Infracrveni senzori temperature

Miloš Jurošević — Sun, 28 Jul 2013 22:00:00 +0000

Infracrveni senzori temperature omogućavaju beskontaktno merenje temperature objekata. Beskontaktno merenje temperature koristi se tamo gde je potrebno brzo i tačno izmeriti površinsku temperaturu, kod pokretnih objekata, kod objekata pod naponom, kao i kod objekata koji se nalaze na teško dostupnim mestima.

Beskontaktno merenje temperature predstavlja optičko merenje zasnovano na svojstvu svih materijala da emituju elektromagnetno zračenje (infracrveno zračenje). Infracrveni merni instrument koristi ovu radijaciju kako bi utvrdio temperaturu tela.

Princip rada senzora (slika 1) je sledeći: infracrvena energija, emitovana sa objekta čija se temperatura meri, dolazi do senzora preko optičkog sistema, koji je fokusira na jedan ili više fotodetektora. Detektor zatim konvertuje infracrvenu energiju u električni signal, koji se nakon toga pretvara u temperaturnu vrednost, na osnovu jednačine kalibracije senzora i emitivnosti objekta. Vrednost temperature se može prikazati na displeju ili u slučaju smart senzora, može biti konvertovana u digitalni signal.

Slika 1. Princip rada senzora

Infracrvena radijacija je deo elektromagnetnog spektra koji uključuje i radio-talase, mikrotalase, vidljivu svetlost, ultraljubičastu svetlost kao i gama i X zrake. Opseg infracrvenog zračenja se nalazi između vidljivog dela spektra i radio-talasa. Talasne dužine infracrvenog zračenja se protežu u opsegu od 0,7 do 1000 mikrona, dok se pri merenju temperature objekata koriste talasne dužine u opsegu od 0,7 do 14 mikrona. Korišćenjem naprednih optičkih sistema i detektora beskontaktni infracrveni termometri mogu se fokusirati na skoro bilo koji deo ili samo na pojedine delove opsega od 0,7 do 14 mikrona. Pošto svaki objekat emituje optimalnu količinu infracrvene energije na specifičnoj tački duž infracrvenog opsega, svaki materijal zahteva jedinstven model senzora sa specifičnom optikom. Na primer, senzor sa uskim spektralnim opsegom sa centrom na 3,43 mikrona optimizovan je za merenje temeprature polietilena i sličnih materijala, senzor sa opsegom čiji je centar 5 mikrona optimizovan je za merenje temperature stakla itd.

Priliko odabira senzora treba obratiti pažnju na potrebe aplikacije u kojoj će se senzor koristiti. Treba razmatrati svojstva materijala kao što su tip materijala, temperaturni opseg, veličine itd. Parametri koji karakterišu senzore su emisivnost, temperaturni opseg, spektralni opseg, vidno polje, način podešavanja tačke u kojoj se meri temperatura itd.

Emisivnost

Emisivnost se definiše kao odnos energije, koju emituje telo pri određenoj temperaturi, i energije koju emituje savršen emiter (ili crno telo) pri istoj temperaturi. Vrednosti emitivnosti se kreću u opsegu od 0.0 do 1.0. Emitivnost crnog tela je 1.0. Većina infracrvenih termometara ima mogućnost kompenzacije različitih vrednosti emitivnosti, za različite materijale. Generalno govoreći, što je emisivnost nekog objekta veća, to je preciznost merenja temperature infracrvenim senzorom veća. Objekti sa malom emisivnošću (ispod 0.2) mogu biti veoma problematični. Recimo, neki polirani materijali sa sjajnim površinama, kao što je aluminijum, veoma dobro odbijaju infracrvene zrake pa je nemoguće izvršiti precizno merenje temperautre. U nastavku ćemo videti pet načina određivanja emisivnosti nekog materijala:

Zagrejati komad mateijala i izmeriti njegovu temperaturu preciznim senzorom, a zatim i infracrvenim senzorom. Zatim podesiti vrednost emisivnosti tako da se na infracrvenom senzoru dobije ista temperatura kao i na dodatno senzoru.
Pri relativno niskim temperatura (do 500°C), može se koristiti komad samolepljive trake, sa emisivnošću od 0.95. Na predmet se zalepi komad ove specijalne trake i izmeri se temperatura. Zatim se izmeri temperatura materijala na koji je traka zalepljena, te se senzor podesi da pokazuje vrednost temperature koja je izmerena na traci.
Za merenje visokih temperatura, na objektu se može izbušuiti rupa (čija je dubina najmanje 6 puta veća od prečnika). Ova rupa deluje kao crni objekat sa emisivnošću od 1.0. Potrebno je izmeriti temperaturu u rupi, a zatim podesiti senzor da pokazuje istu temperauturu i van nje.
Ukoliko se predmet, čija se temperatura meri, može premazati bojom, može se naneti malo crne boje. Na njenom mestu emisivnost će biti 1.0. Nakon toga se meri temperatura objekta i podešava da bude ista kao i temperatura pod bojom.
Poslednji način određivanja emisivnosti je pomoću kataloga. Postoje tabele materijala u kojima se nalaze vrednosti emisivnosti za većinu materijala, te se vrednost emisivnosti može jednostavno podesiti. Jednu takvu tabelu možete pronaći ovde.

Temperaturni opseg

Senzori su dopstupni u više različitih temperaturnih opsega, te treba odabrati senzor u zavisnosti od potreba aplikacije. Neke krajnje granice merenja temperature su -50°C i +4000°C.

Spektralni opseg

Ovo je jedna od najbitnijih karakteristika senzora, a zavisi od vrste materijala čija će se temperatura meriti. U nastavku su dati spektralni opsezi za neke materijale:

0.676 µm – liveni metali (min. 1100°C)
0.8 … 1.1 µm – liveno staklo, keramika i neki metali (min. 600°C)
1.45 … 1.8 µm – metali i keramike (min. 250°C)
2.0 … 2.8 µm – metali (min. 75°C)
3 … 5 µm – metali i keramike (min. 5°C)
3.43 µm – PE i PP folije (min. 50°C)
5.14 µm – staklene površine (min. 100°C)
8 … 14 µm – nemetalne površine i presvučeni metali (min. -40°C)

Vidno polje

Dimenzije objekta određuju parametar vidnog polja senzora. Veličina tačke u kojoj se vrši merenje, mora biti velika kao i objekat (ili deo objekta) čija se temperatura meri, kako bi se dobilo pravilno merenje. Vidno polje zavisi od tipa senzora i njegove udaljenosti od objekta. Vidno polje se predstavlja kao odnos rastojanja i veličine tačke merenja. Na slici 2. je prikazan odnos rastojanja i veličine tačke. Sa nje vidimo da ako je npr. FOV (Field of View) = 240:1, na rastojanju od 1200 mm, veličina tačke će iznositi 5 mm.

Slika 2. Vidno polje i određivanje veličine tačke u kojoj se meri temperatura objekta

Način podešavanja tačke u kojoj se meri temperatura

Pošto se ovde radi o beskontaktnom merenju temperature, jako je bitno kako usmeriti senzor, da meri temperaturu tačno na mestu gde je to potrebno. Zato senzori u sebi sadrže dodatne elemente koji pomažu u podešavanju tačke merenja. Kako dodatni elementi mogu u senzorima se koriste laseri, LE diode, neki optički sistemi kao i kamere. Najčešće se koriste laseri crvene boje, sa talasnom dužinom od 630 do 680 nm, maksimalne snage 1 mW.

Dizajn i oblici senzora i termometara

Termometri se mogu naći u dve osnovne izvedbe: fiksni – senzor povezan sa uređajem za očitavanje, i prenosivi – senzor i uređaj za očitavanj i prikazivanje rezultata merenja spakovan u kućište i napajan iz baterija. Fiksni termometri se uglavnom koriste za instaliranje na lokacije gde je potrebno stalno merenje temperature. Izgled ovakvog senzora prikazan je na slici 3.

Slika 3. Izgled fiksnog termometra

Prenosivi termometri imaju uglavnom oblik pištolja i jednostavni su za rukovanje. Pogodni su za merenje temperature povremeno, na različitim lokacijama. Jedan ovakav termometar prikazan je na slici 4.

Slika 4. Izgled prenosivog infracrvenog termometra

The post Infracrveni senzori temperature appeared first on Automatika.rs.

infrared sensor Archives - Automatika.rs