POZNAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ACADEMIC JOURNALS No 100 Electrical Engineering 2019 DOI 10.21008/j.1897-0737.2019.100.0003 Krzysztof DZIARSKI * POMIAR CZASU USTALENIA TEMPERATURY PŁYTKI WZORCOWEJ W niniejszym artykule zaproponowano sposób wyznaczenia czasu, w którym temperatura powierzchni bocznej płytki wzorcowej ulegnie ustaleniu. Wyjaśniono związek pomiędzy temperaturą płytki wzorcowej, jej długością i wartością niepewności pomiaru przy wzorcowaniu z użyciem tej płytki. Opisano wykorzystany układ pomiarowy. Zwrócono uwagę na problemy wynikające z zastosowanej metody pomiaru. Szczególną uwagę zwrócono na termowizyjne obserwacje powierzchni bocznej płytki wzorcowej. Opisano wpływ wybranych czynników na zarejestrowane rozkłady temperatury. Wskazano w jaki sposób zminimalizować wpływ promieniowania odbitego na wynik pomiaru. SŁOWA KLUCZOWE: termowizja, metrologia, wzorzec, niepewność. 1. WSTĘP Płytki wzorcowe to prostopadłościenne wzorce długości. Najczęściej wykonywane są ze stali narzędziowej. Właściwości materiału wpływają na niedokładność wzorca. Wymiary płytki ulegają zmianie na skutek zmiany wartości jej temperatury. Zmiana temperatury płytki może być spowodowana między innymi zmianą temperatury otoczenia lub dotknięciem dłonią. W procesie wzorcowania nie można użyć płytki, której temperatura różni się od 20 i nie jest jednakowa w całej objętości płytki. Dlatego w trakcie pomiarów z użyciem płytki wzorcowej niezbędne jest uzyskanie odpowiedniej temperatury w całej objętości. W praktyce laboratoryjnej wyrównanie temperatury w całej objętości uzyskuje się poprzez umieszczenie płytki w miejscu o odpowiedniej temperaturze (20 ) i odczekanie arbitralnie przyjętego czasu (na przykład 3 godzin). Po upływie tego czasu przyjmuje się, że temperatura płytki jest jednakowa w całej objętości. Celem przeprowadzonych badań było wyznaczenie czasu, w którym temperatura powierzchni bocznej płytki wzorcowej ulega ustaleniu. Jako ustaloną wartość temperatury płytki wzorcowej przyjęto 20. Wyznaczenie rzeczywistego czasu, w którym temperatura powierzchni płytki ulega ustaleniu umożliwia skrócenie czasu pomiarów. Czas ustalenia temperatury płytki wzorcowej wyznaczano na podstawie zarejestrowanych rozkładów temperatury na * Politechnika Poznańska
30 Krzysztof Dziarski powierzchni bocznej. Z uwagi na długość płytki (200 mm) termowizyjne obserwacje rozkładu temperatury na jej powierzchni bocznej są łatwe. Problem stanowi wiarygodność zarejestrowanych rozkładów. Wykonanie płytki ze stali narzędziowej powoduje, że wartość współczynnika emisyjności obserwowanej powierzchni jest niska. Niska wartość tego współczynnika wiąże się z wysoką wartością współczynnika odbicia obserwowanej powierzchni. Do detektorów kamery wraz z promieniowaniem użytecznym dociera duża ilość promieniowania pasożytniczego (odbitego od powierzchni płytki). W konsekwencji błąd wykonanego pomiaru jest duży. Dodatkowym utrudnieniem jest temperatura powierzchni płytki, bliska wartości temperatury otoczenia. Uzyskanie wiarygodnych rozkładów temperatury na powierzchni bocznej płytki wzorcowej jest niezbędne do wyznaczenia rzeczywistego czasu, w którym temperatury ulega ustaleniu [4, 5]. 