EXPERIMENTÁLNÍ METODY II 6. Termovizní měření

Transkript

1 FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. EXPERIMENTÁLNÍ METODY II 6. Termovizní měření OSNOVA 6. KAPITOLY Úvod do problematiky Termovizní kamery Základy termovizních měření Měření emisivity Měření radiační teploty Měření lesklých povrchů Zásady při práci s termovizí Měření vlhkosti povrchů Měření teplotních polí ve vzduchu Další aplikace termografie Termogram okolí brněnského výstaviště

2 ÚVOD DO PROBLEMATIKY - 1 TERMOVIZE je efektivní zařízení pro vizualizaci a bezkontaktní měření teplotních polí na povrchu těles. Efektivní měření teplotních polí v transparentních tekutinách lze provádět jen zavedením vhodného pomocného materiálu do tekutiny. Pak se ale jedná o kontaktní měření. y x Teplotní pole ve vzduchovém proudu 2

3 ÚVOD DO PROBLEMATIKY - 2 Vyuţití termovizních kamer V energetice (identifikaci úniků tepla či chladu z tepelných zařízení a rozvodů) V technice prostředí a ve stavebnictví (tepelné ztráty budov, monitorování činnosti různých zařízení) V oblasti přenosu tepla V medicíně (odhalování nádorů ) Při dálkovém průzkumu Země Při výzkumu vesmíru Pro noční vidění apod. M C C C 3. 2 C C Výběr termovizních kamer Dle pouţití volíme stacionární či mobilní kameru Dle ovládaní funkcí lze volit ovládání z kamery nebo počítače Z pohledu konkrétní aplikace volíme další parametry kamery (krátko/dlouho vlnové, rychlé/pomalé, jedno/více komponentové) 3

4 TERMOVIZNÍ KAMERY - 1 Rozdělení kamer Podle způsobu zobrazení Scannery s rozkladem obrazu S maticovým detektorem FPA (Focal Plane Array) bez rozkladu obrazu Podle způsobu chlazení S chlazeným detektorem S nechlazeným detektorem Podle spektrální citlivosti Krátko vlnové Dlouho vlnové Podle rychlosti záznamu Rychlé (pro videosekvence) Pomalé Podle počtu komponent Kompaktní Více komponentové Kamera s rozkladem obrazu a chlazeným detektorem 1 rozmítací zrcadlo 2 motorky 3 fotoelektrické vysílače polohy x-y 4 křemenný osmiboký hranol 5 duté zrcadlo 6 clona 7, 8, 9 optická soustava 10 kvantový detektor 11 kapalný dusík 12 předzesilovač s výstupem videa v 4

5 TERMOVIZNÍ KAMERY - 2 Testo Jenoptik AMR Testo Fluke Ti25 VarioCAM FPA nechlazený Nespecifikován FPA nechlazený 8-14 µm Nespecifikována 8-13 µm -20 aţ 350 C, t, j, t r -20 aţ 350 C -40 aţ 1200 C (2000 C) < 0,1 K, ± 2 K, ± 2 % < 0,1 K, ± 2 K, ± 2 % 0,1 K, ± 2 K, ± 2 % 160x120 b., 25 obr./s 160x120 b. 320x240 b., 50 obr./s SD karta, USB 2.0 SD karta, CF karta, FireWire, RS232, PAL, S-Video Objektivy 32 a 12 Objektiv 23 3 objektivy, 2 předsádky 5

6 6 TERMOVIZNÍ KAMERY - 3 Další typy termovizních kamer AMR Ahlborn Sestava Jenoptik Varioscan s chlazením pomocí N2 FLIR Systems

7 ZÁKLADY TERMOVIZNÍCH MĚŘENÍ - 1 TERMOVIZNÍ KAMERA REAGUJE NA ZÁŘIVÝ TOK U dokonalých zářičů - černých objektů reaguje termovizní kamera na signál úměrný červeně šrafované ploše (v rozsahu spektrální citlivosti kamery) Spektrální citlivost termovizní kamery Spektrální citlivost kamery Testo 880 Hustota zářivého toku při 600 K pro spektrální citlivost kamery U nedokonalých zářičů - šedých objektů reaguje kamera na signál úměrný záření dokonalého zářiče vynásobeného střední emisivitou a na odraţené záření z okolí 7

