Teoretické základy bezdotykového měření

Transkript

1 Teoretické základy bezdotykového měření Z podkladů: Ing. Jana Dvořáka Vedoucí cvičení: Ing. Daniela Veselá Speciální technika a měření v oděvní výrobě

2 Zákony vyzařování popisují vlastnosti tepelného záření jsou to: Kirchhoffův zákon vyzařování Stefan-Boltzmannův zákon vyzařování Wienův posunovací zákon Planckův zákon vyzařování Speciální technika a měření v oděvní výrobě 2

3 Tepelné záření elektromagnetická energie, kterou vydávají zahřívaná tělesa ze svého povrchu část spektra elektromagnetického záření Speciální technika a měření v oděvní výrobě 3

4 termometrie využívá infračervené (IČ) pásmo záření IČ pásmo se dělí na čtyři skupiny: near infrared - blízké IČ (0,75-3 μm) middle infrared - střední IČ (3-6 μm) far infrared - vzdálené IČ (6-15 μm) extreme infrared - velmi vzdálené IČ ( μm) Speciální technika a měření v oděvní výrobě 4

5 Kirchhoffův zákon α v = ε v Spektrální pohltivost α v povrchu libovolné látky se rovná jeho spektrální emisivitě ε v, neboli povrchy těles, jenž dobře pohlcují záření jsou i dobrými zářiči. Speciální technika a měření v oděvní výrobě 5

6 Stefan-Boltzmannův zákon M = σt kde značí: M - intenzitu vyzařování; σ - Stefan-Boltzmannovu konstantu, σ = (5, ± 0,000 19).10-8 [W.m -2.K -4 ]; T - teplotu objektu. 4 Pro nečerné zářiče je pak vztah doplněn jeho emisivitou ε upraven: M = εσt 4 Speciální technika a měření v oděvní výrobě 6

7 Wienův zákon posuvu λ T = max b kde značí: λ max - maximální vlnovou délku; T - teplotu tělesa; b - Wienovu konstantu, b = (2, ± 0, ).10-3 [m.k]. Speciální technika a měření v oděvní výrobě 7

8 kde značí: M Planckův zákon vyzařování 0λ = 2 2πhc 5 hc λ exp kλt c1 5 c2 λ exp λt 1 M 0λ - spektrální intenzitu vyzařování [W.m -3 ]; h - Planckovu konstantu, h = (6, ± 0, ) [J.s]; k - Boltzmannovu konstantu, k = (1, ± 0, ) [J.K -1 ]; c - rychlost světla ve vakuu, c = (2, ± 0, ).10 8 [m.s -1 ]; c 1 - konstantu, c 1 = 3, [W.m 2 ]; c 2 - konstantu, c 2 = 1, [K.m]. = Speciální technika a měření v oděvní výrobě 8

9 Intenzita vyzařování podle Planckova zákona spektrální hustota intenzity vyzařování [W/cm 2 x 10 3 [μm]] vlnová délka [μm] Speciální technika a měření v oděvní výrobě 9

10 Černé těleso maximálně vyzařuje a maximálně pohlcuje záření v praxi nahrazováno dutinou s malým otvorem, jejíž vnitřní povrch je černý emisivita tohoto tělesa je 1 Speciální technika a měření v oděvní výrobě 10

11 Záření černého tělesa podle Planckova zákona intenzita vyzařování [W/cm 2 /μm] vlnová délka [μm] Speciální technika a měření v oděvní výrobě 11

12 Nečerné zářiče všechna reálná tělesa záření těchto těles má tři složky: pohltivost α odrazivost ρ propustnost τ součet všech tří složek je roven jedné bez ohledu na vlnovou délku λ: α λ + ρ + τ λ λ = 1 Speciální technika a měření v oděvní výrobě 12

