236 Ventil 18 /2012/ 3 IZ PRAKSE ZA PRAKSO Idealna rešitev (IR) za težav­ na merjenja temperature K a k o i z m e r i t i t e m p e r a t u r o v vr t e č e m se kotlu, polnem kisline, in z mešali, ki zdrobijo vsak tujek, ki se jim pri- bliža ? Kak o pomeriti temperatu ro ve z ja , k i je p o d n a p e tos tjo ? K a k o i z- meriti temperaturo cevi ogrevalne- ga sistema pod stropom brez upo- r a b e l es t v e i n d o l g o t r a j ne g a č a k a n j a stabilizacije kontaktnega senzorja n a c e v i ? N i č l a ž j e g a , s a j n a m t o ž e v ra b c i č i v k a j o , z I R – z i n f ra r d e č i m a l i b r e z k o n t a k t n i m t e r m o m e t r o m ! P a j e s t v a r r e s t a k o p r e p r o s t a ? Idealna rešitev? Z ak aj pa ima p ote m na 1 0 0 °C s e gr e- t a a l u m i n i j a s t a pl o š č a n a p o b a r v a n i s t ra n i 1 0 0 ° C , n a n e p o b a r v a n i s t ra n i p a 4 0 °C , če jo p o m e r im o z is tim in- strumentom (slika 1)? Idealna rešitev – DA, vendar … Potrebno je, da se pred meritvijo in pred nakupom instrumenta zave- damo vplivov, ki bodo bolj ali manj skrito delovali na rezultate naših meritev. Infrardeče valovanje I n f r a r d e č e v a l o v a n j e j e d e l s p e k t r a elektromagnetnega valovanja. Ob- sega spekter valov, daljših od valov vidne svetlobe, vendar krajših od Meriti infrardeče Devis MARTINČIČ , Jure THALER D ev i s M a r t i n č i č , J u r e T h a le r , o b a L O TR I Č , d . o . o ., S e l c a mikrovalov. Zato je IR del spek- tra svetlobe za naše oko neviden, zaznavamo pa njegovo toplotno e n e r g i j o . S p e k t e r i n f r a r d e č e g a v a l o v a n j a o b s e g a v a l o v n e d o l ž i n e od 0,7 do 1000 µm. Spekter vidne svetlobe, ki nam je vsem v razu- mevanju najbližji, obsega valovne d o l ž i n e o d 0 , 3 8 d o 0 , 7 5 µ m i n j e v naravi najlepše predstavljen z bar- vami mavrice, ko se na kapljicah vode vidna svetloba razlomi pod r a z l i č n i m i k o t i i n u s t v a r i t a č a r o b n i pojav. Kaj je IR­ termometer? IR-termometer sprejema valovanje s površine, na katero je usmerjen in primerno fokusiran, in ga preko sis- t e m a l e č f o k u s i r a n a d e t e k t o r , k j e r s e p r e t v o r i v e l e k tr ični si gn a l , p r o - por cio nalen temperaturi merjenca. Slika 1. Vpliv barve na meritev temperature (vir fotografije: fluke.com) Meriti infrardeče Devis MARTINČIČ , Jure THALER Devis Martinčič, Jure Thaler, oba LOTRIČ, d. o. o., Selca Idealna rešitev (IR) za težavna merjenja temperature Kako izmeriti temperaturo v vrtečem se kotlu, polnem kisline, in z mešali, ki zdrobijo vsak tujek, ki se jim približa? Kako pomeriti temperaturo vezja, ki je pod napetostjo? Kako izmeriti temperaturo cevi ogrevalnega sistema pod stropom brez uporabe lestve in dolgotrajnega čakanja stabilizacije kontaktnega senzorja na cevi? Nič lažjega, saj nam to že vrabci čivkajo, z IR – z infrardečim ali brezkontaktnim termometrom! Pa je stvar res tako preprosta? Idealna rešitev? Zakaj pa ima potem na 100 °C segreta aluminijasta plošča na pobarvani strani 100 °C, na nepobarvani strani pa 40 °C, če jo pomerimo z istim