8 ZÁKLADY TERMOVIZNÍCH MĚŘENÍ - 2 Rozdíl mezi barevným viděním a barevným zobrazením termogramů Viditelné spektrum Fialová Modrá Modrozel. Zelená Ţlutozelená Ţlutá Oranţová Červená (nm) Viditelné spektrum Spektrální citlivost dané termovizní kamery Hustota zářivého toku při 1000 K pro spektrální citlivost kamery 8

9 ZÁKLADY TERMOVIZNÍCH MĚŘENÍ - 3 VOLBA VHODNÉ SPEKTRÁLNÍ CITLIVOSTI KAMERY Pro vyšší teploty jsou vhodné kratší vlnové délky Pro niţší teploty jsou vhodné větší vlnové délky V částečně průteplivém prostředí je vhodné se vyhnout oblastem vlnových délek s malou transmitancí (neměříme-li přímo prostředí) Vhodné rozsahy spektrální citlivosti při měření ve vzduchu vzdálenost L = 10 m, teplota 25 C, tlak 1013 mbar, relativní vlhkost 85 % Hustota vlastního zářivého toku černých objektů pro různé spektrální citlivosti kamery 1-2 (z integrace Planckova zákona) 9

10 ZÁKLADY TERMOVIZNÍCH MĚŘENÍ - 4 TEORETICKÝ ROZBOR MĚŘENÍ je proveden pro neprůteplivé objekty o transmitanci t = 1 v průteplivém prostředí o transmitanci t = 0 Hustoty vlastního zářivého toku E W [W.m -2 ] pro = 8 aţ 13 μm, lze popsat vztahy analogickými se Stefanovým - Boltzmannovým zákonem. Pro měřený objekt o teplotě T W [K] a emisivitě [-] platí E n W ε k T w Pro okolí o radiační teplotě T R [K] platí E n R k T R kde k a n závisí na rozsahu vlnových délek a teplotě. Kamera registruje hustotu zářivého toku E ε k T 1 n w n εk T R Měřený objekt Okolí o střední radiační teplotě T R ze které lze vyjádřit teplotu povrchu T w [K] měřeného objektu. T W E R 1- εer E W E Kamera 10

11 11 ZÁKLADY TERMOVIZNÍCH MĚŘENÍ - 5 Teplota povrchu objektu měřeného termovizí, nebo i radiačním teploměrem, je závislá na hustotě zářivého toku E [W.m -2 ] registrovaného termovizí, na radiační teplotě T R [K], emisivitě [-], ale také na konstantách k, n a platí T W n E k 1 ε ε T n R Vztah T w = f ( E / k,, T R, n ) je moţné si vyjádřit rovněţ graficky. Určení teploty objektu T w [K] jako funkce E / k, a to pro různé emisivity objektu (T R = 300 K, n = 4, k = 0 ) T w [K] E / k [K 4 ]

12 ZÁKLADY TERMOVIZNÍCH MĚŘENÍ - 6 Vliv chybného nastavení emisivity povrchu D, a to při práci s termovizní kamerou 8 14 mm, způsobí chybu určení teploty povrchu objektu, viz obrázek. t w = 50 C t R = 20 C t w = 10 C Při teplotách povrchů vyšších neţ radiační (zde t R = 20 C), způsobí chyba +D sníţení naměřené teploty povrchu a opačně. 12

13 ZÁKLADY TERMOVIZNÍCH MĚŘENÍ - 7 Exponent n, a konstantu k (nahrazující Stefanovu Boltzmannovu konstantu), lze získat integrací Planckova zákona v rozsahu vlnových délek a proloţením závislosti E 0 = f (T) v rozsahu pouţívaných teplot. Např. pro = 8 aţ 13 μm (červená křivka) a teploty 0 aţ 60 C platí E k T n 0 n = 4,721 k = 2, W.m -2.K -4,721 V obrázku je téţ Stefanův - Boltzmannův zákon a integrál Planckova zákona pro = 2 aţ 20 μm. E 0 2 E 1 0 d 13

14 ZÁKLADY TERMOVIZNÍCH MĚŘENÍ - 8 Derivací funkce log (E 0 ) dle log (T) (kde hustota zářivého toku černých objektů E 0 byla získána v rozsahu = 8 aţ 13 μm) lze získat závislost exponentu n [-] na teplotě t [ C]. Z obrázku je zřejmé, ţe exponent n se s teplotou značně mění. Pozn.: Pro tepelné záření = 0,1 aţ 100 μm je exponent n = 4 a pro běţné teploty na zemském povrchu a pro teploty vyšší se s teplotou prakticky nemění. n [-] 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 = 8 aţ 13 μm t [ C] 14

