POMIAR CZASU USTALENIA TEMPERATURY PŁYTKI WZORCOWEJ

(1)

No 100 Electrical Engineering 2019 DOI 10.21008/j.1897-0737.2019.100.0003

___________________________________________________

* Politechnika Poznańska

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. Zwró- cono uwagę na problemy wynikające z zastosowanej metody pomiaru. Szczególną uwa- gę zwrócono na termowizyjne obserwacje powierzchni bocznej płytki wzorcowej. Opi- sano 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 wyko- nywane są ze stali narzędziowej. Właściwości materiału wpływają na niedo- kładność 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 płyt- ki wzorcowej niezbędne jest uzyskanie odpowiedniej temperatury w całej obję- tości. W praktyce laboratoryjnej wyrównanie temperatury w całej objętości uzy- skuje 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 usta- loną 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

(2)

30 Krzysztof Dziarski

powierzchni bocznej. Z uwagi na długość płytki (200 mm) termowizyjne obserwacje rozkładu temperatury na jej powierzchni bocznej są łatwe. Problem sta- nowi 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 wiary- godnych 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 dłu- gości 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 cią- głości pomiarowej niezbędne jest porównanie długości płytki wzorcowej z dłu- gością płytki wzorcowej o wyższej klasie dokładności.. Porównanie jest wyko- nywane za pomocą komparatora. Różnica długości mierzona jest w położeniu pionowym przy użyciu dwóch czujników stykających się z górną i dolną po- wierzchnią pomiarową. Rzeczywistą długość wzorcowanej płytki wzorcowej można wyrazić za pomocą równania (1).

x s

l  l l (1) gdzie: δl jest mierzoną różnicą długości a lx i ls są długościami płytki wzorcowa- nej i płytki wzorcowej w warunkach pomiaru. Długość płytki wzorcowanej lx

można opisać za pomocą równania (2) [1].

l_x l_s l_Dl l_cL^ ^_ x t x t ^_^ l_v

  (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 ostat- niego 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-

(3)

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 płyt- ki wzorcowej i płytki wzorcowanej należy zrównać temperaturę płytki wzorcowanej z temperaturą płytki wzorcowej. Zakłada się, że temperatury obu płytek zrów- nają 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 pozwala- jącej 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 włoże- niem 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 do- tknięcia 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). Na- stępnie 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.

(4)

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 rezulta- tów. 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 osiągnę- łaby temperaturę otoczenia. Dodatkowo taki sposób rejestrowania temperatury na powierzchni płytki wzorcowej utrudniłby pomiar. Należy również wspomnieć o niemożliwości uzyskania odpowiednich połączeń termicznych pomiędzy po- wierzchnią 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 bez- kontaktowa 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.

(5)

Rys.

5.

W celu wej należ w tempera płytkę wz wierzchni za pomoc który znaj nika emis niem term

=0,65. J przypisan emisyjnoś stanu. Z t emisyjnoś niowania pasożytni termowizy obiekt. Z współczyn kiem emis

W celu e W trakcie ustawiona odbicie o

1. Widok kam

CZYNNIK TEMP

u zarejestrow żało określić

aturze 20°C.

zorcową um i bocznej um cą kamery ter jdował się b syjności dob mometru. Us Jest to warto nego stali (rz ści jest zale

tego powodu ści jest praw

pasożytnicz cze, jest to p yjnej wraz Z uwagi na

nnika odbic syjności ε i w

eliminacji ź e prowadzon a na wprost obiektywu ka

mery Flir E50 (po k

KI WPŁYW PERATUR

wania rozkła wartość wsp . W celu wyz mieszczono p

mieszczono t rmowizyjnej lisko styku z bierano tak, b

stalono, że w ość różniąca ząd setnych) eżna od tem u można prz widłowa. Inny zego na otrzy promieniowa z promieni niewielką ia była duża współczynnik

 źródeł odbić nych prac za

płytki na za amery, co p

o lewej) oraz w klimatycznej [3

WAJĄCE N RY PŁYTKI

du temperatu półczynnika znaczenia w poziomo w k

termometr rt obserwowa z termometre by wskazani wartość wsp a się od wa

. Należy pam mperatury ob

zyjąć, że wy ym istotnym ymane rozkł anie odbite, iowaniem e wartość wsp a. Wzajemn kiem odbicia

   1 ć wnętrze k auważono, ż arejestrowany powoduje, że

wewnętrzne wym 3]

NA WYNIK I WZORC

ury na powie

emisyjności artości wspó komorze klim

ęciowy. Po u ano ten fragm em. Następn ie kamery p półczynnika rtości współ miętać, że w serwowanej yznaczona w zagadnienie łady tempera które docier emitowanym półczynnika ną relację po a ρ opisuje ró komory wyło

że gdy kam ym termogra e otrzymana

miary użytej ko

KI POMIAR OWEJ

erzchni płytk i płytki znajd ółczynnika em

matycznej. N upływie trze ment płytki w nie wartość w okryło się z

emisyjności łczynnika em wartość wspó

powierzchn wartość wspó em był wpły

atury. Promi ra do matryc

przez obs emisyjnośc omiędzy wsp ównanie 3.

