2011/01-02: A termográfia elmélete és gyakorlata: az érintésmentes hőmérsékletmérés elméleti alapjai –> anyagspecifikus tulajdonságok, optikai törvények

GyártásTrend 2011/01-02, Műszaki diagnosztika rovat

“Egy univerzális mérési eljárás”

A hőképfelvételek készítése, azaz a termográfia elméleti alapjaival foglalkozó korábbi írásunk (GyártásTrend 2010/12.) folyatásában rátérünk a gyakorlati tudnivalókra. Ezek közül is elsőként az érintésmentes hőmérsékletmérés lehetséges hibaforrásait vesszük számba, majd bemutatjuk a mérési hibák mennyiségi értékelésének szempontjait, illetve a hibák csökkentésének lehetőségeit.

Az érintés nélküli hőmérsékletmérés mérési hibája több tényezőből adódik/adódhat össze. Említhető ezek közül az alkalmazott mérőeszközből eredő mérési pontatlanság. Mint bármely mérőberendezés, az érintkezés nélküli hőmérsékletmérő eszköz is csak bizonyos mérési hibával képes ellátni a feladatát. Viszont sok egyéb olyan méréstechnikai/kezelői hiba is jelentkezhet, amely nem fordul elő az érintéses hőmérsékletmérésnél és a mérőeszköz pontatlanságánál nagyságrendileg is nagyobb hibákat – akár teljesen téves adatokat – eredményezhet. Az alábbiakban ezek közül néhány lehetséges – és külön figyelmet érdemlő – hibaokot részletezünk.

 

Érintésmentes mérés problémái Az emissziós tényezőnek és a környezeti hőmérsékletnek a mérés pontosságára gyakorolt hatása Ez a leggyakoribb és a hiba nagyságát tekintve a legjelentősebb hibaok az érintkezés nélküli hőmérséklet-mérési módszer gyakorlati alkalmazása során. A mérőberendezés csak akkor tudja helyesen meghatározni egy tárgy hőmérsékletét, ha a mérőműszeren (illetve a kiértékelőszoftveren) beállított emissziós tényező megfelel a mérendő tárgy valós jellemzőjének.

Hősugárzás visszaverődése a tárgy homlokfelületéről (hősugárzás-reflexió) Minél jobban eltér egy test emissziós tényezője az ideális 1 értéktől (tehát minél kisebb sugárzáskibocsátási képességű), annál inkább erősödik a reflexiós (sugárzás-visszaverődési) tulajdonsága (átláthatatlan tárgyat feltételezve). Ez azzal jár, hogy a mérőműszer a test hőmérsékletével arányosan kibocsátott hősugárzás mellett (a legrosszabb esetben akár helyett) a környezetből származó, a mért tárgy felületén reflektált hősugárzást méri.

Emissziós tényező pontatlanságából adódó hiba (forrás: Infratec)

Jelveszteség az átviteli szakaszon (sugárzáscsökkenés az atmoszférában és más anyagokban) Az átviteli szakasz általában közönséges légkör, amelyen az infravörös sugárzás spektrumának csupán egy része halad át (atmoszferikus ablakok). Hogy nagyobb távolságok esetén milyen veszteségek lépnek föl, azt az infravörös sugárzást elnyelő, illetve csillapító tényezők (például köd, aeroszolok, nagy koncentrációjú szén-dioxid, szén-monoxid, egyéb gázok vagy víz jelenléte) határozzák meg. Egyéb anyagok (pl. infravörös sugárzásra áttetsző mérőablakok) jelenléte esetében azok csillapítási hatását is figyelembe kell venni.

Hősugárzás átbocsátása a tárgy hátteréből A hiba akkor jelentkezik, ha a tárgy részben áttetsző, természetesen az infravörös sugárzás szempontjából. Ilyen esetekben a tárgy hátterét éppúgy figyelembe kell venni, mint az előterét a hősugárzás visszaverődésénél. Ez különösen akkor okozhat gondot, ha közvetlenül a mérendő tárgy mögött erős hősugárzók (például technológiailag szükséges melegítőberendezések) találhatók.

A hibák számbavétele és mérséklése

A teljes hőmérséklet-mérési hiba nagyságában döntően meghatározó részként az emissziós tényező valódi értékétől való eltérésből adódó hiba kalkulálható. A téves emissziós tényezőből adódó mérési hiba annál nagyobb, minél jobban eltér a mérendő tárgy hőmérséklete a környezeti hőmérséklettől. Az is belátható, hogy az ilyen hiba igen nagy lehet, és így a mérőeszköz rendszeres belső hibájának többszörösét is elérheti.

Míg a visszavert és az átbocsátott zavaró sugárforrások következtében kialakuló hibák hatását azok optikai megjelenése alapján rendszerint könnyű érzékelni a hőképen („oda nem illő” pontok, foltok vagy körök) és ezután javítani, távhőmérésnél ez nem olyan könnyű, mivel a sugárzás eloszlása nem látható. Annak érdekében, hogy a hőmérsékletmérésben a hibákat kiküszöböljük vagy legalább minimalizáljuk, gondoljunk a következő tanácsokra a mérések kivitelezése során.

