Use of thermocouple temperature measurement - thermograms - for thermoplastic injection molding and thermoplastic composite materials, part 2

M��ení termokamerou

V dnešní dob� se stále více rozvíjí bezdotykové m��ení teploty vyu�ívající snímání tepelného zá�ení m��eného objektu, které vyza�ují všechna t�lesa s teplotou v�tší ne� absolutní nula (0 K = - 273,15 °C). Teplotu lze bezdotykov� m��it jak bodov�, tak i plošn�. P�estup tepla mezi dv�ma r�zn� teplými t�lesy m��e probíhat t�emi základními zp�soby - vedením (kondukcí), proud�ním (konvekcí) a zá�ením (radiací). Veškeré teplo je p�enášeno jedním z t�chto t�í typ� p�enos�, obvykle ale kombinací dvou nebo všech t�í typ� p�enos�.

P�enos tepla vedením se uskute��uje ve statickém i pohyblivém prost�edí pevném, kapalném i plynném. Jde vlastn� o p�enos vibrací (kmitáním) atom� pevných t�les nebo srá�ky molekul kapalin a plyn�, �ím� dochází k pohybu energie od teplejší molekuly sm�rem ke studen�jší. P�i vst�ikování termoplast� se zejména jedná o p�enos tepla mezi jednotlivými konstruk�ními díly vst�ikovací formy a mezi vst�ikovací formou a upínacími deskami vst�ikovacího stroje.

P�enos tepla proud�ním se uplat�uje u pohybujících se skupenství a v�tšinou se odehrává u p�enosu tepla mezi pevným a kapalným (plynným) skupenstvím.

Teplo proud�ním se p�i vst�ikování termoplast� provádí p�i pln�ní tvarové dutiny formy polymerní taveninou a p�i p�enosu tepla do okolí vst�ikovací formy.

P�enos tepla zá�ením (radiací) se od p�edcházejících dvou typ� liší v n�kolika aspektech. Zá�ení se uskute��uje elektromagnetickou emisí a absorpcí, probíhá rychlostí sv�tla, chová se jako sv�tlo a m��e procházet vakuem.

P�i vst�ikování termoplast� se p�enos tepla zá�ením zejména týká výst�ik� po jejich vyhození z tvarové dutiny formy a povrchu vst�ikovací formy vytemperované na pracovní teplotu.

Bezdotykov� se teplota m��í pomocí pyrometr� nebo termovizních systém�. Princip bezdotykového m��ení teplot (ozna�ovaného také jako infra�ervená pyrometrie) spo�ívá v m��ení povrchové teploty t�les. Vyu�ívá se toho, �e ka�dé t�leso - p�i teplot� nad absolutní nulou - vysílá infra�ervené zá�ení, odpovídající jeho teplot�.

P�í�inou zá�ení je vnit�ní mechanický pohyb molekul. Intenzita tohoto pohybu závisí na teplot� objektu. Proto�e pohyb molekul p�edstavuje p�emís�ování náboje, je vyza�ováno elektromagnetické zá�ení (fotonové �ástice). Zatímco p�enos energie sv�tla se d�je ve viditelné oblasti spektra p�ibli�n� od 0,38 μm do 0,78 μm, p�enos tepla radiací zabírá oblast spektra mezi cca 0,78 μm a� do cca 100 μm. Rozsah tepelného infra�erveného zá�ení není standardizován, ale obvykle se uvádí v rozmezí dlouhovlnného infra�erveného spektra od cca 5 μm do cca 25 μm. Elektromagnetické infra�ervené zá�ení (IR zá�ení, z anglického výrazu infra red, které vychází z latiny, kde „infra“ znamená „pod“) má vlnovou délku v�tší ne� viditelné sv�tlo a menší ne� mikrovlnné zá�ení, je pro lidské oko neviditelné.

Jaký je rozdíl v m��ení teploty mezi pyrometry termokamerami? Pyrometry pr�m�rují intenzitu tepelného zá�ení v m��ené oblasti a výsledkem je jedna konkrétní (pr�m�rná) hodnota teploty pro danou oblast.

