe na vodata pri
100O do to~kata na mrznewe na vodata pri 0O. Podocna biologot Linaus
(Lineaus) koj ~esto gi koristel stopodelnite termometri, ja prevrtel ovaa
skala vo pravec od 0O kon 100O i kako takva taa se koristi do dene[en den.
Vo tekot na 19-ot vek termometrijata do`ivuva golem razvoj osobeno vo
oblasta na elektri~nite temperaturni setila kako [to se termoparovite i
otporni~kite termometri, a va`en teoretski razvoj bil postignat vo
termodinamikata (nauka za toplinata) od strana na Carnot i Kelvin.
slika 2
slika 3
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 5
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
Na po~etokot na razvojot na termometrijata se mislelo deka
termometrite go merat koli~estvoto toplina. TOPLO-to i LADNO-to dolgo
vreme bile smetani za nezavisni osobini, no termometrite poka`ale deka tie
se vsu[nost aspekti od edno isto ne[to, [to podocna pomognalo vo razvojot na
moderniot koncept na toplinata. Termodinamikata gi tretira
temperaturata i toplinata kako oddelni koncepti i dava na~ini kako da se
definira temperaturata i nejzinata merna skala. Temperaturata go odreduva
pravecot na protok na toplinata, a spored me\unaroden dogovor (konvencija)
prifateno e deka toplinata protekuva od potoplite kon poladnite predmeti.
Prvi~nite termometri ne ja merele vistinskata termodinami~ka
temperatura bidej]i bile bazirani na empiriska skala. Dolgi godini gasniot
termometar bil edinstveniot na~in da se odredi termodinami~kata
temperatura no ovie termometri bile vremenski spori, bez pogolema to~nost i
neprakti~ni za koristewe za pove]eto nau~ni i industriski potrebi. Od druga
strana pak, termometrite bazirani na otporot na platinata bile relativno
ednostavni za koristewe i imale pogolema preciznost od termodinami~kite
termometri. Tie mo`at da se koristat za da se definira prakti~na
temperaturna skala so pogolema preciznost od onaa koja mo`e da se postigne so
termodinami~kata temperaturna skala.
Me\unarodnata temperaturna skala
(ITS - International temperature scale) e
definirana so me\unaroden dogovor i
taa e mo[ne bliska aproksimacija na
termodinami~kata skala. ITS e
bazirana na termometrija na otporot
na platinata vo opsegot od 14K do
1235K. Drugi termometri kako [to se
gasniot i radijaciskiot se koristat vo
drugi temperaturni opsezi.
Na slika 4 e prika`ano kako e
konstruirana ovaa skala.
slika 4
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 6
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
2.1 Vidovi termi~ki setila
Termi~kite setila se nameneti za merewe razli~ni golemini povrzani
so toplinata, kako [to se temperatura, toplinski potok (fluks) i toplinski
kapacitet. Temperaturata se smeta za najosnovna promenliva golemina i
ovozmo`uva merewe na toplinskata energija odnosno toplinata na telata, a
mo`e isto taka da se povrze i so ostanatite termi~ki golemini.
Koli~estvoto toplina Q [J] vo edno telo e proporcionalno na negovata
apsolutna temperatura T [K] i se pretstavuva so izrazot (1):
TcmQ ⋅⋅= [J] ................................................. (1)
Vo ovoj izraz konstantata na proporcionalnost m·c e toplinskiot
kapacitet na teloto, pri [to m [kg] e masa a c [J/kg·K] e toplinskiot kapacitet
za edinica masa ili specifi~en toplinski kapacitet, [to pretstavuva
osnovna osobina na materijalite. Specifi~niot toplinski kapacitet na
edno telo e merka za negovata sposobnost da skladira toplinska energija i e
analogna na kapacitetot kaj elektri~nite kondenzatori koi mo`at da
skladiraat elektrostatska energija.
Temperaturata e verojatno najva`niot procesen parametar. Taa e va`na
vo golem broj hemiski i fizi~ki procesi zaradi [to e potrebno da se meri,
kompenzira ili kontrolira na soodveten na~in. Golem broj industriski
procesi vklu~itelno od leeweto metali vo topilnicite pa sè do izrabotkata
na mikrokomponenti, iziskuvaat merewe na temperaturata. Osven kako
direktno meren parametar vo industrijata, doma]instvoto, medicinata i
`ivotnata sredina, temperaturata isto taka se koristi i kako sekundarna
merna promenliva kaj nekoi netermi~ki setila (pr. gasni i mehani~ki setila).
Temperaturnite setila isto taka se koristat i za da se kompenziraat
gre[kite nastanati od temperaturnite varijacii na nekoi komponenti ili
instrumenti, ili da formiraat del od nekoe upravuva~ko kolo (pr. termostat).
Po definicija, termi~kite setila se delat na kontaktni i
beskontaktni. Kaj prvite, setilniot element go dopira toplinskiot izvor pri
[to toplinskiot signal so kondukcija se prenesuva od toplinskiot izvor kon
setilniot element koj potoa generira elektri~en signal ili modulira daden
elektri~en signal.
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 7
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
Na slika 5 e prika`ana blok-[ema na koja mo`e da se vidi kako se
podeleni termi~kite setila. Kako [to mo`e da se vidi od slikata,
mnozinstvoto od setilata se modulaciski. Isklu~ok se setilata so termalen
[um i termoparovite setila koi generiraat EMS niz spojot na dva razli~ni
metali koi se nao\aat na razli~na temperatura.
Pove]eto od termosprovodlivite setila, kako [to se termodiodite i
termotranzistorite, mo`at da se klasificiraat kako mikrosetila.
slika 5
Kontaktnite setila pokrivaat dosta [irok opseg na temperaturi (od 1,5
do 2.700 [K]), dodeka pak beskontaktnite piroelektri~ni zra~ni setila mo`at
da merat temperaturi i do 5.000 [K].
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 8
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
Beskontaktnite termi~ki setila spa\aat vo grupata zra~ni setila i
rabotat na principot na detekcija na elektromagnetnite branovi koi se
emituvani od toplinskiot izvor. Imeno, elektromagnetnoto zra~ewe vo
su[tina e potok (fluks) od elektromagnetni ,,~esti~ki” ili kvanti energija
koi imaat nula masa na miruvawe. Ovie ,,~esti~ki” se vsu[nost
elektromagnetni branovi koi patuvaat so brzinata na svetlinata vo vakuum Vc
(~300.000 km/s) i imaat energija ER ekvivalentna na nivnata frekfencija f
(odnosno branova dol`ina λ), [to se pretstavuva so izrazot (2):
λ
cR
VhfhE ⋅=⋅= ...................................................... (2)
Vo ovoj izraz h e Plankova konstanta koja ima vrednost h=6,623·10-34 [J·s].
So pomo[ na beskontaktnite setila vsu[nost dale~inski se detektira
emisijata na elektromagnetno zra~ewe. Na primer, infracrvenoto zra~ewe se
protega vo oblasta na branovi dol`ini od 0,75 [µm] do okolu 1.000 [µm], a vo
elektromagnetnata skala istoto le`i vo oblasta pome\u vidlivata svetlina i
regionot na mikrobranovite. Od fizika e poznato deka site tela so
temperatura nad apsolutnata nula emitiraat elektromagnetno zra~ewe od
oblasta na infracrveniot spektar odnosno emitiraat toplinsko zra~ewe.
