Kızılötesi Dalga-boyundaki Işınlarla Isısal Grafikleme
Transkript
Kızılötesi Dalga-boyundaki Işınlarla Isısal Grafikleme
Kızılötesi Dalga-boyundaki Işınlarla Isısal Grafikleme Yöntemi ve Tarımda Kullanılma Olanakları Bahadır DEMİREL1, Gürkan A. K. GÜRDİL1, Ali TEKGÜLER2 1 Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümü, Samsun 2 Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Samsun Meslek Yüksekokulu, Samsun bdemirel@omu.edu.tr Özet: Elektromanyetik spektrum içerisinde yer alan ve termal ışınım olarak da nitelendirilen kızılötesi ışınım 710 nanometre ile 1 mm arası dalga boylarına sahip ışınları kapsamaktadır. Kızılötesi dalga boyundaki ışınlarla ısısal grafikleme yöntemi (Infrared thermography, IRT) temas ve yayılma olmaksızın ısı algılamaya dayalı bir teknolojidir. IRT’nin temel prensibi; madde içerisindeki anormalliklerden dolayı maddenin ısı akımı değişmesine dayanır. Isı akımındaki değişiklikler, madde yüzeyinde kısmi ısı değişimine neden olmaktadır. Günümüzde önemli uygulamaları olan IRT yöntemi, halen üzerinde önemle çalışılan konular arasındadır. IRT yöntemi sanayi, otomasyon sistemlerinde, askeri savunma ve güvenlik sistemlerinde, tıpta, inşaat sektöründe, mekanik sistemlerde, elektrik ve elektronik sistemlerde, veterinerlikte, gece görüş sistemlerinde, araştırma projelerinde, topoğrafik çalışmalarda ve tarımda kullanılmaktadır. Bu çalışmada, IRT yöntemi tanıtılmış ve bu yöntemin özellikle tarımda kullanılma olanakları hakkında bilgi verilmeye çalışılmıştır. Anahtar Kelimeler: Kızılötesi, termal kamera, tarım, uzaktan algılama Infrared Thermography Method and Application Opportunities in Agriculture Abstract: Infrared radiation known as thermal radiation is a part of electromagnetic spectrum and covers the wavelengths from 710 nanometer to 1 mm. Infrared thermography (IRT) is technology based heat sensing without a contact and diffusion. Basic principle of IRT is based on variations in heat transfer of a material due to abnormal conditions. Variation in heat transfer causes partial temperature changes on material surface. IRT is still among the top priority topics which has important applications nowadays. IRT method is being used in industry, automation systems, military defense and security systems, medicine, construction sector, mechanical systems, electric and electronic systems, veterinary, night vision systems, research projects, topography and in agriculture. In this work, IRT method is introduced and information about possible applications of IRT in agriculture is given. Keywords: Infrared, thermal camera, agriculture, remote sensing olan bir dalga uzunluğuna sahiptir ve bu ışınlar GİRİŞ Latincede “infra” ön eki “altında” spektrumda anlamına görünür ışıktan sonra gelmektedir gelmektedir. Dolayısıyla “infrared” sözcüğü görülebilir (Anonim, 2003). Kızılötesi olarak adlandırılan ışınım, ışık spektrumunun kırmızı ucunun ötesinde olan görünür gözümüzün görmediği bölgeye karşılık gelir (Anonim, Gözlerimiz bu dalga boyuna duyarlı olmadığından, onu 2009a). algılayamayız (Anonim, 2009b). ışıktan daha düşük enerjili ışınımdır. 1800 yılında İngiliz astronomi bilgini Sir William Mutlak sıfırın (0 K= -273 C) üstünde sıcaklığa Hershel, görülebilir ışık spektrumunun ötesindeki kızıl sahip her cisim bir kızılötesi ışıma yapar. Bu ışımanın ötesi ışınım enerjisinin varlığını keşfetmiştir (Anonim, sebebi, 2003; Flir, 2009). üstündeki sıcaklıklarda dönme ve titreşme hareketleri atomların ve moleküllerin mutlak sıfırın Kızıl ötesi ışıma 0.75 – 1000 μm arası uzunluktaki yapmasıdır. Atomlar ve moleküller dönme yaparken elektromanyetik dalgalardan oluşmaktadır (Erdoğan kızılötesi enerji yayarlar (Arslan ve Erişen, 2008; 2009; Yücel, 2009) (Şekil 1). Spektrumun bu kısmına Erdoğan, 2009). Sıcak cisimler ışıklarını daha çok kısa görünür ışın ve mor ötesi ışınlar yerleştirilmiştir. Kızıl dalga boylarında yayarken soğuk cisimler daha uzun ötesi ışıma, bunların sahip olduklarından daha uzun boylu dalgalarda ışınım yayarlar (Yücel, 2009). 