15 ZÁKLADY TERMOVIZNÍCH MĚŘENÍ - 9 Volba velikosti zobrazení Je třeba dbát na to, aby sledovaný objekt byl v zorném poli kamery FOV co největší. HFOV horizontální zorné pole VFOV vertikální zorné pole To zajistíme umístěním kamery do vhodné vzdálenosti, pouţitím vhodného objektivu či předsádek, nebo také transfokátorem. FOV Field of view Geometrické rozlišení IFOV geo KAMERA HFOV Dy z VFOV Dx x OBJEKT Malý měřitelný objekt Velikost objektů (anglicky Items) na termogramu by měla být alespoň 3 x 3 obrazových bodů (o rozměru d) d y Zobrazená teplota malých objektů tenkých drátů je ovlivněna pozadím 15

16 ZÁKLADY TERMOVIZNÍCH MĚŘENÍ - 10 Výsledkem termovizních měření je rozloţení teplot T [K] na povrchu Znalost těchto teplot přispěje k výpočtu: Hustoty vlastního tepelného toku zářením Výsledné hustoty tepelného toku zářením Hustoty tepelného toku konvekcí Výpočet hustoty vlastního tepelného toku zářením Pro = 0 aţ lze pouţít Stefanův Boltzmannův zákon q σ 4 0 ε T Pro = 1 aţ 2 lze pouţít uvedený obrázek (E 0 q 0 ) nebo vztah q λ 5 2 ε c1 λ dλ λ1 exp c λ T 1 2 E 0 2 E 1 0 d Integrál Planckova zákona pro = 1 aţ 2 16

17 ZÁKLADY TERMOVIZNÍCH MĚŘENÍ - 11 Výpočet výsledné hustoty tepelného toku zářením Výsledná hustota tepelného toku zářením (mezi povrchy v okolí a měřeným povrchem) je nutná ke stanovení tepelných zisků či ztrát Výsledná hustota tepelného toku zářením je menší neţ vlastní Výsledná hustota tepelného toku zářením malého objektu (T W, ) v prostoru platí vztah Obecný výpočet výsledného tepelného toku zářením je sloţitý. Je třeba znát uspořádání povrchů, jejich teploty a emisivity Výpočet hustoty tepelného toku konvekcí Pro výpočet musíme znát teplotu povrchu T = T w [K], teplotu tekutiny v prostředí T L = T [K], ale i součinitel přestupu tepla α [W.m -2.K -1 ], který lze určit: Měřením Pomocí teorie podobnosti Výpočtem Tepelný tok konvekcí a zářením lze sčítat T q Z q K ε σ q K α T T T W R W q Z T T T R w [m.s -1 ] 17

18 MĚŘENÍ EMISIVITY - 1 Tabulky emisivit nebývají úplné je dobré znát metody měření emisivit Emisivitu lze stanovit opakovaným nastavováním emisivity na termovizní kameře či radiačním teploměru a to tak, aţ nastane shoda mezi teplotou měřenou kamerou se skutečnou teplotou povrchu T W měřenou např. termočlánkem. K měření emisivity lze pouţít spektrometry pracující na principu ozáření povrchu zdrojem o definované intenzitě záření a sledováním intenzity obraţeného záření v určitém spektru SPEKTROMETR Nicolet 380 firmy Thermo Electron Co určuje emisivitu v rozsahu vlnových délek = 1,28 aţ 28,5 μm 18

19 MĚŘENÍ EMISIVITY - 2 Emisivitu lze měřit termovizní kamerou nebo radiačním teploměrem. z 1 snímku získaného při nastavení emisivity na kameře na hodnotu 1. termovizí zjistíme na povrchu teplotu T T [K] termočlánkem (či jinak) naměříme skutečnou Měření T W teplotu povrchu T W [K] termočlánkem naměříme radiační teplotu okolí T R [K] Výpočet emisivity vychází z hustoty zářivého toku E [W.m -2 ] registrované kamerou při sledování objektu o emisivitě (viz dříve) n E ε k T 1 ε k T w n R a z hustoty zářivého toku stejného objektu při nastavení emisivity na kameře na hodnotu = 1 E k n T T Z uvedených rovnic lze odvodit vztah pro emisivitu ε T T n T n W T T n R n R Přibliţně: ε Měřený vzorek T T n1 STR n1 SWR T T T W Měření T T termovizí T T T R R R 19