Poznavaweto na ovaa osobina na telata ovozmo`ilo da se razvijat metodi za
merewe i sledewe na nivnata temperatura, a razvojot na tehnologijata
ovozmo`il komercijalna dostapnost na soodvetnite uredi i aparatura. Denes
se dostapni pove]e razli~ni tehnologii so ~ija pomo[ e mo`no beskontaktno
merewe na temperaturata, pri [to samata tehnika na beskontaktno merewe na
temperaturata na telata se narekuva infracrvena termometrija.
slika 6
otkritie na svetlinskiot spektar slika 7
termi~ki svojstva na svetlinata
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 9
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
3. INFRACRVENA TERMOMETRIJA
Beskontaktnite temperaturni setila ja merat infracrvenata (IC)
energija koja metata (teloto) ja zra~i. Tie imaat brz odyiv i naj~esto se
koristat za merewe podvi`ni ili prekinlivi meti, meti vo vakuum i meti koi
se nepristapni zaradi opasnata sredina, fizi~ka nedostapnost ili od
bezbednosni pri~ini. Tro[ocite za primena na ovaa tehnologija se relativno
visoki, no vo nekoi slu~ai ovie tro[oci se sporedlivi duri i so tro[ocite na
kontaktnite termometriski uredi.
Infracrvenoto zra~ewe e otkrieno vo 1666 godina od strana na Isak
Witn (Isaac Newton) pri disperzija na belata dnevna svetlina niz opti~ka
prizma (slika 6). Vo 1800 godina Vilijam Her[el (William Herschel) go napravil
sledniot ~ekor vo istra`uvawata, so uspehot pri mereweto na relativnata
energija na sekoja boja od disperziranata bela svetlina (slika 7). Pri ovie
merewa toj otkril postoewe na energija i von granicite na vidlivata svetlina.
Vo ranite godini na 1900, u~enite Plank, {tefan, Bolcman, Vin i Kirhof ja
dodefinirale rabotata za elektromagnetniot spektar i razvile
kvantitativni podatoci i ravenki za definirawe na infracrvenata energija,
[to ovozmo`ilo da se definira infracrvenata energija koristej]i gi
osnovnite krivi na zra~eweto na crno telo (slika 8). Od krivite mo`e da se
vidi deka site tela na temperatura pogolema
od -273OC zra~at energija ~ie koli~estvo e
proporcionalno na ~etvrtiot stepen od
nivnata temperatura. Ova matemati~ki se
pretstavuva preku izrazot (3):
4TQ ⋅= σ ......................... (3)
Kako [to mo`e da se vidi od krivite
koi ja prika`uvaat distribucijata na
emituvanata energija od crno telo pri
temperaturen opseg od 300°C do 650°C,
dominantno e zra~eweto vo infracrveniot
region od 0,5-14 [µm], daleku zad zra~eweto
na vidlivoto podra~je. slika 8
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 10
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
Konceptot na zra~eweto na crnoto telo e su[tina na infracrvenata
termometrija. Terminot emisivnost isto taka se pojavuva kako promenliva
veli~ina vo osnovnite zakoni na fizikata. Emisivnosta e merka na odnosot na
termi~koto zra~ewe emitirano od sivo telo (ne-crno telo) vo odnos na crno
telo, pri ista temperatura. Pritoa, pod sivo telo se podrazbira objekt koj ima
ista spektralna emisivnost pri sekoja branova dol`ina (ne-sivo telo e objekt
~ija emisivnost se menuva so branovata dol`ina, kako na primer kaj stakloto).
slika 9: zavisnost na emisivnosta (ε) od branovata dol`ina (λ)
Vo praktika, ~esti se gre[kite povrzani so emisivnosta na telata ~ija
temperatura treba da se izmeri, pa zaradi toa potrebno e da se vnimava na
slednite fakti:
• infracrvenite setila ne raspoznavaat boi tuku go ,,gledaat” samo
infracrvenoto zra~ewe koe se emituva od metata (predmetot);
• ako metata e vizuelno reflektivna (kako ogledalo) mora da se vnimava
deka pri mereweto osven emituvanoto toplinsko zra~ewe ]e se meri i
reflektiranoto zra~ewe od okolinata;
• ako metata e proyirna, potrebno e da se koristi infracrveno filtrirawe
(na primer stakloto e proyirno pri branova dol`ina od 5 [µm];
• devet od vkupno deset aplikacii ne iziskuvaat merewe na apsolutnata
temperatura.
Sepak, iako vo nekoi aplikacii povr[inata koja se meri e sjajna,
sovremenite infracrveni termometri ovozmo`uvaat ra~no ili avtomatsko
nagoduvawe na emisivnosta za da se korigira gre[kata zaradi istata.
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 11
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
slika 10: kompleksnost na zra~eweto
Vo slu~aite kade[to
emisivnosta varira, re[enie
se nao\a vo koristewe oprema
so dvojna radiometrija ili
radiometrija so pove]e
branovi dol`ini.
No i pokraj mo`nostite
za nagoduvawe na emisivnosta
koja ja dava sovremenata
oprema, postojano mora da se
vnimava i na slednoto:
• metata mora da bide opti~ki (infracrveno-opti~ki) vidliva za
infracrveniot termometar (visokite nivoa na pra[ina ili ~ad go pravat
mereweto pomalku to~no);
• opti~kiot del na setiloto mora da bide za[titen od pra[ina i
kondenzira~ki te~nosti;
• so IC termometri mo`at da se merat samo povr[inski temperaturi.
3.1 Opis i princip na rabota na IC sistemi za merewe temperatura
453¡ SP1 EMS
Staklo i optika
Objekt na mereweto (predmet)
Ozra~je (ambient) Ekran, displej ili nekoja
druga izlezna edinica (na pr. pe~ata~) t.e. analogni i/ili digitalni izlezni signali
IC setilo
Apsorbirana IC energija IC zra~ewe
Elektronika
S T
slika 11: delovi na eden voobi~aen sistem za beskontaktno merewe tempratura
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 12
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
slika 12
IC termometarot mo`e da se sporedi so ~ovekovoto oko. Le]ata vo
okoto ja pretstavuva optikata preku koja zra~eweto (potokot od fotoni) od
predmetot koj se meri, doa\a do foto~uvstvitelniot sloj na setiloto (retina)
preku ambientalnata sredina. Tuka zra~eweto se pretvora vo elektri~en
signal koj se ispra]a do procesnata elektronika (mozokot). Ovoj sistem na
protok na signalite e pretstaven na slika 11.
Sekoja forma na materija so temperatura T nad apsolutnata nula,
emituva IC zra~ewe soodvetno na negovata temperatura, koe se narekuva
karakteristi~no zra~ewe. Pri~ina za ova e vnatre[noto mehani~ko dvi`ewe
na molekulite vo materijata. Intenzitetot na ova dvi`ewe zavisi od
temperaturata na materijata. Bidej]i dvi`eweto na molekulite pretstavuva
pomestuvawe na polne`i, istoto rezultira so emituvawe na elektromagnetno
zra~ewe (fotonski ,,~esti~ki”). Ovie fotoni se dvi`at so brzinata na
svetlinata i se povinuvaat na poznatite opti~ki zakoni; mo`at da se
prekr[uvaat, da se fokusiraat so pomo[ na le]i ili da se reflektiraat od
refleksivni povr[ini. Spektarot na ova zra~ewe se protega vo granicite na
branovi dol`ini od 0,7 µm do 1.000 µm, zaradi [to istoto ne mo`e da se vidi so
golo oko. Na slika 12 e pretstaven elektromagnetniot i IC spektar koj se
koristi pri beskontaktno
merewe temperatura.
Sli~no kako [to
be[e prika`ano na slika 8,
na slika 13 e prika`ano
zra~eweto na apsolutno
crno telo za pogolem opseg
na temperaturi.
