Základy pyrometrie - pyrometrie = bezkontaktní měření teploty 0.4 µm... 25 µm - 40 0 C... 10 000 0 C výhody: zanedbatelný vliv měřící techniky na objekt možnost měření rotujících nebo pohybujících se těles možnost měření rychlých teplotních změn lze snímat a zobrazovat celé povrchy těles termovize nevýhody: chyba způsobená nejistotou stanovení emisivity měřeného tělesa chyba způsobená prostupností prostředí chyba způsobená odraženým zářením z okolního prostředí
Planckův zákon: M 0 = 5 e c 1 c 2 T 1 M o - spektrální hustota intenzity záření [W/m 2 ] C 1 = 3,74.10-16 Wm 2 C 2 = 1,44. 10-2 W dφ mk M = M = 2 m ds Stefan-Boltzmanův zákon: M 0 = M 0 d = σ T 0 4 M [W.cm. m ] -2-1 µ 0 10 4 10 2 10 0 10-2 10-4 3000K 1000K 500K 300K 200K 77K σ = 5,67.10 10-8 Wm 2 K -4 10-6 10-1 10 0 10 1 10 2 viditelné spektrum: 0.4.. 0.78 µm 10 3 [m] µ
Wienův zákon: T < 0,1c 2, T < 3000 zjednodušený Planckův zák.: M 0 = c 5 e 1 C 2 T K M [W.cm. m ] -2-1 µ 0 10 4 10 2 10 0 10-2 10-4 3000K 1000K 500K 300K 200K 77K Wienův posunovací zákon: m = b T s rostoucí T klesá a naopak 10-6 10-1 10 0 10 1 10 2 10 3 [m] µ b = konst. = 2898 µmk
Lambertův zákon: L 0 ϕ = konst. I zářivost: d Φ = d Ω L zář: = ds di cos Φ (W)... zářívý výkon (tok) ϕ I ϕ = I N cos ϕ = L ϕ S cos ϕ = L ϕ S n
pohltivost α = Φ Φ p d prostupnost τ = Φ Φ t d α Φ p Φ d τ Φ t Φ d - pohltivost pro danou vln. délku -pohlcený tok -dopadající tok - prostupnost pro danou vln. délku -prostupující tok -dopadající tok!! vztahy jsou pro monochromatické záření - 1 vlnová délka!! odrazivost ρ = Φ Φ r d ρ Φ r Φ d - odrazivost pro danou vln. délku -odražený tok -dopadající tok emisivita M α = f ( T, )
- atmosférická prostupnost 25 o C: 100 τ [%] HO 2 CO 2 HO 2 0 HO 2 HO 2 CO 2 1 CO 2 2 3 4 5 6 [m] µ 100 τ [%] HO 2 CO 2 0 7 8 9 10 11 12 13 14 15 [m] µ - pro reálná tělesa platí vztah: M = εm 0 ; M = ε M0
propustnost optiky 100 τ 80 (%) 60 40 křemen 20 0 safír BaF 2 MgF 2 ZnSe KBr Ge 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Si 300K 77K ( µ m)
Pyrometrie = bezkontaktní měření teloty termočlánkové baterie senzory infračerveného záření Bolometry pyroelektrické detektory polovodičové (kvantové) detektory hlavní problémy: emisivita: neznámá závislá na vlnové délce závislá na teplotě závislost na úhlu k měřenému povrchu pohltivost prostředí
Okolní vlivy na přesnost IR teploměru
metody: úhrnný pyrometr - především termočlánkový jednopásmový pyrometr ( jasový ) dvoupásmový pyrometr 1. termočlánková baterie - konstruována jako tenké kovové pásky nebo Si technologií - často umístěna ve vakuové baňce parametr pro výběr materiálu: Z = 2 α σ typ 18 500 o Ca víc typ 7-18 µm
Mikrobolometr SCD 2001.PPT odporový senzor teploty spojen se substrátem jen tenkými přívody
3. Pyroelektrické detektory pyroelektrický jev = změna spontánní polarizace P S při změně T materiály: TGS, PZT, LiTaO 3, PVDF pyroelektrický koeficient: p = P S T T pyroelektrický + čip se zesilovačem transparentní elektroda pyroelektrikum nutná rotující clona S elektroda
4. Kvantové (fotoelektrické) detektory D * 1/2 1 (cm Hz W ) 10 15 10 14 10 13 10 12 10 11 10 10 10 9 10 8 10 7 10 6 Si CCD HgCdZnTe 293 K PbSe 243 K HgCdZnTe 243 K teoretické maximum fotonapěťových detektorů termoelek. detektor pyroelek. detektor 0 2 4 6 8 10 12 b) ( µ m) Relativní citlivost (detektivita) infračervených detektorů
Pyrometry úhrnné pyrometry jednopásmové dvoupásmové 1. Úhrnné radiační pyrometry - vyhodnocení teploty podle Stefan-Boltzmanova zák. M = T S skutečná teplota T 0 černá teplota = teplota černého zářiče M intenzita záření 4 0 M0d = σt 0 σ = 5,67.10 10-8 Wm 2 K -4 -pyrometry jsou výrobcem cejchovány podle černého tělesa -tepelné záření se na senzor zaostřuje soustavou čoček nebo zrcadlem
