تحقیق مقاله مبانی و اهمیت گرما دهی مادون قرمز

مقدمه :

 در دنیای فرآوری مواد ، حرارت ودما ، پارامترهای مهمی هستند چه مواد فولاد ، شیشه ، وسایل الکترونیکی ، مقوا ، غذای منجمد ، تایر و یا کاغذ باشند ، در مرحله ای از فرآیند تولید ، حرارت داده می شوند یا از آنها گرفته می شود .کنترل این فرآیند حرارت دهی و دمای ماده ، برروی کیفیت محصول ، مصرف انرژی ، محصول نهایی مخارج عملیات وبهره وری تأثیر می گذارند .

 کنترل نکردن دما ، اغلب قربانی کردن یکی از عوامل فرآیند تولید را باعث می شود . متعاقباً ، کنترل کردن دما ، و این عوامل فرآیندی برای حداکثر کردن اجرای هر گونه عملیات فرآوری مواد لازم و حقیقی هستند . با در نظر گرفتن مصرف انرژی بدون کنترل دما ، این امر باعث بیش از حد گرم کردن مواد می شود . تا مطمئن شویم که خواص محصول بدست آمده  است و بر پایه یک  توازن گرمایی عادی که عوامل تجهیزاتی و فرآوری برروی کارآیی عملیات تأثیر می گذارند ، مبلغ قابل توجهی برای بیش از حد گرم کردن پرداخت می شود . همانطوری که ذکر شد 5% یا F° 100 افزایش نسبت به گرمای مورد نیاز باعث کاهش 17%در انرژی می شود در یک کارخانه فولاد یا شیشه ، این رقم معادل میلیونها دلار در سال در زمینه مخارج سوخت می شود در دماهای کمتر ، کاهش های گرمایی کمتر احساس می شوند ولی آنها نیز قابل اندازه گیری و چشمگیر هستند . مورد دیگر کارکردن بدون کنترل دما ، شامل فرآوری مواد در دماهای کمتر است تا مطمئن شویم که نتایج مناسبی بدست می آوریم .

 در عمل ریخته گری آلومینیوم ، که در گذشته اندازه گیری دقیق دما امکان پذیر نبود ، فشارها در سرعتهای  بسیارپایین انجام می گرفت تا خواص آلومینیوم حفظ شود  و مقدار دور ریز مواد به حداقل برسد .در حال حاضر، با تکنولوژی مادون قرمز از حرارت غیر تماسی استفاده می شود تا کارایی بیشتر شده و دور ریز مواد زائد نیز حذف می وشد . این توانایی در اندازه گیری دقیق حرارت در هنگام عمل فشار و نیز عمل ریخته گری باعث مهندسی مجدد فرآیند شده و ریخته گری آلومینیوم را به یک سطح جدید اجرایی رسانده است که در آن از کنترل فرآیند و اوتاسیون استفاده می شود . منافعی که در هر فشار نصیب ریخته گران آلومینیوم می شود ، به میلیونها دلار می رد و این با افزایش 30 تا 50 درصدی ظرفیت پذیرش وحذف دورریز محصول امکان پذیر شده است  از یک منظر سرمایه گذاری کلان این ظرفیت پذیرش اضافه شده ، همچنین باعث به تأخیر انداختن سرمایه گذاریهای کلان در شیوه های پرس جدید شده که تحت استانداردهای قدیمی امکان انجام 3 پرس را با ظرفیت 4 را داراست .

این تنها یک مثال از آن چیزی است که امروزه مردم برای کسب سود رقابتی بیشتر در بازارهای جهانی با استفاده از کنترل اندازه گیری حرارت مادون قرمز انجام می دهند . در نگاه اول ، برخی مردم ، ترمومتری را کاری بسیار پرهزینه و پیچیده می بینند که شامل نصب و نگهداری آن می شود گرچه این باوری غلط است و این حسگرها به آسانی قابل نصب و کاربرد می باشند . و نسبت به منافع سرمایه گذاری پرهزینه و گران نمی باشند . بطور میانگین باز پس دهی سرمایه بین 2 روز تا 2 ماه تخمین زده شده است. منافع ترمومترهای مادون قرمز در مقایسه با دیگر تکنولوژیهای اندازه گیری دما به شرح ذیل می باشند .:

دقت بهتر ، زیرا آنها دمای هدف را اندازه می گیرند ( در مقابل دمای خودش )

بکارگیری منعطف : زیرا قابلیهای غیر تماسی آن را می توان برای اندازه گیری اهداف متحرک و متناوب ، مواد در خلاء خو میدانهای الکتریکی و همچنین کاربردهایی شامل محیطهای دشوار با دمای زیاد وشرایط سخت (‌دود ، روغن و دیگر موانع )بکاربرد

