Bezkontaktowy pomiar temperatury i diagnostyka temperaturowa

Ogromny postęp w zakresie termometrii i termografii sprawił, że na rynku pojawiła się duża liczba termometrów bezkontaktowych i systemów termowizyjnych. Dostępne są termometry na podczerwień zwane również pirometrami. Najważniejszą ich cechą jest bezinwazyjny charakter pomiaru.

Cechy pomiarów na podczerwień

• nie zachodzi wymiana ciepła pomiędzy obiektem mierzonym i czujnikiem temperatury,
• nie powstaje czasowa zmiana rozkładu temperatury w miejscu kontaktu czujnika z obiektem,
• nie jest konieczne oczekiwanie na ustabilizowanie temperatury, czyli zrównanie temperatury czujnika z temperaturą obiektu mierzonego.

Wykorzystanie pirometrów do diagnostyki termicznej

Pomiar termometrami na podczerwień, monitorowanie i rejestracja wyników znacząco rozszerzają możliwości diagnostyki temperaturowej i pomiarów dynamicznych. Diagnostyka temperaturowa (termiczna) obejmuje zmiany czasowe temperatury oraz rozkład przestrzenny temperatury. Na podstawie monitorowania ciągłego lub kontroli okresowej można dokonywać oceny stanu technicznego wielu urządzeń i podzespołów, prowadzić nadzór pomiarowy temperatury dla procesów produkcyjnych, eksploatacyjnych (fizycznych i chemicznych) oraz logistyczno-magazynowych.

Przykładowe obszary zastosowań bezkontaktowego pomiaru temperatury

• nadzór eksploatacyjny łożysk i rolek,
• diagnostyka układów elektronicznych i podzespołów PCB,
• kontrola temperatury elementów i urządzeń pod napięciem,
• pomiary temperatury w strefach EX,
• pomiary temperatury elementów małogabarytowych,
• kontrola temperatury w pomieszczeniach magazynowo-produkcyjnych.

Wpływ temperatury na łożyska maszyn

Podczas eksploatacji maszyn z zespołami wirującymi oraz innymi elementami ruchomymi, nadmierne nagrzewanie wynika ze zwiększonego tarcia, niedopasowania ruchomych elementów lub zmiany rozkładu sił. Najbardziej narażone są wszelkiego rodzaju łożyska. W ich przypadku zwiększona temperatura jednoznacznie wskazuje na:

• zużycie eksploatacyjne,
• zmianę geometrii, układu sił lub środka ciężkości układu wirującego (niewywagę),
• zbyt małą lub zbyt dużą ilością smaru,
• niewłaściwe parametry techniczne smaru. Okresowa kontrola temperatury łożysk lub miejsc ich osadzenia za pomocą pirometru jest więc istotna, bo umożliwia ocenę stanu technicznego i prognozowanie.

Temperatura rolek prowadzących

Efekty nagrzewania są też widoczne w ruchomych podzespołach, w których stosuje się rolki prowadzące. Kontrola temperatury systemów rolkowych pozwala w prosty sposób przeprowadzić diagnostykę lub zlokalizować pojedyncze rolki, których właściwości kinetyczne są znacząco różne.

Diagnostyka podzespołów elektronicznych i płytek PCB

Kolejnym ważnym obszarem zastosowania diagnostyki temperaturowej są podzespoły elektroniczne i płytki PCB. Ze względu na małe wymiary elementów SMD i THT, bezkontaktowy termometr o dużej rozdzielczości optycznej jest optymalnym i często jedynym sposobem diagnostyki temperaturowej na płytkach PCB. Wynika to z ograniczenia miejsca pomiaru i potencjalnego ryzyka spowodowania zwarcia elektrycznego sondą temperaturową.

Kontrola układów

Dokonując pomiaru temperatury układów scalonych, półprzewodników, kondensatorów, radiatorów i obudów można ocenić stan techniczny lub zdiagnozować anomalne zachowania układu, wynikające z niewłaściwej temperatury pojedynczych elementów. Kontrolowanie lub pomiar temperatury elementów półprzewodnikowych mocy i układów chłodzenia z radiatorami są stosunkowo łatwe. Część układów półprzewodnikowych mocy pracuje w zakresie wysokich temperatur. Są one bliskie dopuszczalnej maksymalnej temperaturze, ze względu na duże wartości przewodzonych prądów lub strat wywołanych rezystancją połączeń. Poprzez lokalny (punktowy) pomiar temperatury możliwe jest zidentyfikowanie wadliwych połączeń, mających zwiększoną rezystancję oraz lokalnych zwarć w elementach izolacyjnych. Ponadto, za pomocą pirometru można w prosty sposób określić rozkład temperatury na powierzchni radiatorów i obudów, które pracują często jako układy rozpraszania ciepła w zintegrowanych modułach elektronicznych.

