Školení CIUR termografie 7. září 2009 Jan Pašek Stavební fakulta ČVUT v Praze Katedra konstrukcí pozemních staveb
Část 1. Teorie šíření tepla a zásady nekontaktního měření teplot
Terminologie Termografie Obecně zahrnuje metody pro zobrazování teplotních polí na povrchu snímaných těles (rozložení povrchových teplot), které je reprezentováno energií a hustotou fotonů emitovaných z povrchu snímaného tělesa a jeho vyhodnocením kvantifikací Infračervená (IČ, IR) termografie (termovize) Metoda (ale i systém) zobrazující, analyzující a vyhodnocující informace o rozložení povrchových teplot a detekující teplotní anomálie Termokamera Přístroj nekontaktním způsobem snímající vyzařované IR záření a transformující lidským okem neviditelný reliéf teplotního pole na povrchu snímaného objektu na viditelný obraz (barevný nebo černobílý) Proces zobrazení Konverze intenzity IR záření do digitálního výstupu pro další zpracování ve viditelném spektru
Terminologie Infračervené (IR) záření = tepelné záření Neviditelná část záření elektromagnetického spektra projevující se tepelnými účinky; záření s vlnovou délkou v intervalu přibližně 0,78 μm až 1 mm; tepelný tok ve formě vyzařovaného nebo pohlcovaného elektromagnetického záření a šířící se rychlostí světla i ve vakuu Viditelné záření Záření odpovídající spektrální citlivosti lidského oka, leží v rozsahu vlnových délek cca 0,38 až 0,78 μm Teplo Energie dodávaná nebo odevzdávaná v důsledku rozdílů teplot [J] Zdroj tepla Každý objekt s teplotou vyšší než 0 K (tzn. všechny objekty kolem nás); přenos tepla z tělesa (i na těleso) se vedle vedení a proudění děje prostřednictvím radiace (sáláním) v infračervené části elektromagnetického spektra (záření, pohlcování, odrážení, propouštění)
Terminologie Tepelný tok Teplo dodané za jednotku času [W = J/s] Hustota tepelného toku Tepelný tok připadající na jednotku plochy, postavenou kolmo ke směru šíření tepla [W/m 2 ] Teplota Veličina vyjadřující tepelný stav dané látky nebo tělesa [K, C] Termodynamická teplota Je definována druhou větou termodynamiky a přiřazením hodnoty 273,16 K teplotě trojného bodu vody (směs ledu, vody a vodní páry) Celsiova teplota Je definována vztahem t = T 273,15; teplota trojného bodu vody je 273,16 K = 0,01 C, teplota bodu mrazu je 0,00 C = 273,15 K
Terminologie Zpracování signálu Proces převedení teplotního signálu na viditelný obraz pro účely dalšího vyhodnocení Zdánlivá teplota Nekompenzovaná hodnota snímání intenzity tepelné radiace obsahující veškeré tepelné toky dopadající na detektor kamery ze všech zdrojů Odražená zdánlivá teplota Zdánlivá teplota okolních objektů odrážená povrchem snímaného objektu na detektor termokamery Zeslabující (pohltivá) prostředí Okna, filtry, atmosféra, vnější optika, některé materiály oslabující intenzitu záření emitovaného ze zdrojů Cíl Povrch snímaného objektu
Pracovní (měřící) vzdálenost Terminologie Vzdálenost mezi zájmovým povrchem a termokamerou, obvykle objektivem (příp. detektorem) SP02 11,0 C Pro L = 5 m: SP01 = 2,8 C SP02 = 5,5 C Pro L = 50 m SP01 SP01 = 2,8 C -1,0 C SP02 = 5,7 C
