1 Bezkontaktní měření teplot a oteplení Cíle úlohy: Cílem úlohy je seznámit se s technologií bezkontaktního měření s vyhodnocováním tepelné diagnostiky provozu elektrických zařízení. Součastně se seznámit s metodami stanovení emisivity povrchů některých materiálů. 1.1 Zadání Změřte bezkontaktní metodou oteplení na kontaktu pojistky s přechodovým odporem a bez přechodového odporu dále změřte teplotu různých vzorků a vypočítejte emisivitu jednotlivých vzorků. 1.2 Teoretický rozbor úlohy Výhody bezkontaktního měření teploty : 1. Je rychlé (v milisekundovém rozsahu) - šetří se čas a navíc umožňuje uskutečňovat mnohem více měření. 2. Umožňuje měření teploty pohybujících se objektů (rotujících součástí, výrobků na dopravnících apod). 3. Může se bezpečně provádět měření na nebezpečných nebo nesnadno dostupných objektech (součásti pod elektrickým napětím, pohyblivé součásti, vzdálené objekty). 4. Lze bez problémů měřit i velmi vysoké teploty (nad 1300 C). V těchto případech není vůbec možno použít dotykových teploměrů, nebo mají velmi omezenou životnost. 5. Není zde žádné ovlivnění měřeného objektu - není z něho při měření odebírána žádná energie. Například v případě špatných vodičů tepla, jako jsou plasty nebo dřevo, jsou měření ve srovnání s dotykovým měřením velmi přesná bez zkreslení měřených hodnot. 6. Není zde riziko kontaminace a nejsou zde žádné mechanické účinky na povrch měřeného objektu. Nedojde tedy např. k poškrábání lakovaných povrchů a je možno měřit i měkké povrchy. Měření v potravinářství je naprosto hygienické. Zásady při měření IR teploměrem 1. Měřený objekt musí být pro infračervený teploměr opticky (infračerveně opticky) viditelný. Vysoké úrovně kouře nebo prachu snižují přesnost měření. Pevné překážky, jako jsou uzavřené kovové reakční nádoby, dovolují pouze povrchová měření - vnitřní teplota v nádobě nemůže být takto měřena.
2. Optika čidla musí být chráněna před prachem a kondenzujícími kapalinami (výrobce pro to dodává příslušná zařízení). 3. Je možno měřit pouze povrchovou teplotu, přičemž je nutno brát v úvahu různou emisivitu jednotlivých materiálů. Infračervený měřicí systém Měřený objekt Obrázek 1-1: Infračervený měřící systém Každé uskupení hmoty o teplotě nad absolutní nulu (0 K = -273,15 C) vysílá infračervené záření, odpovídající jeho teplotě. To se nazývá charakteristické záření. Jeho příčinou je vnitřní mechanický pohyb molekul. Intenzita tohoto pohybu závisí na teplotě objektu. Protože pohyb molekul představuje přemísťování náboje, je vyzařováno elektromagnetické záření (fotonové částice). Tyto fotony se pohybují rychlostí světla a chovají se dle známých optických zákonů. Mohou být odkláněny, soustředěny čočkami nebo odráženy odraznými povrchy. Spektrum tohoto vyzařování pokrývá vlnové délky od 0,7 do 1000 µm. Z tohoto důvodu toto záření nemůže být normálně viditelné pouhým okem. Tato oblast vlnových délek leží za červenou částí viditelného světla a nazývá se proto "infra"-červená. Obrázek 1-2: Elektromagnetické spektrum s rozsahem od 0,7 do 14 µm užívané pro měřicí účely