instrumentom (slika 1)? Slika 1. Vpliv barve na meritev temperature (vir fotografije: fluke.com) 2 st Idealna rešitev – DA, vendar … Potrebno je, da se pred meritvijo in pred nakupom instrumenta zavedamo vplivov, ki bodo bolj ali manj skrito delovali na rezultate naših meritev. Infrardeče valovanje Infrardeče valovanje je del spektra elektromagnetnega valovanja. Obsega spekter valov, daljših od valov vidne svetlobe, vendar krajših od mikrovalov. Zato je IR del spektra svetlobe za naše oko neviden, zaznavamo pa njegovo toplotno energijo. Spekter infrardečega valovanja obsega valovne dolžine od 0,7 do 1000 µm. Spekter vidne svetlobe, ki nam je vsem v razumevanju najbližji, obsega valovne dolžine od 0,38 do 0,75 µm in je v naravi najlepše predstavljen z barvami mavrice, ko se na kapljicah vode vidna svetloba razlomi pod različnimi koti in ustvari ta čarobni pojav. Slika 2. Spekter infrardeče svetlobe (vir fotografije: wikipedia.org) 2 st Kaj je IR-termometer? IR-termometer sprejema valovanje s površine, na katero je usmerjen in primerno fokusiran, in ga preko sistema leč fokusira na detektor, kjer se pretvori v električni signal, proporcionalen temperaturi merjenca. Površine trdnih snovi ali tekočin, ki so na temperaturi nad absolutno ničlo (nad –273° C) sevajo IR-valovanje. Tako je mogoče meriti temperaturo brezkontaktno in iz velike razdalje, kar je še posebno primerno za rotirajoče objekte ali naprave pod visoko električno napetostjo. Emisivnost 1 Slika 2. Spekter infrardeče svetlobe (vir fotografije: wikipedia.org) Meriti infrardeče Devis MARTINČIČ , Jure THALER Devis Martinčič, Jure Thaler, oba LOTRIČ, d. o. o., Selca Idealna rešitev (IR) za težavna merjenja temperature Kako izmeriti temperaturo v vrtečem se kotlu, polnem kisline, in z mešali, ki zdrobijo vsak tujek, ki se jim približa? Kako pomeriti temperaturo vezja, ki je pod napetostjo? Kako izmeriti temperaturo cevi ogrevalnega sistema pod stropom brez uporabe lestve in dolgotrajnega čakanja stabilizacije kontaktnega senzorja na cevi? Nič lažjega, saj nam to že vrabci čivkajo, z IR – z infrardečim ali brezkontaktnim termometrom! Pa je stvar res tako preprosta? Idealna rešitev? Zakaj pa ima potem na 100 °C segreta aluminijasta plošča na pobarvani strani 100 °C, na nepobarvani strani pa 40 °C, če jo pomerimo z istim instrumentom (slika 1)? Slika 1. Vpliv barve na meritev temperature (vir fotografije: fluke.com) 2 st Idealna rešitev – DA, vendar … Potrebno je, da se pred meritvijo in pred nakupom instrumenta zavedamo vplivov, ki bodo bolj ali manj skrito delovali na rezultate naših meritev. Infrardeče valovanje Infrardeče valovanje je del spektra elektromagnetnega valovanja. Obsega spekter valov, daljših od valov vidne svetlobe, vendar krajših od mikrovalov. Zato je IR del spektra svetlobe za naše oko neviden, zaznavamo pa njegovo toplotno energijo. Spekter infrardečega valovanja obsega valovne dolžine od 0,7 do 1000 µm. Spekter vidne svetlobe, ki nam je vsem v razumevanju najbližji, obsega valovne dolžine od 0,38 do 0,75 µm in je v naravi najlepše predstavljen z barvami mavrice, ko se na kapljicah vode vidna svetloba razlomi pod