Измерение температуры поверхности situ в печи конвейерной ленты с помощью инфракрасной термографии

Резюме

В этом протоколе описывается, как установить инфракрасную камеру в конвейерную ленту печи, провести заказчик коррекции заводской откалиброванной ИК-камеры, а также оценить пространственное распределение температуры поверхности объекта, представляющий интерес. Примером объектов являются промышленные кремниевые солнечные элементы.

Аннотация

Измерение температуры поверхности объектов, обрабатываемых в конвейерных печах, является важным инструментом контроля процесса и обеспечения качества. В настоящее время температура поверхности объектов, обрабатываемых в конвейерных печах, обычно измеряется с помощью термокоуплей. Тем не менее, инфракрасная (ИК) термография представляет многочисленные преимущества по сравнению с термокорпусными измерениями, так как это бесконтактный, в режиме реального времени и пространственно разрешенный метод. Здесь, в качестве репрезентативного доказательства концепции пример, inline термографии система успешно установлена в ИК-лампа питание солнечной печи стрельбы, которая используется для процесса контактного стрельбы промышленных солнечных батарей Si. В этом протоколе описывается, как установить ИК-камеру в конвейерную ленту печи, провести коррекцию заказчика заводской откалиброванной ИК-камеры, а также выполнить оценку пространственного распределения температуры поверхности на целевом объекте.

Введение

Контроль процесса и обеспечение качества объектов, обрабатываемых в^{конвейерных печах 1,} важны и осуществляется путем измерения температуры поверхности объекта. В настоящее время температура обычно измеряется термокоуплом^1. Поскольку термокомпые измерения требуют контакта с объектом, термокоупли неизбежно повреждают объект. Поэтому обычно выбирают репрезентативные образцы партии для измерения температуры, которые не обрабатываются с момента их повреждения. Измеренные температуры этих поврежденных объектов затем обываются на оставшиеся образцы из партии, которые затем обрабатываются. Соответственно, производство должно быть прервано для термоотесных измерений. Кроме того, контакт является локальным, нуждается в корректировке после каждого измерения и влияет на местную температуру.

Инфракрасная (ИК)^{термография 2} имеет ряд преимуществ по сравнению с классическими измерениями термокорпуса и представляет собой бесконтактный, на месте, в режиме реального времени, экономию времени и пространственно решенный метод измерения температуры. Используя этот метод, каждый образец партии, включая те, которые дополнительно обрабатываются, может быть измерен без прерывания производства. Кроме того, можно измерить распределение температуры поверхности, что дает представление о однородности температуры в процессе. Функция в режиме реального времени позволяет коррекции температурных параметров на лету. До сих пор возможными причинами отказа от использования ИК-термографии в конвейерных лентах являются 1) неизвестные оптические параметры горячих объектов^{(особенно для неметаллов 3)}и 2) паразитическое экологическое излучение в печи (т.е. отраженное излучение, обнаруженное ИК-камерой в дополнение к испускаемому излучению излучения от объекта), что приводит к ложной^{температурной выходу 2.}

Здесь, в качестве репрезентативного доказательства концепции пример ИК-термографии в конвейерной ленте печи, мы успешно установили inline термографии системы в ИК-лампы питание солнечной печи огня (Рисунок 1), который используется в процессе контактной стрельбы промышленных солнечных батарей Si (Рисунок 2A,B)^4,5. Процесс стрельбы является важным шагом в конце промышленного производства солнечных батарей⁶. На этом этапе контакты ячейки образуются^7,,8,а поверхностная пассивация активируется^9. Чтобы успешно достичь последнего, профиль температуры времени во время процессастрельбы (рисунок 2C) должен быть точно реализован. Поэтому необходим достаточный и эффективный контроль температуры. В этом протоколе описывается, как установить ИК-камеру в конвейерную ленту печи, провести коррекцию заказчика заводской откалиброванной ИК-камеры, а также оценить пространственное распределение температуры поверхности целевого объекта.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

