České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická DIPLOMOVÁ PRÁCE Termografie v elektroenergetice Praha, 2012 Autor: Bc. Jan Sumara
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady ( literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu. V Praze dne podpis i
Poděkování Děkuji především vedoucímu diplomové práce panu Ing. Janu Sovovi za jeho podporu a dobré připomínky, které mě nutily neustále pokračovat v práci. Dále bych chtěl poděkovat zaměstnancům ČVUT FEL z Katedry elektroenergetiky, především Janu Kvasničkovi za jeho pomoc při výrobě experimentálních přípravků. V neposlední řadě bych chtěl poděkovat společnosti Workswell, která mi zapůjčila měřící techniku a prostory pro měření. ii
Abstrakt Tato práce se zabývá bezdotykovým měřením teploty infračervenou termografickou kamerou. V první části popisuje historický vývoj senzorů infračerveného záření, teoretické principy na jejichž základě fungují a rozdělení podle konstrukce detektorů IČ záření. Dále zkoumá nejčastější zdroje chyb a možnosti jejich omezení nebo kompenzace. Experimentálně jsem ověřil účinnost kompenzace zdánlivé odražené teploty na zařízení vlastní konstrukce. Součástí práce jsou také další měření, při kterých bylo použito tohoto zařízení: zkoumání vlivu rozostření infračervené termografické kamery na měřenou teplotu, zjištění emisivity různých povrchových úprav. V poslední části jsme zkoumal emisivitu vodičů venkovního nadzemního vedení. iii
Abstract This Thesis is about non-contact measuring of temperature by infrared thermographic camera. The first part consists of historical evolution of infrared radiation sensor, theoretical principles and construction distribution of infrared radiation sensors. The next part of the thesis deal with the most frequent errors and possibility of its limitation and compensation. My measuring verifies efficiency of compensation reflected apparent temperature on own structure of facility. At the end is describing other measuring with this disposition: investigation of soft focus temperature influence of infrared thermographic camera, detection emissivity of different kind of surfacing. Finally I examine emissivity of overhead line conductors. iv
vložit originální zadánííííííííííííííííí!!!!! v
Obsah Seznam obrázků Seznam tabulek viii x 1 Úvod 1 1.1 Historie.................................... 2 1.1.1 Vývoj detektorů IČ záření...................... 3 2 Teorie 5 2.1 Základní veličiny a pojmy.......................... 5 2.2 Atmosférická okna.............................. 6 2.3 Planckův vyzařovací zákon.......................... 7 2.4 Stefan-Boltzmannův zákon.......................... 9 2.5 Wienův posunovací zákon.......................... 9 2.6 Kirchhoffův zákon termální radiace..................... 9 3 Konstrukce IČT kamery 12 3.1 Optický systém................................ 13 3.2 Detektor IČ záření.............................. 13 3.2.1 Základní parametry IČ detektorů.................. 13 3.2.2 Rozdělení detektorů.......................... 14 3.2.3 Konstrukce.............................. 17 4 Vlivy na přesnost měření 19 4.1 Vlivy okolí................................... 20 4.2 Vlastnosti měřeného objektu......................... 20 4.2.1 Emisivita............................... 21 4.2.2 Rozdělení těles podle jejich emisivity................ 21 vi
4.2.3 Vlivy určující emisivitu........................ 23 4.3 Minimální snímaná plocha.......................... 23 5 Experimentální přípravek 26 5.1 Termostat................................... 26 5.2 Topidlo.................................... 28 5.2.1 Model topidla............................. 29 5.2.2 Konstrukce.............................. 31 5.2.3 Povrchová úprava........................... 33 5.3 Ověření funkčnosti.............................. 33 6 Měření A 35 6.1 Použité přístroje............................... 35 6.2 Vliv zdánlivé odražené teploty........................ 35 6.2.1 Postup měření podle ČSN ISO 18434-1............... 36 6.2.2 Vlastní měření zdánlivé odražené teploty.............. 39 6.3 Měření emisivity............................... 44 6.3.1 Teorie................................. 45 6.3.2 Naměřené hodnoty.......................... 47 6.3.3 Vyhodnocení............................. 48 6.4 Vliv rozostření kamery na průměrnou teplotu............... 48 7 Měření B 51 7.1 Použité přístroje............................... 51 7.2 Popis experimentu.............................. 52 7.3 Naměřené hodnoty.............................. 54 7.4 Vyhodnocení................................. 54 8 Závěr 56 Literatura 57 A Obsah přiloženého CD I vii
Seznam obrázků 1.1 Rozklad světla optickým hranolem [13]................... 2 2.1 Propustnost atmosféry v oblasti IČ záření [14]............... 7 2.2 Grafické vyjádření Planckova zákona.................... 8 2.3 Planckův zákon v dvojrozměrném grafu................... 8 2.4 Grafické vyjádření Wienova posunovacího zákonu............. 10 2.5 Kirchhoffův zákon............................... 10 3.1 Blokové schéma digitální IČT kamery.................... 13 3.2 Rozdělení detektorů IČ záření........................ 15 3.3 Mikrobolometry................................ 18 4.1 Příklady různých těles............................ 22 4.2 Zorné pole IČT kamery............................ 24 5.1 Schéma zapojení termostatu......................... 27 5.2 Návrh desky pošného spoje termostatu................... 28 5.3 Model - tenká kruhová deska......................... 29 5.4 Graf teploty v závislosti na poloměru.................... 30 5.5 Model topidla h = 6 mm, chování v čase................... 30 5.6 Schéma zapojení elektrické části topidla.................. 32 5.7 Tepelné zářiče použité při měření...................... 33 6.1 Situace při měření odražené zdánlivé teploty metodou odrazu....... 37 6.2 Situace při měření odražené zdánlivé teploty přímou metodou, první krok 38 6.3 Situace při měření odražené zdánlivé teploty přímou metodou, druhý krok 38 6.4 Rozložení měřícího pracoviště........................ 40 6.5 Graf δ k = fce( T AB ) - Metoda odrazu................... 41 6.6 Graf δ T = fce( T AB ) - Metoda odrazu................... 41 viii
6.7 Graf δ k = fce( T AB ) - Přímá metoda.................... 42 6.8 Graf δ T = fce( T AB ) - Přímá metoda................... 43 6.9 Porovnání chyby korekce při použití přímé a nepřímé metody....... 44 6.10 Porovnání chyby teploty při použití přímé a nepřímé metody....... 44 6.11 Průběh emisivit různých barev povrchu v závislosti na jejich teplotě... 49 6.12 Porovnání různě zaostřených termogramů.................. 50 7.1 Schéma zapojení, měření emisivit vodičů.................. 52 7.2 Termogram zahřátého vodiče, emisivita nastavena na 1.......... 53 7.3 Emisivita jednotlivých vodičů v závislosti na teplotě............ 55 ix
Seznam tabulek 2.1 Rozdělení elektromagnetického záření.................... 6 4.1 Základní rozdělení těles............................ 22 4.2 Přehled vlivů určujících emisivitu...................... 23 5.1 Seznam použitých prvků........................... 27 5.2 Materiálové konstanty hliníku........................ 29 5.3 Seznam použitých prvků........................... 32 6.1 Tabulka naměřených hodnot......................... 47 6.2 Tabulka naměřených hodnot......................... 48 7.1 Tabulka naměřených hodnot emisivit vodičů................ 54 x
Kapitola 1 Úvod Infračervené termografické kamery (dále IČT kamery) fungují na stejném principu, jako běžné digitální kamery nebo fotoaparáty. Liší se především v tom, jaké spektrum vlnových délek snímají. S tímto faktem jsou spojena specifika této snímací techniky. Běžné kamery pracují v pásmu viditelných vlnových délek λ = 0, 4 0, 75 µm, ale IČT kamery v pásmu infračerveného (dále IČ) záření, které je v intervalu λ = 0, 75 1000 µm. Z takto širokého spektra jsou pro měření využita pouze takzvaná atmosférická okna (viz. 2.2). Každý objekt, který má teplotu vyšší než 0 K ( 273, 15 C), vyzařuje do svého okolí energii v IČ spektru. Velikost této energie je určena vlastnostmi povrchu jako je teplota, emisivita nebo úhlem pozorování a další (bližší vysvětlení v kapitole 4.2.1). Z toho vyplývá, že IČT kamera může měřit, při správném nastavení a zahrnutí vlivů okolního prostředí, s vysokou teoretickou přesností (±0, 25 C až ±0, 15 C) povrchovou teplotu tělesa. V posledních letech se, díky neustálému snižování pořizovacích nákladů na techniku a značnému posunu ve vývoji snímání infračerveného záření využívají v oblastech průmyslu, kde to kvůli jejich ceně dříve nebylo možné. Termografické měření nabízí mnoho specializovaných firem, ale často se při měření dopouštějí chyb, které jsou způsobeny nedodržením doporučených postupů měření. Jedním z cílů této práce je objasnit nejčastější chyby při použití IČT kamer a umožnit tak, minimalizovat vliv těchto chyb na přesnost měření. IČT kamery se používají nejen k diagnostice teplotního pole zařízení (poruchy se často projevují změnami teplotního pole na povrchu) a budov (tepelné mosty, průsaky izolací a jiné poruchy), ale například ve zdravotnictví dokáže detekovat podkožní změny (místa se zvýšeným prokrvením, tam kde být nemají a včasně tak detekovat zhoubný růst tkáně). Vývoj těchto zařízení v minulosti inicializoval vojenský sektor, jeden z hlavních uživatelů termografických systémů. Podobné využití mají v civilních bezpečnostních službách. Dále 1