Následující diagram ukazuje vyzařování tělesa při různých teplotách. Jak je patrno, tělesa při vysokých teplotách vyzařují ještě i malé množství viditelného záření. Na diagramu je rovněž vidět, že maximum vyzařování se posunuje směrem ke stále kratším vlnovým délkám když roste teplota měřeného objektu a že křivky tělesa se při různých teplotách nepřekrývají. Vyzařovaná energie v celém vlnovém rozsahu (plocha pod každou křivkou) roste se 4. mocninou teploty. Tyto vztahy byly zjištěny v r.1879 Stefanem a Boltzmannem a ilustrují, že z vyzařovaného signálu lze jednoznačně určit teplotu. Obrázek 1-3: Vyzařovací charakteristiky černého tělesa v závislosti na jeho teplotě Z obrázku je patrné, že ideální by bylo nastavit infračervený teploměr na co nejširší možné vlnové pásmo, aby získal co nejvíce energie (odpovídající ploše pod křivkou), neboli signálu z měřeného tělesa. Jsou však určité případy, v kterých to není vždy výhodné. Například na diagramu intenzita vyzařování při 2 µm roste mnohem více se zvyšováním teploty než při 10 µm. Čím větší je rozdíl vyzařování při určitém teplotním rozdílu, tím přesněji infračervený teploměr pracuje. Podle posunu maxima vyzařování ke kratším vlnovým délkám s rostoucí teplotou (Wienův zákon posunu) odpovídá rozsah vlnových délek měřicímu teplotnímu rozsahu pyrometru. Při nízkých teplotách infračervený teploměr pracující při 2 µm by přestával pracovat pod 600 C a neviděl by téměř nic, neboť by bylo příliš málo vyzařované energie. Dalším důvodem pro výrobu přístrojů s různými vlnovými rozsahy jsou vlastnosti emisivity některých materiálů známých jako "ne-šedá tělesa" (např. sklo, kovy a plastové povlaky). Diagram zachycuje vyzařování ideálního, tzv. "černého tělesa". Mnoho těles však emituje při stejné teplotě méně energie. Vztah mezi skutečnou vyzařovanou energií a energií vyzařovanou černým tělesem stejné teploty je znám jako emisivita ε (epsilon) a může mít maximální hodnotu 1 (těleso v tom případě odpovídá ideálnímu černému tělesu) a minimální hodnotu 0. Tělesa s emisivitou menší než 1 se
nazývají šedá tělesa. Tělesa, jejichž emisivita závisí rovněž na teplotě a vlnové délce se nazývají ne-šedá tělesa (non-gray bodies). Kromě toho je celkové množství vyzařované energie složeno ze záření emitovaného (E), odraženého (R) a procházejícího (T) a je rovno 1, viz následující rovnici: E + R + T = 1 Kromě záření emitovaného měřeným objektem čidlo rovněž přijímá odražené záření a může také případně přijímat záření procházející měřeným objektem. U pevných těles není žádné procházející záření v infračerveném pásmu (T = 0). Výsledkem je, že pro emisi platí: E = 1 - R Ideální černé těleso má také nulovou odrazivost (R = 0), takže E = 1. Mnoho nekovových materiálů jako je dřevo, plasty, guma, organické materiály, kámen nebo beton mají povrch, který odráží velmi málo, a proto mají vysokou emisivitu mezi 0,8 a 0,95. Naopak kovy - zvláště ty s leštěným nebo lesklým povrchem - mají emisivitu kolem 0,1. Infračervené teploměry to kompenzují nabídkou proměnných hodnot nastavení faktoru emisivity. Obrázek 1-4:Charakteristické vyzařování při různých emisivitách Určování emisivity Pro stanovení emisivity měřeného objektu jsou různé metody. Zaprvé můžete vyhledat emisivitu mnoha často používaných materiálů v tabulce. Tabulky emisivity také pomáhají nalézt správné pásmo vlnových délek pro daný materiál a tím zvolit správný měřicí přístroj. Zvláště v případě kovů by se hodnoty v těchto tabulkách měly používat pouze orientačně, protože povrchové podmínky (např. povrchy leštěné, zoxidované nebo zvrásněné) mohou ovlivnit emisivitu více než materiály samy o sobě. Je možné určit emisivitu konkrétního materiálu různými metodami. Pro to potřebujete pyrometr s možností nastavení emisivity. Pro měření v našem případě využijeme jednoduchou metodu pro stanovení emisivity pevných látek pomocí přesného termočlánku. Postup stanovení naleznete v postupu měření.