Ocena temperatury transformatorów, cewek i rezystorów

Termometr bezkontaktowy jest niezastąpiony przy szacowaniu temperatury transformatorów, cewek, rezystorów i innych elementów elektronicznych o kształtach nieregularnych, pozbawionych płaskich powierzchni oraz pokrytych lakierami elektroizolacyjnymi o dużej rezystancji cieplnej, na których można wykonywać pomiar klasycznymi termometrami elektronicznymi. Ponadto, zastosowanie klasycznych termometrów z sondami rezystancyjnymi lub termoelementami jest często niemożliwe podczas pomiaru temperatury elementów przewodzących, pozostających pod napięciem elektrycznym.

Pirometr naturalnym sposobem na stworzenie izolacji

Pomiar temperatury pirometrem zapewnia naturalną i najlepszą możliwą izolację galwaniczną od obiektu mierzonego, będącego pod napięciem. Podczas takiego badania może bowiem dojść do uszkodzenia termometru lub porażenia prądem elektrycznym, co wynika z galwanicznego połączenia termometru z obwodem elektrycznym. Bezdotykowy pomiar temperatury eliminuje to niebezpieczeństwo i umożliwia bezpieczne diagnozowanie temperaturowe części i podzespołów elektrycznych w warunkach eksploatacyjnych, nawet przy bardzo wysokich napięciach.

Pomiary substancji chemicznych oraz instalacji procesowych

Zastosowanie bezkontaktowego pomiaru temperatury zwiększa bezpieczeństwo i ogranicza ryzyko w przypadku pomiarów dotyczących niebezpiecznych substancji chemicznych oraz zbiorników i instalacji procesowych, w których takie substancje są przetwarzane lub składowane. Dzięki pirometrowi można łatwo wydzielić strefy niebezpieczne, ograniczyć środki ochrony bezpośredniej i wyeliminować kosztowne rozwiązania specjalne w zakresie czujników i termometrów. Za przykład może posłużyć przemysł petrochemiczny oraz produkcja i konfekcjonowanie łatwopalnych substancji chemicznych.

Badania w obiektach małogabarytowych

Kolejnym obszarem zastosowania termometrów pirometrycznych są pomiary obiektów małogabarytowych i takich, w których objętość i pojemność cieplna mierzonego obiektu jest porównywalna z wymiarami i pojemnością czujnika temperatury. W takich przypadkach, w chwili zetknięcia, w wyniku różnicy temperatur obiektu i czujnika, następuje intensywna wymiana ciepła i związana z tym duża zmiana temperatury obiektu. Oznacza to, że czujnik kontaktowy (PT100, termoparowy, NTC, półprzewodnikowy) w trakcie pomiaru bardzo intensywnie chłodzi lub nagrzewa obiekt bądź zmienia lokalnie rozkład temperatury. Taki długotrwały proces ustalania się temperatury obiektu zmniejsza wiarygodność i dokładność pomiaru.

Czas pomiaru w warunkach ustalonych

Znając stałą czasową kontaktowego czujnika temperatury można określić czas niezbędny do wykonania pomiaru w warunkach ustalonych. Czas ten w praktyce wynosi 3 lub odpowiednio 5 stałych czasowych. A stała czasowa τ termometru to czas potrzebny do osiągnięcia 63% całkowitej amplitudy zmian. W przypadku pomiaru pirometrem, problem ustalania się temperatury czujnika nie istnieje i może być wykonany znacznie szybciej, bez uwzględniania stałych czasowych pomiaru. Jedyne opóźnienie związane jest wówczas z czasem pomiaru w przyrządzie, który jest znacznie krótszy niż stała czasowa i z reguły nie przekracza kilkudziesięciu milisekund.

Podczerwień w przestrzeniach magazynowych

Ogromnym obszarem zastosowań termometrów na podczerwień są przestrzenie magazynowe i produkcyjne, w których narzucone są rygory temperaturowe (klimatyczne). Konkretne zalecenia temperaturowe obowiązują podczas produkcji, magazynowania i transportu żywności oraz produktów farmakologicznych. Zalecenia te, dotyczące ciągłego, okresowego lub dorywczego kontrolowania temperatury wynikają z:

• obowiązujących norm (międzynarodowych, krajowych, branżowych, zakładowych),
• ogólnie przyjętych „dobrych praktyk”, jak np. Dobra Praktyka Produkcyjna ang. GMP, Dobra Praktyka Dystrybucyjna ang. GDP,
• standardów branżowych, jak system HACCP dotyczący żywności, system FARMAKOPEA dotyczący farmaceutyki.