20 MĚŘENÍ EMISIVITY - 3 Zařízení pro měření směrových emisivit vzorků materiálů p Stínicí závěsy t,φ TERMOVIZE t R Stínicí roleta t w, t, VZORKY Termostat Kryostat Vyhodnocení termogramů lze provádět v PC pomocí software termovizní kamery 20

21 MĚŘENÍ EMISIVITY - 4 Ustavení vzorků vůči termovizní kameře lze provést laserovým paprskem a úhloměrem na boční straně přípravku Kamera ( = 1) Přípravek se vzorky Laser Vzorky Úhloměr Pro termovizní měření je třeba znát emisivity směrové, zejména emisivitu při kolmém pozorování povrchu ε. Pro energetické výpočty musíme znát hlavně střední poloprostorové emisivity ε. Lze je určit z funkční závislosti ε = f (). 21

22 MĚŘENÍ EMISIVITY - 5 Výpočet střední poloprostorové emisivity Pro elementární plochu na kouli o poloměru R platí ds 2π r R dγ r sinγ r R R sin γ γ 2 ds 2π R sin dγ Poloprostorová emisivita je střední integrální hodnotou směrové emisivity = f ( ). Platí ε Ω S 1 π/ Ω ε Ω γ π R γ0 ds 2 γ ds εγ π R sinγ = 0 R r dγ d = 90 r ε Ω γ π/ 2 γ0 ε γ sin γ dγ Před integrací je vhodné proloţit funkci ( ). sin ( ) např. polynomem. 22

23 MĚŘENÍ EMISIVITY - 6 Ochlazované vzorky: Sklovláknobeton, Dlaţba a Lepidlo stavební, v prostředí s radiační teplotou t R = 24,7 C Při kolmém pohledu je radiační teplota vzorků t T [ C] nejniţší Ohřívané vzorky: Sklovláknobeton, Dlaţba a Lepidlo stavební, v prostředí s radiační teplotou t R = 19,4 C Při kolmém pohledu je radiační teplota vzorků t T [ C] nejvyšší 23

24 MĚŘENÍ EMISIVITY - 7 T w [K] E / k [K 4 ] Určení teploty objektu T w [K] jako funkce E / k, a to pro různé emisivity objektu (T R = 300 K, n = 4, k = 0 ) 24

25 MĚŘENÍ EMISIVITY - 8 Nátěry či jiné vrstvy na povrchu materiálů změní většinou emisivitu podkladového materiálu na emisivitu nátěru. Zachování emisivity podkladového materiálu umoţní vrstvy částečně propustné pro IR záření (polyetylén, kazivec, slída, kuchyňská sůl ) Bílý polyetylénový sáček je neprůsvitný, ale transparentní pro IR záření. V místech modré barvy je pro IR záření sáček méně transparentní Emisivitu povrchů ovlivňuje téţ vlhkost a námraza, a to zejména malou emisivitu. 25

26 MĚŘENÍ RADIAČNÍ TEPLOTY - 1 Termovizní měření vyţadují znalost radiační teploty T R [K] Způsoby měření radiační teploty v relativně homogenním prostředí Měření střední radiační teploty pomocí radiometrů, viz dříve Měření rovinné radiační teploty pomocí radiometrů, viz dříve Způsoby měření radiační teploty v nehomogenním prostředí Měření směrové radiační teploty pomocí radiačních teploměrů Měření rozloţení radiační teploty pomocí termovize Měření směrové radiační teploty pomocí radiačních teploměrů Emisivita se nastaví hodnotu 1 Lze měřit radiační teploty v malém prostorovém úhlu Lépe je měřit radiační teploty ve větším prostorovém úhlu, (TESTO 825-T4 měří v úhlu 30 ) Nejdůleţitější je T R ve směru, moţného zrcadlení objektů Měřený povrch Směry měření radiační teploty TESTO 825-T4 26

27 MĚŘENÍ RADIAČNÍ TEPLOTY - 2 Měření rozloţení radiační teploty pomocí termovize Emisivita se nastaví na hodnotu 1 Lze postupně zmapovat celý poloprostor Lze vyhodnotit jak lokální, tak průměrné radiační teploty z jisté části prostoru nebo poloprostoru Nejdůleţitější je T R ve směru moţného zrcadlení objektů Měřené objekty Směry měření radiační teploty Přibliţné měření t R lambertovým povrchem Měřený Alobal před povrchem objekt Kamera při = 1, měření Max/Min nebo auto-stupnice Rozostřit obraz - zprůměruje teploty Jeli měření z větší vzdálenosti, poklesne vliv člověka na T R Alobal T R T R 27

