Experimenteren met een FLIR camera

Datum:  Juli 2023

Inleiding:

Bij Banggood kwam ik een kleine goedkope FLIR camera tegen die men via USB op de smartphone kan aansluiten. Een gadget waar ik geen nee tegen kon zeggen.

Materiaal:

  • Android smartphone
  • FLIR camera module met USB C connector
  • Handwarmer
  • Natronloog
  • Water
  • Roermotor
  • Roerboon
  • Ti-nspire CX CAS met temperatuursensor
  • Weegschaal
  • Bekerglas
    Coachlab II
  • Temperatuursensor
  • Computer met benodigde software
  • IJs blokjes
  • Zout
  • Schaaltjes


Ti-nspire CX CAS


Coachlab met Temperatuursensor


Temperatuur sensor

Uitvoering:

  • Bekijk verschillende objecten in je directe omgeving met de FLIR camera
Handwarmer
  • Neem de rekenmachine met temperatuursensor en plaats de temperatuursensor onder de handwarmer
  • Stel de rekenmachine in op het meten van de temperatuur
  • Prepareer de smartphone met FLIR camera, open de bijbehorende App
  • Knak het plaatje in de handwarmer en leg deze op de temperatuursensor
  • Maak FLIR foto's met de smartphone
  • De temperatuursensor meting ijlt na, druk met de vlakke hand op de handwarmer
Natronloog en ammoniumcarbonaat oplossen in water
  • Weeg ca. 150 ml water af in een bekerglas
  • Plaats een roerboon in het bekerglas
  • Zet het bekerglas op de roermotor
  • Plaats de temperatuursensor in het bekerglas
  • Programmeer Coachlab voor een meting van 15 minuten met 1 meting per seconde
  • Weeg ca. 20 g Natriumhydroxide af (0.5 mol)
  • Start de roermotor
  • Start de temperatuurmeting op Coachlab
  • Giet de afgewogen NaOH in het bekerglas
  • Start de roermotor
  • Maak regelmatig FLIR foto's met de smartphone
  • Noteer daarbij de tijd zoals weergegeven op de rekenmachine
  • Analyseer de data
  • Herhaal dit experiment met ca. 22 g ammoniumcarbonaat
Temperatuur ijs/water/zout mengsel
  • Neem twee schaaltjes
  • Vul beide met een water/ijs mengsel
  • Strooi op een petrischaal zoutkorrels
  • Observeer met de FLIR camera
  • Meet ook m.b.v. de temperatuursensor en de Ti-nspire CX CAS

Resultaten:

Objecten bekijken
Een van de eerste experimentjes die ik deed met de camera was het bekijken van een smoothie.
Een Arduino die een programma draait
Handwarmer

Het thermogram geeft  een temperatuur van 48.1 C aan.

Met de temperatuursensor meten we na enige tijd 47.4 C.

In het verleden heb ik een maximale temperatuur van 52.3 C voor deze handwarmer gemeten.

 

Natronloog en ammoniumcarbonaat oplossen in water


Screenshot Coachlab


Grafiek meetresultaten

Carbonaat
Max T = 23.9 C
Min T = 19.0 C
∆T = - 4.9
C
CLoog
Max T = 52.2 C
Min T = 25.1 C
∆T = 27.1
C
FLIR Camera resultaten


Natronloog


Ammoniumcarbonaat

Temperatuur ijs/water/zout mengsel

Met zout

Zonder zout

Discussie:

Thermografie is een meetmethode waarbij temperatuur in kaart wordt gebracht waarbij men gebruikt maakt van een  thermografische camera die ook wel infrarood camera of warmtebeeldcamera genoemd. Deze camera registreert alleen infrarood licht dat informatie over de temperatuur van een object bevat en geeft dit weer als een thermogram. De sensor in combinatie met optiek analyseert de ontvangen golflengtes (Wet van Wien). Thermogrammen van FLIR warmtebeeldcamera's worden met een temperatuurschaal weergegeven. Iedere thermischie pixels geeft namelijk unieke temperatuurinformatie, welke wordt gevisualiseerd middels een kleurenpallet. Lage temperaturen hebben hierop een donkere kleur en de hogere temperaturen lichtere kleuren.
 
De verschillende objecten die we bekeken hebben met de FLIR camera geven ons een andere "thermische" blik op de wereld die we soms wel met onze tast sensoren kunnen voelen maar slechts moeilijk visualiseren. De smoothie voelt en smaakt kouder maar met de FLIR camera kunnen we dat visualiseren. Als een CPU een programma draait wordt het warmer hetgeen we inzichtelijk maken met de FLIR camera. Ook chemische en fysische process waarbij thermische veranderingen optreden kunnen we met de FLIR camera visualiseren zoals de handwarmer, de water/ijs/zout koude mengsels en de oplosbaarheid van zouten..

Bij de handwarmer visualiseren we dat door kristallisatie warmte vrij komt. Toevoegen van zout aan een water/ijs mengsel laat de temperatuur van het mengsel verder dalen.  Bij het oplossen van zouten kan zowel warmte vrij komen (natronloog) of warmte ontrokken worden aan de omgeving (ammoniumcarbonaat).

 
Deze oploswarmte, de energie die aan de omgeving wordt afgestaan of uit de omgeving wordt onttrokken bij het oplossen van een stof, kunnen we voor natronloog verder kwantificeren door gebruik te maken van de Born-Haber cyclus. Helaas heb ik voor de ammoniumcarbonaat niet alle benodigde waardes kunnen vinden.

