Érintés nélküli hőmérséklet mérés és hőmérsékleti diagnosztika

A termometria és termográfia területein lezajlott hatalmas fejlődésnek köszönhetően a piacon jelentős számban megjelentek az érintés nélküli hőmérők és termovíziós rendszerek. Beszerezhetők tehát infravörös elven működő hőmérők, hőkamerák melyek pirométer néven is ismertek. Legfontosabb tulajdonságuk az ún. non-invazív (behatolás-nélküli) mérési képesség.

Infravörös mérések jellemzői

• nincs hőcserélődési folyamat a mért objektum és a hőmérsékletérzékelő között.
• nem következik be ideiglenes hőmérsékleti összetétel változás az objektum azon pontján, melyen a szenzor érzékeli a hőmérsékletet.
• nem szükséges kivárni a hőmérséklet stabilizálódását, vagyis a mérőszenzor és a mért objektum hőmérsékleteinek kiegyenlítődését.

Pirométerek alkalmazása hőmérsékleti diagnosztikához

Az infra hőmérőkkel végzett mérés, monitorozás és az eredmények regisztrálása jelentősen növeli a hőmérsékleti diagnosztika és a dinamikus méréstechnika lehetőségeit. A hőmérsékleti (termikus) diagnosztika magában foglalja a hőmérséklet időbeli változását és térbeli megoszlását is. Folyamatos monitorozás vagy ciklikusan ismétlődő mérések alapján jó értékelés adható számos berendezés és alegység műszaki állapotáról és jól felügyelhetőek a gyártási, üzemeltetési (kémiai és fizikai) valamint a raktározási-logisztikai folyamatok hőmérsékleti feltételei.

Alkalmazási példák non-invazív hőmérséklet mérésére

• csapágyak görgők működési felügyelete,
• elektronikai áramkörök és PCB részegységek diagnosztikája,
• fezsültség alatt lévő berendezések és részegységek hőmérsékleti ellenőrzése,
• EX zónában végzett hőmérséklet mérések,
• kisméretű alkatrészek hőmérsékletének mérése,
• Raktár és gyártócsarnokok hőmérsékleti felügyelete.

Hőmérséklet hatása a gépek csapágyaira

A forgó és egyéb mozgó gépelemeket tartalmazó gépi berendezések üzemelése közben jelentkező mértéktelen felmelegedés a megnövekedett súrlódásnak, a mozgó alkatrészek helytelen illesztésének vagy az erőmegoszlás változásainak a következménye. Ilyen hatásoknak leginkább a különféle csapágyak vannak kitéve. Ezek esetében a megnövekvő hőmérséklet egyértelműen a következőkre utal:

• elhasználódás,
• geometriaváltozás, erővonalak vagy a forgó egység tömegközéppontjának változása (kiegyensúlyozatlanság),
• túl kevés vagy túl sok kenőzsír,
• nem megfelelő tulajdonságú zsír használata. Fontos dolog tehát a csapágyak vagy csapágyfészkek hőmérsékletének pirométerrel végzett rendszeres ellenőrzése, mert ez teszi lehetővé, hogy értéklehető és prognosztizálható legyen azok műszaki állapota.

Vezetőgörgők hőmérséklete

Felmelegedési effektusok megfigyelhetők olyan mozgó gépalkatrészek esetében is melyekben vezetőgörgőket alkalmaznak. A görgő-rendszerek hőmérsékletének ellenőrzésével egyszerű módon diagnosztizálhatók vagy lokalizálhatók egyenként is azok a görgők, melyek kinetikai tulajdonságai jelentősen eltérőek.

Elektronikai részegységek és PCB lemezek diagnosztikája

A hőmérsékleti diagnosztizálás következő fontos alkalmazási területét az elektronikai részegységek és a PCB lemezek képezik. Tekintettel a az SMD és THT alkatrészek kicsi méreteire, a nagy optikai felbontású non-invazív hőmérés optimális és gyakran csak egyedüli lehetséges módja a PCB kártyák hőmérsékleti diagnosztizálásának. Ezeken ugyanis korlátozott a mérés elvégzéséhez szükséges hely, emiatt fennáll a hőszondával potenciálisan okozható rövidzár veszélye.

Áramkörök ellenőrzése

Integrált áramkörök, félvezetők, kondenzátorok, hűtőbordák és tokozások hőmérsékletének megmérésével jól kiértékelhető az áramkör műszaki állapota vagy diagnosztizálhatók az áramkör viselkedésének azon anomáliái, melyek az egyes alkotóelemek nem megfelelő hőmérsékletének következményei. A hűtőbordás hűtőrendszerek valamint a félvezetős teljesítmény alkatrészek hőmérséklet mérése és ellenőrzés viszonylag könnyen elvégezhető. A félvezetős teljesítmény áramkörök egy része magas hőmérsékleti tartományban működik. Ezek az értékek közel esnek a megengedhető maximális hőmérséklethez, amit a bennük folyó magas áramerősségek vagy a kapcsolódási pontok ellenállási veszteségei okoznak. Lokális (pontszerű) hőmérséklet méréssel azonosítani lehet a megnövekedett ellenállású, hibás kapcsolódási pontokat valamint a szigetelőelemekben keletkezett lokális zárlatokat. Ezen túlmenően, egy pirométerrel egyszerű módon feltérképezhető az integrált elektronikai modulokban gyakran hő eloszlató egységként is alkalmazott hűtőbordák és tokozások felületein a hőmérséklet eloszlása.