KAPITOLA 1. ÚVOD 2 Obrázek 1.1: Rozklad světla optickým hranolem [13] mohou sloužit k výzkumným účelů, at už jako nedestruktivní metody diagnostiky materiálů a konstrukcí nebo výzkum klimatických změn Země. Používají se s oblasti požární nebo protiplynové ochrany. Vyrábějí se jako přenosné i stabilní přístroje. Ty se liší pouze oblastí použití, ale konstrukčně jsou stejné. Dále bude popsána historie stojící za vznikem termografie, teoretické základy, které popisují princip fungování, a jednotlivé konstrukční součásti IČT kamery. Byly sestaveny experimentální uspořádání pro měření emisivity a zdánlivé odražené teploty. V následujících kapitolách jsou popsána měření, při kterých byly použity. 1.1 Historie Historie bezkontaktního měření teploty je dlouhá a mohla by být samostatnou prací. Z tohoto důvodu popsány přelomové objevy. V roce 1800 objevil William Herschel infračervené záření při experimentech s rozkladem světla pomocí optického hranolu. Při měření teploty jednotlivých barev spektra zjistil, že je možné měřit zvýšenou teplotu i v části spektra, kde již není záření viditelné. Tohoto výsledku dosáhl, protože použil optický hranol z NaCl (sůl), který propouští infračervené záření, na rozdíl od křemičitého skla, které větší část infračerveného spektra nepropustí. Gustav Kirchhoff formuloval v roce 1859 tzv. Kirchhoffovi termální zákony. Definoval také pojmy a zákonitosti, které s nimi souvisely a to včetně tzv. černého tělesa. V roce 1879 publikovali Josef Stefan a Ludwig Boltzmann tzv. Stefan-Boltzmannův zákon,
KAPITOLA 1. ÚVOD 3 který popisuje intenzitu záření absolutně černého tělesa v závislosti na jeho teplotě. Wilhelm Wien empiricky odvodil tzv. Wienův posunovací zákon, který říká, že maximum vyzařované energie se s rostoucí teplotou posouvá na kratší vlnové délky. Kolem roku 1900 definoval Max Planck zákon, který popisuje výkon vyzařovaný černým tělesem v závislosti na spektru záření (jeho vlnové délce). Je známý jako tzv. Planckův vyzařovací zákon. 1.1.1 Vývoj detektorů IČ záření Možností, jak detekovat IČ záření, je několik a jsou založeny na různých fyzikálních jevech: termoelektrický jev, fotoelektrický jev, změna elektrického odporu materiálu (Bolometr), expanze plynů (Golayův článek), pyroelektrický jev, photon drag efekt, Josephsonův efekt. Více o jevech a detektorech, které je využíívají viz 3.2.2. Bolometr Prvním zařízením na detekci IČ záření byl tzv. bolometr, který sestrojil v roce 1878 americký astronom Samuele Pierpont Langley. Skládal se ze dvou platinových pásků, které byly pokryty černým pigmentem. Jeden z pásků byl vystaven záření a druhý byl před zářením zastíněn. Tím se odpor nezastíněného pásku měnil spolu s intenzitou záření a tato změna odporu byla detekována na wheastonově můstku (pásky jsou zapojeny jako dvě ramena můstku). V roce 1880 byl schopen detekovat teplo z živého skotu na vzdálenost 400 m. Z bolometru byl později v 80. letech 20. století, na popud americké armády, vyvinut mikrobolometr, který umožnil miniaturizaci IČT kamer a jejich použití pěchotou. Váha zařízení klesla z několika kilogramů periferních komponent na jedno zařízení o hmotnosti stovek gramů. Více v kapitole 3.2. Termočlánek Dalším zlomem byl objev termoelektrického jevu v roce 1921, jež uskutečnil německý vědec Thomas Johan Seebeck. Sestrojil termočlánek, který vznikl spojením dvou různých vodičů na obou stranách. Když spoje zahřál na různé teploty, vznikl proudový obvod. Tento obvod generoval magnetické pole vychylující kompas. Seebeck tedy z počátku nevěděl, že vynalezl termoelektrický jev, ale nazval ho jevem termomagnetickým. Toto pochybení záhy napravil dánský vědec Hans Christian Orsted, který objevil vztah mezi
KAPITOLA 1. ÚVOD 4 elektřinou a magnetismem, a definoval pojem termoelektrický jev. Termoelektrický článek využil italský fyzik Leopoldo Nobili při výzkumu tohoto jevu a v roce 1921 sestrojil termočlánkovou baterii. K Nobilimu se připojil další italský fyzik Macedonio Melloni. Spolu zdokonalili baterii a představili ji v roce 1931. Melloni objevu využil pro výzkum IČ záření a zkoumání černého tělesa. Fotodetektor Fotoelektrický jev poprvé pozoroval francouzský fyzik Alexandr Edmont Becquerel v roce 1839, ale bližšího prozkoumání se mu dostalo až v roce 1887 od německých fyziků Heinricha Hertze a Wilhelma Hallwachse. Jev teoreticky vysvětlil v roce 1905 Albert Einstein. Velkým skokem v rozvoji fotodetektorů byla 2. světová válka, tehdy byly vyrobeny fotodetektory na bázi Ti 2 S a PbS. V roce 1987 byl zkonstruován QWIP (Quantum Well Infrared Photodetektor), ale první funkční prototypy se začaly vyrábět až v devadesátých letech. Zpoždění bylo dáno technologickou náročností výroby detektoru, skládá se ze stovek polovodičových vrstev, tloušt ka jednotlivých vrstev není větší než 700 nm.
Kapitola 2 Teorie Výše je naznačen vývoj využitelných detektorů infračerveného záření. Následná kapitola popisuje teoretické předpoklady, užité při sepisování této diplomové práce. 2.1 Základní veličiny a pojmy Energie záření pocházející z tělesa (tepelný sálavý tok) je určena jako: zářivá energie Q T (J) celkové množství energie vyzářené do poloprostoru v celém spektru (všechny vlnové délky) zářivý tok Φ T = dq T (W) výkon přenesený zářením, množství energie přenesené za jednotku času do dt poloprostoru (W) výkon přená- spektrální (monochromatická) hustota zářivého toku Φ T λ = dφ T dλ šený do poloprostoru určitou vlnovou délkou intenzita vyzařování M T = dφ T (W ds m 2 ) zářivý tok vysílaný plochou S povrchu tělesa spektrální (monochromatická) intenzita vyzařování M T λ = dm T (W dλ m 3 ) výkon vyzářený jednotkovou plochou tělesa do poloprostoru určitou vlnovou délkou intenzita záření I(W m 2 sr 1 ) tok energie z plochy tělesa určený prostorovým úhlem vzhledem k normále plochy ds Poloprostor je nad nebo pod rovinou, která dělí prostor na dvě poloviny, často se zobrazuje jako polokoule. Je možné ho vyjádřit jako prostorový úhel 2π sr. Černé těleso je teoretické těleso, které má schopnost vyzařovat energii na všech vlnových délkách bez útlumu a také absorbovat (podle druhého Kirchhoffova zákona 2.6). Pro toto 5
KAPITOLA 2. TEORIE 6 těleso jsou odvozeny zákony jako Planckův, Wienův nebo Stefan-Boltzmannův, které jsou popsány níže. Vlastnosti černého tělesa popsány v kapitole 4.2.2. 2.2 Atmosférická okna Atmosféra není pro elektromagnetické záření absolutně transparentní, ale je propustná pouze v určitých oblastech vlnových délek, tzv. atmosférických oken. V oblastech mimo tato okna je elektromagnetické záření pohlcováno různými prvky, ze kterých je atmosféra složena, jako například skleníkové plyny (CO 2, vodní pára, CH 4 ). Název Gama záření Rentgenové záření Ultrafialové záření Viditelné záření (světlo) Infračervené záření Mikrovlnné záření Rádiové záření Vlnová délka 0, 01 nm 0, 01 nm-10 nm 10 nm-390 nm 390 nm-750 nm 750 nm-1 mm 1 mm-1 m 1 m-10 5 km Tabulka 2.1: Rozdělení elektromagnetického záření Dále se budeme zabývat oblastí infračerveného záření, v tomto intervalu vlnových délek jsou dvě atmosférická okna využívaná v termografii a to intervaly 2 5 µm a 8 14 µm. Propustnost záření v jednotlivých vlnových délkách je patrná z obrázku 2.1. Propustnost závisí na množství jednotlivých skleníkových plynů v okolní atmosféře a její teplotě. Největší proměnlivost vykazuje vzdušná vlhkost (vodní pára), obsah ostatních plynů je v čase téměř neměnný a považuje se za konstantní. Základním parametrem atmosféry je její relativní vlhkost 1 udávaná v procentech. Znalost relativní vlhkosti umožňuje vypočítat útlum atmosféry v určitém spektru elektromagnetického záření (pro tento případ v oblasti zmiňovaných atmosférických oken) jako funkci vzdálenosti (šířky atmosféry) mezi objektem a snímačem záření. 1 relativní vlhkost udává poměr mezi okamžitým množstvím vodních par ve vzduchu a obsahem vodních par při stejném tlaku i teplotě, ale maximálním nasycení
KAPITOLA 2. TEORIE 7 Obrázek 2.1: Propustnost atmosféry v oblasti IČ záření [14] 2.3 Planckův vyzařovací zákon Max Planck definoval rovnici, která určuje kvanta energie přenášená danou frekvencí záření: E = h f, (2.1) kde h = 6, 62606896 10 32 Js je Planckova konstanta a f je frekvence fotonu. Popisuje emisi a absorpci zářivé energie a říká, že se může dít pouze po celistvých násobcích frekvence, tzv. kvantech (fotonech). Tento postulát dovolil Planckovi definovat následující fyzikální zákon (Planckův vyzařovací zákon), který platí pro absolutně černé těleso: M(λ, T ) = 2πhc2 λ 5 (e hc λkt 1 ), (2.2) kde M(λ,T) je celková intenzita vyzařování o teplotě T na vlnové délce λ, c je rychlost světla, h je Planckova konstanta, k je Boltzmannova konstanta a T je termodynamická teplota tělesa v kelvinech. Tímto výše uvedeným vztahem bylo možné vysvětlit chování černého tělesa a je z něj také možné odvodit Stefan-Boltzmannův zákon a Wienův posunovací zákon. Při zobrazení grafu výše v osách x a y je vidět průběh intenzity vyzařované energie v závislosti na vlnové délce pro různé teploty černého tělesa (obrázek 2.3).
KAPITOLA 2. TEORIE 8-9 10-1 MHWm-26.Μm L 4. 10-9 800 2. 10-9 0 0 600 5 ΛHΜmL 10 15 400 Obra zek 2.2: Graficke vyja dr enı Planckova za kona MHWm-2 Μm-1 L 400K 500K 6. 10-9 600K 700K 4. 10-9 800K 900K 2. 10-9 ΛHΜmL 2 4 6 8 10 12 14 Obra zek 2.3: Plancku v za kon v dvojrozme rne m grafu THKL
KAPITOLA 2. TEORIE 9 2.4 Stefan-Boltzmannův zákon Stefan experimentálně stanovil a jeho žák Boltzmann poté matematicky odvodil, že celková intenzita vyzařované energie je: M = σt 4, (2.3) kde M je celková intenzita vyzařování, σ = 5, 670400 10 8 Wm 2 K 4 je Stefan-Boltzmannova konstanta a T je termodynamická teplota tělesa. Rovnici je možné spočítat integrací Planckova zákona přes celé spektrum vlnových délek (0 m m). 2.5 Wienův posunovací zákon Wilhelm Wien empiricky stanovil závislost spektrální hustoty vyzařované energie na teplotě a vlnové délce: λ max = b T, (2.4) kde λ max je vlnová délka s největší energií, b = 2898 µmk je Wienova konstanta a T je termodynamická teplota tělesa. Jinými slovy, s rostoucí teplotou tělesa se zkracuje vlnová délka maxima vyzařované energie (obrázek 2.4). 2.6 Kirchhoffův zákon termální radiace Jinak také nazývaný Kirchhoff-Bunsenův zákon, říká, že těleso vyzařuje stejnou energii, jako při shodné teplotě absorbuje. Jeho interpretace se často dělí na tzv. první a druhý Kirchhoffův zákon. První Kirchhoffův zákon: kde α λ je spektrální absorpce, ρ λ je spektrální reflektance a τ λ je spektrální propustnost. α λ + ρ λ + τ λ = 1, (2.5)
KAPITOLA 2. TEORIE 10 Λ Μm 11 10 9 8 7 6 300 350 400 450 500 550 600 T K Obrázek 2.4: Graf zobrazující posun maxima energie ke kratším vlnovým délkám s rostoucí teplotou Obrázek 2.5: Kirchhoffův zákon
KAPITOLA 2. TEORIE 11 Druhý Kirchhoffův zákon: ϵ λ = α λ, (2.6) kde ϵ λ je emisivita tělesa a α λ je pohltivost materiálu. Tento zákon umožňuje zjišt ování emisivity materiálu pomocí referenčního záření se známou intenzitou.