2. WPŁYW TEMPERATURY NA ZMIERZONĄ RÓŻNICĘ DŁUGOŚCI PŁYTEK WZORCOWYCH I NIEPEWNOŚĆ POMIARU DŁUGOŚCI PŁYTEK WZORCOWYCH Płytki wzorcowe są zaliczane do podstawowych wzorców w metrologii długości i kąta. Są wykorzystywane do wzorcowania przyrządów pomiarowych długości. Długość płytki wzorcowej jest to odległość pomiędzy środkami dwóch precyzyjnie wykonanych powierzchni pomiarowych. W celu zapewnienia ciągłości pomiarowej niezbędne jest porównanie długości płytki wzorcowej z długością płytki wzorcowej o wyższej klasie dokładności.. Porównanie jest wykonywane za pomocą komparatora. Różnica długości mierzona jest w położeniu pionowym przy użyciu dwóch czujników stykających się z górną i dolną powierzchnią pomiarową. Rzeczywistą długość wzorcowanej płytki wzorcowej można wyrazić za pomocą równania (1). lx ls l (1) gdzie: δl jest mierzoną różnicą długości a l x i l s są długościami płytki wzorcowanej i płytki wzorcowej w warunkach pomiaru. Długość płytki wzorcowanej l x można opisać za pomocą równania (2) [1]. lx ls ld l lc L x t x t lv (2) w którym l s długość płytki w temperaturze odniesienia t o = 20 C podana w świadectwie wzorcowania, δl D zmiana długości płytki odniesienia od ostatniego wzorcowania spowodowana dryftem, δl s zmierzona różnica długości obu płytek, δl c poprawka na nieliniowość i niedokładność ustawienia komparatora, L nominalna długość płytki wzorcowej, _ wartość średnia współczynników rozszerzalności cieplnej obu płytek, t różnica temperatur płytek wzorco-
Pomiar czasu ustalenia temperatury płytki wzorcowej 31 wych, różnica współczynników rozszerzalności cieplnej obu płytek, t odchylenie średniej temperatury płytki wzorcowej i płytki wzorcowanej od temperatury otoczenia, l v poprawka na nie centryczność styku z powierzchniami pomiarowymi płytki wzorcowej. Analizując powyższe równania można dostrzec wpływ temperatury płytek na wyznaczaną różnicę długości i niepewność pomiaru różnicy. Płytki wzorcowe przechowywane są w temperaturze 20 C. W celu zmierzenia różnicy długości płytki wzorcowej i płytki wzorcowanej należy zrównać temperaturę płytki wzorcowanej z temperaturą płytki wzorcowej. Zakłada się, że temperatury obu płytek zrównają się w całej objętości z temperaturą otoczenia w arbitralnie przyjętym czasie. 3. METODYKA PROWADZONYCH PRAC W pracach badawczych wykorzystano płytkę wzorcową o długości 200 mm. W celu wyznaczenia czasu, w którym temperatura płytki wzorcowej osiągnie wartość temperatury pomieszczenia, w którym odbywa się porównanie (a tym samym temperatura płytki wzorcowanej zrówna się z temperaturą płytki wzorcowej) badaną płytkę wzorcową umieszczano w komorze klimatycznej pozwalającej na uzyskanie warunków zbliżonych do warunków panujących w tym pomieszczeniu. W pierwszej części eksperymentu w komorze klimatycznej umieszczano płytkę, która wcześniej znajdowała się w temperaturze otoczenia. Z uwagi na fakt wykonywania prac w miesiącach letnich płytka przed włożeniem do komory znajdowała się w temperaturze 35 C. Po włożeniu płytki do komory w wyznaczonych odstępach czasu rejestrowano rozkład temperatury na powierzchni bocznej płytki. W ten sposób sprawdzano, w jakim czasie temperatura płytki przyniesionej z zewnątrz zrówna się z temperaturą pomieszczenia, w którym odbywa się porównanie długości obu płytek. W przeprowadzonych pracach uwzględniono wzrost temperatury płytki wzorcowanej na skutek dotknięcia dłonią. Z tego powodu w drugiej części eksperymentu płytkę wzorcową umieszczono w komorze klimatycznej i odczekano, aż jej temperatura zrówna się z temperaturą wnętrza komory. Założono, że temperatura płytki zrówna się z temperaturą wnętrza komory w arbitralnie wyznaczonym czasie (3 godzin). Następnie płytkę wzorcową chwytano dłonią i trzymano w czasie t = 1 min. Czasy dobrano tak, by możliwie najdokładniej symulować umieszczenie płytki wzorcowej na stanowisku pomiarowym. 