Slutrapport vedr. projekt om termovision

Slutrapport vedr. projekt om termovision Udviklingscenter Årslev Carl-Otto Ottosen og Lars Bo Dziegiel Afd for. Havebrugsproduktion, Danmarks JordbrugsForskning, DJF Jørn Fly Hansen Sektor for Informations- og Elektroteknologi, Ingeniørhøjskolen Odense Teknikum, IOT

Baggrunden for projektet: Præcis klimastyring i væksthuse er af overordentlig stor betydning, både for plantevæksten og for energiforbruget. Ny dansk forskning koncentreret omkring dynamisk klimastyring (IntelliGrow). Resultaterne viser at for at kunne udnytte resultaterne bedst muligt er der behov for en meget præcis måling af klimaforhold tæt på planterne, så man undgår skader på planterne, hvis temperaturen i bladene bliver for høj. Det sker typisk over middag på solrige dage, hvis plantens vandforsyning ikke er tilstrækkelig. I udviklingscenter Årslev og forskningsprojektet IntelliGrow har forskningen været koncentreret at finde klimastyringsstrategier, der kan reducere energiomkostningerne ved for eksempel at anvende middeltemperaturstyring over flere dage kombineret med om at finde løsninger til at måle bladtemperatur og det er godt på vej mod at give fornuftige resultater. Hvis vi på lidt længere sigt skal videre kan det være vigtigt at få et bredere overblik over en plantebestands tilstand. De nyeste resultater fra forsøg viser, at bladtemperaturstyring er en anvendelig løsning, og den giver mulighed for pæne energibesparelser. Undersøgelser med styring efter bladtemperaturen viser, at lufttemperaturen normalt ligger 3-4 grader over bladtemperaturen, når planterne fungerer normalt. I udviklingsprojektet Måling i Planteniveau har vi testet en række forskellige sensorer for mikroklimaet omkring planter og selv om vi placerer lufttemperaturfølere tæt på planterne kan det svært at opnå sikre værdier. Den kontaktfri bladtemperaturmåling, som varmekamera eller termovisionskamera kan tilbyde giver helt nye muligheder. Hvad er termovision? Den kendsgerning at alle legemer med temperaturer over det absolutte nulpunkt (-273 C) udsender stråling (elektromagnetisk), hvor intensiteten er temperaturafhængig anvendes til berøringsløs temperaturmåling (pyrometri). Et pyrometer opsamler den energimængde, som et givet areal (rumvinkel) af et legeme udsender, en sensor omdanner dette til et elektrisk signal, som behandles matematisk for at kunne omdanne den modtagne stråling til en temperaturvisning. Termovision er mange pyrometre, der hver især opsamler stråling fra et givet areal på et legeme. Disse pyrometres sensorer er arrangeret i en matrix (feks. 320 x 240), så de tilsammen udgør et større areal. Det elektriske signal fra hver sensor behandles så temperaturen på det tilsvarende delareal på legemet kendes. Disse temperaturer databehandles og præsenteres grafisk på en skærm, et display eller gemmes som et billede. Billedet bliver således et billede af temperaturfordelingen over det areal på legemet, hvorfra stråling er opsamlet. Der måles kun i et delspekter (ikke alle bølgelængder). Den største energi ligger i det infrarøde (IR) spekter, så det er her, der måles. Når der måles med et pyrometer/termografikamera (IR), skal man være opmærksom på at objektets egenskaber skal være kendt: Den matematiske behandling af den modtagne stråling forudsætter, at legemet er et sort legeme, dvs. et legeme der ikke reflekterer og ikke videresender indfaldende stråling, og samtidig er en ideel udstråler af sin indre energi (tem- 2

