Безконтактно измерване на температура и температурна диагностика

Благодарение на огромния напредък в областта на термометрията и термографията на пазара се появи голям брой безконтактни термометри и термовизионни системи. Достъпни са термометри с инфрачервени лъчи, наричани също пирометри. Тяхното най-важно качество е неинвазивният начин на измерване.

Характеристики на измерванията с инфрачервени лъчи

• няма обмен на топлина между измервания обект и температурния датчик,
• няма временна промяна на разпределението на температурата на мястото на контакт на датчика с обекта,
• не е необходимо да се чака на стабилизиране на температурата, тоест на изравняване на температурата на датчика с тази на измервания обект.

Използване на пирометрите за температурна диагностика

Измерването с инфрачервени термометри, мониторирането и регистрирането на резултатите значително разширява възможностите на температурната диагностика и динамичните измервания. Температурната диагностика (термодиагностика) обхваща промените на температурата във времето и пространственото разпределение на температурата. Въз основа на непрекъснато мониториране или периодични проверки може да се направи оценка на техническото състояние на много уреди и подвъзли, да се провежда надзор на температурните измервания за производствените, експлоатационните (физически и химични) и логистично-складовите процеси.

Примерни области на използване на безконтактно измерване на температурата

• надзор на състоянието на лагерите и ролките при експлоатация,
• диагностика на електронните системи и платки PCB,
• контрол на температурата на елементи и устройства под напрежение,
• измерване на температурата в зоните EX,
• измерване на температурата на елементи с малки размери,
• контрол на температурата в складовите и производствени помещения.

Влияние на температурата върху лагерите на машините

По време на експлоатация на машините с въртящи се подвъзли и други движещи се елементи прекомерното нагряване възниква в резултат на повишено триене, неподходящо адаптиране на подвижните елементи или промяна на разположение на силите. Най-силно изложени на това са всички видове лагери. В техния случай повишената температура еднозначно показва:

• износване,
• промяна на геометрията, разположението на силите или центъра на тежестта на въртящия възел (небалансиран),
• твърде малко или твърде голямо количество грес,
• неправилни технически параметри на греста. Следователно периодичният контрол на температурата на лагерите или на местата на техния монтаж с помощта на пирометър е много важен, защото позволява оценяване на техническото състояние и прогнозиране.

Температура на водещите ролки

Ефектите от затоплянето са видими също така в движещите се възли, в които се използват водещи ролки. Контролът на температурата на ролковите системи позволява по лесен начин да се проведе диагностика или да се локализират единични ролки, чиито кинетични качества значително се различават.

Диагностика на електронни подвъзли и платки PCB

Поредната важна област на приложение на температурната диагностика са електронните подвъзли и платки PCB. С оглед на малките размери на елементите SMD и THT безконтактният термометър с висока оптична резолюция е оптималният и често единствен начин за температурна диагностика на платките PCB. Това е така поради ограниченото място за измерване и потенциалната опасност от късо съединение при използване на температурна сонда.

Контрол на интегрални системи

Извършвайки измерване на температурата на интегрални схеми, полупроводници, кондензатори, радиатори и корпуси може да се оцени техническото им състояние или да се диагнозира аномалия в системата, възникнала поради неправилна температура на единични елементи. Контролирането или измерването на температурата на полупроводниковите елементи с висока мощност и на системите за охлаждане с радиатори е сравнително лесно. Част от полупроводниковите системи от висока мощност работи във висок температурен обхват. Те са близки до допустимата максимална температура с оглед на големите стойности на провежданите токове или загуби от съпротивлението на съединенията. Чрез точково измерване на температурата е възможно идентифициране на дефектните съединения, които имат по-високо съпротивление и местни къси съединения в изолационните елементи. Освен това с помощта на пирометър по лесен начин може да се определи разпределението на температурата върху повърхността на радиаторите и корпусите, които често работят като системи за разсейване на топлината в интегрираните електронни модули.

Оценка на температурата на трансформатори, бобини и резистори

Безконтактният термометър е незаменим при определянето на температурата на трансформатори, бобини, резистори и други електронни елементи с нетипична форма, които нямат плоски повърхности и са покрити с електроизолационни лакови покрития с високо топлинно съпротивление, върху които може да се направи измерване с класическите електронни термометри. Освен това използването на класически термометри със съпротивителни сонди или с термоелементи често е невъзможно по време на измерване на температурата на проводящи елементи, оставащи под електрическо напрежение.

Пирометърът - естествен начин за създаване на изолация

Измерването на температурата с пирометър осигурява естествена и възможно най-добра галванична изолация от измервания обект, който е под напрежение. По време на такова измерване може да се стигне до повреда на термометъра или токов удар, което е възможно поради галваничното съединение на термометъра с електрическата верига. Безконтактното измерване на температурата елиминира тази опасност и позволява безопасна температурна диагнозиране на елементите на електрическите елементи подвъзли в експлоатационни условия, дори и при много високи напрежения.

Измерване на химични вещества и работни инсталации за процеси

Използването на безконтактно измерване на температурата повишава безопасността и ограничава опасността при измерване на опасни химични вещества и резервоари, както и на инсталации, използвани за процеси, в които тези вещества се преработват или съхраняват. Благодарение на пирометъра лесно може да се определят опасните зони, като се ограничи използването на защитни средства за директна защита и се елиминира скъпите специални решения в областта на датчиците и термометрите. Като пример може да се посочи нефтохимичната промишленост и производството и опаковането на леснозапалими химикали.

