Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb Teorie měření a regulace emisivní - 1 18-1p. ZS 2015/2016 2015 - Ing. Václav Rada, CSc.
Úvodní pokračování - 1. díl o A emisivních principech snímačů VR - ZS 2010/2011
Princip snímačů je založen na povrchovém vyzařování, které každé těleso vysílá do chladnějšího okolního prostředí v určitém frekvenčním spektru = emituje tepelné záření. V principu se jedná o měření zářivosti povrchu tělesa. Obvykle je toto záření (tepelná emise) v infračerveném frekvenčním spektru. Existenci infračerveného záření objevil v roce 1800 Sir William Herschel VR - ZS 2015/2016
Celková energie, kterou těleso vyzáří jednotkovou plochou svého povrchu za jednotku času je celková zářivost - ta je závislá na absolutní teplotě tělesa ( T [ ºK ]) podle Planckova zákona zachycujícího i vliv materiálu vyzařujícího povrchu. Každé těleso s t > 0 ºK vyzařuje elektromagnetické záření.
Celková vyzářená energie za jednotku času z jednotkové plochy povrchu tělesa = hodnota spektrální zářivosti : E λ = de / dλ kde: E celková zářivost povrchu E λ spektrální zářivost pro danou vlnovou délku λ daného záření λ vlnová délka záření (čím je > absolutní teplota, tím bude < λ ). VR - ZS 2015/2016
Celková zářivost dokonale černého (povrchu) tělesa je dána Stephan Boltzmanovým zákonem E 0 = E λ0 * dλ = c 3 * T 4 pro c 3 = 4,9 * 10-8 [kcal / m 2 * hod * ºK ]. od 0 do Velikost hodnoty E λ0 je funkcí vlnové délky λ a teploty T čím je vyšší teplota tím je nižší hodnota λ pro maximum λ m platí Wienův zákon : λ m = 0,002897 / T [ m, -, ºK ]
Zjednodušená forma Wienův zákon platnost je omezena na malé hodnoty součinu λ * T tj. pro obor krátkovlnného (ultrafialového) spektra: E oλ = ( C 1 / λ 5 ) * e m pokud m = C 2 / (λ * T ) >> 1.
Intenzita vyzařování je dána Planckovým zákonem: E oλ = A λ * C 1 / (λ 5 * ( e k 1 )) pro k = C 0 / ( λ * T ) kde A λ poměrná pohltivost sálajícího tělesa C 0 vyzařovací konstanta = 3,17 * 10-16 kcal * m 2 /hod C 1 vyzařovací konstanty = 0,01438 m o K T absolutní teplota. VR - ZS 2015/2016
Srovnávací nulou je vyzařování absolutně černého tělesa (tzv. platinová černá), které má poměrnou pohltivost A λ = 1 např. leštěný Al má A λ = 0,05 (0,04 až 0,07), zlato A λ = 0,025, struska A λ = 0,67 až 0,97.
Příklady hodnot emisivity různých hmot Nekovové materiály 0,85 až 0,9 Neoxidované kovy 0,2 až 0,5 Al, Au, Ag 0,02 až 0,04 Stavební materiály a konstrukce 0,85 až 0,95
Vybrané materiály a jejich emisivita při udané teplotě Materiál Teplota C Emisivita Cement 0-200 0,96 Cement, bílý 1371 0,65 Tkanina 93 0,9 Papír 38-371 0,93 Břidlice 20 0,97 Asfalt, dlažba (vozovka) 38 0,93 Asfalt, dehtový papír 20 0,93 Bavlněná látka 20 0,77 Beton Drsný beton 0-1093 0,94 Taška, bez příměsí 1371-2760,63-,62 Hnědý 1371-2760,87-,83 Černý 1371-2760,94-,91 Břidlice 38,67-,80 Čedič 20 0,72 Kamenné zdivo 38 0,93 Červená, surová cihla 21 0,93 Šamot 1371 0,75 Žáruvzdorná cihla 1000,75-,80 Vápenný písek 1371-2760,59-,63 VR - ZS 2015/2016
Vybrané materiály a jejich emisivita při udané teplotě Materiál Teplota C Emisivita Čedič 20 0,72 Dřevo nízká,80-,90 Bukové, hoblované 70 0,94 Dubové, hoblované 38 0,91 Smrkové, smirkované 38 0,89 Kamenné zdivo 38 0,93 Červená, surová cihla 21 0,93 Krytinová taška, světle červená 1371-2760,32-,34 Krytinová taška, červená 1371-2761,40-,51 Taška, tmavě purpurová 1371-2762 0,78 Krytinová taška, světle červená 1371-2760,32-,34 Šamot 1371 0,75 Žáruvzdorná cihla 1000,75-,80 VR - ZS 2015/2016
Vybrané materiály a jejich emisivita při udané teplotě Materiál Teplota C Emisivita Keramické materiály Bílá užitková keramika, glazovaná 21 0,9 Kamenina, neglazovaná 21 0,93 Porcelán 22 0,92 Křemen Glazovaný 1000 0,85 Neglazovaný 1100 0,75 Křemenné sklo, neobrobené 21 0,93 Sklo 1,98 mm 282 0,9 Led Hladký 0 0,97 Drsný 0 0,98 Mramor Bílý 38 0,95 Hladký, bílý 38 0,56 Leštěný, šedý 38 0,75
Vybrané materiály a jejich emisivita při udané teplotě Materiál Teplota C Emisivita Nátěry olejové Všechny barvy 93,92-,96 Černá 93 0,92 Černý lesk 21 0,9 Matná čerň 27 0,88 Matná běloba 27 0,91 Červená 93 0,95 Bílá 93 0,94
Vybrané materiály a jejich emisivita při udané teplotě Materiál Teplota C Emisivita Nepálená cihla 20 0,9 Písek 20 0,76 Pískovec 38 0,67 Pryž (kaučuk) Tvrdá 23 0,94 Sklo Vypuklé (konvexní) D 100 0,8 Broušené 0-93,92-,94 Sníh Prachový -7 0,82 Zrnitý -8 0,89 Štěrk 38 0,28 Vápenná malta 38-260,90-,92 Voda 38 0,67 Zemina Povrchová 38 0,38 Černá hlína 20 0,66 Zorané pole 20 0,38 Žula 21 0,45
Každé těleso s t > 0 K vyzařuje elektromagnetické záření Termografie využívá měření v infračerveném pásmu (IČ).
