Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace © 2010 - Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2010/2011 6.1a6.1a.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace © 2010 - Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2010/2011 6.1a6.1a."— Transkript prezentace:

1 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace © Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2010/ a6.1a

2 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2010/2011 A Úvodní pokračování - 1. díl o emisivních principech snímačů …………

3 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 povrchovém vyzařování Princip snímačů je založen na povrchovém vyzařování, které každé těleso vysílá do chladnějšího okolního prostředí v určitém frekven- čním spektru = emituje tepelné záření. V principu se jedná o měře- ní zářivosti povrchu tělesa. Obvykle je toto záření (tepelná emise) v infračerveném frekven- čním spektru. Existenci infračerveného záření objevil v roce 1800 Sir William Herschel

4 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 celková zářivost Celková energie, kterou těleso vyzáří jednotkovou plochou svého povrchu za jednotku času je celková zářivost - ta je závislá na ab- solutní teplotě tělesa ( T [ ºK ]) podle „Planckova zákona“ zachy- cujícího i vliv materiálu vyzařujícího povrchu. Každé těleso s t > 0 ºK vyzařuje elektromagnetické záření.

5 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Hodnota spektrální zářivosti je dána základním vztahem: E λ = dE / dλ kde E … je celková zářivost λ … vlnová délka záření (čím je > absolutní teplota, tím bude < λ ). Intenzita vyzařování je dána Planckovým zákonem: E oλ = A λ * C 1 / (λ 5 * ( e k – 1 )) pro k = C 0 / ( λ * T ) kdeA λ … poměrná pohltivost sálajícího tělesa C 0 … vyzařovací konstanta = 3,17 * kcal * m 2 /hod C 1 … vyzařovací konstanty = 0,01438 m o K T … absolutní teplota.

6 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Srovnávací „nulou“ je vyzařování absolutně černého tělesa (tzv. platinová černá), které má poměrnou pohltivost A λ = 1 např. leštěný Al má A λ = 0,05 (0,04 až 0,07), zlato A λ = 0,025, struska A λ = 0,67 až 0,97.

7 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Zjednodušená forma… Wienův zákon – platnost je omezena na malé hodnoty součinu λ * T – tj. pro obor krátkovlnného (ultra- fialového) spektra: E oλ = ( C 1 / λ 5 ) * e m pokudm = C 2 / (λ * T ) >> 1.

8 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Každé těleso s t > 0 K vyzařuje elektromagnetické záření Termografie využívá měření v infračerveném pásmu (IČ).

9 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Rozložení vlnových délek podle použití elektromagnetického spektra

10 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Rozložení vlnových délek podle použití elektromagnetického spektra

11 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Rozložení vlnových délek pro viditelné světlo (rozklad barev)

12 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Rozložení vlnových délek pro viditelné světlo (rozklad barev)

13 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Rozložení vlnových délek pro viditelné světlo (rozklad barev) – pro denní a noční období

14 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010

15 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Zatímco přenos energie světla se děje ve viditelné oblasti spektra od 0,4 µm do 0,75 µm, přenos tepla radiací zabírá oblast spektra mezi 0,75 µm a asi 100 µm (ačkoliv většina praktických měření se provádí v okolí 20 µm). Všechny povrchy těles, které jsou teplejší než absolutní nula, vysí- lají energii v infračerveném spektru. Velmi teplá tělesa ve spektru viditelného světla. Topná tělesa elektrických kamen s teplotou 800 °K žhnou tmavě rudě, a jak vychládají tak ztrácejí viditelnou čer- venou barvu, ale teplo vyzařují radiací. Energie vyzařovaná radiací je cítit rukama.

16 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Z hlediska charakteristiky IR radiace se rozlišují tři typy povrchů těles: černého tělesa, šedého a našedlého (tzv. reálného nebo spektrálního tělesa). Černé těleso Černé těleso definujeme jako teoretický povrch (v praxi neexistu- je), který má jednotkovou emisivitu v celém rozsahu vlnových dé- lek a absorbuje všechnu radiační energii, která na něj dopadá. Emisivita reálného tělesa je definována jako poměr radiačních energií emitovaných při stejné teplotě z povrchu daného tělesa a tělesa černého. šedé Povrchy mnohých těles jsou šedé, což znamená, že emisivita tělesa je téměř konstantní s měnící se vlnovou délkou.