Od slika 13 se gleda
deka telata zagreani na
povisoki temperaturi
sèu[te emituvaat malo
koli~estvo vidlivo
zra~ewe.
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 13
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
slika 13
zra~ewe na crno telo vo zavisnost od temperaturata
slika 14 relativna gustina na emituvanata
mo]nost na zra~eweto na crno telo
Ova e pri~inata zo[to mo`e da se zabele`i deka objektite zagreani na
mnogu visoki temperaturi (nad 600°C) sjaat vo boite od crveno do belo. Golem
broj rabotnici so golemo rabotno iskustvo mo`at da ja odredat temperaturata
na predmetite vo zavisnost od bojata koja tie ja zra~at.
Sepak, nevidliviot del od spektarot sodr`i i do 100.000 pati pogolema
energija, pa tehnologijata na IC merewe temperaturi se bazira na ovoj fakt.
Od slika 13 mo`e isto taka da se vidi i toa deka zra~niot maksimum se
pomestuva kon pomali branovi dol`ini so porastot na temperaturata na
telata, kako i toa deka krivite na zra~ewe ne se preklopuvaat pri razli~nite
temperaturi. Izra~enata energija vo celoto branovo podra~je (oblasta pod
sekoja kriva) raste so ~etvrtiot stepen na temperaturata, kako [to pogore
be[e prika`ano so izrazot (3). Ovie odnosi bile zabele`ani vo 1879 godina
nezavisno od strana na nau~nicite Jo`ef {tefan (Jožef Štefan) i Bolcman
(Boltzmann), a istite nedvosmisleno poka`uvaat deka temperaturata mo`e da se
meri od zra~eweto na telata.
Nabquduvaj]i ja slika 13, celta e da se postavi IC termometarot na
naj[irokiot mo`en opseg na IC zra~ewe za da mo`e da se opfati [to e mo`no
pogolemo koli~estvo energija izra~ena od objektot na mereweto (soglasno na
oblasta pod krivata na zra~ewe). Sepak postojat slu~ai koga ova ne e sekoga[
prednost. Na primer, od slika 13 mo`e da se zabele`i deka intenzitetot na
zra~eweto pri 2 µm raste pove]e so porastot na temperaturata, otkolku [to e
toa slu~aj pri 10 µm. Kolku e pogolema ovaa razlika na zra~eweto pri
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 14
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
soodvetna razlika na temperaturite, tolku e poto~na rabotata na IC
termometarot. Soodvetno na pomestuvaweto na zra~niot maksimum kon
pomalite branovi dol`ini so zgolemuvaweto na temperaturata (Vinov /Wien/
zakon za pomestuvawe), opsegot na branovi dol`ini se odnesuva vo soglasnost
so opsegot na merni temperaturi na pirometarot. Pri niski temperaturi, IC
termometarot koj raboti pri 2 µm ]e prestane potpolno da ,,gleda“ ili ]e
,,gleda“ mnogu slabo pri temperaturi pod 600°C bidej]i vo ova podra~je ima
mnogu malku zra~na energija. Od ovie pri~ini postojat uredi so drugi opsezi
na branovi dol`ini koi[to mo`at da se nagodat spored t.n. [ablon na
emisivnost na nekoi materijali poznati kako ne-sivi tela (staklo, metali i
plasti~ni filmovi). Slikata 13 go prika`uva zra~eweto na t.n. ,,crno telo“,
no mnogu tela zra~at mnogu pomalku energija pri isti temperaturi. Odnosot
pome\u vistinskata zra~na mo]nost na teloto i onaa na crnoto telo se
narekuva koeficient na emisivnost (ε) i se dvi`i vo granicite od 1 (za
idealno crno telo) do 0. Telata so emisivnost pomala od 1 se narekuvaat sivi
tela, a telata ~ija emisivnost e zavisna od temperaturata i branovata
dol`ina se narekuvaat ne-sivi tela.
Sumata na zra~eweto e sostavena od apsorpcija (A), refleksija (R) i
transmisija (T) i e ednakva na edinica, [to se pretstavuva so izrazot (4):
A + R + T = 1.................................................... (4)
U[te pove]e, IC termometarot go prima i zra~eweto koe poteknuva i
od okolnite predmeti a koe e reflektirano od predmetot ~ija temperatura se
meri. Cvrstite tela nemaat transmisija na zra~eweto vo infracrveniot opseg
(T=0), dodeka pak idealnoto crnoto telo nema refleksija na zra~eweto (R=0)
pa negovata emisivnost e (E=1).
Mnogu nemetalni materijali kako [to se drvoto, plastikata, gumata,
organskite materijali, kamenot ili betonot imaat povr[ini koi
reflektiraat mnogu malku pa zaradi toa imaat visoka emisivnost koja se
dvi`i vo granicite pome\u 0,8 i 0,95. Sprotivno na ova, metalite, osobeno onie
koi imaat sjajna ili polirana povr[ina, imaat emisivnost okolu 0,1.
Sovremenite IC termometri nudat mo`nost da go kompenziraat ova so
ponuda na razli~ni opcii za nagoduvawe na faktorot na emisivnost.
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 15
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
Postojat razli~ni metodi za odreduvawe na emisivnosta na materijalite.
Vistinskata vrednost na emisivnosta se odreduva preku soodvetna postapka vo
specijalizirani laboratorii, no mo`no e da poslu`at i soodvetni tabeli vo koi
mo`at da se najdat vrednostite na emisivnosta na naj~esto koristenite materijali.
Ovie tabeli mo`at da pomognat da se najde i vistinskiot opseg na branovi dol`ini
za daden materijal, a soglasno na toa i soodvetniot meren ured. Vo slu~ajot so
metalite, vrednostite od ovie tabeli treba da se zemaat samo za orientaciona
namena bidej]i uslovite na povr[inata na metalot (polirana, oksidirana ili
izvalkana) mo`e da vlijae na emisivnosta pove]e otkolku samite materijali.
Vo slednata tabela se pomesteni karakteristi~nite vrednosti na
emisivnosta na nekolku razli~ni materijali, a vo prilog na ovoj trud se nao\a
poop[irna tabela so vrednosti na emisivnosta na pogolem broj materijali. Mora
da se naglasi deka vrednostite vo tabelata se pribli`ni na vistinskite, a na niv
mo`e da vlijae bilo koj od slednite parametri:
1. temperatura;
2. agol na mereweto;
3. geometrija (ramna, konkavna, konveksna itn.);
4. debelina;
5. kvalitet na povr[inata (polirana, gruba, oksidirana, peskarena);
6. spektralna oblast na mereweto;
7. proyirnost (na primer tenok film plastika).
Vo sekoe upatstvo koe se ispora~uva so IC termometrite se nao\aat detalni
tabeli so to~ni vrednosti na emisivnosta i vo istite se detalno opi[ani na~inite na
merewe na nepoznatite koeficienti na emisivnost za sekoj materijal posebno.
tabela 2: vrednosti na (λ, ε) za nekolku razli~ni materijali
materijal branova dol`ina λ [µm] pri
visoki - sredni - niski temperaturi
koeficijent na emisivnost ε
(pribli`na vrednost)
Metali: a) aluminium b) bakar v) `elezo g) ~elik
0,8 – 1 – 1,6 – 2,2 – 3,9
0,8 – 3,9 0,8 – 3,9 0,8 – 3,9
0,30 0,95 0,70 0,80
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 16
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
materijal branova dol`ina λ [µm] pri
visoki - sredni - niski temperaturi
koeficijent na emisivnost ε
(pribli`na vrednost)
Plastika: a) PE, PP, najlon, polistiren b) poliester, poliuretan, teflon FEP, poliamid v) tenki plasti~ni filmovi (0,4 mm)
3,43 7,9
8 – 14
0,95 0,95 0,95
Staklo: a) temperatura na povr[ina b) temperatura pod povr[inata
5 – 8 – 14
1,0 – 2,2 – 3,9
0,85 0,85
Razni materijali (temperaturno podra~je: -30 ÷ +900°C) asfalt, hrana, meso, mleko, hartija, obleka, beton, mraz, zemja (tlo), ...
8 – 14
0,95
Za kraj na ovoj opis za principot na rabota na IC termometrite, na
slika 14 se pretstaveni komponentite od koi e so~inet eden IC pirometar.
Nakuso, vleznite zraci koi poteknuvaat od teloto ~ija temperatura se meri,
preku sistem od opti~ki elementi se vodat kon nekolku zasebni elektronski
sklopovi i po obrabotkata vo vgradeniot elektronski sistem, so pomo[ na
soodvetni prikazni elementi (cifreni indikatori, displej, ekran i sli~no) se
prika`uva vo oblik razbirliv za ~ovekot (broj~an ili slikovit prikaz).
slika 14: komponenti na IC pirometar (opis vo to~ka 6 od ovoj trud)
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 17
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
3.2 Ra~ni (prenosni) pirometri
Ra~nite (prenosni) infracrveni pirometri ovozmo`uvaat merewe
temperaturi od -30ºC do 3000ºC, no samo vo edna to~ka. Tie se edni od najdobrite
re[enija koi se nudat na svetskiot pazar za kontrola na temperaturata,
zemaj]i ja predvid nivnata visoka to~nost, kompaktna i robusna izvedba,
ednostavnosta na koristewe i niskata cena. Vo slu~aite kade[to e nevozmo`no
da se obezbedi direkten kontakt so objektot ~ija temperatura se meri
(podvi`en objekt, objekt pod visok napon, objekt nedostapen od bilo koi
pri~ini, kako i tamu kade[to prenosot na toplina kon setiloto e lo[),
pirometrite se idealno a ~esto pati i edinstveno re[enie. Na slika 15 se
prika`ani nekolku razli~ni vidovi ra~ni (prenosni) pirometri od pove]e
proizvoditeli i so razli~ni karakteristiki (opseg na merni temperaturi,
primenlivost i sli~no).
Raytek 3i Fluke 62 AMIR 7811
slika 14: nekolku razli~ni vidovi ra~ni (prenosni) pirometri 3.3 Termoviziski kameri
Do ne taka odamna, tehnologijata na termi~ki sliki i termoviziskite
kameri se koristea samo vo voeni celi vo armiite na ponaprednite zemji ili vo
vselenskite istra`uvawa kade cenata na poseduvawe odreden ured voop[to ne e
faktor na odluka za nabavka. So razvojot na tehnikata i drasti~niot pad na
cenite, ovaa tehnologija stana komercijalno dostapna i za industriski celi i
sè pomasovno zema zamav vo koristeweto za odr`uvawe na postrojkite i
ma[inite. Ednostavni za koristewe i prakti~ni vo svojata namena,
termoviziskite kameri mu ovozmo`uvaat na korisnikot instant-pogled vrz
temperaturnata raspredelba na predmetot na posmatrawe. Vgradeniot ekran vo
boja so rezolucija do 320x160 to~ki i fleksibilniot pointer ovozmo`uvaat vo
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 18
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
sekoe vreme da se prika`e temperaturata vo sekoja to~ka od nabquduvanata
slika. Termoviziskite kameri ovozmo`uvaat za[teda na vreme pri
odr`uvaweto zaradi mo`nosta za slikovit prikaz na temperaturnata
raspredelba na objektot na posmatrawe, namesto poedine~noto merewe na
temperaturata vo poedini to~ki i pravewe temperaturna mapa, kako [to toa se
pravi so ra~nite pirometri. U[te pove]e, termoviziskite kameri imaat
mo`nost za fotografirawe na tekovnite sliki i ednostavno povrzuvawe so PC
zaradi obrabotka na istite vo softverski paketi so ednostavna upotreba.
Na slednite nekolku sliki se pretstaveni nekolku razli~ni vidovi
termoviziski kameri i prikaz na nekolku termi~ki sliki dobieni so istite.
FLUKE Ti 45 FLUKE Ti 20 GuidIR
slika 15: nekolku razli~ni vidovi termoviziski kameri
slika 16: prikaz na nekolku termi~ki sliki dobieni so termoviziski kameri
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 19
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
3.4 Stacionarni beskontaktni pirometri
Ovaa grupa pirometri e nameneta za primena vo te[ki uslovi na rabota
koi iziskuvaat brzo i to~no merewe, izdr`livost na mernata oprema i
kvalitet na mereweto. Vakvite integrirani merni sistemi vo sebe
kombiniraat golem broj razli~ni karakteristiki kako [to se:
- napredna elektrooptika i vgradena digitalna elektronika;
- vgradeni displei, interfejsi i paneli;
- istovremeni analogni i digitalni izlezni signali i relejni izlezi;
- inteligentna dvonaso~na digitalna komunikacija;
- robusno ku]i[te;
- visoka to~nost i [iroko temperaturno merno podra~je;
- vreme na odyiv pomalo od 1ms;
- opti~ka rezolucija polema od 300:1;
- promenliv fokus, menlivi le]i, lasersko bele`ewe na metata i sl.;
- softverska poddr[ka za (samo)kalibrirawe;
- softverska poddr[ka za dale~insko upravuvawe so sistemot,
kontrola na procesot na merewe i pribirawe na mernite podatoci.
Mo`nostite za primena na ovie temperaturni merila se navistina
golemi, a posebno se prepora~uvaat vo slednite industrii:
- proizvodstvo, obrabotka i zagrevawe na metali, metalni delovi, ...;
- `elezarnici, visoki pe~ki (topilnici), livnici i sli~no;
- staklarska industrija;
- proizvodstvo na metalni vodovi i sprovodnici;
- proizvodstvo na polusprovodnici i opti~ki vlakna; itn.
Karakteristi~en tehni~ki podatok na stacionarnite pirometri e t.n.
opti~ka rezolucija; taa e odnos pome\u oddale~enosta na IC detektorot od
predmetot ~ija temperatura se meri (D), i pre~nikot na mernata damka (krugot)
od koja[to se zema informacijata za temperaturata (S). Kolku e toj odnos
pogolem, tolku e uredot pokvaliteten (pokvalitetna optika). Na primer, ako e
D:S=300:1, toga[ takvoto merilo na oddale~enost od 300cm od setiloto sobira
informacija za temperaturata od kru`na povr[ina so pre~nik od samo 1cm!
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 20
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
Nekolku tipovi stacionarni pirometri, od proizvodnata programa na
proizvoditelot Raytek, se prika`ani na slika 17.
slika 17: razli~ni vidovi stacionarni pirometri
Ilustrativen primer za primena na stacionarnite pirometri e daden na
slika 18, kade[to pirometrite nao\aat primena vo eden sistem za indukciono
zagrevawe. Od istata mo`e da se vidi ednostavnosta na merniot sistem koj
sodr`i samo nekolku sostavni elementi: pirometri, PC i soodveten softver.
slika 18: izgled na eden meren sistem (pr. pri indukciono zagrevawe)
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 21
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
Zaradi za[tita na vgradenata elektronika, pri te[ki uslovi vo
okolinata vo koja raboti pirometarot, istiot treba da bide za[titen od
visoki temperaturi, pra[ina, vlaga i sli~no. Zaradi toa, se primenuva
specijalno za[titno ku]i[te t.n. Thermojacket. Na prednata strana na
ku]i[teto se montira za[titno staklo koe ja [titi pirometarskata optika, a
na edna od stranite (zavisno od izvedbata na za[titnoto ku]i[te) ima
mo`nost za priklu~uvawe na nadvore[en sistem za dovod na vozduh i/ili voda.
