O tendinţă evidentă în fabricaţia produselor electronice actuale este reducerea drastică a dimensiunilor lor. Proiectarea şi fabricaţia modulelor, echipamentelor sau sistemelor implementate în cele mai diverse domenii ale industriei sau chiar în viaţa cotidiană sunt forţate să satisfacă cerinţe din ce în ce mai dure în direcţia creşterii densităţii de echipare cu componente electronice (“board density” în limba engleză). În aceste condiţii, în electronica actuală (în special în aplicaţii industriale complexe, militare, navale, spaţiale sau produse portabile) apar aşa-numitele “high-density boards”, module electronice PCB cu componente pe ambele feţe şi cu o plasare a acestora la distanţe extrem de mici. Din păcate acest lucru conduce la o creştere a defectelor datorate aspectelor termice (fenomen numit “overheating” – supraîncălzire). În plus, tehnologiile microelectronice dezvoltate în ultimul deceniu au generat şi generează în continuare o creştere şi mai accentuată a problemelor de natură termică.
Surprinzător, poate, pentru mulţi, practica din industria electronică şi statisticile ultimelor decenii au demonstrat că mai mult de 50% din defectele produselor electronice se datorează unei abordări superficiale a managementului termic al componentelor, modulelor sau echipamentelor. Aspectele expuse mai sus au făcut ca problema măsurării temperaturii în electronică şi în general în inginerie să fie tratată în ultimii ani cu o seriozitate din ce în ce mai mare, în vederea depistării defectelor “termice” şi creşterii fiabilităţii produselor.
Utilizarea instrumentelor de măsurare a temperaturii prin metode fără contact, în infraroşu (IR), numite pirometre, a luat în ultimii ani o amploare fără precedent prin creşterea performanţelor şi scăderea continuă a preţurilor. Avantajele utilizării pirometrelor au făcut ca aceste instrumente să fie de neînlocuit într-o gamă foarte largă de aplicaţii.
Măsurarea temperaturii corpurilor aflate în locuri greu accesibile sau în mişcare, protecţia utilizatorilor în cazul măsurării temperaturii unor obiecte sau echipamente periculoase (conexiuni sub tensiune, corpuri fierbinţi, elice, topituri, substanţe chimice etc.), evitarea contaminării produselor măsurate, utilizarea extrem de uşoară şi rapidă, sunt numai câteva dintre aceste avantaje.
Efectuarea unei măsurători precise cu ajutorul unui termometru fără contact, în infraroşu, nu este foarte simplă, rezultatele fiind mult influenţate de alegerea instrumentului, pregătirea tehnică a operatorului, condiţiile de măsură etc. Utilizarea unui pirometru fără cunoaşterea celor mai elementare noţiuni de tehnica măsurării în infraroşu va duce inevitabil la obţinerea unor erori mari, în consecinţă la estimarea eronată a temperaturii obiectului aflat sub test.
În următoarele rânduri vom încerca să detaliem parametrii principali ai unui pirometru şi cerinţele minime pentru obţinerea unor rezultate corecte:
DOMENIUL DE TEMPERATURĂ – trebuie să fie mai mare decât intervalul maxim în care se vor efectua măsurătorile deoarece spre limitele intervalului semnalul devine mai “zgomotos”.
Atenţie la spectru! Chiar dacă intervalul de temperatură se încadrează în domeniul de temperatură al pirometrului, trebuie să se ţină cont şi de lungimea de undă în care acesta lucrează. Există modele special realizate pentru a măsura temperatura foliilor subţiri de plastic (P7) şi sticlei plane (G5), deoarece la aceste lungimi de undă materialele menţionate anterior devin opace la radiaţia infraroşie transmisă prin ele. Emisivitatea suprafeţei măsurate variază atât cu lungimea de undă, cât şi cu temperatura. Cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât eroarea de măsură datorată variaţiei emisivităţii este mai mică.
Alegerea unor pirometre cu care să se acopere un domeniu cât mai mare de temperatură este foarte dificilă datorită tehnologiei utilizate la producerea fiecărui tip de senzor în infaroşu. În plus, erorile vor creşte datorită variaţiei emisivităţii şi a schimbărilor ce au loc pe suprafaţa materialului măsurat.
