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Mesure de la température de surface in situ dans un four à convoyeur via la thermographie infrarouge inline

Published: May 30, 2020 doi: 10.3791/60963
Automatic Translation
1, 1, 2, 3, 1, 1
1Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, 2InfraTec GmbH, 3Rehm Thermal Systems GmbH

Summary

Ce protocole décrit comment installer une caméra infrarouge dans un four à convoyeur, effectuer une correction client d’une caméra IR calibrée d’usine et évaluer la répartition de la température spatiale à la surface d’un objet d’intérêt. Les objets par exemple sont des cellules solaires industrielles en silicium.

Abstract

La mesure de la température de surface des objets traités dans des fours à convoyeurs est un outil important pour le contrôle des processus et l’assurance de la qualité. À l’heure actuelle, la température de surface des objets traités dans les fours à convoyeurs est généralement mesurée par thermocouples. Cependant, la thermographie infrarouge (IR) présente de multiples avantages par rapport aux mesures thermocouple, car il s’agit d’une méthode sans contact, en temps réel et résolu spatialement. Ici, comme exemple de preuve de concept représentatif, un système de thermographie en ligne est installé avec succès dans un four de tir solaire alimenté par lampe IR, qui est utilisé pour le processus de tir de contact des cellules solaires industrielles Si. Ce protocole décrit comment installer une caméra IR dans un four à convoyeur, effectuer une correction client d’une caméra IR calibrée en usine et effectuer l’évaluation de la distribution de la température spatiale à la surface sur un objet cible.

Introduction

Le contrôle des procédés et l’assurance de la qualité des objets traités dans les fours à convoyeur1 sont importants et réalisés en mesurant la température de surface de l’objet. Actuellement, la température est généralement mesurée par un thermocouple1. Comme les mesures thermocouple nécessitent un contact avec l’objet, les thermocouples endommagent inévitablement l’objet. Par conséquent, il est courant de choisir des échantillons représentatifs d’un lot pour les mesures de température, qui ne sont pas traitées davantage puisqu’ils sont endommagés. Les températures mesurées de ces objets endommagés sont ensuite généralisées aux échantillons restants du lot, qui sont traités plus en détail. En conséquence, la production doit être interrompue pour les mesures thermocouple. En outre, le contact est local, doit être réajusté après chaque mesure, et influence la température locale.

La thermographie infrarouge (IR)2 présente un certain nombre d’avantages par rapport aux mesures thermocouple classiques et représente une méthode de mesure de la température sans contact, in situ, en temps réel, en gain de temps et résolue spatialement. À l’aide de cette méthode, chaque échantillon du lot, y compris ceux qui sont traités plus avant, peut être mesuré sans interrompre la production. En outre, la répartition de la température de surface peut être mesurée, ce qui donne un aperçu de l’homogénéité de la température au cours du processus. La fonction en temps réel permet de corriger les paramètres de température à la volée. Jusqu’à présent, les raisons possibles pour ne pas utiliser la thermographie IR dans les fours à bande transporteuse sont 1) des paramètres optiques inconnus des objets chauds (en particulier pour les non métaux3) et 2) rayonnement environnemental parasite dans le four (c.-à-d. rayonnement réfléchi détecté par la caméra IR en plus du rayonnement émis de l’objet), ce qui conduit à la sortie de température fausse2.

Ici, en tant qu’exemple représentatif de preuve de concept de la thermographie IR dans un four à convoyeur, nous avons réussi à installer un système de thermographie en ligne dans un four à tir solaire alimenté par lampe IR (Figure 1), qui est utilisé pendant le processus de tir de contact des cellules solaires industrielles Si (Figure 2A,B)4,5. Le processus de mise à feu est une étape cruciale à la fin de la production industrielle de cellules solaires6. Au cours de cette étape, les contacts de la cellule sont formés7,8, et la passivation de surface est activée9. Pour réussir ce dernier, le profil temps-température pendant le processus de cuisson (Figure 2C) doit être réalisé avec précision. Par conséquent, un contrôle de la température suffisant et efficace est nécessaire. Ce protocole décrit comment installer une caméra IR dans un four à bande transporteuse, effectuer une correction client d’une caméra IR calibrée en usine et évaluer la répartition de la température spatiale à la surface d’un objet cible.

