Webinar Infrarood-temperatuurmeting
Infrarood-temperatuurmeting In dit webinar leert u principiële zaken over de contactloze temperatuurmeting met infrarood thermometers. Naast fysische basiskennis en de meting op zich leert u iets over de opbouw en de werking van de meettechniek en karakteristieke toepassingen. 2/27
1. De voordelen van infrarood-temperatuurmeting 3/27
1. De voordelen van infrarood-temperatuurmeting Snelle, contactloze meting van de oppervlaktetemperatuur (vgl. steekmeting: meten van de kerntemperatuur door een voeler in het meetobject te steken). Eenvoudige temperatuurdetectie zelfs bij snelle, dynamische processen. Beproefde, moderne techniek met betrouwbare sensoren en moderne microprocessor-elektronica. In tegenstelling tot andere thermometers kan men met infrarood thermometers metingen aan gevoelige oppervlakken en steriele producten uitvoeren, evenals metingen aan gevaarlijke en moeilijk toegankelijke plekken. Voordelige technologie. 4/27
2. Fysische grondslagen 5/27
Stroom Microgolven Röntgen-/ gamma-stralen 2.1. Warmtestraling Frequentie Golflengte Frequentie Golflengte 8-14 µm: bereik waarin met Testoinstrumenten wordt gemeten Zichtbaar licht Warmtestraling is elektromagnetische straling. Alle lichamen zenden al naargelang hun temperatuur elektromagnetische straling uit. Bij de verbreiding van deze straling wordt energie getransporteerd, waardoor men de temperatuur van het lichaam contactloos kan meten. Bij levensmiddelen ligt het stralingsmaximum in het infrarode bereik van 8 14 µm golflengte. 6/27
2.2. Emissie, reflectie, transmissie Reflectie Emissie Transmissie De door de infrarood thermometer gedetecteerde straling bestaat uit de emissie van het meetlichaam alsmede de reflectie en de transmissie van vreemde straling. Deze drie grootheden kunnen waarden tussen 0 en 1 (resp. tussen 0 en 100 %) aannemen. De som zal altijd 100 % resp. 1 zijn. De intensiteit van de afgegeven straling hangt af van de emissiegraad ε van het materiaal. De emissiegraad (ε): het vermogen van een materiaal om infraroodstraling te emitteren (uit te zenden). De reflectiegraad (R): het vermogen van een materiaal om infraroodstraling te reflecteren. De transmissiegraad (T): het vermogen van een materiaal om infraroodstraling door te laten. 7/27
2.3. Het meetobject Of het nou vaste stoffen, vloeistoffen of gassen zijn: elk meetobject vormt op zichzelf een individuele infraroodstaler. In de levensmiddelensector kan men veel organische producten en vloeistoffen zonder speciale maatregelen meten. Metalen daarentegen, met name als die een spiegelend oppervlak hebben, hebben extra aandacht nodig. Zwarte, grijze en bonte stralers Als reflectiegrad en transmissiegraad 0 zijn, dan heeft men een ideaal meetlichaam, de zogenaamde zwarte straler. Deze zet de hele opgenomen straling om in afgestraalde energie. Zo n ideaal lichaam heeft een emissievermogen van ε = 1. 8/27
2.3. Het meetobject De meeste in de natuur voorkomende lichamen beschouwt men als grijze stralers. Zij vertonen dezelfde karakteristiek als zwarte stralers. Alleen de intensiteit van de afgegeven straling is geringer. Daarom is de emissiegraad kleiner dan 1. Door de correcte instelling van de emissiegraad corrigeert de IR-thermometer deze geringere emissie. De emissiegraad is dus de verhouding tussen zwarte en grijze stralingsintensiteit. Bonte stralers zijn materialen waarbij de emissiegraad afhangt van de golflengte en dus van de temperatuur. Dat betekent dat zo n lichaam bijv. bij +200 C een andere emissiegraad heeft dan bij +600 C. Dit geldt voor de meeste materialen van metaal. 9/27
3. Opbouw en werking van een infrarood thermometer 10/27