Pirometry a przemysł spożywczy i farmaceutyczny

Co do zasady, termometry bezkontaktowe nie są przewidziane do systemów monitorowania i rejestrowania temperatury w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym. Jednak, ze względu na bezdotykowy i bezzwłoczny pomiar, znajdują zastosowanie w następujących sytuacjach:

• tam, gdzie mogą pojawiać się lokalne zmiany temperatury i gdzie bezpośrednio nie zainstalowano termometrów konwencjonalnych, np.: wielkogabarytowe pomieszczenia logistyczno-magazynowe, hale produkcyjne,
• w przypadku wątpliwości i potrzeby porównania pomiarów różnymi termometrami,
• podczas inspekcji okresowej lub dorywczej,
• w czasie awarii systemu chłodzenia lub systemu monitorowania temperatury.

Wpływ współczynnik emisyjności na pomiary

Przy pomiarach termometrami na podczerwień trzeba mieć na uwadze, że wyniki pomiarów będą na tyle dokładne, na ile znany jest współczynnik emisyjności badanego obiektu. Rzeczywista temperatura wewnątrz obiektu i średnia temperatura całego obiektu może być inna niż temperatura w warstwie przypowierzchniowej oraz bezpośrednio na powierzchni, na której wykonywany jest pomiar bezkontaktowy.

Współczynnik emisyjności

Kalibracja pirometrów

Sprawdzenie i kalibrację pomiaru termometrem na podczerwień można wykonać porównując jego wskazania z termometrem referencyjnym (najczęściej termometrem konwencjonalnym z czujnikiem PT100, RTD lub termoparowym), a następnie ustawiając właściwą wartość współczynnika emisyjności. Drugim sposobem poprawy dokładności wskazań jest bezpośrednie nastawienie wartości współczynnika emisyjności, jeżeli jest dokładne określony lub znany. Większość dostępnych na rynku pirometrów umożliwia pomiar w zakresie współczynnika emisyjności efektywnej od 0,1 do 1. Dodatkowo przyrządy wyposażone są w funkcję płynnej regulacji wartości współczynnika.

Określenie wartości współczynnika emisyjności

Warto pamiętać, że typowe wartości współczynników dla najbardziej popularnych materiałów są stabelaryzowane i powszechnie dostępne. Jednak współczynnik emisyjności nie zależy wyłącznie od samego materiału. Bardzo często stan fizykochemiczny powierzchni diagnozowanego elementu decyduje o efektywnej wartości tego parametru. Przykładowo, powierzchnia miedziana wypolerowana będzie miała współczynnik emisyjności poniżej 0,1, powierzchnia miedziana utleniona będzie już charakteryzowała się współczynnikiem na poziomie 0,6÷0,7, zaś w przypadku powierzchni miedzianej utlenionej i pokrytej patyną współczynnik może wzrosnąć do wartości 0,9.

Różnice w wartości współczynnika emisyjności

Bardzo duży rozrzut wartości współczynnika emisyjności dotyczy właściwie wszystkich powierzchni metalowych, które poddane są procesom utleniania i korozji oraz odziaływaniom fizycznym. Tworzywa sztuczne i materiały pochodzenia naturalnego o zbliżonym składzie mogą mieć zmiany współczynnika na poziomie kilkunastu procent.

Aktywna powierzchnia pomiarowa

Drugim istotnym elementem, na który należy zwrócić uwagę podczas pomiaru temperatury termometrem bezkontaktowym jest określenie aktywnej powierzchni pomiarowej, wynikającej z rozdzielczości optycznej przyrządu. Rozdzielczość optyczna to stosunek D (odległości termometru od obiektu) do S (średnicy obszaru pomiarowego). Jeżeli rozdzielczość optyczna wynosi 10:1, wówczas dla pomiaru następującego z odległości 100mm, średnica okręgu, w którym jest on dokonywany wynosi 10mm.

Rozdzielczość optyczna

Duża rozdzielczość optyczna znacząco zwiększa właściwości pomiarowe termometru, ponieważ pomiar jest bardziej selektywny i odbywa się na odpowiednio mniejszej powierzchni. Nie występuje wówczas efekt uśredniania wyniku pomiaru temperatury z dużej powierzchni. Do pomiarów punktowych, na bardzo małych powierzchniach służą wysokorozdzielcze termometry bezkontaktowe, których współczynnik rozdzielczości optycznej może osiągać wartość 100:1.

Podsumowanie

Należy podkreślić, że kluczowe znaczenie w przypadku termometrów na podczerwień ma duża szybkość i łatwość pomiaru oraz jego bezkontaktowy charakter. Te cechy bezsprzecznie decydują o bardzo dużej użyteczności praktycznej pirometrów.