peratur.). Et sådant legeme findes ikke, derfor skal legemets strålingskarakteristika i forhold til det sorte legeme kendes. Hertil anvendes en størrelse der kaldes emissiviteten eller emissionsgraden. Denne størrelse angiver, hvor god legemet er til at udsende energi i forhold til et sort legeme (hvor stor en brøkdel). Emissiviteten er bl.a. afhængig af materiale, overfladebeskaffenhed, overfladeform, bølgelængde og temperatur. Som eksempel på bølgelængdeafhængighed kan nævnes, at skrivepapir i det infrarøde område er et næsten sort legeme (emissiviteten er over 0,9)..! Herudover skal man bl.a. være opmærksom på mulig refleksion fra andre legemer. Det er derfor nødvendig med et godt kendskab til ovenstående faktorer i pågældende målesituation, hvis der skal komme et troværdigt resultat ud af målingen. Overordnet projektbeskrivelse Med det tekniske udstyr fra IOT gennemføres en række målinger af bladtemperaturen på udvalgte plantearter med forskellige overfladebeskaffenhed og masse i bladene, ved forskellige kombinationer af lysniveau og lufttemperatur. For at afklare mulighederne med anvendelse af termografi/termovision er det valgt, at foretage indledende undersøgelser i et klimakammer for at kunne styre/kontrollere de enkelte parametre. Undersøgelserne i klimakammeret skal afdække følgende hovedområder: Bestemmelse af bladenes evne til at udsende varmestråling, deres emissivitet/emissionsgrad. Bladvinklens indflydelse på emissiviteten. Eventuelle refleksioners mulige indvirkning på måleresultat. Sammenligning af berøringsløs termografisk bladtemperaturmåling med traditionelle metoder (berøringsmåling med piercet termoføler eller termistor). Det er valgt at foretage målingerne på tre plantearter med vidt forskellige overflade karakteristika på bladene. De tre planter der er undersøgt er: Krysantemum (mat overflade), lammeøre (meget lodden overflade) og orkide (Phalaenopsis, blank, næsten voksagtig overflade). Til målingerne er anvendt følgende udstyr til bladtemperatur- og referencetemperaturmåling: Termografikamera AGEMA 570, termoføler type T, termistorer type: Betatherm 100K6A, samt en datalogger (Campell Scientific, CX 10) for alle ikke IR-målinger. Herudover måles data for klimakammeret med datalogger (lufttemperatur, lysintensitet) 3

Beskrivelse af måleopstilling og udstyr Generel måleopstilling/måleudstyr: Termografikameraet er placeret på et fotostativ i en afstand af ca. 60 cm over plantemassen. Det blad, der måles på (kameraet er fokuseret på), er piercet med et termoføler (TC_s). Med kameraet foretages en IR-spotmåling (Spot 1) i punktet over det piercede termoføler. Umiddelbart ved siden af plantemassen, men i samme niveau som det målte blad, er der placeret en keramikplade (Al 2 O 3 ) med kendt emissivitet (0,94), på undersiden af denne plade er der pålimet to temperaturfølere dels et termoføler (type TC_p) og dels en termistor (Leaf _Term) der måles med dataloggeren.. Denne plade måles ligeledes med en IR-spotmåling (Spot 2) af kameraet. Den keramiske plade anvendes som IR-referencemåling. Data for klimakammeret måles med 2 stk. målestationer ( FMS) med tvungen luftgennemstrømning. Dataloggeren optager data med fast 1 minuts interval for alle forsøg. I klimakammeret er IR-strålingen fra lamperne minimeret ved at samle plexiglaspladerne under lamperne. Alt efter målesituation lagres kamerabilleder/-informationer enkeltvis eller i serier (automatisk lagring) med intervaller afhængig af opgaven (2 sek. til 3 min.) Receptkørsel foregår ved forprogrammerede temperaturer med tiltagende lys i trin ved hjælp af forskellige lampekombinationer. Specielt måleudstyr: For at kunne måle bladvinkelens indflydelse på emissiviteten er der fremstillet en træramme (klemme) med nylontråde (0,35 mm fiskesnøre) til at fastholde bladet og sørge for, at det er rimelig plant. Desuden er der lavet en anordning, hvor det er muligt at vippe klemme og blade i forud definerede vinkler (15, 30, 45 og 60 ) i forhold til vandret. Klimakammer, opbygning, styring og funktion.: Klimakammet måler indvendig 270 x 260 cm i grundflade og 200 cm i frihøjde. Et væksthusbord ( h = 75 cm) på 160 x 200 cm er anbragt midt i rummet. Gulvet består af ristværk hvor luften blæses ind. I loftet er anbragt væksthuslamper tættest muligt. Under lamperne er anbragt to lag plexiglas. Over øverste lag er lamperne med drosselspoler anbragt og tvangs ventileret til fjernelse af spildvarme. I plexiglas mellemrummet er indsugning af returluften anbragt til fjernelse af rest IR stråling fra øverste glaslag. Det nederste plexiglas lag består ca. 15 cm brede plader der kan skydes fra, eller tæt sammen. Klima kammeret kan styre og regulere flg. parametre: Temperatur Lysstyrke Relativ fugtighed 4

