VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV PROCESNÍHO A EKOLOGICKÉHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF PROCESS AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING BEZKONTAKTNÍ METODY MĚŘENÍ TEPLOTY V EKOLOGICKÉM INŽENÝRSTVÍ CONTACTLESS METHODS TEMPERATURE OF MEASURING ENVIRONMENTAL-ENGINEE QUANTITIES DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. TOMÁŠ VRÁNA Ig. ZDENĚK NĚMEC, CSc. BRNO 2010

2 Abstrakt Cílem mé diplomové práce je sezámeí s problematikou bezkotaktího měřeí teploty. Po rozděleí druhů pyrometrů a popisu jejich částí jsem se zabýval kalibrací pyrometru a chyb při měřeí. Pro porováí dotykového a bezdotykového teploměru jsem použil měřeí a modelu. Klíčová slova: bezkotaktí měřeí teploty, pyrometr Abstract The objective my diplom work is acquait with problems o-cotact temperature measurig. After divisio kids pyrometers ad descriptio their part I'm deal with calibratio pyrometer ad errors at measurig. To comparig cotactig ad o-cotactig thermometer I'm used measurig o model. Keywords: o-cotact temperature measurig, pyrometer VRÁNA, T. Bezkotaktí metody měřeí teploty v ekologickém ižeýrství. Bro: Vysoké učeí techické v Brě, Fakulta strojího ižeýrství, s. Vedoucí diplomové práce Ig. Zdeěk Němec, CSc.

3 Prohlášeí Prohlašuji, že jsem diplomovou práci a téma Bezkotaktí metody měřeí teploty v ekologickém ižeýrství vypracoval samostatě za použití prameů uvedeých v přehledu literatury. V Brě de.. Podpis.

4 Poděkováí Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu diplomové práce Ig. Zdeňku Němcovi, CSc. za odboré vedeí, rady a připomíky, které mi poskytl během řešeí diplomové práce

5 Obsah 1 Úvod Historie Zákoy zářeí Plackův záko Wieův posuovací záko Stefa-Boltzmaův záko Čeré těleso Pyrometry Úhré pyrometry Pásmové pyrometry Poměrové radiačí teploměry Optické pyrometry (jasové) Termovize Části pyrometru Optický systém pyrometru Detektory Termálí detektory Fotoové detektory Pyroelektrické detektory Elektroika Kalibrace Dutia jako absolutě čeré těleso Žárovky s wolframovým vlákem Referečí pyrometr Nejistoty a chyby metod bezdotykového měřeí teploty Nejistota měřeí způsobeá ezalostí správé hodoty emisivity povrchu tělesa Nejistota měřeí způsobeá ezalostí správé hodoty propustosti prostředí mezi čidlem a měřeým objektem Nejistota měřeí způsobeá epřesou korekcí odražeého zářeí z okolího prostředí a měřeý objekt Nejistota měřeí způsobeá špatým zaměřeím měřeého objektu Výběr pyrometru Propustost atmosféry... 29

6 8.2 Materiál měřeého objektu Teplotí rozsah Pracoví prostředí Praktické využití v procesím ižeýrství Kotrola elektrických zařízeí Kotrola mechaických zařízeí Kotrola stavu žáruvzdorých hmot a izolací Kotrola výměíků tepla Popis měřících přístrojů Ručí bezdotykový teploměr Fluke Testo Retigo M Postup měřeí Zjištěí emisivity Idex zaostřeí Istalace zaměřeí Vlastí měřeí Výsledky měřeí Měřeí Měřeí Měřeí Měřeí Vyhodoceí výsledků Závěr Sezam použité literatury... 48

7 Sezam požitých symbolů symbol výzam jedotka B Wieova kostata (b = 2898 m.k) [m.k] c rychlost světla (c = m.s -1 ) [m.s -1 ] c 2 druhá vyzařovací kostata (c 2 =1, m.k) [m.k] E hustota zářivého toku [W.m -2 ] h Plackova kostata (h = 6, J.s) [J.s] k Boltzmaova kostata (k = 1, J. kg -1 ) [J. kg -1 ] M 0λ spektrálí hustota vyzařováí [W.m -3 ] T termodyamická teplota tělesa [K] T P teplota udaá pyrometrem [K] T S skutečá teplota [K] α absorptivita [-] σ Stefaova-Boltzmaova kostata [W. m-2.k-4] (σ = 5, W. m-2.k-4) λ vlová délka zářeí [m] λ max vlová délka maxima vyzařováí [m] ε spektrálí emisivita měřeého objektu [-] 9

8 1 Úvod Teplota je jedím z ejdůležitějších stavových ukazatelů pro řízeí téměř všech techologických výrobích procesů a její přesé a optimálí moitorováí je klíčem k zajištěí stálé jakosti moha fiálích produktů i k dosažeí bezpečosti, hospodárosti a vysoké produktivity výrobích procesů. Pro průmyslové měřeí teploty se v posledí době stále častěji používají ifračerveé pyrometry umožňující měřit teplotu v širokém rozmezí přesě, bezdotykově a v reálém čase i a těžko přístupých místech ebo a rychle se pohybujících objektech. Proto ai epřekvapuje, že v současé době představují ifračerveé pyrometry velmi dyamicky rostoucí segmet trhu s meziročími přírůstky kolem 15 %. V oblasti bezdotykového měřeí teploty se v posledí době dosáhl začý pokrok, a to zejméa díky pokroku v elektroice a optice. Přístroje pro bezdotykové měřeí teploty (pyrometry) acházely původě uplatěí v takových provozech a aplikacích, kde bylo třeba měřit vysoké teploty a ebylo možo použít dotykový teploměr. Jedalo se zejméa o aplikace v metalurgii, chemickém a silikátovém průmyslu (sklářství, cemetáry, vápeky, keramický průmysl). V průběhu posledích let se aplikace bezdotykových teploměrů posuula k výrazě ižším teplotám, včetě měřeí teplot ižších ež 0 ºC. Nyí se s bezdotykovými teploměry setkáváme v potraviářství, elektroice, průmyslu papíreském, farmaceutickém, textilím, gumáreském, při zpracováí plastických hmot apod. Přeosé bezdotykové teploměry acházejí široké uplatěí při detekci tepelých ztrát a poruch, při kotrole potrubích systémů, ádrží apod. Pricip bezdotykového měřeí teplot spočívá v měřeí povrchové teploty těles a základě elektromagetického zářeí mezi tělesem a sezorem zářeí v rozmezí vlové délky od 0,4 µm do 25 µm. Uvedeý rozsah pokrývá měřeí teploty od -40 C do C. Rozděleí elektromagetického zářeí: 0,4 µm - 0,78 µm viditelé spektrum 0,78 µm - 1 µm blízkého ifračerveé spektrum 1 µm - 3 µm krátkovlé ifračerveé spektrum 3 µm - 5 µm středovlé spektrum 5 µm - 25 µm dlouhovlé spektrum Obr. 1.1 Schéma elektromagetického spektra 10

