Bezkontaktné meranie teploty a teplotná diagnostika

Vďaka obrovskému pokroku v oblasti termometrie a termografie sa na trhu objavilo veľké množstvo bezkontaktných teplomerov a termovíznych systémov. Dostupné sú infračervené teplomery, známe aj ako pyrometre. Ich najdôležitejšou vlastnosťou je neinvazívny charakter merania.

Vlastnosti infračervených teplomerov

• medzi meraným objektom a senzorom teploty nedochádza k výmene tepla,
• v mieste kontaktu senzora s objektom nedochádza k časovým zmenám rozloženia teploty,
• netreba čakať na stabilizáciu nameranej hodnoty, tzn. na vyrovnanie teplôt medzi senzorom a objektom, ktorého teplotu meriame.

Využitie pyrometrov pri teplotnej diagnostike

Meranie pomocou infračervených teplomerov, monitorovanie a registrácia výsledkov značne rozširuje možnosti teplotnej diagnostiky a dynamických meraní. Teplotná (termická) diagnostika zahŕňa časové zmeny a priestorové rozloženie teploty. Na základe priebežného monitorovania, prípadne prostredníctvom pravidelných kontrol, je možné hodnotiť technický stav mnohých zariadení, monitorovať teplotu v rôznych fázach výrobných, prevádzkových (fyzických alebo chemických), prípadne logistických a skladovacích procesov.

Príklady využitia bezkontaktného merania teploty

• prevádzková kontrola ložísk a kladiek,
• diagnostika elektronických obvodov a súčiastok PCB,
• kontrola teploty súčiastok a zariadení pod napätím,
• meranie teploty v zónach EX,
• meranie teploty malých súčiastok,
• kontrola teploty v skladovacích a výrobných priestoroch.

Vplyv teploty na ložiská strojov

Pri prevádzke strojov s rotujúcimi, prípadne inými pohyblivými časťami, dochádza v dôsledku zvýšeného trenia, zlého zosúladenia pohybujúcich sa častí, alebo zmeny rozloženia síl k nadmernému zahrievaniu. Tomuto riziku sú najviac vystavené predovšetkým rôzneho druhu ložiská. Zvýšená teplota v ich prípade jednoznačne poukazuje na:

• opotrebenie,
• zmenu geometrie, rovnováhy síl alebo ťažiska rotujúcich častí (nevyváženie),
• príliš malé alebo príliš veľké množstvo maziva,
• nesprávne technické parametre použitého maziva. Pravidelná kontrola teploty ložísk prípadne miest, v ktorých sú uložené, je preto nesmierne dôležitá, nakoľko umožňuje posúdenie technického stavu a ďalšiu prognostiku.

Teplota vodiacich kladiek

Efekt nadmerného zahrievania je možné pozorovať tiež v pohyblivých konštrukčných skupinách, v ktorých sa používajú vodiace kladky. Kontrolovaním teploty kladkových systémov môžeme jednoduchým spôsobom diagnostikovať alebo lokalizovať jednotlivé kladky s výrazne odlišnými kinetickými vlastnosťami.

Diagnostika elektronických obvodov a dosiek PCB

Ďalšou veľmi dôležitou oblasťou využitia teplotnej diagnostiky sú elektronické súčiastky a dosky PCB. Vzhľadom na malé rozmery súčiastok SMD a THT, bezkontaktný teplomer s veľkým optickým rozlíšením je optimálnym a často jediným spôsobom teplotnej diagnostiky na doskách PCB. Vyplýva to z obmedzeného priestoru na meranie a potenciálneho rizika skratu spôsobeného teplotnou sondou.

Kontrola obvodov

Meraním teploty integrovaných obvodov, polovodičov, kondenzátorov, pasívnych chladičov a puzdier môžeme posúdiť technický stav, prípadne diagnostikovať neobvyklé správanie systému spôsobené nesprávnou teplotou jednotlivých jeho súčiastok. Kontrolovanie a meranie teploty výkonových polovodičových súčiastok a chladiacich systémov je relatívne jednoduché. Časť výkonových polovodičových súčiastok pracuje pri vysokých teplotách. Tieto teploty sa vzhľadom na vysokú intenzitu pretekajúcich prúdov, prípadne vysoké straty vyvolané odporom jednotlivých spojov, blížia maximálnym prevádzkovým teplotám. Lokálne (bodové) meranie teploty umožňuje identifikáciu chybných spojov s vysokým odporom a lokálnych skratov v izolácii. Pomocou pyrometra je okrem toho možné ľahko určiť rozloženie teploty na povrchu pasívnych chladičov a puzdier, ktoré sa v integrovaných elektronických moduloch často používajú na odvádzanie tepla.

