Măsurarea fără contact a temperaturii şi diagnosticarea temperaturii

Datorită progresului enorm în domeniul termometriei şi termografiei, pe piaţă au apărut un mare număr de termometre fără contact şi sisteme de termoviziune. Sunt disponibile termometre în infraroşu, denumite şi pirometre. Cea mai importantă caracteristică a acestora o reprezintă măsurarea neinvazivă.

Caracteristicile măsurătorilor în infraroşu

• nu are loc schimbul de căldură între obiectul măsurat şi senzorul de temperatură,
• nu apare modificarea temporară a distribuţiei temperaturii în locul de contact al senzorului cu obiectul,
• nu trebuie să aşteptăm stabilizarea temperaturii sau uniformizarea temperaturii senzorului cu temperatura obiectului măsurat.

Utilizarea pirometrelor pentru diagnosticarea termică

Măsurarea cu termometre în infraroşu, monitorizarea şi înregistrarea rezultatelor cresc cu mult posibilităţile privind diagnosticarea temperaturii şi măsurătorile dinamice. Diagnosticarea temperaturii (termică) cuprinde modificările temporare ale temperaturii şi distribuţia spaţială a temperaturii. Pe baza monitorizării continue sau a controlului periodic, poate fi evaluată starea tehnică a multor echipamente şi subansambluri, poate fi realizată supravegherea prin măsurarea temperaturii pentru procesele de producţie, exploatare (fizice şi chimice), privind logistica şi depozitarea.

Exemple de domenii de utilizare a măsurării fără contact a temperaturii

• supravegherea exploatării lagărelor şi rolelor,
• diagnosticarea circuitelor electronice şi subansamblurilor PCB,
• controlul temperaturii elementelor şi echipamentelor aflate sub tensiune,
• măsurarea temperaturii în zonele EX,
• măsurarea temperaturii elementelor de mici dimensiuni,
• controlul temperaturii în spaţiile cu destinaţie de depozitare sau producţie.

Efectul temperaturii asupra lagărelor maşinilor

Pe durata exploatării maşinilor cu ansambluri rotative şi cu alte elemente mobile, încălzirea excesivă rezultă din frecarea crescută, neajustarea elementelor mobile sau modificarea distribuţiei forţelor. Cel mai expuse sunt lagărele, indiferent de tip. În cazul acestora, temperatura crescută indică în mod clar următoarele:

• uzură de exploatare,
• modificarea geometriei, a distribuţiei forţelor sau a centrului de greutate al sistemului rotativ (neechilibrare),
• o cantitate prea mică sau prea mare de lubrifiant,
• parametri tehnici necorespunzători ai lubrifiantului. Prin urmare, controlul periodic al temperaturii lagărelor sau a locurilor de fixare a acestora cu ajutorul pirometrului este important, pentru că permite evaluarea stării tehnice şi prognosticul.

Temperatura rolelor de ghidare

Efectele încălzirii sunt vizibile şi în subansamblurile mobile în care sunt folosite role de ghidare. Controlul temperaturii sistemelor cu role permite efectuarea simplă a diagnosticării sau localizarea anumitor role, ale căror caracteristici cinetice diferă cu mult de restul.

Diagnosticarea subansamblurilor electronice şi a plăcilor PCB

Un alt domeniu important de utilizare a diagnosticării temperaturii îl reprezintă subansamblurile electronice şi plăcile PCB. Date fiind dimensiunile mici ale elementelor SMD şi THT, un termometru fără contact, cu rezoluţie optică mare, este un instrument optim şi adesea unicul mod de diagnosticare a temperaturii pe plăcile PCB. Acest lucru rezultă din limitarea locului de măsurare şi din riscul potenţial de cauzare a unui scurtcircuit cu o sondă de temperatură.

Controlul circuitelor

Măsurând temperatura circuitelor integrate, a semiconductoarelor, condensatoarelor, radiatoarelor şi carcaselor, poate fi evaluată starea tehnică sau pot fi diagnosticate comportamentele anormale ale circuitului, rezultate dintr-o temperatură necorespunzătoare a diferitelor elemente. Controlul sau măsurarea temperaturii elementelor semiconductoare de putere şi a circuitelor de răcire cu radiatoare sunt relativ uşoare. O parte din circuitele semiconductoare de putere funcţionează într-un interval de temperaturi înalte. Acestea sunt apropiate de temperatura maximă admisă, date fiind valorile mari ale curenţilor conduşi sau ale pierderilor cauzate de rezistenţa conexiunilor. Prin măsurarea locală (punctuală) a temperaturii, este posibilă identificarea conexiunilor defecte, cu rezistenţă crescută şi a scurtcircuitelor locale din elementele izolante. În plus, cu ajutorul pirometrului poate fi stabilită cu uşurinţă distribuţia temperaturii pe suprafaţa radiatoarelor şi carcaselor, care funcţionează adesea ca sisteme de dispersie a căldurii în module electronice integrate.