Kapitola 3 Konstrukce IČT kamery I když je IČ termografická kamera složitý elektrooptický systém, lze funkci digitální IČT kamery rozdělit a vysvětlit na čtyřech samostatných subsystémech (blocích): optický systém - opticky zachycuje infračervené záření z měřeného objektu a soustředí jej na senzor infračerveného záření. Za optický systém považujeme nejen vstupní čočku (nebo soustavu čoček), ale další elektromechanické prvky (závěrka, systém automatického či manuálního ostření, uložení IČ senzoru apod.) senzor infračerveného záření - maticový IČ senzor, který převádí dopadající IČ záření na nosný elektrický signál. Ten je v následujícím bloku digitalizován a zpracován ve výsledný termogram. A/D převodník a zpracování obrazu - A/D převodník převádí analogový signál ze senzoru infračerveného záření na digitální signál, který je dalšími obvody zpracován ve výsledný termogram, uložen na záznamové médium, zobrazen na obrazovku IČT kamery apod. uživatelský interface - zajišt uje zobrazení termogramu na obrazovce IČT kamery, jeho uložení na záznamové médium, komunikaci prostřednictvím dalších interface (USB, Ethernet, FireWire apod.), ovládání kamery apod. Toto rozdělení je platné i v případě analogové IČT kamery, kdy jsou poslední dva bloky nahrazeny analogovými obvody a analogovou zobrazovací soustavou. V případě IČT kamery s rozkladem obrazu je maticový senzor IČ záření nahrazen diskrétním (nebo řádkovým) senzorem a systémem pro rozklad obrazu. 12
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE IČT KAMERY 13 3.1 Optický systém Obrázek 3.1: Blokové schéma digitální IČT kamery Jedná se o systém, který je téměř naprosto shodný s běžnými objektivy, používanými u kamer nebo fotoaparátů. Jediným podstatným rozdílem je materiál vlastního optického systému. Ta je tvořena z germaniového skla, které propouští IČ záření. Pro získání záběrů lepší kvality je povrch čoček ošetřen antireflexními vrstvami. 3.2 Detektor IČ záření Detektor infračerveného záření (IČ detektory) mění energii dopadajícího infračerveného záření na elektrický signál, který je dále digitalizován a číslicově zpracován v termogram. Zářivá energie je na detektor soustředěna optickým systémem tak, aby na povrch detektoru dopadalo tepelné záření z jednoho či více objektů, jejichž povrchová teplota je měřena. IČ detektor je jádrem infračerveného zobrazovacího systému a velkou měrou ovlivňuje jeho výsledné parametry. K výkladu problematiky IČ detektorů je přistoupeno s přihlédnutím ke skutečnosti, že je užitečné, a někdy dokonce nezbytné, mít přehled o různých typech detektorů, jejich základních vlastnostech (přesnosti, teplotní citlivosti, selektivitě apod.), omezeních a funkci. 3.2.1 Základní parametry IČ detektorů Obecně lze detektory infračerveného záření charakterizovat velkým množstvím parametrů, které ovlivňují vlastnosti výsledného termovizního systému. Integrální citlivost - K(VW 1 ) je dána podílem elektrického signálu na výstupu snímače U a zářivého toku ϕ, který dopadá na plochu detektoru:
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE IČT KAMERY 14 K = U ϕ (3.1) Spektrální citlivost - K(λ) udává závislost výstupu snímače U na vlnové délce dopadajícího zářivého toku: K(λ) = U ϕ(λ) (3.2) Časová konstanta - tepelný detektor při skokové změně zářivého toku skokově nezmění svou teplotu, ale jeho teplota narůstá postupně ( teploměr se zahřívá ). Časová konstanta detektoru τ IDC určuje minimální dobu, kterou detektor potřebuje na změření teploty. Například detektor infračerveného záření s časovou konstantou 10 ms potřebuje být vystaven tepelnému záření měřeného objektu minimálně 10 ms. NEP - ekvivalentní šumový výkon - pro určení prahové citlivosti IČ detektorů byl zaveden pojem ekvivalentní šumový výkon, definovaný jako výkon dopadajícího záření, který vytváří na detektoru stejnou efektivní hodnotu napětí, jako je napětí vlastního šumu detektoru. Ekvivalentní šumový výkon označuje zářivý výkon, při jehož detekci je na výstupu detektoru záření poměr signál/šum roven jedné. Tento parametr tak udává minimální intenzitu záření, kterou je schopen senzor detekovat (odlišit od šumu). Čím menší je ekvivalentní šumový výkon, tím lepší daný detektor je, protože je schopen detekovat slabší signály. Detektivita - značí se D, neboli detekční schopnost, je definována jako: D = 1 (3.3) NEP Ze vztahu vyplývá, že čím větší je detektivita, tím slabší signály je daný detektor schopen zaznamenat, nebot ekvivalentní šumový výkon (NEP) je menší. Aby bylo možné porovnávat detektivitu u detektorů různého provedení, zavádí se tzv. normovaná detektivita D, což je detektivita D normovaná na plochu S a šířku kmitočtového pásma f. Oba tyto parametry ovlivňují vlastní šum a tedy i ekvivalentní šumový výkon a normalizací se lze jejich vlivu vyvarovat. 3.2.2 Rozdělení detektorů Detektory se dělí na dvě základní skupiny a to na kvantové (někdy označované jako fotodetektory) a tepelné detektory. Základním rozdílem těchto dvou skupin je, jak inter-
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE IČT KAMERY 15 agují s fotony dopadajícího záření. V kvantových detektorech dochází interakcí vázaných elektronů s fotony a vznikají volné náboje. Tepelné detektory pracují se zářením nepřímo, ohřevem materiálu detektoru se změní jeho fyzikální vlastnosti, které jsou bud měřitelné přímo (elektrické napětí) nebo nepřímo (elektrický odpor). Přesné rozdělení v dnešní době nejpoužívanějších detektorů se nachází v následujícím diagramu. Obrázek 3.2: Rozdělení detektorů IČ záření Kvantové detektory Intrinsické detektory Dělí se na dvě základní skupiny, na tzv. intrinsické fotovodivé detektory a intrinsické fotovoltaické detektory. Intrinsický fotovodivý detektor je sestaven z čistého (nedotovaného) polovodiče. Při ozáření struktury detektoru se mění její vodivost, aby tato změna byla detekovatelná, je nutné přiložit vnější elektrické pole. Změna vodivosti je vyvolána interakcí fotonů záření a atomů polovodičové struktury. Uvolněním elektronu z vazby atomu vzniknou dva nosiče
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE IČT KAMERY 16 náboje ( elektron a díra ). Na rozdíl od dotovaných polovodičů, zde není žádný nosič majoritní ani minoritní, a tak se při změně vodivosti uplatní oba druhy nosičů. Intrinsické fotovoltaické detektory jsou na bázi struktury P-N. Dopadající fotony mohou s materiálem detektoru reagovat několika způsoby. Pro detektor je podstatný ten, kdy foton dodá elektronu vázaného v atomu takovou energii, aby opustil elektronový obal a stal se z něj volný nosič. Vzniká záporný náboj, elektron. Zároveň se uvolněním elektronu z atomu vytvoří kladný náboj, neboli díra. Tyto volné náboje jsou přitahovány strukturou s opačnou orientací, takže elektrony putují do oblasti P a díry do oblasti N. Jejich přesunem vzniká elektrické pole a jeho velikost je závislá na intenzitě dopadajícího záření. Extrinsické detektory Extrinsické detektory jsou podobné intrinsickým, liší se mechanismus uvolnění volného náboje. Detektor je tvořen polovodičovou strukturou, která je dotovaná příměsí. Při interakci struktury s fotonem nejsou volné nosiče uvolňovány ze základní látky, ale z příměsi. Existují jak extrinsické fotovodivé, tak extrinsické fotovoltaické detektory. QWIP Quantum Well Infrared Photo detector je anglický název dalšího typu detektorů. Pracují na podobném principu jako extrinsické detektory. Příměsi nejsou v celém objemu, ale pouze v miniaturních oblastech. Kolem těchto malých vysoce dotovaných center se změní šířka zakázaného pásu a vznikne takzvaná kvantová past (studně, anglicky quantum well). Foton předá energii nutnou k posunu elektronu do vyšší energetické hladiny nejen přímou interakcí s elektronem, ale i s okolní kvantovou pastí. Její průměr se pohybuje od 10 do 100 atomů. Z toho vyplývá, že citlivost QWIP detektorů je vyšší než v předchozích případech. Nevýhodou těchto detektorů je nutnost jejich chlazení na velmi nízké teploty (okolo 65 K). Tepelné detektory Termočlánkové detektory Termočlánek vzniká spojením dvou odlišných kovů, tímto spojením vznikne napětí, které je úměrné teplotě spoje. Kvůli minimalizaci vlivů okolí je nutné termočlánek izolovat. Zároveň je třeba, při snížení intenzity dopadajícího záření, odvést teplo, které je ve článku akumulováno. Tyto dva požadavky jsou v protikladu a při konstrukci je důležité zvolit vhodný kompromis. Z toho vyplývá, že detektory složené z termočlánků (v anglické literatuře označovány Thermopile) nemohou dosahovat takové citlivosti, jako fotodetek-
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE IČT KAMERY 17 tory a jejich výhoda spočívá především, tak jako u ostatních tepelných detektorů, v jejich nízké pořizovací ceně. Piroelektrické detektory Piroelektrické detektory jsou založeny na stejnojmenném jevu. Polarizovaný materiál reaguje na změnu teploty změnou polarizace. Protože reaguje pouze na změnu teploty, je dopadající záření nutné střídavě zastiňovat. Výstupním parametrem je střídavý proud, který je možné dále zesilovat vstupním zesilovačem elektroniky zpracování signálu. Velkou výhodou tohoto typu detektorů je vysoká citlivost ve velkém rozsahu intenzit dopadajícího záření. Bolometrické detektory Jedná se o principialně nejstarší používaný systém detekce IČ záření. Při ohřátí materiálu (Ti, amorfní křemík, polykrystalický SiGe a jiné) se mění jeho elektrický odpor, tato změna se detekuje pomocí Wheastonova můstku. Přesnější popis konstrukce se nachází v následující kapitole 3.2.3. 3.2.3 Konstrukce Protože v technické praxi 1 se používá především bolometrů, dále budou popsány bolometrické detektory. V textu je popsána konstrukce bolometru jako jednotlivého prvku, ale pro složení obrazu je třeba v jednom okamžiku snímat tzv. teplotní pole. Toho se docílilo zmenšením bolometrů a s rozvojem výroby integrovaných obvodů byly umist ovány na čip. Na základním substrátu je pro větší přesnost měření umístěna odrazivá vrstva, nejčastěji z oxidu hliníku. Na této vrstvě jsou na paticích (konektorech) umístěny jednotlivé mikrobolometry (obrázek 3.3a)), které jako celek tvoří mikrobolometrické pole (obrázek 3.3c)). Na substrátu jsou dále umístěny A/D převodníky. Množství jednotlivých prvků pole je jednou z veličin určujících přesnost snímku a jeho kvalitu. Ovšem není možné tvrdit, že velké rozlišení zajistí vysokou kvalitu snímků. Dalším důležitým parametrem jsou vlastnosti optické soustavy (objektivu). 1 myšlena civilní oblast využití, diagnostika zařízení atp.