13 Emisivita bezrozměrná veličina v rozsahu <0,1> vlastnost povrchu tělesa, která je závislá na jeho teplotě a vlnové délce vydávaného záření poměr intenzity vyzařování tepelného zářiče a intenzity vyzařování dokonalého zářiče,tj. černého tělesa při stejné teplotě kde značí: ε = ε - emisivitu; M - intenzitu vyzařování tepelného zářiče; M Č - intenzitu vyzařování černého tělesa. M M Č Speciální technika a měření v oděvní výrobě 13

14 Emisivita měřeného objektu Stanovení emisivity: z tabulek dle materiálového složení a jeho úpravy, experimentálně pomocí známé teploty měřeného objektu. Speciální technika a měření v oděvní výrobě 14

15 Termokamery Kamery dostupné na Katedře oděvnictví: ThermaCam TM S60, Ruční kamera Fluke Ti25. Speciální technika a měření v oděvní výrobě 15

16 Uplatnění při hodnocení textilních výrobků Alternativní metoda hodnocení fyziologického komfortu textilií např.: tepelně-izolační vlastnosti oděvu, šíření vody potu textilií. Kapka vody na textilii: Speciální technika a měření v oděvní výrobě 16

17 Další možnosti uplatnění v textilním a oděvním průmyslu Sledování zahřívání strojní šicí jehly v důsledku tření o šité dílo. Sledování změn teplot a vyhřívání ploch žehlících a podlepovacích strojů. Sledování destrukce textilních materiálů. Speciální technika a měření v oděvní výrobě 17

18 Termovizní Kamera ThermaCam S 60 Speciální technika a měření v oděvní výrobě 18

19 Spektrální rozsah termovizní kamery ThermaCAM TM S60. 2 μm 7,5 μm 13 μm 7 Elektromagnetické spektrum: 1. rentgenové záření; 2. ultrafialové záření; 3. viditelné záření; 4. infračervené záření; 5. mikrovlné záření; 6. radiové záření; 7. spektrální rozsah termovizní kamery ThermaCAM TM S60. Speciální technika a měření v oděvní výrobě 19

20 Výrobce FLIR Systems, Švédsko Kamera model 661 Rok 1969 Hmotnost celkem: cca 60 kg Speciální technika a měření v oděvní výrobě 20

21 Výrobce FLIR Systems, Švédsko Kamera model E2 Rok 2002 Hmotnost celkem: cca 0,7 kg Speciální technika a měření v oděvní výrobě 21

22 Snímek kamery na KOD Speciální technika a měření v oděvní výrobě 22

23 Horní strana kamery - tlačítka tka A,S,C A C S Speciální technika a měření v oděvní výrobě 23

24 Funkce tlačítka A Krátký stisk: - spuštění shutteru - clonky (automatické vyladění obrazu) Dlouhý stisk - automatické zaostření kamery (ostříse do obdélníku ve středu obrazovky) Speciální technika a měření v oděvní výrobě 24

25 Funkce tlačítka S Krátký stisk: - zastavení/spuštění obrazu Dlouhý stisk - uložení obrazu do předem nastavené paměti Speciální technika a měření v oděvní výrobě 25

26 Funkce tlačítka C Krátký stisk: - funkce Clear -např. zrušení atuální nabídky apod. Speciální technika a měření v oděvní výrobě 26

27 Zadní strana kamery - joystick - ON/OFF - vstup pro externí paměť ěťovou kartu - video výstup - konektor napájen jení - komunikační rozhraní FireWire (IEEE 1394) Speciální technika a měření v oděvní výrobě 27

28 Zadní strana kamery - infračerven ervené komunikační spojení IrDA - hledáček ek - kolečko pod hledáčkem, přizpůsobení optiky oku Speciální technika a měření v oděvní výrobě 28

29 Funkce joysticku stisk funkce Enter (potvrzení) zoom (max. 8x) manuální zaostření Speciální technika a měření v oděvní výrobě 29

30 Boční strana kamery - displej - konektor dálkového ovládání programovatelná tlačítka: F1, F2, +/- Speciální technika a měření v oděvní výrobě 30

31 indikátor baterie indikátor externí paměťové karty LCD displej stavu kamery stavový pruh baterie stavový pruh pam.karty indikátor externího napájení indikátor ON/OFF indikátor komunikace indikátor rychlého záznamu nepoužito Speciální technika a měření v oděvní výrobě 31

