TEORIE TERMOVIZNÍCH MĚŘENÍ

Transkript

1 Teie temvizních měření TEORIE TERMOVINÍCH MĚŘENÍ Dc. Ing. Milan Pavelek, CSc. Efektivním zařízením p vizualizaci a bezdtykvá měření pvchvých teplt je temvizní kamea. Pužívá se k měření v enegetice, v blasti přensu tepla, v technice pstředí, v medicíně, při dálkvém výzkumu emě a v mnha dalších bech. Pskytuje názné bazvé záznamy i videzáznamy, umžňující získat kvalitativní i kvantitativní infmace p hlubší pznání tepelných pcesů ůzných zařízení a bjektů (b. 1). Přednáška se zabývá jednak zdělením temvizních kame a ppisem paametů někteých typů (za účelem výběu vhdné kamey p knkétní aplikace), ale především teetickými základy temvizních měření včetně zbu základních vlivů půsbících při temvizních měřeních. takvých pznatků lze pak vytvřit jisté zásady při páci s temvizní kameu, kteé je třeba ddžvat p získání bjektivních výsledků měření. ávě přednášky je věnván měření adiační teplty klníh pstředí, kteu je třeba znát p přesná temvizní měření a je zde uveden též návh ptklu temvizním měření, kteý vněž vychází ze znalstí teetických základů. Ob. 1 Temgam kmpesvéh chladicíh zařízení 1. Temvizní kamey Temvizní kamey lze dělit pdle ůzných kitéií. Dle způsbu zbazvání zlišujeme kamey s zkladem bazu - scanney (b. 2) a bez zkladu bazu - s maticvými detekty. Dle způsbu chlazení existují přesnější kamey s chlazeným detektem (b. 2) a kamey s nechlazeným detektem. Dle jiných kitéií lze temvizní kamey dělit na kátk vlnvé a dluh vlnvé, ychlé (p záznam videsekvencí) a pmalé, kmpaktní či více kmpnentvé apd. Ddavatelé či výbci temvizních systémů jsu např. fimy Jenptik [], InfaTec [3] a NEC San-ei Instuments [6] zastupené fimu NBN Elektnik [5], FLIR systems [2] zastupená fimu TMV SS [10], ale i Ahlbn [1] a další. 1 zmítací zcadl, 2 mtky, 3 ftelektické vysílače plhy x-y křemenný smibký hanl, 5 duté zcadl, 6 clna, 7, 8, 9 ptická sustava, 10 kvantvý detekt, 11 kapalný dusík, 12 předzesilvač s videvýstupem v Ob. 2 Schéma temvizní kamey s zkladem bazu a chlazeným detektem Při výběu temvizní kamey je třeba bát v úvahu dle blasti pužití ůzné paamety, viz b. 3. Navíc je třeba uvážit, zda kamea bude na stálém místě neb má být mbilní, zda má být vládaná z pčítače, ntebku neb pmcí vládacích pvků kamey apd. 1

2 Teie temvizních měření Ob. 3 Temvizní kamey Jenptik [] AMERA VaiSCAN VaiCAM VaiTHERM Chlazení detektu N 2 či Stiling, [temel.] CCD nechlazený CCD - chlazení Stiling Spektální citlivst 8-12 µm (2-5 µm) 8-13 µm 3,-5 µm Rzsah teplt -0 až 1200 C (2000 C) -0 až 1200 C (2000 C) -25 až 1200 C (2000 C) Rzlišení, nejistta 0,03, [0,12 ] 0,1, ± 2, ± 2 % 0,1, ± 2, ± 2 % Obazvé bdy a fekvence 360 x 20 bdů, 5 b./s 320 x 20 bdů, 50 b./s 256 x 256 bdů, 50 b./s Výstupy CF kata, FieWie, RS 232 / CF kata, spec. PC kata, CF kata, SRAM digitální / analgvé PAL, S-Vide RS 232 / PAL, S-Vide, Objektivy Elekt-ptický OOM předsádky + 2 předsádky 2. Teetické základy temvizních měření Temvizní měření vyžadují znalst fyzikálních základů tét měřicí metdy, abychm si mhli vhdně uspřádat měření a získali tak kvalitní záznamy p kvantitativní vyhdncení. Mezi