In Situ Medición de Temperatura de Superficie en un Horno de Cinta Transportadora a través de Termografía Infrarroja Inline

Resumen

Este protocolo describe cómo instalar una cámara infrarroja en un horno de cinta transportadora, realizar una corrección del cliente de una cámara IR calibrada de fábrica y evaluar la distribución de temperatura de la superficie espacial de un objeto de interés. Los objetos de ejemplo son células solares de silicio industrial.

Resumen

La medición de la temperatura superficial de los objetos que se procesan en hornos de cinta transportadora es una herramienta importante en el control del proceso y el aseguramiento de la calidad. Actualmente, la temperatura superficial de los objetos procesados en hornos de cinta transportadora se mide típicamente a través de termopares. Sin embargo, la termografía infrarroja (IR) presenta múltiples ventajas en comparación con las mediciones de termopar, ya que es un método sin contacto, en tiempo real y resuelto espacialmente. Aquí, como ejemplo representativo de prueba de concepto, un sistema de termografía en línea se instala con éxito en un horno de cocción solar alimentado por lámpara IR, que se utiliza para el proceso de cocción de contacto de células solares Si industriales. Este protocolo describe cómo instalar una cámara IR en un horno de cinta transportadora, realizar una corrección del cliente de una cámara IR calibrada de fábrica y realizar la evaluación de la distribución de la temperatura de la superficie espacial en un objeto de destino.

Introducción

El control del proceso y la garantía de calidad de los objetos procesados en los hornos de cinta transportadora¹ es importante y se logra midiendo la temperatura superficial del objeto. Actualmente, la temperatura se mide típicamente por un termopar¹. Como las mediciones del termopar requieren contacto con el objeto, los termopares inevitablemente dañan el objeto. Por lo tanto, es común elegir muestras representativas de un lote para mediciones de temperatura, que no se procesan más ya que se dañan. Las temperaturas medidas de estos objetos dañados se generalizan a las muestras restantes del lote, que se procesan posteriormente. En consecuencia, la producción debe interrumpirse para las mediciones del termopar. Además, el contacto es local, necesita ser reajustado después de cada medición, e influye en la temperatura local.

La termografía infrarroja (IR)² tiene una serie de ventajas sobre las mediciones clásicas del termopar y representa un método de medición de temperatura sin contacto, in situ, en tiempo real, ahorro de tiempo y resuelto espacialmente. Con este método, cada muestra del lote, incluidas las que se procesan más adelante, se puede medir sin interrumpir la producción. Además, se puede medir la distribución de la temperatura superficial, lo que proporciona información sobre la homogeneidad de la temperatura durante el proceso. La función en tiempo real permite la corrección de los ajustes de temperatura sobre la marcha. Hasta ahora, las posibles razones para no utilizar la termografía IR en hornos de cinta transportadora son 1) parámetros ópticos desconocidos de objetos calientes (especialmente para los no metálicos³⁾y 2) radiación ambiental parasitaria en el horno (es decir, radiación reflejada detectada por la cámara IR además de la radiación emitida por el objeto), lo que conduce a una salida de temperatura falsa².

Aquí, como ejemplo representativo de prueba de concepto de termografía IR en un horno de cinta transportadora, instalamos con éxito un sistema de termografía en línea en un horno de cocción solar alimentado por lámpara IR (Figura 1), que se utiliza durante el proceso de cocción de contacto de células solares Si industriales (Figura 2A, B)^4,5. El proceso de cocción es un paso crucial al final de la producción industrial de células solares⁶. Durante este paso, los contactos de la celda se forman^7,8, y la pasivación de la superficie se activa⁹. Para lograr con éxito este último, el perfil de tiempo-temperatura durante el proceso de cocción (Figura 2C) debe realizarse con precisión. Por lo tanto, se requiere un control de temperatura suficiente y eficiente. Este protocolo describe cómo instalar una cámara IR en un horno de cinta transportadora, realizar una corrección del cliente de una cámara IR calibrada de fábrica y evaluar la distribución de temperatura de la superficie espacial de un objeto de destino.