Sou�asné termokamery obvykle obsahují maticové detektory a jsou schopny m��it rozlo�ení povrchové teploty, tj. zaznamenat dvourozm�rné (2D) teplotní pole. Výsledkem takového m��ení je termogram. Termogram je slo�ený z pixel�, stejn� jako kterýkoliv digitální obraz v po�íta�i. Jednotlivé pixely (samostatné mikrodetektory) odpovídají povrchové teplot� m��eného dílu vdaném bod�, Rozlišení termogramu je dáno rozlišením detektoru termokamery a bývá od 60 x 60 do 1 024 x 768 pixel�.

Intenzita elektromagnetického zá�ení je, jak ji� bylo uvedeno, závislá na povrchové teplot� objektu, který toto zá�ení vydává, a tedy zm��ením intenzity zá�ení lze stanovit povrchovou teplotu objektu, co� je principem bezdotykového m��ení teploty, na kterém funguje i m��ení termokamerou. Zdrojem tohoto elektromagnetického zá�ení je termický pohyb �ástic, z nich� je objekt slo�en – viz výše - nazýváme toto zá�ení „tepelným zá�ením“, abychom ho odlišili od ostatního elektromagnetického zá�ení, které vzniká z jiných p�í�in.

Tepelné zá�ení popisuje Planck�v vyza�ovací zákon, který �íká, �e intenzita vyza�ování roste se �tvrtou mocninou povrchové teploty t�lesa a s jeho� pomocí lze ur�it vyza�ovanou energii pro jednotlivé vlnové délky zá�ení. Pokud známe emisivitu hodnoceného p�edm�tu, jeho teplotu a velikost jeho povrchu je mo�no pomocí Stefanova. Boltzmannova zákona vypo�ítat vyzá�ený výkon. Se zm�nou povrchové teploty objektu se nem�ní jen intenzita vyza�ování podle Stefanova-Boltzmannova zákona, ale m�ní se tak� spektrální rozlo�ení vyza�ovaného výkonu. Podle Wienova posunovacího zákona platí, �e s rostoucí teplotou se maximální intenzita vyza�ování posouvá sm�rem ke kratším vlnovým délkám, co� v praxi znamená, �e nap�íklad p�i zah�ívání dílu z oceli, p�i nízkých teplotách �ádné zá�ení nepozorujeme (lze ho detekovat pouze termokamerou, jedná se o infra�ervenou oblast zá�ení), ale p�i oh�evu na vyšší teploty se bude maximum vyza�ování posouvat ke kratším vlnovým délkám, a� p�i teplot� cca 525 °C za�ne vyza�ovat viditelné sv�tlo.

S tepelným zá�ením velmi úzce souvisí emisivita, kterou chápat jako efektivitu vyza�ování, respektive jako ú�innost vyza�ování. Nejvyšší emisivitu má tzv. �erné t�leso, co� je t�leso, které pohlcuje veškeré na n�j dopadající zá�ení (bez ohledu na jeho vlnovou délku) a má emisivitu rovnou jedné. U reálného t�lesa je emisivita v�dy menší ne� jedna. V praxi to znamená, �e takové t�leso p�i stejné povrchové teplot� jako má �erné t�leso, vyzá�í mén� tepelného zá�ení. Pova�ujeme-li emisivitu za konstantní, tj. nezávislou na vlnové délce, hovo�íme pak o tzv. šedém t�lese.

Ve skute�nosti je ale emisivita v�dy závislá na vlnové délce a všechny reálné p�edm�ty jsou tzv. selektivní zá�i�e, tj. ka�dé místo jejich povrchu vyza�uje na jiné vlnové délce.

Termokamery a jejich konstrukce

Termokamery nekontaktním zp�sobem snímají vyza�ované infra�ervené zá�ení, které vyza�ují všechna t�lesa. Termokamera pracuje na stejném principu jako radiotermometr nebo pyrometr a skládá se z optického systému, který soust�e�uje infra�ervené zá�ení snímaného objektu na snímací prvek (detektor). Tento prvek m�ní dopadající zá�ení ve zvoleném frekven�ním spektru na elektrický signál pomocí fotoemise.