različnimi koti in ustvari ta čarobni pojav. Slika 2. Spekter infrardeče svetlobe (vir fotografije: wikipedia.org) 2 st Kaj je IR-termometer? IR-termometer sprejema valovanje s površine, na katero je usmerjen in primerno fokusiran, in ga preko sistema leč fokusira na detektor, kjer se pretvori v električni signal, proporcionalen temperaturi merjenca. Površine trdnih snovi ali tekočin, ki so na temperaturi nad absolutno ničlo (nad –273° C) sevajo IR-valovanje. Tako je mogoče meriti temperaturo brezkontaktno in iz velike razdalje, kar je še posebno primerno za rotirajoče objekte ali naprave pod visoko električno napetostjo. Emisivnost 1 P o v r š in e t r d n ih s n o v i a li t e k o č in , k i so na temperaturi nad absolutno n ičl o ( n a d – 2 7 3° C ) s e v a j o I R -v a l o- va nje. T a k o je m o go če m e r i ti te m- peraturo brezkontaktno in iz velike razdalje, kar je še posebno primerno z a r otir ajo če obje k te ali napr ave p o d v is o k o e l e k tr ičn o n a p e t os tjo . Emisivnost Emisivnost je faktor, ki opisuje, ko- liko toplotnega sevanja je telo spo- sobno izsevati pri dani temperaturi v p r i m e r j a v i z i d e a l n i m č r n i m t e le s o m . V n a ra v i i d e a l n i h č r n i h t e le s n i , z a t o im a j o v s e p o v r š in e o d 1 n i ž j o e m i- si v n os t , š e zdal e č p a e misi v n o s t r a z- ličn ih p o v r š in n i e n a k a . V tabeli 1 je predstavljena emisivnost nekaterih p ov r š in , k i jih sr e čuje m o v n a š i o k o- lici in k ate r ih te mp e ratur o že lim o meriti. Za prave rezultate je nujno poznavanje emisivnosti površine. Pri meritvah z IR-termometri mora- mo biti pozorni, da na instrumentu nastavimo emisivnostni faktor na dejansko emisivnost površine, saj lahko v nasprotnem primeru do- b i m o p o v s e m n a p a č n e r e z u l t a t e . Emisivnost nepobarvanega dela 237 Ventil 18 /2012/ 3 IZ PRAKSE ZA PRAKSO a l u m i n i j a s t e pl o š č e j e 0 , 2 0 , m e d t e m ko je emisivnost pobarvanega dela p l o š č e 0 , 9 5 . Z a t o j e t e rm o m e t e r , k i j e imel nastavljeno emisivnost na 0,95, p o k a z a l n a p o b a r v a ne m d e l u p l o šč e p r a v o v r e d n o s t , 1 0 0 ° C , n a n e p o b a r- vanem delu pa dobimo popolnoma n a p a č e n r e z u l t a t 4 0 ° C . Velikost tarče Pri sevalnih termometrih moramo biti pozorni predvsem na vidno po- lje, k i j e v e č in o m a p o da n o k ot raz- m e r je m e d r a zdaljo do t a r če in ve li- k o s t j o t a r č e , k i j o m e r i m o ( d is t a n c e to spot ratio). Za doseganje pravih rezultatov je potrebno zagotoviti, da je premer merjene površine vsaj d v a k r a t v e č j i o d d e j a n s k e v e l i k o s t i t ar č e I R - t e r m o m e tr a na t e j p o v r ši ni . Na sliki 3 je prikazan primer dveh ra z l i č n i h ra z m e r i j D : S i n p o s le d i č n o v milimetrih predstavljena razdalja, na kateri je dose- žena prikazana ve lik os t t ar če – v primeru razmer- ja D : S = 40 : 1 je v e l i k o s t t a rč e 5 c m dosežena na od- daljenosti 2 m od t a r č e , v p r i m e r u razmerja 20 : 1 pa je taka velikost t ar č e do s e ž e na ž e na