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

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

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOGRAFIE Bezkontaktní měření intenzity infračer-veného záření na povrchu předmětů 10 ºC 0 ºC -5 ºC © VR - ZS 2009/2010

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOGRAFIE Něco trošku z praktických poznatků a informací Učebna E624 – čelní rohové okno vpravo nahoře – červen, cca půl 11 dopoledne – ven-kovní teplota cca 25 oC, slunečno © VR - ZS 2010/2011

křivka teploty v místě vloženého řezu MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR EMISIVNÍ - RADIAČNÍ TERMOGRAFIE 30 ºC 0 ºC -5 ºC křivka teploty v místě vloženého řezu © VR - ZS 2009/2010

…. a toto jsou ze současnosti MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR EMISIVNÍ - RADIAČNÍ TERMOGRAFIE Až do poloviny 20 století byla termografie využívána výhradně armádou. V 60. letech byly zrušeny bezpečnostní předpisy a ter-mografie se začala používat v civilním sektoru Takto to začínalo …. a toto jsou ze současnosti Největší využití začalo v USA, pak se rozšířilo do technicky vyspělého „zbyt-ku“ světa – a konečně i k nám. © VR - ZS 2009/2010

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ Ve viditelném spektru se odraz energie neprojevuje MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR EMISIVNÍ - RADIAČNÍ TERMOGRAFIE V IČ spektru se odraz energie okolních před-mětů může projevit změ-nou povrchové teploty Ve viditelném spektru se odraz energie neprojevuje © VR - ZS 2009/2010

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOGRAFIE Zjišťování „neviditelných“ stop – zachovají se po dobu, než stopy doslova vychlad-nou (přestanou zářit, protože se jejich teplota srovnala s teplotou podložky). © VR - ZS 2009/2010

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOGRAFIE Existující tabulky emisivit po-vrchů jsou pouze orientační e = 0,95, O.E.= 20 °C t = 36,8 °C e = 0,50, O.E.=20 °C t = 50,2 °C e = 0,50, O.E.=24 °C t = 30,0 °C Správně Chybně 10 ºC 50 ºC © VR - ZS 2009/2010

s CCD prvkem T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Principem je převod dopadajícího světlo na elektrický náboj ve fotocitlivých prvcích – lze říci jednotlivých čidlech uspořádaných do plošného prvku. Vzniklý náboj je měřen a převáděn (konvertován) do digitální po-doby. Snímač je složen z velkého množství samostatných miniaturních buněk zaznamenávajících a reagujících na světlo samostatně. Velkým nedostatkem snímače je jeho veliká složitost a náročnost na výrobu. Zkratka CCD znamená Charge Coupled Device. © VR - ZS 2009/2010

s CCD prvkem T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Digitální obraz je vždy složen z jednotlivých bodů (pixelů). Každý bod má svojí barvu a jednotlivé body dohromady vytvářejí mozaiku obrazu. Jedna buňka snímače vyprodukuje právě ten jeden bod jedné barvy na výstupu. Čím více buněk má snímač, tím větší získáme obraz. Rozlišení snímače se udává v celkovém počtu buněk. Např. snímač s rozlišením 850 000 bodů (snímacích buněk) pro-dukuje obraz s rozlišením 1024x768 bodů. Každý snímací prvek je citlivý na světlo – hodnota se většinou pohybuje v rozsahu 75 až 200 (u dobrých a nejlepších až 1000) stupňů ISO – ekvivalent foto-přístrojů a filmů. © VR - ZS 2009/2010

s CCD prvkem T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Digitální obraz je skládán bod po bodu. Postup práce u digitálního fotoaparátu je tedy následující: - proběhne expozice senzoru - pomocnými registry je odveden náboj z lichých řádků do hlavního registru, řádek po řádku - následně je stejnou cestou zpracován náboj ze sudých řádků mimo snímač (v navazující elektronice) je obraz složen dohromady a uložen do paměti nebo exportován dále zpracování je pomalé a vylučuje rychlé časy závěrky. Díky masové výrobě video kamer a digitálních fotoaparátů jsou tyto snímače poměrně levné. Jejich výrobní technologie je dnes zvládnuta i když zůstává přijatelně komplikovaná. © VR - ZS 2009/2010

