Measurement of High-Frequency Sub-Noise Temperature Signal and RMS Current Using a Single-Detector High-Speed IR System

eng Artykuł w języku angielskim DOI: 10.14313/PAR_250/53

wyślij Błażej Torzyk , Bogusław Więcek Lodz University of Technology, Institute of Electronics, Politechniki Ave. 10, 93-590 Lodz

Pobierz Artykuł

Abstract

NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) parameter of infrared systems is the important parameter that allows determining the limit of temperature measurement of tested objects. Currently, the commercially available devices have the NETD < 20 mK. The infrared (IR) detectors and accompanying electronic circuits generate noise. In consequence, it is difficult to achieve the high level of signal-to-noise ratio (SNR) while measuring temperature. This paper presents a method of measuring the root mean square (RMS) value of alternating current, using a single-detector high-speed IR system for detecting 100 Hz harmonic spectral component of temperature, whose value is certainly below NETD limit.

Keywords

current measurement, harmonics, high frequency (HF) sub-noise, IR detector, NETD, SNR, temperature

Podszumowy pomiar temperatury do wyznaczania wartości skutecznej prądu przemiennego przy zastosowaniu systemu z pojedynczym detektorem podczerwieni o dużej szybkości działania

Streszczenie

Parametr NETD (ang. Noise Equivalent Temperatura Difference) dla systemów podczerwieni (IR) jest ważnym parametrem pozwalającym określić dolną granicę pomiaru temperatury badanych obiektów. Obecnie dostępne na rynku chłodzone kamery termowizyjne charakteryzuje parametr NETD < 20 mK. Detektory podczerwieni i towarzyszące im obwody elektroniczne generują szum. W konsekwencji trudno jest uzyskać wysoki poziom stosunku sygnału do szumu (SNR) w systemach radiacyjnego pomiaru temperatury. W artykule przedstawiono metodę pomiaru wartości skutecznej prądu przemiennego stosując system IR z pojedynczym detektorem o dużej częstotliwości generacji próbek. Metoda polega na pomiarze składowej harmonicznej widma temperatury o częstotliwości 100 Hz, której wartość jest znacznie mniejsza od poziomu określonego przez parametr NETD.

Słowa kluczowe

detektor IR, harmoniczne, NETD, pomiar prądu, SNR, szumy wysokiej częstotliwości (HF), temperatura

Bibliografia

  1. Barela J., Firmanty K., Kastek M., Measurement and Analysis of the Parameters of Modern Long-Range Thermal Imaging Cameras, “Sensors”, Vol. 21, No. 17, 2021, 2362– 2370, DOI: 10.3390/s21175700.
  2. Technical temperature measurement VDI/VDE 5585 Blatt 2, Temperature measurements with thermographic cameras – Calibration, 2021.
  3. Zhu J., Zhao Z., Shen S., Ding S., Shen W., Analysis on NETD of Thermal Infrared Imaging Spectrometer, 5th International Symposium of Space Optical Instruments and Applications, 2020, 1–9, DOI: 10.1007/978-3-030-27300-2_1.
  4. Redjimi A., Knežević D., Savić K., Jovanović N., Simović M., Vasiljević D.M., Noise Equivalent Temperature Difference Model for Thermal Imageres, Calculation and Analysis, „Scientific Technical Review”, Vol. 64, No. 2, 2014, 42–49.
  5. Torzyk B., Więcek B., Second-Harmonic Contactless Method for Measurement of RMS Current Using a Standard Infrared Camera, „IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement”, Vol. 70, 2021, DOI: 10.1109/TIM.2021.3077676.
  6. Rogalski A., Martyniuk P., Kopytko M., Hu W., Trends in Performance Limits of the HOT Infrared Photodetectors, „Applied Sciences”, Vol. 11, No. 2, 2021, DOI: 10.3390/app11020501.
  7. Theodosoglou I., Chatziathanasiou V., Papagiannakis A., Więcek B., De Mey G., Electrothermal analysis and temperature fluctuations’ prediction of overhead power lines, “International Journal of Electrical Power & Energy Systems”, Vol. 87, 2017, 198–210, DOI: 10.1016/j.ijepes.2016.07.002.
  8. Exizidis L., Vallée F., De Grève L., Lobry J., Chatziathanasiou V., Thermal behavior of power cables in offshore wind sites considering wind speed uncertainty, “Applied Thermal Engineering”, Vol. 91, 2015, 471–478, DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2015.08.037.
  9. VIGO PVI-4 TE IR detector datasheet. Available at: https://vigophotonics.com/app/uploads/2022/07/PVI4TE-series-datasheet.pdf.
  10. MIP-DC-1M-F-M4 DC Coupled Preamplifier Integrated with Fan, bandwidth: DC – 1 MHz datasheet. Available at: https://vigo.com.pl/wp-content/uploads/2017/06/ MIP-Datasheet.pdf.
  11. Torzyk B., Więcek B., A method of RMS current measurement especially in low and medium voltage power lines and cable, Polish patent submission, No 428676, 2019.
  12. Torzyk B., Więcek B., Method of measuring the effective value of current, in particular air in power cables and wires of LV and MV Networks, “Silver Medal for the Invention”, 2022 Kaohsiung International Invention & Design EXPO 1–3 December, 2022 Kaohsiung, Taiwan.
  13. Torzyk B., Więcek B., Methode de mesure de la valeur effective du courant, “Silver Medal for the Invention”, Geneva Inventions, Geneva, 28 Avril 2023.
  14. Torzyk B., Więcek B., Thermal and Infrared Testing “2-ω method of temperature and RMS current measurement using IR camera”, “Nondestructive Testing Handbook 4”, ISBN: 978-1-57117-488-8, ebook ISBN: 978-1-57117-489-5 (Accepted for publication).
  15. Eich D., Schirmacher W., Hanna S., Mahlein K.M., Fries P., Figgemeier H., Progress of MCT Detector Technology at AIM Towards Smaller Pitch and Lower Dark Current, “Journal of Electronic Materials”, Vol. 46, 2017, 5448–5457, DOI: 10.1007/s11664-017-5596-4.