Bezkontaktní měření teploty a teplotní diagnostika

Obrovský pokrok v oblasti termometrie a termografie způsobil, že se na trhu objevil velký počet bezkontaktních teploměrů a termovizních systémů. Jsou dostupné infračervené teploměry nazývané také pyrometry. Jejich nejdůležitější vlastností je neinvazivní charakter měření.

Vlastnosti infračerveného měření

• nedochází k výměně tepla mezi měřeným objektem a čidlem teploty,
• nedochází k časové změně rozložení teploty v místě kontaktu čidla s objektem,
• není třeba čekat na stabilizaci teploty, neboli vyrovnání teploty čidla a teploty měřeného objektu.

Využití pyrometrů pro termickou diagnostiku

Měření infračervenými teploměry, monitorování a záznam výsledků značně rozšiřují možnosti teplotní diagnostiky a dynamických měření. Teplotní (termická) diagnostika zahrnuje časové změny teploty a prostorové rozložení teploty. Na základě stálého monitorování nebo periodické kontroly lze ohodnotit technický stav mnoha zařízení a dílů, provádět měřicí dohled nad teplotou u výrobních, provozních (fyzikálních a chemických) a logistických a skladovacích procesů.

Příklady oblastí použití bezkontaktního měření teploty

• provozní dohled nad ložisky a válečky,
• diagnostika elektronických obvodů a modulů PCB,
• kontrola teploty komponent a zařízení pod napětím,
• měření teploty v zónách EX,
• měření teploty součástek malých rozměrů,
• kontrola teploty ve skladových a výrobních prostorách.

Vliv teploty na ložiska strojů

Při provozování strojů s rotujícími díly a jinými pohyblivými komponentami dochází k nadměrnému ohřívání v důsledku zvýšeného tření, nepřizpůsobení pohyblivých komponent nebo změny rozložení sil. Nejvíce jsou ohrožena ložiska všeho druhu. V jejich případě zvýšená teplota jednoznačně ukazuje na:

• opotřebení,
• změnu geometrie, rozložení sil nebo těžiště rotujícího systému (nevyvážení),
• příliš málo nebo příliš hodně maziva,
• nesprávné technické parametry maziva. Periodická kontrola teploty ložisek nebo míst, kde jsou osazena, pomocí pyrometru je tedy důležitá, protože umožňuje posouzení technického stavu a prognózování.

Teplota vodicích válečků

Efekty ohřevu jsou také viditelné u pohyblivých systémů, u nichž se používají vodicí kladky. Kontrola teploty válečkových systémů umožňuje jednoduše provádět diagnostiku nebo najít jednotlivé válečky, jejichž kinetické vlastnosti jsou výrazně odlišné.

Diagnostika elektronických dílů a desek PCB

Další důležitou oblastí použití teplotní diagnostiky jsou elektronické díly a desky plošných spojů. S ohledem na malé rozměry součástek SMD a THT, je bezkontaktní teploměr s velkým optickým rozlišením optimální a často jediný způsob teplotní diagnostiky na deskách PCB. Vychází to z omezení místa, ve kterém se měří, a potenciálního rizika elektrického zkratu teplotní sondou.

Kontrola obvodů

Měřením teploty integrovaných obvodů, polovodičů, kondenzátorů, chladičů a krytů lze posoudit technický stav nebo diagnostikovat anomální chování obvodu, které je způsobeno nesprávnou teplotou jednotlivých součástek. Kontrola nebo měření teploty výkonových polovodičových součástek a obvodů chlazení s chladiči je poměrně jednoduché. Část výkonových polovodičových obvodů pracuje v oblasti vysokých teplot. Blíží se přípustné maximální teplotě, s ohledem na velké hodnoty vedených proudů nebo ztrát vyvolaných odporem spojů. Lokálním (bodovým) měřením teploty lze identifikovat vadné spoje, které mají zvětšený odpor, a lokální zkraty v izolačních komponentách.
Navíc lze pomocí pyrometru jednoduchým způsobem určit rozložení teploty na povrchu chladičů a krytů, které často fungují jako obvody pro rozptylování tepla v integrovaných elektronických modulech.