واکنش به موقع : با حسگرهای سریع این عمل انجام می شود ( 10 تا 500ms)

برای درک پتانسیل صحیح امکانات حسگرهای مادون قرمز ، بهتر است این حسگرها را به عنوان راه حلی برای یک مسأله و نه تنها یک وسیله اندازه گیری دما در نظر بگیریم . بخشهای ذیل ، مبانی ترمومتری مادون قرمز و انواع مختلف حسگرها و کاربردهای آنها را توضیح می دهد . هدف ، تهیه یک پیش زمینه و اطلاعات لازم برای انتخاب صحیح و به کاربردن حسگرهایی است که با نیازهایی که ما در کار با آنها داریم بیشتر وفق داشته باشند.

مبانی ترمومتری مادون قرمز

 هر شیء از خود  انرژی تابشی متساعد می کند و شدت این تابش دمای آن شی است . حسگرهای اندازه گیری دمای غیر تماسی ، به سادگی شدت این تابش را اندازه گیری می کنند . رابطه کلی انرژی تابشی ( شدت ) ، تابعی از دما و طول موج یک بدنه سیاه است . این منحنی های تابش جسم سیاه توسط قوانین پایه در فیزیک توضیح داده شده اند . و بطور انتخابی به عنوان پایه ترمومتری مادون قرمز بکار گرفته شده اند . این تابش مادون قرمز شبیه به تابش مرئی است ( 45/0 تا 75/0 میکرون ) بجز مواقعی که دارای طول موجهای بیشتر می باشد این شامل فتونهایی است که شکلی از انرژی می باشند که با سرعت نور ( 108×83571030/9 فوت بر ثانیه ) در خط مستقیم سیر می کنند . و میتوان آن را منعکس کرد و یا با اشیایی آن را انتقال داد این انرژی تابشی قابل دیده شدن و احساس شدن است که گرمای خورشید و یا یک اجاق الکتریکی و یا شعله  مثال هایی از آن است . این مثالها ، مربوط به بخش مرئی طیف الکترومغناطیسی است که چشم انسان به آن حساس می باشد . منطقه ‌مادون قرمز ، قسمت نامرئی طیف الکترومغناطیسی است ونشاندهنده شکل واقعی انرژی گرمایی است . بخش مادون قرمز از طیف الکترومغناطیس معمولاً با میکرون توضیح داده می شود و با رجوع به فیلترهای مادون قرمز استفاده شده در ترمومترهای مادون قرمز نشان داده شده است . حسگرهای طول موج کم عموماً برای کاربردهای دماهای بالا ومتوسط بکار گرفته می شود . و این بخاطر این است که در این ناحیه ، سطوح با سیگنال بالا ، و فایده های فنی وجود دارند . برای کاربردهای با دمای کم ، این کار به فیلترهای با طول موج بیشتر و پهنای باند بیشتر ( 8 تا 14 میکرون ) سپرده می شود تا انرژی تابشی اندازه گیری شود پیشینه شود .

 در این میان فیلترهای متنوعی با پهنای باند کم برای بهینه سازی کاربردها و خواص اندازه گیری حس گرها بکار گرفته می شوند .

 بعنوان مثال انتخاب و گزینش فیلترهای خاص در پنجره های اتمسفری ، اثرات معکوس مربوط به حساسیت فاصله و گردوغبار را حذف می کند انتخاب فیلترهای مادون قرمز همچنین نوع مواد بکار رفته در پنجره را در صورت نیاز برای یک کاربرد خاص مشخص می کند . د رمحدوده ‌طول موج پایین ، یک پنجره شیشه ای معمولی ( بوراسیلیکات ) قابل استفاده است در حالی که پنجره های کوارتز و ژرمانیوم برای حسگرهای به ترتیب با طول موج متوسط و بالا استفاده می شوند  این مواد مختلف همچنین به عنوان قسمتی از سیسمتهای انرژی به کار برده می شوند و بعنوان یک لنز ، انرژی را از هدف جمع آوری کرده و آن را به شناساگر مادون قرمز متمرکز کند .

