Kızılötesi Dalga-boyundaki Işınlarla Isısal Grafikleme Yöntemi ve Tarımda Kullanılma Olanakları

Transkript

1 Kızılötesi Dalga-boyundaki Işınlarla Isısal Grafikleme Yöntemi ve Tarımda Kullanılma Olanakları Bahadır DEMİREL 1, Gürkan A. K. GÜRDİL 1, Ali TEKGÜLER 2 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 GİRİŞ Latincede infra ön eki altında anlamına gelmektedir. Dolayısıyla infrared sözcüğü görülebilir ışık spektrumunun kırmızı ucunun ötesinde olan gözümüzün görmediği bölgeye karşılık gelir (Anonim, 2009a) yılında İngiliz astronomi bilgini Sir William Hershel, görülebilir ışık spektrumunun ötesindeki kızıl ötesi ışınım enerjisinin varlığını keşfetmiştir (Anonim, 2003; Flir, 2009). Kızıl ötesi ışıma μm arası uzunluktaki elektromanyetik dalgalardan oluşmaktadır (Erdoğan 2009; Yücel, 2009) (Şekil 1). Spektrumun bu kısmına görünür ışın ve mor ötesi ışınlar yerleştirilmiştir. Kızıl ötesi ışıma, bunların sahip olduklarından daha uzun olan bir dalga uzunluğuna sahiptir ve bu ışınlar spektrumda görünür ışıktan sonra gelmektedir (Anonim, 2003). Kızılötesi olarak adlandırılan ışınım, görünür ışıktan daha düşük enerjili ışınımdır. Gözlerimiz bu dalga boyuna duyarlı olmadığından, onu algılayamayız (Anonim, 2009b). Mutlak sıfırın (0 K= -273 C) üstünde sıcaklığa sahip her cisim bir kızılötesi ışıma yapar. Bu ışımanın sebebi, atomların ve moleküllerin mutlak sıfırın üstündeki sıcaklıklarda dönme ve titreşme hareketleri yapmasıdır. Atomlar ve moleküller dönme yaparken kızılötesi enerji yayarlar (Arslan ve Erişen, 2008; Erdoğan, 2009). Sıcak cisimler ışıklarını daha çok kısa dalga boylarında yayarken soğuk cisimler daha uzun boylu dalgalarda ışınım yayarlar (Yücel, 2009). 147

2 Şekil 1. Elektromanyetik spektrum (Anonim, 2009c) IRT temas ve yayılma olmaksızın ısı algılamaya dayalı bir teknolojidir (Knížková ve ark., 2007; Arslan ve Erişen, 2008). Bu yöntem sayesinde kızılötesi ışınlar görünür hale getirilebilmektedir. Cisim tarafından yapılan yayınım arttıkça sıcaklıkta artacaktır. Bu yüzden IRT yöntemi sayesinde değişik sıcaklıkları farkedebilmek mümkün hale gelmektedir. Sıcaklığı yüksek nesneler soğuk nesneler önünde kolaylıkla farkedilebilmektedir. Bu yüzden insan gibi sıcakkanlı canlılar dış ortamda termal kamera ile kolaylıkla tespit edilebilmektedirler (Anonim, 2009d; Anonim 2009e). 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 (Anonim, 2009d; Flir, 2009). Bu çalışmada, IRT yöntemi tanıtılmış ve bu yöntemin özellikle tarımda kullanılma olanakları hakkında bilgi verilmeye çalışılmıştır. 148

3 Kızılötesi Kamera Kızılötesi (termal) kameralar, cisimlerden yayılan ve insan gözü tarafından algılanamayan kızılötesi enerjiden elde edilen bilginin görünür hale dönüştürülmesini sağlarlar. Nesnelerin sahip oldukları sıcaklık dağılımları farklı renk tonlarıyla kızılötesi kameralar ile elde edilir. Diğer bir ifade ile kızılötesi kameralar kızılötesi enerjiyi ölçerler ve Planck formülü esas alınarak uygun ayarlama ile cisimlerin sıcaklık dağılımlarını elde etmemizi sağlarlar (Knížková ve ark., 2007; Arslan ve Erişen, 2008). Kızılötesi kameranın çalışma prensibi ve yapısı Şekil 2 ve 3 de verilmiştir. Sistemin girişi optik akı, çıkışı ise görüntüdür. Irt Yönteminin Tarımda Kullanılma Olanakları Önemli uygulama alanları olan IRT yöntemi, halen üzerinde önemle çalışılan konular arasındadır. Temas ve yayılma olmaksızın ısı algılamaya dayalı bir teknoloji olduğundan tarımla ilgili hemen hemen her alanda kullanılma olanağı vardır. Dünyada ve Avrupa da bu yöntem tarımda kullanılmaktadır. Ancak, ülkemizde tarım sektöründe IRT yöntemi henüz kullanılmaya başlanmamıştır. Aşağıda bu uygulamalardan bazı örnekler verilmiştir. Şekil 2. Kızılötesi kameranın çalışma prensibi (Arslan ve Erişen, 2008) Şekil 3. Kızılötesi kameranın yapısı (Flir, 2009) 149

4 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 4) (Kotrba ve ark., 2007). Şekil 6. Vücut ısı yalıtımı kötü olan bir yeni doğmuş kuzu Şekil 4.Antilobun IRT yöntemi ile belirlenmiş vücut ısısı değişimleri Gıda sektöründe kullanımı IRT yöntemi gıda sektöründe ürünlerin özelliklerinin kontrol edilmesi için uygundur (Şekil 7). Mısır ve arpada aflatoxinin tespitinde (Fernández- Ibañez 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., 2009) kullanılmaktadır. 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 8. gün Şekil 5.Büyükbaş hayvanlarda solunum yolu hastalığı tespiti Şekil 7. Taze yumurtaların 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. 2004; Knížková ve ark., 2007). Şekil 8. Meyve kalite kontrolü 150

5 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 işletmelerde kullanılan mekanik sistemlerde (Şekil 10) ve işletmelerin 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 edilmesinde kullanılabilmektedir. Şekil 10. Mekanik sistemlerin kontrolü Şekil 11. Elektrik tesisatının kontrolü 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 kullanılabilmektedir. Amerika ve Avrupa da bu yöntem tarım sektöründe kullanılmaktadır. Ancak, ülkemizde 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. 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

6 LİTERATÜR LİSTESİ Anonim, Thermographic measurement techniques, Publ. No Review. Anonim, 2009a. Kızılötesi Isıtma. Erişim: Mart Anonim, 2009b. Kızılötesi nedir? Kızılötesi dürbünler akşamları nasıl görür? /merak_ettikleriniz/index.php?kategori_id=4&soru_id=14 06, Erişim: Şubat Anonim, 2009c. Alternaturk. org/infrared.php, Erişim: Mart Anonim, 2009d. Infrared termografi, termal görüntüleme, termografik görüntüleme, thermal kamera. Erişim: Mart Anonim, 2009e. /camera/221/gece_gunduz.html, Erişim: Şubat 2009 Arslan M., Erişen A., Isıtılan Hasarlı Malzemenin Kızılötesi Termografi ile Belirlenen Yüzey Sıcaklık Dağılımı Kullanılarak Tahribatsız Muayenesi. RSLAN.doc, Erişim: Mart Bureau S., David R., Maryse R., Barbara G., Dominique B., Jean-Marc A., Catherine M.G.C.R., Rapid and nondestructive analysis of apricot fruit quality using FT-nearinfrared spectroscopy, Food Chemistry 113 (2009) Chen Q., Zhao J., Chaitep S., Guo Z., Simultaneous analysis of main catechins contents in green tea (Camellia sinensis (L.)) by Fourier transform near infrared reflectance (FT-NIR) spectroscopy, Food Chemistry 113, Erdoğan B., Meme Kanseri Tanısında Kızılötesi Görüntüleme Yöntemi. /~cilesiz/courses/bym504e/bym504e-2006-meme-irimaging.pdf, Erişim: Şubat Fernández-Ibañez V., Soldado A., Martínez-Fernández A., de la Roza-Delgado B., Application of near infrared spectroscopy for rapid detection of aflatoxin B1 in maize and barley as analytical quality assessment, Food Chemistry 113 (2009) Flir, FLIR Infrared Cameras & Thermal Imaging. Erişim: Mart Knížková I., Kunc P., Gürdil A.K.G., Pınar Y., Selvi Ç. K., Applications of Infrared Thermography in Animal Production, J. of Fac. of Agric., OMU, 2007,22(3): Knížková I., Kunc P., Koubkova M., Flusser J., Dolezal O., Evaluation of naturally ventilated dairy barn management by a thermographic method, Livestock Production Science 77, Knížková I., Kunc P., Novy Z., Knizek J., Evaluation of Evaporative Cooling on the Changes of Cattle Surface Body Temperatures with Use of Thermovision, Zivočišná Výroba, 41, 1996 (9): Kotrba R., Knížková I., Kunc P., Bartoš L., Comparison between the coat temperature of the eland and dairy cattle by infrared thermography, J. Therm. Biol. 32 (2007), pp Lendelová J., Progran S., Knížková I., Kunc P., Cubicle Lying Structures and Their Thermo Technical Comparison, Architectura 5 (1), Malá G., Knížková I., Kunc P., Mátlová V., Knížek J., Resistance of Early Postnatal Lambs from Two Genetic Types to Cold Environment and Rain. Ann. Anim., Sci.Suppl.,N o. I (2004) Schaefer A.L., Cook N.J., Church J.S., Basarab J., Perry B., Miller C., Tong A.K.W., The use of infrared thermography as an early indicator of bovine respiratory disease complex in calves, Research in Veterinary Science 83, Sørensen L.K., Application of reflectance near infrared spectroscopy for bread analyses, Food Chemistry 113 (2009) Stajnko D., Brus M., Hoˇcevar M., Estimation of bull live weight through thermographically measured body dimensions. Computers and Electronics in Agriculture 61, Stewart M., Webster J.R., Verkerk G.A., Schaefer A.L., Colyn J.J., Stafford K.J., Non-invasive measurement of stress in dairy cows using infrared thermography. Physiology & Behavior 92, Tejerina D., López-Parra M.M., García-Torres S., 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, Yanmaz L.E., Okumuş Z., Doğan E., Instrumentation of Thermography and Its Applications in Horses, Journal of Animal and Veterinary Advances 6 (7), Yücel E., Işık, Renk ve Elektromanyetik Tayf. Erişim: Şubat