základní zákny ptřebné p pchpení temvizních měření patří Planckův vyzařvací zákn, Wienův zákn, Stefanův - Bltzmannův zákn a také 1. a 2. ichhffův zákn. Pdbněji jsu tyt zákny ppsané v lit. [8]. Planckův vyzařvací zákn je mžné vyjádřit gaficky (viz b. ) neb také matematicky vztahem E 0λ 5 c1 λ =, (1) c2 exp 1 λ T kde E λ [W.m -3 ] je spektální hustta zářivéh tku čených bjektů d plpstu, T [] je teplta bjektu, λ [m] je vlnvá délka záření a knstanty c 1 a c 2 mají hdnty c 1 = 3, W.m 2 a c 2 = 1, m. Wienův zákn říká, že s stucí tepltu zářiče se psuvá maximální hdnta spektální hustty zářivéh tku E λ ke katším vlnvým délkám. Matematicky t lze ppsat vnicí 3 λ T = 2,8978 m. (2) max 10 Stefanův - Bltzmannův zákn lze získat integací spektální hustty zářivéh tku čenéh bjektu E λ (1), a t přes celý zsah vlnvých délek λ (d 0 d ) a za knstantní teplty. Výsledkem je hustta zářivéh tku E [W.m -2 ], p kteu platí: P vlastní záření čenéh tělesa Ob. Planckův vyzařvací zákn E Spektální citlivst kamey VaiCAM Hustta zářivéh tku při 800 p spektální citlivst kamey 0 = σ T. (3) P vlastní záření šedéh tělesa E = ε T σ. () 2

3 Teie temvizních měření V vnicích (3) a () představuje σ = 5, W.m Stefanvu - Bltzmannvu knstantu a ε [-] je emisivita pvchu tělesa. U eálných tepelných zdjů je emisivita funkcí vlnvé délky, teplty a směu vyzařvání. V tabulkách lze nalézt emisivitu d plpstu a ve směu nmály. dje, kteé září vnměně d všech směů plpstu se nazývají Lambetvy. Ptikladem jsu lasevé zdje, kteé vyzařují jen úzký svazek papsků. Pvní ichhffův zákn se zabývá inteakcí záření s bjektem a říká, že sučet eflektance, absptance a a tansmitance t danéh bjektu je vždy ven jedné + a + t = 1. (5) Duhý ichhffův zákn knstatuje, že bjekt je tak dknalým zářičem, jak dvede záření phlcvat, a pt platí ε = a. (6) Při inteakci záření s pvchem je třeba také uvažvat kvalitu pvchu, kteá má vliv na šíření záření p dazu. tht phledu zlišujeme dva mezní typy pvchů, a t zcadlvý pvch, kdy úhel dpadu záření je ven úhlu dazu a difúzní pvch, kteý dpadající záření dáží vnměně d všech směů a pjevuje se pak jak sekundání Lambetův zdj. 2.1 Rzb záření při měření temvizní kameu Při vlastním temvizním měření dchází k vzájemnému přensu a vlivňvání zářivých tků nejen mezi kameu a měřeným bjektem, ale pakticky vždy je třeba bát v úvahu i vliv záření klníh pstředí. Je-li tansmitance měřenéh bjektu t 0, musíme navíc uvažvat i vliv záření pzadí (za měřeným bjektem) a je-li emisivita pstředí mezi kameu a bjektem ε L 0, je třeba uvažvat i vliv záření pstředí délce L [m], viz b 5. Další zb bude pveden p nejčastější případy temvizních měření, kdy t = 0 a ε L = 0. Jelikž kamea snímá záření puze v mezeném zsahu vlnvých délek (viz spektální citlivst na b. 3) a čidl eaguje na dpadající záření jen s učitu účinnstí, budeme v dalším textu míst hustty zářivéh tku E [W.m -2 ] dle vztahu () pužívat hdntu úměnu, kteá může být u čidel eagujících na tepelný tk zářením zttžněna s husttu tepelnéh tku zářením [W.m -2 ]. P vlastní husttu tepelnéh tku zářením měřenéh bjektu [W.m -2 ] tepltě T [] a emisivitě pvchu ε [-] platí &. (7) q