Transcript snímače 4 - T-MaR - předn. č. 6,1

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb
CW01 - Teorie
měření a
regulace
ZS – 2010/2011
6.1
a
© 2010 - Ing. Václav Rada, CSc.
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Úvodní pokračování - 1. díl
o
emisivních principech
A
© VR - ZS 2010/2011
snímačů …………
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Princip snímačů je založen na povrchovém vyzařování, které každé
těleso vysílá do chladnějšího okolního prostředí v určitém frekvenčním spektru = emituje tepelné záření. V principu se jedná o měření zářivosti povrchu tělesa.
Obvykle je toto záření (tepelná emise) v infračerveném frekvenčním spektru.
Existenci infračerveného záření objevil v roce 1800 Sir William
Herschel
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Celková energie, kterou těleso vyzáří jednotkovou plochou svého
povrchu za jednotku času je celková zářivost - ta je závislá na absolutní teplotě tělesa ( T [ ºK ]) podle „Planckova zákona“ zachycujícího i vliv materiálu vyzařujícího povrchu.
Každé těleso s t > 0 ºK vyzařuje elektromagnetické záření.
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Hodnota spektrální zářivosti je dána základním vztahem:
Eλ = dE / dλ
kde
E … je celková zářivost
λ … vlnová délka záření (čím je > absolutní teplota, tím bude < λ ).
Intenzita vyzařování je dána Planckovým zákonem:
Eoλ = Aλ * C1 / (λ5 * ( ek – 1 ))
pro
kde
k = C0 / ( λ * T )
Aλ … poměrná pohltivost sálajícího tělesa
C0 … vyzařovací konstanta = 3,17 * 10-16 kcal * m2/hod
C1 … vyzařovací konstanty = 0,01438 m oK
T … absolutní teplota.
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Srovnávací „nulou“ je vyzařování absolutně černého tělesa (tzv.
platinová černá), které má poměrnou pohltivost
Aλ = 1
např. leštěný Al má Aλ = 0,05 (0,04 až 0,07),
zlato
Aλ = 0,025,
struska
Aλ = 0,67 až 0,97.
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Zjednodušená forma… Wienův zákon – platnost je omezena na
malé hodnoty součinu λ * T – tj. pro obor krátkovlnného (ultrafialového) spektra:
Eoλ = ( C1 / λ5 ) * em
pokud m = C2 / (λ * T ) >> 1.
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Každé těleso s t > 0 K vyzařuje elektromagnetické záření
Termografie využívá měření v infračerveném pásmu (IČ).
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Rozložení vlnových délek podle použití elektromagnetického spektra
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Rozložení vlnových délek podle použití elektromagnetického spektra
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Rozložení vlnových délek pro viditelné světlo (rozklad barev)
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Rozložení vlnových délek pro viditelné světlo (rozklad barev)
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Rozložení vlnových délek pro viditelné světlo (rozklad barev) –
pro denní a noční období
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Zatímco přenos energie světla se děje ve viditelné oblasti spektra
od 0,4 µm do 0,75 µm, přenos tepla radiací zabírá oblast spektra
mezi 0,75 µm a asi 100 µm (ačkoliv většina praktických měření se
provádí v okolí 20 µm).
Všechny povrchy těles, které jsou teplejší než absolutní nula, vysílají energii v infračerveném spektru. Velmi teplá tělesa ve spektru
viditelného světla. Topná tělesa elektrických kamen s teplotou 800
°K žhnou tmavě rudě, a jak vychládají tak ztrácejí viditelnou červenou barvu, ale teplo vyzařují radiací.
Energie vyzařovaná radiací je cítit rukama.
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Z hlediska charakteristiky IR radiace se rozlišují tři typy povrchů
těles: černého tělesa, šedého a našedlého (tzv. reálného nebo
spektrálního tělesa).
Černé těleso definujeme jako teoretický povrch (v praxi neexistuje), který má jednotkovou emisivitu v celém rozsahu vlnových délek a absorbuje všechnu radiační energii, která na něj dopadá.
Emisivita reálného tělesa je definována jako poměr radiačních
energií emitovaných při stejné teplotě z povrchu daného tělesa a
tělesa černého.
Povrchy mnohých těles jsou šedé, což znamená, že emisivita tělesa
je téměř konstantní s měnící se vlnovou délkou.