CO 2 koncentration Ved temperaturen reguleres på indblæsningsluften i kammeret. Forsøgsmålinger har vist at der ikke korrigeres for den øgede energi/temperatur forøgelse fra den tilførte lysmængde. Ved forsøgets start blev det efterprøvet at det ikke var muligt at registrere forstyrrende IR stråling fra lamperne med kameraet, når underste plexiglas lag umiddelbart over kamera og måleområde var skudt tæt sammen. Ved alle udførte forsøg med klimapåvirkning anvendtes samme faste indstilling for: Rh = 65 % CO 2 = 350 ppm Resultater Før start på måleserier kontrolleres måleudstyr for at klarlægge usikkerheder for de traditionelle målemetoder. Målepræcisionen konstateres til ca. 0,2 C inden for aktuelt måleområde. Måleserierne starter med at undersøge parametre som emissivitet og bladvinkelindflydelse på emissiviteten uden klimapåvirkning for at minimere mængden af måletekniske fejlkilder. Emissiviteten Emissiviteten for bladene findes i litteraturen til området omkring. 0,9. Denne værdi anvendes ved samtlige målinger. Afvigelse herfra vil ikke påvirke præcisionen i målingerne; men kun den evt. absolutte fejl. Af kurverne fremgår det, at der evt. kun er tale om meget små afvigelser fra denne værdi. Ved korte forsøg med ændring i emmisivitetetn ±0,07 i nærværende temperaturområde, viser ikke nævneværdige ændringer i temperatur indikationen. Bladvinklens indflydelse Forsøgene med bladvinklens indflydelse (fig. 1) viser, at bladvinklen ikke har nogen signifikant indflydelse på emissiviteten.. 5

Bladvinkel Chrysantemum uden klimapåvirkning. Spot 2 (referenceplade) har konstant fast vinkel. 21,5 21 20,5 Temperatur 20 19,5 19 gns. Spot 1 gns spot 2(ref.) 18,5 18 17,5 0 15 60 15 0 Fig. 1. Målinger af bladvinklens indflydelse på emissiviteten uden klimapåvirkning. De to kurvers parallel forløb viser, at bladvinklen ingen indflydelse har. Spot 1 er bladtemperaturen ved forskellige vinkler, spot 2 er referencepladens temperatur ved fast målevinkel. Det skal bemærkes, ved måling nær rumtemperatur er der mere støj på termografimålingen. Dette kan evt. forklare de små udsving. Desuden er det konstateret gennem forsøgene, at det anvendte kamera ved autolevel kan give mindre afvigelser når niveauet ændres ved autojustering (det ses bl.a. ved vinkel / i fig. 1 og springet ved 60 i fig. 2). Vælges fast level er problemet ikke væsentligt. Ovenstående konstatering betyder, at temperaturmålingen termografisk kan anvendes uden at tage hensyn til bladets krumning og evt. vinkel. Det skal dog nævnes, at der skal være fokuseret på bladet, for at få en korrekt måling. I figur 2 (næste side) er kurver for alle tre plantetyper vist. 6