4. SPOSÓB POMIARU TEMPERATURY PŁYTKI WZORCOWEJ W przeprowadzonych pracach istotny był wybór metody, za pomocą której rejestrowano temperaturę powierzchni bocznej płytki wzorcowej. Z uwagi na długość płytki, na skutek występowania gradientów temperatury w komorze klimatycznej, lokalne wartości temperatury na jej powierzchni mogą się różnić. _
32 Krzysztof Dziarski W drugiej części eksperymentu płytkę chwytano za jej koniec. Z tego powodu konieczna była znajomość rozkładu temperatury na całej powierzchni bocznej. Wykorzystanie stykowej metody pomiarowej nie przyniosłoby żądanych rezultatów. W celu uzyskania wiarygodnego rozkładu temperatur na powierzchni bocznej płytki wzorcowej należałoby umieścić dużą ilość czujników pomiarowych. Spowodowałoby to wzrost pojemności cieplnej całego układu (płytki wzorcowanej i czujników pomiarowych). W konsekwencji czas, w którym temperatura płytki z umieszczonymi czujnikami osiągnęłaby wartość temperatury otoczenia byłby różny od czasu, w którym płytka bez umieszczonych czujników osiągnęłaby temperaturę otoczenia. Dodatkowo taki sposób rejestrowania temperatury na powierzchni płytki wzorcowej utrudniłby pomiar. Należy również wspomnieć o niemożliwości uzyskania odpowiednich połączeń termicznych pomiędzy powierzchnią płytki wzorcowej i powierzchnią czujnika. W celu ochrony płytki przed uszkodzeniami spowodowanymi wpływem substancji chemicznych na strukturę płytki, niemożliwe było stosowanie pasty termoprzewodzącej. Wobec powyższych trudności zdecydowano się na wykorzystanie termowizji. Ta bezkontaktowa metoda pozwala wyeliminować powyżej opisane problemy. Nie jest jednak wolna od wad. Niepewność pomiaru kamery termowizyjnej jest większa od niepewności pomiaru wykonanego za pomocą metody stykowej. Rozkład temperatur na powierzchni płytki wzorcowej badano za pomocą kamery termowizyjnej Flir E50 wyposażonej w mikrobolometryczne czujniki podczerwieni. Najważniejsze parametry wykorzystanej kamery umieszczono w tabeli 1. Na rys. 1 przedstawiono widok kamery Flir E50. Tabela 1. Wybrane parametry kamery termowizyjnej Flir E50 [2]. Parametr Wartość zakres widmowy 7,5µm 13 µm rozdzielczość 240 x 180 wartość NEDT 0,05 C zakres mierzonej temperatury 20 C do 120 C lub 0 C do 650 C FOV 25 x 19 minimalna ogniskowa 0,4 m F 1,3 W celu zapewnienia stabilnej wartości temperatury otoczenia płytkę wzorcowa umieszczano we wnętrzu komory klimatycznej ILW115. Wykorzystana komora cechowała się możliwością nastawy temperatury w zakresie od 10 C do 70 C. Wymiary wewnętrzne wykorzystanej komory przedstawiono na rys. 1.