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Infračervená radiace ze zkoumaného tělesa prochází na své cestě k
snímači (čidlu) v přístroji různými medii – pro vakuum neztrácí
žádnou energii. V praxi ale je médiem vzduch.
Pro krátké vzdálenosti, např. několik metrů, lze vliv vzduchu zanedbat. Pokud tato vzdálenost naroste – je zdrojem chyb.
Dva spektrální intervaly, které jsou relativně prosté ztrát z absorpce. Jde o tzv. atmosférická „okna" v pásmu 3 – 5 µm a v pásmu 8 –
14 µm. Většina přístrojů, pracujících v oblasti infračerveného
spektra pracuje proto v těchto „oknech".
Termokamera snímá obrázky v okně pásma 8 – 14 µm.
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Snímače založené na pyrometrických vlastnostech těles vhodných
materiálů se vyrábí ze sloučenin baryumtitanát. stronciumtitanát,
berowski a dalších.
Spektrální rozsah, v němž může přístroj měřit bývá 0,1 až 200 μm maximum rozsahu od 0,5 do 1000 μm.
Měření je vždy závislé na hodnotě emisivity ε , která je pro každý
materiál (vyzařující materiálový povrch) různá.
Vyhodnocovací část měřicího přístroje sleduje množství celkově
vyzářené energie.
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Příklady hodnot emisivity různých hmot
Nekovové materiály
0,85 až 0,9
Neoxidované kovy
0,2 až 0,5
Al, Au, Ag
0,02 až 0,04
Stavební materiály a konstrukce 0,85 až 0,95
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Nejdůležitější okrajové podmínky jsou:
• emisivita povrchu (0 až 1)
• odražená energie (od okolních konstrukcí)
s rostoucí emisivitou
se snižuje vliv
odražené energie
• vzdálenost mezi objektem a kamerou
• relativní vlhkost a teplota vzduchu
propustnost atmosféry
Při nevědomosti, jak mohou okrajové podmínky ovlivnit měření se lze dopracovat k chybám dosahujících několik set procent.
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Radiační teploměry neboli pyrometry mohou pracovat na těchto
hlavních principech:
* měření spektrální závislosti na zvolené vlnové délce – obvykle
se volí délka λ = 0,65 μm (červená čářa vodíkového spektra
* měření zářivosti ve zvoleném rozsahu (oboru) vlnových délek
– fotopyrometry a barvové pyrometry – nejčastěji se volí část
spektra mezi 0,35 a 0,7 μm, případně i nad 0,7, což je oblast
infračervená
* měření celkové zářivosti – radiační pyrometry, termovize, ardometry.
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Základní typy pyrometrů
- spektrální – využívají monochromatické záření
- úzkopásmové – citlivé na poměrně přesné vymezení λ
- širokopásmové – využívají celé spektrum záření
- jasové – srovnání jasu pomocného tělesa s měřeným jasem
- barvové srovnávací – porovnává se barevný vjem směsné
barvy získané ze dvou barev měřeného tělesa vzhledem k předem
zvolené barvě srovnávacího zdroje záření
- barvové poměrové – poměr záření měřeného tělesa v různých spektrálních rozsazích
- intenzivní – srovnává se intenzita vyzařování jen v určitém spektrálním rozsahu.
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Přenos tepla
Teplota je mírou termální energie obsažené v jakémkoli objektu.
Teplota kteréhokoliv objektu se dá změřit množstvím metod a
prostředků a je definován teplotní stupnici.
Teplota nám ve své podstatě říká, kterým směrem poteče tepelný
tok mezi dvěma objekty.
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Přenos tepla
Existují 3 základní typy přenosů tepla: vedení (kondukce),
proudění (konvekce) a záření (radiace).
Všechno teplo je přenášeno jedním z těchto tří typů přenosů, obvykle je kombinací dvou nebo všech tří typů přenosů.
Infračervená termografie je pochopitelně nejblíže radiačnímu přenosu tepla, ale důležité je pochopit všechny tři typy, což usnadní
pochopení významu IR termogramů.
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Přenos tepla
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Přenos tepla vedením
Přenos tepla vedením se
uplatňuje hlavně u pevných
těles, … ale i u kapalin a
plynů. Jde vlastně o přenos
vibrací (tepelné kmitání)
atomů pevných těles nebo
srážek molekul v plynech,
čímž dochází k pohybu
energie od teplejší molekuly směrem ke studenější.