Evaluarea temperaturii transformatoarelor, bobinelor şi rezistoarelor

Termometrul fără contact este de neînlocuit atunci când evaluăm temperatura transformatoarelor, bobinelor, rezistoarelor şi a altor elemente electronice cu forme neregulate, lipsite de suprafeţe plane şi acoperite cu lacuri electroizolante cu rezistenţă termică mare, pe care se pot efectua măsurători cu termometre electronice clasice. În plus, utilizarea termometrelor clasice cu sonde rezistive sau termoelemente este adesea imposibilă în timpul măsurării temperaturii elementelor conductive, aflate sub tensiune.

Pirometrul, un mod natural de creare a unei izolaţii

Măsurarea temperaturii cu ajutorul pirometrului asigură cea mai bună izolaţie galvanică, naturală, faţă de obiectul măsurat, aflat sub tensiune. Pe durata unui asemenea test se poate produce deteriorarea termometrului sau electrocutarea, ca urmare a conexiunii galvanice a termometrului cu circuitul electric. Măsurarea fără atingere a temperaturii elimină acest risc şi permite diagnosticarea în siguranţă a temperaturii componentelor şi subansamblurilor electrice în condiţii de exploatare, chiar şi la tensiuni foarte mari .

Măsurători ale substanţelor chimice şi instalaţiilor de proces

Utilizarea măsurării fără contact a temperaturii creşte siguranţa şi limitează riscurile în cazul măsurătorilor asupra substanţelor chimice periculoase, rezervoarelor şi instalaţiilor de proces în care sunt prelucrate sau depozitate asemenea substanţe. Datorită pirometrului, pot fi cu uşurinţă delimitate zonele periculoase, pot fi limitate mijloacele de protecţie directă şi pot fi eliminate soluţiile speciale costisitoare în ceea ce priveşte senzorii şi termometrele. Un exemplu pot fi industria petrochimică şi producţia sau ambalarea substanţelor chimice inflamabile.

Testele asupra obiectelor de mici dimensiuni

Un alt domeniu de utilizare a termometrelor pirometrice îl constituie măsurătorile asupra obiectelor de mici dimensiuni şi a celor în care volumul şi capacitatea termică a obiectului măsurat sunt comparabile cu dimensiunile şi capacitatea senzorului de temperatură. În aceste cazuri, în momentul contactului, ca urmare a diferenţei de temperatură între obiect şi senzor, are loc un schimb intens de căldură şi, drept urmare, se produce o modificare considerabilă a temperaturii obiectului. Acest lucru înseamnă că, în timpul măsurătorii, senzorul de contact (PT100, termocuplu, NTC, semiconductor) se răceşte foarte mult şi încălzeşte obiectul sau modifică distribuţia locală a temperaturii. Un asemenea proces de lungă durată de stabilire a temperaturii obiectului scade veridicitatea şi exactitatea măsurătorii.

Durata măsurătorii în condiţii stabilite

Cunoscând constanta de timp a senzorului de temperatură cu contact, poate fi determinat timpul necesar pentru efectuarea măsurătorii în condiţii stabilite. Acest timp, în practică, este de 3 sau 5 constante de timp. Constanta de timp τ a termometrului reprezintă timpul necesar pentru atingerea a 63% din întreaga amplitudine a modificărilor. În cazul măsurării cu un pirometru, problema stabilirii temperaturii senzorului nu există, măsurătoarea putând fi realizată cu mult mai repede, fără a ţine seama de constantele de timp. Singura întârziere este legată în acest caz de durata măsurătorii în aparat, care este cu mult mai scurtă decât constanta de timp şi, de regulă, nu depăşeşte câteva zeci de milisecunde.

Infraroşul în spaţiile de depozitare

Un domeniu enorm de utilizare a termometrelor în infraroşu îl reprezintă spaţiile de depozitare şi producţie, în care sunt impuse rigori de temperatură (climatizare). Anumite dispoziţii legate de temperatură sunt obligatorii în timpul producţiei, depozitării şi transportului alimentelor sau produselor farmaceutice. Aceste dispoziţii, referitoare la controlul continuu, periodic sau ocazional al temperaturii rezultă din:

• standardele în vigoare (internaţionale, naţionale, de branşă, din întreprindere),
• „bunele practici” general acceptate, de exemplu Bunele Practici de Producţie, în engleză GMP, Bunele Practici de Distribuţie, în engleză GDP,
• standardele din branşă, precum sistemul HACCP privind alimentele, sistemul FARMAKOPEA privind produsele farmaceutice.