Posouzení teploty transformátorů, cívek a rezistorů

Bezkontaktní teploměr je nenahraditelný při zjišťování teploty transformátorů, cívek, rezistorů a dalších elektronických součástek nepravidelných tvarů, postrádajících rovné povrchy a pokrytých elektroizolačními laky s velkým tepelných odporem, na nichž nelze měřit klasickými elektronickými teploměry. Navíc je použití klasických teploměrů s odporovými sondami nebo termočlánky často nemožné při měření teploty vodivých komponent, které jsou pod elektrickým napětím.

Pyrometr přirozeným způsobem pro vytvoření izolace

Měření teploty pyrometrem zajišťuje přirozené a nejlepší možné galvanické oddělení od měřeného objektu, který je pod napětím. Během takového testu totiž může dojít k poškození teploměru nebo zasažení elektrickým proudem v důsledku galvanického spojení teploměru s elektrickým obvodem. Bezdotykové měření teploty eliminuje toto nebezpečí a umožňuje bezpečnou diagnostiku teploty elektrických dílů a komponent v provozních podmínkách, i při velmi vysokých napětích.

Měření chemických látek a procesních instalací

Použití bezkontaktního měření teploty zvyšuje bezpečnost a omezuje riziko v případě měření nebezpečných chemických látek a nádrží a procesních instalací, v nichž se takové látky zpracovávají nebo skladují. Díky pyrometru lze snadno oddělit nebezpečné zóny, omezit prostředky bezprostřední ochrany a vyloučit nákladná speciální řešení v oblasti čidel a teploměrů. Za příklad může posloužit petrochemický průmysl a výroba a balení snadno hořlavých chemických látek.

Zkoušky v objektech malých rozměrů

Další oblastí použití pyrometrických teploměrů je měření objektů malých rozměrů a takových, u kterých je objem a tepelná kapacita srovnatelná s rozměry a kapacitou čidla teploty. V takových případech v okamžiku kontaktu dochází, jako důsledek rozdílu teplot objektu a čidla, k intenzivní výměně tepla a s tím spojené velké změně teploty objektu. To znamená, že kontaktní čidlo (PT100, termočlánkové, NTC, polovodičové) v průběhu měření velmi intenzivně ochlazuje nebo ohřívá objekt nebo lokálně mění rozložení teploty. Takový dlouhodobý proces ustalování teploty objektu snižuje věrohodnost a přesnost měření.

Doba měření za ustálených podmínek

Známe-li časovou konstantu kontaktního čidla teploty, můžeme stanovit dobu nezbytnou pro měření za ustálených podmínek. Tato doba je v praxi 3 nebo lépe 5 časových konstant. A časová konstanta τ teploměru je doba potřebná k dosažení 63% celkové amplitudy změn. V případě měření pyrometrem problém ustálení teploty čidla nevzniká a měření může být provedeno značně rychleji, bez zohledňování časových konstant měření . Jediné zpoždění je zde spojeno s dobou měření v přístroji, která je značně kratší než časová konstanta a která zpravidla nepřekračuje několik desítek milisekund.

Infra ve skladových prostorách

Obrovskou oblastí aplikace infračervených teploměrů jsou skladovací a výrobní prostory, ve kterých jsou stanoveny požadavky na teplotu (klimatické). Konkrétní doporučení ohledně teploty platí při výrobě, skladování a přepravě potravin a farmakologických výrobků. Tato doporučení, týkající se průběžné, periodické nebo příležitostné kontroly teploty, vycházejí ze:

• závazných předpisů (mezinárodních, národních, oborových, firemních),
• všeobecně přijatých „správných praxí”, jako např. Správná Výrobní Praxe, angl. GMP, Správná Distribuční Praxe, angl. GDP,
• oborových standardů, jako je systém HACCP platící pro potraviny, systém FARMAKOPEA platící pro farmaceutiku.