© VR - ZS 2009/2010
T1
ΔT
Přenos tepla
vedením materiálem síly dl
ΔT = T1 – T2
T2
dl
U homogenního
materiálu je
průchod tepla
lineární
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Přenos tepla prouděním
Přenos tepla prouděním se
uplatňuje hlavně u kapalin a
plynů. Jde vlastně o přenos
vibrací (tepelné kmitání)
atomů pevných těles nebo
srážek molekul v plynech,
čímž dochází k pohybu
energie od teplejší molekuly směrem ke studenější.
ΔT = T1 – T2
© VR - ZS 2009/2010
(nucené)
proudění média
T2
T1
Hraniční vrstva
Teplota na povrchu
Povrch tělesa
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Přenos tepla radiací
T2
T1
Wodr + Wproch + Wvyzář
ODRAŽENÁ
těleso povrch
PROCHÁZEJÍCÍ TEPEL. EN.
VYZÁŘENÁ
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Celková vyzářená energie za jednotku času z jednotkové plochy
povrchu tělesa:
Eλ = dE / dλ
kde:
E … zářivost povrchu
Eλ … spektrální zářivost pro danou vlnovou délku λ daného záření.
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Celková zářivost dokonale černého (povrchu) tělesa je dána
Stephan – Boltzmanovým zákonem
E0 = ∫ Eλ0 * dλ = c3 * T4 |od 0 do 
pro c3 = 4,9 * 10-8 [kcal / m2 * hod * ºK ].
Velikost hodnoty Eλ0 je funkcí vlnové délky λ a teploty T – čím
je vyšší teplota tím je nižší hodnota λ – pro maximum λm platí
„Wienův zákon“:
λm = 0,002897 / T [ m , - , ºK ]
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Např.
pro teplotu povrchu absolutně černého tělesa 1600 ºK bude vlnová délka přibližně 1,4 μm (přibližně dvojnásobek vlnové délky
viditelného světla, čili infračervená oblast) a spektrální zářivost
Eλ0 dosáhne hodnoty až 350 [ kcal / m2 * hod ].
Využití uvedených principů k měření a měřicím přístrojům:
a) optický pyrometr --- spektrální zářivosti na zvolené vlnové
délce, která se obvykle volí = 0,65 μm (přísluší červené čáře
vodíkového spektra
b) foto-pyrometr, barvový pyrometr --- vlnová délka se volí z
vi-ditelného spektra nebo z infračervené oblasti
c) radiační pyrometr, ardometr --- měří celkovou zářivost ….
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Optický (jasový) pyrometr
- měření teploty je založeno na porovnání barvy měřeného povrchu a rozežhaveného speciálního vlákna nebo zeslabováním toku
světla (zeslabováním jasu) z povrchu tělesa pomocí např. irisové
clonky, rotujícím segmentem,polarizací nebo pomocí předsazeného otočného klínku ze šedého skla
- vhodné pro měření teplot vyšších než 1063 ºC (Au)
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Optický (jasový)
pyrometr
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
červený filtr
oko
zářič
objektiv
šedý filtr
© VR - ZS 2009/2010
objektiv
měřicí přístroj
cejchovaný ve [ºC]
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Foto-pyrometr
- jako snímač je použit fotocitlivý prvek – fotonka, fotodioda,
fototranzistor, CCD prvek, atp.
- starší provedení používalo exponování na film s vrstvou citlivou na infračervené světlo
- teplota se vyjadřovala jako míra zčernání ….
Barvový pyrometr
- principem je rozklad dopadajícího záření ve viditelném spektru
na červenou a zelenou složku optickým klínem (hranolem)
- teplota je určena polohou klínu, kdy spojením barev vznikne
bílé světlo
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
EMISIVNÍ - RADIAČNÍ
Radiační pyrometr
- dopadající tepelná energie ohřívá teplotní čidlo a převede se na
elektrický signál
- výhodou je neexistence maxima teploty, kterou lze takto změřit
- výborná mechanická odolnost
- schopnost měřit bezdotykově
- měří i nízké teploty (záleží na čidle a optice)
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
… a to by bylo
k informacím o dalších
principech snímačů
(skoro)
vše
4-61 ..
a
© VR - ZS 2010/2011
T- MaR
© VR - ZS 2009/2010
Témata
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR