BEZDOTYKOVÉ MĚŘENÍ TEPLOTY

Transkript

1 bezdotykového měření teploty Tento dokument je k disposici na internetu na adrese: ÚSTAV FYZIKY A MĚŘICÍ TECHNIKY VŠCHT PRAHA BEZDOTYKOVÉ MĚŘENÍ TEPLOTY Pohled do laboratoře VŠCHT Praha prosinec 2009 BMT-priprava_lab_v4.doc K. Kadlec

2 Obsah Místo úvodu...3 BEZDOTYKOVÉ MĚŘENÍ TEPLOTY Teoretické základy bezdotykového měření teploty Přístroje pro bezdotykové měření teploty Pyrometry Termokamery, termografie Aplikační možnosti bezdotykových teploměrů Vlivy působící při měření bezdotykovými teploměry Kalibrace bezdotykových teploměrů...21 Na závěr...21 Literatura...22 Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 2

3 Místo úvodu Občas se setkávám s názorem studentů, že na přípravu do laboratoře nemají dostatek času, nemají rádi čtení dlouhých textů a přivítali by jen jednu stránku základních poznatků, které se musí do laboratoře naučit, aby dobře zvládli zkoušení před započetím laboratoří. Předložený učební text pro laboratorní práce z oblasti bezdotykového měření teploty má stránek poměrně hodně (téměř 20 str.) a zahrnuje jak základní teoretické poznatky, tak popis a vlastnosti moderní přístrojové techniky pro bezdotykové měření teploty. Pro studenty, kteří požadují jen stručný souhrn toho, co by měli znát pro úspěšné absolvování laboratorní práce tedy uvádím otázky: Které záření z oblasti spektra lze využít pro bezdotykové měření teploty? Co vyjadřuje Planckův vyzařovací zákon (není nutno znát přesně jeho explicitní vyjádření), jaké jsou jeho důsledky? Co vyjadřuje Wienův posunovací zákon? Co vyjadřuje zákon Stefan-Boltzmannův (bylo by dobré znát i jeho přesné vyjádření)? Co je černé těleso a jaké má vlastnosti? Co je emisivita, jakou může mít hodnotu? Co je šedé těleso a spektrální zářič? Co je pohltivost, odrazivost a propustnost? Jaké mohou nabývat hodnoty a jaký vztah mezi nimi platí? A jaké vztahy platí s ohledem na emisivitu? V čem spočívá princip bezdotykového měření teploty? Jaký je princip funkce IČ-teploměru a jaké má základní vlastnosti? Jaký je princip funkce termokamery a jaké má základní vlastnosti? Jak se provádí kalibrace bezdotykových teploměrů? Jaké jsou přednosti a nedostatky bezdotykového měření teploty? Jaké jsou aplikační možnosti bezdotykových teploměrů? Jestliže na tyto otázky bez problémů odpovíte, pak nemusíte číst následující stránky, zkoušení v laboratoři jistě dobře zvládnete a při laboratorní práci budete vědět, o co se jedná. Ke každé laboratorní práci je k disposici podrobný návod, který nemusíte podrobně studovat předem. Návod Vám poskytne potřebné informace k provedení práce v laboratoři a ke zpracování protokolu. Tyto návody jsou rovněž umístěny na internetu a v laboratoři budete mít k disposici i vytištěný exemplář. V laboratoři budete mít k disposici i manuály k jednotlivým přístrojům a programům, které budete využívat. Těšíme se na efektivní spolupráci s Vámi v naší nové laboratoři bezdotykového měření teploty, která vznikla s podporou projektu FRVŠ v roce 2009 a je vybavena velmi moderní přístrojovou technikou od ručních přenosných IČ-teploměrů až po termovizní kamery a dále kalibračními černými tělesy, které pokrývají rozsah teplot od -10 ºC až do 1200 ºC. Porovnáním s ukázkami starších přístrojů si budete moci udělat obrázek o technickém pokroku v této oblasti. Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 3

4 Bezdotykové teploměry používané v laboratoři v minulých letech 1 jasový optický pyrometr METRA, 2 stabilní pyrometr, 3 ruční IČ-teploměr OMEGA Moderní bezdotykové teploměry a termokamery 1 termokamera OPTRIS-PI, 2 stabilní IČ-teploměr OPTRIS-CT-Laser, 3 ruční IČ-teploměr Proscan-530, 4 ruční teploměr s digitálním fotoaparátem FLUKE-576, 5 kompaktní termokamera FLIR T400 Kalibrační černá tělesa 1 OMEGA BB702 (ε =0,96, rozsah 20 až 215 ºC), 2 HYPERION-R (ε = 0,995, rozsah -10 až 80 ºC), 3 GEMINI-R (ε = 0,995, rozsah 50 až 550 ºC), 4 PEGASUS-R (ε = 0,995, rozsah 150 až 1200 ºC) Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 4