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE IČT KAMERY 18 a) b) c) Obrázek 3.3: Detailní snímky mikrobolometrů, na obrázku a) model jednoho pixelu snímače (bolometru) [16], b) mikrobolometru pod mikroskopem [15] a c) snímek části mikrobolometrického pole [15]
Kapitola 4 Vlivy na přesnost měření Přesnost měření určuje více faktorů, jde především o vlivy okolí (například teplota pozadí, vlhkost a tlak vzduchu), vlastnosti měřeného objektu a vlastnosti IČT kamery. V komerčně používaných IČT kamerách se kompenzuje pět vlastností okolí a měřeného objektu, které nepříznivě ovlivňují měření: atmosférická teplota, vlhkost vzduchu, vzdálenost od objektu, zdánlivá odražená teplota, emisivita. Z těchto pěti kompenzovatelných chyb se v kapitolách věnovaných měření zabýváme určením emisivity a zdánlivé odražené teploty. Měření mohou ovlivnit další faktory, kterým se lze vyvarovat, ale je nutné vědět, jaké to jsou. Jedná se například o vliv větru a nebo rozptylových podmínek, více v kapitole 4.1. Další možnou chybou je špatné zaostření měřeného objektu. Vliv této chyby je popsán v kapitole měření 6.4. Během pozorování vzdálených nebo malých předmětů je možné při použití špatného objektivu způsobit podobnou chybu, jako při špatném ostření (viz 4.3). 19
KAPITOLA 4. VLIVY NA PŘESNOST MĚŘENÍ 20 4.1 Vlivy okolí Atmosférická teplota je jednou z veličin, určující útlum IČ také omezujícím faktorem použití záření v atmosféře. Je IČT kamery. Rozmezí pracovních teplot je udáváno výrobcem. Tato teplota je u základních modelů běžně mezi 0 C až 50 C a u vyšších řad mezi 15 C až 50 C. Atmosféra obsahuje látky, které pohlcují infračervené záření. Jedná se například o oxid uhličitý, dusík a jiné prvky. Jejich vliv není zanedbatelný, ale téměř se s časem nemění, a je možné korekci pevně nastavit. Mezi tyto látky patří také voda, konkrétně vzdušná vlhkost, která se s časem naopak mění rychle a proto je nutné její vliv korigovat v místě a čase měření. Do IČT kamery se zadává hodnota relativní vzdušné vlhkosti. S tím souvisí i nutnost zjištění vzdálenosti mezi měřeným objektem a snímačem, protože útlum je závislý na vzdálenosti. Měření ovlivňuje nepřeberné množství okolních vlivů a výše zmíněné jsou ty závažné, které jsme schopni do určité míry kompenzovat. Dalším faktorem, kterým je možné zvýšit přesnost měření je výběr vhodné doby měření. Ta nastává, když je odstup teplot měřeného objektu a okolí co nejvyšší a zároveň se v okolí vyskytuje minimum dalších zářičů, které mohou ovlivnit měření (viz 6.2). Při měření v exteriéru je měřený objekt ochlazován prouděním vzduchu, proto je větrné počasí nevhodné, v literatuře se jako maximální přípustná rychlost větru udává 4 ms 1 až 5 ms 1. Důležitý je, pokud možno, čistý prostor mezi objektem na IČT kamerou, to znamená vyvarovat se hustému dešti, sněžení, mlze nebo dnům se špatnými rozptylovými podmínkami (smog). Venkovní měření například probíhají téměř výhradně v zimním nebo podzimním období, kdy je minimálně ovlivňováno slunečním zářením (měřený objekt i okolí nejsou otepleny sluncem). 4.2 Vlastnosti měřeného objektu Intenzita záření, která bude naměřena, závisí samozřejmě na teplotě. Ale to platí bezvýhradně pouze pro černá tělesa, v běžné praxi se samozřejmě nemůžeme dopustit takového zjednodušení a považovat všechna tělesa za černá. Pro kompenzaci chyby se zavádí tzv. emisivita. Emisivita (ε) je materiálová konstanta. Určuje schopnost materiálu vyzařovat energii do okolí. Je závislá na vlastnostech povrchu objektu, tzn. emisivita povrchu jednoho stejného materiálu může nabývat mnoha hodnot a to v závislosti na jeho úpravě (od
KAPITOLA 4. VLIVY NA PŘESNOST MĚŘENÍ 21 oxidace - stárnutí, přes hrubost - leštění a pískování, až po různé nátěry a laky nebo vliv geometrie - tvaru). Proto není možné tuto konstantu určit všeobecně a považovat jí za správnou. Takto by se daly shrnout problémy s přesností určení emisivity v závislosti na povrchové úpravě materiálů, ale existují další parametry, které ovlivňují její velikost. V praxi nás zajímají především tyto: teplota povrchu (T ), úhel pozorování (α), vlnová délka záření (λ). 4.2.1 Emisivita Emisivitu lze popsat jako podíl intenzit vyzařování reálného tělesa a absolutně černého tělesa při stejné teplotě: ε = M T (T ) M CT (T ), (4.1) kde M T (T ) je intenzita vyzařování reálného tělesa přes celé spektrum a M CT (T ) je intenzita vyzařování ideálního černého tělesa v celém spektru. Takto odvozená hodnota se nazývá emisivita a je závislá pouze na teplotě. Z tohoto vztahu můžeme vyvodit, že emisivita tělesa nabývá hodnot: 0 až 1 a zároveň, že emisivita absolutně černého tělesa je: ε = 1. Nevýhodou takové definice je, že nám v podstatě nevypoví, jaké bude mít vlastnosti těleso, které pozorujeme IČT kamerou, protože nikdy nemůžeme snímat celé těleso (ze všech směrů zároveň). Také určení emisivity v celém spektru záření není vhodné, protože termografie využívá pouze úzká pásma, tzv. atmosférických oken (viz 2.2). Další definice emisivity jsou možné, ale ty pro nás nejsou dostatečné. Ideálním určením by byla emisivita, jako konstanta ϵ( λ, Ω, T ), určená v potřebné šířce IČ pásma a prostorovým úhlem, který vymezí možný úhel pozorování na normálu nebo v její blízkosti. V praxi se tedy emisivita neurčuje teoreticky, ale praktickým měřením (viz 6.3). 4.2.2 Rozdělení těles podle jejich emisivity Tělesa se dělí do tří skupin, černá tělesa, šedá tělesa a selektivně emitující tělesa:
KAPITOLA 4. VLIVY NA PŘESNOST MĚŘENÍ 22 Černé těleso ε(α) = 1, konst. ε(λ, T ) = 1, konst. Šedé těleso 0 < ε(α) < 1, proměnná 0 < ε(λ, T ) < 1, konst. Selektivně emitující těleso 0 < ε(α) < 1, proměnná 0 < ε(λ, T ) < 1, proměnná Tabulka 4.1: Základní rozdělení těles podle jejich emisivity ε a vlivu úhlu pozorování (α) Z tabulky vyplývá, že černé těleso je ideálním předmětem zkoumání, ale jedná se pouze o teoreticky definované těleso, které se v přírodě nevyskytuje. Pro potřebu kalibrace bezdotykových teploměrů nebo IČT kamer se používají modely černého tělesa, které se blíží vlastnostem černého tělesa. Tyto modely jsou nejčastěji tvořeny dutinou takových rozměrů a tvaru, aby bylo příchozí záření pohlceno a její stěny měly stejnou teplotu. V praxi se snažíme zaměřit na tělesa, která se blíží definici šedého tělesa, protože ϵ(λ, T ) = konst.. Ovšem jedná se pouze o idealizaci, podobně jako černé těleso. Za šedé těleso je možné uvažovat většinu pevných materiálů v určitých pásmech vlnových délek IČ záření. Naopak emisivita selektivně emitujícího tělesa je funkcí vlnové délky a určení této závislosti je velice komplikované a případná měření intenzity vyzařování takových těles jsou náročná. Mezi selektivní emitory patří například plyny a plastové fólie. M Wm 2 Μm 1 1.2 10 10 1. 10 10 8. 10 11 Cerne teleso Sede teleso Selektivni zaric 6. 10 11 4. 10 11 2. 10 11 5 10 15 20 Λ Μm Obrázek 4.1: Příklady různých těles
KAPITOLA 4. VLIVY NA PŘESNOST MĚŘENÍ 23 4.2.3 Vlivy určující emisivitu V úvodu byly popsány základní vlivy, které určují velikost emisivity. Jejich přehled je v následující tabulce: Vlastnosti tělesa Druh materiálu(kov, nekov,...) Povrch tělesa(drsnost,...) Tvar tělesa(drážky, dutiny,...) Vliv ostatních parametrů Úhel pozorování Teplota(změny struktury tělesa) Vlnová délka záření Tabulka 4.2: Přehled vlivů určujících emisivitu Úhel pozorování α má na velikost emisivity podstatný vliv u šedých a selektivně emitujících těles, jak vyplývá z tabulky 4.1. Některé povrchy mají schopnost vyzařovat do všech směrů stejnou intenzitou, jsou to takzvaná disipativní tělesa (někdy také Lambertův zářič). Takže se jedná o tělesa u kterých je emisivita (reflektance) nezávislá na úhlu pozorování (této vlastnosti se snažíme dosáhnout při tvorbě reflektoru pro měření zdánlivé odražené teploty 6.2). Vliv úhlu pozorování na intenzitu odraženého záření I u takového zářiče lze popsat Lambertovým zákonem (cosinový zákon optiky): I α = I cosα, (4.2) kde I α je intenzita záření tělesa v úhlu α od normály a I je intenzita záření na normále. Opět se jedná o teoretickou vlastnost povrchu a ve skutečnosti se jí lze pouze přiblížit, podobně jako při sestrojení modelu černého tělesa. Běžná tělesa nelze popsat takovouto rovnicí, protože jejich emisivita a reflexivita je závislá na nepřeberném množství vlastností povrchu, některé z nich jsou zmíněny v tabulce 4.2. Pro co nejpřesnější měření je vhodný co nejmenší úhel pozorování. 4.3 Minimální snímaná plocha V předchozí kapitole byla zmíněna možnost chybného měření při pozorování vzdálených nebo malých předmětů, jež je způsobena zářením, které z tohoto předmětu dopadá pouze na malou plochu snímače (rozloží se mezi několik sousedních, ale žádný není ozářen celý). Tento způsobí, že software zpracování obrazu vyhodnotí chybně intenzitu záření
KAPITOLA 4. VLIVY NA PŘESNOST MĚŘENÍ 24 a zobrazovaná teplota je nižší než skutečná. Každá IČT kamera má ve své dokumentaci zadané zorné pole, anglicky Field Of View (FOV). Udává se ve stupních a podle rozlišení detektoru může být různý horizontální a vertikální úhel (například u IČT kametry FLIR T335 s rozlišením 320 x 240 pixelů je 25 x 19 ). S tímto úhlem je z pravidla uvedena minimální vzdálenost mezi kamerou a objektem (0, 8 až 0, 4 m). Podle těchto úhlů a vzdálenosti lze určit velikost snímané plochy (obrazu): S x V = d sin(ϕ) x d sin(γ). Když zmíněné hodnoty vydělíme příslušným rozlišením snímače, vyjde plocha obrazu připadající na jeden pixel. V literatuře [1] se dále udává, že minimální plocha pro správné rozlišení teploty je 3x3 pixely, čili devítinásobek plochy obrazu připadající na jeden pixel. Obrázek 4.2: Zorné pole IČT kamery, A - IČT kamera, B - snímaná plocha (obraz) Tato omezení tedy mohou zabránit detekci rozdílů v teplotním poli, které se projevují na ploše menší než odpovídá předchozím závěrům. Řešením je použití vhodné optiky nebo přiblížení se k pozorovanému předmětu. Běžné IČT kamery mají možnost přiblížení, nejedná se o optický zoom, ale o elektronický zoom. Tudíž výsledný termogram je zatížen stejnou chybou jako snímek bez přiblížení. Absence optického zoomu u většiny komerčně
KAPITOLA 4. VLIVY NA PŘESNOST MĚŘENÍ 25 používaných zařízení je způsobena vysokou pořizovací cenou objektivů.
