بخشی از مقاله
مقدمه :
در دنياي فرآوري مواد ، حرارت ودما ، پارامترهاي مهمي هستند چه مواد فولاد ، شيشه ، وسايل الكترونيكي ، مقوا ، غذاي منجمد ، تاير و يا كاغذ باشند ، در مرحله اي از فرآيند توليد ، حرارت داده مي شوند يا از آنها گرفته مي شود .كنترل اين فرآيند حرارت دهي و دماي ماده ، برروي كيفيت محصول ، مصرف انرژي ، محصول نهايي مخارج عمليات وبهره وري تأثير مي گذارند .
كنترل نكردن دما ، اغلب قرباني كردن يكي از عوامل فرآيند توليد را باعث مي شود . متعاقباً ، كنترل كردن دما ، و اين عوامل فرآيندي براي حداكثر كردن اجراي هر گونه عمليات فرآوري مواد لازم و حقيقي هستند . با در نظر گرفتن مصرف انرژي بدون كنترل دما ، اين امر باعث بيش از حد گرم كردن مواد مي شود . تا مطمئن شويم كه خواص محصول بدست آمده است و بر پاية يك توازن گرمايي عادي كه عوامل تجهيزاتي و فرآوري برروي كارآيي عمليات تأثير مي گذارند ، مبلغ قابل توجهي براي بيش از حد گرم كردن پرداخت مي شود . همانطوري كه ذكر شد 5% يا F° 100 افزايش نسبت به گرماي مورد نياز باعث كاهش 17%در انرژي مي شود در يك كارخانة فولاد يا شيشه ، اين رقم معادل ميليونها دلار در سال در زمينة مخارج سوخت مي شود در دماهاي كمتر ، كاهش هاي گرمايي كمتر احساس مي شوند ولي آنها نيز قابل اندازه گيري و چشمگير هستند . مورد ديگر كاركردن بدون كنترل دما ، شامل فرآوري مواد در دماهاي كمتر است تا مطمئن شويم كه نتايج مناسبي بدست مي آوريم .
در عمل ريخته گري آلومينيوم ، كه در گذشته اندازه گيري دقيق دما امكان پذير نبود ، فشارها در سرعتهاي بسيارپايين انجام مي گرفت تا خواص آلومينيوم حفظ شود و مقدار دور ريز مواد به حداقل برسد .در حال حاضر، با تكنولوژي مادون قرمز از حرارت غير تماسي استفاده مي شود تا كارايي بيشتر شده و دور ريز مواد زائد نيز حذف مي وشد . اين توانايي در اندازه گيري دقيق حرارت در هنگام عمل فشار و نيز عمل ريخته گري باعث مهندسي مجدد فرآيند شده و ريخته گري آلومينيوم را به يك سطح جديد اجرايي رسانده است كه در آن از كنترل فرآيند و اوتاسيون استفاده مي شود . منافعي كه در هر فشار نصيب ريخته گران آلومينيوم مي شود ، به ميليونها دلار مي رد و اين با افزايش 30 تا 50 درصدي ظرفيت پذيرش وحذف دورريز محصول امكان پذير شده است از يك منظر سرمايه گذاري كلان اين ظرفيت پذيرش اضافه شده ، همچنين باعث به تأخير انداختن سرمايه گذاريهاي كلان در شيوه هاي پرس جديد شده كه تحت استانداردهاي قديمي امكان انجام 3 پرس را با ظرفيت 4 را داراست .