ε σ T P vlastní husttu tepelnéh tku zářením klí [W.m -2 ] tepltě T [] (značvané též jak adiační teplta) a p husttu tepelnéh tku zářením z klí daženu d měřenéh bjektu [W.m -2 ] můžeme psát σ T, (1 ε) σ T. (8) P vlastní husttu tepelnéh tku záření z pzadí [W.m -2 ] tepltě T z [] a husttu tepelnéh tku zářením pšlu měřeným bjektem [W.m -2 ] tansmitancí t = 0 platí Pzadí střední adiační tepltě T Měřený bjekt T ε t = 0 1= ε + + t = 1 - ε C Oklí střední adiační tepltě T Pstředí délce L tepltě T L t L = 1, ε L = 0 L C L amea T, U Ob. 5 Uspřádání bjektů při temvizním měření 3

4 Teie temvizních měření σ T, t σ T 0. (9) = P vlastní husttu tepelnéh tku zářením pstředí platí L [W.m -2 ] tepltě T L [] a p ε L = 0 ε σ T 0. (10) L L L = V sustavě je třeba uvažvat i vlastní husttu tepelnéh tku detektu kamey [W.m -2 ] tepltě T [], kteá se z phledu bjektu jeví pdbně, jak klní pstředí a platí vztah σ T. (11) Hustty tepelných tků všech bjektů před kameu, p L = 0 a = 0, lze vyjádřit vztahem P vzájemnu husttu tepelnéh tku zářením mezi bjekty před kameu a kameu platí C = C = + ε σ T + (1- ε) σ T. (12) σ [ε T + (1- ε) T T ]. (13) C tht vztahu lze vyjádřit tepltu pvchu měřenéh bjektu T [] ve tvau C + T (1 - ε) T σ T. (1) ε Je-li napětí U [V] na čidle temvizní kamey úměné tepelnému tku C [W.m -2 ], lze tepltu učit z vnice 1 U + 2 (1- ε) T T =, (15) ε kde 1 a 2 jsu cejchvní knstanty kamey. P nelineání závislst U = f ( C ) může být cejchvních knstant i více. Gaficky je vnice (15) zbazena na b. 6, a t p tepltu T = 300. Je zřejmé, že při učitém knkétním signálu v kameře, daném napětím na detektu a cejchvními knstantami, je teplta pvchu bjektu závislá na emisivitě pvchu. P T > T vyhdncená teplta bjektu s klesající emisivitu ste a p T < T vyhdncená teplta bjektu s klesající emisivitu klesá. Tat skutečnst je zřejmá i z b. 7, kteý ukazuje vliv chybnéh nastavení emisivity na naměřenu tepltu bjektu. Ob. 6 Učení teplty z napětí na čidle kamey Ob. 7 Vliv chybnéh nastavení emisivity

5 Teie temvizních měření 2.2 Vliv spektální citlivsti kamey na temvizní měření Spektální citlivst kamey byla již zmíněna v předchzím textu při zavedení hustty tepelnéh tku zářením [W.m -2 ] úměné zářivému tku E [W.m -2 ]. Na b. je naznačena plcha představující vlastní husttu zářivéh tku bjektu při tepltě 800, a t v zsahu spektální citlivsti kamey. Je zřejmé, že kamea eaguje na signál úměný plše vyznačené v b. a p dknale čené bjekty může tmut signálu přím přiřadit tepltu. P dknale šedé bjekty (v blasti spektální citlivsti kamey) je pak třeba tepltu bjektu vyjádřit ze signálu egistvanéh kameu (z napětí U [V] na čidle temvizní kamey) pmcí vnice (15). Skutečné bjekty mhu mít však i v blasti spektální citlivsti kamey pměnnu emisivitu a pak je třeba pužít v vnici (15) střední hdntu emisivity. Při přizvání kamey je třeba vlit spektální citlivst dle pžadvanéh zsahu měřených teplt (p vyšší teplty jsu vhdné katší vlnvé délky, p nižší teplty větší vlnvé délky). Také je přitm třeba dbát na vlastnsti pstředí mezi temvizní kameu a zkumaným bjektem, aby nedcházel k phlcvání záření pstředím. P temvizní