מדידת טמפרטורה ללא מגע על משטחים מתכתיים

מדידת טמפרטורה ללא מגע על משטחים מתכתיים

בתהליכי ייצור תעשייתיים רבים ישנה חשיבות מכרעת להימצאות החומר בטמפרטורות המתאימות, בקרה נכונה על הטמפרטורה בתהליך הינה גורם מכריע בנוגע לאיכות התוצרים. בתעשיית המתכת בפרט. בקרה על טמפרטורת מוצר חיונית במגוון תהליכי ייצור ועיבוד

חיים ליבנה, מנכ"ל אלינה טכנולוגיות
כל גוף בטבע שהטמפרטורה שלו גבוהה מהאפס המוחלט פולט קרינה כתוצאה מהתנועה של החלקיקים המרכיבים אותו. בעוד שהאור הנראה נפלט רק מגופים בטמפרטורה גבוהה מאד כדוגמת השמש, אש ומתכות לוהטות, קרינה תת-אדומה (IR) נפלטת גם מגופים בטמפרטורות נמוכות יותר.
מצלמות תרמיות וחיישני טמפרטורה ללא מגע מבוססים על חיישנים רגישים לקרינה אלקטרומגנטית בתחום אורכי גל של התת-אדום. חיישן ה-IR מודד את הקרינה הנפלטת מאובייקט המטרה, האות היוצא עובר ליחידה האלקטרונית של מד הטמפרטורה, ומחשבים את הטמפרטורה של האובייקט.
כאמור, כל גוף בטבע פולט אנרגיה תרמית בכל אורכי הגל, באופן שתלוי בטמפרטורה העצמית של הגוף. הקשר שבין הטמפרטורה של גוף לבין העוצמה של קרינת חום הנפלטת בכל אורך גל מתואר על ידי מודל הגוף השחור של פלאנק. מודל זה מהווה את הבסיס להבנת טכנולוגיית מדידה ללא מגע של טמפרטורה ולכיול של חיישני טמפרטורה מבוססי אינפרא אדום. 
 
 
קרינה תרמית כתלות באורך הגל, עבור גופים בטמפרטורות שונות 
 
מהגרף ניתן לראות שככל שטמפרטורת הגוף עולה כך הקרינה העוצמתית ביותר הינה באורכי גל קצרים יותר. תופעה זו מסבירה את העובדה שאנו מסוגלים לראות בעין קרינת חום של גופים בעלי טמפרטורה גבוהה מאד. בטמפרטורה הנמוכה מ-450°C נפלטת מעט מאוד קרינה באור הנראה, וקרינת החום מתרחשת בגלים בעלי אנרגיה נמוכה יותר, כמו גלי רדיו, מיקרוגל ותת-אדום.
 
חישוב טמפרטורה באמצעות קרינת אינפרא אדום
כאמור עוצמת הקרינה הנפלטת מאובייקט (U) משתנה בהתאם לטמפרטורה העצמית שלו. שינוי עוצמת הקרינה הינו בהתאם לחזקה רביעית של טמפרטורת האובייקט (T) כמתואר בנוסחה הבאה:    U ≈ ɛ * T4 כאשרɛ מייצגת את האמיסיביות של האובייקט. האמיסיביות הינה פרמטר חסר יחידות שגודלה בין 0 ל-1 והיא מייצגת את חלקה היחסי של הקרינה שמקורה בקרינת חום מתוך סך הקרינה הנקלטת בגלאי. לכל חומר ישנה אמיסיביות אופיינית שעשויה להשתנות עבור אורכי גל שונים וטווחי טמפרטורה שונים.
עוצמת הקרינה על הגלאי מושפעת מגורמים נוספים רבים כדוגמת: השתקפות של קרינה מהסביבה על גבי המטרה, כמו גם קרינת חום שמקורה בטמפרטורת החיישן עצמו. כמובן שמדי הטמפרטורה המודרניים מביאים בחשבון גם את הגורמים הללו.
 
יתרונות השימוש במדי טמפרטורה ללא מגע
בדיקת אל הרס/ ללא מגע:
מד הטמפרטורה והמצלמה התרמית אינם באים במגע עם האובייקט הנבדק,הם מוגדרים כבדיקה שאינה גורמת נזק כלשהו לאובייקט הנמדד.
מרחק מהגוף הנבדק:
ישנם תהליכים בתעשיה כדוגמת תהליכי יציקות מתכת אשר מתרחשים בטמפרטורות גבוהות, ולכן העובדה שניתן לבצע מדידה של טמפרטורה תוך שמירת מרחק מהעצם הנבדק מהווה יתרון משמעותי.
מהירות דגימה:
מהירויות הדגימה המהירות מאפשרות ביצוע מעקב רציף ומדוייק לתהליכים תרמיים דינמיים. 
שימוש בתוכנת אנליזה מתקדמת:
תוך שימוש בתוכנה נלוות למצלמה, ניתן לבצע אנליזה של תוצאות המדידה, לבצע הקלטה של תהליך המדידה ולאחר מכן ניתן לצפות בהקלטה במהירות שידור רגילה או לחילופין במהירויות שידור איטיות יותר (זאת כדי להבחין בפרטים שמתרחשים במהירות גבוהה).
 