Vozduhot se vnesuva pod odreden pritisok i slu`i za bri[ewe na pra[inata
nafatena na za[titnoto staklo, dodeka pak vodata se koristi za ladewe na
ku]i[teto od visokite okolni temperaturi i vospostavuvawe na stabilen
ambient vo svojata vnatre[nost za normalna rabota na zasolnetiot pirometar.
slika 19
za[titno ku]i[te Thermojacket slika 20
softver za obrabotka na signalite
slika 21
primena na pirometri vo valavnica slika 22
primena na pirometri vo learnica
Na slikite 21 i 22 e prika`ana primenata na stacionarnite pirometri
vo `elezarskata industrija (pri postapkata na valawe limovi i pri izlevawe).
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 22
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
slika 23
4. MEREWE TEMPERATURA NA MATERIJALITE
4.1 Merewe temperatura na metali
Emisivnosta na metalite zavisi od branovata dol`ina i od
temperaturata. Bidej]i metalite naj~esto imaat refleksivna povr[ina, tie
imaat niska emisivnost [to mo`e da predizvika pogre[ni merni rezultati.
Vo takvite slu~ai va`no e da se izbere pirometar koj go meri IC zra~eweto
pri to~na branova dol`ina i vo to~en temperaturen opseg vo koj metalot ima
najvisoka mo`na emisivnost.
Kaj mnogu metali mernata gre[ka stanuva pogolema so branovata
dol`ina, [to zna~i deka pri mereweto treba da se koristi najkusata branova
dol`ina. Na slika 23 e prika`ana zavisnosta na gre[kata pri beskontaktno
merewe na temperaturata preku
soodveten izbor na branovoto
podra~je na IC detektorot i
o~ekuvanata temperatura na
objektot ~ija temperatura se meri.
Kako [to se gleda od slikata,
gre[kata vo procenkata na
koeficientot na emisivnost mo`e
da dostigne i do 10%.
Optimalnata branova dol`ina za visoki temperaturi, vo slu~ajot so
metalite, e okolu 0,8 ÷ 1 [µm], na granicata do vidlivoto podra~je. Branovite
dol`ini od 1,6; 2,2 i 3,9 [µm] isto taka vleguvaat vo optek na povolni.
Visoka to~nost pri mereweto mo`e da se postigne so koristewe na t.n.
pirometri so soodnos (ratio pyrometers) ili poinaku poznati i kako dvobojni
pirometri. Tie se koristat vo slu~aite koga mereweto se vr[i vo relativno
[irok opseg na temperaturi (na primer vo procesi na zagrevawe) i koga
emisivnosta se menuva so temperaturata. Imeno, ovie pirometri nao\aat
[iroka primena vo aplikacii kade[to ima ~ad, magli ili pra[ina vo
atmosferata, mala ili promenliva emisivnost na metata, kaj meti koi se
pomali od vidnoto pole, za objekti koi se dvi`at itn. Na slika 24 e prika`an
ilustrativen primer za edna vakva aplikacija (toplotna indukcija).
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 23
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
Na slika 25 e prika`ana gre[kata pri ot~ituvawe vo sporedba so
za[tedata na energija, pri merewe na temperaturata so dvoboen pirometar.
slika 24 slika 25 4.2 Merewe temperatura na plastika
Proyirnosta (transmitansata) na plastikata e proporcionalna so
nejzinata debelina i varira so promenata na branovata dol`ina. Tenkite
materijali se poproyirni od podebelite materijali. So cel da se postigne
optimalno merewe na temperaturata va`no e da se izbere branova dol`ina pri
koja proyirnosta (transmitansata) e pribli`no nula. Nekoi vidovi plastika
(PE, PP, najlon i polistirol) se neproyirni pri 3,43 µm; drugi (poliester,
poliuretan, teflon FEP i poliamid) pri 7,9 µm. Za debelini >0,4 mm i silno
oboeni filmovi, potrebno e da se izbere branova dol`ina vo opseg 0,8 ÷ 14 µm.
slika 26: zavisnost na proyirnosta od branovata dol`ina kaj poliesterot
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 24
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
slika 27: zavisnost na proyirnosta od branovata dol`ina kaj polietilenot
Na slikite 26 i 27 grafi~ki e prika`ana spektralnata zavisnost na
proyirnosta (transmitansata) od branovata dol`ina kaj plasti~ni filmovi od
poliester i polietilen. Kako [to mo`e da se vidi od slikite, nezavisno od
debelinata, polietilenot e skoro neproyiren pri branova dol`ina od 3,43 µm,
a poliesterot e potpolno neproyiren pri branova dol`ina od 7,9 µm.
4.3 Merewe temperatura na staklo
Pri merewe temperatura na staklo so IC termometar, predvid mora da
se zemat i reflektansata i proyirnosta (transmitansata) na stakloto. So
vnimatelen izbor na branovata dol`ina vozmo`no e da se meri temperaturata
i na povr[inata i vo dlabo~inata na stakloto.
Pri merewe temperaturi pod povr[inata, potrebno e da se koristat
setila so branova dol`ina 1,0; 2,2 ili 3,9 [µm]. Za merewe povr[inski
temperaturi se prepora~uvaat setila so branova dol`ina od 5 µm. Pri niski
temperaturi, potrebno e da se koristat setila so branova dol`ina 8,14 µm i
emisivnost podesena na 0,85, zaradi kompenzacija na reflektansata. Bidej]i
stakloto e lo[ sprovodnik na toplina i rapidno ja menuva povr[inskata
temperatura, potrebna e upotreba na uredi so kratok vremenski odyiv.
slika 28: spektralni zavisnosti kaj stakloto
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 25
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
5. AMBIENTALNI USLOVI PRI MEREWETO
Edna od pri~inite zo[to e potrebno da se setira pirometarot na samo
eden spektralen opseg, e transmisionoto odnesuvawe na prenosnata pateka,
[to voobi~aeno e ambientalniot vozduh. Odredeni sostavki na atmosferata,
kako [to se na primer isparuvawata i jaglerod dioksidot, go apsorbiraat IC
zra~eweto od odredena branova dol`ina [to rezultira so zagubi vo prenosot.
Ako apsorpcioniot medium ne se zeme predvid, toa mo`e da dovede do prikaz na
poniska temperatura od vistinskata temperatura na metata. Za sre]a, vo IC
spektarot postojat ,,procepi” koi ne gi sodr`at ovie apsorpcioni podra~ja. Na
slika 29 e prika`ana transmisionata kriva na 1m dol`inski vozduh. Tipi~ni
merni ,,procepi” kaj vozduhot se 1,1 µm; 1,7 µm; 2,25 µm; 3,5 µm i 8,14 µm.
Bidej]i proizvoditelite na IC temperaturni mera~i gi opremuvaat svoite
uredi so atmosferski korekcioni filtri, krajnite korisnici nemaat potreba
od dopolnitelni nagoduvawa na opremata.
slika 29: transmitansa na 1m dol`inski vozduh, pri t=32OC i RH=75%
Toplinskoto zra~ewe na okolinata koja ja opkru`uva metata, isto taka
treba da se zeme predvid. Na primer, povisokite temperaturi na yidovite na
pe~kata mo`at da dovedat do gre[ki pri mereweto na temperaturata na
metalnite par~iwa vo vnatre[nosta na samata pe~ka. Vakviot mo`en efekt na
ambientalnata temperatura se zema predvid kaj site proizvoditeli na IC
merna instrumentacija, so vgraduvawe na soodvetni uredi za kompenzacija.