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Protocol

1. Installation d’une caméra IR dans un four à convoyeur

  1. Décidez quelle partie du four doit être mesurée par la caméra IR.
    REMARQUE : Ici, la zone de pointe du processus de tir est choisie (voir la zone orange mise en évidence dans la zone de tir de la figure 1A).
  2. Définissez la plage de température d’intérêt que la caméra IR devrait détecter (p. ex., 700−900 °C, la plage de température maximale typique du processus de cuisson).
  3. Déterminer, ou du moins estimer (par des expériences ou de la littérature), la température, les émissions spectrales et angulaires dépendantes de l’objet(s) d’intérêt (p. ex., cellule solaire de silicium) pour identifier la ou les limites de longueur d’onde de l’émission la plus élevée pour la plage de température d’intérêt (sous un angle de caméra spécifique).
    NOTE : Ici, l’émission est estimée sur la base de la littérature précédente3 et d’un logiciel appelé RadPro10, qui calcule l’émissivité spectrale, angulaire et dépendante de la température pour les matériaux d’intérêt.
  4. Décider du type de caméra IR
    NOTE: Ici, une caméra infrarouge à onde moyenne (MWIR) antimonide d’indium (InSb)(Table des Matériaux)est utilisée.
    1. Choisissez une caméra qui peut détecter la plage de température d’intérêt.
    2. Sélectionnez une caméra dont la plage de longueur d’onde de détection correspond à la plage de longueur d’onde de l’émission la plus élevée de l’objet d’intérêt dans la plage de température d’intérêt.
    3. Évitez autant de détection de rayonnement parasitaire par la caméra que possible en évitant les objets qui émettent ou réfléchissent le rayonnement dans le champ de vision de la caméra (p. ex., les lampes IR dans un four).
    4. Décidez de la résolution spatiale et temporelle nécessaire de la caméra (p. ex., 640 px x 512 px et 125 Hz [image complète] pour la caméra utilisée ici).
  5. Réalisez un chemin optique suffisant de la caméra IR à l’objet (voir figure 1B).
    1. Évitez de déranger les objets dans la trajectoire optique (p. ex., les lampes IR causant une lumière directe ou réfléchie).
    2. Placez la caméra à l’extérieur de la chambre de four, si possible.
      REMARQUE : La plupart des caméras ont de basses températures de fonctionnement (p. ex., jusqu’à 50 °C). Assurez-vous à l’avance que la position de la caméra peut être modifiée, si vous le souhaitez.
    3. Retirez le mur du four et l’isolement à l’endroit où le chemin optique doit être et remplacez le trou par une fenêtre isolante IR.
      1. Choisissez le matériau approprié pour la fenêtre qui répond aux exigences suivantes : 1) aussi transparent que possible pour la longueur d’onde de détection (λ) de la caméra (p. ex., fenêtre en verre de quartz pour ~0,2 μm < λ < 3 μm, fenêtre saphir pour ~0,4 μm < λ < 4,2 μm) et 2) capable d’isoler la chambre de la chambre de la chambre de la chambre.
        REMARQUE : Les températures résultantes de la fenêtre peuvent influencer la transmission de la fenêtre.
      2. Évitez les dommages causés par la fenêtre IR. Ne serrez pas la fenêtre pour éviter la rupture pendant l’expansion de la chaleur.
        REMARQUE : Le matériau de la fenêtre doit avoir suffisamment d’espace pour se développer lorsqu’il est chauffé.
  6. Vérifiez le champ de vision (FOV) de la caméra IR en examinant l’image de thermographie via le logiciel de caméra IR. Identifiez l’objet ciblé et sa température dans l’image de thermographie. Ajuster le FOV, si nécessaire.