9 2 Historie Frederick William Herschel ( ), vědec a astroom, je zám jako otec hvězdé astroomie. V roce 1800 v Aglii experimetoval se sluečím světlem. Při pozorováí Sluce přes barevá skla si Herschel všiml, že tepelý vjem ebyl v souladu s viditelým světlem. To jej vedlo k provedeí experimetů se rtuťovými teploměry a skleěými hraoly a ke správé hypotéze o existeci eviditelých ifračerveých tepelých vl. Herschel rozložil sluečí zářeí a spektrum a testoval jeho růzé části teploměrem, aby zjistil, jestli ěkteré barvy esou větší možství tepla ež jié. Zjistil, že když teploměr posouvá směrem k červeé části spektra, teplota roste. Přitom zkusil posuout teploměr až za koec červeé složky spektra a zjistit, zdali zde vymizí tepelý efekt. Místo toho teplota vzrostla výše ež v kterémkoli místě před kocem červeé složky spektra. Tato oblast byla azváa ifračerveá, což zameá pod červeou. [8] Obr. 2-1 Herschelův experimet V roce 1901 byl podá prví patet týkající se radiačí termometrie. Přístroj používal termoelektrické čidlo, dával elektrický výstupí sigál a byl schope pracovat bez obsluhy. V roce 1931 byly a trh uvedey prví komerčě dostupé radiačí termometry. Tyto přístroje byly široce používáy k zazameáváí a řízeí průmyslových procesů. Prví moderí radiačí teploměry byly dostupé až po druhé světové válce. Prvími ifračerveými kvatovými detektory, široce používaými v průmyslové radiačí termometrii, byly fotodetektory se siríkem olovatým, a byly původě vyviuty pro vojeské účely. Také jié typy kvatových detektorů byly původě vytvořey pro vojeské aplikace a yí jsou široce užívaé v radiačí termometrii a mají rozsáhlé použití u přístrojů řídících procesy. [8] Ifračerveé teploměry mají v současé době široké použití při měřeí teploty v průmyslu a v laboratořích. Bezdotykovým teplotím čidlem mohou být sledováy objekty, ke kterým je obtížé se přiblížit z důvodu extrémích podmíek prostředí. Dále ajdou své použití apříklad ve sklářském, chemickém, farmaceutickém a potraviářském průmyslu, kde se produkty esmí kotamiovat dotykovým sezorem. Bezdotykové teploměry je možo použít u materiálů horkých, pohybujících se ebo edostupých ebo eí-li žádoucí, aby materiál byl poškoze, poškrábá, ebo roztrže dotykovým teploměrem. 11

10 3 Zákoy zářeí Bezdotykové měřeí teploty je velmi jedoduchý, rychlý a přesý způsob měřeí teploty. Avšak pro správé a přesé staoveí měřeé veličiy je zapotřebí zalosti základích fyzikálích zákoů. 3.1 Plackův záko Vyjadřuje závislost spektrálí hustoty vyzařováí čerého tělesa a vlové délce a teplotě podle vztahu: 5 2 2πλ M 0λ = c h ch (3.1) λkt e 1 Kde M 0λ spektrálí hustota vyzařováí [W.m -3 ] c rychlost světla [c = m.s -1 ] h Plackova kostata [h = 6, J.s] λ vlová délka zářeí [m] k Boltzmaova kostata [k = 1, J.kg -1 ] T termodyamická teplota čerého tělesa [K] Obr. 3-1 Plackův záko 3.2 Wieův posuovací záko Fyzikálí záko, který kostatuje, že v zářeí absolutě čerého tělesa je maximálí eergie vyzařováa a vlové délce, která se s rostoucí termodyamickou teplotou sižuje (tz. čím teplejší je těleso, tím vyzařuje a kratších vlových délkách, tj. vyšších frekvecích). λ max b = T (3.2) 12

11 Kde λ max T B vlová délka maxima vyzařováí [m] teplota tělesa [K] Wieova kostata [b = 2898 m.k] Zalost tohoto zákoa je důležitá pro volbu čidla dle rozsahu měřeých teplot. Obr. 3-2 Wieův posuovací záko 3.3 Stefa-Boltzmaův záko Základím vztahem pro bezdotykové měřeí teploty je Stefa-Boltzmaův záko. Te říká, že hustota zářivého toku geerovaá z jedotky plochy zdroje je a všech vlových délkách úměrá čtvrté mociě absolutí teploty tělesa. 4 E = σ T (3.3) Kde E hustota zářivého toku [W.m -2 ] σ Stefaova-Boltzmaova kostata [σ = 5, W.m -2.K -4 ] T teplota tělesa [K] 3.4 Čeré těleso Těžištěm teorie radiačí termometrie je kocepce absolutě čerého tělesa. V roce1860 defioval Kirchhoff absolutě čeré těleso jako povrch, který zářeí eodráží ai epropouští, ale pouze veškeré dopadající zářeí absorbuje, ezávisle a jeho směru a vlové délce. U reálého tělesa se podíl pohlceého zářeí azývá absorptivita (α). Pro absolutě čeré těleso je absorptivita rova 1,0. Pro reálá tělesa je absorpce částí tepelé radiace dopadající a povrch, a platí, že 0 α 1. [1] Absolutě čeré těleso ejeom pohlcuje veškeré dopadající zářeí, ale je také dokoale vyzařujícím tělesem. Aby popsal vyzařovací schoposti povrchu ve srováí s vyzařováím absolutě čerého tělesa, defioval Kirchhoff emisivitu (ε) reálého povrchu jako poměr tepelé radiace při daé teplotě a radiace absolutě čerého tělesa při stejé 13

12 teplotě a za stejých spektrálích a směrových podmíek. Tato hodota musí být zvažováa při měřeí teploty bezdotykovým teploměrem. Ačkoliv ěkteré povrchy se svými vlastostmi podobají absolutě čerému tělesu, všechy reálé objekty a povrchy mají emisivitu meší ež 1. Reálé objekty jsou buď šedá tělesa, jejichž emisivita ezávisí a vlové délce zářeí a tělesa barevá, u ichž emisivita závisí a vlové délce zářeí. Většia orgaických objektů jsou tělesa šedá, s emisivitou 0,90 0,95. [1] Kocept absolutě čerého tělesa je důležitý, protože ukazuje, že eergie vyzařovaá absolutě čerým tělesem závisí a teplotě. Při použití bezdotykového teploměru měřícího eergii vyzařovaou z objektu je třeba vzít v úvahu emisivitu. Např. objekt s emisivitou 0,6 vyzařuje je 60 % eergie ve srováí s absolutě čerým tělesem. Pokud se ezavede tato korekce, bude ačtea hodota teploty ižší, ež je aktuálí teplota. [8] Obr. 3-3 Závislost emisivity a vlové délce 14

13 4 Pyrometry 4.1 Úhré pyrometry Úhré pyrometry se ozačují také jako radiačí pyrometry, celkové, itegračí ebo ardometry. Využívají tepelého zářeí ve velké oblasti vlových délek, kterým je omeze pouze absorpčí schopostí detektoru a propustostí optiky pyrometru. Emisivita ečerých zářičů je silě závislá a jakosti povrchu tělesa, materiálu a teplotě. Protože korekce údaje pyrometru je velmi obtížá, používají radiačí pyrometry k měřeí teploty pouze čeré zářiče, popř. zářiče jim blízké. [10] Tepelé zářeí, vysílaé měřeým objektem, se soustřeďuje optickým systémem a símač radiačího pyrometru. Optický systém bývá sestave z čoček ebo zrcadel. Símačem bývá ejčastěji baterie termočláků, bolometr ebo termistor. Povrch símače bývá začerě. Přijímač zářeí i optika musejí být pokud možo ezávislé a vlové délce. Tato podmíka je splěa jak pro termočláek, tak i pro bolometr. Volba optiky se řídí měřicím rozsahem, který bývá stadardě 600 až 2000 C a 0 až 1000 C. V rozmezí ižších teplot je lepší pracovat je se zrcadlovou optikou s kovovým povrchem zrcadel. Vstupí okéko takového pyrometru bývá chráěo před prachem tekou fólií z umělé hmoty, která propouští ifračerveé zářeí. Všechy radiačí pyrometry pracují s malými chybami pouze v případech, kdy emisivita se blíží k 1. Tuto podmíku splňují dobře uzavřeé prostory, objekty bez lesku apod. Při měřeí se často používají uzavřeé keramické trubice, které jsou vložey uzavřeým kocem do měřeého prostředí (apř. pece). Na do trubky se pak zaměří pyrometr. Aby pyrometr měřil teplotu zářiče správě, musí být zaručeo, že a přijímač zářeí dopadají je tepelé paprsky zářiče. Zdrojem častých chyb je rušivě působící deí světlo; apř. těleso ozářeé slucem elze měřit. Měřeí je ezávislé a vzdáleosti přístroje od měřeého tělesa, pokud obraz tělesa kryje obrys přijímače zářeí. Kotrola se provádí vizuálě okulárem. Obsahuje-li atmosféra mezi objektem a radiačím pyrometrem složky absorbující ifračerveé zářeí, dochází k ovlivěí výstupího údaje. [10] Radiačí pyrometry jsou vyráběy v provedeí pro ručí měřeí, jako přístroje přeosé ebo pro stacioárí použití. Při stacioárím použití je uté v hutích provozech tyto pyrometry chladit vodou ebo vzduchem. K převodu mezi teplotou měřeou a skutečou slouží vztah: T T = (4.1) S P 4 ε Kde T S skutečá teplota [K] T P teplota udaá pyrometrem [K] ε poměrá emise úhrého pyrometru [-] 15