Druga mo`nost na gre[ka, dokolku ne se zeme predvid ambientalnoto zra~ewe,
e prika`uvaweto na previsoka temperatura na metata.
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 26
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
slika 30
Zatoa to~no setiranata
emisivnost, dopolneta so avtomatska
kompenzacija na ambientalnata
temperatura od vtoro temperaturno
setilo, obezbeduva krajno to~ni
rezultati vo mereweto. Na slika 30 e
slikovito prika`ano vlijanieto na
ambientalnoto zra~ewe vrz mereweto.
Pra[inata, ~adot i raspra[enata materija vo atmosferata mo`at da
rezultiraat so kontaminacija na mernata optika, a so toa i do pogre[ni merni
rezultati. So cel da se izvr[i prevencija na talo`ewe na ovoj raspra[en
materijal, so mernata oprema se nudi i pribor (dodatoci) za vozdu[no
bri[ewe (vozdu[no duvawe). Toa se naj~esto konekcii na koi se povrzuva
instalacija so komprimiran vozduh. Vozduhot ovozmo`uva natpritisok pred
mernata optika, [to onevozmo`uva kontaminacija na istata. Dokolku za vreme
na mereweto se sozdavaat golemi koli~estva pra[ina ili ~ad koi vlijaat na
mereweto, toga[ treba da se koristat dvobojni pirometri.
IC setilata se elektronski uredi i istite mo`at da rabotat vo
opredeleni rabotni temperaturni opsezi. Nekoi setila imaat mo`nost da
rabotat duri i do temperaturi od 85OC. Nad ovie dozvoleni rabotni
temperaturi, mora da se koristi pribor za vozdu[no ili vodeno ladewe, a
neophodna e i primena na specijalni svrzni kabli nameneti za aplikacii so
visoki temperaturi. Pri koristewe na opcijata so vodeno ladewe, ~esto pati e
korisno da se instalira i pribor za vozdu[na instalacija (vozdu[no duvawe)
za da se spre~i sozdavawe kondenzacija na optikata.
Vo tabela 3 e nakuso daden zbir na realnite problemi koi mo`at da
nastanat vo praktika i nivnite mo`ni re[enija za ispravno sostavuvawe
sistem za merewe na temperaturata.
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 27
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
tabela 3: faktori na okolinata i prakti~ni re[enija na istite
FAKTORI RE{ENIJA
Ambientalnoto zra~ewe e potoplo od metata
• Setilo so kompenzacija na ambientalnoto zra~ewe;
• Zatskrivawe na pozadinata na metata.
Pra[ina, isparuvawa, ~esti~ki vo atmosferata
• Pribor za vozdu[no bri[ewe na le]ata; • Dvoboen pirometar.
Aplikacii so visoki temperaturi
• Termi~ki izoliran meren sklop; • Vodeno ili vozdu[no ladewe; • Pribor za vozdu[no bri[ewe na le]ata; • Temperaturna za[tita.
6. MERNA OPTIKA
Opti~kiot sistem na IC termometarot ja sobira IC energijata
emituvana od to~no definirana kru`na merna damka i istata ja fokusira na
detektorot (slika 14). Metata mora potpolno da ja ispolni ovaa damka, bidej]i
vo sprotivno IC termometarot ]e go ,,gleda” i temperaturnoto zra~ewe od
pozadinata, a toa ]e ja napravi neto~na merenata vrednost (slika 31). Isklu~ok
na ova pravilo ima dokolku mereweto se vr[i so dvoboen pirometar, kako [to
be[e objasneto vo to~ka 4.1.
slika 31
Pogore, vo to~ka 3.4 be[e definirana opti~kata rezolucija kako odnos
(D:S) pome\u rastojanieto (D) na merniot ured od metata ~ija temperatura se
meri, i pre~nikot na mernata damka (S) od koja[to se zema informacijata za
temperaturata. Kolku e toj odnos pogolem, tolku e opti~kata rezolucija
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 28
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
podobra i merniot ured e pokvaliteten, a metata mo`e da bide pomala za dadeno
rastojanie. Kako ilustracija, na slika 32 e prika`an dijagramot na eden IC
ured, od kade mo`e da se vidi deka pri rastojanie od 130 mm, mernata damka ima
pre~nik od 33 mm, [to dava opti~ka rezolucija so odnos od okolu 4:1.
slika 32
Vo pogled na izvedbata, optikata mo`e da bide izrabotena so ogledala
ili so le]i. Le]ite mo`at da se koristat samo za odredeni opsezi na branovi
dol`ini zaradi sopstvenite opsezi na branovi dol`ini na materijalite od koi
tie se izrabotuvaat. Me\utoa i pokraj ovoj fakt, tie se pretpo~itaat za
primena zaradi prednostite vo poednostavnoto dizajnirawe na opremata.
Na slika 33 se prika`ani dijagramite na zavisnost na transmitansata od
branovata dol`ina, za nekoi tipi~ni materijali za izrabotka na merna optika.
slika 33: proyirnost (transmitansa) za nekoi materijali (debelina 1mm)
1. opti~ko staklo 4. KRS-5 7. silicium 2. kalcium fluorid (CaF) 5. kvarcno staklo 8. litium fluorid (LiF) 3. cink selenid (ZnSe) 6. germanium 9. kalcogenidno staklo IG-2
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 29
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
slika 34
^esto pati, proizvoditelite
na pirometri gi opremuvaat svoite
uredi so teleskopski ili laserski
dodatoci (vgradeni vo vnatre[nosta
ili pricvrsteni na ku]i[teto na
samite pirometri). Laserskiot zrak
mu ovozmo`uva na korisnikot da ja naceli mernata damka pobrzo i poprecizno.
Ovie dodatoci se osobeno korisni za celewe na mernoto mesto kaj podvi`ni
objekti i vo lo[i svetlosni uslovi.
7. DETEKTORI
Detektorot e srceto na IC pirometarot. Toj go pretvora IC zra~eweto
vo elektri~ni signali koi potoa vo elektronskiot sistem se obrabotuvaat
kako temperaturni vrednosti. Paralelno so padot na cenite na IC
termometrite, sovremeniot razvoj vo procesorskata tehnologija ja podobri
stabilnosta na sistemite, doverlivosta, rezolucijata i brzinata na odyiv.
Infracrvenite detektori se delat na dve glavni grupi: kvantni
detektori i termalni detektori.
Kvantnite detektori (fotodiodi) imaat direktna interakcija so
fotonite, [to rezultira so sozdavawe parovi elektroni a so toa i elektri~en
signal. Termalnite detektori ja menuvaat nivnata temperatura zavisno od
vlijanieto na temperaturata. Imeno, temperaturnite promeni sozdavaat
napon, sli~no kako kaj termoparovite. Termalnite detektori se mnogu pospori
od kvantnite detektori, kako rezultat na potrebnoto sopstveno zagrevawe (vo
ovoj slu~aj terminot mnogu pospori zna~i [mS] vo sporedba so [nS] ili duri [fS]
kaj ponovite detektori).