Transzformátorok, tekercsek és ellenállások hőmérsékleti kiértékelése

Egy non-invazív hőmérő mással nem helyettesíthető eszköz transzformátorok, tekercsek, ellenállások és egyéb, olyan – szabálytalan formájú, sík felületektől mentes, valamint elektromosan szigetelő lakkokkal bevont - nagy hőellenállású elektronikai elemek hőmérsékletének közelítő meghatározásakor, melyek esetében a mérést klasszikus elektronikus hőmérőkkel is le lehet folytatni. Hozzáteendő, hogy a rezisztív vagy termoelemekkel operáló klasszikus szondák alkalmazása sok esetben lehetetlen feszültség alatt lévő, áramot vezető alkatrészek hőmérsékletének megméréséhez.

Pirométer mint természetes szigetelési mód

A pirométerrel végzett hőmérséklet mérés természetes és a lehető legjobb galvanikus elszigetelést biztosítja a feszültség alatt lévő, mért objektumtól. Egy klasszikus vizsgálat során ugyanis a hőmérő és az áramkör galvanikus összekapcsolódása révén könnyen bekövetkezhet a hőmérő sérülése és fennáll az áramütés veszélye. Az érintés nélküli hőmérséklet mérés eliminálja ezt a veszélyt és biztosítja az egyes alkatrészek és alegységek biztonságos hőmérsékleti diagnosztizálásának lehetőségét akár nagyon magas feszültség alatt és működés közben is.

Vegyi anyagok és vegyipari gyártóberendezések mérése

Veszélyes vegyi anyagok, tartályok, vegyipari folyamatok, vegyi anyag gyártó berendezések hőmérsékleteinek mérése során a non-invazív hőmérséklet mérés alkalmazása növeli a biztonságot és korlátozza a kockázatot. A pirométernek köszönhetően könnyen kijelölhetőek a veszélyességi zónák, korlátozhatóak a közvetlen védelmi, biztonsági eszközök és sok esetben elhagyhatóak a különböző szenzorokkal és hőmérőkkel kapcsolatos költséges, speciális műszaki megoldások. Jó példával szolgál erre a petrolkémiai ipar valamint a könnyen éghető vegyi anyagok gyártásával és konfekcionálásával foglalkozó több iparág is.

Vizsgálatok kisméretű objektumokban

A pirométeres hőmérők következő alkalmazási területét az olyan kicsiny tárgyak, objektumok képezik, melyeknek a térfogata, hőkapacitása hasonló vagy összemérhető a hőmérsékleti szenzor méretével és hőkapacitásával. Ilyen esetekben az összeérintéskor, az objektum és a szenzor hőmérsékletkülönbségéből adódóan intenzív hőcsere következik be, és ebből következően az objektum hőmérséklete is jelentősen változhat. Ez arra utal, hogy egy kontakt szenzor (PT100, termopár, NTC, félvezetős) a mérés során nagyon intenzíven hűti vagy fűti a mérendő objektumot vagy lokálisan módosítja a hőmérséklet eloszlást. Az objektum hőmérsékletének hosszantartó stabilizálódása csökkenti a mérés megbízhatóságát és pontosságát.

Mérés időtartama fix körülmények között

Egy kontakt hőmérséklet szenzor időállandójának ismeretében meg lehet határozni a rögzített körülmények közötti hőmérséklet mérés elvégzéséhez szükséges időtartamot. A gyakorlatban ez az idő az időkonstans 3-szorosa vagy 5-szöröse. A hőmérő τ időállandója az az időtartam, mely a változás teljes amplitúdójának 63%-os eléréséig szükséges. Pirométeres hőmérés esetén nem létezik a szenzor hőmérséklet beállítódásának problémája és a mérés sokkal gyorsabban elvégezhető, tekintet nélkül a hőmérés időállandóira. Az egyedüli késleltetés a műszeren belüli méréssel függ össze, de ez is lényegesen rövidebb, mint maga az időkonstans, és a valóságban nem haladja meg a tizenegynéhány ezredmásodperc értéket.

Infravörös mérés raktározási terekben

Az IR hőmérők hatalmas alkalmazási területét adják az olyan különböző raktárak és gyártócsarnokok, amelyekre szigorú hőmérsékleti (klimatikus) előírások vonatkoznak. Konkrét hőmérsékleti követelményeknek kell megfelelni pl. élelmiszerek és gyógyszerek gyártása, raktározása és szállítása során. Ezek a folyamatos, időszakaszos, vagy esetenkénti hőmérséklet mérésekre vonatkozó kötelezések az alábbiakból következnek:

• kötelezően alkalmazandó szabványok (nemzetközi, országos, ágazati vagy üzemi),
• általános elfogadott „jó gyakorlatok” elve, mint pl. Jó Gyártási Gyakorlat (eng: GMP), Jó Disztribúciós Gyakorlat (eng.:GDP),
• ágazati szabványok, mint. pl. HACCP élelmiszerekre vonatkozó, vagy FARMAKOPEA gyógyszeriparra vonatkozó rendszerek.