147 Şekil 1. Elektromanyetik spektrum (Anonim, 2009c) IRT temas ve yayılma olmaksızın ısı algılamaya Günümüzde dayalı bir teknolojidir (Knížková ve ark., 2007; Arslan önemli uygulamaları olan IRT yöntemi, halen üzerinde önemle çalışılan konular IRT yöntemi sanayi, otomasyon ve Erişen, 2008). Bu yöntem sayesinde kızılötesi ışınlar arasındadır. görünür hale getirilebilmektedir. Cisim tarafından sistemlerinde, yapılan yayınım arttıkça sıcaklıkta artacaktır. Bu sistemlerinde, yüzden IRT yöntemi sayesinde değişik sıcaklıkları sistemlerde, farkedebilmek mümkün hale gelmektedir. Sıcaklığı veterinerlikte, gece görüş sistemlerinde, araştırma yüksek nesneler soğuk nesneler önünde kolaylıkla projelerinde, farkedilebilmektedir. Bu yüzden insan gibi sıcakkanlı kullanılmaktadır (Anonim, 2009d; Flir, 2009). Bu canlılar dış ortamda termal kamera ile kolaylıkla tespit çalışmada, IRT yöntemi tanıtılmış ve bu yöntemin edilebilmektedirler (Anonim, 2009d; Anonim 2009e). özellikle tarımda kullanılma olanakları hakkında bilgi askeri tıpta, elektrik inşaat ve topoğrafik verilmeye çalışılmıştır. 148 savunma ve güvenlik sektöründe, elektronik çalışmalarda mekanik sistemlerde, ve tarımda Kızılötesi Kamera Irt Yönteminin Tarımda Kullanılma Olanakları Kızılötesi (termal) kameralar, cisimlerden yayılan ve insan gözü enerjiden tarafından elde edilen algılanamayan bilginin kızılötesi görünür Önemli uygulama alanları olan IRT yöntemi, halen üzerinde önemle çalışılan konular arasındadır. Temas hale ve yayılma olmaksızın ısı algılamaya dayalı bir dönüştürülmesini sağlarlar. Nesnelerin sahip oldukları teknoloji olduğundan tarımla ilgili hemen hemen her sıcaklık dağılımları farklı renk tonlarıyla kızılötesi alanda kameralar ile elde edilir. Diğer bir ifade ile kızılötesi Avrupa’da bu yöntem tarımda kullanılmaktadır. Ancak, kameralar kızılötesi enerjiyi ölçerler ve Planck formülü ülkemizde tarım sektöründe IRT yöntemi henüz esas alınarak uygun ayarlama ile cisimlerin sıcaklık kullanılmaya dağılımlarını elde etmemizi sağlarlar (Knížková ve ark., uygulamalardan bazı örnekler verilmiştir. kullanılma olanağı vardır. başlanmamıştır. 2007; Arslan ve Erişen, 2008). Kızılötesi kameranın çalışma prensibi ve yapısı Şekil 2 ve 3’de verilmiştir. Sistemin girişi optik akı, çıkışı ise görüntüdür. Şekil 2. Kızılötesi kameranın çalışma prensibi (Arslan ve Erişen, 2008) Şekil 3. Kızılötesi kameranın yapısı (Flir, 2009) 149 Dünyada Aşağıda ve bu Hayvancılıkta Kullanımı Hayvanlarda farklı çevresel koşullarda vücut ve deri sıcaklıklarındaki değişimlerin belirlenmesinde IRT yöntemi kullanılmaktadır. Örneğin, Çek Cumhuriyeti’nde evcilleştirilmiş antilop etine olan talebin artmasından dolayı antilop yetiştiriciliği önem kazanmıştır ve bu nedenle bu hayvanlar için uygun çevresel koşulların sağlanmasında IRT yöntemi kullanılmıştır. Antilopların çevresel değişimlere karşı gösterdiği vücut sıcaklığı değişimleri gözlemlenmiştir Şekil 6. Vücut ısı yalıtımı kötü olan bir yeni (Şekil 4) (Kotrba ve ark., 2007). doğmuş kuzu Gıda sektöründe kullanımı IRT yöntemi gıda sektöründe ürünlerin özelliklerinin kontrol edilmesi için uygundur (Şekil 7). Mısır ve arpada aflatoxinin tespitinde (FernándezIbañez ve ark., 2009), meyve ve sebzelerin kalite kontrolünde (Bureau ve ark., 2009; Chen ve ark., 2009) (Şekil 8), unlu mamullerin analizinde (Sørensen, 2009) ve et kalitesi kontrolünde (Tejerina ve ark., Şekil 4.Antilobun IRT yöntemi ile belirlenmiş 2009) kullanılmaktadır. vücut ısısı değişimleri IRT yöntemi hayvan sağlığı ve hastalıklarının kontrolünde de kullanılmaktadır (Knížková ve ark., 1996). Örneğin, büyükbaş hayvanlarda solunum yolu hastalıklarının önceden tespitinde kullanılabilmektedir (Şekil 5) (Schaefer ve ark., 2007). 