Prostorové rozlišení snímání Terminologie Rozměr měřícího bodu na povrchu zájmového objektu v závislosti na pracovní vzdálenosti snímání (vyjadřuje se buď v miliradiánech nebo poměr velikosti jednoho snímaného bodu a pracovní vzdálenosti) Termogram Grafický záznam (teplotní mapa) vyjadřující šedými nebo barevnými odstíny rozložení intenzity infračerveného záření z povrchu zájmového objektu Izoterma Vyznačené rozhraní mezi dvěma intervaly teplotního rozmezí Druhy zdrojů tepla Absolutně černé těleso, šedá tělesa a obecné (reálné) zářiče, mezi které patří veškeré stavební objekty; specifickým případem je absolutně lesklé těleso; jejich charakteristiku lze provést pomocí koeficientů emisivity a reflexe jejich povrchu
Terminologie Emisivita ε Poměr intenzity vyzařování daného tělesa k intenzitě vyzařování absolutně černého tělesa při stejné teplotě a stejném spektrálním rozsahu; nabývá hodnot v intervalu ε [0; 1] [-] Reflexivita ρ Vlastnost povrchu snímaného objektu (stejně jako emisivita), definovaný jako poměr celkové intenzity vyzařování tělesa k celkové intenzitě záření na těleso dopadající; vypočítává se jako ρ = 1 - ε - τ, nabývá hodnot v intervalu ε [0; 1] [-] 11,0 C Pro ε = 1: (0 C / -15 C) SP01 = 3,5 C; SP02 = 6,1 C SP02 SP01-1,0 C Pro ε = 0,9 (0 C / -15 C) SP01 = 5,3 C; SP02 = 8,2 C
Terminologie Dokonale černé těleso (ideální zdroj IR záření) Objekt pohlcující (absorbující) veškeré na něj dopadající záření bez ohledu na jeho vlnovou délku a úhel dopadu a současně vyzařující (emitující) při dané teplotě maximální možnou energii záření na všech vlnových délkách tzv. difúzním rozptylem; ε = 1 [-] Šedé těleso Objekt s emisivitou ε < 1, ovšem konstantní hodnoty bez ohledu na vlnovou délku záření; emise záření má rovněž difúzní charakter, tzn. že jeho intenzita nezávisí na jeho směru Ideální lesklé těleso (dokonalé zrcadlo) Objekt, který veškeré na něj dopadající záření odrazí zpět do prostoru tzv. zrcadlovým odrazem (úhel odrazu je roven úhlu dopadu); vůbec nevyzařuje vlastní záření, veškeré jeho záření pochází z odrazu záření vnějšího; dokonalé zrcadlo se vyznačuje hodnotami ε = 0 a ρ = 1
Terminologie Reálné zdroje (reálné zářiče) IR záření Vyznačují se proměnlivostí ε v závislosti na vlnových délkách záření λ; nepatří mezi difúzní zdroje záření, tzn. že vykazují směrovou závislost emisivity, nepohlcují veškeré dopadající záření: 0 < ρ < 1 a 0 < ε < 1
Transmisivita (propustnost) Terminologie Část IR záření, dopadajícího na povrch zájmového objektu, prostupující jeho tělesem; τ = 1 - ε - ρ, pro černé těleso τ = 0 [-] Tepelná vodivost Vyjadřuje schopnost látky vést teplo, je to hustota tepelného toku při jednotkovém teplotním gradientu [W/m2K] Elektromagnetické spektrum Všechny skupiny vlnových pásem radiace; pohyb elektromagnetického vlnění je spojen s přenosem energie, proto je nazýván zářením. Elektromagnetické spektrum obsahuje záření gama, rentgenové, ultrafialové, viditelné, infračervené, mikrovlnné a radiové. Všechny tyto formy radiace se shodně šíří rychlostí světla (c = 2,9979 10 8 m.s -1 ve vakuu) a podléhají stejným zákonům. Jediný rozdíl mezi nimi spočívá v jejich rozdílné vlnové délce λ resp. frekvenci f; vzájemný vztah těchto veličin je: f = c / λ [Hz]