ożono czarn

era termowi amie można a wartość te

omory

RU

ki wzorco- dującej się misyjności Na jej po- ech godzin wzorcowej, współczyn- ze wskaza- i wynosiła misyjności ółczynnika ni oraz jej ółczynnika w promie- ieniowanie cy kamery erwowany ci wartość półczynni-

(3) ną tekturą.

izyjna jest zauważyć emperatury

(6)

34 znacznie r ne było u wyelimino powierzch tem obser ściwego k rzystając i przeprow kładu tem umieścić płytkę nal rejestrowa uniknąć o

6. W

W pier peratura p umieszczo płytki, w i płytki w brano pun przedstaw

Rys. 2

Rozkła około trzy odczytyw

różni się od ustawienie p ować odbijan hni płytki. Je rwacji i rejes kąta obserwa z kamery F wadzonych p mperatury n

pod kątem 3 leży przesun anego termo odbić pochod

WYZNACZE

rwszej częśc płytki zrówn ono pionowo w którym je wzorcowanej.

nkty, w któr wiono na rys.

2. Przybliżony r

ad temperatu y godziny. W wano co 10 m

Kr rzeczywistej płytki względ nie promieni ednocześnie strowaną wa acji powtórzo Flir E50. Na prac stwierdz a powierzch 30° do powi nąć w bok w

ogramu. Tak dzących z obi

ENIE CZA POWIE

ci eksperyme na się z temp

o we wnętrzu st wykonyw Następnie n rych rejestro

2.

rozkład obserwo

ur na powie Wartość temp minut . Uzysk

rzysztof Dziar j. W celu wy dem kamery iowania poch

należało pa artością temp

ono eksperym a podstawie

zono, że w c hni bocznej

ierzchni obie względem obi

kie umieszc iektywu kam

ASU USTAL ERZCHNI P

entu należało peraturą wn u komory kli wane porówn

na powierzch owano warto

owanych punkt

erzchni płytk peratury zmi kane wyniki p

rski

yeliminowan y pod takim hodzącego z miętać o zal peratury. W c ment opisan

danych dos celu uzyskan

płytki wzo ektywu. Dod iektywu, by czenie płytk mery.

LENIA TE PŁYTKI

o wyznaczyć

ętrza komor imatycznej. J nanie długo hni bocznej ości temperat

tów na powierzc

ki wzorcow ierzoną w wy przedstawion

nia tego błędu kątem, któr obiektywu k leżności pom celu wyznac ny w literatur stępnych w nia wiarygod orcowej płyt

datkowo obs znajdowała i wzorcowe

EMPERAT

ć czas, w któ ry. W tym c Jest to takie u ości płytki w płytki wzorc tury. Wybra

chni płytki wzo

ej rejestrow yznaczonych no na rys. 3.

u koniecz- ry pozwoli

kamery od między ką-

zenia wła- rze [6] ko- literaturze dnego roz- tkę należy serwowaną się z boku ej pozwoli

TURY

órym tem- celu płytkę

ustawienie wzorcowej cowej wy- ane punkty

orcowej

wano przez h punktach

(7)

Rys. 3. T

W dru pomiędzy temperatu wzorcową 180 minu no przez c

Ry

Temperatura po w czasi

ugiej części y dotknięciem ury płytki wz

ą umieszczo t (wartość w czas równy 1

s. 4. Temperatu w czas

owierzchni bocz ie t = 0 płytkę u

przeprowadz m płytki w zorcowej z te ono w komo wyznaczona w

1 minucie. O

ura powierzchni sie t = 0 płytkę u

znej płytki wzor umieszczono w

zonych prac zorcowej dł emperaturą w

rze klimatyc w punkcie 5)

trzymane wy

i bocznej płytki umieszczono w

rcowej w czasie komorze klima

c wyznaczon łonią i osiąg wnętrza komo cznej. Po up ) płytkę chwy yniki przedst

i wzorcowej po w komorze klim

e trwania ekspe atycznej

no czas, któr gnięciem zr ory. W tym c pływie czasu ycono dłonią tawiono na ry

o dotknięciu dło atycznej

erymentu,

ry upływa równaniem celu płytkę u równego ą i trzyma-

ysunku 4.

onią,

(8)

7. WPŁYW KOMORY NA WYNIKI POMIARÓW TEMPERATURY PŁYTKI WZORCOWEJ

W trakcie prowadzonych prac zauważono, że osiągnięcie identycznej warto- ści 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 wzra- stała równomiernie. W wyniku przedstawionych prac dowiedziono, że ze wzglę- du na objętość użytej komory klimatycznej nie jest możliwe dokładne odwzoro- wanie 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 war- tościami 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 mie- szania 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, błysz- czących powierzchni nie należy umieszczać obserwowanych obiektów na wprost kamery termowizyjnej. Doświadczalnie wyznaczono, że taka powierzch- nia powinna znajdować się względem obiektywu kamery termowizyjnej pod kątem 30°.

(9)

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 – Aparatu- ra, 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 cali- brating using this plate was explained. The measuring system used was described. Atten- tion was paid to problems resulting from the measurement method used. Particular atten- tion 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)

(10)