měření v pstu se vzduchem jsu vhdné zsahy spektální citlivsti I, II, III, uvedené na b. 8. Na b. 9 jsu vykesleny vlastní hustty zářivéh tku čených bjektů d plpstu, a t v ůzných zsazích spektálních citlivstí kamey. Tyt křivky lze získat pdbně jak Stefanův - Bltzmannův zákn (3), ale integace spektální hustty zářivéh tku čenéh bjektu E λ (1) se pvede za knstantní teplty, puze v zsahu vlnvých délek λ dpvídajících spektální citlivsti kamey. Ob. 8 ávislst tansmitance vzduchu t na vlnvé délce záření λ p vzdálenst L = 10 m, tepltu 25 C, tlak 1013 mba a elativní vlhkst 85 % Ob. 9 Vlastní hustta zářivéh tku čených bjektů p ůzné spektální citlivsti kamey 2.3 Učvání tepelnéh tku mezi pvchem bjektu a klím Je-li sledvaný pvch bjektu umístěn ve vakuu neb v pstu vyplněném tekutinu a klní pvchy či tekutina mají dlišné teplty d teplty tht pvchu, dchází k ůzným způsbům přensu tepla. Výsledný tepelný tk daný sučtem jedntlivých duhů přensu tepla bývá značván jak tepelné ztáty neb zisky. Mezi pvchem bjektu a klím dchází především k přensu tepla zářením a v případě, že bjekt je btékán tekutinu (kapalinu, plynem), je třeba k tepelnému tku zářením přičíst i tepelný tk knvekcí 1. 1 V phybující se tekutině zahnuje přens tepla knvekcí též přens tepla vedením, v tekutině bez pudění je knvekce nahazena vedením tepla z pvchu d tekutiny. V částečně nepůteplivých tekutinách (t L < 1, ε L 0) se tekutina hřívá i absbváním tepelnéh tku zářením. 5

6 Teie temvizních měření Výsledkem temvizních měření je především získání zlžení teplt T [] na sledvaném pvchu. Tyt teplty mhu pak dále služit k vyjádření tepelnéh tku zářením neb i k vyjádření tepelnéh tku knvekcí. Vlastní husttu tepelnéh tku zářením měřenéh pvchu [W.m -2 ] lze učvat ze známé teplty pvchu T [] a známé střední emisivity pvchu ε [-] v pžadvaném zsahu vlnvých délek. Tent zsah nemusí být však shdný se spektální citlivstí kamey. P vyjádření vlastní hustty tepelnéh tku zářením v zsahu vlnvých délek λ = 0 až lze pužít vztah () neb (7). P vyjádření vlastní hustty tepelnéh tku zářením v jinak definvaném zsahu vlnvých délek lze integvat přím vztah (1) a výsledek vynásbit střední emisivitu bjektu. P někteé zsahy vlnvých délek a čená tělesa je mžné pužít také b. 9. temviznímu systému fimy Jenptik [] lze zakupit sftwae IRBIS-Pfessinal [3], kteý dkáže zbazit přím zlžení vlastní hustty tepelnéh tku zářením na sledvaném pvchu ve zvleném zsahu vlnvých délek. P stanvení tepelných zisků či ztát musíme však pužít tzv. výslednu husttu tepelnéh tku zářením mezi měřeným pvchem a všemi statními pvchy v daném pstu, jelikž i tyt pvchy jsu zdjem záření půsbících na měřený pvch. Výsledná hustta tepelnéh tku zářením z bjektu d klí či báceně je vždy menší než vlastní hustta tepelnéh tku zářením. Učení výsledné hustty tepelnéh tku zářením je však pdstatně slžitější. mě teplty T [] a emisivity ε [-] měřenéh pvchu je p výpčet třeba znát i uspřádání dalších pvchů v klním pstu včetně jejich teplty T [], případně i emisivity ε [-], neb též vlastnsti tekutiny v tmt pstu, je-li tekutina částečně nepůteplivá (t L < 1, ε L 0). Někteé způsby výpčtu výsledné hustty tepelnéh tku zářením najdeme v lit. [7]. Hustta tepelnéh tku knvekcí mezi měřeným pvchem a tekutinu je dána jednak tepltu pvchu naměřenu temvizí T [], ale také tepltu tekutiny v pstředí T L [] a tzv. sučinitelem přestupu tepla α [W.m ]. Učení sučinitele přestupu tepla bývá slžité, lze jej stanvit měřením, pmcí teie pdbnsti [7], ale i jinak. 