Pirometrele şi industria alimentară şi farmaceutică

Termometrele fără contact nu sunt proiectate pentru sistemele de monitorizare şi înregistrare a temperaturii în industria alimentară şi farmaceutică. Totuşi, având în vedere posibilitatea de măsurare rapidă şi fără contact, sunt utilizate în următoarele situaţii:

• locuri în care pot apărea modificări locale ale temperaturii şi unde nu au fost montate în mod direct termometre convenţionale, de exemplu: spaţii de uz logistic şi de depozitare de mari dimensiuni, hale de producţie,
• în cazul unor neclarităţi, când este necesară compararea măsurătorilor efectuate cu diferite termometre,
• pe durata inspecţiilor periodice sau ocazionale,
• pe durata avariilor sistemului de răcire sau ale sistemului de monitorizare a temperaturii.

Influenţa emisivităţii asupra măsurătorilor

La măsurarea cu termometre în infraroşu trebuie avut în vedere faptul că rezultatele măsurătorilor vor fi cu atât mai precise, cu cât este mai exactă emisivitatea obiectului testat. Temperatura reală din interiorul obiectului şi temperatura medie a întregului obiect pot fi diferite de temperatura din stratul adiacent suprafeţei sau de pe suprafaţa pe care este efectuată măsurătoarea fără contact.

Współczynnik emisyjności

Calibrarea pirometrelor

Verificarea şi calibrarea măsurării cu termometrul în infraroşu pot fi realizate comparând indicaţiile acestuia cu termometrul etalon (cel mai adesea un termometru convenţional cu senzor PT100, RTD sau termocuplu), iar apoi setând valoarea corespunzătoare a emisivităţii. Un alt mod de îmbunătăţire a preciziei indicaţiilor îl constituie setarea directă a valorii emisivităţii, dacă aceasta este determinată în mod exact sau cunoscută. Majoritatea pirometrelor disponibile pe piaţă permit măsurarea în intervalul unei emisivităţi efective între 0,1 şi 1. În plus, aparatele sunt prevăzute cu funcţia de reglare continuă a valorii emisivităţii.

Determinarea valorii emisivităţii

Merită să reţinem că valorile standard ale emisivităţii pentru cele mai răspândite materiale pot fi găsite în tabele şi sunt general accesibile. Însă emisivitatea nu depinde exclusiv de material. Foarte adesea, starea fizico-chimică a suprafeţei elementului diagnosticat decide valoarea efectivă a acestui parametru. De exemplu, o suprafaţă din cupru lustruită va avea o emisivitate de sub 0,1, o suprafaţă din cupru oxidată va fi caracterizată de o emisivitate la nivelul de 0,6÷0,7, iar în cazul unei suprafeţe din cupru oxidate şi cu patină, emisivitatea poate creşte până la valoarea de 0,9.

Diferenţele de valoare a emisivităţii

Împrăştierea foarte mare a valorilor emisivităţii este valabilă pentru toate suprafeţele metalice care sunt supuse proceselor de oxidare şi coroziune, precum şi factorilor de ordin fizic. Materialele sintetice şi cele de origine naturală cu componenţă apropiată pot prezenta modificări ale emisivităţii la nivelul câtorva procente.

Suprafaţa de măsurare activă

Un alt element important căruia trebuie să îi acordăm atenţie la măsurarea temperaturii cu un termometru fără contact îl reprezintă determinarea suprafeţei active de măsurare, care rezultă din rezoluţia optică a aparatului. Rezoluţia optică este raportul dintre D (distanţa termometru faţă de obiect) şi S (diametrul zonei de măsurare). Dacă rezoluţia optică este de 10:1, atunci pentru o măsurătoare efectuată de la o distanţă de 100mm, diametrul cercului în care aceasta este realizată este de 10mm.

Rezoluţia optică

O rezoluţie optică mare creşte cu mult performanţele de măsurare ale termometrului, deoarece măsurarea este mai selectivă şi este efectuată pe o suprafaţă mai mică. În această situaţie, nu apare efectul de mediere a rezultatului măsurării temperaturii de pe o suprafaţă mare. Pentru măsurătorile punctuale, pe suprafeţe foarte mici pot fi folosite termometrele fără contact cu rezoluţie mare, a căror rezoluţie optică poate atinge valoarea de 100:1.

Rezumat

Trebuie subliniat faptul că o importanţă cheie în cazul termometrelor în infraroşu o au viteza mare şi uşurinţa măsurării, precum şi realizarea fără contact a acesteia. Aceste caracteristici sunt, fără îndoială, decisive pentru utilitatea foarte mare în practică a pirometrelor.