במדידת טמפרטורת פני השטח של סיטו בכבשן מסוע באמצעות תרמוגרפיה אינפרא-אדום מוטבעת

Summary

פרוטוקול זה מתאר כיצד להתקין מצלמת אינפרא-אדום בכבשן מסוע, לבצע תיקון לקוח של מצלמת IR מכוילת במפעל ולהעריך את התפלגות טמפרטורת פני השטח המרחבית של אובייקט מעניין. האובייקטים לדוגמה הם תאים סולאריים סיליקון תעשייתי.

Abstract

מדידת טמפרטורת פני השטח של עצמים המעובדים בתנורי מסוע היא כלי חשוב בשליטה בתהליכים ובאבטחת איכות. כיום, טמפרטורת פני השטח של אובייקטים מעובדים בתנורי מסוע נמדדת בדרך כלל באמצעות תרמוקופלים. עם זאת, תרמוגרפיה אינפרא-אדום (IR) מציגה יתרונות מרובים בהשוואה למדידות תרמיקופל, מכיוון שהיא שיטה ללא מגע, בזמן אמת ונפתרת מרחבית. כאן, כדוגמה ייצוגית הוכחה של מושג, מערכת תרמוגרפיה מוטבעת מותקן בהצלחה לתוך תנור ירי שמש מופעל מנורת IR, אשר משמש לתהליך ירי מגע של תאים סולאריים Si תעשייתי. פרוטוקול זה מתאר כיצד להתקין מצלמת IR לתוך תנור מסוע, לבצע תיקון לקוח של מצלמת IR מכוילת במפעל ולבצע את ההערכה של התפלגות טמפרטורת פני השטח המרחבית באובייקט יעד.

Introduction

בקרת תהליך ואבטחת איכות של אובייקטים המעובדים בתנורי^{מסוע 1} חשובה ומושגת על ידי מדידת טמפרטורת פני השטח של האובייקט. כיום, הטמפרטורה נמדדת בדרך כלל על-ידי תרמיקופל¹. מכיוון שמדידות תרמיות דורשות מגע עם האובייקט, תרמו-אופלים פוגעים באובייקט באופן בלתי נמנע. לכן, נפוץ לבחור דגימות מייצגות של אצווה למדידות טמפרטורה, אשר אינם מעובדים עוד מאז שהם הופכים פגומים. הטמפרטורות הנמדדות של אובייקטים פגומים אלה מוכללים לאחר מכן לדגימות הנותרות מהאצווה, המעובדות עוד יותר. בהתאם לכך, יש להפריע לייצור עבור מדידות תרמיות. יתר על כן, הקשר הוא מקומי, יש להתתקן מחדש לאחר כל מדידה, ומשפיע על הטמפרטורה המקומית.

תרמוגרפיה אינפרא-אדום (IR)^{2 כוללת} מספר יתרונות על פני מדידות תרמיקופל קלאסיות והיא מייצגת שיטת מדידת טמפרטורה ללא מגע, in-situ, בזמן אמת, חוסכת זמן ושיטת מדידת טמפרטורה שנפתרה מרחבית. באמצעות שיטה זו, ניתן למדוד כל דגימה של האצווה, כולל אלה המעובדים עוד יותר, מבלי להפריע לייצור. בנוסף, ניתן למדוד את התפלגות טמפרטורת פני השטח, המספקת תובנה לגבי הומוגניות טמפרטורה במהלך התהליך. התכונה בזמן אמת מאפשרת תיקון של הגדרות טמפרטורה באופן כללי. עד כה, הסיבות האפשריות אי שימוש תרמוגרפיה IR בתנורי מסוע הם 1) פרמטרים אופטיים לא ידועים של אובייקטים חמים (במיוחד עבור שאינם מתכות³⁾ו 2) קרינה סביבתית טפילית בתנור (כלומר, קרינה משתקפת שזוהתה על ידי מצלמת IR בנוסף לקרינה הנפלטת מהעצם), מה שמוביל פלט^{טמפרטורה כוזבת 2}.