14 4.2 Pásmové pyrometry Pásmové pyrometry využívají určitou část spektra tepelého zářeí. Mezi pásmové pyrometry se řadí většia des vyráběých pyrometrů, které využívají fotoelektrický detektor. Provedeí pásmového pyrometru je závislé a moha okolostech (a rozmezí měřeé teploty, a vlastostech měřeého objektu, a atmosféře, která je mezi objektem a pyrometrem). Pásma vhodých vlových délek, se kterými pyrometr pracuje, závisí a citlivosti detektoru, zářeí a optice použitých filtrů. Detektory se volí takové, aby jejich citlivost ležela mimo absorpčí pásmo vyskytujícího se plyu. Jako detektor se používá fotoka, fotočláek, fotodioda, fototrazistor a fotoodpor. [10] Eergie vyzařovaá povrchem měřeého objektu prochází optickým systémem a dopadá a detektor, který má požadovaou spektrálí charakteristiku. Optický systém mívá pevou ohiskovou vzdáleost. Ohisková vzdáleost objektivu určuje velikost símaé plochy, kterou detektor a měřeém objektu vidí, a tím se defiuje zoré pole přístroje. Některé pásmové pyrometry mají vestavěé zdroje laserového zářeí, které usadňují zaměřeí tím, že a měřeém objektu vizuálě vyzačí símaou plochu. Obr. 4-1 Schéma pásmového pyrometru Fotoelektrický detektor převádí tepelé zářeí a elektrické apětí, proud ebo odpor. Výstupí sigál je zpracová v elektroické jedotce pyrometru. Sigál se v A/D převodíku digitalizuje a zpracovává mikroprocesorem, který podle vložeého programu zajišťuje růzé korekce a matematické úpravy měřeých dat a jejich ukládáí do paměti. Většia pásmových pyrometrů má displej, a kterém je možo číst aměřeé hodoty v požadovaých jedotkách ebo mi. a max. hodoty teploty v jistém časovém itervalu, jejich rozdíl a průměré hodoty. [10] Pásmové pyrometry jsou kalibrováy a teploty absolutě čerého tělesa, proto je potřeba brát v úvahu skutečou hodotu emisivity měřeého tělesa, která je při měřeí zjišťováa. To se provádí pomocí korekce emisivity a obslužé klávesici. Hlaví pole použití pásmových pyrometrů je tam, kde se mezi měřeým objektem a pyrometrem áhodě vyskytuje ply ebo vodí pára v oblasti ifračerveého zářeí, jako apř. CO 2, vodí pára apod. 16

15 4.3 Poměrové radiačí teploměry Tyto přístroje, které se také azývají dvoubarevé radiačí teploměry, měří eergii vyzařovaou objektem a dvou úzkých pásmech vlových délek a vypočítávají poměr těchto eergií, který je fukcí teploty objektu. Měřeá teplota závisí je a poměru dvou měřeých eergií, a ikoliv a jejích absolutích hodotách. Žádý parametr, který ovliví obě pásma stejě, ebude mít vliv a výsledek měřeí teploty. Poměrový teploměr může elimiovat chyby v měřeí teploty způsobeé vlivem změ emisivity, povrchovou úpravou a chyby, způsobeé absorpcí zářeí apř. vodí parou ebo jiými materiály, které se vyskytují mezi teploměrem a měřeým objektem. Tyto dyamické změy musí ovlivňovat detekci stejým způsobem a obou použitých vlových délkách. Emisivita všech reálých materiálů se eměí a všech vlových délkách stejě. Materiály, pro které platí, že se emisivita měí stejě a všech vlových délkách, se azývají šedá tělesa. Dvoubarevé ebo mohobarevé teploměry by měly mít své využití v těch aplikacích, kde je důležitá ejeom opakovatelost, ale i přesost měřeí aebo tam, kde měřeý objekt podstupuje fyzikálí ebo chemické změy. Poměrové teploměry pokrývají široké rozmezí teplot. Typické komerčě dostupé přístroje mají rozmezí mezi 900 a 3000 C a 50 až 3700 C. Obr. 4-2 Schéma poměrového radiačího teploměru Pricip měřeí: pomocou optikou se zářeí soustřeďuje a polopropustý filtr, který zachová pouze tepelé zářeí o vlových délkách λ 1 a λ 2. Zároveň toto zářeí filtr oddělí, takže může být detekováo samostatými detektory. Tímto vzikou dva elektrické výstupí sigály U 1,U 2, jejichž poměrem je měřeá teplota. 17

16 4.4 Optické pyrometry (jasové) Optické pyrometry měří radiaci v úzkém pásmu vlových délek tepelého zářeí. Nejstarší přístroje používaly pricipu měřeí optického jasu a viditelých vlových délkách kolem 0,65 µm (červeá). Tyto přístroje se také azývají jedobarevé pyrometry. Optické pyrometry jsou yí dostupé pro měřeí eergie a vlových délkách přesahujících až do oblasti ifračerveé. Uživatel asměruje pyrometr a měřeý objekt. Ve stejý okamžik vidí vitří žhaveé vláko přístroje v okuláru přístroje. Uživatel měí velikost příkou, který žhaví vláko, a tím měí barvu vláka, až odpovídá barvě měřeého objektu. Teplota měřeého objektu se odvozuje od příkou elektrické eergie žhavícího vláka. V jiém uspořádáí se udržuje kostatí žhavící proud vláka a měí se jas měřeého objektu za pomocí otočé optické cloy, která absorbuje eergii. Teplota objektu se odvozuje od možství eergie, které je absorbováo cloou. [8] Dostupé jsou i automatické optické pyrometry, které jsou citlivé pro měřeí v ifračerveém pásmu. Tyto přístroje používají místo lidského oka elektrický radiačí detektor. Teto přístroj pracuje a pricipu srováí eergie zářeí vyzařovaé objektem s eergií vyzařovaou vitřím referečím zdrojem. Výstupí hodota přístroje je úměrá rozdílu ve vyzařováí mezi měřeým objektem a referečím zdrojem. [8] Pro skutečou teplotu platí vztah: 1 T S 1 = T P λ + l ε λ c 2 (4.2) Kde T S T P skutečá teplota [K] teplota a stupici jasového pyrometru [K] λ použitá vlová délka [m] c 2 druhá vyzařovací kostata [c 2 =1, m.k] ε spektrálí emisivita měřeého objektu [-] Obr. 4-3 Schéma jasového pyrometru 18