5 BEZDOTYKOVÉ MĚŘENÍ TEPLOTY V oblasti bezdotykového měření teploty se v poslední době dosáhl značný pokrok, a to zejména díky pokroku v elektronice a optice. Přístroje pro bezdotykové měření teploty (pyrometry) nacházely původně uplatnění v takových provozech a aplikacích, kde bylo třeba měřit vysoké teploty (obvykle nad 500 C) a nebylo možno použít dotykový teploměr. Jednalo se zejména o aplikace v metalurgii, chemickém a zejména silikátovém průmyslu (sklářství, cementárny, vápenky, keramický průmysl). V průběhu posledních let se aplikace bezdotykových teploměrů posunula k výrazně nižším teplotám, včetně měření teplot nižších než 0 ºC. Nyní se s bezdotykovými teploměry setkáváme v potravinářství, elektronice, průmyslu papírenském, farmaceutickém, textilním, gumárenském, při zpracování plastických hmot apod. Přenosné bezdotykové teploměry nacházejí široké uplatnění při detekci tepelných ztrát a poruch, při kontrole potrubních systémů, nádrží apod. K měření rozložení teploty na povrchu objektů a k diagnostickým účelům se stále častěji využívají termokamery (termovizní kamery), které patří k nejmodernější termodiagnostické technice. Pro správné pochopení hlavních zásad bezdotykového měření teploty, funkce bezdotykových teploměrů a termokamer a jejich aplikačních možností, je důležité uvést základní teoretické poznatky z této oblasti. 1 Teoretické základy bezdotykového měření teploty Při bezdotykovém měření teploty se využívá zejména vyzařování infračerveného záření z měřeného objektu. Toto záření je optickým systémem soustředěno na vhodný detektor, jehož elektrický signál je dále zpracován v elektronických obvodech a výstupem je pak údaj na displeji nebo termogram na monitoru vyhodnocovacího zařízení (obr. 1). Obr.1 Bezdotykové měření teploty Všechny objekty, jejichž teplota je vyšší než absolutní nula vyzařují elektromagnetické záření v určité části spektra. Na obr. 2 je uvedeno rozdělení spektra elektromagnetického záření s vyznačením oblasti využívané pro bezdotykové měření teploty. Pro bezdotykové měření teploty se využívá elektromagnetické záření o vlnových délkách 0,4 až 25 μm. Toto záření spadá částečně do viditelné oblasti, z větší části pak do infračervené oblasti spektra, které odpovídá vlnovým délkám v rozmezí od 0,78 μm do μm. Záření využívané pro bezdotykové měření teploty pokrývá tedy oblast viditelného spektra od 0,4 μm do 0,78 μm, dále pak oblast blízkého infračerveného spektra od 0,78 μm do 1 μm, oblast krátkovlnného infračerveného spektra od 1 μm do 3 μm, oblast středovlnného infračerveného spektra od 3 μm do 5 μm a konečně oblast dlouhovlnného infračerveného spektra od 5 μm do 25 μm. Elektromagnetické záření s vlnovou délkou od 2 μm do 25 μm se někdy označuje jako tepelné záření. Uvedené rozsahy vlnových délek pokrývají měření teplot v rozmezí od -40 C do C [1, 2]. Pro detekci infračerveného záření o vlnových délkách nad 25 μm nejsou v současné době k dispozici vhodné detektory. Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 5

6 Obr. 2 Záření využívané pro bezdotykové měření teploty Část tepelné energie látek se neustále přeměňuje v energii, kterou tyto látky vysílají ve formě elektromagnetického záření. Při rovnováze mezi energií přijímanou a vysílanou může být stav zářiče charakterizován určitou teplotou. Idealizovaný objekt, který se používá při teoretickém popisu dějů probíhajících při vyzařování, je černé těleso. Je to teoretický objekt, který při dané teplotě vyzáří nejvyšší možné množství energie, a který naopak pohltí veškerou energii, která na něj dopadá. Veličiny, které se týkají černého tělesa jsou v dalším textu označeny indexem 0. Vysílané tepelné záření je složeno z různých vlnových délek. Intenzita vyzařování M (W m -2 ) je dána vztahem d Φ M = ds (1) kde je Φ zářivý tok (W), S plocha povrchu zdroje záření (m 2 ). Intenzita vyzařování má integrální charakter a skládá se z příspěvků při jednotlivých vlnových délkách podle vztahu M = 0 Mλ dλ kde je M λ spektrální hustota intenzity vyzařování (W m -3 ), λ vlnová délka (m). Závislost spektrální hustoty intenzity vyzařování na vlnové délce a na teplotě pro černé těleso je dána Planckovým vyzařovacím zákonem: 2 2 π hc c1 M0λ = = 5 hc 5 c2 λ exp 1 λ exp 1 (3) k λt λt (2) Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 6

7 kde je h Planckova konstanta, k Boltzmannova konstanta, c rychlost světla ve vakuu. Konstanta c 1 = 3, (W m 2 ), c 2 = 1, (K m). Závislost spektrální hustoty intenzity vyzařování na vlnové délce pro různé teploty černého tělesa je graficky znázorněna na obr. 3. Obr. 3 Vyzařování černého tělesa podle Planckova zákona [3] Maximum spektrální hustoty intenzity vyzařování se posouvá se vzrůstající teplotou ke kratším vlnovým délkám podle Wienova zákona posuvu: 2898 λ max = (4) T kde λ max (μm) je vlnová délka odpovídající maximu závislosti M 0λ = f (λ). Integrací vztahu podle Planckova zákona přes všechny vlnové délky dostaneme Stefan- Boltzmannův zákon, podle kterého je celková intenzita vyzařování černého tělesa úměrná čtvrté mocnině termodynamické teploty 4 M0 = σ T (5) kde σ = 5, W m -2 K -4. Celková intenzita vyzařování M o je graficky vyjádřena plochou pod křivkou vytvořenou podle Planckova zákona pro danou teplotu (obr. 3). Skutečné těleso vyzařuje (i pohlcuje) méně než černé těleso. Jeho spektrální hustota intenzity vyzařování M λ je dána vztahem Mλ = ε λ M 0 λ (6) kde ε λ (1) je emisivita pro vlnovou délku λ, ε λ < 1. Emisivita je definována jako poměr energie vyzařované objektem při dané teplotě k energii ideálního černého tělesa při stejné teplotě. Emisivita může nabývat hodnot 0 až 1; emisivita Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 7