Измервания в обекти с малки размери

Поредната област на използване на пирометрични термометри е измерването на обекти с малки размери и такива, в които обемът и топлинният капацитет на измервания обект са сравними с размерите и капацитета на температурния датчик. В такива случаи в момента на допир, поради температурната разлика, настъпва интензивен топлообмен и свързана с това много голяма промяна на температурата на обекта. Това означава, че температурния контактен датчик (PT100, термодвойка, NTC, полупроводников) по време на измерването много интензивно охлажда или затопля обекта или променя местното разпределение на температурата. Такъв продължителен процес на стабилизиране на температурата намалява надеждността и точността на измерването.

Време на измерване в стабилни условия

При известна времеконстанта на температурния датчик може да се определи времето, необходимо за извършване на измерване при стабилни условия. На практика това време е 3 или съответно 5 времеконстанти. А времеконстантата „τ” на термометъра е времето, необходимо за достигане на 63% от общата амплитуда на промените. В случай на измерване с пирометър проблемът със стабилизиране на температурата на датчика не съществува и може да се извърши много по-бързо, независимо от времеконстантите на измерването. Единственото закъснение е свързано с времето на измерване в уреда, което е значително по-кратко от времеконстантата и обикновено не надвишава няколко десетки милисекунди.

Инфрачервена светлина в складовите пространства

Огромна област на приложение на инфрачервените термометри са складовите и производствени пространства, в които има наложени стриктни условия за температура (климатични условия). Конкретните температурни изисквания са задължителни по време на производство, складиране и транспорт на храни и фармакологични продукти. Тези условия относно непрекъснатото, периодичното или непериодично контролиране на температурата се налагат поради:

• действащите стандарти (международни, местни, браншови, на даденото предприятие),
• общо приетите „добри практики”, като например Добра Производствена Практика (на англ. GMP), Добра Дистрибуционна Практика (на англ. GDP),
• браншовите стандарти, като система HACCP за хранителните продукти, система PHARMACOPOEIA за фармацевтиката.

Пирометри и хранителна и фармацевтична промишленост

По принцип безконтактните термометри не са предназначени за системите за мониториране и регистриране на температурите в хранителната и фармацевтичната промишленост, но поради безконтактния начин на измерване и бързия резултат те намират приложение в следните случаи:

• там, където могат да се появят местни промени на температурата и където не са монтирани класически термометри, например: складово-логистични помещения с големи габарити, производствени халета,
• в случай на съмнение и необходимост от сравнение на измерванията на различни термометри,
• по време на периодична или непериодична инспекция,
• по време на авария на охлаждащата система или системата за мониториране на температурата.

Влияние на коефициента на излъчване върху измерванията

При измерване с инфрачервени термометри трябва да се има предвид, че резултатите от измерванията ще бъдат дотолкова точни, доколкото е известен коефициентът на излъчване на измервания обект. Действителната температура вътре в обекта и средната температура на целия обект може да бъде различна от температурата в подповърхностния слой и непосредствено на повърхността, върху която е направено безконтактното измерване.

Коефициент на излъчване

Калибрация на пирометрите

Проверката и калибрацията на измерването на инфрачервен термометър може да се извърши чрез сравнение на неговите показания с референтен термометър (най-често това е класически термометър с датчик PT100, RTD или с термодвойки), а след това трябва да настроите правилната стойност на коефициента на излъчване. Вторият начин за подобряване на точността на показанията е непросредствена настройка на стойността на коефициента на излъчване, ако е точно определен или познат. Повечето достъпни на пазара пирометри позволяват измерване в обхвата на коефициент на ефективно излъчване от 0,1 до 1. Допълнително уредите са оборудвани с функция за плавно регулиране на стойността на коефициента.

Определяне на стойността на коефициента на излъчване

Не бива да се забравя, че типичните стойности на коефициентите на излъчване за най-популярните материали са класифицирани в таблица и са общодостъпни. Коефициентът на излъчване обаче не зависи само от самия материал. Много често физикохимичното състояние на повърхността на измервания елемент е решаващо за ефективната стойност на този параметър. Например, медна полирана повърхност ще бъде с коефициент на излъчване под 0,1, а окислена медна повърхност вече ще се характеризира с коефициент от ниво 0,6÷0,7, обаче в случай на окислена медна повърхност, която е покрита с патина, коефициентът може да достигне до стойност 0,9.

Разлики в стойностите на коефициента на излъчване

Много големи разлики в стойностите на коефициента на излъчване са характерни за всички метални повърхности, които са изложени на окисляване и корозия, както и на физически въздействия. Пластмасите и материалите от естествен произход със сходен състав могат да имат промени в коефициента от нивото на повече от десет процента.

Активна повърхност за измерване

Вторият важен елемент, на който трябва да се обърне внимание по време на измерване на температурата с безконтактен термометър, е определянето на активната повърхност за измерване, определена от оптичната резолюция на уреда. Оптичната резолюция представлява съотношението на D (разстоянието между термометъра и обекта) и S (диаметър на измерваната повърхност). Ако оптичната резолюция възлиза на 10:1, тогава за измерване от разстояние 100mm, диаметърът на кръга, в който се извършва измерването, възлиза на 10mm.

Оптична резолюция

Голямата оптична резолюция значително увеличава измервателните свойства на термометъра, тъй като измерването е по-селективно и се извършва върху съответно по-малка повърхност. В този случай няма ефект на осредняване на резултата от измерването на температурата от голямата повърхност. За точковите измервания върху малки повърхности са предназначени безконтактни термометри с висока резолюция, чиито коефициент на оптична резолюция може да достигне стойност 100:1.

Резюме

Трябва да се подчертае, че основно значение за инфрачервените термометри имат бързото и лесно измерване и неговия безконтактен характер. Тези качества са решаващи за голямата практическа полезност на пирометрите.