17 4.5 Termovize Termovize je ifračerveý systém přeosu zázamu pomocí televizího sigálu, umožňující zobrazeí rozděleí teplot povrchu pozorovaého objektu. Termovizí systém pracuje velmi rychle, teplotí pole je símáo speciálí termovizí kamerou a zobrazuje se a obrazovce speciálího moitoru ve velikosti celého sledovaého objektu, což umožňuje lépe sledovat souvislosti pozorovaých jevů, případě zkoumat dyamický vývoj teplotího pole a celém objektu. [10] Moitory termovizích systémů zobrazí teplotí pole měřeého povrchu a obrazovce pomocí termogramu. Jedotlivým rozmezím teplot jsou přiřazováy růzé barvy. Po straách obrazu jsou pak stupice umožňující idetifikaci kokrétích teplot v obraze. Při určováí teplot je uté zát a respektovat emisivitu objektu v daém místě, podobě jako u pyrometrů. Obr. 4-4 Příklad zobrazeí termogramu V současé době se používají detektory kvatové a pyroelektrické. Kvatové detektory při dopadu ifračerveého zářeí zvyšují svoji elektrickou vodivost. Jsou selektiví a vyžadují chlazeí a ízkou teplotu. Nejčastěji se používá atimoit idia (ISb) chlazeý kapalým dusíkem. Pyroelektrické detektory se při dopadu ifračerveého zářeí ohřívají a vziká v ich elektrický áboj. Jsou eselektiví a evyžadují chlazeí. Dalším důležitým prvkem je símací systém: s postupým rozkladem obrazu přímo zobrazující Símací systémy s postupým rozkladem obrazu jsou používáy více. Pracují s opticko-mechaickým ebo elektrickým rozkladem obrazu a kvatovým detektorem. Mezi jejich výhody patří zejméa možost pozorováí termogramu i při deím světle, volba kotrastu termogramu ve velkých mezích, stejě jako teplotí rozsah, barevá reprodukce obrazu a možost zázamu termogramu. [10] 19

18 Přímo zobrazující systémy používají velkoplošé pyroelektrické detektory. Na povrchu detektoru se vytváří ábojový obraz úměrý dopadajícímu zářeí. Jejich použití je omezeo ižší přesostí. Termovize patří mezi ákladá, ale velmi užitečá zařízeí pro měřeí teploty v růzých oborech lidské čiosti. Hlavími oblastmi použití termovizího měřeí jsou: stavebictví, průmysl, elektrotechika. V průmyslu se termovize používá zejméa pro kotroly: - kotrola uložeí rotačích součástek (ložiska, dopravíky apod.) - kotrola přetížeí motorů, elektromotorů, pohoů a převodovek - kotrola čerpadel a vetilátorů - kotrola tepelých vyzdívek - kotrola tepelých izolací u teplovodů, horkovodů a parovodů - lokalizace a itezita poruch u rozvodů tepla - zjišťováí výšky hladiy v zaizolovaých ádobách či ádržích - testováí ových izolačích materiálů 20

19 5 Části pyrometru Zjedodušeé blokové uspořádáí typického ifračerveého pyrometru je a obr Eergii vyzařovaou měřeým objektem zachycuje přes optický systém ifračerveý símač (detektor) s požadovaou spektrálí charakteristikou, který převádí ifračerveou eergii většiou a měřitelé apětí. Nejčastěji se des používají polovodičové símače a bázi termočlákových polí. Spektrálí citlivost ifračerveého símače ve spojeí s předřazeým optickým filtrem, propouštějícím vyzařovaou eergie je v úzkém pásmu kolem požadovaé vlové délky, určuje spektrálí charakteristiku pyrometru. Výstupí sigál detektoru má velmi malou úroveň a musí se zesílit a upravit, aby se z ěj získal použitelý údaj o měřeé teplotě. Stabilí zesilovač musí rozlišit a zesilovat sigály velikosti meší ež 1 mv, které odpovídají změám teploty objektu řádově 1 C. V moderích ifračerveých pyrometrech se zesíleý sigál obvykle v převodíku A/D digitalizuje a dále zpracovává elektroikou s mikroprocesorem, sigálovým procesorem apod. Mikroprocesor podle vložeého programu zajišťuje apříklad liearizaci, růzé korekce a matematické úpravy měřeých dat, ukládáí měřeých dat do paměti, diagostiku, kalibraci a kompezaci vějších vlivů, převody fyzikálích jedotek apod. [8] Obr. 5-1 Blokové uspořádáí IČ pyrometru 21

20 5.1 Optický systém pyrometru Nedílou součástí ifračerveého pyrometru je jeho optický systém, který určuje velikost símaé eboli měřeé plochy, kterou fotocitlivý símač a měřeém objektu vidí a tím vlastě defiuje zoré pole přístroje. Pro posouzeí pyrometru je důležitou veličiou zorý úhel, eboli idex zaostřeí pyrometru defiovaý jako poměr průměru D símaé plochy a měřeém objektu ke vzdáleosti L měřeého objektu od objektivu pyrometru. Jestliže apříklad ve vzdáleosti mm od pyrometru má símaá plocha a objektu průměr 20 mm, je idex zaostřeí 1 : 60, což odpovídá zorému úhlu asi 1. V současé době se abízejí ifračerveé pyrometry s idexem zaostřeí v rozpětí od 1 : 2 až přibližě 1 : 300. Čím meší je idex zaostřeí, tím je optický systém pyrometru složitější a ákladější. Volba velikosti idexu zaostřeí D: L závisí a velikosti měřeého objektu a a vzdáleosti pyrometru od objektu. Důležité je, aby měřeý objekt vyplňoval pokud možo celé zoré pole pyrometru. Jestliže je měřeý objekt meší ež zoré pole, je údaj pyrometru ovlivě teplotou pozadí objektu. Pro zajištěí správé fukce ifračerveého pyrometru se obvykle doporučuje, aby měřeý objekt přesahoval velikost zorého pole pyrometru ejméě o 30 až 50 %. U malých objektů, které jsou je epatrě větší ež zoré pole, může chybé zaostřeí způsobit začé chyby v měřeí. [7] Aby ifračerveé pyrometry zachytily všecho emitovaé tepelé zářeí, musí být zajištěa přímá viditelost mezi pyrometrem a měřeým objektem a pyrometr musí být a měřeý objekt co ejpřesěji zaměře. Zaměřovací optika většiy abízeých přístrojů dovoluje uživateli hledáčkem, podobě jako u fotoaparátu, požadovaou oblast měřeého objektu vizuálě zaměřit. Některé ifračerveé pyrometry mají vestavěý laserový zaměřovač, který usadňuje zaměřeí tím, že a měřeém objektu vyzačí kruhovou stopou símaou plochu, což je zvláště výhodé u objektů s tmavým povrchem. 5.2 Detektory Termálí detektory jsou ejčastěji používaými detektory radiačích teploměrů. Termálí detektory vytvářejí výstupí sigál, protože jsou zahříváy eergií, kterou absorbují. Ve srováí s jiými typy detektorů mají termálí detektory ižší citlivost a jejich výstupí sigály jsou méě ovlivěy změami vlové délky zářeí. Rychlost odezvy tepelých detektorů je sižováa jejich hmotostí. [2] Teplotí detektory jsou čerě atřey, takže reagují a zářeí v širokém spektru (širokopásmové detektory). Jsou relativě pomalé, protože musí dosáhout tepelé rovováhy kdykoliv se změí teplota měřeého objektu. Mají časové kostaty v řádu sekud i více, i když vrstvové detektory mají odezvu rychlejší. Termoelektrické baterie se skládají z jedoho ebo více termočláků zapojeých v sérii obvykle radiálě uspořádaých tak, že teplá spojeí tvoří malý kruh a chladá spojeí jsou 22