8 černého tělesa je rovna 1,0. Emisivita je velmi důležitým faktorem IČ-termometrie a její vliv je nutno vždy respektovat. Spektrální emisivita závisí na materiálu, úpravě povrchu, oxidaci povrchu a obecně platí ελ = f ( λ, T) (7) Látky, které mají pro různou vlnovou délku různou emisivitu ε λ, vykazují také různě velké odchylky od záření černého tělesa; jsou to tzv. selektivní (spektrální) zářiče. Existují však tělesa, jejichž emisivitu můžeme považovat za konstantní v dosti značném rozsahu vlnových délek. Takové spektrální zářiče označujeme jako šedá tělesa s emisivitou ε λ = ε < 1 (obr. 4). Obr. 4 Vyzařování a emisivita tří druhů zářičů [4] Pro vyzařování šedého tělesa pak platí Stefan-Boltzmanův zákon ve tvaru 4 M = ε σ T (8) kde ε (1) je emisivita šedého tělesa ε < 1. Znamená to tedy, že při stejných teplotách šedého a černého tělesa je výsledná energie vyzařovaná šedým zářičem, v porovnání s vyzařovanou energií černého tělesa, menší úměrně k hodnotě emisivity šedého tělesa. Je-li objekt ve stavu tepelné rovnováhy, nedochází k žádnému ohřívání ani ochlazování. Energie, která se vyzařuje, musí být rovna energii pohlcované, takže emisivita ε se rovná pohltivosti α. Podle Kirchhoffova zákona platí: ελ ( λ, T) = αλ ( λ, T) (9) Černé těleso maximálně vyzařuje i maximálně pohlcuje záření. Je-li teplota tělesa větší než teplota okolí, převažuje vyzařování energie nad jejím pohlcováním a obráceně. Intenzita vyzařování černého tělesa M o závisí jen na jeho termodynamické teplotě T. Ve vztahu k pohltivosti α resp. α λ je i odrazivost ρ, ρ λ, jako míra schopnosti odrážet záření, a dále propustnost τ, τ λ, jako míra schopnosti propustit záření. Pohltivost (absorbance) α je dána poměrem pohlceného a dopadajícího toku záření. Odrazivost (reflektance) ρ je dána poměrem odraženého a dopadajícího toku záření. Propustnost (transmitance) τ je dána poměrem prostupujícího a dopadajícího toku záření. Součet všech tří faktorů je vždy roven jedné: α + ρ + τ = 1,0 (10) Pro nepropustné materiály je propustnost τ = 0, a pak platí: α + ρ = 1,0 (11) Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 8

9 Analogické vztahy dostaneme i pro emisivitu, protože podle Kirchoffova zákona se emisivita rovná pohltivosti. Pro nepropustné materiály dostaneme vztah: ε + ρ = 1,0 (12) U vysoce lesklých materiálů se emisivita blíží k nule, takže pro dokonale vyleštěný materiál, tzv. dokonalé zrcadlo s vysokou odrazivostí platí, že odrazivost ρ = 1. Při měření bezdotykovými teploměry je důležitá znalost propustnosti používaných optických materiálů (obr. 5) a propustnost atmosféry mezi objektem a teploměrem (obr. 6). Obr. 5 Propustnost optických materiálů v závislosti na vlnové délce [7] Obr. 6 Propustnost atmosféry v závislosti na vlnové délce [8] Hodnoty emisivity ε pro vybrané povrchy jsou uvedeny v tab. 1. Pro reálná tělesa je hodnota emisivity vždy menší než 1. Při aplikaci bezdotykových teploměrů pro měření teploty povrchu těles je znalost hodnoty emisivity nezbytná. Podrobné tabulky emisivity pro různé materiály jsou k disposici v literatuře [2, 4, 9]. Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 9

10 Tab. 1 Emisivita ε pro vybrané povrchy Charakteristika povrchu Emisivita Černé těleso 1,00 Černý matový lak 0,99 Voda 0,95 Cihly 0,85 Zoxidovaný ocelový plech 0,75 Zoxidovaný hliník 0,55 Lesklý ocelový plech 0,25 2 Přístroje pro bezdotykové měření teploty Přístroje založené na měření teplotního záření umožňují měření v širokém rozsahu teplot od -40 o C až do o C. Obecné schéma uspořádání bezdotykového teploměru je na obr. 7. povrch měřeného objektu optický systém detektor záření ε emisivitu zadává uživatel elektronické obvody výstupní signál Bezdotykový teploměr se označuje jako pyrometr. Toto označení pochází z doby, kdy se bezdotykové teploměry používaly pro měření vysokých teplot (Pyros z řečtiny oheň). Existuje mnoho různých typů pyrometrů, v dalším textu uvedeme jen krátký přehled nejdůležitějších typů a podrobněji se budeme věnovat těm, se kterými se posluchači setkají v laboratoři. Jsou to jednak IČ-teploměry, využívané pro měření teploty na omezené ploše povrchu objektu a jednak termokamery, které slouží pro měření a vyhodnocování teplotních polí na povrchu měřeného objektu. 2.1 Pyrometry Podle oblasti spektra, která se využívá k měření, můžeme pyrometry rozdělit na: úhrnné (širokopásmové), pásmové (úzkopásmové), Obr. 7 Blokové schéma bezdotykového teploměru poměrové. Úhrnné pyrometry (širokopásmové) pracují s vlnovými délkami od (0,4 až 2,5) μm až do 20 μm. Horní a dolní mez širokopásmového přístroje závisí na použitém optickém systému. Konstrukčně jsou tyto přístroje nejjednodušší a nejlevnější. Schéma uspořádání teploměru odpovídá obr. 7. Teplota se vyhodnocuje podle vztahu (8), který vyjadřuje Stefan-Boltzmannův zákon pro šedé těleso. Tepelné záření, vysílané měřeným objektem, se soustřeďuje optickým systémem na detektor IČ-záření. Optický systém bývá sestaven z čoček nebo zrcadel. Detektorem bývá nejčastěji baterie termočlánků (až 30 měřicích Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 10