2. Correction globale de la température du client d’une caméra IR calibrée de fabrication

ATTENTION : La fabrication de la caméra IR est supposée inclure un étalonnage radiométrique.

  1. Repérer les artefacts optiques locaux, tels que la réflexion et le rayonnement de fond.
  2. Effectuez des mesures thermocouple classiques de l’objet tout en enregistrant simultanément la plaquette, y compris thermocouple avec la caméra IR.
    1. Vérifiez la validité des thermocouples utilisés. Recherchez des points de température caractéristiques connus dans le profil de température de l’objet traité qui peuvent être clairement détectés (p. ex., perturbation dans une ligne lisse). Si le thermocouple mesure correctement ces points de température, le thermocouple est probablement correctement calibré.
    2. Exemple d’utilisation de cellules solaires de silicium
      1. Placez le thermocouple sur le côté arrière en aluminium de la plaquette. Prenez un profil de température pour un processus de cuisson standard11.
      2. Valider les thermocouples en déterminant s’il y a une perturbation du profil de température à partir de l’étape 2.2.2.1 autour de la température eutectique Al-Si de 577 °C sous la forme d’une courbe plus plate (comme c’est le cas à la figure 2D).
        REMARQUE : Si la perturbation se produit à la température autour de 577 °C, c’est un signe que la mesure de la température par le thermocouple est exacte. Utilisez uniquement des thermocouples validés pour les étapes suivantes.
    3. Effectuer des mesures thermocouple dans la plage de température d’intérêt au même point d’objet (plusieurs fois pour des raisons statistiques), puis à des endroits aléatoires (pour des raisons statistiques) pour obtenir des profils temps-température.
  3. Déterminer la température locale non corrigée de l’objet de thermographie sous les thermocouples à partir des mesures thermocouple à partir de l’étape 2.2.3 tout en plaçant le thermocouple sur le côté supérieur de l’objet.
    1. Vérifiez une éventuelle baisse de température locale autour du thermocouple de contact (en raison de la dissipation de la chaleur et de l’ombrage). Supposons la température à proximité du thermocouple comme température de l’objet directement sous le thermocouple, si une baisse de température locale n’est pas présente.
    2. Effectuez les étapes suivantes si une baisse de température locale est présente.
      1. Déterminer le gradient de température spatiale de la baisse de température actuelle dans la partie qui n’est pas couverte par le thermocouple.
        REMARQUE : Il est recommandé de déterminer le gradient à plusieurs endroits autour de la baisse de température (radialement) et de déterminer un gradient moyen.
      2. Estimer la contribution d’éventuels artefacts optiques induits par le thermocouple (exemple de protocole pour un cas où la température homogène le long de la direction de profondeur cellulaire est assumée, comme dans les cellules solaires Si).
        1. Placez le thermocouple à la surface opposée à la surface mesurée et répétez la mesure thermocouple et thermographie dans cette configuration (comme le montre la figure 3A). Tournez l’objet, y compris le thermocouple, autour de sorte que le thermocouple n’est pas dans le chemin optique entre la caméra et l’objet.
          REMARQUE : Si le gradient de la baisse de température locale est le même pour le thermocouple étant à l’intérieur et à l’extérieur du chemin optique (c.-à-d. attaché à la surface mesurée ou opposée), c’est un signe que le thermocouple n’induit probablement pas d’artefacts optiques.
        2. Extrapoler le gradient de la baisse de température dans le cas du thermocouple qui entre en contact avec la surface mesurée (c.-à-d. la trajectoire optique intérieure) à la zone couverte par le thermocouple pour obtenir la température de l’objet sous le thermocouple.
        3. Répétez la méthode 2.3.2.2.2 pour chaque mesure à partir de l’étape 2.2.3.
  4. Alternative à 2.3 : Déterminer la température locale non corrigée de l’objet de thermographie sous les thermocouples à partir des mesures thermocouple à partir de l’étape 2.2.3 tout en plaçant le thermocouple sur le côté inférieur de l’objet. Pour déterminer la thermographie locale non corrigée de la température des cellules solaires sous le thermocouple, extraire la température locale à la position du thermocouple.
    REMARQUE : Garder le thermocouple sur le côté arrière empêche le thermocouple de bloquer la vue sur l’objet par la caméra. Par conséquent, d’une part, la correction de température est significativement plus simple. D’autre part, les thermocouples ne sont généralement pas positionnés sur le côté inférieur de l’objet pendant le processus de cuisson, ce qui pourrait conduire à des complications opérationnelles, c’est pourquoi cette alternative doit être effectuée avec soin.
  5. Corriger l’image de thermographie non corrigée par rapport aux températures mesurées par thermocouple avec les données générées à partir des étapes 2.3 ou 2.4.
    1. Tracer les températures mesurées par thermocouples par rapport aux températures déterminées par thermographie IR non corrigée. Effectuer un ajustement de courbe.
    2. Appliquez l’ajustement de courbe obtenu comme formule de correction globale uniforme générale pour l’image thermographie non corrigée.
  6. Répétez la correction de température pour chaque nouveau type ou configuration d’objet, en particulier lorsque les paramètres optiques diffèrent.

3. Évaluation de la répartition de la température spatiale à la surface par thermographie IR

REMARQUE : Les conditions de mise à feu sont supposées identiques pour cette section.

  1. Création d’une carte bidimensionnelle de répartition des températures de pointe (voir la figure 4A)
    1. Écrivez un script avec un langage de programmation approprié pour suivre la température de l’objet de surface pour chaque tache de surface d’objet le long de l’ensemble de la caméra FOV, c’est-à-dire agissant comme un « thermocouple virtuel » placé à tous les endroits d’objet simultanément.
      NOTE: Ici, le script est écrit en MATLAB.
    2. Extraire la valeur maximale, c’est-à-dire la température maximale, pour chaque tache d’objet et tracer ces températures dans une carte de distribution 2D correspondante.
  2. Répartition moyenne de la température dans la direction du débit de l’objet et perpendiculaire (voir la figure 4B)
    1. Dans la direction du débit : moyenne de la répartition de la température 2D dans la dimension qui est opposée à la direction du débit. Ce qui reste, c’est la distribution moyenne de la température 1D dans la direction du débit.
    2. Perpendiculaire à la direction du débit : moyenne de la distribution de température 2D dans la dimension qui se trouve dans la direction du débit. Ce qui reste, c’est la distribution moyenne de la température 1D perpendiculaire à la direction du débit.
      REMARQUE : Il est recommandé de laisser de côté le dernier centimètre (au moins) du bord pour la moyenne puisque les artefacts optiques au bord de l’objet pourraient falsifier la moyenne de température qui en résulte.

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Representative Results

Comme le montre la figure 3B−D, l’objet par exemple (ici, une cellule solaire en silicium; à proprement parler, un émetteur passivated et une cellule arrière [PERC]12; La figure 2A,B) peut être clairement détectée par la caméra IR dans différentes configurations4. Les différentes configurations sont monofacially métallisées (Figure 3B), bifacially metallized13 (Figure 3C) et nonmétalisées échantillons PERC (Figure 3D). La différence entre la configuration monofaciale et bifaciale est que le premier a une couche d’aluminium pleine zone, tandis que le second a une grille de modèle H (semblable à la face avant argentée) sur le côté arrière. Ici, la caméra IR a été positionnée d’une manière que la caméra FOV capturé la température maximale du processus de tir. La phase de pointe est la phase la plus cruciale du processus de tir, puisque les contacts sont effectivement formés au cours de cette phase14. Ici, la plage de température d’intérêt ressemblait à la plage de température maximale typique du processus de cuisson (c.-à-d. vers 700 à 900 °C1).