21 udržováa v teplotě okolí. Techicky pokrokové tekofilmové termočláky dosahují doby odezvy v rozmezí od 10ms do 15ms. Víceásobé termoelektrické čláky také zvyšují itezitu výstupího sigálu a jsou ejlepší volbou pro širokopásmé teploměry. Pokud se používají víceásobé termoelektrické čláky, je utá kompezace okolí teploty. Termostatem řízeá teplota skříňky teploměru se používá, aby se elimiovalo kolísáí okolí teploty při práci v ízkých teplotách. [2] Obr. 5-2 Termočláek Fotoové detektory uvolňují elektrický áboj jako odezvu a dopadající zářeí. U detektorů se siríkem olovatým a se seleidem olova se uvolěí áboje měří jako změa odporu. U atimoidu idia, křemíku a germaia se uvolěí áboje měří jako apěťový výstup. Fotoové detektory mají maximálí vlovou délku, za kterou edávají odezvu. Maximálí citlivost je obvykle a vlové délce o ěco kratší ež mezí vlová délka. Moho radiačích teploměrů používá spíše fotoové detektory ež tepelé, i když měří a užším pásmu vlových délek. Je to proto, že v pásmu vhodých frekvecí je citlivost fotoových detektorů až vyšší, ež je citlivost tepelých detektorů. Doba odezvy fotoových detektorů je v řádu µs. Jsou estabilí u delších vlových délek a vyšších teplot. Často se používají u úzkopásmových teploměrů ebo širokopásmových teploměrů pro středí teploty 93 až 427 C, a často jsou vybavey chlazeím. [2] Obr. 5-3 Fotoka Pyroelektrické detektory měí povrchový áboj v závislosti a dopadajícím zářeí. Když se změí teplota měřeého objektu, emusí detektor dosáhout tepelé rovováhy, protože odpovídá a změy dopadajícího zářeí. Přicházející zářeí musí být přerušováo a výstup detektoru se emůže používat přímo. Přerušovač je rotující závěrka, která má poskytout raději střídavý ež stejosměrý výstup z čidla. Relativě slabé střídavé sigály jsou s výhodou zpracováváy měřícími obvody. Změa detektoru může být měřea pomocí změy áboje kodezátoru, 23

22 která musí být ačítáa vysokoimpedačím obvodem. Pyroelektrické detektory mají povlaky, které absorbují zářeí, takže to mohou být širokopásmové detektory. Spektrálí odezva může být omezea výběrem materiálu povlaku s vhodými vlastostmi. [2] Obr. 5-4 Pyroelektrický detektor 5.3 Elektroika Kalibračí křivka výstupu detektoru v závislosti a teplotě je u všech detektorů elieárí, protože rovice popisující možství zářeí emitovaého objektem jsou mocié fukce. Elektroika radiačího teploměru musí zesilovat, regulovat, liearizovat a kovertovat sigál a apěťový ebo proudový výstup, který je úměrý teplotě. Elektroika založeá a mikroprocesorech je mohem lepší ež kovečí aalogová elektroika, protože poskytuje možost výpočtů, používaých pro korekci edokoalosti detektorů, kompezaci emisivity a dává digitálí výstup pro obousměrou komuikaci mezi teploměrem a PC ebo regulačím systémem. [8] Nejdokoalejším a ejpřesějším teplotím převodíkem v tomto teplotím rozsahu je termistor. Avšak výstupí hodoty termistoru jsou vysoce elieárí a výrazě kolísají od výrobku k výrobku. Aalogové obvody termistorů byly opuštěy, protože byly méě přesé a byly ahrazey saději použitelým prvkem, jako je itegrovaý obvod, který má lieárí výstup. Vysoce elieárí odezvy ejsou pro počítač problémem, a proto mohou systémy vybaveé mikroprocesory termistory používat. Citlivost detektoru je také elieárí fukcí teploty tělesa detektoru. To bývá zhruba korigováo v aalogových přístrojích s jedoduchou korekcí lieárího zesíleí zajišťovaou teplotě citlivým odporem ve zpětovazebých obvodech přes zesilovače. Mikroprocesor může používat složitého algoritmu pro detekci teploty tělesa, který koriguje změy citlivosti detektoru. Mikroprocesorem můžeme korigovat také posu ulové hodoty detektoru vlivem kolísáí okolí teploty. To elimiuje chybu ěkolika stupňů, pokud se přístroj přeese z jedé místosti do druhé s růzou teplotou. Vitří mikroprocesor může a základě údajů o teplotě provádět vější řídící fukce a prvcích vější smyčky. Používá k tomu kotaktí spíače ebo releové výstupy. Řídící zásahy provádí a základě vstupích údajů o měřeých teplotách. [8] 24

23 6 Kalibrace Protože jsou běžé variace ve vlastostech materiálů použitých v kostrukci radiačích teploměrů, musí se ové přístroje idividuálě kalibrovat, dokoce aby se dosáhlo i je malé úrově přesosti. Iiciálí kalibraci obvykle provádí výrobce. Pokud je potřeba provádět jiá, ež zcela orietačí měřeí, jsou uté pravidelé rekalibrace - ať již uživatelem ebo exterí laboratoří ebo původím výrobcem. Trvalá přesost bezdotykového teploměru závisí a způsobu rekalibrace, četostí rekalibrací a a rychlosti obovy celého systému. Zajištěí absolutí přesosti bezdotykových teploměrů je složitější ež u kotaktích zařízeí, jako jsou termočláky a odporové teploměry. To má částečě původ v obtížosti přesého staoveí emisivity reálých těles. Pokud je důležitá zejméa absolutí přesost, potom je potřeba brát v potaz stadardy, jako apř. stadard vydaý Národím úřadem pro stadardy a techologie (NIST). Kompatibilita primárích a sekudárích orem je zásadí pro vyhověí stadardům kvality, jako je apř. ISO [8] Obecě existují tři metody, jak kalibrovat průmyslové radiačí teploměry: použití simulátoru absolutě čerého tělesa porováí se stadardím termočláek ebo odporovým teploměrem uvitř dutiy. Při vyšších teplotách se jako referece používají kalibrovaé wolframové lampy. použití referečího pyrometru, který je přesě zkalibrová 6.1 Dutia jako absolutě čeré těleso Protože kalibrace bezdotykového teplotího čidla vyžaduje zdroj zářeí absolutě čerého tělesa s přesou regulací a měřeím teploty zdroje, je vitří povrch zahřáté dutiy vhodou formou. Jeho zářeí je v podstatě ezávislé a materiálu a stavu povrchu. Aby dutia jako absolutě čeré těleso pracovala správě, musí být izotermická. Její emisivita musí být zámá, ebo dostatečě blízká jedé a stadardí referečí termočláek musí mít stejou teplotu, jako dutia. Kalibračí referece a pricipu absolutě čerého tělesa je v zásadě složea z vyhřívaé dutiy s malým otvorem, kterým lze vidět vitří povrch. V zásadě platí, že s rostoucí relativí velikostí dutiy ve srováí s otvorem se emisivita blíží stále více k jedé. Ačkoliv je tvar dutiy ejčastěji kulový, pečlivě avržeé válcové ebo klíovité dutiy mohou také dosáhout jedotkové emisivity. K dosažeí izotermického prostředí obklopujícího dutiu se používají obvykle ásledující materiály: [8] lázeň s promíchávaou vodou pro teploty C hliíkové jádro pro teploty C ocelové jádro pro teploty C 25

24 Dutiy simulující absolutě čeré těleso mají své výhody i evýhody. Některé přeosé, bateriemi apájeé přístroje se mohou používat i pro ízké teploty (méě ež 100 C), ale většiou se jedá o poěkud těžké a drahé přístroje. Také dlouho trvá, ež dosáhou tepelé rovováhy (30 miut a více), což výzamě zpomaluje proces kalibrace, zejméa pokud se má provést řada měřeí. Obr. 6-1 Kalibrátor typu čerého tělesa 6.2 Žárovky s wolframovým vlákem Wolframové páskové lampy jsou zdrojem vysoce reprodukovatelého zářeí a mohou být přesě kalibrováy a teploty v rozmezí C. Dávají možost okamžitého a přesého astaveí a mohou pracovat a vyšších teplotách, ež většia duti. Avšak lampy musí být kalibrováy podle stadardů simulujících absolutě čerá tělesa. Uživatel obvykle dostae vztah mezi elektrickým proudem, který prochází vlákem a jeho teplotou. Emisivita kolísá v závislosti a teplotě a vlové délce, ale wolfram je atolik zámý materiál, že je možé kovertovat zdálivou teplotu a skutečou. [8] 6.3 Referečí pyrometr V případě sekudárí stadardí kalibrace se srovává výstup primárího pyrometru (apř. kalibrovaého v NIST) a sekudárího pyrometru, přičemž oba přístroje jsou střídavě zaměřey a jediou wolframovou lampu. Tímto postupem se elimiuje moho systematických chyb a takový způsob kalibrace je výhodější v praxi. 26