11 spojů na ploše 4 mm 2 ), dále bolometr (fóliový odporový teploměr), termistor nebo pyroelektrický senzor. Povrch čidla bývá začerněn. Přijímač záření i optika musí být pokud možno nezávislá na vlnové délce. Tato podmínka je splněna jak pro termočlánek, tak i pro bolometr (viz obr. 8). Volba optiky se řídí měřicím rozsahem, který bývá standardně (600 až 2 000) ºC a (0 až 1 000) ºC. V rozmezí nižších teplot je výhodnější jen zrcadlová optika s kovovým povrchem zrcadel. Vstupní okénko takového teploměru bývá chráněno před prachem tenkou fólií z umělé hmoty, která propouští infračervené záření. Pásmové (úzkopásmové) pyrometry pracují v relativně úzkém rozmezí vlnových délek, přičemž volba tohoto rozmezí souvisí s požadovaným účelem měření. K detekci IČ-záření se využívají kvantové senzory záření [10]. Mezi takové senzory patří fotonky, fotočlánky, fotodiody, fototranzistory a fotoodpory. Jejich výhodou je velmi rychlá reakce na změny teploty a možnost měření teploty i malých objektů. Spektrální citlivost je závislá na typu senzoru; např. selenové fotočlánky jsou citlivé v oblasti viditelného záření, křemíkové fotočlánky jsou citlivé v rozsahu 0,4 μm až 1,2 μm, fotoodpory PbS mezi 0,7 μm až 3,0 μm, senzory s InSb v rozmezí 1,6 μm až 7,3 μm apod. (obr. 8). V současné době se jako senzory využívají často i mikrobolometry. Pásmo vlnových délek, se kterými pracuje teploměr, je dáno spektrální citlivostí kvantového senzoru záření, spektrální propustností optiky, optického filtru a spektrální propustností atmosféry. Šíře pásma vlnových délek bývá od desítek nm do jednotek μm. Obr. 8 Relativní citlivost IČ-senzorů [2] V poslední době bylo vyvinuto mnoho různých úzkopásmových přístrojů pro specifické aplikace. Měřicí rozsahy jsou značně proměnné a jako příklad lze uvést (-40 až +600) ºC, (0 až 1 000) ºC, (600 až 3 000) ºC, aj. Úzkopásmové teploměry, využívající krátké vlnové délky se používají k měření vysokých teplot nad 500 ºC, protože při těchto teplotách se zvyšuje množství energie záření na krátkých vlnových délkách. Přístroje pracující s dlouhými vlnovými délkami se používají pro měření nízkých teplot již od -40 ºC. Využívá-li pásmový pyrometr k měření jen oblast vlnových délek IČ-záření, pak se dnes většinou označuje jako IČ-teploměr. Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 11

12 Obecné schéma IČ-teploměru odpovídá rovněž schématu na obr. 7. Energie vyzařovaná měřeným objektem prochází optickým systémem pyrometru a dopadá na detektor, který má požadovanou spektrální charakteristiku. Optický systém mívá pevnou ohniskovou vzdálenost (fixfokus). Volbou ohniskové vzdálenosti objektivu se určuje velikost snímané (měřené) plochy, kterou detektor na měřeném objektu vidí, a tím se definuje zorné pole přístroje. Zorný úhel má být takový, aby obraz měřeného objektu vyplnil celé zorné pole přístroje. Jestliže měřený objekt zorné pole přístroje nevyplňuje, je naměřená teplota průměrem teploty objektu a jeho pozadí. Pro zajištění správné teploty povrchu určitého objektu doporučují výrobci přístrojů, aby měřený objekt přesahoval plochu zorného pole nejméně o 50 %. Většina pásmových pyrometrů umožňuje zaměřit přístroj na žádanou oblast měřeného objektu pomocí hledáčku (podobně jako u fotoaparátu) anebo v současné době častěji pomocí laserového zaměřovače, který na měřeném objektu vizuálně vyznačí snímanou plochu (obr. 9). Obr. 9 Způsoby zaměření objektu u přenosných IČ-teploměrů [7] Ke zpracování signálu se u současně vyráběných přístrojů využívá moderních elektronických obvodů řízených mikroprocesorem. Schéma elektronické části pásmového IČ-teploměru je na obr. 10. Kvantový senzor převádí tepelné záření na elektrické napětí, proud nebo odpor. Spektrální citlivost senzoru ve spojení s optikou určí spektrální charakteristiku pyrometru. Výstupní signál je zpracováván v elektronických obvodech. Signál se v A/D převodníku digitalizuje, zpracuje se mikroprocesorem, který podle vloženého programu zajišťuje kromě kvantový senzor paměť zadání emisivity klávesnice A/D procesorová jednotka displej indikace konce měření časové řízení Obr. 10 Blokové schéma elektroniky IČ-teploměru řízení procesu měření i potřebné matematické zpracování měřených dat, linearizaci, různé korekce, kompenzaci vnějších vlivů, převody fyzikálních jednotek, ukládání dat do paměti a znázornění výstupu na displeji. Většina přístrojů má displej, na kterém je možné číst naměřené hodnoty v požadovaných jednotkách, zobrazit maximální a minimální teplotu v jistém časovém Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 12

