Contactloze temperatuurmeting en thermografische diagnostiek

De grote vooruitgang in thermometrie en thermografie heeft ertoe geleid dat er een groot aantal contactloze thermometers en warmtebeeldsystemen op de markt is gebracht. Verkrijgbaar zijn infrarood-thermometers ook wel pyrometers genoemd. Hun belangrijkste eigenschap is het niet-invasieve karakter van de meting.

Kenmerken van infrarood metingen

• geen warmte-uitwisseling tussen het gemeten object en de temperatuursensor,
• geen tijdelijke wijziging van de temperatuurverdeling op de contactplaats van de sensor met het object,
• geen noodzaak om te wachten totdat de temperatuur zich stabiliseert, i.e. totdat de temperatuur van de sensor gelijk wordt aan de temperatuur van het gemeten object.

Toepassing van pyrometers voor thermografische diagnostiek

Meting met IR-thermometers, bewaking en registratie van meetresultaten breiden de mogelijkheden van thermografische diagnostiek en dynamische metingen aanzienlijk uit. Thermografische (thermische) diagnostiek brengt tijdsafhankelijke temperatuurveranderingen en de ruimtelijke temperatuurverdeling in kaart. Op basis van een continue bewaking of periodieke controle is het mogelijk om de technische staat van vele apparaten en componenten te beoordelen, een op temperatuurmeting gebaseerd toezicht uit te voeren op productie-, opslag- en logistieke en (fysieke en chemische) exploitatieprocessen.

Voorbeelden van toepassingsgebieden voor contactloze temperatuurmeting

• exploitatietoezicht op lagers en rollen,
• diagnostiek van elektronische systemen en PCB-componenten
• controle van de temperatuur van onderdelen en onder spanning staande apparatuur,
• temperatuurmeting in EX-zones,
• temperatuurmeting van kleine componenten,
• temperatuurcontrole in magazijn- en productieruimtes.

Invloed van temperatuur op lagers van machines

Een overmatige opwarming bij het gebruik van machines met roterende mechanismen en andere bewegende delen wordt veroorzaakt door een verhoogde wrijving, onjuiste aanpassing van bewegende delen of veranderingen in de krachtverdeling. Het meest kwetsbaar zijn allerlei lagers. In hun geval duidt een verhoogde temperatuur eenduidig op:

• slijtage door gebruik,
• verandering van de geometrie, krachtverdeling of het zwaartepunt van het roterende mechanisme (onjuiste balancering),
• te weinig of te veel smeermiddel,
• onjuiste technische eigenschappen van het smeermiddel. Het kan dus essentieel zijn om periodiek de temperatuur van de lagers of hun montageplaatsen met een pyrometer te controleren omdat hierdoor een diagnose van de technische staat en prognose kan worden gesteld.

Temperatuur van geleidingsrollen

De effecten van opwarming zijn ook te zien in bewegende componenten waarin geleidingsrollen worden gebruikt. Door gebruik te maken van temperatuurcontrole bij rolsystemen kunt u op een gemakkelijke manier de systemen diagnosticeren of individuele rollen met wezenlijk verschillende kinetische eigenschappen lokaliseren.

Diagnostiek van elektronische componenten en printplaten

Een ander belangrijk toepassingsgebied voor de thermografische diagnostiek omvat elektronische componenten en printplaten. Door de kleine afmetingen van de SMD- en THT-componenten is een contactloze thermometer met een hoge optische resolutie de optimale en vaak de enige manier van thermografische diagnostiek op PCB's. Dit komt door de zeer beperkte ruimte voor meting en het risico op kortsluiting door gebruik van een temperatuurvoeler.

Controle van schakelingen

Door de temperatuur te meten van geïntegreerde schakelingen, halfgeleiders, condensatoren, koellichamen en behuizingen kan de technische staat worden beoordeeld of een abnormale werking van een schakeling worden gediagnosticeerd die het gevolg is van een onjuiste temperatuur van individuele componenten. Het controleren en meten van de temperatuur van halfgeleider vermogenscomponenten en koelsystemen met koellichamen is relatief eenvoudig. Sommige halfgeleider vermogensschakelingen werken in een bereik van hoge temperaturen. De temperaturen komen dicht bij de maximaal toelaatbare temperatuur door hoge stroomwaarden of verliezen ten gevolge van de weerstand van verbindingen. Een lokale temperatuurmeting (op een punt) maakt het mogelijk om defecte verbindingen met een verhoogde weerstand en lokale kortsluitingen in isolerende componenten te identificeren. Een pyrometer is tevens goed geschikt om op een eenvoudige manier de temperatuurverdeling op het oppervlak van koellichamen en behuizingen te bepalen die vaak fungeren als warmtedissipatiesystemen in geïntegreerde elektronische modules.