3. Opbouw en werking van een infrarood thermometer Lens Sensor LCD Kernelement van een infrarood thermometer is de infraroodsensor die gevoelig is voor infraroodstraling in een bereik van 8 14 µm. De infraroodstraling wordt met behulp van een lens gebundeld en naar de sensor geleid. Deze zet de infraroodstraling om in elektrische spanning die door de versterker wordt verhoogd en wordt doorgegeven naar de microprocessor. De processor verrekent de gemeten straling met de temperatuur van het sensorelement en geeft het resultaat weer. Aangezien het in principe om een optische meetmethode gaat, moet de lens altijd vrij van stof en schoon worden gehouden. 11/27
4. De infraroodmeting 12/27
4.1. De emissiegraad Emissiegraad in het bereik 8-14 µm Oppervlak Emissiegraad Aluminium, blank 0,02-0,15 Aluminium, geoxideerd 0,1-0,4 Beton 0,70 IJs (1mm) 0,9-0,95 Email (alle kleuren) 0,90 Gips 0,90 Glas 0,95 Rubber (glad) 0,90 Kunststof, div. (vast) 0,8-0,95) Koper (blank) 0,03-0,1 Koper, geoxideerd 0,2-0,7 Lak 0,9 0,90 Levensmiddelen 0,8-0,95 Papier en karton 0,90 Staal, blank 0,1-0,3 Staalplaat, mat 0,60 De emissiegraad ε van een lichaam geeft aan hoeveel straling het in vergelijking met een ideale warmtestraler (zwarte straler) afgeeft. Voorbeeld: ε = 0,5 betekent dat slechts 50 % van de afgegeven straling van het lichaam zelf afstamt, de overige 50 % komt door transmissie of reflectie. De ε-instelling bij een IR-thermometer verleent een instrument de basis voor het berekenen van de juiste temperatuur. De contactloze temperatuurmeting via infrarood hangt in hoge mate af van het feit of de correcte emissiegraad in het instrument wordt ingesteld. Emissiegraadtabellen zoals deze hier geven de emissiefactor ε van enkele gangbare metalen en niet-metalen aan en dienen als richtlijn voor het instellen van de emissiefactor bij de infraroodtemperatuurmeting: 13/27
4.1. De emissiegraad De meeste organische stoffen (bijv. levensmiddelen) bezitten een emissiegraad van ca. 0,95. Daarom wordt deze waarde in veel instrumenten vast ingevoerd, om meetfouten door een verkeerd ingestelde emissiegraad te voorkomen. Als de emissiegraad onbekend is, kan hij bij infrarood thermometers die de mogelijkheid bieden om een externe temperatuurvoeler aan te sluiten zelf worden berekend. 14/27
4.1. De emissiegraad Met een contactvoeler wordt de juiste temperatuur gemeten en weergegeven. Nu wordt de emissiegraad in het instrument net zo lang versteld tot de infrarood meetwaarde-indicatie precies dezelfde waarde toont. 15/27
4.2. Bronnen van fouten Basisregels IR-meting is een puur optische meting: een schone lens is een voorwaarde voor een exacte meting. Niet met beslagen lens meten, bijv. boven waterdamp. IR-meting is een oppervlaktemeting: zorg altijd voor schone oppervlakken. Als er vuil, stof, ijskristallen enz. op het oppervlak zitten, dan wordt alleen de bovenste laag gemeten. Als bijv. in de levensmiddelensector in een ketel wordt gemeten, dan wordt evt. de damp gemeten en niet het levensmiddel. Niet aan luchtinsluitingen meten. 16/27
4.2. Bronnen van fouten Emissiegraad en omgevingstemperatuur Er kunnen bij het meten fouten ontstaan ofschoon de emissiegraad correct is ingesteld. Bij een emissiegraad kleiner dan 1 wordt de meetwaarde op basis van instrumenttemperatuur = omgevingstemperatuur geëxtrapoleerd. Als de temperatuur van het instrument niet overeenkomt met de omgevingstemperatuur dan is de emissiegraad-correctie van het instrument verkeerd. Dat wil zeggen: als de temperatuur van het instrument lager is, dan is het meetresultaat te hoog, is de temperatuur van het instrument hoger, dan is het meetresultaat te laag. Oplossing: ofwel onmiddellijk meten of het meetinstrument de temperatuur van de omgeving laten aannemen. Het beste kan men de IR-thermometer daar opbergen waar ook wordt gemeten (neem de bedrijfstemperatuur van de instrumenten in acht). 17/27
4.2.2. Emissiegraad en omgevingstemperatuur In een koele omgeving (zoals hier bij de inkomende goederen) heeft een infrarood thermometer wat tijd nodig om te acclimatiseren. 18/27