13 intervalu, vypočtenou průměrnou teplotu, rozdíl teplot, nastavenou emisivitu a případně další údaje. Velikost emisivity zadává operátor prostřednictvím obslužné klávesnice. Úzkopásmové přístroje (na rozdíl od přístrojů širokopásmových s tepelnými snímači) se vyznačují nízkou časovou konstantou (řádově 10-2 s) a vzhledem k vysoké citlivosti mohou být použity i pro měření teploty těles malých rozměrů (průměr snímané plochy menší než 1 mm). Všechny IČ-teploměry pracují s malými chybami pouze v případech, kdy emisivita ε 1. Tuto podmínku splňují dobře uzavřené prostory, objekty bez lesku apod. Při měření se často používá uzavřených keramických trubic, které jsou vloženy uzavřeným koncem do měřeného prostředí (např. pece). Na dno trubky se pak zaměří bezdotykový teploměr. Aby IČ-teploměr měřil teplotu zářiče správně, musí být zaručeno, že na přijímač záření dopadají jen tepelné paprsky zářiče. Zdrojem častých chyb je rušivě působící tepelné záření okolních těles; např. teplotu tělesa ozářeného sluncem nelze správně měřit. Měření je nezávislé na vzdálenosti přístroje od měřeného tělesa, pokud obraz tělesa kryje obrys přijímače záření. Kontrola se provádí např. podle indikace laserového zaměřovače nebo podle příslušné tabulky či grafu vyjadřujícího vlastnosti optického systému teploměru. IČ-teploměry jsou kalibrovány pro měření teploty černého tělesa. Měřený objekt se jen málokdy přibližuje svými vlastnostmi černému tělesu, a proto je údaj bezdotykového teploměru všeobecně nižší než skutečná teplota. Pokud se při měření objektu nevezme v úvahu jeho emisivitu, bude přístroj ukazovat teplotu nižší, než je skutečná teplota měřeného objektu. Důležitým úkolem, který souvisí s měřením teploty bezdotykovým teploměrem, je určení emisivity měřené plochy a zadání hodnoty tohoto korekčního faktoru. I přes korekci emisivity může docházet u bezdotykových teploměrů k dalším chybám, způsobeným absorpcí tepelného záření v prostředí mezi měřeným objektem a IČ-teploměrem. Obsahuje-li atmosféra mezi objektem a teploměrem složky absorbující IČ-záření (např. CO 2, vodní pára, případně další plyny a páry), tak dochází k ovlivnění výstupního údaje. U pásmových pyrometrů lze při vhodné volbě senzoru měřit tak, aby se absorpce záření těmito plyny rušivě neuplatňovala. Sklo, dým, prachové částice absorbují rovněž tepelné záření a naměřený údaj bude potom nižší. Pásmové IČ-teploměry se vyrábějí v různém provedení, a to jak přenosné tak i stabilní přístroje. Ručních bezdotykových teploměrů je na trhu k disposici velké množství, od jednoduchých s pevně nastavenou emisivitou, až po inteligentní teploměry s integrovaným digitálním fotoaparátem. Ukázky provedení stabilního přístroje a přenosných IČteploměrů jsou uvedeny na obr. 12. Poměrové pyrometry měří energii vyzařovanou objektem na dvou úzkých pásmech vlnových délek a vypočítávají poměr těchto energií, který je funkcí teploty objektu, jak je vidět z obr. 11 [2]. Původně se tyto přístroje označovaly jako dvoubarvové pyrometry, protože uvedené dvě vlnové délky odpovídaly dvěma různým barvám ve viditelném spektru (např. červená a zelená). Vzhledem k tomu, že se vyhodnocuje poměr vyzařovaných energií, eliminuje se do značné míry vliv Obr. 11 Poměr intenzit vyzařování jako funkce teploty emisivity, eliminuje se rovněž vliv Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 13

14 absorpce v atmosféře a měřicí terč nemusí vyplňovat celé zorné pole. Jedná se však o poměrně složité přístroje, které se využívají jen pro speciální účely. senzor vyhodnocovací jednotka nastavení emisivity MINOLTA OMEGA OMEGA Obr. 12 Příklady provedení bezdotykových IČ-teploměrů [11, 12, 13, 14] Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 14

15 2.2 Termokamery, termografie V roce 1965 představila švédská firma AGA Infrared Systems první průmyslově použitelný termografický systém AGA Thermovision 665, kdy se jednalo o začátek využívání termografické techniky mimo vojenské aplikace [15]. Infračervená termografie je obor, který se zabývá analýzou rozložení teplotního pole na povrchu tělesa, když data o teplotě byla získána bezkontaktním měřením. Termografickým měřicím systémem lze zobrazit teplotní pole na povrchu měřeného objektu. Obor termografie se v širším měřítku rozvinul společně s rozšířením termokamer (infračervených kamer), pro které se obecně vžil i termín termovizní kamera, resp. termovize. Tento termín vznikl z názvu prvního výrobce infračervených kamer, firmy Thermovision. Dnes je původní švédská firma AGA součástí firmy FLIR Systems, která vznikla spojením tří dříve konkurenčních firem Agema, Inframetrics a FSI a patří k největším výrobcům termovizní techniky. Díky vývoji nových mikroelektronických prvků a komponent se termografická technika velmi rychle rozvíjela. V současnosti je termografická technika nabízena různými výrobci a je využívána v mnoha oborech lidské činnosti, počínaje technickými obory, přes lékařství, až po vojenství. Využívá se při řešení úloh spojených s výzkumem a vývojem, pro prediktivní diagnostiku (zejména v energetice a ve stavebnictví), pro sledování a řízení technologických procesů apod. Princip činnosti termografického systému Obraz rozložení teploty na povrchu objektu se získá měřením vyzařované infračervené energie. Původní termovizní systémy pracovaly s rozkladem obrazu, současné termokamery pracují většinou bez rozkladu obrazu a využívají tzv. maticové (mozaikové) detektory. Maticový detektor, který je základním prvkem termokamery, je tvořen maticí infračervených senzorů. Jako senzory se nejčastěji používají: tepelné senzory (mikrobolometry), u nichž IČ-záření vyvolá změnu teploty, která se poté vyhodnocuje jako změna odporu. Tepelné senzory nevyžadují chlazení. kvantové fotonové senzory (fotodiody a fotoodpory), u nichž dochází po dopadu IČ-záření ke změně elektrické vodivosti. Takové detektory se většinou provozují chlazené a k tomu se využívá Peltierův nebo Strilingův chladič (miniaturní heliový kompresorový agregát). Na obr. 13 je znázorněn mikrobolometrický senzor, vytvořený jako odporový meandr na bázi oxidů kovů (např. TiO 2 ). Uspořádání mikrobolometrických senzorů do plochy matice je patrné z obr 14 [1]. Matice kvalitních detektorů obsahují elementů a detektory nejvyšší kvality dnes již čtvrté generace pracují s rozlišením až obrazových bodů. Rozměr celé matice detektoru je např mm. Obr. 13 Mikrobolometr Obr. 14 Matice mikrobolometrů (FPA Focal Plane Array) Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 15