اين تنها يك مثال از آن چيزي است كه امروزه مردم براي كسب سود رقابتي بيشتر در بازارهاي جهاني با استفاده از كنترل اندازه گيري حرارت مادون قرمز انجام مي دهند . در نگاه اول ، برخي مردم ، ترمومتري را كاري بسيار پرهزينه و پيچيده مي بينند كه شامل نصب و نگهداري آن مي شود گرچه اين باوري غلط است و اين حسگرها به آساني قابل نصب و كاربرد مي باشند . و نسبت به منافع سرمايه گذاري پرهزينه و گران نمي باشند . بطور ميانگين باز پس دهي سرمايه بين 2 روز تا 2 ماه تخمين زده شده است. منافع ترمومترهاي مادون قرمز در مقايسه با ديگر تكنولوژيهاي اندازه گيري دما به شرح ذيل مي باشند .:
• دقت بهتر ، زيرا آنها دماي هدف را اندازه مي گيرند ( در مقابل دماي خودش )
• بكارگيري منعطف : زيرا قابليهاي غير تماسي آن را مي توان براي اندازه گيري اهداف متحرك و متناوب ، مواد در خلاء خو ميدانهاي الكتريكي و همچنين كاربردهايي شامل محيطهاي دشوار با دماي زياد وشرايط سخت (دود ، روغن و ديگر موانع )بكاربرد
• واكنش به موقع : با حسگرهاي سريع اين عمل انجام مي شود ( 10 تا 500ms)
• براي درك پتانسيل صحيح امكانات حسگرهاي مادون قرمز ، بهتر است اين حسگرها را به عنوان راه حلي براي يك مسأله و نه تنها يك وسيله اندازه گيري دما در نظر بگيريم . بخشهاي ذيل ، مباني ترمومتري مادون قرمز و انواع مختلف حسگرها و كاربردهاي آنها را توضيح مي دهد . هدف ، تهية يك پيش زمينه و اطلاعات لازم براي انتخاب صحيح و به كاربردن حسگرهايي است كه با نيازهايي كه ما در كار با آنها داريم بيشتر وفق داشته باشند.
مباني ترمومتري مادون قرمز
هر شيء از خود انرژي تابشي متساعد مي كند و شدت اين تابش دماي آن شي است . حسگرهاي اندازه گيري دماي غير تماسي ، به سادگي شدت اين تابش را اندازه گيري مي كنند . رابطه كلي انرژي تابشي ( شدت ) ، تابعي از دما و طول موج يك بدنة سياه است . اين منحني هاي تابش جسم سياه توسط قوانين پايه در فيزيك توضيح داده شده اند . و بطور انتخابي به عنوان پاية ترمومتري مادون قرمز بكار گرفته شده اند . اين تابش مادون قرمز شبيه به تابش مرئي است ( 45/0 تا 75/0 ميكرون ) بجز مواقعي كه داراي طول موجهاي بيشتر مي باشد
اين شامل فتونهايي است كه شكلي از انرژي مي باشند كه با سرعت نور ( 108×83571030/9 فوت بر ثانيه ) در خط مستقيم سير مي كنند . و ميتوان آن را منعكس كرد و يا با اشيايي آن را انتقال داد اين انرژي تابشي قابل ديده شدن و احساس شدن است كه گرماي خورشيد و يا يك اجاق الكتريكي و يا شعله مثال هايي از آن است . اين مثالها ، مربوط به بخش مرئي طيف الكترومغناطيسي است كه چشم انسان به آن حساس مي باشد . منطقة‌مادون قرمز ، قسمت نامرئي طيف الكترومغناطيسي است ونشاندهندة شكل واقعي انرژي گرمايي است . بخش مادون قرمز از طيف الكترومغناطيس معمولاً با ميكرون توضيح داده مي شود و با رجوع به فيلترهاي مادون قرمز استفاده شده در ترمومترهاي مادون قرمز نشان داده شده است . حسگرهاي طول موج كم عموماً براي كاربردهاي دماهاي بالا ومتوسط بكار گرفته مي شود .
و اين بخاطر اين است كه در اين ناحيه ، سطوح با سيگنال بالا ، و فايده هاي فني وجود دارند . براي كاربردهاي با دماي كم ، اين كار به فيلترهاي با طول موج بيشتر و پهناي باند بيشتر ( 8 تا 14 ميكرون ) سپرده مي شود تا انرژي تابشي اندازه گيري شود پيشينه شود .
در اين ميان فيلترهاي متنوعي با پهناي باند كم براي بهينه سازي كاربردها و خواص اندازه گيري حس گرها بكار گرفته مي شوند .