כאן, כדוגמה הוכחה של מושג מייצג של תרמוגרפיה IR בכבשן מסוע, התקנו בהצלחה מערכת תרמוגרפיה מוטבעת לתוך תנור ירי שמש מופעל מנורת IR ( איור 1 ), אשרמשמש במהלך תהליךירי מגע של תאים סולאריים Si תעשייתי ( איור2A,B)^4,,5. תהליך הירי הוא צעד מכריע בסוף ייצור תאים סולאריים תעשייתיים⁶. בשלב זה, אנשי הקשר של התא נוצרים^7,8, ו passivation פני השטח מופעל⁹. כדי להשיג בהצלחה את האחרון, יש לממש במדויק את פרופיל טמפרטורת הזמן במהלך תהליך הירי(איור 2C). לכן, בקרת טמפרטורה יעילה מספיקה נדרשת. פרוטוקול זה מתאר כיצד להתקין מצלמת IR לתוך תנור מסוע, לבצע תיקון לקוח של מצלמת IR מכוילת במפעל ולהעריך את התפלגות טמפרטורת פני השטח המרחבית של אובייקט יעד.

Protocol

1. התקנת מצלמת IR לתוך תנור מסוע

1. החלט איזה חלק של הכבשן צריך להימדד על-ידי מצלמת ה- IR.
   הערה: כאן נבחר אזור השיא של תהליך הירי (ראה האזור המודגש בכתום באזור הירי של איור 1א').
2. הגדר את טווח הטמפרטורה של עניין שמצלמת ה- IR אמורה לזהות (לדוגמה, 700-900°C, טווח טמפרטורת השיא האופייני של תהליך הירי).
3. לקבוע, או לפחות להעריך (באמצעות ניסויים או ספרות), את הטמפרטורה, ספקטרלי, ופליטה תלויזוויתית של האובייקטים (למשל, תא סולרי סיליקון) כדי לזהות את טווח אורך הגל של הפליטה הגבוהה ביותר עבור טווח הטמפרטורה של עניין (תחת זווית מצלמה ספציפית).
   הערה: כאן, הפליטה מוערכת^{בהתבסס על ספרות קודמת 3 ותוכנה} בשם RadPro¹⁰, המחשבת את האמיסה הספקטרלית, הזוויתית ותלויה בטמפרטורה עבור חומרים בעלי עניין.
4. החלטה על סוג מצלמת IR
   הערה: כאן, נעשה שימוש במצלמת אינפרה-אדום (MWIR) של אינדיום אנטי-מונייד (InSb)(טבלת חומרים).
   1. בחר מצלמה שיכולה לזהות את טווח הטמפרטורות של עניין.
   2. בחר מצלמה שטווח אורך הגל של הזיהוי שלה תואם לטווח אורך הגל של הפליטה הגבוהה ביותר של אובייקט העניין בטווח הטמפרטורה של העניין.
   3. הימנע מזיהוי קרינה טפילית על-ידי המצלמה ככל האפשר על-ידי הימנעות מחפצים הפולטים או משקפים קרינה בשדה המצלמה (לדוגמה, מנורות IR בכבשן).
   4. החלט על הרזולוציה המרחבית והזמנית הנחוצה של המצלמה (לדוגמה, 640 px x 512 px ו- 125 הרץ [תמונה מלאה] עבור המצלמה המשומשת כאן).
5. מימוש נתיב אופטי מספיק ממצלמת ה- IR לאובייקט (ראה איור 1ב').
   1. הימנע מחפצים מטרידים בנתיב האופטי (לדוגמה, מנורות IR הגורמות לאור ישיר או משתקף).
   2. מקם את המצלמה מחוץ לתא הכבשן, אם הדבר אפשרי.
      הערה: ברוב המצלמות יש טמפרטורות הפעלה נמוכות (לדוגמה, עד 50 °C). ודא מראש שניתן לשנות את מיקום המצלמה, אם תרצה.
   3. הסר את קיר הכבשן ואת הבידוד במיקום שבו אמור להיות הנתיב האופטי והחלף את החור בחלון IR מבודד.
      1. בחר את החומר המתאים עבור החלון העומד בדרישות הבאות: 1) שקוף ככל האפשר עבור טווח אורך הגל של הזיהוי של המצלמה (לדוגמה, חלון זכוכית קוורץ עבור ~ 0.2 μm < ρ < 3 μm, חלון ספיר עבור ~ 0.4 μm < ρ < 4.2 μm) ו 2) מסוגל לבודד את תא הכבשן תרמית.
         הערה: הטמפרטורות המתוברות של החלון עשויות להשפיע על שידור החלון.
      2. הימנע מנזק של חלון ה- IR. אין להדק את החלון כדי למנוע שבירה במהלך הרחבת החום.
         הערה: חומר החלון צריך להיות כמות מספקת של שטח כדי להרחיב בעת מחומם.
6. בדוק את שדה התצוגה שנוצר (FOV) של מצלמת ה- IR על-ידי בדיקת תמונת התרמוגרפיה באמצעות תוכנת מצלמת IR. זהה את האובייקט המיועד ואת הטמפרטורה שלו בתדמית התרמוגרפיה. כוונן את FOV, במידת הצורך.