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 30
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
slika 35
8. DISPLEI I INTERFEJSI
Interfejsite i raspolo`ivite vidovi merni displei se va`ni za
korisnikot. Nekoi pirometri, osobeno prira~nite, imaat displej i kontrolen
panel so direkten pristap i istite mo`at
da se tretiraat kako primaren izlez na
pirometarot. Vgradenite analogni ili
digitalni izlezi mo`at da poslu`at za
upravuvawe so dodatni displei vo
merniot sistem ili da se upotrebat za
regulacioni procesi. Isto taka, mo`no e
i direktno priklu~uvawe na data-logeri,
pe~ata~i i personalni kompjuteri so
soodveten softver (slika 35).
Sistemite za industriski proizvodni linii stanuvaat u[te pozna~ajni
vo praktikata. Tie mu ovozmo`uvaat na korisnikot pogolema fleksibilnost
vo raboteweto. Na primer, korisnikot mo`e da gi setira IC setilata
dale~inski od upravuva~kata soba bez pritoa da treba da go prekinuva
proizvodniot proces. Isto taka, mo`no e da se menuvaat i parametrite na
sistemot vo slu~ai koga na ista proizvodna linija se rabotat razli~ni
proizvodi. Bez mo`nosta za vakvi dale~inski opcii za setirawe, bilo kakva
promena na parametrite na setilata (emisivnost, meren opseg ili grani~ni
vrednosti), bi morala da se pravi ra~no kaj samite setila. Bidej]i setilata
naj~esto se montirani na te[ko dostapni mesta, inteligencijata vgradena vo
setilata obezbeduva kontinuiran monitoring i upravuvawe so procesot so
minimalna ekipiranost na personal. Dokolku se slu~i defekt (previsoka
ambientalna temperatura, prekinato napojuvawe, otkaz na nekoja komponenta),
avtomatski ]e se pojavi poraka za gre[ka.
Sovremenite digitalni merni sistemi ovozmo`uvaat i vmre`uvawe na
pove]e merni setila vo eden sistem (obi~no do 32). Vo edna takva mre`a, sekoe
setilo e adresabilno, a samata instalacija drasti~no se poevtinuva. Dodatna
pridobivka na pirometrite so digitalen interfejs e mo`nosta za kalibracija
koristej]i softver [to vo komplet se ispora~uva od proizvoditelot.
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 31
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
slika 36 slika 37
slika 38 slika 39
Na slikite 36 i 37 e pomesten printscreen od softverot Raytek DataTemp
Multidrop prezemen od eden `iv proizvodstven proces.
Na slikite 38 i 39 se pretstaveni LCD i LED displei koi mo`at da se
koristat kako izlezni edinici.
9. SPECIJALNI PIROMETRI
9.1 Fiberopti~ki pirometri
Pirometrite so fiberoptika (slika 40) se koristat za aplikacii kade
egzistiraat silni elektri~ni i magnetni interferencii. Fiberoptikata
ovozmo`uva postavuvawe na ~uvstvitelnite elektronski sistemi von zonata na
opasnost. Kako tipi~ni primeri za vakvi aplikacii se indukcionoto
zagrevawe i indukcionoto zavaruvawe. Bidej]i samata fiberoptika ne sodr`i
elektronski komponenti, rabotnata temperatura mo`e zna~itelno da se
zgolemi bez potreba od ladewe. Standardnata rabotna temperatura na ovaa
oprema e 200OC, so najvisoka mo`na rabotna temperatura i do 300OC.
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 32
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
slika 40
Kaj sovremenite uredi, mo`na e
zamena na optikata i fiberopti~kiot
kabel bez dodatna prekalibracija.
Karakteristi~no e deka ovoj tip
pirometri se proizveduvaat za branovi
dol`ini od 1 µm i 1,6 µm i za rabotni
temperaturi do 250OC.
9.2 Dvobojni pirometri
Ovie pirometri se isto taka poznati i kako pirometri so soodnos (ratio
pyrometers) ili pirometri so dvojna branova dol`ina (dual wavelength
pyrometers). Tie imaat dva opti~ki i elektri~ni merni kanali koi se identi~ni
po struktura. Obata opsezi na branovi dol`ini se postaveni [to e mo`no
poblisku eden do drug i setirani na mnogu tesen band, taka [to efektot na
specifi~nite zna~ajki na materijalot (reflektansa, emisivnost) od metata e
blisko-identi~na na obete branovi dol`ini. So pomo[ na matemati~ka
presmetka na soodnosot, mo`at da se eliminiraat odredeni vlijanija vo
mereweto. Imeno, ako za prviot kanal na pirometarot ja ozna~ime branovata
dol`ina λ1 a za vtoriot kanal branovata dol`ina λ2, toga[ se dobiva slednata
ravenka za izmerenata temperatura Tizm (spored literaturata 4):
1
2
122
21 ln)(
11εε
λλλλ
⋅−⋅
⋅+=
cTT metaizm
....................................... (5)
Dokolku emisivnosta na dvata kanali e ista, toga[ delot od izrazot (5)
posle znakot plus stanuva nula, a izmerenata temperatura soodvetstvuva na
temperaturata na metata Tmeta. Konstantata c2 [µm·K] e vtorata radijaciona
konstanta.
Istiot izraz mo`e da se primeni i vo slu~aj na povr[ina A na metata:
1
2
122
21 ln)(
11AA
cTT metaizm
⋅−⋅
⋅+=
λλλλ
....................................... (6)
Vo ovoj slu~aj povr[inite A2 i A1 ]e bidat identi~ni za obata kanali,
[to zna~i deka povtorno izostanuva delot od izrazot (6) posle znakot plus.
Ova zna~i deka mereweto e nezavisno od goleminata na metata. U[te pove]e,
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 33
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
zra~eweto koe stignuva od objektot do pirometarot stanuva proporcionalno
reducirano ne samo koga postoi mala merna povr[ina tuku i koga pirometarot
uspeva samo nakratko ,,da ja vidi” metata. So ova svojstvo na aparaturata,
mo`at da se merat i temperaturite na metite koi se vo vidnoto pole na
pirometarot pokuso od vremeto na odyiv na samiot pirometar.
slika 41 dvoboen pirometar tip Raytek MR
slika 42 dvoboen pirometar tip LAND
Promenite na karakteristikite na proyirnosta (transmitansata) vo
mernata pateka se eliminiraat na ist na~in. Imeno, uredite mo`at da se
koristat na mesta kade[to postoi ~ad ili pra[ina, ili bilo kakov drug
faktor na interferencija koj go reducira zra~eweto od metata. Nekoi od
sovremenite merni uredi imaat i vgraden sklop vo svojata optika koj go meri
slabeeweto na dojdovniot signal. Ovoj dodaten sklop mo`e da isprati alarmen
signal pri odredeno nivo na kontaminacija na opremata (optikata) so [to ]e
se aktivira sistemot za vozdu[no bri[ewe (vozdu[no duvawe). Vo nekoi
aplikacii kade[to prirodata na samata tehnologija zna~i postoewe na
odredena gustina na ~esti~ki okolu metata, dvobojniot pirometar so vgraden
sklop za opti~ko slabeewe mo`e da ovozmo`i i dopolnitelni informacii.
10. PRAKTI^NA APLIKACIJA
Pri izrabotkata na ovoj trud be[e iskoristen i momentot koga vo
proizvodnite pogoni na Makstil A.D. - Skopje be[e izvr[ena prakti~na
demonstracija so instalacija na beskontaktni pirometri od proizvodnata
programa na firmata Raytek (Germanija). Pritoa bea potencirani nekoi mo`ni
primeni na ovaa oprema na nekolku razli~ni lokacii na proizvodnite linii
na Makstil, dodeka prakti~nata demonstracija be[e izvr[ena vo pogonot
^eli~arnica pri aktivna rabota na proizvodnata linija.