32 Dálkové ovládání Speciální technika a měření v oděvní výrobě 32

33 Dálkové ovládání - k dispozici tlačítka A,S,C i joystick Speciální technika a měření v oděvní výrobě 33

34 Přední strana kamery - laserový zaměř ěřovač - objektiv digitáln lní video kamery - IR objektiv - USB komunikační rozhraní - konektor pro sluchátka a mikrofon Speciální technika a měření v oděvní výrobě 34

35 Laserový zaměřovač kryt laseru - pomůcka pro zaměřování laser výkon: 1mW λ = 635 nm spouštěč laseru Speciální technika a měření v oděvní výrobě 35

36 Paměti v kameře vnitřní cca 50 snímků (je součástí kamery) vnější dáno kapacitou externí karty POZOR! V rámci kamery není možnost přesunu dat z vnitřní paměti do vnější a naopak. Speciální technika a měření v oděvní výrobě 36

37 Objekty na obrazovce kamery 1. Tabulka výsledků -v tomto případě zobrazuje teplotu jednoho bodu, max. teplotu jednoho pravoúhelníku, min. teplotu jednoho kruhu a teplotu jedné čáry Speciální technika a měření v oděvní výrobě 37

38 Objekty na obrazovce kamery 2. Stavový řádek - informace o externí teplotě odražené, teplotě atmosféry, vzdálenosti měřeného objektu, informaci o objektivu, datumu, času, rel. vlhkosti vše volitelné Speciální technika a měření v oděvní výrobě 38

39 Objekty na obrazovce kamery 3. Stupnice teplot Speciální technika a měření v oděvní výrobě 39

40 Objekty na obrazovce kamery 4. Systémové stavové zprávy - zastaveno aktuální obraz zastaven -ručně ruční režim nast. teplot.stupnice - restarování restart na nastavení výrobce - ukládá se jako ukládání obrázku, sequence Speciální technika a měření v oděvní výrobě 40

41 Objekty na obrazovce kamery 5. Systémové varovné zprávy - slabá baterie podkritická úroveň nabití baterie - probíhá vypínání kamera se vypne okamžitě - probíhá vypínání za 2 sekundy k vypnutí kamery dojde za 2 sekundy Speciální technika a měření v oděvní výrobě 41

42 Objekty na obrazovce kamery 6. Měřící funkce na displeji - kruh, pravoúhelník a bod - je-li na bodě zobrazena ruka, tzn. pomocí joysticku lze bod posouvat Speciální technika a měření v oděvní výrobě 42

43 Objekty na obrazovce kamery 7. Měřící funkce na displeji - čára s profilem - bod (kurzor) lze posouvat a získávat tak informaci o teplotě v konkrétním místě profilu Speciální technika a měření v oděvní výrobě 43

44 - odkaz otevřít Nabídka Soubor -otevření již existujicích termoobrazů - po stisku Enter se objeví možnost výběru obrazu z paměti Speciální technika a měření v oděvní výrobě 44

45 Nabídka Soubor - odkaz otevřít + stisk Enter Speciální technika a měření v oděvní výrobě 45

46 - odkaz uložit Nabídka Soubor - uložení atuálního termoobrazu do přednastavené paměti a adresáře - zkráceně lze dlouhým stiskem tlačítka S Speciální technika a měření v oděvní výrobě 46

47 - odkaz adresáře Nabídka Soubor - vytvoření/odstranění adresáře - nastavení defaultní cesty Speciální technika a měření v oděvní výrobě 47

48 Nabídka Soubor - odkaz odstranit obraz - vymazání obrazu z paměti Speciální technika a měření v oděvní výrobě 48

49 Nabídka Soubor - odkaz periodické ukládání - ukládání termoobrazů do kamery ve formátu *.jpg v určitém intervalu (min.10s), je-li aktivní fce Rychle, kamera ukládá max. možnou rychlostí Speciální technika a měření v oděvní výrobě 49