Pomiar czasu ustalenia temperatury płytki wzorcowej 33 Rys. 1. Widok kamery Flir E50 (po lewej) oraz wewnętrzne wymiary użytej komory klimatycznej [3] 5. CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA WYNIKI POMIARU TEMPERATURY PŁYTKI WZORCOWEJ W celu zarejestrowania rozkładu temperatury na powierzchni płytki wzorco- się wej należało określić wartość współczynnika emisyjnościi płytki znajdującej w temperaturze 20 C. W celu wyznaczenia wartości współczynnika emisyjności płytkę wzorcową umieszczono poziomo w komorze klimatycznej. Na jej po- godzin wierzchnii bocznej umieszczono termometr rtęciowy. Po upływie trzech za pomocą kamery termowizyjnej obserwowano ten fragment płytki wzorcowej, który znajdował się blisko styku z termometrem. Następnie wartość współczynze wskaza- nika emisyjności dobierano tak, by wskazanie kamery pokryło się niem termometru. Ustalono, że wartość współczynnika emisyjnościi wynosiła =0,65. Jest to wartość różniąca się od wartości współczynnika emisyjności przypisanego stali (rząd setnych). Należy pamiętać, że wartość współczynnika emisyjności jest zależna od temperatury obserwowanej powierzchni oraz jej stanu. Z tego powodu można przyjąć, że wyznaczona wartość współczynnika emisyjności jest prawidłowa. Innym istotnym zagadnieniem był wpływ promie- pasożytnicze, jest to promieniowanie odbite, które dociera do matrycy kamery niowania pasożytniczego na otrzymane rozkłady temperatury. Promieniowanie termowizyjnej wraz z promieniowaniem emitowanym przez obserwowany obiekt. Z uwagi na niewielką wartość współczynnika emisyjności wartość współczynnika odbicia była duża. Wzajemną relację pomiędzy współczynni- kiem emisyjności ε i współczynnikiem odbicia ρ opisuje równanie 3. 1 (3) W celu eliminacji źródeł odbić wnętrze komory wyłożono czarną tekturą. W trakcie prowadzonych prac zauważono, że gdy kamera termowizyjna jest ustawionaa na wprost płytki na zarejestrowanym termogramie można zauważyć odbicie obiektywu kamery, co powoduje, że otrzymanaa wartość temperatury
34 Krzysztof Dziarski znacznie różni się od rzeczywistej. W celu wyeliminowania tego błędu koniecz- pozwoli ne było ustawienie płytki względem kamery pod takim kątem, który wyeliminować odbijanie promieniowania pochodzącego z obiektywu kamery od powierzchni płytki. Jednocześnie należało pamiętać o zależności pomiędzy ką- wła- tem obserwacji i rejestrowaną wartością temperatury. W celu wyznaczenia ściwego kąta obserwacji powtórzono eksperyment opisany w literaturze [6] koliteraturze rzystając z kamery Flir E50. Na podstawie danych dostępnych w i przeprowadzonych prac stwierdzono, że w celu uzyskania wiarygodnego roz- należy kładu temperatury na powierzchni bocznej płytki wzorcowej płytkę umieścić pod kątem 30 do powierzchni obiektywu. Dodatkowo obserwowaną płytkę należy przesunąć w bok względem obiektywu, by znajdowała się z boku rejestrowanego termogramu. Takie umieszczenie płytki wzorcowej pozwoli uniknąć odbić pochodzących z obiektywu kamery. 6. WYZNACZENIE CZASU USTALENIA TEMPERATURY POWIERZCHNI PŁYTKI W pierwszej części eksperymentu należało wyznaczyć czas, w którym temcelu płytkę peratura płytki zrówna się z temperaturą wnętrza komory. W tym umieszczono pionowoo we wnętrzu komory klimatycznej. Jest to takie ustawienie płytki, w którym jest wykonywane porównanie długości płytki wzorcowej i płytki wzorcowanej. Następnie na powierzchni bocznej płytki wzorcowej wy- punkty brano punkty, w których rejestrowano wartości temperatury. Wybrane przedstawiono na rys. 2. Rys. 2. Przybliżony rozkład obserwowanych punktów na powierzchni płytki wzorcowej Rozkład temperatur na powierzchni płytki wzorcowej rejestrowano przez około trzy godziny. Wartość temperatury zmierzoną w wyznaczonych punktach odczytywano co 10 minut. Uzyskane wyniki przedstawion no na rys. 3.