Oploswarmte = Hydratatie-energie van alle ionen minus Roosterenergie van verbinding

Binas Hydratatienergie:

  • Na+ = -3.9.105 J/mol bij 298 k
  • NH4+ = -2.8 .105 J/mol bij 298K
  • OH- = -5.4.105 J/mol bij 298 K
     

Handbook roosterenergery (Lattice Energy):
NaOH 
   calculated: 887 kJ/mol
   thermo: 900 kJ/mol

   
NaOH --oplossen--> Na+(aq) + OH-(aq)

Afgewogen: 20.9 g (=20.9/40 = 0.52 mol) natronloog in 150 g (=150/18 = 8.3 mol) water

Roosterenergie NaOH = -887 kJ/mol
Hydratatie-energie Na+ = -390 kJ/mol
Hydratatie-energie OH- = -540 kJ/mol

Oploswarmte NaOH = (-390 + -540) - (-887) = -43 kJ/mol

Voor de 0.52 mol die we opgelost hebben is dat: -22.4 kJ/mol

Deze warmte komt vrij en verwarmt 150 g water (CpH2O = 4.186 J/gC). Met:
Q = m.cp.∆T => 22400 = 150 x 4.186 x ∆T
∆T = 35.7
C

Met Coachlab hebben we een temperatuurstijging van 27.1 C gemeten, Met de FLIR camera observeren we een temperatuurstijging van 21.8 C.

We meten een minder grote temperatuurstijging dan we berekenen. Een mogelijke verklaring is dat het tijd kost om de loog op te lossen en de oplossing te verwarmen. Gedurende die periode wordt er ook warmte afgestaan aan de omgeving waardoor we per definitie onder het berekende maximum uitkomen. De grafiek laat ook zien dat dit proces iets minder uniform verlopen is dan men zou willen.

 
Een algemene observatie is dat de met de temperatuursensor gemeten temperaturen enigszins afwijken van de met de FLIR gemeten temperaturen. Dat kan een calibratieverschil zijn maar me de FLIR meten we per definitie altijd de temperatuur van het oppervlak. Het gebied waar of de verdamping plaats vindt of waar een glaslaag tussen de camera en de oplossing zit. Mogelijk dat die kleine verschillen t.o.v. de meting met een temperatuursensor ook aan het gemeten verschil bijdragen.

Opmerkingen:

  • Nederlands: Warmtebeeldcamera
  • Bij CMA is ook een warmtebeeldcamera verkrijgbaar alsmede instructies voor experimenten
  • Ammoniumcarbonaat wordt ook wel Hertshoornzout of Vlugzout genoemd

Literatuur:

  • J. Haglund, F. Jeppsson, D. Hedberg, K. J. Schnborn; "Thermal cameras in school laboratory activities"; Physics Education; 50 4 2015; p.424-430

  • Xinhua Xu, Meifen Wu, Xiaogang Wang ;"Smartphone Visualization of Thermal Phenomena with Thermal Imaging Accessories"; Journal of Chemical Education; 96 11 2019; p. 2545-2552

  • D. B. Short; "Thermal imaging in the science classroom"; School Science Review; September 94 346 2012; p. 75-78

  • BiNaS; 6de Ed; Noordhof; ISBN 9789001817497

  • Handbook of Chemistry and Physics; 60th Ed; CRC Press

  • Terhell en Terhell; "Fysische Chemie 2"; Agon Elsevier - Heron Bibliotheek; 1973; ISBN 9010104478; p. 96-98.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Beschrijving en Specificaties
Description:

This product is a cellphone based thermal imaging camera that needs to be used with a cellphone APP (currently supports Android system), with a resolution of 32*32, plug-and-plays, very convenient. It is widely used in industries and fields such as electronic device development, printed circuit board testing, thermal construction, and off-contacts temperature measurement.

Features:

Compact Size: Simple and mini, it weighs only 10g and is easy to carry and very portable.

Android System: Support Android 8.0-12 system, you need to open the OTG function in the cellphone settings interface (enter the cellphone settings - OTG, turn the OTG function on)

Multiple Color Modes: Iron Red, Rainbow, White Heat, Blue-orange, Blue-yellow, which you can adjust according to your needs or preferences.

Interface Reversal: The interface can be reversed for application scenarios where the thermal imaging camera needs to be placed on topside of the cellphone.

Temperature Measurement: -20 C~1000 C measurement range, displaying maximum temperature, minimum temperature and center temperature at the same time.

Images Storage: This thermal imager has a photo-taking function, images can be saved for viewing at any time.

Language Setting: Support for two languages setting, whihc you can adjust to Chinese or English according to your preference.

APP Control: Download APP by link or scan QR code, the APP interface is easy to operate, APP features will be updated from time to time, and users can get the latest features through APP updates for a long time.

Specifications:

  • Name: Thermal Imager
  • Resolution: 32*32
  • Temperature measurement ranges: -20~1000C
  • Temperature measurement accuracy: 3C
  • Field of view: 33
  • Maximum frame-number: 5fps
  • Color mode: 5
  • Interface:TYPE-C
  • System requirement: Android 8.0-12
  • Operating temperature: 0~50C
  • Storage temperature: -40~80C
  • Item size: 45 * 31 * 20mm

26/07/2023