Kapitola 5 Experimentální přípravek Pro měření A jsme sestavili zařízení, které se skládá z otopné desky a termostatu, tato sestava simuluje měřený objekt a druhá, stejná sestava, představuje zdroj odrážejícího se záření. Jako topný prvek byla zvolena sestava tranzistorů NPN v pouzdře TO220 v zapojení se společným emitorem. Tato konfigurace se vyznačuje nízkým tepelným odporem a nízkou tepelnou kapacitou, což zajišt uje dostatečnou dynamiku systému. Více informací o jednotlivých částech přípravku je v následujících kapitolách. 5.1 Termostat Termostat se v podstatě skládá z Wheastonova můstku. Na jednom rameni je snímací napět ový dělič, který se skládá z odporu a termistoru umístěného na topidle, tvoří snímací dělič teploty. Na druhém rameni je odporový dělič se sériově přiřazeným potenciometrem řídícím velikost napětí na děliči, který tvoří řídicí dělič. Rozdíl napětí je vyhodnocován komparátorem, který při zvýšeném napětí na ovládané straně můstku sepne sestavu topných tranzistorů. 26
KAPITOLA 5. EXPERIMENTÁLNÍ PŘÍPRAVEK 27 Obrázek 5.1: Schéma zapojení termostatu Prvek Hodnota R1, R2 3 kω R3 2 kω 0, 5W R4 TRIMR 100 kω horizontální R5 TRIMR 1 kω horizontální R6 potenciometr 5 kω R7 370 Ω C1,C2,C3,C4 100nF IC1 stabilizátor napětí 7810 IC3 stabilizátor napětí 7805 IC2 OZ MC1458P Tabulka 5.1: Seznam použitých prvků Dalším krokem bylo navrhnout desku plošného spoje, osadit ji a umístit do vhodné přístrojové krabice. Návrh jsem provedl v programu EAGLE, Light Edition a následně vyleptal fotocestou na jednostrannou cuprexitovou desku. Komparátor je realizován operačním zesilovačem (dále OZ) MC1458P, ten vyžaduje
KAPITOLA 5. EXPERIMENTÁLNÍ PŘÍPRAVEK 28 Obrázek 5.2: Návrh desky pošného spoje termostatu symetrické napájení. Je odolný proti možným rezonancím, proto jsme zvolili tento typ i přesto, že vyžaduje složitější řešení napájení. Jak již bylo řečeno výše, při vzrůstu napění na řídicím děliči nad velikost napětí na snímacím děliči, je na výstupu OZ kladné napájecí napětí, velikost proudu do báze tranzistoru je omezena trimrem na potřebnou velikost (viz 5.2.2). Aby nebyl přetěžován přechod báze-emitor při opačné situaci, kdy je na invertujícím vstupu OZ vyšší napětí než na vstupu neinvertujícím, to znamená, že napětí na snímacím děliči je vyšší než na řídicím, je do obvodu báze topného tranzistoru zařazena dioda. Ve schématu zapojení je také zahrnut R4, který měl zajišt ovat hysterezi, ale při měření bylo zjištěno, že tepelná kapacita topidla je taková, že sama o sobě zajistí dostatečné přechodné pásmo mezi sepnutým stavem a vypnutým stavem. 5.2 Topidlo Nejprve byla v programu Wolfram Mathematica provedena simulace topné desky, aby bylo možné zvolit vhodný materiál a rozměry. Přípravek byl modelován jako kruhová deska s jedním tepelným zdrojem ve svém středu.
KAPITOLA 5. EXPERIMENTÁLNÍ PŘÍPRAVEK 29 5.2.1 Model topidla Tepelný zdroj je kruhový, jako deska a přenos tepla probíhá pouze válcovou plochou, kterou se dotýkají. Výpočet proběhl numerickou metodou ve válcovém souřadnicovém systému. Model výpočtu je možné lépe pochopit z následujícího obrázku (5.3). Obrázek 5.3: Model - tenká kruhová deska Jako možné materiály byla zvolena měd a hliník. Měd má nesporné výhody v podobě vysoké tepelné vodivosti a nízké tepelné kapacity. Výhoda hliníku spočívá v jeho nízké ceně a snadné opracovatelnosti, takže byl zvolen hliník. Vlastnosti hliníku uvažované při výpočtu byly následující: tepelná vodivost tepelná kapacita hustota λ = 200 W m 1 K 1 c = 900 J kg 1 K 1 ρ = 2700 kg m 3 Tabulka 5.2: Materiálové konstanty hliníku Vycházelo se z Fourier-Kirchhoffovi rovnice: ρ c( T 0 t + { }} { v T ) = (λ T ) + Q V, (5.1) kde ρ, c a λ jsou materiálové konstanty vypsané v předchozí tabulce, T je teplota, v je rychlost pohybu hranice prostoru určeného rovnicí a je operátor nabla označující gradient ( T ) nebo divergenci( T ).
KAPITOLA 5. EXPERIMENTA LNI PR I PRAVEK 30 K vy poc tu je tr eba urc it poc a tec nı podmı nky, rozloz enı teploty v c ase t = 0 a okrajove podmı nky. Cely zdrojovy ko d se nacha zı v pr ı loze A. Na na sledujı cı ch grafech je pru be h teploty v za vislosti na vzda lenosti od str edu (polome r) po usta lenı pr echodovy ch de ju pro ru zne tlous t ky desky h. T=fceHrL, pri t=7200s TH C L 200 150 100 50 rhml 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 Obra zek 5.4: Graf teploty v za vislosti na polome ru Byla zvolena tlous t ka h = 6 mm a v te to konfiguraci bude chova nı modelu v c ase na sledujı cı : thsl 6000 4000 2000 0 150 100 TH C L 50 rhml0.05 0.10 Obra zek 5.5: Model topidla h = 6 mm, chova nı v c ase
KAPITOLA 5. EXPERIMENTÁLNÍ PŘÍPRAVEK 31 5.2.2 Konstrukce Těleso je tvořeno sendvičovou strukturou složenou ze dvou hliníkových desek o rozměru 200x185x3 mm (šířka x délka x tloušt ka) navzájem pevně spojených šrouby, styčná plocha je ošetřena silikonovou vazelínou. Toto řešení bylo zvoleno, aby se minimalizovaly nežádoucí vlivy spojovacího materiálu využitého ke spojení tranzistorů a desky. Jedná se především o nestejné teploty na ploše topidla. Tranzistory a termistory připevněné na jedné straně desky jsou na ploše styku ošetřeny stejnou tepelně vodivou pastou jako v předchozím případě. Pro dosažení lepších tepelných vlastností byla tato strana tepelně izolována bavlněnou vatou. Topné tranzistory jsou na desce v sestavě po devíti, jedná se o TIP122 (darlingtonovo zapojení). Volbou tohoto prvku jsme docílili dostatečného proudu I CE i přesto, že tranzistory jsou řízeny komparátorem (OZ) v termostatu s normálním (podle dokumentace, příloha??) výstupním proudem 25 až 45 ma, protože proudový zesilovací činitel v zapojení se společným emitorem h 21e = 1000. Výrobce udává, jaký výkon je možné do polovodiče dodávat v závislosti na teplotě obalu, aby nebyla překročena přípustná teplota NPN přechodu. Pro větší spolehlivost byla zvolena maximální velikost ztrátového výkonu na každém prvku 7 W s takovým limitem je bezpečná teplota topidla T max = 130 C. Hodnota ztrátového výkonu není přesná, protože v emitoru tranzistoru je zapojen vazební odpor, který snižuje kladnou zpětnou vazbu tranzistoru, kde s rostoucí teplotou roste proud I CE. U rezistoru roste úbytek napětí s rostoucím proudem I CE, takže působí proti nárůstu proudu obvodem. Celá topná deska je umístěna v dřevěné krabici, která byla vyrobena podle rozměrů topných desek. Jednotlivé díly krabice byly vyrobeny na CNC frézce a poté slepeny. Na zadní straně bedny je umístěna pojistková patice s tavnou pojistkou o hodnotě 5 A a konektory ovládání a napájení. Jsou zde také konektory pro měření napájecího proudu. Měří se úbytek napětí na odporu R = 0, 1 Ω, takže výsledné napětí je desetina skutečné hodnoty proudu. Kvůli lepší stabilitě topidel jsou na spodní straně umístěny gumové podstavce. Výsledná sestava měřícího přípravku se skládá ze dvou topidel (tepelných zářičů), společného ovládání (termostatu) a napájení, které je pro každé topidlo zvlášt. Tepelné zářiče jsou rozlišeny jako zářič A a zářič B.