Posúdenie teploty transformátorov, cievok a rezistorov

Bezkontaktný teplomer je nenahraditeľný pri posudzovaní teploty transformátorov, cievok, rezistorov a iných elektronických súčiastok s nepravidelným tvarom bez plochých povrchov, pokrytých elektroizolačným lakom s vysokým tepelným odporom, ktorých teplotu nie je možné merať klasickými elektronickými teplomermi. Okrem toho, klasické teplomery s odporovými snímačmi alebo termočlánkami často nie je možné použiť na meranie vodivých súčiastok pod napätím.

Pyrometer ako prirodzený spôsob na vytvorenie izolácie

Meranie teploty pyrometrom poskytuje prirodzený a najlepší možný spôsob galvanického oddelenia od meraného objektu pod napätím. Počas takého merania môže totiž dôjsť k poškodeniu teplomera alebo k úrazu elektrickým prúdom v dôsledku galvanického prepojenia teplomera s elektrickým obvodom. Bezkontaktné meranie teploty **toto nebezpečenstvo eliminuje a umožňuje bezpečnú teplotnú diagnostiku elektrických súčiastok a komponentov v ich prevádzkových podmienkach, a to aj pri veľmi vysokých napätiach.

Meranie teploty chemických látok a procesných systémov

Použitie bezkontaktného teplomera zvyšuje bezpečnosť a obmedzuje riziko pri meraní teploty nebezpečných chemických látok a procesných systémov a nádrží, v ktorých sa tieto látky spracovávajú alebo prechovávajú. Pomocou pyrometra sa dajú ľahko odizolovať nebezpečné priestory, obmedziť prostriedky priamej ochrany a odstrániť špeciálne a často nákladné riešenia z oblasti senzorov a teplomerov. Ako príklad je možné uviesť petrochemický priemysel a výrobu a balenie horľavých chemických látok.

Merania v malých objektoch

Ďalšou oblasťou použitia pyrometrov je meranie malých objektov, prípadne takých objektov, ktorých objem a tepelná kapacita sú porovnateľné s rozmermi a tepelnou kapacitou teplotného snímača. V takých prípadoch dochádza v momente kontaktu medzi snímačom a objektom k intenzívnej výmene tepla v dôsledku ich rozdielnych teplôt a v dôsledku toho k veľkej zmene teploty objektu. Znamená to, že kontaktný snímač (PT100, termočlánkový, NTC, polovodičový) pri meraní veľmi intenzívne chladí alebo naopak, zohrieva, meraný objekt, prípadne mení lokálny rozloženie teploty. Takýto dlhotrvajúci proces stabilizovania sa teploty meraného objektu znižuje spoľahlivosť a presnosť merania.

Čas merania v statických podmienkach

Ak poznáme časovú konštantu kontaktného teplotného snímača, môžeme určiť čas nevyhnutný na meranie v statických podmienkach. V praxi je tento čas rovný 3, respektíve 5 časovým konštantám teplomera. Časová konštanta teplomera τ je zase čas potrebný na dosiahnutie 63% celkovej amplitúdy zmeny. Pri meraní teploty pyrometrom problém stabilizácie teploty snímača vôbec neexistuje, vďaka čomu môže byť meranie značne rýchlejšie, bez zohľadňovania časových konštánt meracích prístrojov. Jediné oneskorenie vtedy súvisí len vlastným časom merania daného prístroja, ktorý je značne kratší než časová konštanta, a spravidla nepresahuje niekoľko desiatok milisekúnd.

Infračervené žiarenie v skladovacích priestoroch

Veľmi širokou oblasťou uplatnenia infračervených teplomerov sú skladovacie a výrobné priestory, v ktorých panujú prísne teplotné (klimatické) podmienky. Konkrétne odporúčania ohľadne teploty sa vzťahujú na výrobu, skladovanie ale aj prepravu potravín a farmaceutických výrobkov. Odporúčania ohľadne nepretržitej, pravidelnej alebo príležitostnej kontroly teploty vyplývajú z:

• platných noriem (medzinárodných, štátnych, priemyselných, miestnych),
• všeobecne uznávanej „správnej praxe”, napr. správne výrobné postupy, angl. GMP, Správna distribučná prax, angl. GDP,
• priemyselných štandardov, napr. systém HACCP, ktorý sa používa v potravinárskom priemysle, systém FARMAKOPEA, používaný vo farmaceutickom priemysle.