17 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010

18 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Infračervená radiace ze zkoumaného tělesa prochází na své cestě k snímači (čidlu) v přístroji různými medii – pro vakuum neztrácí žádnou energii. V praxi ale je médiem vzduch. Pro krátké vzdálenosti, např. několik metrů, lze vliv vzduchu za- nedbat. Pokud tato vzdálenost naroste – je zdrojem chyb. Dva spektrální intervaly, které jsou relativně prosté ztrát z absorp- ce. Jde o tzv. atmosférická „okna" v pásmu 3 – 5 µm a v pásmu 8 – 14 µm. Většina přístrojů, pracujících v oblasti infračerveného spektra pracuje proto v těchto „oknech". Termokamera snímá obrázky v okně pásma 8 – 14 µm.

19 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Snímače založené na pyrometrických vlastnostech těles vhodných materiálů se vyrábí ze sloučenin baryumtitanát. stronciumtitanát, berowski a dalších. Spektrální rozsah, v němž může přístroj měřit bývá 0,1 až 200 μm - maximum rozsahu od 0,5 do 1000 μm. Měření je vždy závislé na hodnotě emisivity ε, která je pro každý materiál (vyzařující materiálový povrch) různá. Vyhodnocovací část měřicího přístroje sleduje množství celkově vyzářené energie.

20 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Příklady hodnot emisivity různých hmot Nekovové materiály0,85 až 0,9 Neoxidované kovy0,2 až 0,5 Al, Au, Ag0,02 až 0,04 Stavební materiály a konstrukce0,85 až 0,95

21 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Nejdůležitější okrajové podmínky jsou: emisivita povrchu (0 až 1) odražená energie (od okolních konstrukcí) vzdálenost mezi objektem a kamerou relativní vlhkost a teplota vzduchu chybám Při nevědomosti, jak mohou okrajové podmínky ovlivnit měře- ní se lze dopracovat k chybám dosahujících několik set procent. s rostoucí emisivitou se snižuje vliv odražené energie propustnost atmosféry

22 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Radiační teploměry neboli pyrometry mohou pracovat na těchto hlavních principech: * měření spektrální závislosti na zvolené vlnové délce – obvykle se volí délka λ = 0,65 μm (červená čářa vodíkového spektra * měření zářivosti ve zvoleném rozsahu (oboru) vlnových délek – fotopyrometry a barvové pyrometry – nejčastěji se volí část spektra mezi 0,35 a 0,7 μm, případně i nad 0,7, což je oblast infračervená * měření celkové zářivosti – radiační pyrometry, termovize, ardo- metry.

23 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Základní typy pyrometrů - spektrální – využívají monochromatické záření - úzkopásmové – citlivé na poměrně přesné vymezení λ - širokopásmové – využívají celé spektrum záření - jasové – srovnání jasu pomocného tělesa s měřeným jasem - barvové srovnávací – porovnává se barevný vjem směsné barvy získané ze dvou barev měřeného tělesa vzhledem k předem zvolené barvě srovnávacího zdroje záření - barvové poměrové – poměr záření měřeného tělesa v růz- ných spektrálních rozsazích - intenzivní – srovnává se intenzita vyzařování jen v urči- tém spektrálním rozsahu.

24 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Přenos tepla Teplota je mírou termální energie obsažené v jakémkoli objektu. Teplota kteréhokoliv objektu se dá změřit množstvím metod a prostředků a je definován teplotní stupnici. Teplota nám ve své podstatě říká, kterým směrem poteče tepelný tok mezi dvěma objekty.

25 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Přenos tepla vedení (kondukce), proudění (konvekce) a záření (radiace). Existují 3 základní typy přenosů tepla: vedení (kondukce), proudění (konvekce) a záření (radiace). Všechno teplo je přenášeno jedním z těchto tří typů přenosů, obvy- kle je kombinací dvou nebo všech tří typů přenosů. Infračervená termografie je pochopitelně nejblíže radiačnímu pře- nosu tepla, ale důležité je pochopit všechny tři typy, což usnadní pochopení významu IR termogramů.