زمان قابل تنظیم پاسخ برای یک ترمومتر مادون قرمز معمولاً محدوده ms100 تا 10s را که لازم برای کسب 99% یک عمل خواندن می باشد را پوشش می دهد برای کاربردهای بسیار سریع بین 5 تا 10 ms ، یک حسگربا شناساگر سیلیکون یا ژرمانیوم قابل استفاده می باشد . بطور میانگین دستگاههای متعددی از پاسخ قابل تنظیم در محدوده 1 تا ثانیه استفاده می کنند .سروصدای دستگاه وعملیات کم شود . گرچه این حالات شامل گرمای القایی و دیگر منابع گرمایی سریع که نیاز به پاسخ هایی در محدوده 10 تا 50ms می باشند می شود . که این کار با بکارگیری حسگرهای تخصصی مادون قرمز امکان پذیر است . متعاقباً سیستم کنترل هم باید با سرعت مناسب تنظیم شده تا سیستم کنترل دما بطور کامل ودقیق عمل کند

 تفکیک پذیری بینایی یا میدان دید ( FOV) یکی دیگر از پایه های مهم ترمومتری مادون قرمز می باشد  درحالی که حسگر برای اکثر کاربردها یک مقوله مهم نیست کاربردهای حاصی وجود دارند که نیاز به انتخاب دقیقتر FOV دارند .

 یک سنسور معمولی به یک سطح با قطر 1 اینچ (2/5cm) نظاره دارد در حالی که سنسور ،15 اینچ (35cm) از هدف فاصله دارد اثر یک بهره گیری شامل یک شی کوچک باشد ( 0/125inc= 0/32cm ) و یا یک شی بسیار کوچک باشد (0/8mm=0/030inch) لنزهای دقیقتری باید برای اندازه گیری دقیق دما بکار گرفته شوند .

 بر همین اساس لنزهای دوربین ، که اشیا را در فواصل 10 تا 1000فوتی ( 300-3 متر ) می بینند ، هم نیاز به یک ساختار بندی مخصوص بینایی ولنزی دارند .

 ترکیب دیگری از این ساختار شامل استفاده از لنزهای سلولزی می باشدکه این امکان را به مهندسی می دهند تا با استفاده از انعطاف آنها سنسور الکتریکی را در فاصله دورتری از محیط خطرناک نصب کنند این امر باعث حذف پارازیتهای الکتریکی می شود و باعث حل مشکل دسترسی و دیگر مشکلات مربوط به جا و فضا می شود بیشترین کاربرد آن قرار دادن دستگاههای الکترونیکی در یک منطقه دورتری از محل در معرض حرارت می باشد ودیگر اینکه دما را در جایی که گرم کننده های القایی ، مایکرویو و یا RF ها استفاده می شود . و EMI برای سیستمهای الکترونیکی بیش از حد می باشد اندازه گیری کنیم .

 طول کابل از 3 فوت ( 1 متر ) تا 20 فوت ( 6متر ) متفاوت است و در برخی موارد کابل تا اندازه 50 فوت ( 15 متر ) مورد نیاز می باشد این نوع فیبرها ( سلولزها ) بسیار سخت و با دوام هستند و قابلیت تحمل تا دمای 400°F (200°C) را دارند و همچنین کاربرد در کارخانه فولاد ، کانالهای تصفیه هوا می توانند تا درجه 800°F (‌425 °C) به کار گرفته شوند .

 تکنولوژی لنزی فیبر مادون قرمز همچنان در زمینه تبدیل و دوام در حال پیشرفت است و کابردهای آن در حال افزایش می باشد تشکیل دهنده های اساسی ساختار اپتوالکترونیک حسگر ، به شکلی است که از یک لنز جمع آوری کننده و یک فیلتر گزینش کننده مادون قرمز پهنای باند کم ، یک شناساگر انتخاب کننده که انرژی مادون قرمز را به شکلی از سیگنال الکتریکی تبدیل می کند و مدار الکتریکی که سیگنال را تقویت ، تثبیت و آنرا خطی می می کنند تا یک خروجی به ما بدهد که متناسب با دمای شی است ساختار دیگری هم دارای همین طرح است ولی از یک فیلتر استفاده می کند که پالس های مادون قرمز را به شناساگر می فرستد که در آنجا این سیگنالها سپس دمای شی را نشان می دهند . مهمترین بخش این تکنولوژی از پروژه های نظامی و فضایی گرفته شده که در آنها فیلتر ینگ و آشکار سازهای مادون قرمز در سیستمهای دفاعی و فضایی بکار گرفته می شوند. گرچه اکثر مواد انرژی کمتری نسبت به یک جسم سیاه تابش می کنند و این کاهش در انرژی به عنوان گسیل شناخته شده است . گسیل (E) یک عامل بدون بعد است و مقیاس تابش گرمایی است که از یک جسم غیر سیاه ( خاکستری ) نسبت به یک جسم سیاه در دما و طول موج یکسان تابیده شده است