28 MĚŘENÍ LESKLÝCH POVRCHŮ - 1 MĚŘENÍ LESKLÝCH POVRCHŮ ZVÝŠENÍM Černou matnou barvou ve spreji: * SENOTHERM, Weilburger Lackfabrik ( = 0,92 pro = 814 µm) * Tetenal Photowerk ( = 0,96 pro = 814 µm) * Jinou černou barvou pro termografii a optická zařízení (změřit si ) Lepicí páskou či terčem se zvýšenou emisivitou pro termografii Nutné si ale uvědomit: Černý povrch se v daném prostředí ustálí díky změněnému tepelnému toku zářením při jiné teplotě. Vrstva barvy či páska změní tepelný odpor vedením mezi vnitřkem objektu a povrchem, coţ má za následek rovněţ změnu teploty povrchu. Všechny povrchy se trochu lesknou Tlumič torzních kmitů spalovacího motoru Nahoře se odráţí teplejší část motoru 28

29 MĚŘENÍ LESKLÝCH POVRCHŮ - 2 MĚŘENÍ LESKLÝCH POVRCHŮ V UPRAVENÉM PROSTŘEDÍ Na lesklém povrchu s malou emisivitou se odráţí záření z okolí. Lze to potlačit: Zacloněním tepelných zdrojů z okolí přepáţkami Umístěním objektu do speciální komory s difúzními stěnami s konstantními teplotami povrchů Změnou směru záznamu termogramu či polohy a natočení objektu Ve venkovních prostorech je třeba měřit při homogenní radiační teplotě, a to při zataţené obloze bez sráţek a nepřízně počasí. 29

30 MĚŘENÍ LESKLÝCH POVRCHŮ - 3 Konvexní a konkávní povrchy Na konvexní povrchy (vypuklé) působí jen záření z okolí Na konkávní povrchy (duté) působí i záření z vlastního objektu. Pokud to jde, je třeba toto záření odclonit či zvolit větší emisivitu. MĚŘENÍ LESKLÝCH POVRCHŮ DIFERENČNÍ METODOU Zaznamenáme termogram objektu s homogenním rozloţením teplot před ohřevem, kde se projeví nehomogenní radiační teplota okolí. Tuto radiační teplotu pouţijeme na termogram zahřátého objektu. Podobnou diferenční metodu lze aplikovat k porovnání 2 stavů objektu. Termogram 1 Termogram 2 Diferenční obraz 30

31 ZÁSADY PŘI PRÁCI S TERMOVIZÍ - 1 Kameru je třeba chránit před agresivním prostředím před kontaktem prstů s optikou před extrémními teplotami, intenzivním zářením před znečištěním před prachem před nárazy před nepřízní počasí apod. Při měřeních je třeba dodrţovat jisté zásady s cílem minimalizovat chyby a nejistoty měření a také naměřit či zjistit řadu dalších parametrů potřebných k vyhodnocení termogramů Vybavení a ochrana kamery Testo 880 Pouţívat stativ - rozmazání obrazu, ovlivnění teploty kamery drţením 31

32 ZÁSADY PŘI PRÁCI S TERMOVIZÍ - 2 Úkony před termovizním měřením: Chránit kameru před poškozením Zaznamenat data měření - datum, čas, parametry měřeného objektu Měřit aţ několik minut po startu či C přemístění kamery do jiného prostoru C Úkony před záznamem termogramu C Zvolit metodu měření s PC či bez, C zobrazit teploty / vlhkosti, nastavit paletu barev aj. parametry C Odhadnout či měřit teploty na vybraných místech - nastavit rozsah Zvolit správný záběr volbou objektivu, úhlu pohledu, aby byl objekt co největší. U lesklých povrchů je vhodné odclonit tepelné zdroje. Proměřit radiační teploty a zjistit emisivitu - zadat je do kamery ZAOSTŘIT OBRAZ - nelze později opravit Zaznamenat termogram po kalibraci / autokalibraci NEPOHNOUT PŘI TOM KAMEROU 32