протокол

1. Установка ИК-камеры в конвейерную ленту печи

1. Решите, какая часть печи должна быть измерена ИК-камерой.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь выбрана пиковая зона процесса стрельбы (см. оранжевую выделенную зону в зоне обстрела рисунка 1A).
2. Определите температурный диапазон интереса, который должна обнаружить ИК-камера (например, 700–900 градусов по Цельсию, типичный пиковый температурный диапазон процесса стрельбы).
3. Определить или, по крайней мере, оценить (через эксперименты или литературу), температуру, спектральные и угловые зависимые выбросы объекта (ы) интереса (например, кремниевых солнечных батарей) для определения диапазона длин волн (ы) наибольшего излучения для диапазона температур интереса (под определенным углом камеры).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь, выброс оценивается на основе предыдущей^{литературы 3 и программное} обеспечение под названием RadPro¹⁰, который вычисляет спектральной, угловой и температурно-зависимой эмиссии для материалов, представляющих интерес.
4. Решение о типе ИК-камеры
   ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь используется средневолновая инфракрасная (MWIR) камера антимонида (InSb)(Таблицаматериалов).
   1. Выберите камеру, которая может определить диапазон температур интереса.
   2. Выберите камеру, диапазон длин волн обнаружения которой соответствует диапазону длин волн наивысшего излучения объекта, представляющих интерес для температурного диапазона интереса.
   3. Избегайте как можно большего обнаружения паразитического излучения камерой, избегая объектов, которые излучают или отражают излучение в поле зрения камеры (например, ИК-лампы в печи).
   4. Решите необходимое пространственное и временное разрешение камеры (например, 640 px x 512 px и 125 Гц (полное изображение) для используемой камеры здесь).
5. Реализовать достаточный оптический путь от ИК-камеры к объекту (см. рисунок 1B).
   1. Избегайте тревожных объектов в оптическом пути (например, ИК-лампы, вызывающие прямой или отраженный свет).
   2. Распоте камеру за пределами камеры печи, если это возможно.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Большинство камер имеют низкие эксплуатационные температуры (например, до 50 градусов по Цельсию). Убедитесь заранее, что положение камеры может быть изменено, при желании.
   3. Удалите стену печи и изоляцию в месте, где должна быть оптическая дорожка, и замените отверстие изоляционным ИК-окном.
      1. Выберите подходящий материал для окна, которое отвечает следующим требованиям: 1) максимально прозрачным для диапазона длин волн обнаружения (к) камеры (например, кварцевое стеклянное окно для 0,2 мкм; Lt; 3 мкм, сапфировое окно для 0,4 мкм; Lt; 4,2 мкм) и 2) в состоянии изолировать термическую печь.
         ПРИМЕЧАНИЕ: В результате температура окна может повлиять на передачу окна.
      2. Избегайте повреждения ИК-окна. Не затягивайте окно, чтобы избежать поломки во время расширения тепла.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Материал окна должен иметь достаточное количество пространства для расширения при нагревании.
6. Проверьте полученное поле зрения (FOV) ИК-камеры, изучив термографическое изображение с помощью программного обеспечения ИК-камеры. Определите целевой объект и его температуру на изображении термографии. При необходимости отрегулируйте FOV.

2. Глобальная коррекция температуры клиента откалиброванной ИК-камеры

ВНИМАНИЕ: Изготовление ИК-камеры, как предполагается, включает радиометрическую калибровку.