KAPITOLA 5. EXPERIMENTÁLNÍ PŘÍPRAVEK 32 Obrázek 5.6: Schéma zapojení elektrické části topidla Prvek Hodnota R1, R2,..., R9 3, 3 kω 3W R10, R11,..., R18 3, 6 kω 0, 5W R19, R20,..., R27 TRIMR 2, 5 kω vertikální Q1, Q2,..., Q9 Tranzistor TIP122 Tabulka 5.3: Seznam použitých prvků Ovládání je přivedeno z termostatu a napájení silové části je řešeno universálním napájecím zdrojem pro notebooky s parametry: U = 19 V a I max = 3, 42 A. Při rovnoměrném zatížení bude každou větví topného obvodu procházet I nmax = 0, 38 A, aby zdroj nebyl nepřetěžován, zvolili jsme I n = 0, 35 A. Z těchto hodnot lze vypočítat ztrátový výkon na jednotlivých tranzistorech: P T R = U T R I n (5.2) U T R = U R 1,2,...,9 I n = 19 3, 3 0, 35 = 17, 845 V (5.3) P T R = 17, 845 0, 35 = 6, 246 W (5.4)
KAPITOLA 5. EXPERIMENTA LNI PR I PRAVEK 5.2.3 33 Povrchova u prava Protoz e za kladnı materia l topidla jsou hlinı kove desky, je emisivita povrchu vyuz ı vane ho k me r enı nı zka (typicky se uda va εal = 0, 2), proto je nutne povrch upravit, aby se emisivita zvy s ila. Pouz ili jsme c ernou barvu ve spreji, ktera si zachova sve vlastnosti az do teploty 500 C. Bez dals ı ch u prav dosahuje povrch topidla os etr eny touto barvou emisivity εaln = 0, 95. Okraj topne desky za r ic e A byly, pro na zorny rozdı l emisivit ru zny ch povrchovy ch u prav, ponecha ny v pu vodnı u prave, tedy jako c isty hlinı k. Tepelny za r ic B, byl upraven podobne, pouze okraje nebyly ponecha ny bez u prav, ale jsou take os etr eny barevny m sprejem (konkre tne c ervenou matnou barvou a zelenou lesklou barvou) a pouz ity c erny sprej nenı z a ruvzdorny, jako u tepelne ho za r ic e A. Jeden okraj je os etr en c ervenou matnou barvou a druhy zelenou lesklou barvou. Tato u prava byla zvolena ze stejne ho du vodu, jako v pr edchozı m pr ı pade a ukazuje rozdı ly v emisivita ch ru zne barevny ch povrchu. Obra zek 5.7: Tepelne za r ic e pouz ite pr i me r enı 5.3 Ove r enı funkc nosti Experimenta lnı pr ı pravek jsem po jeho dokonc enı testoval, zde je nastavena teplota stabilnı v c ase. K tomuto jsem vyuz il IC T kameru (FLIR T335, citlivost 0, 05 K), ktera se zame r ila na za r ic (topidlo) me r ila pru me rnou teplotu topne desky. Nastavil jsem teplotu pr es 80 C, jejı pr esna hodnota nenı du lez ita, protoz e jsem kontroloval zme nu v c ase a poc kal na usta lenı pr echodovy ch jevu. Po jejich odezne nı jsem por izoval termogramy
KAPITOLA 5. EXPERIMENTÁLNÍ PŘÍPRAVEK 34 zářiče v intervalu pět minut po dobu jedné hodiny. Z naměřených hodnot vycházela teplotní stabilita obou topidel v rozsahu ±0, 15 K, takže zařízení bylo vhodné pro další měření.
Kapitola 6 Měření A V této kapitole jsme se zaměřili na ověření správné funkce přípravku (5), který jsme dále použili k měření zdánlivé odražené teploty (6.2), emisivity různých povrchových úprav (6.3) a nakonec vliv rozostření IČT kamery na průměrnou teplotu (6.4). 6.1 Použité přístroje Při měření byly použity následující přístroje: experimentální přípravek (kapitola 5), dotykový teploměr TESTO 905-T2, dálkoměr BOSCH DLE 70 Professional, vlhkoměr a teploměr EXTECH instruments FLIR M0297, IČT kamera FLIR T335, 2x multimetr UNI-T UT33A. 6.2 Vliv zdánlivé odražené teploty Při měření teplotního pole objektu je nutné uvažovat i vliv okolních předmětů, například ostatních strojů v tovární hale. Tyto předměty mohou ovlivnit tepelné záření pochá- 35
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A 36 zející z cílového objektu o své záření, které se od cílového objektu odrazí k pozorovateli (objektivu kamery). Toto parazitní záření se, podle normy ČSN ISO 18434-1 [6], nazývá odražená zdánlivá teplota. Měření této teploty je popsáno ve výše zmíněné normě. My se dále budeme zabývat měřením zdánlivé odražené teploty, jejím vlivem na chyby měření a postupem měření. Pro ověření postupů (viz níže) a popsání vlivu zdánlivé odražené teploty na měření jsme sestavili pokusné uspořádání zmíněné v kapitole 5. 6.2.1 Postup měření podle ČSN ISO 18434-1 Níže je sepsaný postup měření, který doporučuje tato norma. Potřebná technika Aby bylo možné změřit odraženou zdánlivou teplotu objektu, jsou potřebná následující zařízení: a) kalibrovaná kvalitativní IČT kamera, která umožňuje termodiagnostikovi zadávat hodnoty odražené zdánlivé teploty T odr a emisivity ε, b) infračervený reflektor (odražeč) jakým je např. zmačkaná a opětovně narovnaná lesklá hliníková fólie, která se připevní na rovnou desku (např. karton) lesklou stranou nahoru. Metoda odrazu Postup pro stanovení odražené zdánlivé teploty T odr musí být tento. a) Na IČT kameře se nastaví emisivita 1, 00 a vzdálenost 0. b) IČT kamera neumístí do požadovaného místa a vzdálenosti od objektu, který se má měřit. IČT kamera se zaměří na měřený objekt. c) Reflektor se umístí do zorného pole IČT kamery tak, že musí být umístěn před objektem a jeho plocha musí být rovnoběžně s plochou měřeného objektu (viz 6.1). Pracuje se v bezpečné vzdálenosti od jakýchkoli potencionálně nebezpečných objektů - těles.
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A 37 d) Bez změny pozice se IČT kamerou změří odražená zdánlivá teplota na reflektoru. Takto zjištěná teplota je v podstatě tou hledanou od objektu se odrážející zdánlivou teplotou T odr. e) Pro větší přesnost se postup uvedený v bodech b) až d) zopakuje nejméně třikrát a z naměřených hodnot se udělá průměr. f) Odražená zdánlivá teplota se kompenzuje vložením zprůměrované hodnoty odražené zdánlivé teploty T odr do vnitřního software IČT kamery (většinou se tato teplota nazývá jako TAM, amb. temp. (ambient temperature - teplota okolí), reflected apparent temperature (odražená zdánlivá teplota), background temperature (teplota pozadí) nebo T refl, T odr, T amb, T okoli ). Obrázek 6.1: Situace při měření odražené zdánlivé teploty metodou odrazu, 1 IČT kamera, 2 Zdroj tepla, který objekt odráží do kamery, 3 - Reflektor rovnoběžný s měřeným objektem, 4 Měřený objekt Přímá metoda Postup pro stanovení odražené zdánlivé teploty T odr přímou metodou musí být následující. a) Na IČT kameře se nastaví emisivita na 1, 00. b) IČT kamera se umístí do požadovaného místa a vzdálenosti od objektu, který se bude měřit. Odhadne se úhel odrazu α a úhel dopadu β při zobrazení objektu IČT kamerou z místa jejího umístění (viz 6.2).
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A 38 Obrázek 6.2: Situace při měření odražené zdánlivé teploty přímou metodou, první krok, 1 - IČT kamera, 2 - Zdroj tepla, který objekt odráží do kamery, 3 - Měřený objekt Obrázek 6.3: Situace při měření odražené zdánlivé teploty přímou metodou, druhý krok, 1 - IČT kamera, 2 - Zdroj tepla, který objekt odráží do kamery, 3 - Měřený objekt
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A 39 c) IČT kamera se umístí před měřený objekt tak, aby byla zaměřena na zdroj odrážejícího se záření a byla s objektem v úhlu, který odpovídá úhlu odrazu α (viz 6.3). d) Pomocí IČT kamery se změří průměrná zdánlivá teplota tohoto zdroje (těchto zdrojů). Využije se jakékoli dostupné funkce kamery (jako je měřící funkce průměrné teploty oblasti), aby se zprůměrovala zdánlivá teplota. Doporučuje se mít na paměti, že je to odražená zdánlivá teplota T odr od měřeného objektu. e) Pro větší přesnost se opakuje postup uvedený v bodech b) až d) nejméně třikrát a z naměřených hodnot se spočítá průměr. 6.2.2 Vlastní měření zdánlivé odražené teploty Při měření jsme postupovali podle metod popsaných v normě ČSN ISO 18434-1 (6.2). Pro ověření postupu při měření nepřímou metodou byly voleny, mimo v normě popsaného, různé druhy reflektorů odrážející se zdánlivé teploty. Dále různé teploty měřeného objektu a zdroje parazitního záření. Měření metodou odrazu Při měření byly jako reflektory použity následující materiály: hliníková fólie stará (reflektor starý 4 týdny), hliníková fólie nová (reflektor sestavený před měřením), lesklý obal od potravin. Před vlastním měřením byla IČT kamera kalibrována podle postupu popsaného v normě ČSN ISO 18434-1. Změřila se vzdálenost mezi objektem a IČT kamerou a zjistila se emisivita povrchu měřeného objektu (viz 6.3). Zářiče byly nastaveny tak, aby se záření ze zdroje parazitního záření odráželo přes měřený objekt do IČT kamery. Rozložení měřícího pracoviště je na obrázku 6.4. Měření proběhlo při různých teplotách měřeného objektu, od teploty okolí po maximální teplotu, která byla s ohledem na vlastnosti použitého spreje stanovena na 80 C a jednotlivé teploty od sebe mají odstup zhruba 10 K. Pro každou teplotu měřeného objektu byla postupně nastavována teplota druhého zářiče v podobném rozsahu. Použitím žáruvzdorné barvy bylo možné nastavit maximální teplotu na 90 C a stejným odstupem,
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A 40 Obrázek 6.4: Rozložení měřícího pracoviště: 1 - IČT kamera, 2 - Měřený objekt (zářič B), 3 - Zdroj odrážející se zdánlivé teploty (zářič A), 4 - Odražené záření, 5 - Záření pocházející z měřeného objektu jako u měřeného zdroje záření. Protože přípravky použité při tomto měření neumožní nastavení přesné teploty, není reálné dodržet odstup jednotlivých teplot. Při každé zadané teplotě se odečítaly tyto údaje dotykovými teploměry: teploty obou tepelných zářičů a průměrné teploty ve vymezené oblasti měřeného objektu (zářič B) pomocí IČT kamery. Při zastíněném odrážejícím se záření (tepelný zdroj A byl přikryt kartonovou deskou) a nezastíněném odrážejícím se záření (mimo těchto teplot byly také uloženy termogramy pro další vyhodnocení), dále byly odečteny odrážející se zdánlivé teploty s různými reflektory. Tabulka naměřených hodnot se, kvůli svému rozsahu, nachází v příloze??. Uložené termogramy byly zpracovány v programu QuickReport od výrobce použité IČT kamery společnosti FLIR. Tímto byly naměřené hodnoty zkorigovány a pro porovnání účinnosti korekce přeneseny do grafů 6.5 a 6.6. Na ose x je vynesen rotdíl teplot zářičů A a B T AB = T A T B. Na ose y je u prvního grafu (6.5) vynesena odchylka korekce δ k, jako podíl rozdílu nekorigované (T N ) a korigované teploty (T K ) od teploty změřené při zastínění (T Z ) tepelného zářiče A, takže δ k = T K T Z T N T Z 100. U druhého grafu (6.6) je na ose y odchylka teploty δ T korigované a měřené při zastínění δ T = T K TZ 100.