16 Uspořádání termokamery FLIR s mikrobolometrickým detektorem je znázorněno na obr. 15. Jedná se nechlazený detektor, který je uložen v teplotně stabilizovaném pouzdře. Termokamera je vybavena germaniovou optikou. Pro měření vysokých teplot je do optické dráhy zařazován filtr. Clonka se vkládá do optické cesty při automatické periodické kalibraci detektoru. Firma FLIR vyrábí termografické systémy ve dvou základních řadách s označením: SW (Short Wave) se spektrální citlivostí 3,5 až 5 μm, LW (Long Wave) se spektrální citlivostí 7,5 až 13 μm, popř. 8 až 9 μm. Obr. 15 Schéma termokamery FLIR s nechlazeným mozaikovým detektorem [5] Krátkovlnné systémy se uplatňují zejména při měření vysokých teplot. V kamerách řady SW se používají chlazené platinokřemíkové (PtSi) detektory FPA s rozlišením obrazových bodů, v kamerách řady LW nechlazené mikrobolometrické detektory FPA s rozlišením nebo obrazových bodů. Teplotní citlivost systémů řady SW při teplotě 30 C je menší než 0,07 C a měřicí rozsah je 10 až C. Ve většině aplikací, při kterých se zjišťuje rozložení teploty na povrchu objektů, se používají kamery s dlouhovlnnými systémy, využívající převážně nechlazený maticový detektor mikrobolometr. Teplotní citlivost některých systémů řady LW s nechlazenými detektory ( obrazových bodů) je menší než 0,08 C při měřicím rozsahu 40 až C. Při termografickém měření snímá termokamera (ale i IČ-teploměr) záření nejen samotného objektu, ale také odražené záření z okolí na jeho povrch. Obě záření jsou do jisté míry zeslabována atmosférou mezi termokamerou a měřeným objektem. Kromě toho je třeba vzít v úvahu i záření atmosféry. Tato situace je schematicky znázorněna na obr. 16. Obr. 16 Situace při termografickém měření [4] (1 okolí, 2 objekt, 3 atmosféra, 4 termokamera) ε - emisivita objektu, τ -propustnost atmosféry, M intenzita vyzařování, T - teplota ob. objekt, atm atmosféra, refl - odraz Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 16

17 Tři složky záření přijaté termokamerou tedy jsou: Vyzařování z objektu: ετm obj (teplota objektu je T obj ) Odražené záření z okolních zdrojů: (1-ε)τM refl, kde (1-ε) vyjadřuje odrazivost objektu (Předpokládáme, že okolní zdroje mají stejnou teplotu T refl ) Emise z atmosféry: (1-τ)M atm, kde (1-τ) vyjadřuje vyzařování z atmosféry, jejíž teplota je T atm Odražená zdánlivá teplota T refl je zdánlivá teplota jiných objektů, která se odráží od povrchu měřeného objektu do termografické kamery. Pro správné vyhodnocení teploty vyžaduje tedy termovizní systém nastavení určitých parametrů, a proto každý měřicí (radiometrický) termovizní systém musí být vybaven možností korekce těchto parametrů. Provedení termokamery FLIR T400 je patrné z obr. 17. Podrobnější popis termokamery a stručný návod k obsluze bude součástí návodu k provedení laboratorní práce. Obr. 17 Termokamera FLIR T400 [15] Informace o zobrazovaném objektu a prostředí, kterým je objekt obklopen (tj. pozadí a okolní atmosféra) je termovizním systémem zobrazena jako tepelný obraz (termovizní snímek) ve formě termogramu. Termogram je možno pozorovat buď přímo na monitoru termokamery nebo po přenosu do PC na monitoru počítače. Vzhledem k tomu, že infračervené záření je pro lidské oko neviditelné, tak se termovizní snímky vizualizují za použití okem viditelných barevných palet, které přiřazují barvu různým teplotám. Stejný snímek tak lze zobrazit v odlišných barevných paletách, a tím zviditelnit nebo zdůraznit jiná místa. Pro termogramy se používají standardní palety, například: železo, duha, stupně šedi aj. Na obr. 18 jsou uvedeny ukázky naměřených termogramů. Vedle termogramu je znázorněna i příslušná stupnice přiřazení barvy a teploty. Obr. 18 Termogram domu a rozvodny vysokého napětí [6] Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 17