Pomiaar czasu ustaleenia temperatu ury płytki wzoorcowej 35 Rys. 3. Temperatura T poowierzchni boczznej płytki wzorrcowej w czasiee trwania ekspeerymentu, w czasiie t = 0 płytkę umieszczono u w komorze klimaatycznej W druugiej części przeprowadzzonych pracc wyznaczonno czas, którry upływa pomiędzyy dotknięciem m płytki wzorcowej dłłonią i osiąggnięciem zrrównaniem temperatuury płytki wzzorcowej z teemperaturą wnętrza w komoory. W tym ccelu płytkę wzorcowąą umieszczoono w komorze klimatyccznej. Po uppływie czasuu równego 180 minut (wartość wyznaczona w w punkcie 5)) płytkę chwyycono dłoniąą i trzymano przez czas c równy 1 minucie. Otrzymane wy yniki przedsttawiono na ryysunku 4. Rys. 4. Temperatuura powierzchnii bocznej płytkii wzorcowej poo dotknięciu dłoonią, w czassie t = 0 płytkę umieszczono u w komorze klimatycznej
36 Krzysztof Dziarski 7. WPŁYW KOMORY NA WYNIKI POMIARÓW TEMPERATURY PŁYTKI WZORCOWEJ W trakcie prowadzonych prac zauważono, że osiągnięcie identycznej wartości temperatury we wszystkich punktach jest niemożliwe. Widoczne na rys. 3 oraz 4 wahania temperatur pokrywają się z wahaniami temperatury wnętrza komory. Dodatkowo w wyniku prowadzonych prac zauważono, że rozkład temperatury w dolnej części płytki różni się od rozkładu w górnej jej części. W celu wyjaśnienia tego zjawiska płytkę wzorcową umieszczono we wnętrzu komory. Po upływie trzech godzin płytkę wyjęto z komory i obserwowano rozkład temperatur na jej powierzchni. Zauważono, że temperatura powierzchni płytki wzrastała równomiernie. W wyniku przedstawionych prac dowiedziono, że ze względu na objętość użytej komory klimatycznej nie jest możliwe dokładne odwzorowanie warunków panujących w pomieszczeniu, w którym przebiega porównanie długości płytki wzorcowej i płytki wzorcowanej. Uznano, że temperatura płytki wzorcowej osiąga temperaturę otoczenia, gdy różnica pomiędzy skrajnymi wartościami zarejestrowanych temperatur osiągnie wartość niższą od 0,75 C. WNIOSKI Przeprowadzone prace badawcze potwierdziły, że temperatura płytki wzorcowej ulega ustaleniu w całej objętości po upływie trzech godzin. Ponadto stwierdzono, że temperatura płytki wzorcowej zmieniona na skutek dotknięcia dłonią przez czas 1 minuty ulegnie ustaleniu również w czasie trzech godzin. W trakcie przeprowadzonych prac zauważono, że użycie komory klimatycznej nie pozwoliło w pełni oddać warunków panujących w pomieszczeniu, w którym odbywa się porównanie płytek. Na skutek ograniczonej objętości komory i mieszania się mas powietrza o różnej temperaturze w jej wnętrzu nie jest możliwe ociągnięcie przez całą płytkę równych wartości temperatury. O osiągnięciu przez płytkę ustalonej wartości temperatury świadczyło zmniejszenie amplitudy wahań temperatury każdego z punktów płytki poniżej wartości wyznaczonej przez największą i najmniejszą wartość temperatury komory zarejestrowaną w trakcie trwania prac. Wykonując termowizyjne obserwacje gładkich, błyszczących powierzchni nie należy umieszczać obserwowanych obiektów na wprost kamery termowizyjnej. Doświadczalnie wyznaczono, że taka powierzchnia powinna znajdować się względem obiektywu kamery termowizyjnej pod kątem 30.
Pomiar czasu ustalenia temperatury płytki wzorcowej 37 LITERATURA [1] Dokumenty interpretacyjne Polskiego Centrum Akredytacji, dostęp 25.01.2019. [2] Instrukcja obsługi kamery Flir, http://www.thermokameras.com/verkauf/ Flir%20e-Serie/Datenblatt%20FLIR%20E50%20engl.pdf, dostęp 25.01.2019. [3] Instrukcja obsługi Inkubator Laboratoryjny ILW TOP, ver. 1.0, Pol-Eko Aparatura, sp.j. [4] Poloszyk., Różańki L., Termowizyjna diagnotyka maszyn technologicznych, PAK, 2000. [5] Orzechowski T., Technika pomiarów termowizyjnych w diagnostyce maszyn, PAK, 2002. [6] Litwa M., Wiczyński G., Wpływ kąta obserwacji na wynik pomiaru temperatury kamerą termowizyjną, Elektronika 2008, Vol. 49, nr 6, str. 147-148 MEASUREMENT OF THE TIME TO DETERMINE THE TEMPERATURE OF THE REFERENCE PLATE This article proposes a method for determining the time at which the surface temperature of the reference plate will be determined. he relationship between the temperature of the reference plate, its length and the uncertainty of the measurement when calibrating using this plate was explained. The measuring system used was described. Attention was paid to problems resulting from the measurement method used. Particular attention was paid to thermovision observations of the side surface of the reference plate. The influence of selected factors on recorded temperature distributions was described. It was indicated how to minimize the effect of reflected radiation on the measurement result. (Received: 04.02.2019, revised: 10.03.2019)
38 Krzysztof Dziarski