Pyrometre a potravinársky a farmaceutický priemysel

Bezkontaktné teplomery nie sú, vo všeobecnosti, určené pre systémy monitorovania a zaznamenávania teploty v potravinárskom a farmaceutickom priemysle. Avšak vzhľadom na bezkontaktné a okamžité meranie teploty nachádzajú svoje uplatnenie napr. v nasledujúcich situáciách:

• všade tam, kde môže dochádzať k lokálnym zmenám teploty, a kde nie sú priamo nainštalované konvenčné teplomery, napr. vo veľkoplošných logistických a skladovacích priestoroch a výrobných halách,
• v prípade pochybností alebo pri porovnávaní viacerých meraní získaných rôznymi metódami,
• pri pravidelných alebo príležitostných kontrolách a inšpekciách,
• pri poruchách chladiaceho systému alebo systému monitorovania teploty.

Vplyv emisivity na meranie

Pri meraní pomocou infračervených teplomerov treba mať na pamäti, že výsledky meraní budú do takej miery presné, do akej poznáme hodnotu koeficientu emisivity skúmaného objektu. Skutočná teplota vo vnútri objektu a priemerná teplota celého objektu sa môžu líšiť od teploty vrstiev blízko povrchu, prípadne od teploty povrchovej vrstvy, ktorej teplota sa pri bezkontaktnom meraní vyhodnocuje.

Emisivita

Kalibrácia pyrometrov

Kontrolu a kalibráciu merania infračerveným teplomerom je možné vykonať porovnaním ním získaného údaju s údajom získaným referenčným teplomerom (najčastejšie konvenčný teplomer so snímačom PT100, RTD alebo termočlánkovým snímačom) a následným nastavením príslušnej hodnoty koeficientu emisivity. Ak poznáme hodnotu emisivity, druhým spôsobom ako zvýšiť presnosť meraných hodnôt je priame nastavenie hodnoty jej koeficientu. Väčšina na trhu dostupných pyrometrov umožňuje vykonávať merania pri efektívnej hodnote koeficientu emisivity v rozsahu od 0,1 do 1. Meracie prístroje sú, okrem toho, vybavené funkciou plynulej regulácie hodnoty tohto koeficienta.

Stanovenie emisivity

Treba pripomenúť, že typické hodnoty emisivity najpopulárnejších materiálov je možné nájsť v tabuľkách a sú všeobecne dostupné. Emisivita však nezávisí výhradne len od materiálu. O efektívnej hodnote emisivity rozhoduje veľmi často fyzikálno-chemický stav povrchu diagnostikovaného prvku. Napríklad medený leštený povrch bude mať koeficient emisivity nižší ako 0,1, medený oxidovaný povrch bude už charakterizovaný hodnotou na úrovni 0,6÷0,7. V prípade oxidovaného medeného povrchu pokrytého patinovanou vrstvou môže tento koeficient vyskočiť až na hodnotu 0,9.

Rozdiely v hodnotách emisivity

Veľmi veľký rozptyl hodnôt emisivity sa v podstate týka všetkých kovových povrchov spracovávaných metódami oxidácie, korózie alebo fyzikálnym pôsobením. V prípade plastov a prírodných materiálov podobného zloženia sú zmeny emisivity na úrovni len niekoľkých percent.

Aktívna meracia plocha

Druhým dôležitým aspektom, ktorému treba pri meraní pomocou bezkontaktného teplomera venovať pozornosť, je stanovenie aktívnej meracej plochy, ktorá súvisí s optickým rozlíšením prístroja. Optické rozlíšenie je pomer D (vzdialenosti teplomera od objektu) a S (priemer meracej plochy). V prípade optického rozlíšenia 10:1, je pri meraní zo vzdialenosti 100 mm priemer krúžku, v ktorom meranie prebieha, 10 mm.

Optické rozlíšenie

Vysoké optické rozlíšenie výrazne zlepšuje meracie vlastnosti teplomera, nakoľko je také meranie oveľa selektívnejšie a uskutočňuje sa na príslušne menšej ploche. Nedochádza vtedy k spriemerovaniu teploty meranej na väčšej ploche. Na bodové merania na veľmi malých plochách slúžia bezkontaktné teplomery s vysokým rozlíšením, ktorých koeficient optického rozlíšenia môže dosahovať hodnotu až 100:1.

Zhrnutie

Treba zdôrazniť, že kľúčový význam v prípade infračervených teplomerov má vysoká rýchlosť a jednoduchosť merania, ako aj jeho bezkontaktný charakter. Tieto vlastnosti nepochybne určujú veľmi vysokú praktickú využiteľnosť pyrometrov.