Výstupem radiotermometru m��e být jen údaj o teplot�, nebo rovnou snímek na termokame�e, kde zobrazované barvy odpovídají ur�itým teplotám. Výsledkem m��ení pozorování termovizní kamerou je pak termogram, na kterém se nachází teplotní škála p�i�azující barvy jednotlivým �íselným hodnotám teploty.

Termokamery mohou být vybaveny záznamovým za�ízením pro záznam termogram�, v�etn� jejich �asového snímkování a dodávají se s p�íslušným sotférovým programovým vybavením pro zpracování údaj� z termogram�. Záznamovým za�ízením obvykle bývá digitální fotoaparát.

Schéma konstrukce termokamery lze rozd�lit na t�i nejd�le�it�jší �ásti:

· optika

· detektor

· elektronika pro zpracování a prezentaci obrazu

Z pohledu výsledku snímání daného t�lesa je nejd�le�it�jším �ástí termokamery detektor infra�erveného zá�ení, který p�evádí dopadající, optickým systémem vyselektované infra�ervené zá�ení na elektrický signál. Elektrický signál je následn� upraven do formy termogramu, který tvo�í výsledek m��ení a je ho mo�no p�íslušným programovým vybavením dále zpracovávat.

Podle principu funkce detektor� rozlišujeme dva základní typy: tepelné a fotonové. Tepelné detektory v zásad� pracují na principu zm�ny elektrických vlastností v závislosti na mno�ství dopadajícího IR zá�ení. Jako p�íklad lze uvést tzv. mikrobolometr, který m�ní hodnotu svého elektrického odporu v závislosti na intenzit� dopadajícího zá�ení. Mikrobo-lometrické pole je velké mno�ství mikrobolometr� rozmíst�ných do 2D pole. Toto „pole“ je dnes jedním z nej�ast�ji vyu�ívaných typ� detektoru u termokamer. Detek�ní systémy s tepelnými senzory není t�eba chladit. Termokamery, pou�ívané zejména pro výzkumné ú�ely, bývají osazeny druhým typem detektoru, tedy fotonovým detektorem, který má oproti tepelným detektor�m zvýšenou citlivost. Fotonové detektory pracují na principu po�ítání kvant elektronového zá�ení, vyu�ívají p�em�ny dopadajícího zá�ení na elektrický proud tedy fotoelektrického jevu.

Intenzita dopadajícího zá�ení má vliv na velikost výstupního elektrického signálu. Tyto detektory bývají zpravidla výrazn� citliv�jší ne� tepelné detektory. Fotonové detektory vy�adují chlazení, co� z nich d�lá za�ízení, která jsou náro�n�jší na manipulaci i cenu.

Termovizní kamera, která vyu�ívá fotonový detektor je mnohem t�ší práv� z d�vodu nutnosti chlazení detektoru. K chlazení se vyu�ívá Peltier�v nebo Stirling�v chladi�, co� jsou miniaturní heliové kompresorové agregáty. Jak ji� bylo napsáno, nej�ast�jšími detektory IR zá�ení jsou bolometry. Bolometry (z �eckého bole = paprsek) jsou senzory pro bezdotykové m��ení teploty pracující na principu pyrometrie, tzn. m��ení celkového vyzá�eného tepelného výkonu prost�ednictvím infra�erveného zá�ení. �ast�ji se však bolometry vyskytují v podob� integrovaných obvod� obsahující uspo�ádání n�kolika desítek, stovek nebo i tisíc� bolometr� do matice, obecn� ozna�ované jako mikrobolometry.

Vyu�ívají se nej�ast�ji pro pot�eby termovize, tedy pro infra�ervené snímání obrazu p�edm�t� s následnou mo�ností m��ení nebo detekce jejich teploty. Elektrický odpor bolometru se m�ní v závislosti na jeho teplot�, která však závisí na mno�ství absorbovaného dopadajícího infra�ervenéhozá�ení. Mno�ství dopadajícího zá�ení m��e být tedy ur�eno ze zm�n odporu bolometru. Aby však byla zm�na teploty bolometru úm�rná pouze absorbovanému infra�ervenému zá�ení, musí být vlastní bolometr tepeln� izolován od svého okolí. Mikrobolometr (microbolometer array) se od jednoduchého bolometru liší po�tem odporových plošek na jednom senzoru. Obvykle jde o �tvercovou strukturu (dvourozm�rné pole) pokrytou teplotn� citlivým odporovým materiálem ve form� plošek, které absorbují infra�ervené zá�ení. Celý mikrobolometrický senzor je pak vyroben jako monolitický k�emíkový obvod.