Terminologie Objektiv termokamery Soustava čoček z vhodného, pro danou spektrální oblast transparentního materiálu; zobrazuje snímanou scénu (objekt s pozadím) do obrazové roviny; soustředí divergentní (rozbíhavé) paprsky signálové radiace z každého bodu předmětu do odpovídajícího bodu v obrazové rovině Detektory IR záření Měřící elementární detektory mikrobolometry, tj. prvky zpravidla čtvercového tvaru o velikosti cca 50 μm uspořádané do detekčních mozaik s matricí např. 320 240 (v tomto případě se tedy jedná o 76800 měřících bodů pixelů pracujících v reálném čase). Detektor, resp. každý pixel detektoru, snímá signál ze scény (radiační tok), který je úměrný průmětu detektoru do předmětové roviny a transparenci optické soustavy a atmosféry, převádí tuto zářivou energii na analogový signál, který je pro každý řádek detektoru digitalizován (pro výše uvedenou matrici je v jednom řádku 320 pixelů) výstupní signál detektoru je tedy potom v digitální formě
Způsoby šíření tepla
Způsoby šíření tepla 1. Vedením (kondukcí) - Probíhá v pevných látkách, za jistých okolností i v kapalinách a plynech - Transport tepla ve směru klesající teploty - Uskutečňuje se mezi bezprostředně souvisejícími částicemi tělesa, ve kterých je teplotní rozdíl, anebo mezi dvěma tělesy o různých teplotách, které mají rozdílné teploty - Ustálené (stacionární) teplotní pole teplota se s časem nemění - Neustálené (nestacionární) teplotní pole teplota je funkcí času - Parametr vyjadřující schopnost látky vést teplo: součinitel tepelné vodivosti λ [W/mK] - hustota tepelného toku při jednotkovém teplotním gradientu na jednotku tloušťky
Stacionární a nestacionární průběhy teplot v konstrukci
2. Prouděním (konvekcí) Způsoby šíření tepla - Probíhá pouze v kapalinách a plynech - Transport tepla přirozeným nebo nuceným prouděním teplonosné látky - Parametr šíření tepla prouděním součinitel přestupu tepla α [W/m2K] vyjadřuje sdílení tepla mezi tekutinou a tuhou látkou, tj. hustotu tepelného toku mezi tekutinou a tuhou látkou při jednotkovém teplotním rozdílu mezi nimi
Způsoby šíření tepla 3. Sáláním (radiací) - Část spektra elektromagnetického záření, přenášející záření mezi tělesy bez ohledu na to, zda jsou odděleny vakuem nebo látkovým, pro záření prostupným prostředím - Uskutečňuje se převážně infračerveným (tepelným) zářením (vlnová délka 0,78 μm až 1 mm), částečně světlem (0,38 až 0,78 μm) a částečně zářením ultrafialovým (0,10 až 0,78 μm)
Způsoby šíření tepla - Parametr šíření tepla zářením zářivý tok P [W] vyjadřuje výkon přenášený zářením, tj. podíl energie přenášené zářením a příslušného času - Zářivý tok dopadající na těleso je částečně pohlcován, částečně odrážen a částečně propouštěn (parametry pohltivost A = P A / P e, odrazivost R = P R / P e, propustnost T = P T / P e ) - Možné případy: - A = 1 dokonale černé těleso - R = 1 dokonalé odrazivé těleso - T = 1 dokonale průteplivé těl. - T = 0 zpravidla pevná tělesa - R = 0 plyny - A = cca 0 plyny
34,8 C 21,7 C Spektrální propustnost pro IR záření materiálu ve viditelném spektru neprůhledného
Fyzikální popis IR radiace Stefan-Boltzmannův zákon M e (T) = ε.σ.t 4 [W.m -2 ] (celkový zářivý výkon generovaný z jednotky plochy obecného zdroje na všech vlnových délkách při dané teplotě) Wienův zákon posuvu λ max = 2898 / T [μm] (závislost vlnové délky maximální intenzity vyzařování na teplotě černého tělesa) ε koeficient emisivity povrchu tělesa [-] T absolutní (termodynamická) teplota tělesa [K] σ = 5,67 10-8 [W.m -2.K -4 ] (Stefan-Boltzmannova konstanta).