Protocolo

1. Instalación de la cámara IR en un horno de cinta transportadora

1. Decida qué parte del horno debe medirse mediante la cámara IR.
   NOTA: Aquí se elige la zona máxima del proceso de cocción (ver la zona resaltada en naranja en el área de disparo de la Figura 1A).
2. Defina el rango de temperatura de interés que la cámara IR debe detectar (por ejemplo, 700-900 oC, el rango de temperatura máxima típico del proceso de cocción).
3. Determinar, o al menos estimar (a través de experimentos o literatura), la temperatura, las emisiones dependientes espectrales y angulares de los objetos de interés (por ejemplo, la célula solar de silicio) para identificar los rangos de longitud de onda de emisión más alta para el rango de temperatura de interés (bajo un ángulo de cámara específico).
   NOTA: Aquí, la emisión se estima sobre la base de la literatura anterior³ y un software llamado RadPro¹⁰, que calcula la emisividad espectral, angular y dependiente de la temperatura para materiales de interés.
4. Decidir sobre el tipo de cámara IR
   NOTA: Aquí se utiliza una cámara antimonida de indio de indium de onda media (MWIR)(InSb) (Tabla de materiales).
   1. Elija una cámara que pueda detectar el rango de temperatura de interés.
   2. Seleccione una cámara cuyo rango de longitud de onda de detección coincida con el rango de longitud de onda de mayor emisión del objeto de interés en el rango de temperatura de interés.
   3. Evite la mayor detección de radiación parasitaria posible por parte de la cámara evitando objetos que emitan o reflejen la radiación en el campo de visión de la cámara (por ejemplo, lámparas IR en un horno).
   4. Decide la resolución espacial y temporal necesaria de la cámara (por ejemplo, 640 px x 512 px y 125 Hz [imagen completa] para la cámara usada aquí).
5. Realice una trayectoria óptica suficiente desde la cámara IR hasta el objeto (consulte la figura 1B).
   1. Evite perturbar objetos en la trayectoria óptica (por ejemplo, lámparas IR que causen luz directa o reflejada).
   2. Coloque la cámara fuera de la cámara del horno, si es posible.
      NOTA: La mayoría de las cámaras tienen bajas temperaturas de funcionamiento (p. ej., hasta 50 oC). Asegúrese de que la posición de la cámara se puede cambiar, si lo desea.
   3. Retire la pared del horno y el aislamiento en el lugar donde debe estar la trayectoria óptica y reemplace el orificio con una ventana IR aislante.
      1. Elija el material adecuado para la ventana que cumpla con las siguientes exigencias: 1) lo más transparente posible para el rango de longitud de onda de detección (o) de la cámara (p. ej., ventana de vidrio de cuarzo para 0,2 m < < 3 m, ventana de zafiro para 0,4 m < 4,2 m) y 2) capaz de aislar la cámara térmica del horno.
         NOTA: Las temperaturas resultantes de la ventana pueden influir en la transmisión de la ventana.
      2. Evite daños en la ventana IR. No apriete la ventana para evitar roturas durante la expansión del calor.
         NOTA: El material de la ventana debe tener una cantidad suficiente de espacio para expandirse cuando se calienta.
6. Compruebe el campo de visión resultante (FOV) de la cámara IR examinando la imagen de termografía a través del software de la cámara IR. Identifique el objeto objetivo y su temperatura en la imagen de termografía. Ajuste el FOV, si es necesario.

2. Corrección global de la temperatura del cliente de una cámara IR calibrada de fabricación

ADVERTENCIA: Se supone que la fabricación de la cámara IR incluye una calibración radiométrica.

1. Detecte artefactos ópticos locales, como la reflexión y la radiación de fondo.
2. Realice mediciones clásicas del termopar del objeto mientras graba simultáneamente la oblea, incluido el termopar con la cámara IR.
   1. Compruebe la validez de los termopares utilizados. Busque puntos de temperatura característicos conocidos en el perfil de temperatura del objeto procesado que puedan detectarse claramente visiblemente (por ejemplo, interrupción en una línea suave). Si el termopar mide estos puntos de temperatura correctamente, lo más probable es que el termopar esté correctamente calibrado.
   2. Ejemplo de uso de células solares de silicio
      1. Coloque el termopar en el lado trasero de aluminio de la oblea. Tome un perfil de temperatura para un proceso de cocción estándar¹¹.
      2. Validar los termopares determinando si hay una interrupción en el perfil de temperatura del paso 2.2.2.1 alrededor de la temperatura eutéctica De Al-Si de 577 oC en forma de curva más plana (como es el caso en la Figura 2D).
         NOTA: Si la interrupción se produce a una temperatura de alrededor de 577 oC, es una señal de que la medición de la temperatura por el termopar es precisa. Utilice únicamente termopares validados para los siguientes pasos.
   3. Realice mediciones de termopar en el rango de temperatura de interés en el mismo punto de objeto (varias veces por razones estadísticas), luego en varios puntos aleatorios espacialmente (por razones estadísticas) para obtener perfiles de temperatura-tiempo.
3. Determinar la temperatura del objeto de termografía local no corregida debajo de los termopares de las mediciones del termopar del paso 2.2.3 mientras coloca el termopar en la parte superior del objeto.
   1. Compruebe si hay una posible caída de temperatura local alrededor del termopar en contacto (debido a la disipación de calor y el sombreado). Supongamos que la temperatura en las proximidades del termopar como la temperatura del objeto directamente debajo del termopar, si no hay una caída de temperatura local.
   2. Realice los pasos siguientes si hay una caída de temperatura local.
      1. Determinar el gradiente de temperatura espacial de la caída de temperatura actual en la parte que no está cubierta por el termopar.
         NOTA: Se recomienda determinar el gradiente en varios puntos alrededor de la caída de temperatura (radialmente) y determinar un gradiente promedio.
      2. Estimar la contribución de posibles artefactos ópticos inducidos por el termopar (ejemplo protocolo para un caso en el que se asume una temperatura homogénea a lo largo de la dirección de profundidad de la célula, como en las células solares Si).
         1. Coloque el termopar en la superficie opuesta a la superficie medida y repita la medición del termopar y la termografía en esta configuración (como se muestra en la Figura 3A). Gire el objeto, incluido el termopar, para que el termopar no esté en la trayectoria óptica entre la cámara y el objeto.
            NOTA: Si el gradiente de la caída de temperatura local es el mismo para el termopar que se encuentra dentro y fuera de la trayectoria óptica (es decir, unido a la superficie medida o opuesta), es una señal de que el termopar probablemente no induce artefactos ópticos.
         2. Extrapolar el gradiente de la caída de temperatura en el caso del termopar que entra en contacto con la superficie medida (es decir, dentro de la trayectoria óptica) al área cubierta por el termopar para obtener la temperatura del objeto debajo del termopar.
         3. Repita 2.3.2.2.2 para cada medición del paso 2.2.3.
4. Alternativa a 2.3: Determine la temperatura del objeto termográfico local no corregido debajo de los termopares de las mediciones del termopar del paso 2.2.3 mientras coloca el termopar en el lado inferior del objeto. Para determinar la temperatura local de la célula solar de termografía no corregida bajo el termopar, extraiga la temperatura local en la posición del termopar.
   NOTA: Mantener el termopar en la parte trasera evita que el termopar bloquee la mira del objeto por la cámara. Por lo tanto, por un lado, la corrección de temperatura es significativamente más simple. Por otro lado, los termopares generalmente no se colocan en la parte inferior del objeto durante el proceso de cocción, por lo que podría conducir a complicaciones operativas, razón por la cual esta alternativa debe llevarse a cabo con mucho cuidado.
5. Corrija la imagen termografía no corregida con respecto a las temperaturas medidas del termopar con los datos generados a partir de los pasos 2.3 o 2.4.
   1. Trazar las temperaturas medidas a través de termopares contra las temperaturas determinadas a través de termografía IR no corregida. Llevar a cabo un ajuste de curva.
   2. Aplique el ajuste de curva obtenido como una fórmula de corrección global uniforme general para la imagen termografía no corregida.
6. Repita la corrección de temperatura para cada nuevo tipo de objeto o configuración, especialmente cuando los parámetros ópticos difieren.