σ 4 4 ( T0 TA) = ετ pσ ( T0 TA) 1 T S = ( T0 TA) 4 + T ετ p A 1.2 ε (,T) 1 černé těleso 1 L 0 0,8 0,8 0,6 emisivita 0,6 0,4 měřené 0,4 těleso 0,2. L 0,2 ε 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 µ [m] ε dt T S S = 0,25 dε ε ε - emisivita τ p prostupnost atmosféry τ OP prostupnost optiky Φ Z tok ze zářiče Φ PO tok z pouzdra detektoru
OS521 26 000 Kč Přesnost: ±1% ze čtení, rozsah: -18 až 540 C, optika 20:1 OS530L 11 000 Kč přesnost: ±1% ze čtení, rozsah: -18 až 538 C, optika 10:1, bodové laserové zaměřování
2. Jednopásmové pyrometry -typ polovodič. senzor + filtr -monochromatické pyrometry existují jen teoreticky ( ef, ε ef ) 1 c c2 c2 Ω oπ 5 T o o 5 T S T S dt T S S = c 2 e 1 T = c 2 S = dε ε ε Ω τ π Toc 2 + To ln( ε τ ) = 1 µ T = 1000K c 2 = 1,44.10-2 mk c e 1 L 1,2 černé těleso ψ L 0 1 měřené 1 těleso 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0,5 1 1.5, 2 2,5 3 3,5 4 [m] µ ε ψ, ε (,T)
Jasový pyrometr (typ jednopásmového pyrometru) 1 1 = + T S T 0 ln( ε τ ) c 2 α =1 τ T T - c S 0 2 - skutečná teplota měřeného předmětu [K] - teplota naměřená pyrometrem[k] je vlnová délka [m] - konstanta, c ε - emisivita 2 = 1,44.10 τ - spektrální propustnost α - spektrální pohltivost - 2 [m.k]
Určení emisivity ε: 1. z tabulek 2. kalibrací nekovové materiály 0,85-0,9 neoxidované kovy 0,5-0,2 Al, Au, Ag 0,02-0,04 u kovů, Si, keramiky ε T
termovize Technické parametry: Teplotní rozlišení: 0,1 při 30 C Rozsah zaostřování: 0,4 m až nekonečno Detektor PbSe: chlazený termometrický Frekvence snímání: 15 Hz Výstup video: RS 170 Rozměry: 98 220 8,3 mm Hmotnost: 1,5 kg Pracovní teplota: -10 C až + 50 C Rázy / Vibrace: 25 g / 2 g Rozlišení hledáčku: 400 řádků Hmotnost 0,85 kg Příkon 7 W AGEMA 210
Long Range Thermal Imager
Senzory ionizujícího záření
Senzory ionizujícího záření α = He 2+ γ, X... elmag β = e, e + n aktivita [Bq] (Becquerel) A = A e 0 T...rozpadová konstanta dávka [Gy] (Gray) = [J/kg] A = 0.5 T T 1/ 2 D = dn dt = e T 1/ 2 1 / 2 = ln 0,5 = ln 0,5 / dε dm Počet přeměn 1Ci = 3,7.10 10 Bq Curie ~ 1 g radia ε... střední sdělená energie dávkový příkon D & = dd dt
Proporcionální detektory Oblast III - lavinovitá nárazová ionizace => proudový impulz Amplituda impulzů proporcionálního detektoru
G M detektory (Geiger Müller) Lavinovitá ionizace nezávisí na druhu částic ani na energii Zhášení výboje - elektronicky (Rs) - prostorovým nábojem kolem anody Těžké molekuly org. látek nebo halogenů => konečná životnost mrtvá doba ~ 10-4 s
Scintilační detektory Princip: transformace ionizující záření => fotony Scintilátor je spojen s fotodnásobičem, který převede emitované fotony na elektrický impulzní signál luminiscence Scintilační jednotka = scintilátor + fotonásobič Energie fotonů => energie elektronů na fotokatodě
Scintilační detektory Fotonásobič 10 6 (10 8 ).. Násobí elektrony SC scintilátor F fotokatoda D dynody nejúčinnější nejdražší nízkointenzivní zdroje
Polovodičové detektory Dopad γ fotoefekt (absorpce fotonu, e - => ) Comptonův jev (každý ráz fotonu) vznik párů (e - + e + ) malá šíře zakázaného pásu vynikající spektrometrické vlastnosti výhody: malá š. zak. pásu -> jen 3 ev pro vznik páru (1/10 plyn det.) problém: tepelný proud -> PN přechod v závěr. směru
Polovodičové detektory Struktura PIN detektoru intrisická vrstva Ge (Li) 77k Si (Li) 150-200k
Polovodičové detektory Principiální zapojení a náhradní schéma zapojení PIN detektoru