oddaljenosti 1 metra. Praktičen primer Ker instrument me- r i p ov pr e čno te m- peraturo v velikosti t arče, je pomemb- no, da merilno polje ter mometra v ce- loti pokriva površi- no merjenca. Zelo n i z k o p o v p r e č n o temperaturo iz- m e r i m o , č e j e v vidnem polju mer- jenca tudi hladno ozadje neba. Pri v e č j ih s t r ojn ih n a- pravah to obič aj- no ne predstavlja p r o b l e m a , t e ž a v a pa nastane pri merjenju naprav, ki so manjše. Manjši merjenci zahtevajo uporabo instrumenta z boljšo optiko. S termometrom, ki ima razmerje D : S = 100 : 1, bomo na primer na razdalji 1 0 0 c m m e r il i p o v p r e čn o te m p e r a- turo v površini premera 1 cm. Ker so termometri s tako velikim razmerjem d r a ž j i , v p r a k s i n a j v e č k r a t n a l e t i m o na termometre z razmerjem 20 : 1 ali še manjšim. Taki termometri so v Tabela 1. Emisivnost različnih materialov Snov Emisivnost asfalt 0,90 do 0,98 beton 0,94 cement 0,96 pesek 0,90 zemlja 0,92 do 0,96 voda 0,92 do 0,96 led 0,96 do 0,98 sneg 0,83 aluminij (poliran) 0,20 aluminij (anodiziran) 0,77 n e r ja v e č e j e k l o ( p o l i r a n o ) 0,15 steklo 0,90 do 0,95 keramika 0,90 do 0,94 marmor 0,94 mavec 0,80 do 0,91 malta 0,89 do 0,91 opeka 0,93 do 0,96 čr n o b l a g o 0,98 č l o v e š k a k o ž a 0,98 usnje 0,75 do 0,80 oglje (prah) 0,96 lak 0,80 do 0,95 lak (mat) 0,97 g u m a ( čr n a ) 0,94 plastika 0,85 do 0,95 les 0,90 papir 0,70 do 0,94 krom oksidiran 0,81 baker oksidiran 0,78 ž e l e z o o k si d i r a n o 0,78 do 0,82 tkanine 0,90 Slika 3. Razmerje med razdaljo (D) in velikostjo tarče (S) Slika 3. Razmerje med razdaljo (D) in velikostjo tarče (S) 2 st Praktičen primer Ker instrument meri povprečno temperaturo v velikosti tarče, je pomembno, da merilno polje termometra v celoti pokriva površino merjenca. Zelo nizko povprečno temperaturo izmerimo, če je v vidnem polju merjenca tudi hladno ozadje neba. Pri večjih strojnih napravah to običajno ne predstavlja problema, težava pa nastane pri merjenju naprav, ki so manjše. Manjši merjenci zahtevajo uporabo instrumenta z boljšo optiko. S termometrom, ki ima razmerje D : S = 100 : 1, bomo na primer na razdalji 100 cm merili povprečno temperaturo v površini premera 1 cm. Ker so termometri s tako velikim razmerjem dražji, v praksi največkrat naletimo na termometre z razmerjem 20 : 1 ali še manjšim. Taki termometri so v vzdrževanju uporabni le za merjenje iz neposredne bližine. Pri tem se moramo zavedati, da so termometri omejeni z najmanjšim možnim premerom merilnega snopa, na primer 13 mm na sliki 3. Velike zmote o IR- termometrih Največkrat so termometri opremljeni z laserskim žarkom, ki označuje cilj. Srečujemo se predvsem s tremi precej razširjenimi zmotnimi mnenji. Prvo je, da je uporabnik prepričan, da ima v rokah laserski merilec temperature, ki meri temperaturo na osnovi odbitega laserskega žarka. V tem prepričanju celo izbira refleksne površine, da bo odboj večji. Rezultat meritve je seveda zelo napačen odčitek. Drugo zmotno mnenje je, da laserska pika označuje velikost merjenega območja oziroma da se temperatura meri v območju, velikem kot laserska pika. V