Základní fyzikální vztahy pro kvantifikaci vyzařování Planckův vyzařovací zákon v energetickém tvaru M e,λ (λ,t) = 2 10-6 π.ε.h.c 2.λ -5.(e hc/λkt 1) -1 [W.m -2.μm -1 ] (spektrální intenzita vyzařování obecného tělesa v závislosti na jeho absolutní teplotě) ε koeficient emisivity povrchu tělesa [-] λ vlnová délka emitovaného záření [m] T absolutní teplota tělesa [K] h = 6,6256 10-34 [J.s] (Planckova konstanta) c = 2,9979 10 8 [m.s -1 ] (rychlost světla ve vakuu) k = 1,3805 10-23 [J.K -1 ] (Boltzmannova konst.)
Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie Emisivita ε = M / M b [-] (poměr vyzařování obecného tělesa M k vyzařování černého tělesa M b při stejné teplotě) Pohltivost A = P A / P e [-] (poměr tělesem pohlceného zářivého toku a zářivého toku dopadajícího na povrch tělesa) Kirchhoffův zákon ε = A (emisivita povrchu při dané teplotě je rovna pohltivosti povrchu při stejné teplotě)
Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie 1 tmavé nekovy, 2 světlé nekovy, 3 oxidy kovů, 4 kovy
Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie 10,0 C 10,0 C SP01 SP01-10,0 C -10,0 C ε = 0,97 SP01 = 1,9 C SP01 = 2,6 C SP01 = 2,0 C SP01 = 2,8 C 10,0 C 10,0 C SP01 SP01-10,0 C -10,0 C
Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie 10,0 C 10,0 C SP01 SP01-10,0 C -10,0 C ε = 0,9 SP01 = 2,6 C SP01 = -2,1 C SP01 = 1,5 C SP01 = -4,1 C 10,0 C 10,0 C SP01 SP01-10,0 C -10,0 C
Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie Relativní hodnoty zdrojů záření τ = 0,88 T refl = 20 C T atm = T e = 20 C (T obj = T ep ) 5,0 C -5,0 C
Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie ozn. materiál T při ε při ε = 0,96 T = 19,3 C 1 vápen. malba 19,3 0,96 2 papír 19,8 0,87 3 polykarbonát 20,2 0,85 4 zrcadlo (sklo) 20,4 0,89 5 nopovaný PE 19,3 0,96 6 textil 19,8 0,93 7 Al folie 29,2 0,41
Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie 13,6 C 7,7 C SP01-61,8 C -62,7 C 5,0 C -25,0 C
Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie 8,0 C 13,0 C SP01 SP02 SP01 SP02-8,0 C -4,0 C 0,97 / 0 C / 0 C SP01 = -2,9 C SP02 = -5,5 C 8,0 C 0,9 / 0 C / -70 C SP01 = 1,5 C SP02 = -0,9 C 0,97 / 0 C / -70 C SP01 = -1,5 C SP02 = -4,1 C SP01 SP02-8,0 C
Optické a energetické vlastnosti skel (podobný princip atmosféra) Tok energie procházející zasklením: τ světlo propuštěné zasklením, ρ odražené světlo, R odrazivost záření, A pohltivost záření, A 1, A 2 záření pohlcené sklem, T A záření od pohlcené části, g celková energetická propustnost
Spektrum elektromagnetického vlnění a vlnový rozsah IR zobrazovacích systémů Faktory ovlivňující nekontaktní termografii
Transparence atmosféry pro IR záření, atmosférická okna
400,0 C 20,0 C 400,0 C 20,0 C
8,2 C 5 Děkuji 0-5 -7,4 C 42,5 C 40 30 za pozornost 20 10 7,9 C