Bladvinkel Chrysantemum uden klimapåvirkning. Spot 2 (referenceplade) har konstant fast vinkel. 21,5 21 20,5 Temperatur 20 19,5 19 18,5 gns. Spot 1 gns spot 2(ref.) 18 17,5 0 15 60 15 0 Bladvinkelmåling Lammeøre uden klimapåvirkning. Spot 2 (referenceplade) har konstant fast vinkel. 19,5 19 Temp. (gennemsnit ca 5målinger) 18,5 18 17,5 17 16,5 16 Spot_1 = bladtemp. Spot 2 = Al2O3 Spot_1 Spot_2 15,5 0 15 60 30 15 0 i forhold til vandret Bladvinkel Orkide uden klimapåvirkning Spot 2 (referenceplade) har konstant fast vinkel. 23 22,5 22 Målt Temp 21,5 21 20,5 20 Spot 1/ Blad Spot 2/ Al2O3_ref 19,5 19 0 15 60 15 0 vinkel i forhold til vandret Al2O3_ref er vandret 7

Forsøg med bladvinkel ved lyspåvirkning er udført for Phalaenopsis (blankt blad). Fig. 3 viser resultatet. I fig. 3 ses igen det parallelle forløb af de to kurver, som understreger, at bladvinklen ingen indflydelse har målepræcisionen. Bladvinkel Orkide med 800 µmol (indstillingsværdi). Spot 2 (referenceplade) har konstant fast vinkel. 37 35 Målt temp 33 31 29 Spot 1 /Blad Spot 2 /Al2O3 Ref 27 25 0 15 60 60 15 0 i forhold til vandret Fig.3. Bladvinklens indflydelse på emissiviteten med lyspåvirkning i klimakammeret. Klimapåvirkning/receptkørsel Her laves en receptkørsel i klimakammeret hvor der måles ved forskellige temperaturer niveauer i klimakammeret og med forskellige lysintensiteter ved hver temperatur. Ved ændring i lysintensiteten er en indstillingstid (rampelængde) på 10 min. og en fastholdelsestid på 20 min. Der er foretaget receptkørsel for Krysantemum og Phalaenopsis. Fig. 4 og 5 viser eksempler på sådanne kørsler. Af fig. 4 ses tydeligt, at berøringsmålingen med piercet termoføler følger IR spot målingen med en vis forskydning. Forskellen mellem de to kurver under lyspåvirkning er 1 til 2 C, stigende ved stigende temperatur. Forskellen kan skyldes forkert indstillet emissivitet (vi har valgt at benytte samme emissivitet ved samtlige målinger), eller at piercingen i det relativt tynde krysantemumblad, har gennembrudt bladet, så termoføleren har været frit eksponeret på bladoverfladen og dermed udsat for både stråling og lufttemperatur. Målingerne indikerer, at ved bladkarakteristika som krysantemum er temperaturmåling med termografi en mulighed. 8

Bladtemperatur, Krysantemum ved 25 og C; 0,130,250,520,850 µmol (indstillingsværdi). Kamera lodret. 40 Piercet Termopar 35 30 Luft Temp Temperatur 25 20 15 10 IR spot måling Skaleret lys Tmp_17 TC_s Spot udfyld rel Par 19 5 0 11;14 11;42 12;1 12;38 13;06 13;34 14;02 14;3 14;58 15;26 15;54 16;22 16;5 Fig. 4. Receptkørsel for krysantemum. Tid (kl.) NB: Luftgennemstrømning i målestationer senere konstateret lav Bladtemperatur, Phallenopsis ved 25 og C; 0, 200, 400 og 800µmol (Indstillingsværdi). Målt med kamera vinkel 20 fra lodret. 40 IR temp 35 30 Luft Temperatur 25 20 15 10 Keramik ref. Temp. Termistor + IR Skaleret lysmåling Piercet temp. Leaf_Term Tmp_17 TC_s Korr.Par_19 Spot 1 Spot 2 5 0 12;35 12;58 13;21 13;44 14;07 14;3 14;53 15;16 15;39 16;02 16;25 16;48 17;11 Tid (kl.) Fig. 5. Receptkørsel for Phalaenopsis Af fig. 5 ses at de to temperaturmålinger på bladet, piercet og IR, følges utroligt flot (max. afvigelse er 0,5 C). Afvigelsen kan evt. tilskrives varmekapaciteten i det relative tykke blad og/eller måleunøjagtigheder. Det er markant at de to bladtemperaturmålinger har sammenfald på trods af den store difference i forhold til temperaturen på referencepladen og den omgivende luft. Fig. 5 viser at termografisk temperaturmåling af bladtemperatur 9