Pirométer az élelmiszer és gyógyszeriparban

Alapjában véve a non-invazív hőmérőket nem feltétlenül az élelmiszeripar és a gyógyszeripar számára fejlesztették ki, tekintettel azonban az érintés nélküli és azonnali mérési lehetőségekre előszeretettel alkalmazzák az alábbi helyzetekben:

• ott, ahol lokális hőmérsékletváltozások következhetnek be, és ahol közvetlenül nem telepítettek konvencionális hőmérőket, pl.: óriási légterű logisztikai-raktár helyiségek, gyártócsarnokok,
• ha különböző hőmérőkkel végzett méréseket kell összehasonlítani, vagy kétségek merülnek fel a mérésekkel kapcsolatban,
• rendszeres vagy szúrópróba szerű ellenőrzések során,
• hűtőrendszer vagy hőmérséklet-monitorozó rendszer meghibásodásakor.

Emissziós tényező hatása a mérésekre

Infravörös hőmérőkkel végzett mérések során tisztában kell lennünk azzal, hogy a mérési eredmények annyira lesznek pontosak, amennyire jól ismert a vizsgált objektum emissziós tényezője. Az objektumon belüli valóságos hőmérséklet és az egész objektum átlagos hőmérséklete eltérő lehet az objektum felszín alatti rétegében uralkodó hőmérséklettől, ill. közvetlenül az objektum felszínén, non-invazív módon mért értéktől.

Emissziós tényező

Pirométerek kalibrálása

Infravörös elven működő hőmérő ellenőrzését és kalibrálását úgy lehet lefolytatni, hogy összehasonlítjuk annak kijelzéseit egy referencia hőmérővel (rendszerint PT100, RTD szenzoros, vagy termopár elvű konvencionális hőmérő), majd beállítjuk a megfelelő hőemissziós értéket. A kijelzési pontosság javításának másik módja lehet az emissziós tényező közvetlen beállítása, amennyiben az pontosan meghatározott vagy ismert. A piacon kapható pirométerek többségével a 0,1 – 1,0 tartományba eső effektív emissziós tényezőjű felületek mérhetők. Ezen túlmenően a műszerek el vannak látva folyamatos emissziós tényező állítási funkcióval is.

Emissziós tényező értékének maghatározása

Érdemes tudnunk, hogy a leggyakoribb anyagféleségekre vonatkozó emissziós tényező értékek táblázatos formában széles körűen elérhetők. Az emissziós tényező ugyanakkor nem csak magától az anyagtól függ. Nagyon gyakori, hogy a vizsgálat alá vont objektum felületének fizikai-kémiai állapota döntően befolyásolja ezt a paramétert. Például, a felpolírozott rézfelület emissziós tényezője 0,1 alatti, de az oxidálódott rézfelületet már 0,6÷0,7 közötti érték jellemzi, de ha a beoxidálódott rézfelületen a patina is megjelenik, akkor az emissziós tényező 0,9-ig is megnövekedhet.

Emissziós tényező értékeiben jelentkező különbségek

Az emissziós tényező értékeiben jelentkező nagymértékű szórás valójában minden olyan fémfelület esetében fennáll, mely oxidálódási, korróziós vagy egyéb fizikai kölcsönhatásoknak van kitéve. A műanyagok és a hasonló összetételű természetes anyagok esetében az emissziós tényező változása tízegynéhány százaléknyi érték körül alakul.

Aktív mérési felület

Másik fontos tényező, amire a non-invazív hőmérővel végzett mérés során figyelmet kell fordítani, az a mérőműszer optikai felbontásából adódó, aktív mérési felület meghatározása. Az optikai felbontás nem más, mint a D (hőmérő távolsága az objektumtól) és S (mért terület átmérő) értékek aránya. Ha az optikai felbontása 10:1, akkor a 100mm távolságról végzett mérésre a mért kör alakú terület átmérője 10 mm-re adódik.

Optikai felbontás

A nagy optikai felbontás jelentősen növeli a hőmérő mérési tulajdonságait, mivel nő a mérés szelektivitása és így egyre kisebb felületre vonatkozik. Nem következik be a nagy felületek esetében jelentkező átlagosítási effektus. A nagyon kicsi felületeken végzendő pontszerű mérésekhez magas felbontású non-invazív hőmérők alkalmasak, melyek optikai felbontási tényezője elérheti a 100:1 értéket.

Összegzés

Hangsúlyozandó, hogy az infravörös elven működő hőmérők kulcsfontosságú jelentősége a mérés gyorsasága és könnyű végrehathatósága valamint annak érintés nélküli jellege. Ezek a tulajdonságok ellenérvek nélkül meghatározzák a pirométerek rendkívül magas szintű gyakorlati alkalmazhatóságát.