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A 41 k 100 80 60 40 20 Obal Al reflektor stary Al reflektor novy 40 20 20 40 60 T AB K Obrázek 6.5: Graf δ k = fce( T AB ) - Metoda odrazu T 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 Obal Al reflektor stary Al reflektor novy 0.5 40 20 20 40 60 T AB K Obrázek 6.6: Graf δ T = fce( T AB ) - Metoda odrazu
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A 42 Měření přímou metodou Měření probíhalo při čtyřech různých teplotách měřeného objektu i zdroje zdánlivé odrážející se teploty. Při každém měření se postupovalo podle návodu popsaného v normě 6.2 a podobně jako v předchozím měření byly zaznamenávány tyto hodnoty: dotykovým teploměrem teplota zářiče A a B termogram zářiče B se zdánlivou odraženou teplotou a při jejím zastínění teplota zářiče A (měřeno jako oblast zahrnující pouze zářič a oblast zahrnující celý obraz snímaný IČT kamerou) V normě není specifikováno, jak přesně zdánlivou odraženou teplotu při použití přímé metody měřit, proto byly zvoleny dvě oblasti měření teploty parazitního zdroje záření (zářič A). Měřící sestava byla použita stejná, jako u měření nepřímou metodou, prostorové uspořádání je na obrázku 6.4. Naměřené hodnoty jsou v příloze A, termogramy byly zpracovány v programu QuickReport od výrobce použité IČT kamery FLIR. Výsledné hodnoty byly vyneseny do grafů, kde je srovnávána účinnost korekce 6.7 a chyba teploty 6.8. Význam popisů os je stejný, jako v předchozím měření. k 150 100 Vyrez z obrazu 50 Cely obraz 40 20 20 40 60 T AB K Obrázek 6.7: Graf δ k = fce( T AB ) - Přímá metoda Hodnocení Při měření nepřímou metodou se vyskytly potíže v podobě použití starého reflektoru záření z hliníkové fólie, protože hliník zoxidoval a ztratil reflexivitu, tím se zvětšila chyba
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A 43 T 8 6 Vyrez z obrazu 4 2 Cely obraz 40 20 20 40 60 T AB K Obrázek 6.8: Graf δ T = fce( T AB ) - Přímá metoda měření. Proto je důležité, aby před každým použitím této metody, byla použita nová hliníková fólie. Rozdíly při použití staré a nové fólie jsou patrné z grafů 6.5 a 6.6. Třetí použitý materiál, potravinový obal se neosvědčil vůbec, především proto, že vykazoval značnou závislost zdánlivé odrážející teploty na teplotě vlastní, což při vyšší teplotě okolí způsobuje značné chyby. Všechny použité reflektory vykazují podobné trendy, při rostoucím rozdílu teplot ve smyslu, že zářič B (měřený objekt) je teplejší, než zářič A klesá význam korekce a roste její chyba. Podle normy je tato korekce nutná pouze do rozdílu teplot menším než 20 K a měření potvrzuje takové tvrzení, v opačném případě naopak její význam roste. Z naměřených hodnot také vyplývá, že odchylka korekce se u nové hliníkové fólie pohybuje v průměru na 46% a naopak u staré fólie je tato hodnota 82%. Měření přímou metodou je náročnější než měření nepřímou metodou, protože je nutné přemist ovat IČT kameru v průběhu měření. Dále norma neuvádí, jaký obraz má být při měření zahrnut, například jestli se má uvažovat pouze část se zdrojem záření nebo celá scéna. Proto byly při měření zaznamenávány průměrné teploty obou oblastí a korekce probíhala také pomocí těchto dvou souborů dat. Výsledky a účinnost těchto korekcí jsou zobrazeny v grafech 6.7 a 6.8. Průměrná odchylka korekce při použití výřezu obrazu, který zabírá pouze zdroj parazitního záření je 87% a pro celý obraz je tato odchylka pouze 23%. Je tedy zřejmé, že se při měření musí zdánlivé odražené teploty ve druhém kroku (obrázek 6.3) musí uvažovat celý záběr kamery a ne pouze jeho výřez. Porovnáním výsledných korekcí s nejmenší chybou dostaneme následující grafy 6.9 a 6.10. Z grafů je patrné, že přímá metoda měření zdánlivé odražené teploty je účinnější
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A 44 při použití jejích výsledků pro korekci této chyby. k 100 80 60 Neprima metoda 40 20 Prima metoda 40 20 20 40 60 T AB K Obrázek 6.9: Porovnání chyby korekce přímé metody (korekce celým obrazem) a nepřímé metody (korekce Al reflektorem-novým) T 0.8 0.6 Neprima metoda 0.4 0.2 Prima metoda 40 20 20 40 60 T AB K Obrázek 6.10: Porovnání chyby teploty při použití přímé metody (korekce celým obrazem) a nepřímé metody (korekce Al reflektoremnovým) 6.3 Měření emisivity Měřením povrchové teploty IČT kamerou dosahujeme vysoké přesnosti a citlivosti na změny teploty. Přesnost je, mimo jiné, limitována přesností určení emisivity povrchu
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A 45 měřeného tělesa. Její znalost je jednou ze základních podmínek správného měření. Více o vlivech na přesnost měření je uvedeno v kapitole 4. V tomto měření byl využit experimentální přípravek z předchozích kapitol. Použity se následující povrchové úpravy: Nástřik tepelně odolným sprejem, nalepení izolační pásky, nástřiky třech barev běžného spreje (černá, zelená, červená). 6.3.1 Teorie Možností, jak měřit emisivitu, je několik. Mezi ty základní patří měření emisivity pomocí dotykového teploměru (kontaktní metoda), upravením měřeného povrchu tak. abychom znali jeho emisivitu (nálepka, nástřik sprejem - metoda využívající materiálu s referenční emisivitou). Potřebná technika a podmínky u všech druhů měření bude následující: IČT kamera, která je zkalibrovaná pro dané podmínky měření (podle relativní vlhkosti okolí, teploty okolí, vzdálenosti mezi měřeným objektem a IČT kamerou a hodnotou zdánlivé odražené teploty) a je u ní možné měnit hodnotu emisivity ε. Dále musí být teplota měřeného objektu alespoň o 20 C vyšší nebo menší od zdánlivé odražené teploty změřené podle postupu v kapitole 6.2. U jednotlivých metod budou připsány pomůcky potřebné k určení emisivity těmito metodami. Kontaktní metoda U této metody je spolu s výše vypsanými zařízeními nutný dotykový teploměr. Emisivita je určena podle teploty naměřené teploměrem, její přesnost je, mimo jiné, limitována přesností měření teploty použitého teploměru - může být naměřena nižší teplota než skutečná. V extrémních případech je možné, aby výsledná emisivita byla vyšší než 1. Proto je nutné na přesnost této metody pohlížet s ohledem na kvalitu dotykového teploměru. Při splnění podmínek, které jsou popsány výše, se nastaví na IČT kameře bod nebo oblast měření, kde se bude zjišt ovat emisivita. Ovšem z hlediska vlastností detektoru je měření průměrné teploty v malé oblasti přesnější než měření pouhého bodu. Se zaměřenou kamerou se po celou dobu nijak nemanipuluje, aby nedošlo ke změně měřících podmínek. Nejdříve se změří teplota v oblasti nebo v bodě, na který je zaměřena IČT kamera, a poté se upravuje emisivita v IČT kameře, tak aby teplota měřená IČT kamerou byla s teplotou naměřenou dotykovým teploměrem shodná. Norma dále doporučuje, pro zvýšení
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A 46 přesnosti, měření alespoň třikrát opakovat a z výsledků spočítat průměr. Referenční metoda Mimo výše sepsanou techniku je potřeba upravit povrch měřeného objektu barvou nebo nálepkou se známou vysokou emisivitou. Při použití této metody je nebezpečí, že úpravou povrchu může dojít ke změně povrchové teploty upravené části objektu, takže výsledné měření bude zatíženo systematickou chybou. Proto je nutné, aby povrchová úprava takový vliv neměla. Měření probíhá podobně jako v předchozím případě. Kamera se zaostří na oblast měřeného objektu, vykompenzuje se zdánlivá odražená teplota a ostatní parametry prostředí. Povrch v bezprostřední blízkosti vybrané oblasti nebo přímo její část, se upraví jedním z výše popsaných způsobů a měřící oblast IČT kamery se zaměří na toto místo. V softwaru kamery se nastaví známá emisivita povrchu a po ustálení teploty upravené části objektu se odečte teplota. Poté se měřící oblast změní na neupravenou část povrchu, blízkou upravenému povrchu nebo se úprava odstraní. Dále se emisivita mění tak, aby teplota změřená v předchozím kroku byla shodná s teplotou odečtenou nyní. Norma opět doporučuje provést měření alespoň třikrát a z hodnot spočítat průměr, kvůli zvýšení přesnosti. Další možnosti měření V této práci nebyly další možnosti měření emisivity využity, ale pro úplnost budou některé zmíněny. Při měření těles, které jsou dostatečně velké, je možné vytvořit model černého tělesa přímo v jejich povrchu. Jedná se o vrt do hloubky šesti násobku jeho průměru. Je nutné, aby masa materiálu byla taková, že tato úprava výrazně neovlivní rozložení teploty v jeho okolí a vnitřní povrch vrtu bude mít homogenní teplotu. Takový model má emisivitu 0, 99 a dále se při měření postupuje obdobně jako při použití referenční metody. Nevýhodou tohoto postupu je nevratné poškození povrchu zkoumaného tělesa. Přesně lze měřit emisivitu pomocí přístroje, který používá dvou laserů o různé vlnové délce. Analýzou intenzity odraženého záření (známe intenzitu dopadajícího záření) můžeme pomocí Kirchhoffova a Planckova zákona dopočítat emisivitu měřeného povrchu.