Pour cette dernière plage de température, l’émissivité spectrale est assez élevée et homogène dans les spectres infrarouges à courte, moyenne et longue longueur d’onde3. Une double couche de saphir a été utilisée comme fenêtre de transmission, permettant une bonne transmission dans les spectres de longueur d’onde IR court et moyen. Afin de minimiser la détection de la lumière des lampes IR du four (longueur d’onde maximale dans la courte longueur d’onde infrarouge), un type de caméra IR avec InSb comme matériau de détection a été choisi, avec une portée de détection de 3,7−4,1 μm (y compris les filtres). Seulement un tiers de la plaquette dans la direction du débit peut être détecté en même temps. Toutefois, il a été suffisant pour ce travail, puisque la plaquette passe entièrement le champ de vision existant. Naturellement, des images thermographiques corrigées de la température sont montrées ici. À proprement parler, l’image est corrigée par rapport aux cellules solaires.

Comme on peut le voir dans la figure 3A, le thermocouple de contact sur le côté opposé de la trajectoire optique a causé une baisse de température autour d’elle-même (avec une baisse de température de 10 K), probablement en raison de la dissipation de la chaleur et de l’ombrage. Cette dernière baisse est importante pour estimer la température cellulaire lors de la cuisson sans thermocouples, par rapport à la température mesurée par le thermocouple. Ici, la cellule a été positionnée sur un cadre lorsqu’elle a été contactée par un thermocouple (figure 3E). La dissipation de chaleur par le cadre a causé une baisse de température d’environ 10 K. Avec la baisse de chaleur supplémentaire par le thermocouple, ce dernier a mesuré une température inférieure de 20 K à ce que les cellules affichées pendant le traitement standard (sans l’équipement thermocouple). Il est important d’estimer ce dernier décalage pour le système thermocouple utilisé, qui est effectué à l’aide de la thermographie, comme indiqué. La caméra IR permet d’observer la dissipation thermique locale des cellules par la bande transporteuse si elle est placée directement sur la courroie (figure 3F). C’est la raison pour laquelle les cellules sont généralement placées sur les élévations de ceinture pour minimiser le contact entre eux et la ceinture.

La figure 4 montre la répartition de la température de surface. Puisque les cellules solaires de silicium sont typiquement autour de 160 μm d’épaisseur et traitées dans le four pendant 30 s, il est probable que la distribution de température le long de la profondeur de la cellule est homogène. Par conséquent, les résultats suggèrent très probablement une répartition de la température plutôt que seulement une distribution de la température de surface. En face de la direction du débit, un gradient de température moyen de 1 K/cm a été obtenu. Dans la direction du débit, le quart de plaquettes entrant était beaucoup plus froid que le reste de plaquettes. La partie entrante plus froide a connu un gradient de 7 K/cm, tandis que la partie de fuite plus chaude a connu un gradient de 0,5 K/cm.

Dans les deux directions, les bords des cellules (les 2 cm restants) ont été ignorés pour la détermination des gradients, puisque la température détectée sur les bords mélangé avec la limite extérieure plus froide des cellules, ce qui a entraîné de fausses températures. La figure 4C montre une répartition représentative de la température 2D d’une cellule solaire monofaciale, qui n’a pas été métallisée sur le côté avant. Les tendances susmentionnées dans les mêmes directions de transport et opposées ont également été observées ici. Dans l’ensemble, ces résultats révèlent que les cellules solaires dans ce travail ont connu un certain degré d’inhomogenéité de température spatiale.