Beoordeling van de temperatuur van transformatoren, spoelen en weerstanden

Een contactloze thermometer is onontbeerlijk bij het inschatten van de temperatuur van transformatoren, spoelen, weerstanden, en andere *elektronische componenten met onregelmatige vormen, zonder platte oppervlakken, en bedekt met elektrisch isolerende lakken met een hoge thermische weerstand, waarop de meting kan worden uitgevoerd met conventionele elektronische thermometers. Bovendien is de toepassing van conventionele thermometers met resistieve sondes of thermokoppels vaak onmogelijk bij het meten van de temperatuur van geleidende componenten die onder spanning blijven staan.

Pyrometer als de natuurlijke manier om voor een scheiding te zorgen

Het meten van een temperatuur met een pyrometer zorgt voor een natuurlijke en optimale galvanische scheiding van het gemeten, onder spanning staande object. Bij een dergelijk onderzoek kan namelijk de thermometer worden beschadigd of een elektrocutie worden veroorzaakt als gevolg van de galvanische verbinding van de thermometer met het elektrische circuit. Een contactloze temperatuurmeting elimineert dit gevaar en maakt het mogelijk om veilig de temperatuur van onderdelen en elektrische componenten onder bedrijfsomstandigheden, zelfs bij zeer hoge spanningen te diagnosticeren.

Chemische stoffen en procesinstallaties meten

Het gebruik van contactloze temperatuurmeting verhoogt de veiligheid en beperkt het risico bij metingen van zowel gevaarlijke chemische stoffen als procestanks en -installaties waarin dergelijke stoffen worden verwerkt en opgeslagen. Met behulp van een pyrometer is het gemakkelijk om gevarenzones aan te duiden, directe beschermingsmiddelen te beperken en dure speciale oplossingen te elimineren m.b.t. sensoren en thermometers. Als voorbeeld kan worden gedacht aan de petrochemische industrie en de productie en verpakking en brandbare chemische stoffen.

Onderzoeken in kleine objecten

Een ander toepassingsgebied van de pyrometrische thermometers is het meten van kleine objecten (voorwerpen) en die waarin het volume en de warmtecapaciteit van het gemeten object vergelijkbaar is met de afmetingen en capaciteit van de temperatuursensor. In dergelijke gevallen als gevolg van het temperatuurverschil tussen het object en de sensor treedt er op het moment van contact maken intensieve warmtewisseling en daarmee verbonden temperatuurverandering van het object op. Dit betekent dat een contactsensor (PT100, NTC, thermokoppel- of halfgeleidersensor) tijdens de meting het object intensief koelt of verwarmt of de temperatuurverdeling plaatselijk verandert. Dit langdurige stabilisatieproces van de temperatuur van het object vermindert de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van de meting.

Meettijd bij ongewijzigde omstandigheden

Als de tijdconstante van een contacttemperatuursensor bekend is, kan de tijd worden bepaald die nodig is om een meting bij ongewijzigde omstandigheden uit te voeren. Deze tijd bedraagt in de praktijk 3 of 5 tijdconstanten. En de tijdconstante τ van een thermometer is de tijd die nodig is om 63% van de totale amplitude van veranderingen te bereiken. Bij het meten met een pyrometer bestaat het probleem van de temperatuurstabilisatie van de sensor niet en kan de meting veel sneller worden uitgevoerd zonder rekening te houden met de tijdconstanten van de meting. De enige vertraging komt dan door de meettijd in het toestel die veel korter is dan de tijdconstante en meestal niet langer dan enkele tientallen milliseconden.

Infrarode straling in opslagruimten

Een groot toepassingsgebied voor infraroodthermometers zijn opslag- en productieruimten waar temperatuur- (klimaat-) eisen zijn gesteld. Er gelden concrete temperatuureisen voor de productie, opslag en het transport van voedingsmiddelen en farmaceutische producten. Deze eisen m.b.t. een continue, periodieke of incidentele temperatuurcontrole voortvloeien uit:

• de geldende (internationale, nationale, branche-, fabrieks-) normen,
• algemeen aanvaarde "goede praktijken", zoals de Goede Productiepraktijken (eng. GMP), Goede Distributiepraktijken (GDP),
• branchestandaarden zoals het HACCP-systeem voor voedingsmiddelen, het FARMAKOPEA-systeem voor farmaceutische producten.