3. Evaluación de la distribución de la temperatura de la superficie espacial a través de termografía IR

NOTA: Se supone que las condiciones de cocción son idénticas para esta sección.

1. Creación de un mapa de distribución de temperatura máxima bidimensional (véase la figura 4A)
   1. Escriba un script con un lenguaje de programación adecuado para realizar un seguimiento de la temperatura del objeto de superficie para cada punto de superficie del objeto a lo largo de toda la cámara FOV, es decir, actuando como un "termopar virtual" colocado en todos los puntos de objeto simultáneamente.
      NOTA: Aquí, el script está escrito en MATLAB.
   2. Extraiga el valor máximo, es decir, la temperatura máxima, para cada punto de objeto y trace estas temperaturas en un mapa de distribución 2D correspondiente.
2. Distribución de temperatura media en y perpendicular a la dirección de rendimiento del objeto (consulte la figura 4B)
   1. En la dirección de rendimiento: promedia la distribución de temperatura 2D en la dimensión que es opuesta a la dirección de rendimiento. Lo que queda es la distribución media de la temperatura 1D en la dirección de rendimiento.
   2. Perpendicular a la dirección de rendimiento: promedia la distribución de temperatura 2D en la dimensión que está en dirección de rendimiento. Lo que queda es la distribución media de la temperatura 1D perpendicular a la dirección de rendimiento.
      NOTA: Se recomienda dejar fuera el último centímetro (al menos) del borde para el promedio, ya que los artefactos ópticos en el borde del objeto podrían falsificar el promedio de temperatura resultante.

Resultados

Como se muestra en la Figura 3B-D, el objeto de ejemplo (aquí, una célula solar de silicio; estrictamente hablando, un emisor pasivado y una celda posterior [PERC]¹²; La Figura 2A,B) puede ser detectada claramente por la cámara IR en diferentes configuraciones^4. Las diferentes configuraciones son metalizadas monofacialmente (Figura 3B),

Discusión

Comúnmente, la temperatura de la termografía se corrige midiendo y adaptando los parámetros ópticos del objeto, ventana y trayectoria transmisiva, y temperatura ambiental del objeto y ventana transmisiva^2. Como método alternativo, en este protocolo se describe una técnica de corrección de temperatura basada en mediciones de termopar. Para este último método, no se requiere el conocimiento de los parámetros mencionados anteriormente. Para la aplicación que se muestra aquí, este método ...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Datalogger incl. Thermal barrier	Datapaq Ltd.
IR thermography camera "Image IR 8300"	InfraTec GmbH
IR thermography software "IRBIS Professional 3.1"	InfraTec GmbH
Solar cells	Fraunhofer ISE
Solar firing furnace "RFS 250 Plus"	Rehm Thermal Systems GmbH
Sheath thermocouples type K	TMH GmbH
Thermocouple quartzframe	Heraeus Noblelight GmbH