resnici laserska pika določa samo center tega območja. Določeni proizvajalci so ta problem že rešili z večtočkovnim označevalnikom, ki označi celotno velikost tarče. In tretjič: neupoštevanje oddaljenosti do merjenca. Skladno z oddaljenostjo se veča površina merjenega območja. Instrument izmeri povprečno temperaturo v tem območju. Podatek, ki določa velikost merilnega območja, dobimo iz razmerja D : S, kjer D pomeni oddaljenost do merjenca in S premer merilnega območja na tej razdalji. Ta podatek je napisan ali priložen k vsakemu IR-termometru in je najpomembnejši za izbiro termometra in pravilno merjenje. Omogoča nam izračunati premer površine merilnega snopa na poljubni oddaljenosti. Za kvalitetne meritve proizvajalci priporočajo, da je premer merjenca vsaj 50 % večji od izračunanega razmerja. Zmotno je tudi mnenje, da se s približevanjem merjencu temu problemu izognemo. Večina naprav ima oster fokus šele od določene oddaljenosti. Približevanje merjencu pomeni razfokusiranje in napačen rezultat. Kalibracija in preverjanje delovanja IR- termometrov Mnogo je vplivov na končni rezultat meritev, vendar pa brez kvalitetne kalibracije posamičnega merila zaradi karakteristik, ki se od senzorja do senzorja razlikujejo, brez kalibracije instrumenta ne moremo zadosti zaupati v njegove rezultate. Kalibracije IR-termometrov se izvajajo s pomočjo črnih teles, ki se s svojo efektivno emisivnostjo bolj ali manj približujejo emisivnosti pravega črnega telesa. Malo črno telo, s katerim preverimo pravilnost delovanja našega IR-termometra, pa lahko pripravimo s pomočjo drobljenega talečega se ledu, v katerega naredimo luknjo in pomerimo sevanje tega ledenega črnega telesa. Sklep: Merimo idealno, merimo IR. Šele ob upoštevanju vseh omenjenih dejavnikov in pod pogojem, če smo termometru sporočili, kakšna je površina (z nastavitvijo emisivnosti), če smo zagotovili dovolj veliko tarčo, če so pogoji okolja taki, kakršne 3 v zdr že vanju up o r ab ni l e z a m e r je- nje i z n e p osr e dn e b li ž in e. P r i te m s e moramo zavedati, da so termometri o m e je ni z n a j m a n j š i m m o žni m p r e- merom merilnega snopa, na primer 13 mm na sliki 3. Velike zmote o IR­ termometrih N a j v e č k r a t s o t e r m o m e t r i o p r e m l j e n i z l a s e r s k im ž a r k o m , k i o z n a čuj e c ilj . Sr e čuje m o s e p r e d v s e m s tr e m i p r e- cej razširjenimi zmotnimi mnenji. P r vo j e , d a j e u p o r a b n i k p r e p r i č a n , da ima v rokah laserski merilec tem- perature, ki meri temperaturo na o s n o v i o d b i t e g a l a s e r s k e g a ž a r k a . V te m pr e pr ič anju ce lo i zbir a r e f l e k sn e po vr ši ne, d a bo od bo j v eč j i. R ezu l- t a t m e r i t v e j e s e v e d a z e l o n a p a č e n o d č i t e k . Drugo zmotno mnenje je, da laser- s k a p i k a o z n a č u j e v e l i k o s t m e r j e n e g a o b m o č j a o z i r o m a d a s e t em per a t u r a m e r i v o b m o č j u , v e l i k e m k o t l a s e r s k a p i k a . V r e s n i c i l a s e r s k a p i k a d o l o č a s a m o ce nte r te ga o b m o č ja . D o l o če- ni p r oi z va ja l c i s o t a p r