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 34
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
Celta na demonstracijata be[e da se poka`e rabotata na pirometrite i
prika`anite rezultati za izmerenite temperaturi da se sporedat so
potrebnite temperaturi za proizvodniot proces. So toa tehnolozite vo
Makstil direktno mo`ea da ja sledat ispravnosta na tehnologijata na valawe
na limovite, a demonstracijata doka`a deka e neophodno instalirawe na ovoj
tip oprema zaradi kontinuirano sledewe na tehnolo[kiot proces.
Na slednite nekolku sliki se pomesteni odredeni momenti od
prakti~nata demonstracija na ovaa oprema vo Makstil A.D.
slika 43 slika 44 Makstil A.D. - Skopje, linija za valawe vo pogon ^eli~arnica
slika 45 slika 46
Makstil A.D. - Skopje, pogled kon v`e[teniot slab podgotven za valawe
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 35
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
11. ZAKLU^OK
Temperaturata e naj~esto merena fizi~ka golemina, vedna[ po vremeto.
Taa igra va`na uloga kako indikator na sostojbata na proizvodot ili par~eto
ma[inerija vo proizvodstvoto i vo odr`uvaweto. Monitoringot na
temperaturata go zgolemuva kvalitetot na proizvodstvoto i ja podobruva
produktivnosta.
Infracrvenata tehnologija ne e nov fenomen; taa uspe[no se koristi so
decenii vo industrijata i vo naukata. Me\utoa nekolku inovacii vo ovaa
tehnologija dovedoa do drasti~en pad na cenite, a toa dovede do [iroka
komercijalna dostapnost na IC tehnologijata, namaluvawe na gabaritot na
uredite, nivna golema doverlivost itn. Site ovie faktori pomognaa IC
tehnologijata da stane pole na interes za novi vidovi aplikacii i korisnici.
Koi se prednostite na beskontaktnoto merewe na temperaturata?
1. Toa e brzo (vo opsegot na mS), za[teduva vreme, a so toa ovozmo`uva
izvr[uvawe na pove]e merewa i akumulacija na podatoci;
2. Go olesnuva mereweto na temperaturata na podvi`ni meti;
3. Merewa mo`at da se izvedat na fizi~ki nedostapni ili opasni mesta
(visokonaponski delovi, golemi merni rastojanija i sli~no);
4. Mereweto na visoki temperaturi (nad 1300OC) ne pretstavuva problem. Vo
sli~ni situacii kontaktnite termometri se neupotreblivi ili imaat
ograni~en raboten vek;
5. Nema pre~ki vo mereweto i nema zaguba na energija od metata. Na primer, vo
slu~aj na slab sprovodnik na toplina kako [to se drvoto ili plastikata,
merewata se ekstremno to~ni bez izobli~uvawe na mernite vrednosti, vo
sporedba so kontaktnite termometri;
6. Ne postoi rizik od kontaminacija ili mehani~ki efekt na povr[inata na
merniot objekt. Lakiranite povr[ini, na primer, ne se grebat, a mo`at da se
merat i meki povr[ini.
Od ovde mo`e da se izvle~e zaklu~ok deka se brojni prednostite na
beskontaktnoto nad kontaktnoto (klasi~no) merewe na temperaturata,
osobeno tamu kade [to predmetite se dvi`at, premnogu se `e[ki i/ili se
nepristapni. Beskontaktnite mera~i na temperatura (IC toplomeri,
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 36
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
termometri, pirometri) so svojata podvi`nost, ednostavnost na upotreba,
stanuvaat nezamenlivi kaj tretiraweto predmeti od plastika, staklo, vo
procesite na pe~atewe, obrabotka na metali, izrabotka i primena na
polusprovodni~ki elementi, grade`ni materijali, prehranbenata industrija,
kako i vo preventivnoto nabquduvawe i odr`uvawe (na primer vo
elektroinstalaciite, toplovodite itn.) i sè pove]e ja zamenuvaat skapata
termovizija. Mereweto na temperaturata so beskontaktni termometri go ~ini
mereweto bezopasno, bezbedno i sigurno za samite operatori bidej]i ne e
neophodno pribli`uvawe do opasnite objekti koi zra~at toplina. Osven toa,
samiot proces ~ija temperatura se kontrolira vo poedini to~ki, ne mora da se
prekinuva (na primer pri kontrolata na temperaturata vo poedini to~ki na
edna VN transformatorska postrojka, istata ne e potrebno da se isklu~uva). I
kone~no ona [to e mo`ebi najva`no, brzinata na mereweto kaj beskontaktnoto
merewe na temperaturata e zna~itelno pogolema otkolku vo slu~aj so
kontaktnoto merewe. Pritoa povtorlivosta i doverlivosta na mereweto
sigurno se na strana na IC termometrite bidej]i setiloto (IC detektorot) i
samiot predmet na mereweto ne doa\aat vo fizi~ki kontakt, a so toa mo`nosta
za obostrano negativno vlijanie e zanemarena. IC pirometrite nemaat
potro[ni delovi kako kaj kontaktnite pirometri vo livnicite, [to uka`uva
na dolgove~nost na beskontaktnite mera~i na temperatura.
Maksimalnata univerzalnost na ovie merni uredi mu ovozmo`uvaat na
sekoj rakuva~, serviser, in`ener i tehni~ar brzo, to~no i sigurno merewe (i
dokumentirawe) na temperaturata na dale~ina. Izraboteni vo soglasnost so
site svetski standardi, ovie uredi se idnite garanti za kvalitetot vo
proizvodstvoto, odr`uvaweto, kontrolata na toplinskite instalacii i
procesi. Primenata na ednostavni Windows orientirani programski paketi i
instaliranite RS-232, RS-485 ili USB porti ovozmo`uvaat lesna i brza
akvizicija na podatocite od merewata, dale~insko upravuvawe, sobirawe na
podatoci (data logging), dale~insko setirawe na parametrite, ednostavna
dijagnostika, mo`nost za izrabotka na atestna dokumentacija i stru~ni
izve[tai itn. Ako kon ova se dodadat i integriranite analogni i digitalni
izlezi koi ovozmo`uvaat i upravuvawe so procesi vo koi temperaturata e
va`en parametar, toga[ korisnikot ima potpolna kontrola na svojot proces.
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 37
Petre Risteski dipl.el.in`. Setila i preobrazuva~i - infracrvena termometrija
12. LITERATURA
1. Petre Risteski dipl.el.in`., Najnovi tehnologii vo elektroenergetikata,
diplomska rabota, Skopje, 2003
2. Klaus-Dieter Gruner, Principles of Non-Contact Temperature Measurement, Raytek,
Germany
3. Dr. Željko Novinc, dipl.ing.el., Beskontaktno mjerenje temperature i termovizija u
industriji, skripta, Elektrotehničko društvo, Zagreb
4. Wolfe, Zissis, The Infrared Handbook, Washington DC: Office of Naval Research,
Department of the Navy, 1978
5. Principles of infrared thermometry, Sensors Magazine
6. Prezentacija Raytek – Ircon, Sarajevo, 2008
7. Demonstracija na Raytek pirometri vo Makstil A.D.- Skopje, maj 2008
8. Katalozi na proizvoditelite Raytek, FLUKE, Ahlborn, Ircon, Land, GuideIR
9. Internet stranici so adresa:
• http://www.raytek.com
• http://www.fluke.com
• http://www.land.com
• http://www.ircon.com
• http://www.ahlborn.com
• http://www.guide-infrared.com
Postdiplomski studii pri fakultet za elektrotehnika i informati~ki tehnologii - Skopje 38