Wszelkie obiekty mające temperaturę powyżej zera absolutnego emitują energię w sposób ciągły, w formie promieniowania podczerwonego. Emitowana energia jest wykrywalna i określana ilościowo jako temperatura danego obiektu za pomocą techniki termografii na podczerwień. Oko ludzkie jest zdolne do widzenia w bardzo wąskim zakresie widma elektromagnetycznego, przy długości fali od 0,4 do 0,7 mikrona. Część widma obejmująca promieniowanie podczerwone waha się w granicach od 1 do 100 mikronów (rys. 1).
Dostatecznie gorący obiekt emituje światło lub promieniowanie widzialne – zjawisko to nazywa się inkandescencją (temperaturowym wytwarzaniem światła). Przykładem występowania tego zjawiska może być włókno żarówki, tlące się węgle czy kawałek rozgrzanej do czerwoności stali. Im większa temperatura obiektu, tym jaśniejsza i bielsza barwa. W ten sposób można określać temperaturę danego obiektu. Doświadczeni hutnicy robią to zawsze. Ale fakt, że żarzące się obiekty wytwarzają ogromne ilości niewidzialnego promieniowania podczerwonego nie jest tak powszechnie znany. Na przykład promieniowanie kawałka stali, mającego temperaturę 815oC, jest 100 000 razy większe w części widma należącej do podczerwieni niż w jego części widzialnej.
Promieniowanie podczerwone stanowi część widma elektromagnetycznego oraz zachowuje się podobnie jak światło widzialne. Rozchodzi się z prędkością światła i może być odbijane, załamywane, pochłaniane oraz emitowane. Długość fali promieniowania podczerwonego jest o rząd wielkości dłuższa od światła widzialnego. Inne formy promieniowania elektromagnetycznego to fale radiowe, promieniowanie nadfioletowe oraz rentgenowskie.
Elementy termometru na podczerwień
Prosta analiza oka będącego jedną z postaci termometru promieniowania ujawnia podstawowe części składowe termometru na podczerwień. Oko posiada soczewkę, która ogniskuje strumień fotonów pochodzących od źródła promieniowania na siatkówce, czyli inaczej detektorze promieniowania w ciele ludzkim.
Siatkówka jest pobudzana przez padające promieniowanie i wytwarza sygnał, który jest przekazywany do mózgu. Mózg pełni rolę przyrządu wskazującego lub rejestrującego oraz – jeśli jest należycie „skalibrowany” przez nasze doświadczenie – ustala związek owego promieniowania z temperaturą.
Te same podstawowe elementy wchodzą w skład przemysłowego termometru na podczerwień. Obejmują one optykę skupiającą, detektor promieniowania oraz wskaźnik (wyświetlacz). To właśnie możliwości techniczne dostępnych detektorów wyznaczają skuteczność działania współczesnych termometrów na podczerwień.
Przyrządy do pomiaru temperatury
Przyrządy do pomiaru punktowego stanowią najstarszą formę termometru na podczerwień. Są to termometry bezstykowe, które mierzą punkt na obiekcie docelowym (fot. 2). Przyrządy te są wykorzystywane do sterowania pracą pieców, palenisk oraz grzałek. Mogą dokonywać pomiaru od tak niskich temperatur jak –10oC do temperatur sięgających aż 3600oC, a także mierzyć punkty o średnicy zaledwie 0,43 mm w czasie zaledwie 25 milisekund.
Fot. 3 Termiczne zobrazowanie jest odpowiednie dla kontynuacji planu i użycia oprogramowania w celu manipulacji obrazu i stworzenia raportów.
Dostępne są modele przyrządów z pojedynczą i podwójną długością fali. Soczewki mogą być stałe lub z nastawianą ostrością; do przekazywania energii z obiektu docelowego do czujnika mogą być stosowane światłowody. Przyrządy do pomiaru punktowego są użyteczne w przypadku obiektów przemieszczaj ących się, gdyż nie kolidują z prowadzonym procesem. Ich wadą jest możliwość pomiaru tylko jednego punktu na obiekcie docelowym.
Skanery liniowe zostały opracowane do pomiaru temperatury gorących wstęg przemieszczającego się materiału, jak np. stal lub szkło. Pojedynczy detektor ze zwierciadłem ustawionym pod kątem 45o tworzy kąt skanowania 90o dla całego obiektu docelowego w miarę jego przemieszczania, dając dwuwymiarowy termogram.
Program dzieli obiekt na punkty – w celu dokonania analizy w czasie rzeczywistym procesu technologicznego oraz analizy pośredniej i gromadzenia danych. Skanery te dokonują pomiaru temperatury w zakresie od 10oC do 220oC z częstotliwością 100 Hz.
Fot. 2 Punktowy miernik temperatury może być użyty do pomiarów ruchomych obiektów.
Autor: Joseph L. Foszcz, starszy redaktor magazynu Plant Engineering