26 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Přenos tepla

27 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Přenos tepla vedením Přenos tepla vedením se uplatňuje hlavně u pevných těles, … ale i u kapalin a plynů. Jde vlastně o přenos vibrací (tepelné kmitání) atomů pevných těles nebo srážek molekul v plynech, čímž dochází k pohybu energie od teplejší mole- kuly směrem ke studenější. T1T1 T2T2 ΔT = T 1 – T 2 ΔTΔT Přenos tepla vedením ma- teriálem síly dl dlU homogenního materiálu je průchod tepla lineární

28 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 Přenos tepla prouděním Přenos tepla prouděním se uplatňuje hlavně u kapalin a plynů. Jde vlastně o přenos vibrací (tepelné kmitání) atomů pevných těles nebo srážek molekul v plynech, čímž dochází k pohybu energie od teplejší moleku- ly směrem ke studenější. ΔT = T 1 – T 2 T1T1 T2T2 (nucené) proudění média Povrch tělesa Hraniční vrstva Teplota na povrchu

29 T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ Přenos tepla radiací těleso - povrch T1T1 T2T2 ODRAŽENÁ PROCHÁZEJÍCÍ TEPEL. EN. VYZÁŘENÁ W odr + W proch + W vyzář © VR - ZS 2009/2010

30 Celková vyzářená energie za jednotku času z jednotkové plochy povrchu tělesa: E λ = dE / dλ kde: E … zářivost povrchu E λ … spektrální zářivost pro danou vlnovou délku λ dané- ho záření. T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010

31 Celková zářivost dokonale černého (povrchu) tělesa Celková zářivost dokonale černého (povrchu) tělesa je dána Stephan – Boltzmanovým zákonem E 0 = ∫ E λ0 * dλ = c 3 * T 4 | od 0 do  pro c 3 = 4,9 * [kcal / m 2 * hod * ºK ]. Velikost hodnoty E λ0 je funkcí vlnové délky λ a teploty T – čím je vyšší teplota tím je nižší hodnota λ – pro maximum λ m platí „Wienův zákon“: λ m = 0, / T[ m, -, ºK ] T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010

32 Např. pro teplotu povrchu absolutně černého tělesa 1600 ºK bude vlno- vá délka přibližně 1,4 μm (přibližně dvojnásobek vlnové délky viditelného světla, čili infračervená oblast) a spektrální zářivost E λ0 dosáhne hodnoty až 350 [ kcal / m 2 * hod ]. Využití uvedených principů k měření a měřicím přístrojům: a)optický pyrometr --- spektrální zářivosti na zvolené vlnové délce, která se obvykle volí = 0,65 μm (přísluší červené čáře vodíkového spektra b)foto-pyrometr, barvový pyrometr --- vlnová délka se volí z vi-ditelného spektra nebo z infračervené oblasti c)radiační pyrometr, ardometr --- měří celkovou zářivost …. T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010

33 Optický (jasový) pyrometr - měření teploty je založeno na porovnání barvy měřeného povr- chu a rozežhaveného speciálního vlákna nebo zeslabováním toku světla (zeslabováním jasu) z povrchu tělesa pomocí např. irisové clonky, rotujícím segmentem,polarizací nebo pomocí předsaze- ného otočného klínku ze šedého skla - vhodné pro měření teplot vyšších než 1063 ºC (Au) T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010

34 Optický (jasový) pyrometr T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010 měřicí přístroj cejchovaný ve [ºC] zářič objektiv šedý filtr červený filtr oko

35 Foto-pyrometr -jako snímač je použit fotocitlivý prvek – fotonka, fotodioda, fototranzistor, CCD prvek, atp. -starší provedení používalo exponování na film s vrstvou cit- livou na infračervené světlo -teplota se vyjadřovala jako míra zčernání …. Barvový pyrometr -principem je rozklad dopadajícího záření ve viditelném spektru na červenou a zelenou složku optickým klínem (hranolem) -teplota je určena polohou klínu, kdy spojením barev vznikne bílé světlo T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010

36 Radiační pyrometr -dopadající tepelná energie ohřívá teplotní čidlo a převede se na elektrický signál -výhodou je neexistence maxima teploty, kterou lze takto změřit -výborná mechanická odolnost -schopnost měřit bezdotykově -měří i nízké teploty (záleží na čidle a optice) T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY EMISIVNÍ - RADIAČNÍ © VR - ZS 2009/2010

37 T- MaR © VR - ZS 2010/2011 … a to by bylo k informacím o dalších principech snímačů (skoro) vše a..

38 T- MaR © VR - ZS 2009/2010

39 T- MaR © VR - ZS 2009/2010 Témata


Stáhnout ppt "Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace © 2010 - Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2010/2011 6.1a6.1a."

Podobné prezentace


Reklamy Google