Pyrometers en de voedingsmiddelen- en farmaceutische industrie

In de regel zijn contactloze thermometers niet ontworpen voor de temperatuurbewakings- en registratiesystemen in de voedingsmiddelen- en farmaceutische industrie. Echter, door de contactloze en onvertraagde meting worden ze toegepast in de volgende situaties:

• daar waar plaatselijke temperatuurveranderingen kunnen voorkomen en waar direct geen conventionele thermometers zijn geïnstalleerd, bijv. in grote opslag- en logistieke ruimtes, productiehallen,
• bij twijfel of noodzaak om metingen met verschillende thermometers te vergelijken,
• bij een periodieke of incidentele inspectie,
• bij een storing van het koelsysteem of het temperatuurbewakingssysteem.

Invloed van de emissiegraad op metingen

Bij het meten met infraroodthermometers moet er rekening mee worden gehouden dat hoe beter bekend de emissiegraad van het gemeten object is, hoe nauwkeuriger de meetresultaten zullen zijn. De werkelijke temperatuur in het object en de gemiddelde temperatuur van het gehele object kan anders zijn dan de temperatuur in de oppervlaktelaag en direct op het oppervlak waarop contactloos wordt gemeten.

Emissiegraad

Kalibratie van pyrometers

De verificatie en kalibratie van het meten met een infraroodthermometer kan gebeuren door zijn meetwaarden te vergelijken met die van een referentiethermometer (meestal een conventionele thermometer met een PT100-, RTD-, of thermokoppelsensor), en vervolgens door de juiste emissiegraad in te stellen. Een andere manier om de meetnauwkeurigheid te verbeteren is het direct instellen van de emissiegraad, als die precies bepaald of bekend is. De meeste op de markt verkrijgbare pyrometers kunnen een meting in het bereik van de effectieve emissiegraad van 0,1 t/m 1 uitvoeren. Daarnaast bieden de toestellen de mogelijkheid tot vloeiende regeling van de emissiegraadwaarde.

Bepaling van de emissiegraad

Het is goed om te weten dat de typische waarden van de emissiegraad voor populaire materialen in tabelvorm algemeen beschikbaar zijn. Echter, de emissiegraad hangt niet alleen af van het materiaal zelf. De fysisch-chemische toestand van het oppervlak van het gediagnosticeerd deel is heel vaak bepalend voor de effectieve waarde van deze parameter. Bij wijze van voorbeeld, een gepolijst koperen oppervlak zal een emissiegraad onder 0,1 hebben, een geoxideerd koperen oppervlak zal daarentegen een emissiegraad van 0,6÷0,7 hebben, terwijl in het geval van een geoxideerd en met patina bedekt koperen oppervlak kan de emissiegraad oplopen tot 0,9.

Verschillen in emissiegraadwaarden

Een zeer grote spreiding van emissiegraadwaarden is kenmerkend voor eigenlijk alle metalen oppervlakken die onderworpen worden aan oxidatie- en corrosieprocessen en fysieke invloeden. In het geval van kunststoffen en natuurlijke materialen met een min of meer dezelfde samenstelling kunnen de veranderingen van de emissiegraad een tien- tot twintigtal procent bedragen.

Actief meetoppervlak

Bij het meten van temperatuur met een contactloze thermometer moet u ook letten op het bepalen van het actieve meetoppervlak, welk voortvloeit uit de optische resolutie van het toestel. De optische resolutie van een IR-thermometer is een verhouding tussen D (de afstand tot een object) en S (de diameter van het meetvlak). Als de optische resolutie 10:1 bedraagt en er van een afstand van 100mm wordt gemeten, dan bedraagt de diameter van de cirkel waarbinnen de meting wordt uitgevoerd, 10mm.

Optische resolutie

Een grote optische resolutie verhoogt aanzienlijk de meetprestaties van een thermometer, omdat de meting selectiever is en op een overeenkomstig kleiner oppervlak wordt uitgevoerd. Dit is voordelig omdat dan de resultaat van de temperatuurmeting niet van een groot oppervlak wordt uitgemiddeld. Voor puntmetingen, op zeer kleine oppervlakken worden contactloze hoogresolutie thermometers, waarvan de optische resolutie een waarde van 100:1 kan bereiken.

Samenvatting

Er moet worden benadrukt dat bij infraroodthermometers cruciaal is dat ze zeer snel en gebruiksvriendelijk zijn en dat de meting contactloos gebeurt. Door deze eigenschappen hebben pyrometers zeker zeer ruime toepassingsmogelijkheden.