2. תיקון טמפרטורת לקוח גלובלי של מצלמת IR מכוילת ייצור

התראה: ייצור מצלמת ה- IR הוא הניח לכלול כיול רדיומטרי.

1. תבחין בחפצים אופטיים מקומיים, כגון השתקפות וקרינה ברקע.
2. ערוך מדידות תרמיות קלאסיות של האובייקט ובו-זמנית הקלטת הוופל כולל thermocouple עם מצלמת IR.
   1. בדוק את תוקפם של התרמוקופלים המשומשים. חפש נקודות טמפרטורה אופייניות מוכרות בפרופיל הטמפרטורה של האובייקט המעובד שניתן לזהות בבירור (לדוגמה, הפרעה בקו חלק). אם התרמוקופל מודד נקודות טמפרטורה אלה כראוי, קרוב לוודאי שהתרמוקופל מכויל כראוי.
   2. דוגמה באמצעות תאים סולריים סיליקון
      1. מניחים את התרמוקופל בצד האחורי של הוופל. קח פרופיל טמפרטורה עבור תהליך ירי סטנדרטי¹¹.
      2. אמת את התרמוקופלים על-ידי קביעה אם קיימת הפרעה בפרופיל הטמפרטורה מהצעד 2.2.2.1 סביב הטמפרטורה האו-לקטית של אל-סי של 577°C בצורה של עקומה מחמיאה (כפי שאירע באיור 2D).
         הערה: אם ההפרעה מתרחשת בטמפרטורה סביב 577 °C, זה סימן כי מדידת הטמפרטורה על ידי thermocouple הוא מדויק. השתמש רק באופלי תרמית מאומתים עבור השלבים הבאים.
   3. נהל מדידות תרמיות בטווח הטמפרטורה של עניין באותו נקודת אובייקט (מספר פעמים מסיבות סטטיסטיות), ולאחר מכן בנקודות אקראיות שונות מרחבית (מסיבות סטטיסטיות) כדי להשיג פרופילים בטמפרטורת זמן.
3. לקבוע את טמפרטורת אובייקט התרמוגרפיה המקומית שלא תוקן מתחת לתרמוקופלים ממדידות התרמוקופל מהצעד 2.2.3 תוך הצבת התרמוקופל בצד העליון של האובייקט.
   1. בדוק אם ייתכן ירידה בטמפרטורה המקומית סביב thermocouple יצירת קשר (בשל פיפוג חום וההפללה). הנח את הטמפרטורה בקרבת thermocouple כמו טמפרטורת האובייקט ישירות מתחת thermocouple, אם ירידה בטמפרטורה המקומית אינה קיימת.
   2. בצע את השלבים הבאים אם קיים ירידה בטמפרטורה מקומית.
      1. לקבוע את מעבר הצבע של הטמפרטורה המרחבית של ירידה בטמפרטורה הנוכחית בחלק שלא מכוסה על ידי thermocouple.
         הערה: מומלץ לקבוע את מעבר הצבע בנקודות מרובות סביב ירידה בטמפרטורה (רדיאלית) ולקבוע מעבר צבע ממוצע.
      2. להעריך את התרומה של חפצים אופטיים אפשריים המושרה על ידי thermocouple (פרוטוקול לדוגמה עבור מקרה שבו טמפרטורה הומוגנית לאורך כיוון עומק התא הוא הניח, כגון בתאים סולאריים Si).
         1. מקם את התרמוקופל על פני השטח מול המשטח הנמדד וחזור על מדידת התרמוקופל והתרמוגרפיה בתצורה זו (כפי שמתואר באיור 3א'). סובב את האובייקט, כולל thermocouple, מסביב כך thermocouple לא יהיה בנתיב האופטי בין המצלמה לאובייקט.
            הערה: אם מעבר הצבע של ירידה בטמפרטורה המקומית זהה עבור thermocouple להיות בתוך ומחוץ לנתיב האופטי (כלומר, מצורף למשטח נמדד או הנגדי), זה סימן כי thermocouple ככל הנראה אינו לגרום לחפצים אופטיים.
         2. להשער את מעבר הצבע של ירידה בטמפרטורה במקרה של thermocouple יצירת קשר עם פני השטח נמדד (כלומר, בתוך נתיב אופטי) לאזור מכוסה על ידי thermocouple כדי לקבל את הטמפרטורה של האובייקט מתחת thermocouple.
         3. חזור על 2.3.2.2.2 עבור כל מדידה מ- 2.2.3.
4. חלופה 2.3: לקבוע את טמפרטורת אובייקט תרמיה לא תרמוגרפיה מקומית מתחת thermocouples ממדידות thermocouple מ צעד 2.2.3 תוך הצבת thermocouple בצד התחתון של האובייקט. כדי לקבוע את טמפרטורת התא הסולארי התרמוגרפי הלא תוקן המקומי מתחת לתרמוקופל, לחלץ את הטמפרטורה המקומית במיקום של thermocouple.
   הערה: שמירה על התרמוקופל בצד האחורי מונעת מהתרמוקופל לחסום את המראה על-ידי המצלמה. לכן, מצד אחד, תיקון הטמפרטורה הוא פשוט יותר באופן משמעותי. מצד שני, thermocouples בדרך כלל אינם ממוקמים בצד התחתון של האובייקט במהלך תהליך הירי, ובכך עלול להוביל לסיבוכים תפעוליים, ולכן חלופה זו צריכה להתבצע בזהירות רבה במיוחד.
5. תקן את תמונת התרמוגרפיה הלא מתוקנת ביחס לטמפרטורות הנמדדות של תרמיקופל עם הנתונים שנוצרו בשלבים 2.3 או 2.4.
   1. התווה את הטמפרטורות הנמדדות באמצעות תרמוקופלסים כנגד הטמפרטורות שנקבעו באמצעות תרמוגרפיה IR לא תקנו. לבצע התאמת עקומה.
   2. החל את העקומה שהושגה המתאימה כנוסחת תיקון כללי אחידה עבור תמונת התרמוגרפיה הלא תירנכון.
6. חזור על תיקון הטמפרטורה עבור כל סוג או תצורה חדשים של אובייקט, במיוחד כאשר הפרמטרים האופטיים שונים.