מדידת טמפרטורה של משטחים מתכתיים
ככלל ניתן לקבוע שמדידת טמפרטורה של מתכות צריכה להתבצע עם חיישני אינפרא-אדום שרגישים לטווח ספקטרלי של אורכי גל קצרים ( 2.3 מיקרומטר; 1.6 מיקרומטר; 1.0 מיקרומטר). 
אובייקטים מתכתיים מתאפיינים בפליטת אנרגיה שתלויה גם בטמפרטורת המשטח וגם באורך הגל. נהוג לכנות משטחים אלו בעלי קרינה סלקטיבית. ישנן מספר סיבות חשובות לכך שמדידת משטחי מתכת צריכה להתבצע בטווח ספקטרלי של אורכי גל קצרים. ראשית, מדידת טמפרטורה של משטחי מתכת בטמפרטורות גבוהות מתבצעת באורכי גל קצרים (2.3 מיקרומטר; 1.6 מיקרומטר; 1.0 מיקרומטר) בגלל עוצמת הקרינה הגבוהה ביותר. בנוסף, גם האמיסיביות של המתכת גבוהה יותר באורכי גל אלו, דבר שמאפשר מדידה איכותית יותר. שנית, באורכי גל אלו האמיסיביות של המתכת דומה לזו של התחמוצת כך שהבדלים בטמפרטורה המתקבלת עקב כך הינם מזעריים.
כמו כן, מתכות יכולות להתאפיין באמיסיביות לא ידועה. מכשירי מדידה באורכי גל קצרים מצמצמים באופן משמעותי את שגיאות המדידה הנגרמות מערך אמיסיביות שלא נקבע בצורה מדויקת.
 
סוגי חיישני טמפרטורה למדידת מתכות
חיישן נקודתי נייח:
חיישני הטמפרטורה מסדרת CTlaser מיועדים להתקנה קבועה בנקודה מסויימת כדוגמת: בקרה על טמפרטורת מוצרים בקווי ייצור, תחנות בדיקה, ויישומים שונים במחקר ופיתוח. החיישנים מספקים ביצועים ברמה הגבוהה ביותר. החיישן כולל קרן לייזר כפולה חדשנית וזאת בניגוד לחיישני טמפרטורה רבים שכוללים לייזר יחיד שרק מסמן את האמצע אבל לא את הגודל של אזור המדידה. חיישני CTlaser  מצויידים בשתי קרני לייזר המסמנות את הגודל והמיקום המדוייקים של שדה המדידה בכל מרחק. תוספת זו משפרת באופן משמעותי את היכולת להימנע מטעויות מדידה.
החיישנים מצויידים כסטנדרט באפשרות לקבלת התראה כאשר טמפרטורת האובייקט חורגת מטווח הטמפרטורות המוגדר כתקין. החיישנים בסדרת CTlaser כוללים יציאות זרם ומתח אנלוגיות וכן יציאת תרמוקפל המאפשרות חיבור לבקר מכונה או לבקר טמפרטורה קיים. בנוסף, ישנה אפשרות להוספת מודולי תקשורת דיגיטליים שונים כדוגמת USB שמאפשר הפעלה מהמחשב באמצעות תוכנה יעודית.
מדי טמפרטורה ללא מגע מסוג זה משמשים בעיקר באזורי ייצור בתעשייה, כמו גם למחקר ופיתוח. הם מתאפיינים בגודל שדה מדידה קטן של החל מ- 0.6 מ”מ. 
 
חיישן נישא נייד:
מדי הטמפרטורה הנישאים מסדרת P20 משמשים בתעשיית המתכת בעיקר למדידות ספורדיות. לפיכך, מד הטמפרטורה הנישא שמאפשר מדידה עד לטמפרטורה של 1,800 מעלות צלזיוס, לעתים קרובות משמש למדידות של בקרת איכות מדגמית ברצפת הייצור בתהליכי יציקה ועיבוד חם. מדי טמפרטורה מסדרת P20 מאפשרים מדידה נוחה גם מטווחים ארוכים באמצעות שילוב בין כוונת אופטית לסימון באמצעות קרן לייזר כפולה. המכשיר מספק שטח נקודת מדידה קטן גם לטווחי מדידה ארוכים, למשל במרחק של 20 מ’ מהמטרה תתקבל נקודת מדידה בקוטר של 2.5 ס”מ בלבד. 
למכשיר ה-P20 זיכרון של 2,000 מדידות וקיימת במכשיר אפשרות ללהתחבר למחשב באמצעות USB לפריקה של המדידות ולמעקב בזמן אמת על הטמפרטורה.
 
 
מצלמה תרמית:
מצלמה תרמית TIM  
 
להבדיל מהחיישנים הנקודתיים, המצלמה התרמית מאפשרת מדידת טמפרטורה בנקודות רבות על פני המטרה כך שניתן גם לראות את ההתפלגות של הטמפרטורה בגוף הנמדד. המצלמה התרמית הקומפקטית TIM M1 פועלת באורכי גל קצרים של 0.9-1.1 מיקרומטר ומאפשרת מדידת טמפרטורה מ- 450 עד- 1,500 מעלות צלזיוס. למצלמה רזולוציה מרחבית גבוהה וקצב עבודה מהיר במיוחד של עד 1000 מדידות לשנייה. הרזולוציה המרחבית הגבוהה של המצלמה התרמית מתבטאת בכך שכל פיקסל מייצג שטח קטן במיוחד של החל מ-0.1 מ”מ על גבי המטרה, מה שמאפשר מדידת טמפרטורה של גופים קטנים במיוחד.
המצלמה מתחברת למחשב באמצעות USB ומופעלת באמצעות תוכנת גרפית ידידותית המאפשרת הקלטת התוצאות, מגוון רחב של אפשרויות תצוגה, וכלים לניתוח מתקדם של הטמפרטורה באזורים שונים במטרה.










פי.סי.חץ