Detektor czujnika przetwarza przechodzące promieniowanie podczerwone na sygnał elektryczny. Wyniki to zlinearyzowana wartość temperatury, która może być wykorzystywana do dalszego przetwarzania.
Kilka słów o historii
Istnienie promieniowania podczerwonego zostało odkryte w 1800 roku przez fizyka Williama Herschela. W tamtym okresie promieniowanie było mierzone w raczej prymitywny sposób z wykorzystaniem pryzmatu, rozpraszającego światło słoneczne.
W przeciągu następnych lat odkryto kilka różnych metod pomiaru promieniowania podczerwonego obiektów. Dziś jest to znaczący element technologii pomiarowych.
O bezkontaktowych pomiarach podczerwieni
Zakres promieniowania podczerwonego nie jest widoczny dla ludzkiego oka, wynosi od 0.7nm do 1mm. Wykorzystując soczewki możliwe jest rozpraszanie bądź związywanie promieniowania podczerwonego, można je również odbijać za pomocą lustra.
Dla pomiarów temperatury promieniami podczerwonymi interesujący jest zakres od 1 do 14µm, gdyż energia promieniowania w tym zakresie jest tylko liniowa.
Bezkontaktowe czujniki temperatury określają energię promieniowania obiektu bez dotykania go. Dzięki temu możliwe są pomiary poruszających się, bardzo gorących lub trudnodostępnych obiektów.
Podczas gdy kontaktowy czujnik temperatury lub sonda mogą wpłynąć na temperaturę obiektu pomiarowego, jak również produkt, w pewnych okolicznościach może ulec uszkodzeniu bądź zniszczeniu, metoda bezkontaktowa zawsze zapewnia precyzyjne pomiary.
Zastosowanie bezkontaktowych czujników podczerwieni możliwe jest również dla bardzo wysokich temperatur, w których czujnik kontaktowy lub sonda dotykowa ulegnie zniszczeniu lub ich żywotność zostanie znacząco skrócona.
W automatyce przemysłowej czujniki podczerwieni umożliwiają ciągłe monitorowanie temperatury. Inteligentne systemy cyfrowe pozwalają na programowanie czujników na odległość jak również na transmisję danych online oraz na rejestrowanie danych pomiarowych.
Zasada pomiaru temperatury za pomocą promieniowania podczerwonego
Promieniowanie podczerwone jest emitowane przez każde ciało, którego temperatura jest powyżej zera absolutnego. Czujniki temperatury podczerwieni przechwytują emitowane promieniowanie i odbijają je do jednego lub więcej detektorów.
Energia promieniowania podczerwonego w detektorze jest konwertowana na sygnały elektryczne, które następnie przekształcane są w wartości temperatury, w oparciu o kalibrację czujnika oraz określoną emisyjność. Na podstawie tej oceny, zmierzona temperatura może być przedstawiona na wyświetlaczu w postaci sygnału analogowego lub wyświetlona na komputerze przez wyjście cyfrowe.
Emisyjność
Wszystkie ciała emitują promieniowanie podczerwone na trzy różne sposoby. Mogą wydzielać promieniowanie, odbijać je od otoczenia lub transmitować je przez siebie. Sposób, w jaki różnorodne czynniki wchodzą w interakcję zależy od materiału obiektu pomiarowego. Jednakże dla pomiarów temperatury istotne jest tylko wytwarzane promieniowanie.
Zależność indywidualnych emisji od siebie nawzajem jest opisana przez zdolność emisyjną. Przy założeniu, że ciała stałe przepuszczają zerowe promieniowanie, transmisja może zostać zastąpiona zerem.
Emisyjność jest funkcją temperatury ciała i częstotliwości emitowanego promieniowania.Dzięki temu można łatwo zrozumieć dlaczego takie obiekty jak połyskliwe i błyszczące metale mogą mieć tylko niską emisyjność, gdyż promieniowanie z otoczenia jest silnie odbijane przez ich powierzchnię.
W przeciwieństwie do tego obiekty takie jak odzież czy czarne matowe powierzchnie są w niskim stopniu odblaskowe, dzięki czemu bardzo dobrze nadają się do bezkontaktowych pomiarów temperatury.Intensywność promieniowania mierzonego ciała zależy od jego temperatury i emisyjności. Dla standardowych czujników temperatury emisyjność może być regulowana pomiędzy 0.1 i 1.0, dlatego też można mierzyć temperaturę różnych obiektów.
Budowa czujników podczerwieni
Czujniki podczerwieni nie różnią się zbytnio w swojej podstawowej konstrukcji. Ważnym, integralnym elementem wpływającym na rozdzielczość oraz rozmiar plamki pomiarowej dla określonych odległości są soczewki podczerwone, które skupiają emisje na detektorze podczerwieni. Określa to również relację rozmiaru plamki pomiarowej do dystansu do czujnika. Element wykrywający jest sercem czujnika.
Istnieją trzy różniące się fizycznie elementy do realizacji tej funkcji. Są to bolometr, stos termoelektryczny oraz detektor kwantowy, które są stosowane do konwertowania promieniowania na energię elektryczną. Dalsze elementy składowe to moduł zasilający oraz konwerter A/D.
W zależności od czujnika stosowana jest różna elektronika dla poprawiania i stabilizowania sygnału, a także do kompensowania wpływu tła na pomiary np. rozgrzanych piecy przemysłowych, których ścianki są gorętsze od mierzonego detalu.
Bolometr jest przyrządem czułym na podczerwień, która wytwarza ciepło promieniowania wykorzystując zmianę w rezystancji elementu.
Zasada działania stosu termoelektrycznego oraz elementów termicznych oparta jest o zjawisko Seebecka. W tym zjawisku dwa lub więcej różnych metali są ze sobą połączone w jednym miejscu.Jeżeli w czujniku na złączeniu wystąpi promieniowanie podczerwone, metale rozgrzeją się w różny sposób, dzięki czemu występuje tam napięcie elektryczne.
Detektory kwantowe działają w oparciu o pojawiające się fotony. W rezultacie powstają pary elektronów i generowany jest sygnał elektryczny.
Istotnym punktem, który należy wziąć pod uwagę podczas pomiarów jest rozmiar docelowego obiektu pomiarowego. Aby możliwe było wykonanie dokładnych pomiarów, obiekt pomiarowy musi być przynajmniej tak duży jak plamka pomiarowa. Jeżeli obiekt będzie mniejszy, czujnik uchwyci również promieniowanie podczerwone z tła i pomiar nie będzie miał żadnej wartości.
Zastosowania
Pomiar temperatury jest bardzo często wykorzystywany w warunkach przemysłowych. Stosowanie czujników podczerwieni jest szczególnie korzystne w aplikacjach, w których temperatura jest kluczowym elementem procesu produkcji.
Jest to na przykład wykrywanie defektów w łożyskach, monitorowanie komponentów w przemyśle elektronicznym, pomiar temperatury produktów w przemyśle spożywczym czy pomiar nawijana na szpule gorących arkuszy metalu.
Poza automatyką produkcyjną czujniki temperatury doskonale sprawdzą się w badaniach naukowych, medycynie, przemyśle wojskowym oraz przy diagnostyce urządzeń mechanicznych, obwodów elektrycznych oraz budynków.