بعنوان مثال انتخاب و گزينش فيلترهاي خاص در پنجره هاي اتمسفري ، اثرات معكوس مربوط به حساسيت فاصله و گردوغبار را حذف مي كند انتخاب فيلترهاي مادون قرمز همچنين نوع مواد بكار رفته در پنجره را در صورت نياز براي يك كاربرد خاص مشخص مي كند . د رمحدودة‌طول موج پايين ، يك پنجرة شيشه اي معمولي ( بوراسيليكات ) قابل استفاده است در حالي كه پنجره هاي كوارتز و ژرمانيوم براي حسگرهاي به ترتيب با طول موج متوسط و بالا استفاده مي شوند اين مواد مختلف همچنين به عنوان قسمتي از سيسمتهاي انرژي به كار برده مي شوند و بعنوان يك لنز ، انرژي را از هدف جمع آوري كرده و آن را به شناساگر مادون قرمز متمركز كند .
زمان قابل تنظيم پاسخ براي يك ترمومتر مادون قرمز معمولاً محدودة ms100 تا 10s را كه لازم براي كسب 99% يك عمل خواندن مي باشد را پوشش مي دهد براي كاربردهاي بسيار سريع بين 5 تا 10 ms ، يك حسگربا شناساگر سيليكون يا ژرمانيوم قابل استفاده مي باشد . بطور ميانگين دستگاههاي متعددي از پاسخ قابل تنظيم در محدودة 1 تا ثانيه استفاده مي كنند .سروصداي دستگاه وعمليات كم شود . گرچه اين حالات شامل گرماي القايي و ديگر منابع گرمايي سريع كه نياز به پاسخ هايي در محدوده 10 تا 50ms مي باشند مي شود . كه اين كار با بكارگيري حسگرهاي تخصصي مادون قرمز امكان پذير است . متعاقباً سيستم كنترل هم بايد با سرعت مناسب تنظيم شده تا سيستم كنترل دما بطور كامل ودقيق عمل كند
تفكيك پذيري بينايي يا ميدان ديد ( FOV) يكي ديگر از پايه هاي مهم ترمومتري مادون قرمز مي باشد درحالي كه حسگر براي اكثر كاربردها يك مقوله مهم نيست كاربردهاي حاصي وجود دارند كه نياز به انتخاب دقيقتر FOV دارند .
يك سنسور معمولي به يك سطح با قطر 1 اينچ (2/5cm) نظاره دارد در حالي كه سنسور ،15 اينچ (35cm) از هدف فاصله دارد اثر يك بهره گيري شامل يك شي كوچك باشد ( 0/125inc= 0/32cm ) و يا يك شي بسيار كوچك باشد (0/8mm=0/030inch) لنزهاي دقيقتري بايد براي اندازه گيري دقيق دما بكار گرفته شوند .
بر همين اساس لنزهاي دوربين ، كه اشيا را در فواصل 10 تا 1000فوتي ( 300-3 متر ) مي بينند ، هم نياز به يك ساختار بندي مخصوص بينايي ولنزي دارند .
تركيب ديگري از اين ساختار شامل استفاده از لنزهاي سلولزي مي باشدكه اين امكان را به مهندسي مي دهند تا با استفاده از انعطاف آنها سنسور الكتريكي را در فاصله دورتري از محيط خطرناك نصب كنند اين امر باعث حذف پارازيتهاي الكتريكي مي شود و باعث حل مشكل دسترسي و ديگر مشكلات مربوط به جا و فضا مي شود بيشترين كاربرد آن قرار دادن دستگاههاي الكترونيكي در يك منطقه دورتري از محل در معرض حرارت مي باشد وديگر اينكه دما را در جايي كه گرم كننده هاي القايي ، مايكرويو و يا RF ها استفاده مي شود . و EMI براي سيستمهاي الكترونيكي بيش از حد مي باشد اندازه گيري كنيم .