25 7 Nejistoty a chyby metod bezdotykového měřeí teploty 7.1 Nejistota měřeí způsobeá ezalostí správé hodoty emisivity povrchu tělesa Nejistota měřeí způsobeá chybým defiováím emisivity povrchu tělesa patří k ejčastějším epřesostem při měřeí bezdotykovým teploměrem. Pro astaveí emisivity měřeého předmětu můžeme použít celou řadu metod: Vyhledáí emisivity v tabulkách vlastostí materiálů V ěkterých tabulkách můžeme dokoce alézt i pro jaké pásmo vlových délek je takto určeá emisivita kostatí a to ám může pomoci při správém výběru pyrometru. Ale bohužel je třeba brát takto určeou emisivitu hodě s rezervou, protože skutečou emisivitu povrchu může ovlivit celá řada dalších skutečostí (apř. jakým způsobem byl kov obrábě broušeím, frézováím, leštěím apod., jak je odolý vůči povrchové korozi atd.). Proto by hodoty emisivit staoveé a základě tabulek měli být bráy jako orietačí, zvláště pak u kovů. [2] Druh materiálu Emisivita ε čerý matový lak 0,99 voda 0,95 cihly 0,85 zoxidovaý ocelový plech 0,75 zoxidovaý hliík 0,55 leštěé ocelový plech 0,25 leštěý hliík 0,13 Tab. 7.1 Emisivita ěkterých materiálů Ohřátí měřeého vzorku a zámou teplotu Pokud ohřejeme měřeé těleso ebo jeho vzorek a předem zámou teplotu, můžeme poté a pyrometru měit hodotu emisivity, dokud aměřeá teplota eodpovídá teplotě, a kterou jsme předmět ohřívali. Pokud je ale měřeé těleso vyrobeo z ějakého velmi dobře vodivého materiálu (apř. měď, hliík, mosaz, atd.), může dojít k ochlazeí povrchu během doby, kdy je pyrometr astavová a ohřátí a astaveí je tak uto zovu opakovat. [2] Použitím dodatečého materiálu ebo speciálího átěru části měřeého objektu Při relativě ízkých teplotách (do 250 C), lze alepit a měřeý objekt speciálí plastovou samolepku o zámé emisivitě. Pyrometrem se poté změří teplota samolepky s touto emisivitou a poté se astaví emisivita povrchu měřeého objektu tak, aby změřeá teplota odpovídala teplotě samolepky. Takto astaveou emisivitu lze poté použít a všech měřeých objektech z tohoto materiálu. Teto postup můžeme aplikovat také, pokud máme možost atřít část povrchu tělesa matou čerou barvou, která má emisivitu kolem 0,95. 27

26 7.2 Nejistota měřeí způsobeá ezalostí správé hodoty propustosti prostředí mezi čidlem a měřeým objektem Trasparece prostředí je výzamá zejméa při dálkovém símáí zobrazovaého objektu. Zeslabeí zářivého toku při průchodu atmosférou může být způsobeo jedak přímou absorpcí a jedak rozptylem ifračerveého zářeí a molekulách plyu, aerosolech, kapkách vody, částicích kouře atd. Na sižováí trasparece atmosféry se podílí zejméa molekuly H 2 O, CO 2, O 3, CH 4 a CO, které vymezují ve spektrálí závislosti součiitele propustosti. [2] 7.3 Nejistota měřeí způsobeá epřesou korekcí odražeého zářeí z okolího prostředí a měřeý objekt Teplota vějšího prostředí ovlivňuje velikost detekovaého ifra sigálu a zároveň i jeho kolísáí. Vější zdroje ifračerveého zářeí ovlivňují v závislosti a povrchových vlastostech objektu buď jeho skutečou povrchovou teplotu, ebo jeho zdálivou povrchovou teplotu. Výzamé může být také prouděí vzduchu, které ovlivňuje ztrátu tepla z povrchu tělesa, tedy i výsledý povrchový teplotí reliéf. 7.4 Nejistota měřeí způsobeá špatým zaměřeím měřeého objektu Optický systém pyrometrů ve většiě případů símá eergii vyzařovaou z povrchu tělesa z kruhové měřeé plochy a soustřeďuje ji a detektor. Měřeý objekt proto musí úplě vyplňovat tuto měřeou plochu, jiak je aměřeá hodota ovlivěa i zářeím pozadí okolích ploch. Optické rozlišeí je defiováo poměrem D:S, což je průměru měřeé plochy D k vzdáleosti měřicího přístroje od měřeého objektu S. čím meší bude tato hodota, tím lepší je optické rozlišeí měřicího přístroje a tím meší může být měřeá plocha při daé vzdáleosti. [2] Obr. 7-1 Optický diagram IČ čidla DS=1:4 28

27 8 Výběr pyrometru Při výběru přístroje se ejdříve zaměřte a požadovaou rychlost odezvy, velikost měřeého objektu a teplotu objektu. Když se zúží sezam možých kadidátů pro daou aplikaci, zvažujte takové okolosti, jako spektrálí citlivost detektoru, prostupost optického systému a prostupost jakýchkoliv oke ebo atmosféry a spojici mezi přístrojem a měřeým objektem, emisivitu měřeého objektu, okolí podmíky, dyamiku procesu. V 90 % případů se vyžaduje odezva a áhlou změu teploty za méě ež ěkolik sekud, takže pyrometry s tepelými detektory evyhovují. Lepší volbou může být pyrometr s fotoovým detektorem. 8.1 Propustost atmosféry Jakákoliv radiace absorbovaá ebo vytvořeá plyy ebo částečkami acházejícími se ve výhledu termometru ovliví měřeou teplotu objektu. Vliv absorbujícího media, jako je vodí pára, může být miimalizová správým výběrem vlových délek, které bude termometr registrovat. Například pyrometr se silikoovým detektorem pracuje mimo absorpčí pásmo vodích par, chyba měřeí je zde ulová. Vliv horkých částic může být elimiová, zajistíme-li, aby takové částice evstupovaly do prostředí mezi termometrem a měřeým objektem, ebo průměrováím hodot, pokud jsou zde částice přechodě přítomy. Pozorovací tuba s otevřeým kocem, která je pročištěá plyem o ízké teplotě, může zajistit pro měřeí prostředí, které ebude obsahovat iterferující částice. [8] 8.2 Materiál měřeého objektu Emisivita měřeého objektu, ebo možství tepelé eergie, kterou měřeý objekt emituje, závisí a charakteru materiálu, ze kterého je teto objekt slože. Absolutě čeré těleso je ideálí emitor, ohodoce hodotou 1,0. Hodota emisivity u ostatích materiálů je poěkud ižší, pohybuje se v rozmezí 0,01 až 0,99. Orgaické materiály jsou velmi výkoými emitory, s emisivitou 0,95, zatímco leštěé kovy jsou evýkoými emitory, s emisivitou 0,2 ebo ižší. Tabulky udávají hodoty emisivity ideálích povrchů a epočítají s korozí, oxidací, ebo erovostmi povrchu. U reálých objektů kolísá emisivita od 2 do 100% při změě teploty o 56 C. 8.3 Teplotí rozsah Emisivita objektu a předpokládaý teplotí rozsah objektu určují vhodé vlové délky pro měřeí. Použijte čidlo, které je sezitiví a tyto vlové délky. Přesost měřeí je uváděa v procetech. Čím přesěji lze určit měřeý teplotí rozsah a jemu odpovídající čidlo, tím bude koečý výsledek měřeí přesější. 29