3. ásady při páci s temvizní kameu ameu s bjektivy je třeba vždy chánit před agesivním pstředím (včetně dtyků pstů), extémními tepltami, znečištěním, pachem, náazy, nepřízní pčasí apd. Při vlastních temvizních měřeních je pak třeba ddžvat jisté zásady, abychm minimalizvali chyby a nejistty měření. V dalším textu budeme zlišvat měření nepůteplivých bjektů (s tansmitancí t = 0) či částečně půteplivých bjektů (t > 0) a měření v půteplivém pstředí (s tansmitancí t L = 1) či v částečně nepůteplivém pstředí (t L < 1, ε L 0). Pkud jsu ptřebné paamety známé, lze je u nvějších systémů nastavit přím na temvizní kameře neb ve vyhdncvacím pgamu a systém autmaticky zbazí žádané teplty měřenéh bjektu. 3.1 Měření nepůteplivých bjektů v půteplivém pstředí Před měřením je třeba bvykle na kameře nastavit vhdný zsah teplt T [], přičemž je nutné měřit dstatečné změny teplt T []. Např. při výzkumu tepelných ztát budv je vhdné pvádět měření, je-li zdíl mezi vnitřní a vnější tepltu minimálně 20. Rvněž je třeba dbát na t, aby sledvaný bjekt byl v zném pli kamey c největší, cž lze zajistit umístěním kamey d vhdné vzdálensti, pužitím vhdnéh bjektivu či předsádek, neb u někteých kame také tansfkátem. Dále je třeba znát emisivitu ε [-] měřenéh bjektu (z tabulek, neb z vlastníh měření pužitím např. dtykvéh teplměu), a t pkud mžn i jak funkci teplty, směu, či vlnvé délky. Velice důležitá je znalst střední adiační teplty 6

7 Teie temvizních měření T [] klníh pstředí (b. 5) neb i adiačních teplt z učitéh směu (především u pvchů s malu emisivitu, kteé dážejí záření částečně zcadlvě). Pkud se v klí vyskytují hké či chladné pvchy, plameny, žávky, Slunce, lidé apd., je třeba dclnit záření klí přepážkami či umístit bjekt d speciální kmy. Také je mžné pvést záznamy bjektu z něklika směů, u labatních měření i v ůzných plhách a v ůzném natčení vůči klí. U venkvních expeimentů je vhdné pvádět měření bzy án či pzdě dpledne, bez slunečníh záření. 3.2 Měření nepůteplivých bjektů v částečně nepůteplivém pstředí Při měření v částečně nepůteplivém pstředí mezi měřeným bjektem a kameu (s větším mnžství pa H 2 O, plynů CO 2, CO, aeslů apd.) dchází k jistému phlcvání záření pstředím. mě zásad uvedených v předchzím textu je v takvých případech třeba znát i paamety pstředí (b. 5), a t vzdálenst L [m] bjektu d kamey, tansmitanci pstředí t L [-] a tepltu pstředí T L [] měřenu teplměem stíněným vůči záření. Měření v částečně nepůteplivém pstředí zmenšuje přesnst měření, a pt není vhdné, měřit např. v mlze, dešti neb při sněžení. 