Rozložení vlnových délek podle použití elektromagnetického spektra
Rozložení vlnových délek podle použití elektromagnetického spektra
Rozložení vlnových délek pro viditelné světlo (rozklad barev)
Rozložení vlnových délek pro viditelné světlo (rozklad barev)
Rozložení vlnových délek pro viditelné světlo (rozklad barev) pro denní a noční období
Zatímco přenos energie světla se děje ve viditelné oblasti spektra od 0,4 µm do 0,75 µm, přenos tepla radiací zabírá oblast spektra mezi 0,75 µm a asi 100 µm (ačkoliv většina praktických měření se provádí v okolí 20 µm). Všechny povrchy těles, které jsou teplejší než absolutní nula (což tedy jsou všechny existující v reálném prostředí), vysílají energii v infračerveném spektru. Velmi teplá tělesa ve spektru viditelného světla. Topná tělesa elektrických kamen s teplotou 800 K žhnou tmavě rudě, a jak vychládají tak ztrácejí viditelnou červenou barvu, ale teplo vyzařují radiací. Energie vyzařovaná radiací je cítit rukama.
Z hlediska charakteristiky IR radiace se rozlišují tři typy povrchů těles: černého tělesa, šedého a našedlého (tzv. reálného nebo spektrálního tělesa). Černé těleso definujeme jako teoretický povrch (v praxi neexistuje), který má jednotkovou emisivitu v celém rozsahu vlnových délek a absorbuje všechnu radiační energii, která na něj dopadá. Emisivita reálného tělesa je definována jako poměr radiačních energií emitovaných při stejné teplotě z povrchu daného tělesa a tělesa černého. Povrchy mnohých těles jsou šedé, což znamená, že emisivita tělesa je téměř konstantní s měnící se vlnovou délkou.
Infračervená radiace ze zkoumaného tělesa prochází na své cestě k snímači (čidlu) v přístroji různými medii pro vakuum neztrácí žádnou energii. V praxi ale je médiem vzduch. Pro krátké vzdálenosti, např. několik metrů, lze vliv vzduchu zanedbat. Pokud tato vzdálenost naroste je zdrojem chyb. Dva spektrální intervaly, které jsou relativně prosté ztrát z absorpce. Jde o tzv. atmosférická okna" v pásmu 3 5 µm a v pásmu 8 14 µm. Většina přístrojů, pracujících v oblasti infračerveného spektra pracuje proto v těchto oknech". Termokamera snímá obrázky v okně pásma 8 14 µm.
Snímače založené na pyrometrických vlastnostech těles vhodných materiálů se vyrábí ze sloučenin baryumtitanát. stronciumtitanát, berowski a dalších. Spektrální rozsah, v němž může přístroj měřit bývá 0,1 až 200 μm - maximum rozsahu od 0,5 do 1000 μm. Měření je vždy závislé na hodnotě emisivity ε, která je pro každý materiál (vyzařující materiálový povrch) různá. Vyhodnocovací část měřicího přístroje sleduje množství celkově vyzářené energie.
Nejdůležitější okrajové podmínky jsou: emisivita povrchu (0 až 1) odražená energie (od okolních konstrukcí) vzdálenost mezi objektem a kamerou relativní vlhkost a teplota vzduchu s rostoucí emisivitou se snižuje vliv odražené energie propustnost atmosféry Při nevědomosti, jak mohou okrajové podmínky ovlivnit měření, se lze dopracovat k chybám dosahujících několik set procent.
