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
[email protected]
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