3.3 Měření částečně půteplivých bjektů Pkud je měřený bjekt částečně půteplivý, pjevuje se při vyhdncvání temgamu také záření z pzadí, viz b. 5. Pak je třeba znát exaktně i tansmitanci bjektu t [-] v zsahu spektální citlivsti kamey a tepltu pzadí bjektu T []. áření pzadí se však může pjevvat i při měření příliš malých bjektů, svnatelných s velikstí bazvých bdů kamey. Pak je třeba bjekt zvětšit, a t přiblížením kamey, jiným bjektivem, předsádku bjektivu či tansfkátem.. Měření adiační teplty klníh pstředí Přesná temvizní měření vyžadují přesnu znalst adiační teplty T []. Pkud je klní pstředí hmgenní, je pstačující znát střední adiační tepltu. V nehmgenním pstředí je vhdné pak znát vinnu adiační tepltu z plpstu před měřeným bjektem. P detailnější zmapvání plpstu před měřeným bjektem je vhdné měřit adiační teplty pmcí adiačních teplměů neb též temvize, a t při nastavení přístje na ε = 1. Při měření adiačními teplměy můžeme pstupně měřit lkální adiační teplty všech důležitých pvchů, neb efektivněji střední adiační teplty v jistém pstvém úhlu, např. pmcí adiačníh teplměu fimy TESTO z b. 10 v pstvém úhlu 30. Při měření adiačních teplt pmcí temvize snímáme Měřený bjekt a) Teplmě b) Směy měření Ob. 10 Měření adiačních teplt adiačním teplměem fimy TESTO [9] vněž pstupně plpst před bjektem, přičemž z temgamů lze vyhdntit jak lkální adiační teplty, tak půměné adiační teplty z jisté části pstu (např. stanvením půměné teplty z celéh temgamu). Radiační teplty získané adiačními teplměy neb temvizí lze při zkumání bjektů typu Lambetvých zdjů způměvat. 7

8 Teie temvizních měření kumání zcadlvých pvchů je velice náčné, jelikž se na pvchu více či méně dáží záření z klníh pstředí. Máme-li však k dispzici temvizi s mžnstí difeenčníh zpacvání bazu, lze vliv klí eliminvat. Nejlépe je však pvádět temvizní měření ve speciální labatři s difúzně zářícími stěnami a s knstantními tepltami pvchů. Uvedené způsby učvání adiační teplty a vyhdncvání temgamů jsu pstačující při výzkumu teplt vypuklých pvchů (knvexních). Chceme-li zkumat duté pvchy (knkávní), je třeba si uvědmit, že kmě záření klníh pstředí půsbí na jedntlivé bdy pvchu i záření jiných bdů tht pvchu a vyhdncvání teplt je slžitější. Hlubké dutiny s matným pvchem se v paxi pužívají i jak efeenční čená tělesa. 5. Ptkl temvizním měření teetickéh zbu temvizních měření vyplývá, kteé veličiny je třeba při temvizních měřeních zaznamenávat. Před měřením je bvykle třeba vyhtvit si vhdnu tabulku p zápis naměřených hdnt, kteá bude služit p vyplnění jak sučást ptklu temvizním měření. Příklad takvé tabulky je uveden na b. 11. P knkétní případy temvizních měření lze tabulku zjedndušit. U slžitějších temvizních expeimentů je třeba dplnit uvedenu tabulku údaje ppisující měřený bjekt apd. Ob. 11 Tabulka k ptklu temvizním měření 6. Seznam liteatuy [1] AMR-Ahlbn - fiemní mateiály. [2] FLIR systems. - fiemní mateiály. [3] InfaTec, Desden, Deutschland - fiemní mateiály. [] Jenptik. Jena, Deutschland - fiemní mateiály. [5] NBN Elektnik. - fiemní mateiály. [6] NEC San-ei Instuments - fiemní mateiály. [7] Pavelek, M. a kl.: Temmechanika. Skipta. VUT FSI, Bn [8] Pavelek, M. - Jantkvá, E. - Štětina, J.: Vizualizační a ptické měřicí metdy. Hypetextvá skipta, FSI VUT Bn [9] TESTO fiemní mateiály. [10] TMV SS - fiemní mateiály. 8