V reálných m��ících podmínkách je m��ení mnohem komplikovan�jší, proto�e infra�ervené zá�ení vyza�ované t�lesem, krom� jeho teploty, závisí také na jeho emisivit� – viz kapitola 4. 1. Infra�ervené zá�ení také vysílají okolní t�lesa a toto zá�ení je zkoumaným t�lesem odrá�eno. Zá�ení emitované t�lesem a odra�ené zá�ení m��e být navíc zeslabeno absorpcí ve vzduchu mezi objektem a kamerou.

Stupe� absorpce pak siln� závisí na vlhkosti vzduchu. Uvedené vlivy tvo�í soubor parametr�, které lze kvantifi kovat zavedením p�íslušných korek�ních koefi cient�, které je t�eba p�ed m��ením zvolit. Emisivita t�lesa je nejd�le�it�jší parametr, jeho� volba ovliv�uje správnost výsledk� p�i termovizních m��eních nejvíce. Obecn� materiály, respektive jejich povrchy, vykazují emisivitu v rozmezí 0,10 a� 0,95. Vysoce vylešt�ný povrch má emisivitu pod 0,10. Koefi cient zohled�ující odra�enou teplotu kompenzuje vliv zá�ení odra�eného m��eným t�lesem a vliv zá�ení z atmosféry mezi objektem a kamerou na výsledky m��ení termokamerou. V n�kterých p�ípadech, jeli emisivita malá, vzdálenost mezi objektem a kamerou velká a teplota objektu je blízká odra�ené teplot�, je d�le�ité vliv odra�ené teploty správn� kompenzovat. Dalšími korek�ními koeficienty, které lze p�ed m��ením v kame�e nastavit, jsou vzdálenost mezi objektem a objektivem kamery a relativní vlhkost prost�edí mezi objektivem a kamerou. Obvykle bývá p�edvolena hodnota 50%, která dob�e vyhovuje v p�ípad� malých vzdáleností objektu a kamery.

Vliv prost�edí (vzdálenosti) mezi kamerou a objektem lze navolit pomocí parametru externí optika, který zohled�uje i p�ípady, kdy pou�ijeme jiný objektiv pro kameru nebo do cesty zá�ení vlo�íme fi ltr. Vzdálenost mezi kamerou a objektem pro p�ípad vzduchu nemá obvykle p�íliš velkou váhu ve srovnání s ostatními parametry ovliv�ujícími p�esnost ur�ení teploty povrchu objektu. V p�ípad� jiného prost�edí mezi kamerou a objektem (nap�íklad sklo nebo jiný materiál) musíme vliv tohoto parametru posoudit.

M��ení termokamerou, praktické výsledky a záv�ry z m��ení

Jak bylo uvedeno v úvodní kapitole, v procesu vst�ikování termoplast� a kompozit� s termoplastickou matricí hraje významnou roli teplota tvarových díl� vst�ikovací formy a �asový teplotní pr�b�h v jednotlivých partiích výst�iku. M��ení uvedených parametr� jak dotykovými metodami, tak zejména bezdotykov�, m��e p�inést celou �adu poznatk� o výrob� a chování daného výst�iku, p�i�em� získané termogramy a jejich interpretaci m��eme propojit jak s výsledky simula�ních výpo�t� – s výpo�ty rozlo�ení teploty ve výst�iku v pr�b�hu vst�ikovacího procesu i po jeho vyhození z tvarové dutiny formy, se simula�ními hodnotami objemového smršt�ní a deformacemi výst�iku – tak i s výsledky m��ení tvarové a rozm�rové p�esnosti výst�ik� s pomocí sou�adnicových m��ících stroj� nebo pomocí skener�.