o b l e m že r e š ili z v e č t o č k ov n im o z n a č e v a ln ik o m , k i o z n a č i ce l otn o ve lik os t t a r če . I n t r e t j i č : n e u p o š t e v a n j e o d d a l j e n o s t i do merjenca. Skladno z oddaljeno- s tjo s e ve č a p ov r š in a m e r je n e ga o b- mo č j a . I ns t r u me n t iz me r i p o v p r e č no te m p e r at ur o v te m o b m o č ju . P o da- te k , k i do l o č a ve lik os t m e r iln e ga o b- m o č ja , do b im o i z r a z m e r ja D : S , k j e r D pomeni oddaljenost do merjenca i n S p r e m e r m e r il n e g a o b m o č ja n a tej razdalji. Ta podatek je napisan ali pr iložen k v s ak emu I R - te r mo - metru in je najpomembnejši za izbi- ro termometra in pravilno merjenje. Omogoča nam izračunati premer 238 Ventil 18 /2012/ 3 površine merilnega snopa na po- ljubni oddaljenosti. Za kvalitet ne m e r i t v e p r o i z v a j a l c i p r i p o r o č a j o , d a j e p r e m e r m e r j e n c a v s a j 5 0 % v e č ji o d i z r a čun a n e ga r a z m e r ja . Zmotno je tudi mnenje, da se s pribli- ž ev a n j e m m e r j e n c u t e mu p r o ble mu i z o g n e m o . V e č i n a n a p r a v i m a o s t e r f o k u s š e l e o d d o l o č e n e o d d a l j e n o st i . P r i bl iž ev a n j e me r j e nc u p o me n i ra z- f o k u sir a nje in n a p a če n r e z ul t at . Kalibracija in preverjanje delovanja IR­ termometrov Mno go je v pli vov na k ončni r e z ul- tat meritev, vendar pa brez kva- l i t e t n e k a l i b r a c i j e p o s a m i č n e g a merila zaradi karakteristik, ki se od senzorja do senzorja razlikuje- jo, brez kalibracije instrumenta ne moremo zadosti zaupati v njegove rezul tate. Kalibracije IR-termometrov se izva- j a j o s p o m o č j o č r n i h t e l e s , k i s e s svojo efektivno emisivnostjo bolj ali m a nj p r ib li ž uje jo e misi v n os ti p r ave- g a č r n e g a t e le s a . M a l o č r n o t e l o , s k a t e r i m p r ev e r i m o pravilnost delovanja našega IR-ter- mo metra, pa lahko pripravimo s p o m o č j o d r o b l j e n e g a t a l e č e g a s e ledu, v katerega naredimo luknjo in pomerimo sevanje tega ledenega č rn eg a t el e sa. Sklep: Merimo idealno, merimo IR Šele ob upoštevanju vseh omenjenih d e j a v n i k o v i n p o d p o g o j e m , č e s m o te r m o m e tr u sp o r o č ili , k a k š n a j e p o- v r š in a (z n a s t av i t v ijo e misi v n o s ti ) , če s m o z a g o t o v i l i d o v o l j v e l i k o t a r č o , č e so pogoji okolja taki, kakršne pred- videva proizvajalec, takrat lahko, z upoštevanjem pogreškov instrumen- t a s c e r t i f i k a t a , r e č e m o , d a s m o n aš l i i dea l n o r e š it e v z a d o lo č it e v t e m p e- r a t u r e n a š e g a t e ž a v n e g a m e r j e n c a s po moč j o i n fr a rd eč eg a t ermo met r a. Literatura [ 1 ] Luk e žič , Mar jan : Br e zk ont ak tno merjenje temperature ter termo- vizije. IZ PRAKSE ZA PRAKSO nadaljevanje s strani 220 Simulation im mechatronischen Umfeld – Simulacija v mehatronskem okolju 27. in 28. 2012 Aachen, ZRN Organizator: – RWTH – IFTAS (verjetno) Tematika: – Nadaljnji razvoj programsko- simulacijskega jezika DSHplus