18 Termovizní snímky mohou být radiometrické a neradiometrické (pouze zobrazující). Radiometrické termovizní systémy umožňují vypočítat teplotu na povrchu měřeného objektu. Základem pro výpočet je množství snímaného infračerveného zářivého toku. V plně radiometrickém termogramu lze provádět měření teplot a upravit parametry snímku i po jeho uložení. Těmito parametry jsou např. emisivita, zdánlivá odražená teplota, vzdálenost od měřeného objektu a propustnost atmosféry. Všechny tyto parametry mají vliv na výslednou naměřenou teplotu, jak je naznačeno na obr. 16. Radiometrické termokamery umožňují určit teplotu v jednotlivých bodech termogramu. Určení teploty však není snadné, protože např. nízká hodnota emisivity tělesa většinou znamená i menší přesnost měření. Do měřeného zářivého toku tělesa může značným způsobem vstoupit tzv. zdánlivá odražená teplota, která může výrazně ovlivnit výsledek měření. Na naměřenou hodnotu v bodě má však vliv i velikost obrazového bodu. Zajímá li nás objekt ve větší vzdálenosti, může měření ovlivnit i velikost snímané plochy a plocha detektoru. Bude-li velikost snímaného obrazového bodu větší než měřený objekt, pak bude výsledek měření ovlivněn okolím měřeného objektu. V takovém případě se můžeme s termokamerou např. přiblížit, případně použít jinou optiku (teleobjektiv), nebo použít termokameru s větším rozlišením detektoru. Rozlišení detektoru je u nejlevnějších kamer asi 80x80 obrazových bodů (pixelů) a u špičkových laboratorních termokamer až 1024x1024 bodů. Dalším důležitým parametrem je teplotní citlivost, která u dobrých kamer může dosahovat až 50 mk (rozliší rozdíl teplot od 0,05 C). Vyspělé termokamery nabízejí prolínání termogramu a běžné fotografie do jednoho snímku a to jak ve výřezu (obraz v obraze), tak i dle určeného rozsahu teplot teplotního pole (například lze červeně zobrazit místa s poruchou). Pro vyhodnocení naměřených termogramů jsou k disposici příslušné programy, které slouží i pro tvorbu zpráv o měření. Vyhodnocovací software nabízí rozsáhlé samostatné vyhodnocení termogramů s využitím řady měřicích funkcí. Některé programy umožňují měnit tzv. parametry termogramu (emisivitu objektu a propustnost atmosféry) u všech použitých měřicích funkcí. Je-li termogram doplněn zvukovým záznamem, lze si každý záznam v programu přehrát a při tvorbě zprávy připojit ke každému termogramu poznámky namluvené operátorem během měření. Využití termokamer může být mnohostranné; termokamery umožňují zobrazit infračervené záření tělesa ve viditelné oblasti a toho se využívá mj. pro: hledání úniků tepla z budov, sledování elektrických vedení a jejich poškození, určení poruchy vyhledáním nehomogenit teplotního pole, neinvazivní detekci zánětů pod kůží, měření rozložení teploty pro účely vědy a výzkumu, automatizaci procesů, detekci pohybu osob v zabezpečených objektech, noční vidění. 2.3 Aplikační možnosti bezdotykových teploměrů Bezdotykové teploměry se vyrábějí buď jako přenosné přístroje sloužící pro příležitostná měření nebo jako stabilní přístroje pro nepřetržitá měření (obr. 12). Přenosné IČ-teploměry bývají kompaktní přístroje a slouží většinou k příležitostnému měření. U kompaktních přenosných přístrojů tvoří optická část s detektorem, elektronikou, indikátorem a napájecími obvody jeden celek. Tyto přístroje jsou určeny pro měření obsluhovatelem. Přenosné přístroje mají bateriové napájení a nejsou uzpůsobeny pro zapojení do regulačního obvodu. Vyžadují periodické nabíjení napájecího zdroje. Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 18

19 Stabilní IČ-teploměry jsou napájeny síťovým napětím a jsou instalovány ve vhodném místě pro kontinuální monitorování daného procesu. Přístroj tvoří obvykle dva samostatné celky. Snímací část, která obsahuje optiku a detektor záření, se umisťuje v blízkosti měřeného objektu. Optika může být pevně zaměřena na určitý bod nebo může ve spojení s mechanickým zařízením snímat širší oblast. Vyhodnocovací zařízení s elektronickými obvody se umisťuje v dozorně či na vhodném místě anebo je součástí nadřazeného měřicího a řídicího systému. Snímače teploměru bývají zabudovány tak, aby mohly trvale sledovat určitou plochu měřeného povrchu (zářiče). Při některých aplikacích je nutné snímač stabilního IČ-teploměru chladit. Jeho teplota ovšem musí být vyšší než teplota rosného bodu. To se týká zejména optiky, jejíž orosení by působilo velkou chybu měření. Horké plyny a plameny jsou selektivními zdroji záření, jejichž teplotu může běžný IČ-teploměr měřit jen stěží. Je proto vhodné umístit do topeniště na jednom konci uzavřenou žárovou trubici a teploměr zaměřit na její dno. Bezdotykové teploměry mají velmi příznivé dynamické vlastnosti. Jejich odezva je velmi rychlá; časová konstanta T 90 leží v rozmezí 100 ms až 1 s. Protože IČ-teploměry pracují bezdotykově, reagují na změny teploty téměř okamžitě. Umožňují tudíž měřit teplotu pohybujících se objektů nebo objektů, jejichž teplota se rychle mění. IČ-teploměry a termokamery se s výhodou využívají pro diagnostická a inspekční měření. Využití termovizních kamer je velmi rozmanité v celé řadě odvětví lidské činnosti v různých průmyslových oborech, energetice, stavebnictví, v medicině i v oblasti výzkumu a vývoje. Pomocí termokamery lze snadno zobrazit rozložení povrchových teplot na měřeném objektu a odhalit tak místa, kde dochází k přehřívání (zvýšeným teplotám) částí elektrických rozvodů a zařízení. Hlavní využití termokamer je zejména při měření u rozvaděčů elektrické energie, kontrola kabelových svazků, svorkovnic, transformátorů a vedení. Při diagnostickem měření v průmyslu je termokamera spolehlivým bezkontaktním nástrojem, který je schopen snímat a zobrazit rozložení teploty celého povrchu technologického zařízení rychle a přesně. Umožní vyhledávání závad a odhalení problematických a narušených prvků, a to dřív než se malá chyba promění v nákladnou havárii většího rozsahu a způsobí odstávku výroby nebo nebezpečný požár. Termodiagnostika se velmi dobře uplatní ve stavebnictví. Vzhledem ke stále vyšším nárokům na tepelnou izolaci staveb a mnoho nových konstrukčních řešení, je použití termovizní techniky více než vhodným prostředkem pro kontrolu a odhalování stavebně tepelných závad. Termovizní kamera umožňuje zobrazit rozložení povrchových teplot měřeného objektu a odhalit tak místa se sníženým tepelným odporem, tepelné mosty, s netěsnostmi okenních rámů, dveří, apod. Zejména s rozmachem podlahového vytápění má termovizní technika neocenitelnou roli při vyhledávání závad a oprav. Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 19