P�i bezdotykovém m��ení výst�ik� termokamerami je nutno si uv�domit, �e tato m��ení, která mohou být i kontinuální, hodnotí rozlo�ení povrchových teplot, jejich� vývoj je dán i tlouš�kou daného místa výst�iku – výst�ik v tvarové dutin� formy i mimo ni chladne od povrch� do st�edu a zárove�, zejména u výst�ik� s velkou tlouš�kou st�ny, probíhá p�enos tepla ze st�edu výst�iku na jeho povrch.

Uvedenými porovnáními sice získáme celou �adu poznatk�, ale z pohledu vlastní vst�ikovací praxe m��eme konstatovat, �e v ur�itém smyslu p�icházíme „s k�í�kem po funuse“. Jedná se toti� o m��ení ji� vyrobených vst�ikovacích forem, hodnocení ji� hotových výst�ik�, o hodnocení ji� probíhajících proces�, atd. P�es toto ur�itým zp�sobem negativní vyjád�ení, m��ení povrchové teploty termokamerou p�ináší celou �adu vyu�itelných výsledk�, nap�íklad:

· zjiš�ování teplotních nehomogenit v rozlo�ení pracovní teploty na povrchu tvarových díl�

· formy, v�etn� jejích pohyblivých díl�, �elistí, hydraulicky ovládaných jader, atd.,na povrchu výst�iku po jeho vyhození z tvarové dutiny formy; zjiš�ování tzv. hot – spot�, tj. p�eh�átých míst v tvarových dutinách forem a tedy i na výst�icích, která mohou vést k lokálním deformacím tvar� výst�iku, ke sní�ení �ivotnosti vst�ikovací formy a k prodlou�ení doby chlazení a tedy celého výrobního cyklu

· výše uvedené výsledky mohou poslou�it jako podklad pro opravu tempera�ního systému formy, p�ípadn� k novému rozd�lení nebo propojení jednotlivých tempera�ních okruh� formy

· dále jako podklady pro konstrukci chladících a rovnacích p�ípravk�

· pro ov��ení simula�ních výpo�t�

· pro stanovení doby nasazení výst�ik� na p�ípravky

· pro kontrolu (i pr�b�nou) do formy vkládaných insert� (kovových nebo z kompozitních p�edtvarovaných nebo p�ímo v procesu p�edeh�ívaných a tvarovaných kompozitních vyztu�ujících díl�, apod.)

· pro kontrolu teploty výst�ik� p�ed další montá�í nebo balením

· vyhodnocené termogramy p�inášejí zvýšení znalostí vývojových, konstruk�ních pracovník� dané firmy, v�etn� údr�by – napomáhají, p�i provád�ní p�edvýrobních etap výroby nového výst�iku se vyvarovat mo�ných opakujících se chyb

Výsledky simula�ních výpo�t� povrchové teploty výst�ik� (lze po�ítat i teplotu v �ezech a ve vrstvách) - chlazení výst�ik� voln� na stojatém vzduchu, teplota okolí 20 °C, koeficient p�estupu tepla 8 W/mK:

· 2 minuty po vyhození z formy; povrchová teplota v rozmezí 76°C a� 79°C

· 6 minut po vyhození z formy; povrchová teplota v rozmezí 46 °C a� 47 °C

Stejn� jako z termogram� lze ur�it místa se zvýšenou teplotu, co� signalizuje v�tší lokální hodnotu smršt�ní a mo�nost deformací výst�iku. Tvarové a rozm�rové m��ení výst�iku – laserový scener – mapa tvarových a rozm�rových odchylek od 3D modelu, stupnice +0,5 mm / -0,5 mm; odchylky jsou výsledkem �et�zce -konstrukce výst�iku, materiál výst�iku, technologické parametry vst�ikování-teplota formy, smršt�ní, deformace.

Tuto problematiku rozebíral Aleš Herman, Lubomír Zeman a Vladimír Chmelík na seminá�i Formy a Plasty Brno 2018, po�ádaném firmou SVOBODA.

První �ást najdete zde »