33 ZÁSADY PŘI PRÁCI S TERMOVIZÍ - 3 PŘÍKLAD MĚŘENÍ BUDOV dle ČSN EN z roku 2000 Tepelné chování budov - Kvalitativní určení tepelných nepravidelností v pláštích budov - Infračervená metoda Je třeba dodrţovat zásady: DT = T vnitřní - T vnější > 20 K Homogenní T R, bez slunce, při zataţené obloze Pláště budov pokud moţno suché Měřit pokud lze kolmo na povrchy MĚŘENÍ BETONOVÝCH KONSTRUKCÍ dle ČSN EN 1767 z roku 2000 Výrobky a systémy pro ochranu a opravy betonových konstrukcí - Zkušební metody - Infračervená metoda Vliv t R oblohy -13 C Večerní měření budovy DT 17 K Vliv t R dvora -1 aţ -7 C 33

34 ZÁSADY PŘI PRÁCI S TERMOVIZÍ - 4 Před měřením je třeba vyhotovit Tabulku pro zápis měřených hodnot. Tabulka slouţí jako podklad k vytvoření Zprávy o termovizním měření. TABULKA Radiační teploty Kontrolní místa na povrchu Emisivity a teploty na kontrolních místech Veličiny potřebné pro vyhodnocení termovizních měření jsou zřejmé z teoretického rozboru Pro konkrétní případy termovizních měření lze tabulku upravit U sloţitějších termovizních experimentů je třeba doplnit uvedenou tabulku o další údaje (např. o stavu měřeného objektu) 34

35 MĚŘENÍ VLHKOSTI POVRCHŮ - 1 ZOBRAZENÍ VLHKOSTI POVRCHŮ lze provést např. pomocí Testo 880 Z teplot povrchů t w měřených termovizí a z manuálně zadané teploty rosného bodu vzduchu t r je zobrazována povrchová vlhkost. Z termogramu tak můţeme předpovídat místa s rizikem vzniku plísní, koroze či jiných jevů způsobených vlhkostí. Zásady při zobrazení povrchové vlhkosti jsou obdobné, jako při měření teplot povrchů. Vlhkost vzduchu je třeba měřit v blízkosti povrchu, čidlem je vhodné pohybovat a nesmí nedocházet k ovlivňování měření vlhkosti obsluhou. Teplota vzduchu Moţný výskyt vlhkosti TESTO 880 Funkce tlačítek kamery Testo 880 Levé tlačítko Relativní vlhkost Pravé tlačítko Rosný bod Teplotní stupnice Nastavení emisivity Levé tl. - manuální zadání t a φ Pravé tl. - nastavení emisivity 35

36 MĚŘENÍ VLHKOSTI POVRCHŮ - 2 Termogram povrchové vlhkosti kompresoru chladicího zařízení radiační teplota t R = 26,5 C relativní vlhkost j = 41,3 % teplota vzduchu t = 29,9 C teplota rosného bodu t r = 15,3 C Termogram odhaluje chybnou izolaci potrubí C C C C C Kritické nebezpečí kondenzace vlhkosti v oblasti přívodu chladiva Termogram povrchové vlhkosti sdruţené kondenzační jednotky radiační teplota t R = 28,3 C relativní vlhkost j = 52,6 % teplota vzduchu t = 30,1 C teplota rosného bodu t r = 19,3 C 36

37 MĚŘENÍ VLHKOSTI POVRCHŮ - 3 INTERPRETCE ÚDAJŮ PŘI ZOBRAZENÍ VLHKOSTI POVRCHŮ V Mollierově diagramu je: h Nenasycený vzduch Obecný stav vzduchu A, teploty t, t j r a t m, relativní t A vlhkosti j, 100 %, 80 % aj. Teplotní škály termovize pro 4 měrné vlhkosti x Meze teplotní škály - dolní mez (t r - 1,5 C), horní mez (t r - 1,5 + 16,1 C) Povrch o teplotě t w t r je vţdy vlhký a vlhkost na něm kondenzuje. Po přechodném navlhčení se povrch dočasně ustálí na teplotě t m, neţ se voda odpaří. Horní mez teplotní škály t m t r 0 C 0 C r t r j = 80 % m Mollierův diagram vlhkého vzduchu Přesycený vzduch Dolní mez teplotní škály Vlhkost vzduchu u povrchu 80 % povaţujeme ve stavebnictví za kritickou, a proto je na teplotní škále jiţ zobrazena červeně. Teplotní škála displeje j = 100 % p = konst t m t x 37

38 MĚŘENÍ TEPLOTNÍCH POLÍ VE VZDUCHU - 1 Pro zviditelnění teplotního pole ve 2D proudu vzduchu lze pouţít arch papíru, tkaninu či jiný pomocný materiál. Tento materiál vkládáme do vzduchu tak, aby proudnice byly paralelní s jeho povrchem. Arch Vyústka papíru Okno Chladný proud vzduchu Teplotní pole nad otopným tělesem Pro zviditelnění teplotního pole ve 3D proudech vzduchu lze pouţít síť terčů o velikosti minimálně 3 x 3 (lépe 5 x 5) obrazových bodů. 38