Radiační teploměry neboli pyrometry mohou pracovat na těchto hlavních principech: * měření spektrální závislosti na zvolené vlnové délce obvykle se volí délka λ = 0,65 μm (červená čářa vodíkového spektra * měření zářivosti ve zvoleném rozsahu (oboru) vlnových délek fotopyrometry a barvové pyrometry nejčastěji se volí část spektra mezi 0,35 a 0,7 μm, případně i nad 0,7, což je oblast infračervená * měření celkové zářivosti radiační pyrometry, termovize, ardometry.
Základní typy pyrometrů - spektrální využívají monochromatické záření - úzkopásmové citlivé na poměrně přesné vymezení λ - širokopásmové využívají celé spektrum záření - jasové srovnání jasu pomocného tělesa s měřeným jasem - barvové srovnávací porovnává se barevný vjem směsné barvy získané ze dvou barev měřeného tělesa vzhledem k předem zvolené barvě srovnávacího zdroje záření - barvové poměrové poměr záření měřeného tělesa v různých spektrálních rozsazích - intenzivní srovnává se intenzita vyzařování jen v určitém spektrálním rozsahu.
Přenos tepla Teplota je mírou termální energie obsažené v jakémkoli objektu. Teplota kteréhokoliv objektu se dá změřit množstvím metod a prostředků a je definován teplotní stupnici. Teplota nám ve své podstatě říká, kterým směrem poteče tepelný tok mezi dvěma objekty.
Přenos tepla Existují 3 základní typy přenosů tepla: vedení (kondukce), proudění (konvekce) a záření (radiace). Všechno teplo je přenášeno jedním z těchto tří typů přenosů, obvykle je kombinací dvou nebo všech tří typů přenosů. Infračervená termografie je pochopitelně nejblíže radiačnímu přenosu tepla, ale důležité je pochopit všechny tři typy, což usnadní pochopení významu IR termogramů.
Přenos tepla VR - ZS 2015/2016
Přenos tepla vedením Přenos tepla vedením se uplatňuje hlavně u pevných těles, ale i u kapalin a plynů. Jde vlastně o přenos vibrací (tepelné kmitání) atomů pevných těles nebo srážek molekul v plynech, čímž dochází k pohybu energie od teplejší molekuly směrem ke studenější. T 1 ΔT dl ΔT = T 1 T 2 T 2 Přenos tepla vedením materiálem síly dl U homogenního materiálu je průchod tepla lineární
Přenos tepla prouděním Přenos tepla prouděním se uplatňuje hlavně u kapalin a plynů. Jde vlastně o přenos vibrací (tepelné kmitání) atomů pevných těles nebo srážek molekul v plynech, čímž dochází k pohybu energie od teplejší molekuly směrem ke studenější. ΔT = T 1 T 2 T 1 (nucené) proudění média T 2 Teplota na povrchu Hraniční vrstva Povrch tělesa
Přenos tepla radiací T1 T2 Wodr + Wproch + Wvyzář těleso - povrch ODRAŽENÁ PROCHÁZEJÍCÍ TEPEL. EN. VYZÁŘENÁ
Např. pro teplotu povrchu absolutně černého tělesa 1600 ºK bude vlnová délka přibližně 1,4 μm (přibližně dvojnásobek vlnové délky viditelného světla, čili infračervená oblast) a spektrální zářivost E λ0 dosáhne hodnoty až 350 [ kcal / m 2 * hod ]. Využití uvedených principů k měření a měřicím přístrojům: a) optický pyrometr --- spektrální zářivosti na zvolené vlnové délce, která se obvykle volí = 0,65 μm (přísluší červené čáře vodíkového spektra b) foto-pyrometr, barvový pyrometr --- vlnová délka se volí z vi-ditelného spektra nebo z infračervené oblasti c) radiační pyrometr, ardometr --- měří celkovou zářivost.
Optický (jasový) pyrometr - měření teploty je založeno na porovnání barvy měřeného povrchu a rozežhaveného speciálního vlákna nebo zeslabováním toku světla (zeslabováním jasu) z povrchu tělesa pomocí např. irisové clonky, rotujícím segmentem,polarizací nebo pomocí předsazeného otočného klínku ze šedého skla - vhodné pro měření teplot vyšších než 1063 ºC (Au)
Optický (jasový) pyrometr zářič červený filtr oko objektiv šedý filtr objektiv měřicí přístroj cejchovaný ve [ºC]
Foto-pyrometr - jako snímač je použit fotocitlivý prvek fotonka, fotodioda, fototranzistor, CCD prvek, atp. - starší provedení používalo exponování na film s vrstvou citlivou na infračervené světlo - teplota se vyjadřovala jako míra zčernání. Barvový pyrometr - principem je rozklad dopadajícího záření ve viditelném spektru na červenou a zelenou složku optickým klínem (hranolem) - teplota je určena polohou klínu, kdy spojením barev vznikne bílé světlo
Radiační pyrometr - dopadající tepelná energie ohřívá teplotní čidlo a převede se na elektrický signál - výhodou je neexistence maxima teploty, kterou lze takto změřit - výborná mechanická odolnost - schopnost měřit bezdotykově - měří i nízké teploty (záleží na čidle a optice)
a to by bylo k informacím o dalších principech snímačů (skoro) vše 18-1a.. VR - ZS 2015/2016
Témata