1. Обнаружить локальные оптические артефакты, такие как отражение и фоновое излучение.
2. Проведение классических термоотесанных измерений объекта при одновременной записи пластины, включая термокупл с ИК-камерой.
   1. Проверьте достоверность использованных термокоуплей. Поиск известных характерных температурных точек в температурном профиле обработанного объекта, которые могут быть четко заметно обнаружены (например, нарушение в гладкой линии). Если термокомп правильно измеряет эти температурные точки, то термокупл, скорее всего, правильно откалиброван.
   2. Пример использования кремниевых солнечных элементов
      1. Поместите термокупл на заднюю алюминиевую сторону пластины. Возьмите температурный профиль для стандартного процесса стрельбы¹¹.
      2. Проинкормируйте термокуплы, определив, есть ли нарушение температурного профиля от шага 2.2.2.1 вокруг эвтектической температуры Аль-Си 577 градусов по Цельсию в виде более плоской кривой (как это имеет место на рисунке 2D).
         ПРИМЕЧАНИЕ: Если нарушение происходит при температуре около 577 градусов по Цельсию, это признак того, что измерение температуры термокуплом является точным. Используйте только проверенные термокуплы для следующих шагов.
   3. Проведение термоотесанных измерений в температурном диапазоне интереса в одном и том же месте объекта (несколько раз по статистическим причинам), затем в пространственно различных случайных местах (по статистическим причинам) для получения временных температурных профилей.
3. Определите локаленую неисправленную температуру термографического объекта под термокупплами по термококупным измерениям от шага 2.2.3 при размещении термокупа на верхней стороне объекта.
   1. Проверьте возможное локальное падение температуры вокруг контактного термокупла (из-за рассеивания тепла и затенения). Предположим, что температура в непосредственной близости от термокупла, как температура объекта непосредственно под термокуплом, если локальное падение температуры не присутствует.
   2. Выполните следующие шаги, если присутствует локальное падение температуры.
      1. Определите градиент пространственной температуры нынешнего падения температуры в части, которая не покрыта термокуплом.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется определить градиент в нескольких точках вокруг падения температуры (радиально) и определить средний градиент.
      2. Оцените вклад возможных оптических артефактов, индуцированных термокуплом (пример протокола для случая, в котором предполагается однородная температура вдоль направления глубины клетки, например, в солнечных элементах Si).
         1. Поместите термокупл на поверхность напротив измеренной поверхности и повторите термокупл и термографическое измерение в этой конфигурации (как показано на рисунке 3A). Поверните объект, в том числе термокупл, вокруг так, чтобы термокупл не был в оптическом пути между камерой и объектом.
            ПРИМЕЧАНИЕ: Если градиент локального перепада температуры одинаков для термокоупля, находящихся внутри и снаружи оптического пути (т.е. прикрепленных к измеренной или противоположной поверхности), это признак того, что термокупл, скорее всего, не вызывает оптических артефактов.
         2. Экстраполировать градиент падения температуры в случае термоотеса контакта с измеренной поверхностью (т.е. внутри оптической траектории) в область, покрытую термокоуплом, чтобы получить температуру объекта под термокуплом.
         3. Повторите 2.3.2.2.2 для каждого измерения от шага 2.2.3.
4. Альтернатива 2.3: Определите локаленую неисправленную температуру термографического объекта под термокупплами от термоотесных измерений от шага 2.2.3 при размещении термокупа на нижней стороне объекта. Для определения локальной неисправленной температуры термографии солнечных батарей под термокупом извлекайте местную температуру в положении термокупла.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Сохранение термоупряги на задней стороне предотвращает термокупл от блокирования взгляд на объект камерой. Поэтому, с одной стороны, коррекция температуры значительно проще. С другой стороны, термокуплы, как правило, не расположены на нижней стороне объекта во время процесса стрельбы, что может привести к эксплуатационным осложнениям, поэтому эту альтернативу необходимо проводить очень тщательно.
5. Исправь неисправленное термографическое изображение по отношению к термокрыным измеренным температурам с данными, генерируемыми шагами 2.3 или 2.4.
   1. Участок измеренных температур через термокупы против определенных температур с помощью неисправленной ИК термографии. Проведи фитинга кривой.
   2. Примените полученную кривую в качестве общей единой формулы глобальной коррекции для неисправленного изображения термографии.
6. Повторите коррекцию температуры для каждого нового типа объекта или конфигурации, особенно когда оптические параметры различаются.

3. Оценка пространственного распределения температуры поверхности с помощью ИК-термографии

ПРИМЕЧАНИЕ: Предполагается, что условия стрельбы идентичны для этого раздела.

1. Создание двумерной карты распределения пиковой температуры (см. рисунок 4A)
   1. Напишите сценарий с соответствующим языком программирования для отслеживания температуры поверхностного объекта для каждого пятна поверхности объекта вдоль всей камеры FOV, т.е. выступая в качестве "виртуального термокомпа", размещенного на всех объектах одновременно.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь сценарий написан в MATLAB.
   2. Извлекайте максимальное значение, т.е. пиковую температуру, для каждого объекта и высовывайте эти температуры на соответствующей 2D-карте распределения.
2. Среднее распределение температуры в направлении пропускной способности объекта и перпендикулярно (см. рисунок 4B)
   1. В направлении пропускной способности: среднее распределение 2D-температуры в измерении, противоположном направлению пропускной способности. Остается среднее распределение температуры 1D в направлении пропускной способности.
   2. Перпендикулярно направлению пропускной способности: среднее распределение 2D-температуры в измерении, которое находится в направлении пропускной способности. Остается среднее распределение 1D-температуры перпендикулярно направлению пропускной способности.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется оставить последний сантиметр (по крайней мере) края для усреднения, так как оптические артефакты на краю объекта могут фальсифицировать полученную среднюю температуру.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Результаты

Как показано на рисунке 3БХД, пример объекта (здесь, кремний солнечный элемент; строго говоря, пассивированный излучатель и задняя ячейка (PERC)¹²; Рисунок 2A,B) может быть четко обнаружен ИК-камерой в различных конфигурациях

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Обсуждение

Как правило, температура термографии корректируется путем измерения и адаптации оптических параметров объекта, трансмиссивного окна и траектории, а также температуры окружающей среды объекта и^{трансмиссивного окна 2.} В качестве альтернативного метода в этом протоколе оп?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Материалы

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