3. הערכה של התפלגות טמפרטורת פני השטח המרחבית באמצעות תרמוגרפיה IR

הערה: תנאי הירי הם הניחים להיות זהים עבור סעיף זה.

1. יצירת מפת התפלגות טמפרטורת שיא דו-ממדית (ראה איור 4A)
   1. כתוב קובץ Script עם שפת תכנות מתאימה כדי לעקוב אחר טמפרטורת אובייקט פני השטח עבור כל נקודת פני השטח של אובייקט לאורך כל המצלמה FOV, כלומר פועל כמו "thermocouple וירטואלי" ממוקם בכל נקודות אובייקט בו זמנית.
      הערה: כאן, התסריט נכתב ב- MATLAB.
   2. לחלץ את הערך המרבי, כלומר טמפרטורת השיא, עבור כל נקודת אובייקט ולתכנן טמפרטורות אלה במפת התפלגות דו-ממדית מתאימה.
2. התפלגות טמפרטורה ממוצעת בניצב לכיוון תפוקת האובייקט (ראה איור 4ב')
   1. בכיוון התפוקה: ממוצע התפלגות הטמפרטורה הדו-ממדית בממד ההפוכה לכיוון התפוקה. מה שנשאר, הוא התפלגות הטמפרטורה הממוצעת 1D בכיוון התפוקה.
   2. ניצב לכיוון התפוקה: ממוצע התפלגות הטמפרטורה הדו-ממדית בממד שנמצא בכיוון תפוקה. מה שנשאר, הוא התפלגות הטמפרטורה הממוצעת 1D ניצב לכיוון התפוקה.
      הערה: מומלץ להשמט את סנטימטר האחרון (לפחות) של הקצה עבור ממוצע מאז חפצים אופטיים בקצה האובייקט עשוי לזייף את ממוצע הטמפרטורה שנוצר.

תוצאות

כפי המוצג באות 3B-D, האובייקט לדוגמה (כאן, תא סולרי מסיליקון; לעצם, מקרן פאסיב ותא אחורי [PERC]^12; איור 2A,B) ניתן לזהות בבירור על-ידי מצלמת IR בתצורות שונות⁴. התצורות השונות הן מטליותמונו-פייסיות (איור 3B),

Discussion

בדרך כלל, טמפרטורת התרמוגרפיה מתוקנת באמצעות מדידה והתאמה של הפרמטרים האופטיים של האובייקט, חלון ותיב transmissive, וטמפרטורה סביבתית של האובייקט וחלון transmissive². כשיטה חלופית, טכניקה לתיקון טמפרטורה המבוססת על מדידות תרמיקופל מתוארת בפרוטוקול זה. עבור השיטה האחרונה, אין צורך בידע ע...

Materials

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