28 8.4 Pracoví prostředí Pokud bude přístroj měřit v ebezpečém, horkém, vlhkém, korozivím, ebo jiak evlídé prostředí, pak je ezbyté přístroj chráit. Čočky a obaly přístrojů jsou odolé proti korozi, vzdušé chladicí systémy chráí čočky před výrobími ečistotami, a rozlišé chladící systémy chladí čočky, optiku a elektroiku. U širokopásmových termometrů může být k ochraě optiky a k udržeí čistého zorého pole použit tubus s uzavřeým kocem. Zatímco a jedom koci tubusu se ačítá teplota měřeého objektu, a opačém koci tubusu je termometr pomocí chlazeí chráě před vlivem vysokých teplot. Tubusy s uzavřeým ebo otevřeým kocem zabraňují sížeí emitovaé radiace, ke kterému by došlo vlivem přítomosti vodích par, prachu, kouře, páry a jiých radioabsorbčích plyů v prostředí. Průmyslově se využívají při měřeí povrchové teploty jak volých povrchů, tak povrchů uvitř trubek, ádob a pecí. V jiých případech je uté měřit teplotu objektu skrze sklo. 30

29 9 Praktické využití v procesím ižeýrství Bezkotaktí teplotí símače umožily techikům přesé měřeí tam, kde je velmi těžké ebo emožé požít jié teplotí símače. Žádý jiý símač, ež je bezdotykový teploměr, eí schope provádět měřeí a velké vzdáleosti. To je uté apř. při hledáí horkých míst ebo problematických oblastí u destilačích přístrojů, izolací, trubek, motorů ebo trasformátorů. V oblasti vyhledáváí a zjišťováí vad jsou ručí radiačí teploměry těžko překoatelé. [3] Teplotí měřeí jsou v běžé údržbě závodu používáa k tomu, aby se předešlo poruchám v dodávce eergie, aby se zjistil výskyt vadých žáruvzdorých materiálů a k optimalizaci účiosti procesu. Hlavím cílem je předcházeí eočekávaým odstávkám. Moho problémů považovaých za problémy údržby jsou ve skutečosti eergetickými problémy. Teplotí prohlídka je ideálím postupem pro aalýzu eergetických ztrát. Příklady využíváí bezkotaktích teploměrů v praxi: 9.1 Kotrola elektrických zařízeí Používáí ifračerveých teploměrů pro prohlídky elektrických zařízeí je jedoduchá, rychlá a přímá aplikace. Jak elektrické součástky korodují ebo se zhoršují stárutím, měí se také jejich elektrické vlastosti, zejméa elektrický odpor. Tyto změy jsou obvykle zjevé jako zvýšeí povrchových teplot, které idikuje očekávaou poruchu. Většia součástek se zhoršuje postupě, dříve ež dojde k úplé poruše. Je tedy možé provádět prohlídky elektrických zařízeí v epříliš častých itervalech, což umoží pláovaou a pravidelou údržbu. [3] Obr. 9-1 Kotrola elektrické skříě 31

30 9.2 Kotrola mechaických zařízeí Bezkotaktí měřeí teploty je používáo také ke kotrole mechaických zařízeí. Rotačí stroje jako jsou motory, čerpadla, kompresory a podobé mohou být kotrolováy a přehřívající se ložiska, řemey a kotakty. Tyto prohlídky eje že pomáhají vyhout se poruchám, ale pomáhají také vyhout se eočekávaým odstávkám a procesím edostatkům. Obr. 9-2 Kotrola mechaických zařízeí 9.3 Kotrola stavu žáruvzdorých hmot a izolací Prohlídka stavu žáruvzdorých hmot a izolací je založea a teorii, že v celém objemu ádoby je stejá vitří teplota a odpovídající povrchová teplota je přímou fukcí vedeí tepla přes izolačí vrstvu a vější stěu. Ideálí ádoba bude mít všude a svém vějším povrchu přesě stejou teplotu. Pokud se v izolačí vrstvě vyskytuje trhlia ebo jiý závadový stav, stoupá teplota vějšího povrchu úměrě závadě přesě v místě jejího výskytu. Prohlídky jsou rychlé a výkoé. [3] 9.4 Kotrola výměíků tepla Při většiě kotrol toku materiálu se používá povrchová teplota jako idikátor závadého stavu, který má vztah k teplotě, apř. úiky, blokády, zeslabeí, koroze a eroze. V každém případě však musí být provedea aalýza k určeí přibližého vztahu mezi tepelou iformací a závadou. Prohlídky výměíků tepla jsou obvykle prováděy proto, aby se určily celkové blokády toku ebo k určeí oblastí s extrémím zeslabeím. Přítomost celkových blokád je ormálě způsobea korozí v trubkách a usazeiami kolem ich. [3] Obr. 9-3 Kotrola výměíku tepla 32

31 Praktická část 33

32 10 Popis měřících přístrojů 10.1 Ručí bezdotykový teploměr Fluke 574 K bezdotykovému měřeí teploty jsem použil přeosý IČ- teploměr Fluke 574, který patří do skupiy pásmových pyrometrů. Přístroj je vybave digitálím LCD-displejem, který zobrazuje aktuálí měřeou teplotu, dále může zobrazovat miimálí, maximálí ebo středí hodotu. U tohoto pyrometru lze astavit hodotu emisivity od 0,1 1 ebo vybrat ze 30 předastaveých hodot emisivity růzých materiálů. Měřící rozsah přístroje je -30 až C s přesostí ± 1 C. K zaměřeí plochy slouží 3 bodový laser, ohraičující velikost zabíraé kruhové plochy a optika 60:1. Součástí je také termočláek typ K s měřícím rozsahem -25 až +260 C s přesostí ± 2 C, Obr Fluke

33 10.2 Testo 935 Pro porováí s teploměrem Fluke 574 jsem použil diferečí dvoukaálový teploměr Testo 935. Uiverzálí teploměr pro měřeí teploty v průmyslu. Přístroj může símat současě ze dvou připojeých sod. Obě teploty zobrazí a displeji a dokáže spočítat a zobrazit teplotí rozdíl. Má odolé pouzdro chráící přístroj před árazem, prachem a vlhkem. Příslušeství k přístroji je soda s termočlákem typu K s rozšířeou měřící špičkou pro hladké rovié plochy. Měřící rozsah je od -60 až +400 C s přesostí ± 1 C. (t 99 =30s) Obr soda 1 Obr soda 2 Obr Testo

34 10.3 Retigo M20 Jako model pro měřeí teploty jsem použil duplicití ádobu Retigo M20. Objem ádoby je 20 l, plášť je vyrobe z erezové oceli. Napájeí ádoby je ze sítě 230 V, 50Hz o příkou 3kW. Regulovat teplotu lze pomocí termostatu. Obr Schéma Retigo M20 36

35 11 Postup měřeí 11.1 Zjištěí emisivity Důležité pro správé měřeí teploty pomocí IČ-teploměru je zalost emisivity měřeé plochy. Protože je plášť ádoby vyrobe z leštěé erezové oceli, má emisivitu velmi malou (ε = 0,2) a výsledky měřeí by byly epřesé. Proto je zapotřebí ji zvýšit pomocí átěru ebo álepky. Zvolil jsem čerou papírovou álepku a zjistil jsem k í emisivitu tak, že jsem termostat astavil a 40 C a počkal jsem, až se teplota celé ádoby ustálí. Teplotu jsem kotroloval pomocí rtuťového teploměru. Poté jsem ze zámé teploty astavil emisivitu a IČ-teploměru tak, aby se teploty v obou měřeí shodovali. Zjištěá emisivita čeré álepky je ε=0, Idex zaostřeí Dalším důležitým parametrem je idex zaostřeí pyrometru, který je defiovaý jako poměr průměru D símaé plochy a měřeém objektu ke vzdáleosti L měřeého objektu od objektivu pyrometru. Aby údaj pyrometru ebyl ovlivě teplotou pozadí objektu, musí být měřeý objekt větší ež zoré pole. Pro zajištěí správé fukce ifračerveého pyrometru se obvykle doporučuje, aby měřeý objekt přesahoval velikost zorého pole pyrometru ejméě o 30 až 50 %. U měřícího pyrometru Fluke 574 je idex zaostřeí rove 1:60. Z toho vyplývá závislost velikosti průměru símaé plochy a vzdáleost od měřeého objektu, která je zázorěa v grafu Měřeí sem prováděl ve vzdáleosti 1,5 m od měřeého objektu a z grafu vyplývá, že miimálí průměr símaé plochy je 25 mm. Fluke 574 má výhodu, že průměr símaé plochy vyzačuje pomocí 3-bodového laserového zaměřovače. průměr símaé plochy [mm] Idex zaostřeí 1:60 1, vzdáleost od měřeého objektu [m] Graf 11-1 Idex zaostřeí 37