20 3 Vlivy působící při měření bezdotykovými teploměry Předpokladem správné funkce IČteploměrů je dodržení správné velikosti zaměřovací plošky na tělese, jehož teplota se měří. Velikost této plošky závisí na zaměřovacím úhlu, na vlastnostech optické části IČteploměru (ohnisková délka), na velikosti účinné plochy detektoru a na zaměřovací vzdálenosti. Vztah mezi zaměřovací vzdáleností a rozměrem měřené plochy výrobci většinou uvádějí v podobě grafu nebo tabulky. Při měření musí plocha měřeného objektu zcela vyplňovat zorné pole pyrometru. Pokud je tato podmínka splněna, tak výsledek měření je nezávislý na vzdálenosti přístroje od měřeného objektu. Nesplnění tohoto požadavku vede k chybným výsledkům měření, protože se měří průměrná teplota pozorované oblasti, tj. měřeného objektu a jeho okolí. Velikost snímané plochy roste se čtvercem vzdálenosti mezi pyrometrem a měřeným objektem. Souvislost mezi velikostí zorného pole IČ-teploměru a plochou snímaného objektu je patrná z obr. 19. Hlavní zdroje chyb při měření teploty bezdotykovými teploměry jsou schematicky znázorněny na obr. 20: charakter povrchu měřeného objektu 1 může být velmi rozdílný (lesklý, drsný, barevný, černý nebo také průhledný), přičemž tyto vlastnosti se při měření uplatňují rozdílně, za průhledným měřeným objektem se může v některých případech nacházet zdroj rušivého záření 2, významným zdrojem rušení může být odraz záření pocházejícího z rušivého zdroje 3 (např. sluneční záření), prostředí 4 mezi měřeným povrchem a IČ-teploměrem může mít různou prostupnost pro IČ-záření (např. CO 2, vodní pára, prach aj.). Další chyby mohou být způsobeny: nesprávně nastavenou emisivitou, nedodržením zaměřovací vzdálenosti určené výrobcem, znečištěnou optikou, stárnutím detektoru, odchylkami teploty přístroje od jmenovité hodnoty. objekt zorné pole chybně chybně správně správně Obr. 19 Velikost zorného pole IČ-teploměru a zaměření měřeného objektu Obr. 20 Hlavní zdroje chyb při bezdotykovém měření teploty [7] Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 20

21 4 Kalibrace bezdotykových teploměrů Bezdotykové teploměry je nutno pravidelně kalibrovat a k tomu se používá zařízení s černým tělesem s definovanou emisivitou. Základem kalibrátorů je obvykle válcová dutina vyrobená z kovového materiálu, povrchově upravená černou barvou. Emisivita povrchu dna dutiny je známa a pohybuje se v rozmezí 0,98 až 0,995. Teplota dna válcové dutiny je udržována na požadované hodnotě pomocí vhodného regulátoru teploty (obr. 21a). U zařízení s vyšší přesností je teplota dutiny měřena navíc ještě dotykovým teploměrem s vyšší přesností (obr 21b). a) Stabilizace teploty regulátorem b) Regulace s měřením teploty přesným teploměrem Obr. 21 Kalibrace bezdotykových teploměrů [16] Při kalibraci se bezdotykový teploměr zaměří na plochu dna dutiny černého tělesa (obr. 22) s respektováním velikosti zorného pole IČ-teploměru a vyčká se ustálení údaje. Obr. 22 Kalibrace bezdotykového teploměru [12] Na závěr Pomohl Vám tento text k tomu, abyste uměli odpovědět na otázky položené v úvodní části? Jestliže ano, tak budete na laboratoře dobře připraveni. Budete-li mít jakékoli připomínky k učebnímu textu nebo k návodům pro laboratorní cvičení či k vlastní práci v laboratoři, neváhejte a napište na adresu karel.kadlec@vscht.cz. Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 21

22 Literatura 1. Kreidl M.: Měření teploty senzory a měřicí obvody. BEN Praha Bezdotykové měření teploty. Zpravodaj pro měření a regulaci č. 1. NEWPORT OMEGA Michalski L., Eckersdorf K. Kucharski J., McGhee J.: Temperature Measurement. John Wiley & Sons Ltd. 2001, ISBNs: (Hardback); (Electronic) 4. FLIR T-series. Publ. No June Svoboda J.: Soudobá špičková termografická technika. AUTOMA č. 1, 25, (2003) 6. Svoboda Š.: Měření teploty bezkontaktní teploměry a termovizní kamery. ELEKTRO č. 12,16 (2005) 7. Běťák J.: Pásmové pyrometry. AUTOMA č. 1, 31 (2003) 8. Ďaďo S., Kreidl M.: Senzory a měřicí obvody. Vydavatelství ČVUT Praha, Pyrometer Handbook Non-Contact Thermometry. IMPAC Infrared GmbH, Lysenko V.: Detektory pro bezdotykové měření teplot. BEN Praha (srpen 2009) (2005) (listopad 2009) (2001) (listopad 2009) 16. Katalog firmy ISOTECH. Temperature Calibration Equipment & Services. Edition 1:4109 (2009) 17. Kadlec K.: Přednášky z Měřicí techniky. Elektronický učební text VŠCHT Praha (říjen 2009) Kadlec K., BMT-priprava_lab_v4.doc 22