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A 47 Literatura se také zmiňuje o možnosti měření emisivity jako funkce tepelného toku procházejícího destičkou z měřeného materiálu. Anglicky se nazývá HEAT FLUX- BASED EMISSIVITY MEASUREMENT a podrobně je popsána v [11]. 6.3.2 Naměřené hodnoty Měření probíhalo ve dvou fázích a byla použita pouze dotyková metoda, protože nebyl nalezen vhodný materiál pro referenční metodu. Nejprve byl naměřen nástřik žáruvzdorným sprejem a polepení izolační páskou: Izolační páska Žáruvzdorný černý sprej T ( C) ε ε + T ( C) ε ε + 34,4 0,94 0,95 34,7 0,93 0,94 38,3 0,96 0,98 38,7 0,95 0,97 44,6 0,95 0,96 44,7 0,95 0,96 50,8 0,94 0,95 51,6 0,92 0,93 57,1 0,96 0,97 57,6 0,95 0,96 61,7 0,96 0,97 62,2 0,96 0,97 65,8 0,96 0,97 66,8 0,95 0,96 72,9 0,95 0,96 73,4 0,93 0,94 79,1 0,95 0,96 80,1 0,93 0,94 83,4 0,97 0,98 85,9 0,94 0,95 90,7 0,97 0,98 93,2 0,94 0,94 Tabulka 6.1: Tabulka naměřených hodnot, povrchová úprava: sprej černý (žáruvzdorný), izolační páska (bílá) V druhé fázi byly změřeny nástřiky spreji o stejném složení, ale různých barvách:
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A 48 Černá barva Zelená barva Červená barva T ( C) ε ε + T ( C) ε ε + T ( C) ε ε + 28,5 0,83 0,85 28,5 0,69 0,73 28,5 0,69 0,71 33,5 0,9 0,92 33,5 0,81 0,83 33,5 0,73 0,74 37,8 0,91 0,92 37,8 0,83 0,84 37,8 0,83 0,84 41,5 0,92 0,93 41,5 0,85 0,86 41,5 0,85 0,87 45,3 0,94 0,95 45,3 0,87 0,88 45,3 0,87 0,88 50,6 0,94 0,95 50,6 0,87 0,88 50,6 0,87 0,88 57,6 0,94 0,95 57,6 0,87 0,88 57,3 0,88 0,89 64,2 0,94 0,95 64,6 0,87 0,88 64,1 0,87 0,88 70,5 0,94 0,95 70,5 0,87 0,88 70 0,88 0,89 78,7 0,94 0,95 78,7 0,87 0,88 78 0,87 0,88 86,3 0,94 0,95 85,6 0,9 0,9 86 0,88 0,89 Tabulka 6.2: Tabulka naměřených hodnot, povrchová úprava: sprej (běžný - černý, červený matný, zelený lesklý) 6.3.3 Vyhodnocení Při tomto měření je důležité přesně odečíst teplotu povrchu a zajistit, aby v okolí nebyly žádné tepelné zdroje nebo je alespoň po dobu měření zastínit. Měření mj. ovlivní přítomné osoby, proto je důležité pohybovat se v průběhu měření tak, aby se tělesné teplo neodráželo od zkoumaného objektu do IČT kamery. Z grafu 6.11 je patrné, že při nízkých teplotách měřeného tělesa (teplota tělesa není o 20 K vyšší než okolní prostředí) je u povrchů s nižší emisivitou (ε < 0, 9) vysoký vliv zdánlivé odražené teploty, a tak se emisivita jeví menší než ve skutečnosti. 6.4 Vliv rozostření kamery na průměrnou teplotu Správné zaostření měřeného objektu je podobně důležité jako u fotografie. Navíc při měření povrchové teploty objektu IČT kamerou je motivací jeho kontrola nebo prevence poruch, proto je nutné do snímku zahrnout maximum informací. Při správném zaostření objektu, nebo jeho snímané části, je důležité, aby obraz, promítající se přes optický systém
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A 49 ε 1 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 Cerna zaruvzdorna Izolacni paska Cerna Zelena Cervena 40 50 60 70 80 90 T C Obrázek 6.11: Průběh emisivit různých barev povrchu v závislosti na jejich teplotě zobrazoval na senzoru záření ostrý. Pokud je zaostření chybné, může být zaostřeno před nebo za objekt, obraz na senzoru neodpovídá skutečnosti a je rozmazaný. V takovém případě se záření z jednoho bodu nespojuje v rovině detektoru, ale je rozptýleno po větší ploše, takže se ztrácí informace o intenzitě záření tohoto bodu. Tím pádem je možné, že při snímání objektu se změny teplotního pole na obraze IČT kamery vůbec neprojeví nebo jen v malé míře. Toto bude mít také vliv na měření průměrné teploty ve vybrané oblasti, nezaostřený obraz se nebude správně promítat na detektor záření a oblast měření nebude možné správně vymezit, takže odečet průměrné teploty v měřené oblasti bude nepřesný. Z obrázků je patrné, že vliv na měření průměrné teploty určité oblasti má rozostření pouze, je-li tato oblast ohraničená, například povrchem s jinou emisivitou, tvarem předmětu nebo povrchy s rozdílnou teplotou. Při snímání větší plochy s téměř homogenní teplotou, je vliv špatného ostření neznatelný. Naopak při měření ohraničené oblasti je vliv rozostření značný, jak je vidět na hodnotách průměrné teploty v měřené oblasti (obrázek 6.12).
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A 50 Obrázek 6.12: Porovnání různě zaostřených termogramů, ve sloupci A jsou zaostřené obrazy, B zaostřeno před objekt a C zaostřeno za objekt
Kapitola 7 Měření B Cílem této kapitoly bylo stanovit emisivitu venkovních nadzemních vodičů. Ty je možné rozdělit na dvě základní skupiny: izolované a neizolované. Izolované vodiče nacházejí využití především v oblastech, kde je vyšší riziko styku vodiče s neživými částmi nebo mezi sebou, například kvůli podrostu nebo okolním konstrukcím. Toto řešení je běžné zejména u napět ové hladiny nízkého napětí. Pro vyšší napět ové hladiny se u nadzemních vedení nepoužívají. Neizolované vodiče se používají od hladiny nízkého napětí až po napětí zvláště vysoké. 7.1 Použité přístroje Při měření byly použity následující přístroje: dotykový teploměr TESTO 905-T2, dálkoměr BOSCH DLE 70 Professional, vlhkoměr a teploměr EXTECH instruments FLIR M0297, IČT kamera FLIR T335, laboratorní zdroj Manson SDP2603. 51
KAPITOLA 7. MĚŘENÍ B 52 7.2 Popis experimentu Pro měření bylo nutné vzorky vodičů zahřívat na takovou teplotu, aby se snížil vliv zdánlivé odražené teploty, to znamená na teplotu alespoň o 20 C vyšší. Protože se jednalo o vzorky s vysokou elektrickou vodivostí a velkém průřezu, nebylo vhodné je zahřívat přímým průchodem proudu, proto byl zvolen nepřímý ohřev. Na vzorek (vodič) byl navinut topný vodič, jedná se odporový drát z konstantanu izolovaný silikonovou bužírkou 1, připojený na zdroj stejnosměrného napětí. Délka drátu byla volena, podle průřezu vodiče, mezi 1 m nebo 2 m. Topné vinutí bylo rozprostřené po délce vzorku kromě střední části, ve které byl ponechán 5 cm široký prostor pro měření. Obrázek 7.1: Schéma zapojení Při měření byly použity tři vzorky vodičů: AlFe lano je v České republice nejčastěji používaným typem nadzemního vodiče. Jedná se o jednoduchý koncept, u kterého je nosná část (Fe lano) opleteno vodivou částí (Al lano). AAAC lano je některých zemích (např. Francie) standardně používané, ale většinou se využívá pro speciální aplikace. Celohliníkové lano (anglický název: All Aluminium 1 výhodnou vlastností silikonu je jeho stálost i při provozních teplotách nad 200 C (krátkodobě až 320 C)
KAPITOLA 7. MĚŘENÍ B 53 Alloy Conductor), nejedná se o čistý hliník, ale z jeho slitiny (častými příměsemi bývá křemík a magnesium), jeho výhodou je nízká hmotnost při zachování srovnatelných elektrických vlastností jako u AlFe lan. AlFe vodič je odlišný od předchozích vzorků především tím, že se nejedná o lano. Tento vodič se používá na hladině vysokého napětí, patří do skupiny vodičů s vysokou provozní teplotou (více než 150 C) a je vlastně alternativou k vedení na vyšší napět ové hladině. Jeho nevýhodou jsou Jouleovy ztráty, které rostou s teplotou, čili s teplotou rostou také provozní náklady. Vodič se skládá z ocelové trubky, nosná část (přebírá veškeré mechanické namáhání), na které je navinut hliníkový vodič (tvoří hladký povrch - jednotlivé dráty do sebe zapadají). Uspořádání měření bylo takovéto: IČT kamera byla zaměřena na vzorek tak, aby střední část vzorku s prostorem pro měření byla ve středu záběru. Dále byla zvolena oblast měření teploty, která pokrývá střed vzorku. Emisivita byla zjištěna pomocí kontaktní metody popsané v kapitole 6.3.1. Při měření se teplota odečítala dotykovým teploměrem a bezprostředně poté byl uložen termogram vzorku. Po měření bylo možné vyhodnotit termogramy v programu FLIR QuickReport, kde je možné dodatečně měnit parametry měření, mimo jiné také emisivitu. Nastavováním její hodnoty se přepočítává průměrná teplota v měřené oblasti a při správném nastavení emisivity se shoduje s teplotou zaznamenanou pomocí dotykového teploměru. Obrázek 7.2: Termogram zahřátého vodiče, emisivita nastavena na 1