36 11.3 Istalace zaměřeí Při istalaci teplotích sod je důležité, aby byly v těsém kotaktu s měřeou plochou a aby edocházelo k uvolěí při maipulaci. To by mělo za ásledek, epřesé měřeí teplot. Obr Připevěí dody1 Obr Připevěí sody Vlastí měřeí Při zapojeí duplicití ádoby do elektrické sítě jsem astavil termostat a hodotu 90 C. Teplotu jsem odečítal v itervalech cca 30 sec a zapisoval jsem je do tabulky. Po dosažeí 90 C jsem vypustil ohřevou vodu a při ochlazováí ádoby jsem zova zapisoval hodoty teplot. Takto jsem postupoval ve všech druzích zapojeí. Výsledé hodoty jsem vložil do grafů a pak ásledě vyhodotil. 38

37 12 Výsledky měřeí Naměřeé hodoty měřeé jak bezdotykovým teploměrem Fluke 574 tak dotykovým teploměrem Testo 935 jsem zapsal do tabulek v programu Excel, ásledě jsem z ich vytvořil grafy a vypočítal průměré odchylky teplotích sod od teploty aměřeé bezdotykovým teploměrem Fluke Měřeí 1 Ohřev: Obr Zapojeí 1 100,0 Měřeí 1 Teplota C 80,0 60,0 40,0 20,0 soda 1 soda 2 Fluke 574 0,0 Počet měřeí Graf 12-1 Zapojeí 1- ohřev Průměrá odchylka teplotí sody 1: Průměrá odchylka teplotí sody 2: T T3i T1 i T3i T2i = 1 o i= 1 o 3,25 C T2 = = 0,69 C i 1 = = 39

38 Ochlazováí: Měřeí 1 90,0 Teplota C 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Počet měřeí soda 1 soda 2 Fluke 574 Graf 12-2 Zapojeí 1- ochlazováí Průměrá odchylka teplotí sody 1: Průměrá odchylka teplotí sody 2: T T3i T1 i T3i T2i = 1 o i= 1 o 2,01 C T2 = = 0,79 C i 1 = = 40

39 12.2 Měřeí 2 Obr Zapojeí 2 Ohřev: Teplota C 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Měřeí Počet měřeí soda 1 soda 2 Fluke 574 Graf 12-3 Zapojeí 2 - ohřev Průměrá odchylka teplotí sody 1: Průměrá odchylka teplotí sody 2: T T T 3i 1i i= 1 1 = = o 0,78 C T T T 3i 2i i= 1 2 = = o 0,44 C 41

40 Ochlazováí: 100,0 Měřeí 2 Teplota C 80,0 60,0 40,0 20,0 soda 1 soda 2 Fluke 574 0, Počet měřeí Graf 12-4 Zapojeí 2 - ochlazováí Průměrá odchylka teplotí sody 1: Průměrá odchylka teplotí sody 2: T T3i T1 i T3i T2i = 1 o i= 1 o 0,68 C T2 = = 0,62 C i 1 = = 42

41 12.3 Měřeí 3 Obr Zapojeí 3 Ohřev: Měřeí 3 Teplota C 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Počet měřeí soda 1 soda 2 Fluke 574 Graf 12-5 Zapojeí 3 - ohřev Průměrá odchylka teplotí sody 1: Průměrá odchylka teplotí sody 2: T = T3i T1 i T3 i T2i = 1 o i= 1 o 0,73 C T2 = = 1,48 C i 1 = 43

42 Ochlazováí: Měřeí 3 90,0 80,0 70,0 Teplota C 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Počet měřeí soda 1 soda 2 Fluke 574 Graf 12-6 Zapojeí 3 - ochlazováí Průměrá odchylka teplotí sody 1: Průměrá odchylka teplotí sody 2: T T3i T1 i T3i T2i = 1 o i= 1 o 0,57 C T2 = = 2,85 C i 1 = = 44

43 12.4 Měřeí 4 Pro ázorou ukázku, jak je důležitá u pyrometru správě zadaá emisivita povrchu, jsem aměřil hodoty teplot tak, že poprvé bezdotykovým teploměrem Fluke 574 jsem měřil a místě s přesě defiovaou emisivitou ε=0,95. A podruhé s astaveou emisivitou v pyrometru a hodotu ε=0,95, ale a povrchu z leštěé oceli. Naměřeé hodoty jsem poroval v grafu 12-7 a Teplota [ C] 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 Měřeí 4 Počet měřeí Fluke 574 (špatá emisivita) Fluke 574 (správá emisivita) Graf 12-7 ohřátí Teplota [ C] 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 Měřeí 4 Počet měřeí Fluke 574 (špatá emisivita) Fluke 574 (správá emisivita) Graf 12-8 ochlazeí 45

44 13 Vyhodoceí výsledků Základí rozdíl mezi dotykovým a bezdotykovým měřeím teploty je hed u přípravy přístroje a měřeí. U bezdotykového přístroje je důležité zjistit emisivitu měřeého povrchu. V mém případě model, a kterém jsem měřil, měl povrch z leštěé erez oceli, která se vyzačuje velmi malou emisivitou a měřeí by bylo epřesé. Proto jsem a povrch alepil čerou samolepku a zjistil jsem její emisivitu (ε=0,95). U dotykového měřeí teploty byl zase problém v tom, aby tepelé sody byly v těsém kotaktu s měřeou plochou po celou dobu měřeí. V prvím měřeí vyšla odchylka sody 2, která byla připojea k přístroji Testo 935, od výsledku Fluke 574 T= 0,69 C u ohříváí a T= 0,79 C u ochlazeí. Tato hodota je docela epatrá. Větší rozdíl teplot bylo mezi teplotami z Fluke 574 a sodou 1, která byla zapojea přímo v pyrometru. Odchylky vyšly takto: T= 3,25 C u ohřevu a T= 2,01 C u ochlazeí. V měřeí číslo 2, bylo zapojeí ásledující. K přístroji Testo 935 byly zapojey sody 1 a 2 a přístrojem Fluk 574 jsem měřil samostatě. Z aměřeých hodot vyšly odchylky od pyrometru epatré. T 1 = 0,78 C a T 2 = 0,44 C u ohřevu a T 1 = 0,68 C a T 2 = 0,62 C u ochlazeí. Ve třetím měřeí jsem připojil k pyrometru sodu 2 a k přístroji Testo 935 sodu 1. Odchylka sody 1 od pyrometru vyšla vcelku malá T= 0,73 C u ohřevu a T= 0,57 C u ochlazeí. Větší rozdíl odchylek byl mezi sodou 2 a přístrojem Testo 935. Odchylka při ohřevu vyšla T= 1,48 C a při ochlazováí T= 2,85 C. Z těchto tří měřeí vyplývá, že hodoty teplot změřeých pyrometrem a teplotími sodami se od sebe až tak moc eliší, ale záleží a zapojeí teplotích sod. V prvím a třetím zapojeí, když byla teplotí soda zapojea v pyrometru Fluke 574, byla odchylka mezi měřeími začě velká. Z toho plye, že používáí přídavé teplotí sody v pyrometru Fluke 574 je velmi epřesé. Pro ázoré předvedeí, jak je důležité astavit v pyrometru správou emisivitu, jsem použil měřeí číslo 4. Při porováí těchto přímek z grafu 12.7 a 12.8 je patré, že při zadáí špaté emisivity materiálu do přístroje, jsou výsledé hodoty teplot epoužitelé. 46