39 MĚŘENÍ TEPLOTNÍCH POLÍ VE VZDUCHU - 2 Pomocný materiál ke zviditelnění teplotního pole ve vzduchu by měl mít velkou emisivitu (kancelářský papír = 0,96, bavlněná látka = 0,93), aby bylo moţné měřit malé rozdíly teplot a aby měření nebylo příliš závislé na radiační teplotě malou časovou konstantu, aby tato kontaktní metoda byla pouţitelná i pro rychle se měnící teploty vzduchu Časová konstanta 0 jako funkce rozdílu teplot DT při skokové změně teploty a rychlosti proudění vzduchu w pro bavlněnou látku Mezi další vhodné vlastnosti patří malá tepelná vodivost, malá tepelná kapacita, minimální tloušťka, matný povrch, rovný povrch aj. Pro mobilní zařízení je vhodný skladný materiál o malé hmotnosti. 39

40 40 MĚŘENÍ TEPLOTNÍCH POLÍ VE VZDUCHU - 3 Příklad výzkum teplotních polí a zakřivení proudu teplého vzduchu proudícího z vyústky teplovzdušného ventilátoru y x Termogram teplotního pole ve vzduchovém proudu Vyhodnocení termogramu vzduchového proudu

41 MĚŘENÍ TEPLOTNÍCH POLÍ VE VZDUCHU - 4 Příklad výzkum přilnutí proudu vzduchu ke stěně - Coandův efekt Volný proud teplého vzduchu nad konvektorem Proud teplého vzduchu nad konvektorem v blízkosti stěny 41

42 42 MĚŘENÍ TEPLOTNÍCH POLÍ VE VZDUCHU - 5 Zviditelnění teplotního pole ve 3D proudech vzduchu. Zdroj: Pešek Rotující proud z teplovzdušného ventilátoru Místo hlavy Teplotní pole v automobilu na místě spolujezdce

43 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 1 Termovizní kamera má široké uplatnění při konstrukci a diagnostice tepelných motorů. Termovizní měření se provádí jak na prototypech, tak při ověřování správné funkce vyrobených motorů. Zdroj: InfraTec Teplotní pole výfukového traktu spalovacího motoru Teplotní pole pláště plynové turbíny 43

44 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 2 Termovizní kameru lze vyuţít i při konstrukci a diagnostice pracovních strojů. Jedná se rovněţ o měření na prototypech nebo při ověřování funkce vyrobených strojů. Zdroj: InfraTec Teplotní pole ventilátoru s elektromotorem Teplotní pole čerpadla s elektromotorem 44

45 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 3 Široké uplatnění má termovizní kamera při konstrukci a diagnostice dopravních prostředků. Lze ji aplikovat na různé systémy, které jsou zdroji tepla nebo zprostředkovávají přenos tepla. Zdroj: InfraTec Teplotní pole ofukovaného čelního skla automobilu Teplotní pole na povrchu letadla po přistání 45

46 46 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 4 Termovizní měření se často vyuţívá při dalším vývoji technologických zařízení. Následující obrázky jsou např. z vývoje kovacích lisů. Sestava kovacího lisu při kování Termogram kleští při kování Kleště manipulátoru s výkovkem Termogram kleští po kování

47 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 5 Velice přínosné je pouţití termografie při diagnostice různých zařízení v provozu. Umoţní totiţ snadno zjistit aktuální stavy zařízení, nebo můţe předvídat případné poruchy a havárie. Zdroj: InfraTec Zjišťování hladiny kapaliny v zásobníku Termogram odhalující nízkou hladinu oleje v transformátoru 47

48 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 6 Termovizní kameru je moţné aplikovat při diagnostice různých elektrotechnických zařízení. Z termogramů lze snadno zjistit místa přehřívání spojů či různých součástek. Zdroj: InfraTec Termogram odhaluje vadný kontakt vodičů Zobrazení PC desky s přehřívajícím se kontaktem 48

49 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 7 Velice rozšířené je termovizní měření v teplárenství. Termovize umoţní identifikovat podzemní uloţení rozvodů tepla, vadná místa s únikem teplé tekutiny a vadná místa tepelné izolace. Zdroj: InfraTec Identifikace uloţení rozvodů tepla pod vozovkou Identifikace vadné tepelné izolace rozvodů tepla 49