50 Nabídka Soubor - odkaz periodické ukládání Speciální technika a měření v oděvní výrobě 50

51 - odkaz rychlý záznam Nabídka Soubor - nahrávání sekvencí (*.seq) Speciální technika a měření v oděvní výrobě 51

52 - odkaz rychlý záznam Nabídka Soubor Speciální technika a měření v oděvní výrobě 52

53 Nabídka Soubor - odkaz zvukový komentář -přidání zvukového komentáře k obrazu Speciální technika a měření v oděvní výrobě 53

54 Nabídka Soubor - odkaz textový komentář -přidání textového komentáře k obrazu Speciální technika a měření v oděvní výrobě 54

55 - odkaz režim úprav Nabídka Rozbor - aktivován režim úprav termoobrazu Speciální technika a měření v oděvní výrobě 55

56 - odkaz přidat bod Nabídka Rozbor -přidání bodu - dlouhé Enter = místní nabídka bodu Speciální technika a měření v oděvní výrobě 56

57 Nabídka Rozbor - odkaz přidat bod + dlouhé Enter nastavení místních parametrů bodu Speciální technika a měření v oděvní výrobě 57

58 Nabídka Rozbor - odkaz přidat pravoúhelník -přidání pravoúhelníku - dlouhé Enter = místní nabídka pravoúhelníku zobrazovaná teplota u pravoúhelníku Speciální technika a měření v oděvní výrobě 58

59 Nabídka Rozbor - odkaz přidat pravoúhelník + dlouhé Enter místní nabídka pravoúhelníku Speciální technika a měření v oděvní výrobě 59

60 - odkaz přidat kruh Nabídka Rozbor -přidání kruhu - dlouhé Enter = místní nabídka kruhu Speciální technika a měření v oděvní výrobě 60

61 - odkaz přidat řádek Nabídka Rozbor -přidání řádku (profilu) - dlouhé Enter = místní nabídka řádku Speciální technika a měření v oděvní výrobě 61

62 Nabídka Rozbor - odkaz přidat izotermu -přidání izotermy - dlouhé Enter = místní nabídka izotermy Speciální technika a měření v oděvní výrobě 62

63 Nabídka Rozbor - odkaz přidat izotermu + dlouhé Enter místní nabídka izotermy Speciální technika a měření v oděvní výrobě 63

64 Nabídka Rozbor typy izoterm - nad všechny pixely s teplotou vyšší než nastavená teplota se zobrazí stejnou - předvolenou barvou izotermy - pod analogie případu nad - interval všechny pixely mezi nast. teplotami se zobrazí stejnou předvolenou barvou - duální nad všechny pixely ve dvou sousedních tep. pásmech budou zobrazeny dvěma předvolenými barvami izoterm - duální pod analogie případu duální nad Speciální technika a měření v oděvní výrobě 64

65 - odkaz přidat rozdíl Nabídka Rozbor -přidání výpočtu rozdílu, který se zobrazí ve výsledkové tabulce Speciální technika a měření v oděvní výrobě 65

66 Nabídka Rozbor - odkaz referenční teplota - nastavení referenční teploty - kamera ji používá pro výpočet teplotních rozdílů Speciální technika a měření v oděvní výrobě 66

67 - odkaz odebrat vše Nabídka Rozbor - odebrání měřících funkcí Speciální technika a měření v oděvní výrobě 67

68 Nabídka Rozbor - odkaz parametry objektu - nastavení parametru objektu - jsou používány všude tam, kde nejsou parametry nastaveny místně Speciální technika a měření v oděvní výrobě 68

69 Nabídka Rozbor - odkaz zrušit místní parametry - zrušení všech místně nastavených parametrů Speciální technika a měření v oděvní výrobě 69

70 - odkaz vizuální/ir Nabídka Obraz -přepínání mezi obrazem vizuálním (z digitální video kamery) a termoobrazem Speciální technika a měření v oděvní výrobě 70

71 Nabídka Obraz - odkaz zastavení obrazu/živý obraz - zastavení obrazu na displeji - vhodné provést např. před uložením Speciální technika a měření v oděvní výrobě 71