Měření kovů Emisivita kovů závisí na vlnové délce a teplotě. Protože kovy často odrážejí dopadající záření, mívají nízkou emisivitu, která může způsobovat odchylné a nespolehlivé výsledky. V takovém případě je důležité zvolit přístroj, který měří infračervené záření při určité vlnové délce a v rozmezí určitého teplotního rozsahu, ve kterém kovy mají nejvyšší možnou emisivitu. U mnoha kovů chyba měření roste s vlnovou délkou, což znamená, že by se pro měření mělo použít co nejkratších vlnových délek. - viz následující obrázek: Obrázek 1-5: Chyba měření v případě 10% chyby v nastavení emisivity závisí na vlnové délce a teplotě měřeného objektu. Optimální vlnová délka pro vysoké teploty je u kovů kolem 0,8 až 1,0 µm, na okraji viditelného rozsahu. Možné jsou také vlnové délky 1,6, 2,2 a 3,9 µm. Dobrých výsledků je možno dosáhnout použitím poměrových pyrometrů v případech (např. zahřívacích procesech), kde se teplota mění v relativně širokém rozsahu a emisivita se mění s teplotou. Optika infračervených teploměrů Optický systém infračervených teploměrů zachycuje infračervenou energii vyzařovanou z kruhové měřené plochy a soustřeďuje ji na detektor. Měřený objekt musí úplně vyplňovat tuto měřenou plochu, jinak teploměr "vidí" jiné teplotní vyzařování z pozadí, což způsobuje nepřesnost naměřených hodnot:
Obrázek 1-6: Měřený objekt musí úplně vyplňovat měřenou plochu Optické rozlišení D : S je definováno jako vztah mezi vzdáleností měřicího přístroje od měřeného objektu (S) a průměrem měřené plochy (D). Čím větší je tato hodnota, tím lepší je optické rozlišení měřicího přístroje a tím menší může být měřená plocha při dané vzdálenosti. 1.3 Schéma zapojení Obrázek 1-7: Optický diagram infračerveného čidla. a)křížový laser b)dvoubodový laser
1.4 Postup měření 1. Podle schéma zapojení sestavte obvod pro bezkontaktní měření teplot. 2. Na zatěžovacím rezistoru nastavte jezdec do první poloviny jeho rozsahu. 3. Pomocí laserového zaměřovače IR teploměru Optris nainstalujte teploměr pro přesné měření teploty na přechodovém odporu. 4. Spustíme program Optris, připojíme přístroj k PC a nastavíme parametry měření Obrázek 1-8: Nastavení parametrů záznamu měření v programu Optris 5. Spustíme záznam měření pomocí příkazu START v programu Optris. 6. Zapněte zdroj a pomocí autotransformátoru nastavte proud 10 A. Po ustálení teploty záznam ukončíme příkazem STOP, naměřené hodnoty uložíme a měření opakujeme od bodu 3 pro měření kontaktů nožové pojistky. 7. Pomocí dotykové a bezdotykové metody změřte teploty na zkušebních vzorcích a zapíšeme do tabulky. Obrázek 1-9: Tepelná diagnostika rozvodného zařízení a stanovení emisivity materiálů
8. Z naměřených teplot vypočítejte emisivitu jednotlivých materiálů a porovnáme s teoretickou hodnotou. Při určování emisivity budeme vycházet ze vztahu:.. Kde: - emisivita materiálu. - teplota naměřená pomoci termočlánku. teplota naměřená pomocí IR teploměru - nastavená emisivita v IR teploměru Optris 9. Naměřené a vypočtené hodnoty zapište do tabulky a průběh oteplení vyneste do grafu Shrnutí: Hlavními výhodami bezdotykových teploměrů jsou rychlost a snadnost měření, možnost měření i vzdálených nebo pohybujících se předmětů a předmětů pod napětím, neovlivňování měřeného povrchu a schopnost měřit i vysoké teploty. Lze nimi měřit pouze povrchovou teplotu. Emisivita je mírou schopnosti daného předmětu vyzařovat infračervenou energii, která nese informaci o jeho teplotě. Emisivita může nabývat hodnot od 0 (lesklé zrcadlo) do 1,0 (černé těleso). V této úloze jsme si předvedli správné používání IR teploměru v oblasti diagnostiky elektrických zařízení a změřili emisivitu povrchů jednotlivých matriálů.