1. gün Şekil 7. Taze yumurtaların tespiti 8. gün Şekil 5.Büyükbaş hayvanlarda solunum yolu hastalığı tespiti Büyükbaş hayvanların canlı ağırlıklarının tespitinde ve hayvanlarda meydana gelen stresin kontrolünde IRT yönteminden yararlanılmaktadır (Stewart ve ark., 2007; Stajnko ve ark., 2008). Atların ayağında oluşabilecek rahatsızlıkların önceden tespit edilmesinde (Yanmaz ve ark., 2007), yeni doğan kuzuların çevresel koşullara adaptasyonun kontrolünde kullanılmaktadır, (Şekil 6) (Malá ve ark. Şekil 8. Meyve kalite kontrolü 2004; Knížková ve ark., 2007). 150 Tarımla İlgili Mühendislik Konularında Kullanımı Hayvan barınaklarının, tarımsal yapıların ısı yalıtımı kontrolünde (Knížková ve ark., 2002) (Şekil 9), hayvanlar için uygun altlık materyalinin tespitinde (Lendelová ve ark., 2006) IRT yöntemi kullanılmaktadır. İyi Kötü Şekil 9. Isı yalıtımı iyi ve kötü olan pencereler Tarımsal sistemlerde işletmelerde (Şekil 10) ve kullanılan işletmelerin mekanik elektrik tesisatında oluşabilecek muhtemel arızaların önceden tespitinde (Şekil 11) IRT yöntemi çabuk ve pratik çözümler sunmaktadır. Ayrıca, tarım makinelerinde makineyi oluşturan parçalarda meydana gelebilecek aşınmalar, arızalar ve malzeme yorgunluğunun kontrol Şekil 11. Elektrik tesisatının kontrolü edilmesinde kullanılabilmektedir. SONUÇ IRT yönteminin temel prensibi; madde içerisindeki anormalliklerden dolayı maddenin ısı akımı değişmesine dayanır. IRT yöntemi ile cisimlerin yaydığı ısılar temas gerektirmeden algılanıp analiz edebildiği için cisimlerde oluşabilecek arızalar ve sorunlar pratik bir şekilde önceden tespit edilebilir. Bunun sonucu olarak gerekli önlemlerin önceden alınmasına yardımcı olur. IRT yöntemi uzay bilimi, sanayi, tıp ve tarım gibi birçok alanda Avrupa’da bu kullanılmaktadır. kullanılabilmektedir. yöntem Ancak, Amerika tarım ülkemizde ve sektöründe IRT yöntemi tarımda henüz kullanılmamaktadır. Bu çalışmanın amacı çok geniş bir kullanım alanı olan bu yöntemi tanıtmak ve özellikle tarımla ilgili alanlarda kullanılma olanakları hakkında genel bilgiler vermektir. Şekil 10. Mekanik sistemlerin kontrolü TEŞEKKÜR Bu çalışmada bilgi desteği ve değerli katkılarından dolayı Research Institute of Animal Production Uhřiněves, Prag Çek Cumhuriyetinden Doc. Ing. Ivana Knížková ve Doc. Ing. Petr Kunc’a çok teşekkür ederiz. 151 LİTERATÜR LİSTESİ Malá G., Knížková I., Kunc P., Mátlová V., Knížek J., 2004. Resistance of Early Postnatal Lambs from Two Genetic Types to Cold Environment and Rain. Ann. Anim., Sci.Suppl.,N o. I (2004) 169-171 Schaefer A.L., Cook N.J., Church J.S., Basarab J., Perry B., Miller C., Tong A.K.W., 2007. The use of infrared thermography as an early indicator of bovine respiratory disease complex in calves, Research in Veterinary Science 83, 376–384. Sørensen L.K., 2009. Application of reflectance near infrared spectroscopy for bread analyses, Food Chemistry 113 (2009) 1318–1322 Stajnko D., Brus M., Hoˇcevar M., 2008. Estimation of bull live weight through thermographically measured body dimensions. Computers and Electronics in