EROAREA DE MĂSURĂ – abaterea maximă, exprimată în unităţi de temperatură (grade C, F sau K) sau procent din valoarea temperaturii afişate. La pirometrele ieftine această eroare ajunge chiar până la +/-3% din valoarea măsurată. Atenţie la modul de precizare a erorii procentuale: în documentaţia tehnică se poate preciza ca fiind % din valoarea măsurată sau % din domeniul de măsură, ceea ce este o diferenţă foarte mare.
Un parametru important şi de cele mai multe ori ignorat, REPETABILITATEA, caracterizează dispersia valorilor individuale în cazul efectuării unor măsurători repetate asupra unui corp în condiţii de lucru identice, cu acelaşi instrument. Un pirometru bun are o eroare de măsură sub 1% şi o repetabilitate sub 0,5% din valoarea măsurată.
MATERIALUL din care este realizat obiectul de măsurat şi STAREA lui – pirometrul captează pe lângă radiaţia IR emisă de suprafaţa măsurată şi radiaţia altor corpuri reflectată sau transmisă de corpul ţintit. Pentru a minimiza erorile datorate influenţei corpurilor înconjurătoare, pirometrele au posibilitatea modificării EMISIVITĂŢII între 0.10 şi 1.00 (corpul negru). Majoritatea materialelor nemetalice precum şi metalele rugoase au emisivitatea 0.95. Materialele metalice lucioase (aluminiu, oţel inox, crom, nichel, zinc etc.) şi topiturile au emisivităţi mici, cuprinse între 0.1 şi 0.4. Pentru a stabili corect valoarea emisivităţii există mai multe metode practice sau pot fi utilizate tabele de emisivităţi furnizate de firma producătoare. După cum am precizat şi anterior, emisivitatea este diferită la lungimi de undă diferite.
DISTANŢA de la care se efectuează măsurătoarea şi DIMENSIUNILE obiectului de măsurat – un parametru foarte important al unui pirometru este raportul Distanţă : Spot (D:S) adică raportul dintre Distanţa de la care se face măsurarea obiectului şi Diametrul (numit Spot) cercului imaginar generat pe suprafaţa corpului măsurat conform diagramelor furnizate de producător.
Exemplu: Un raport D : S = 100 : 1 ne permite măsurarea unor ţinte cu diametrul de aproximativ 10cm de la distanţa de 10m, alte variante fiind uşor de calculat. Dacă obiectul măsurat este mai mic decât spotul, este necesar să micşoraţi distanţa de măsură. Sistemul optic al unui pirometru poate fi Standard sau Close Focus (utilizat pentru măsurarea unor obiecte de mici dimensiuni). Un pirometru cu două lungimi de undă poate măsura şi obiecte mai mici ca dimensiune decât spotul datorită principiului de funcţionare diferit.
CONDIŢII DE MEDIU
Temperatura ambiantă – temperatura mediului în care funcţionează instrumentul. O carcasă TermoJacket poate asigura funcţionarea instrumentului până la o temperatură de 315OC.
Praf, Impurităţi – în general pirometrele au gradul de protecţie IP65. La pirometrele fixe se pot monta opţional carcase pentru suflarea cu aer a lentilelor. Pirometrele cu două lungimi de undă pot măsura şi cu lentilele murdare.
Câmpul electromagnetic intens poate influenţa negativ funcţionarea unui pirometru electronic. În cazuri extreme se poate opta pentru senzorul IR conectat prin fibră optică.
TIMPUL DE RĂSPUNS este timpul necesar efectuării unei măsurători şi reprezintă un factor foarte important dacă pirometrul este folosit pentru măsurarea temperaturii unor corpuri/vehicule aflate în mişcare. Pirometrele rapide au un timp de răspuns sub 10ms.
VIZAREA ŢINTEI – există posibilitatea de vizare a ţintei cu Laser sau prin Obiectiv (cu lunetă). Nu se recomandă alegerea vizării cu Laser dacă se măsoară corpuri luminoase sau aflate în zone însorite, deoarece nu puteţi distinge punctul roşu de impact al laserului pe suprafaţa obiectului măsurat. Cel mai nou tip de vizare cu laser al unei ţinte este Laserul CIRCULAR. Acesta permite încadrarea foarte precisă a zonei în care se face măsurarea. În urmă cu câteva luni a fost lansat pe piaţă şi un pirometru dotat cu cameră digitală ce poate să memoreze 100 de fotografii cu informaţii de temperatură, ideale pentru rapoarte tehnice şi documentaţii de evaluare termică.
Marius Popovici, Norocel-Dragoş Codreanu
tel: 021-3306384, www.termoviziune.ro, e-mail: mccc@k.ro