4.2.2. Emissiegraad en omgevingstemperatuur Als er warmte- of koude-stralers zijn (bijv. radiatoren, lampen, koelaggregaten etc.) die op het oppervlak van het meetobject reflecteren, dan komt deze straling niet overeen met de omgevingstemperatuur. Daarmee is ook in dit geval de door het instrument verrichte emissiegraadcorrectie verkeerd. Oplossing: zulke stralers afschermen, bijv. met een doos. Die absorbeert de storende stralen. 19/27
Voorbeelden voor de uitwerking van de emissiegraad Voorbeeld 1: Meetobject (pizza, diepgevroren, T= -22 C) Emissiegraad = 0,92 IR-meting bij omgevingstemperatuur +22 C Vast ingestelde emissiegraad van 0,95 Indicatie IR-meetinstrument: -21 C Dat wil zeggen dat het meetinstrument ca. 1 C verkeerd aangeeft verwaarloosbaar Bij temperaturen lager dan de omgevingstemperatuur Te groot ingestelde emissiegraden zorgen voor te hoge temperatuurweergaven Te klein ingestelde emissiegraden zorgen voor te lage temperatuurweergaven 20/27
Voorbeelden voor de uitwerking van de emissiegraad Voorbeeld 2: Meetobject (messingplaat geoxideerd, T= +200 C) Emissiegraad = 0,62 IR-meting bij omgevingstemperatuur +22 C Ingestelde emissiegraad 0,70 Indicatie IR-meetinstrument: +188 C Dat wil zeggen dat het meetinstrument ca. 12 C verkeerd aangeeft niet verwaarloosbaar Bij temperaturen hoger dan de omgevingstemperatuur Te groot ingestelde emissiegraden zorgen voor te lage temperatuurweergaven Te klein ingestelde emissiegraden zorgen voor te hoge temperatuurweergaven 21/27
4.3. De meetvlek De meetvlek is het oppervlak bij het meetobject waar 90 % van de in de sensor omgezette energie vandaan komt. De omgevingsinvloed (vakterm SSE-effect = Size-of-Source-effect) zorgt ervoor dat straling buiten de meetvlek, met name in het bereik van 8 14 µm, het resultaat kan beïnvloeden. De uitwerking is bijzonder groot als de meettemperatuur kleiner is dan de temperatuur van het instrument. Daarom moet men op twee dingen bijzonder goed letten: Het meetobject moet altijd groter zijn dan de in de papieren vermelde meetvlek om ongewenste invloeden uit de randzone te vermijden. De in de gebruiksaanwijzingen van de IR-thermometers aangegeven meetvlek-diagrammen gelden voornamelijk voor meettemperaturen die hoger liggen dan de instrumenttemperatuur. Bij metingen aan gekoelde waar is het dus bijzonder belangrijk om niet te ver van het object verwijderd te zijn. Hoe groter het temperatuurverschil tussen meetobject en achtergrond, des te groter is de uitwerking op het meetresultaat. 22/27
4.3. De meetvlek laser laser Afhankelijk van de afstand van het meetinstrument tot het meetobject wordt een bepaald meetbereik gedetecteerd. Meetoptiek (verhouding afstand: meetbereik) rood = laser blauw = meetbereik 23/27
5. Infrarood-temperatuurmeting in de levensmiddelensector 24/27
5. Infrarood-temperatuurmeting in de levensmiddelensector Controle inkomende goederen Meetafstand tot meetobject mag niet te groot zijn. Instrument moet omgevingstemperatuur hebben aangenomen. Luchtcondensatie bij het openen van vrachtwagen-koelcellen kan het resultaat vervalsen. Niet aan luchtinsluitingen meten. Bij diepvriesverpakkingen (pizza, spinazie, etc.) wordt altijd alleen de verpakking gemeten, niet het product. 25/27
5. Infrarood-temperatuurmeting in de levensmiddelensector Controle van koelrekken en koelkasten Bij het meten van kleine verpakkingen, bijv. yoghurt, melk etc., rekening houden met de meetvlekdiameter. Blanke metalen folie levert verkeerde meetresultaten. Ook ijskristallen vervalsen het resultaat. Controle in de koelruimte Meetafstand tot meetobject (bijv. pallet met melkproducten) mag niet te groot zijn. Instrument moet omgevingstemperatuur hebben aangenomen, of meteen meten met het warme instrument (voordat het aanpassingsproces begint). 26/27
Webinar infrarood-temperatuurmeting Hartelijk bedankt