for Phalaenopsis også er en mulighed. Under forsøget med Phalaenopsis kunne der konstateres relative store temperaturgradienter på bladet under lyspåvirkninger, derfor blev der udført yderligere forsøg med vedvarende lys på Phalaenopsis. Fig. 6. Phalaenopsisblad, Temperaturgradient for den sorte linie på billede (L01). Sort firkant er den keramiske referenceplade. Spot 2 er den tilhørende IR måling. Fig. 6 er et eksempel på temperaturgradienter hen over et blad. Gradienterne er fremkaldt ved belysning og bladets vinkel i forhold til lyskilden. Der er tale om kunstigt lys i et klimakammer og med infrarødt lys fra solen udelukket. Der er konstateret temperaturforskelle på op til 6-7 C. Ovenstående figur viser en temperaturforskel over linie L01 på 3,9 C. Billedet med gradienter viser, at det ikke er ligegyldigt, hvor på bladet en temperaturpunktmåling foretages. 10

Ved alle termografimålingerne er gemt billeder/data i to formater, et *.BMP som simpelt skærmdump og et *.IMG (et FLIR format) med alle informationer fra kameraet med mulighed for databehandling og valgfri dataudtræk. Det gør det muligt dels visuelt at sammenligne målingerne, men giver også mulighed for at gennemføre billedanalyser og billedbehandling, så man kan få en mere præcis og måske mere simpel information fra målingerne. Efterfølgende vil der kunne udtrækkes specifikke dataønsker ud. M.Sc-studerende (civilingeniør) Christian Klit er med vejledning fra SyddanskUniversitet (SDU) i gang med at forberede sit master projekt. I det omfang, der kan tiltrækkes studenter igangsættes projekter (afgangsprojekter) på basis af de opsamlede data i foråret 2005. Hovedkonklusioner Ud fra klimakammerforsøgene kan det konkluders, at termografiudstyret i den form, der er testet kan levere mere information om planters reaktioner end punktfølere (termistorer/termofølere) og gennemsnitsfølere (IR). Rapporten viser at termografimåling kan vise temperaturforskelle hen over et blad. Bladvinkelen har ingen indflydelse for bladets emissivitet for de tre valgte planter. Piercing af tynde blade kan udgøre en fejlmulighed, idet placeringen af føleren og den vedvarende placering er usikker. Derudover er der risiko for ændret termisk kontakt efter piercing. I disse situationer vil IR-måling og dermed også termografering være en fordel. For at opnå optimal nøjagtighed skal plantens (bladets) emissivitet kendes. Dette projekt har ikke fokuseret på dette, da der har været lagt vægt på andre parametre. Sammen med billedanalyse vil der sandsynligvis kunne fortages mere automatiserede målinger (plantetemperaturer og dermed plantereaktioner) samt beslutninger vedr. klimastyring. Projektet har vist, at det i denne indledende fase har været nødvendig med indgående kendskab til såvel måleudstyr som klimakammer for at minimere mulige fejlkilder. Det drejer sig både teoretisk som praktisk. Det kan bl.a. nævnes at placering af målestationer for tæt ved bordkanten pga. turbulenser giver markant afvigende resultater. Der har været udført en del forsøg, og der er stadig områder, der burde undersøges nærmere. Ved målingerne på krysantemum konstateredes efter kort tid (0,5 time) en øget blivende temperaturforskel (ca. 1 C) på de to målemetoder. Årsagen kan evt. være at den termiske kontakt ved den piercede føler forringes. Problemet er ikke yderligere undersøgt. Problemet er kun observeret ved krysantemum. Der er under forsøgene konstateret kraftig strålingsopvarmning af målestationer og kabler, hvilket indikerer mulig fejlkilde i forbindelse med berøringsfølere, hvor kabel og føler evt. er udsat for stråling. Projektet mangler målinger mere grundige målinger i væksthus, men en måleserie er gennemført efter projektets afslutning; men disse indledende målinger indikerer gode muligheder for termografianvendelse. 11