Agriculture 61, 233–240. Stewart M., Webster J.R., Verkerk G.A., Schaefer A.L., Colyn J.J., Stafford K.J., 2007. Non-invasive measurement of stress in dairy cows using infrared thermography. Physiology & Behavior 92, 520–525. Tejerina D., López-Parra M.M., García-Torres S., 2009. Potential used of near infrared reflectance spectroscopy to predict meat physico-chemical composition of guinea fowl (Numida meleagris) reared under different production systems, Food Chemistry 113, 1290–1296. Yanmaz L.E., Okumuş Z., Doğan E., 2007. Instrumentation of Thermography and Its Applications in Horses, Journal of Animal and Veterinary Advances 6 (7), 858-862. Yücel E., 2009. Işık, Renk ve Elektromanyetik Tayf. http://www.akat.org/sizin_icin/elektromagnetik_tayf.pdf, Erişim: Şubat 2009 Anonim, 2003. Thermographic measurement techniques, Publ. No. 1 557 527 Review. Anonim, 2009a. Kızılötesi Isıtma. http://www.ardo.com.tr, Erişim: Mart 2009. Anonim, 2009b. Kızılötesi nedir? Kızılötesi dürbünler akşamları nasıl görür? http://www.biltek.tubitak.gov.tr /merak_ettikleriniz/index.php?kategori_id=4&soru_id=14 06, Erişim: Şubat 2009. Anonim, 2009c. Alternaturk. http://www.alternaturk. org/infrared.php, Erişim: Mart 2009. Anonim, 2009d. Infrared termografi, termal görüntüleme, termografik görüntüleme, thermal kamera. http://www.turksan.com/guvenlik/kizilotesi, Erişim: Mart 2009. Anonim, 2009e. http://www.baglan.com.tr/urunler/axis /camera/221/gece_gunduz.html, Erişim: Şubat 2009 Arslan M., Erişen A., 2008. Isıtılan Hasarlı Malzemenin Kızılötesi Termografi ile Belirlenen Yüzey Sıcaklık Dağılımı Kullanılarak Tahribatsız Muayenesi. http://tbd.wmv.gen.tr/Bilisim08/Bildiriler/Mevl%FCt%20A RSLAN.doc, Erişim: Mart 2009. Bureau S., David R., Maryse R., Barbara G., Dominique B., Jean-Marc A., Catherine M.G.C.R., 2009. Rapid and nondestructive analysis of apricot fruit quality using FT-nearinfrared spectroscopy, Food Chemistry 113 (2009) 1323– 1328 Chen Q., Zhao J., Chaitep S., Guo Z., 2009. Simultaneous analysis of main catechins contents in green tea (Camellia sinensis (L.)) by Fourier transform near infrared reflectance (FT-NIR) spectroscopy, Food Chemistry 113, 1272–1277. Erdoğan B., 2009. Meme Kanseri Tanısında Kızılötesi Görüntüleme Yöntemi. http://www.ehb.itu.edu.tr /~cilesiz/courses/BYM504E/BYM504E-2006-meme-IRimaging.pdf, Erişim: Şubat 2009. Fernández-Ibañez V., Soldado A., Martínez-Fernández A., de la Roza-Delgado B., 2009. Application of near infrared spectroscopy for rapid detection of aflatoxin B1 in maize and barley as analytical quality assessment, Food Chemistry 113 (2009) 629–634. Flir, 2009. FLIR Infrared Cameras & Thermal Imaging. http://www.flir.com, Erişim: Mart 2009. Knížková I., Kunc P., Gürdil A.K.G., Pınar Y., Selvi Ç. K., 2007. Applications of Infrared Thermography in Animal Production, J. of Fac. of Agric., OMU, 2007,22(3):329336. Knížková I., Kunc P., Koubkova´ M., Flusser J., Dolezal O., 2002. Evaluation of naturally ventilated dairy barn management by a thermographic method, Livestock Production Science 77, 349–353 Knížková I., Kunc P., Novy Z., Knizek J., 1996. Evaluation of Evaporative Cooling on the Changes of Cattle Surface Body Temperatures with Use of Thermovision, Zivočišná Výroba, 41, 1996 (9): 433-439 Kotrba R., Knížková I., Kunc P., Bartoš L., 2007. Comparison between the coat temperature of the eland and dairy cattle by infrared thermography, J. Therm. Biol. 32 (2007), pp. 355–359. Lendelová J., Progran S., Knížková I., Kunc P., 2006. Cubicle Lying Structures and Their Thermo Technical Comparison, Architectura 5 (1), 81-90. 152