طول كابل از 3 فوت ( 1 متر ) تا 20 فوت ( 6متر ) متفاوت است و در برخي موارد كابل تا اندازة 50 فوت ( 15 متر ) مورد نياز مي باشد اين نوع فيبرها ( سلولزها ) بسيار سخت و با دوام هستند و قابليت تحمل تا دماي 400°F (200°C) را دارند و همچنين كاربرد در كارخانة فولاد ، كانالهاي تصفية هوا مي توانند تا درجه 800°F (425 °C) به كار گرفته شوند .
تكنولوژي لنزي فيبر مادون قرمز همچنان در زمينة تبديل و دوام در حال پيشرفت است و كابردهاي آن در حال افزايش مي باشد تشكيل دهنده هاي اساسي ساختار اپتوالكترونيك حسگر ، به شكلي است كه از يك لنز جمع آوري كننده و يك فيلتر گزينش كننده مادون قرمز پهناي باند كم ، يك شناساگر انتخاب كننده كه انرژي مادون قرمز را به شكلي از سيگنال الكتريكي تبديل مي كند و مدار الكتريكي كه سيگنال را تقويت ، تثبيت و آنرا خطي مي مي كنند تا يك خروجي به ما بدهد كه متناسب با دماي شي است ساختار ديگري هم داراي همين طرح است ولي از يك فيلتر استفاده مي كند كه پالس هاي مادون قرمز را به شناساگر مي فرستد كه در آنجا اين سيگنالها سپس دماي شي را نشان مي دهند . مهمترين بخش اين تكنولوژي از پروژه هاي نظامي و فضايي گرفته شده كه در آنها فيلتر ينگ و آشكار سازهاي مادون قرمز در سيستمهاي دفاعي و فضايي بكار گرفته مي شوند.
گرچه اكثر مواد انرژي كمتري نسبت به يك جسم سياه تابش مي كنند و اين كاهش در انرژي به عنوان گسيل شناخته شده است . گسيل (E) يك عامل بدون بعد است و مقياس تابش گرمايي است كه از يك جسم غير سياه ( خاكستري ) نسبت به يك جسم سياه در دما و طول موج يكسان تابيده شده است . يك جسم خاكستري ( غير سياه ) به سطحي گفته مي شود كه داراي گسيل طيفي يكسان در هر طول موج است كه در آن يك جسم غير خاكستري سطحي است كه گسيل آن با تغيير طول موج تغيير مي كند مانند آلومينيوم
(جسم خاكستري )
(جسم سياه )
قانون پايستگي انرژي بيان مي كند كه ضريب انتقال ، انعكاس و گسيل (جذب ) تابش بايد برابر 1 شود
و از آنجا كه گسيل برابر جذب است بنابراين
اين ضريب گسيل در معادلة پلانك بعنوان متغيير توصيف كنندة خصوصيات سطح شيء نسبت به طول موج قرار دادهمي شود اكثريت سطوح اندازه گيري شده كدر مي باشند و از اين رو ضريب گسيل را مي توان به طور زير ساده كرد . كه بيان مي كند كه يك توضيح تئوري از گسيل اين است كه متضاد انعكاس مناسب طيفي ، اندازه گيري اينگونه مواد در نواحي مادون قرمز كدر آنها امكان پذير مي باشد در مورد خطاي گسيل سردرگمي هاي بسياري وجود دارد ولي كاربر بايد فقط 4 چيز را به ياد داشته باشد :
1)حسگرهاي مادون قرمز در اصل كورنگ هستند
2) اگر سطح به نظر انعكاسي باشد (مثل يك آينه يا فولاد ؟؟؟) به ياد داشته باشيد كه شما نه تنها تابش گسيل شده را اندازه گرفته ايد بلكه تابش انعكاسي را نيز اندازه گرفته ايد ./
3) اگر شما بتوانيد آن طرف سطح را ببينيد ( شفاف باشد )،لازم است كه فيلترلينگ مادون قرمز استفاده كنيد .به عنوان مثال شيشه 5 ميكروني كدر است
4) از هر 10 كاربرد ،9 تاي آن نياز به دقت كامل در اندازه گيري دما ندارند . تكرار پذيري وبدون اشتباه بودن عمليات نياز به دماي دقيق دارد بنابراين تنظيم دقيق ضريب گسيل لازم و حياتي نمي باشد