Figure 1
Figure 1 : Équipement le plus important utilisé dans le protocole. (A) Schéma latéral du four à bande transporteuse. Ce panneau de chiffres a été modifié à partir d’Ourinson et coll.4. (B) Zone de tir zoomée dans la dernière, visualisant la configuration du système de thermographie. 1) Mur de four et isolement, 2) caméra IR, 3) lampes IR, 4) fenêtre isolante, 5) direction de transport d’objet, 6) caméra FOV, 7) ceinture de transport, 8) objet, et 9) logiciel de thermographie.  Ce panneau de chiffres a été modifié à partir d’Ourinson et coll.4. (C) Le four de cuisson utilisé pendant ce protocole. (D) Image illustrant la caméra IR utilisée et la fenêtre IR transmissible positionnée dans le four de tir. Les chiffres correspondent aux numéros des panneaux A et B. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Objets mesurés et leurs températures. (A) Section schématique d’une cellule solaire perc monofaciale. (B) Vue latérale avant (gauche) et arrière (droite) d’une cellule PERC industrielle. (C) Profil de température temporelle industrielle mesuré thermocouple d’une cellule solaire PERC pendant le processus de cuisson, y compris la segmentation en phases et en section, qui est couvert par le champ de vision de la caméra. Ce chiffre a été modifié par Ourinson et coll.5. (D) Démonstration de perturbation autour de la température eutectique (TEUT )d’aluminiumet de silicium dans un profil de cuisson mesuré par un thermocouple, lorsque le thermocouple est placé sur le côté arrière en aluminium de la cellule solaire. Ce chiffre a été modifié par Ourinson et coll.5. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Images de thermographie corrigées de la température représentatives des cellules solaires perc pour des conditions de cuisson identiques. (A) Baisse visible de la température locale causée par le contact d’un thermocouple du côté arrière. (B) Image thermographique du tiers supérieur d’une cellule PERC monofacialisée, y compris (1) les barres d’autobus visibles (2) placées sur la bande transporteuse visible. TAV montre la température moyenne sur la plaquette. (C) Image thermographique d’une cellule PERC bifacialisée. (D) Image thermographique d’une plaquette PERC non métallisée. (E) Image thermographique d’une plaquette placée sur un cadre thermocouple et contactée par un thermocouple. TTC montre la température de la plaquette mesurée par le thermocouple. (F) Image thermographique d’une plaquette placée directement sur la bande transporteuse. (G) Carte couleur de la plage de température mesurée par la caméra IR. Ce chiffre a été modifié par Ourinson et coll.5. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Distribution de température d’une cellule solaire PERC pour des conditions de cuisson identiques. (A) Distribution de température maximale 2D d’une cellule solaire perc monofaciale du côté avant. (B) Distribution moyenne de la température de pointe dans (image de droite) et perpendiculaire (image de gauche) à la direction de transport cellulaire. » Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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Discussion

Généralement, la température de la thermographie est corrigée par la mesure et l’adaptation des paramètres optiques de l’objet, de la fenêtre et du chemin de transmission, et de la température environnementale de l’objet et de la fenêtre transmissive2. Comme méthode alternative, une technique de correction de température basée sur des mesures thermocouple est décrite dans ce protocole. Pour cette dernière méthode, la connaissance des paramètres mentionnés ci-dessus n’est pas nécessaire. Pour l’application présentée ici, cette méthode est suffisante. Cependant, il n’est pas garanti que la méthode thermocouple est suffisante pour toutes les applications de thermographie dans un four à convoyeur.

Dans le protocole, une correction uniforme de la température mondiale de l’image thermographique est proposée; bien qu’il soit plus précis de corriger la température réglée spatialement. Cependant, il a été constaté que la correction uniforme de la température est plus appropriée dans les cas d’objets en mouvement. En outre, il vise à corriger la température de l’objet plutôt que les objets environnants (p. ex., la ceinture et les murs).

Comme mentionné à l’étape 2.3.2.2, l’exemple fourni ici est supposé avoir une distribution de température homogène le long de la profondeur de l’objet. Dans le cas d’objets dont la température est inhomogène le long de leurs profondeurs, la température sur une surface ne ressemble pas à la température sur la surface opposée. Par conséquent, les étapes décrites à l’article 2.3.2.2 ne s’appliquent pas à ces cas. Une solution pour la distribution inhomogène de la température le long de la profondeur de l’objet doit être étudiée plus avant.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à révéler.

Acknowledgments

Ces travaux sont soutenus par le ministère fédéral allemand de l’Économie dans le cadre du projet « Feuerdrache » (0324205B). Les auteurs remercient les collègues qui ont contribué à ce travail et les partenaires du projet (InfraTec, Rehm Thermal Systems, Heraeus Noblelight, Trumpf Photonic Components) pour le cofinancement et le soutien exceptionnel.

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

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References

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