50 50 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 8 Z termogramů je moţné snadno identifikovat činnost různých zařízení a skryté závady zařízení. Termogram soustavy kompresorů chladicího zařízení Termogram holicího strojku s vadným kontaktem

51 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 9 Běţné je v současnosti pouţití termovize ve stavebnictví. Aplikuje se pro hodnocení tepelných ztrát budov, identifikaci tzv. tepelných mostů, pro kontrolu těsnosti obvodových konstrukcí aj. Zdroj: InfraTec Termogram domu se špatnou izolací pravé stěny Termogram kontroly těsnosti stěn dřevěného srubu 51

52 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 10 Termografie je velice efektivní metoda pro hodnocení energetických úspor při zateplování budov a posuzování kvality zateplení. Zdroj: InfraTec Termogram tepelných ztrát před zateplením Termogram tepelných ztrát po zateplení 52

53 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 11 Termografii lze vyuţít i pro identifikaci tepelných zdrojů pod povrchem, jakými mohou být prvky podlahového vytápění, zanícené kloubu a tkáně po úrazech aj. Zdroj: InfraTec Chybně instalované podlahové vytápění Termogram po úraze zápěstí levé ruky 53

54 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 12 Velice rozšířené jsou aplikace termovize v oblasti techniky prostředí, tj. v oblasti vytápění, větrání a klimatizace. Jedná se o její vyuţití ve vývoji, výrobě a při provozních měřeních těchto zařízení. Zdroj: InfraTec Teplotní pole vyhřívaného čelního skla automobilu Teplotní pole vyhřívaného sedadla automobilu 54

55 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 13 V technice prostředí jsou častými objekty termovizních měření otopná tělesa. Získané termogramy slouţí především k posouzení kvality konstrukce otopných těles. Zdroj: InfraTec Teplotní pole deskového otopného tělesa Teplotní pole trubkového otopného tělesa 55

56 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 14 Termovizní měření otopných těles se provádí také na EÚ FSI VUT v Brně. Cílem je zjistit stav otopných těles pouţívaných pro experimentální výzkum teplotních polí v místnostech. Konvektor s přirozenou konvekcí Povrch natřený barvou Duralový povrch Smaltovaný povrch Konvektor s nucenou konvekcí Elektrické radiátory Doba zátopu u všech snímků je 1 hodina 56

57 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 15 Na EÚ FSI VUT v Brně je prováděn i výzkum zářičů sálavého vytápění t W [ C] Termogram povrchu zářiče při příkonu 106 W (max. 80 C) Teplota povrchu zářiče při příkonu 22 W (max. 40 C) Termogram elektricky vyhřívaného zářiče ukazuje na vnitřní závadu, která se projevuje značně nehomogenním teplotním polem. 57

58 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 16 Uţitečné a zajímavé informace je moţné získat i z termogramů chladicích zařízení. Zdroj: InfraTec Teplotní pole sráţníku chladicího zařízení Teplotní pole kompresoru chladicího zařízení 58

59 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 17 Na EÚ FSI VUT v Brně je rovněţ prováděn výzkum tepelných ztrát a stavu prostředí v klimatizačních a sterilizačních komorách. Termogramy komory s přirozenou konvekcí vzduchu o teplotě 175 C ve vnitřním prostoru Termogramy komory s nucenou konvekcí vzduchu o teplotě 175 C ve vnitřním prostoru 59

60 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 18 Termovize se často pouţívá v oblasti ostrahy objektů, vyhledávání osob či různých tepelných zdrojů v exteriérech aj. Zdroj: InfraTec Hledání osob Ostraha budov Vyhledávání zdroje poţáru na skládce odpadu Hledání tepelných zdrojů 60

61 61 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 19 Termovizní kameru lze také vyuţít pro identifikaci historie práce strojů a historii přítomnosti osob či teplokrevných ţivočichů. Termovizní snímek jedoucích a parkujících motorových vozidel Termogram tepelné stopy na stěně po doteku dlaně

62 DALŠÍ APLIKACE TERMOGRAFIE - 20 Na VUT v Brně byla termovizní kamera vyuţívána i v umění. Jednalo se o vytvoření tzv. tepelných obrazů, které nejsou pouhým okem viditelné. Další vyuţití termovize můţe být např. v kinematografii. Tepelný obraz dvou postav Autoři: Titlová, Pavelek Tepelný videozáznam Autoři: Titlová, Pavelek 62