72 - odkaz rozsah Nabídka Obraz - nastavení měřícího rozsahu kamery Speciální technika a měření v oděvní výrobě 72

73 Nabídka Obraz - odkaz ruční nastavení/průběžné nastavování -přepínání mezi ručním a průběžným nastavováním úrovně a rozpětí teplot - je-li vybráno ruční nastavení, aktivuje se nabídka úroveň/rozpětí Speciální technika a měření v oděvní výrobě 73

74 - odkaz úroveň/rozpětí Nabídka Obraz -ruční nastavování úrovně a rozpětí teplot Speciální technika a měření v oděvní výrobě 74

75 - odkaz paleta Nabídka Obraz - výběr z několika barevných teplotních palet Speciální technika a měření v oděvní výrobě 75

76 - odkaz skrýt grafiku Nabídka Obraz - skrytí veškerých měřících a informačních funkcí na displeji Speciální technika a měření v oděvní výrobě 76

77 - odkaz obraz Nabídka Nastavení Speciální technika a měření v oděvní výrobě 77

78 - odkaz obraz Nabídka Nastavení - nastavení oblasti, která se použije při automatickém seřízení kamery Speciální technika a měření v oděvní výrobě 78

79 - odkaz napájení Nabídka Nastavení Speciální technika a měření v oděvní výrobě 79

80 - odkaz stavový řádek Nabídka Nastavení Speciální technika a měření v oděvní výrobě 80

81 - odkaz tlačítka Nabídka Nastavení - definování programovatelných tlačítek Speciální technika a měření v oděvní výrobě 81

82 - odkaz rozdíl Nabídka Nastavení -příkaz, který počítá rozdíl mezi dvěma měřícími funkcemi nebo měřící funkcí a referenční teplotou Speciální technika a měření v oděvní výrobě 82

83 - odkaz uložit Nabídka Nastavení - nastavení parametrů při ukládání, je možné při ukládání např. vyzvat ke vložení zvukového nebo textového komentáře Speciální technika a měření v oděvní výrobě 83

84 Nabídka Nastavení - odkaz místní nastavení Speciální technika a měření v oděvní výrobě 84

85 Nabídka Nastavení - odkaz nastavení výrobce - dojde k restartu kamery s parametry nastavenými výrobcem Speciální technika a měření v oděvní výrobě 85

86 Typy ukládaných souborů -IR termoobrazy -DC snímky digitální videokamery - SEQ sekvence Kamera disponuje vlastní tabulkou emisivit, z níž je možné vhodnou emisivitu vybrat. Speciální technika a měření v oděvní výrobě 86

87 Technické specifikace - zobrazovací f Hz - typ detektoru FPA (focal plane array), mozaikový nechlazený mikrobolometr - spektr.rozsah detek μm - rozlišení detektoru 320 x 240 pixelů - teplotní rozsahy -40 C +120 C 0 C +500 C +350 C C -přesnost ± 2 C nebo ± 2% z tepl.v C Speciální technika a měření v oděvní výrobě 87

88 Technické specifikace - laser polovodičový diodový AlGaInP, 1 mw, 635 nm - typ baterie nabíjecí Li/Ion, - provozní doba bat. 1,5-2 hod. - napájení kamery AC napáječ, V AC, Hz, výstup 12 V DC - provoz kamery -15 C +50 C; RH 10-95% - skladování kamery -40 C +70 C; RH 10-95% Speciální technika a měření v oděvní výrobě 88

89 Ukázka termoobrazu a DC obrazu z kamery Speciální technika a měření v oděvní výrobě 89

90 V této t to prezentaci byly použity materiály: Ing. Jan Dvořák - prezentace o termovizních kamerách FLIR Systems. [online]. [ ]. < "TMV SS" spol.. s r.o.. [online]. [ ]. < Fluke Corporation [online]. [ ]. < us.fluke.com/usen/home/default.htm>. Speciální technika a měření v oděvní výrobě 90