Ud fra de opnåede erfaringer med temperaturgradienter på de enkelte blade vil termovision med efterfølgende billede behandling rumme vidstrakte perspektiver i overvågning af temperaturudviklingen i en plantemasse, som ikke lader sig gøre med punktmåling. Perspektiver Metoden med varmekamera kan anvendes til at kontrollere målinger med traditionelle infrarød temperaturmålere og andre bladtemperaturmålere, så man kan sikre sig, at det man måler faktisk er det rigtige og netop det, som planten oplever. Problemet er bare at finde en balance mellem præcise målinger, antallet af følere og udgifterne ved at installere og styre følerne. Resultaterne viser, at der er store forskelle på bladfladerne, men at metoden med varmekameraer giver et pålideligt billede af planternes reaktion, men at man vil kunne anvende kombinationer af temperaturmålinger og varmekamera vil man kunne forbedre styringen. Måling af temperaturgradienter kan evt. give viden og erfaring for placering af andre følere samt analyse af stresssituationer. Forsøgene har vist, at undersøgelser om, hvordan berøringsfølere kan påvirke målepunktet ved kraftig lyspåvirkning (temperaturforskel mellem blad og luft) måske er et fremtidigt indsatsområde. Sammenlignet med IR-pyrometre kunne et fremtidigt projekt være anvendelse af termografimåling over et område med automatisk max. temperatursøgning, og en undersøgelse af hvilken betydning det har, at ikke hele området er i fokus. Dette kunne kombineres med billedbehandling så evt. fejlkilder (f.eks. falsk max. temperatur) kan udelukkes. Afledte resultater af projektet Projektet forventes at udløse en ansøgning om innovationsmidler fra Fødevareministeriet med deltagelse af to gartnerier og et eller to tekniske firmaer samt DJF og IOT, hvor målet er at anvende termovision i kombination med andre termofølere til implementering af en bedre bladtemperaturstyring i arter, hvor bladtemperaturen er kritisk. Et konkret spinoff på dette projekt og andre projekter i Udviklingscenter Årslev er at der på IOT er der etableret et Videncenter for Teknologianvendelse i Biologisk Produktion. Videncenterets primære opgave er at etablere projektinitierende samarbejde mellem erhvervsvirksomheder, brancheorganisationer, konsulentvirksomheder, forskningsinstitutioner samt uddannelsesinstitutionen, hvor målet er at skabe et dynamisk udviklingsrum, hvorigennem interessenter ved aktiv deltagelse kan opnå en væsentlig kompetencevækst. IOT finder det naturligt, i første fase, at etablere samarbejde med den del af biologisk produktion der omfatter landbrugets planteavl samt gartnerierhvervet. Valget af disse erhvervsområder skyldes dels at disse i dag er at betragte som højteknologiske produktionsvirksomheder med et stort automationsbehov, hvilket er en nødvendighed for at forblive blandt de førende producenter 12

på verdensmarkedet og dels fordi disse udgør en stor del af det Fynske erhvervsliv. Indledningsvis vil videncentret fokusere på gartnerierhvervet, hvor udviklingen og forskningen inden for optimering af dyrkningsformer er koncentreret om følgende problemområder: at opnå kortest mulig produktionstid minimere ressourceforbrug (el, vand, varme, gødning, svampe og insektbekæmpelse, m.m.) opnå høj kvalitet ( pæneste form og farve) begrænse miljøbelastningen i form af alternativer til pesticider, stråforkortere, m.m. forenkle produktionsovervågning af større/flere enheder. IOT dækker et bredt kompetenceområde inden for automation, transducer- og aktuatorteknologi og kan umiddelbart byde ind med følgende specifikke teknologiske kompetencer i et projektsamarbejde: Transducerteknik: Anvendelse af eksisterende transducertyper, men også i høj grad udvikling af nye typer. Optiske målemetoder, herunder specielt interferometri, spektroskopi og termografi. Billedbehandling/billedanalyse. Forstærkerteknik. Signalbehandling. Dataopsamling. Datatransmission. Databehandling og procesregulering. IT (Datapræsentation, databasedesign, m.m.). Mekanisk/Industrielt design. 13