Mielőtt megkezdjük a mérést, bizonyosodjunk meg arról, hogy a hőmérő eszköz mérési irányába – különösen mobil méréseknél – nem esnek bele tükrözött hősugárzások. Ha ez előfordul, hajtsunk végre a következő lépések legalább egyikét:

  • változtassuk meg a mérőberendezés elhelyezését és így a mérés szögét (mivel a tükröződés az optikai törvényszerűségek miatt szögfüggő)
  • változtassuk meg a mérendő tárgy elhelyezését vagy (és) szögét (elsősorban laboratóriumi méréseknél)
  • zárjuk ki a zavaró sugárzást olyan anyagokkal, amelyek nem engedik át az infravörös sugárzást (kartonlap, hungarocell, plexiüveg, fémlapok)
  • szélsőséges esetben teljesen burkoljuk körül az átviteli szakaszt és a mérendő tárgyat (csupán a mérőeszköz optikája részére hagyva egy nyílást).

Hasznos gyakorlati tanácsok

Ügyelni kell arra, hogy nemcsak a nyilvánvaló zavaró sugárzók, mint amilyenek az izzólámpák, a lángok vagy a forró (vagy éppen hideg) géprészek zavarhatják a méréseket azzal, hogy a mérendő tárgyon visszaverődnek, hanem a mérést kivitelező személy is egy hőforrás, és így szintén tükröződhet a mért felületen.

Ha a tárgy emissziós tényezője nyilvánvalóan különbözik a fekete testétől, a mérőberendezésen az emissziós tényezőt a valóságnak megfelelően a lehetőleg legkisebb eltéréssel kell beállítani. A beállítandó emissziós tényezőre vonatkozó információ különböző módokon nyerhető: * végezzünk kísérletet egy valós tárgyon vagy a hősugárzás szempontjából összehasonlítható karakterisztikájú referenciatárgyon * használjunk tapasztalati vagy szállítói információkat speciális anyagok és felületek tipikus hőemissziós tulajdonságairól, illetve nézzünk utána ilyen információknak a szakirodalomban.

Újabb fontos dologra szükséges felhívni a figyelmet: ha az emissziós tényező eltér 1-től, a hőmérsékletmérés értékének meghatározásában szerephez jut a környezeti hőmérséklet értéke is. Ebben az esetben bizonyosodjunk meg arról, hogy a mérőeszköz erre az értékre vonatkozó beállítása helyes-e. A környezeti hőmérséklet pedig NEM a környezeti levegő hőmérséklete, hanem a tárgyan reflektáló sugárzást kibocsájtó tárgyak felületi hőmérséklete! Ha a középhullámú mérési tartományban a mérési távolság meghaladja a 10 métert, a sugárzás intenzitását csökkentő atmoszférikus átbocsátás hatását is figyelembe kell venni a korrekciónál. A mérési útvonal hőmérsékletét a lehető legpontosabban kell beállítani az átbocsátás értékének kiegészítéseként (ha lehetséges, használjuk ehhez a legtöbb hőkamerába beépített automatikus funkciót).

Optikai törvényszerűségek

 

Mivel a hősugárzás gyakorlatilag ugyanolyan elektromágneses hullám, mint a látható fény, számos tulajdonsága megegyezik a fényével. A fő különbség a hullámhossz tekintetében mutatkozik. Ezért is viselkednek egyes anyagok máshogyan a látható fénnyel szemben, mint ahogy a hősugárzással kapcsolatosan. Azonban a látható fényre vonatkozó optikai törvényszerűségek a hősugárzásra 100 százalékosan érvényesek. Az érintésmentes hőmérsékletmérés szempontjából kiemelnénk a helyes optikai fókuszálást, mivel figyelmen kívül hagyásával komoly mérési hibát okozhatunk.Fókuszálás hatása a mérésre (forrás: PIM)

Az optikai fókusz ugyanúgy „működik”, mint ahogy azt a fényképezésnél megszoktuk: a kamerán belüli gyűjtő- vagy fókuszlencse feladata, hogy a beérkező sugarakat az érzékelő felületére (hagyományos fényképezés esetén a filmre) vetítse. Hibás fókusz esetén a sugarak az érzékelő síkja előtt vagy mögött kerülnek összegyűjtésre. Ilyenkor a kép életlen lesz. De hőkép esetében a baj nagyobb ennél: a sugárzás valós mennyiségének ugyanis csak egy része esik az érzékelőre, a többi annak környékére vetítődik. Ez ahhoz vezet, hogy a mért hőmérséklet mindenképpen alacsonyabb lesz a valóságosnál. Minél rosszabb a fókuszbeállítás, annál nagyobb mértékben tér el a helyes értéktől.

Fokuszálás hatása forrasztópáka mérésénél (forrás: PIM)

 

Rahne Eric (PIM Kft.)
pim-kft.hu
termokamera.hu

 

Kapcsolatfelvétel

A publikáció tartalmát szerzői jogok védik, ennek (akár csak részben történő) felhasználása, elektronikus vagy nyomtatott tovább-publikálása csak a forrás és a szerző nevének feltüntetése mellett, valamint a szerző előzetes írásos engedélyének megléte esetén megengedett. A szerzői jogok (Copyright) megsértése jogi következményekkel jár.