Pyrometry a potravinářský a farmaceutický průmysl

Bezkontaktní teploměry nejsou zpravidla určeny pro systémy monitorování a záznamu teploty v potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Avšak s ohledem na bezdotykové měření bez zpoždění nacházejí uplatnění v následujících situacích:

• tam, kde se mohou objevit lokální změny teploty a kde bezprostředně nejsou instalovány konvenční teploměry, např. velké logistické a skladovací prostory, výrobní haly,
• v případě pochyb a potřeby porovnání měření různými teploměry,
• během pravidelné nebo příležitostné prohlídky,
• v době poruchy chladicího systému nebo systému monitorování teploty.

Vliv koeficientu emisivity na měření

Při měření infračervenými teploměry je třeba mít na paměti, že výsledky měření budou natolik přesné, nakolik je znám koeficient emisivity měřeného objektu. Skutečná teplota uvnitř objektu a průměrná teplota celého objektu může být odlišná od teploty v podpovrchové vrstvě a přímo na povrchu, kterou bezkontaktně měříme.

Koeficient emisivity

Kalibrace pyrometrů

Kontrolu a kalibraci měření infračerveným teploměrem můžeme provést porovnáním jeho údajů s referenčním teploměrem (nejčastěji konvenčním teploměrem s čidlem PT100, RTD nebo termočlánkovým) a následně nastavením správné hodnoty koeficientu emisivity. Druhým způsobem zlepšení přesnosti výsledků je bezprostřední nastavení hodnoty koeficientu emisivity, je-li přesně určen nebo znám. Většina pyrometrů dostupných na trhu umožňuje měření v rozsahu koeficientu efektivní emisivity od 0,1 do 1. Navíc jsou přístroje vybaveny funkcí plynulého nastavení hodnoty koeficientu.

Určení hodnoty koeficientu emisivity

Je třeba pamatovat, že typické hodnoty koeficientu emisivity nejběžnějších materiálů jsou tabelovány a všeobecně dostupné. Avšak koeficient emisivity nezávisí pouze na samotném materiálu. Velmi často rozhoduje fyzikálně-chemický stav povrchu diagnostikovaného elementu o efektivní hodnotě tohoto parametru. Například leštěný měděný povrch bude mít koeficient emisivity menší než 0,1, zoxidovaný měděný povrch bude mít koeficient na úrovni 0,6÷0,7, a v případě zoxidovaného měděného povrchu a pokrytého patinou může koeficient vzrůst na hodnotu 0,9.

Rozdíly v hodnotách koeficientu emisivity

Velmi velký rozptyl hodnot koeficientu emisivity se týká vlastně všech kovových povrchů, které jsou podrobeny procesům oxidace a koroze a fyzikálnímu působení. Plasty a materiály přírodního původu s přibližně stejným složením mohou mít rozdíly koeficientu emisivity na úrovni několika procent.

Aktivní měřicí povrch

Druhým důležitým elementem, kterému je třeba věnovat pozornost při měření teploty bezkontaktním teploměrem, je určení aktivní měřicí plochy, vycházející z optického rozlišení přístroje. Optické rozlišení je poměr D (vzdálenosti teploměru od objektu) k S (průměru měřicí oblasti). Pokud je optické rozlišení 10:1, pak při měření prováděném ze vzdálenosti 100 mm má průměr kruhu, ve kterém se měří, 10 mm.

Optické rozlišení

Velké optické rozlišení značně zlepšuje měřicí vlastnosti teploměru, jelikož měření je selektivnější a provádí se na tomu odpovídající menší ploše. Pak nenastává efekt průměrování výsledku měření teploty z velké plochy. Pro bodová měření, na velmi malých plochách, slouží bezkontaktní teploměry s vysokým rozlišením, jejichž koeficient optického rozlišení může dosahovat hodnoty 100:1.

Shrnutí

Je třeba podtrhnout, že základní význam v případě infračervených teploměrů má rychlost a snadnost měření a jeho bezkontaktní charakter. Tyto vlastnosti nesporně rozhodují o velmi velké praktické užitečnosti pyrometrů.