s CCD prvkem Prokládané snímače ( interlaced ) T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR s CCD prvkem Prokládané snímače ( interlaced ) Byly původně vyvinuty pro televizní a video techniku, ale jsou i digitálních fotoaparátů. Jejich konstrukce je přizpůsobena zpracování televizního obrazu, tedy řádkově. Televizní obraz je rozložen na řádky a zvlášť se přenášejí liché a zvlášť sudé řádky – tj. po expozici (dopadu svět- la obrazu) se v navazující elektronice nejprve zpracují liché řádky obrazu a pak zpracují sudé. TV zobrazení skládá liché a sudé půl-snímky a počítá se setrvačností oka při skládání celého obrázku. Pro tuto technologii jsou uzpůsobeny tzv. prokládané snímače, © VR - ZS 2009/2010

s CCD prvkem Progresivní snímače (progressive) T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR s CCD prvkem Progresivní snímače (progressive) Druhou velkou skupinu snímačů tvoří takzvané progresivní snímače. Ty zpracovávají celý obraz najednou, což je sice technologicky složitější, ale přináší to velké výhody. Progresivní snímače se vyrábějí poměrně velmi komplikovanou technologií v malých sériích, takže jsou velmi nákladné. Co je důležité, informace se zaznamenává a zpracovává ve všech buňkách součastně. To přináší vyšší ostrost, přesnost podání obrazu a samozřejmě to umožňuje použití elektronické závěrky s velmi krátkými časy. Celkově se tedy dá říct, že progresivní snímač je pro digitální fotografii zatím nejlepším řešením, které je k dispozici. © VR - ZS 2009/2010

s CCD prvkem T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Zpracování může probíhat dvěma způsoby. Používá se takzvané řádkové čtení: - dojde k expozici všech buněk - náboj z prvního řádku se přenese do pomocného registru a z něj je postupně zpracován bránou - do prvního řádku se posune náboj z druhého řádku a postupně dojde  k posunu náboje po celém snímači o jeden řádek dolů - opakuje se postup od bodu jedna, dokud není načten celý obrázek. © VR - ZS 2009/2010

s CCD prvkem T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Výhody: - přesné zachycení obrazu s minimálním zkreslením. umožňuje velice krátké časy a použití elektronické závěrky. Nevýhody: - výrobně nákladné a složité řešení. © VR - ZS 2009/2010

S LASEROVÝM PAPRSKEM T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Pro stavebnictví se využívají nejrůznější konstrukce laserových přístrojů. Současný vývoj této techniky směřuje od laserů s HeNe - trubicí k dnes nejobvyklejším přístrojům s laserovou polovodi-čovou GaAs diodou. Oba typy zdrojů laserového záření mají schopnost pracovat jak ve viditelném (vlnová délka 632 až 635 nebo 650 nanometrů), tak i v neviditelném infračerveném světelném spektru (vlnová délka 780 až 815 nanometrů). Jejich energetický výkon je malý (řádově v jednotkách mW). U přístrojů používajících rozmítaný laserový paprsek je praktický energetický efekt ještě menší. © VR - ZS 2009/2010

ULTRAZVUKOVÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Moderní snímače, jejichž praktické nasazení umožnil rozvoj mi-kroelektroniky v posledních desítkách let. Principem je vyhodnocování časového zpoždění mezi okam-žikem vyslání (impulsního) signálu a jeho přijetím. Pracovní frekvence je nad akustickým pásmem (slyšitelné zvuky), tj. nad 20 kHz – jsou to ultrazvukové. Pokud je frekvence ještě ve slyšitelném spektru – mluví se o sonických. Podstatou ultrazvuku je podélné (kongitudální) zhušťování a zřeďování vzduchu (vzduchových vln). Zvuk jako takový tedy není (při šíření vzduchem) elektromagnetické vlnění – viz obrázek. © VR - ZS 2009/2010

ULTRAZVUKOVÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Směr šíření, směr kmitání částic kolem rovnovážných poloh a vlnová délka tohoto kmitání jsou na obrázku. směr pohybu částic λ – vlnová délka směr šíření vlnění Lokální zhuštění a zředění vzduchu vůči (normálnímu) baromet-rickému tlaku představuje akustický tlak – zvuk. Rychlost šíření zvuku za normálních podmínek je cca 340 m/s2 a velmi závisí na teplotě vzduchu a částečně i na barometrickém tlaku, „případně“ i na vlhkosti.. © VR - ZS 2009/2010

ULTRAZVUKOVÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Ultrazvukové snímače využívají změny útlumu vlnění v prostředí mezi vysílačem a přijímačem podle druhu materiálu v němž se šíří. Při odrazu nedochází k přímému kontaktu ultrazvuku s materiálem v místě dotyku – vadí zpěněný povrch, páry na povrchu a rovněž i prašné prostředí, které navíc zalepuje vysílač i přijímač (!!!). Nevýhodou je, že ultrazvukový měnič (zdroj kmitů) má určitý doz-vuk (dobu doznívání – ringing), kdy nemůže fungovat jako přijímač (platí pokud se jako vysílač i přijímač používá jeden prvek). Proto tyto snímače mají tzv. „mrtvou zónu“ velikosti 0,2 až 0,8 m a měře-ná vzdálenost tedy musí být větší. Samostatný vysilač a samostatný přijímač tuto vadu nemají. © VR - ZS 2009/2010

ULTRAZVUKOVÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Zdrojem ultrazvukového vlnění ve snímači bývá vyvoláno: mechanickým chvěním pružné membrány chvěním piezoelektrického prvku (krystalové destičky). Buzení ultrazvukového vysílače může být: - spojitým (trvalým) signálem – měření je pak založeno * na měření změny fáze přijatého signálu – čili na zpoždění příchodu signálu * na měření změny frekvence přijatého signálu - impulsním signálem – měření je pak založeno * na měření času potřebného pro průchod impulzu médiem * na měření fáze přijatého impulzu – čili na zpoždění příchodu. © VR - ZS 2009/2010

ULTRAZVUKOVÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Nevýhodou ultrazvukových metod je značná složitost celé apara-tury i vyhodnocení přijatých signálů. Výhodou je, že nemá po-hyblivé části a povrchy vysilače i snímače lze vyrobit s vysoce otěruvzdorných materiálů. Mají vysokou přesnost: 0,1 % pro rozsah rychlosti proudění média od 0,5 do 30 m/s. Konstrukčním provedením jsou vhodné pro nízké i pro vysoké tlaky – tj. > 10 MPa. Snímače s ultrazvukovými elementy mohou pracovat v libovolné poloze. Pro měření plynných nebo tekutých médií je velkou výhodou, že nemění průřez potrubí a tudíž nezvětšují odpor proudícího média – nevstupují do profilu kterým médium proudí. © VR - ZS 2009/2010

ULTRAZVUKOVÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Při měření vlastnosti daného média, rychlosti proudění, hmotnosti procházejícího média a dalších fyzikálních veličin je principem vyhodnocování časového zpoždění mezi okamžikem vyslání (impulsního) signálu a jeho přijetím – zpoždění je přímo úměrné rychlosti proudícího média, kterým ultrazvukový signál prošel. Vysílač a dva přijímače jsou v protilehlých stěnách. Jiný princip je založen na „snosu“ signálu, čili na rozdílu polohy místa dopadu od ideálního bodu dopadu – vyžaduje dvě dvojice vysílač*přijímač. Třetí princip je založen na Dopplerově efektu – čili na měření časového rozdílu mezi okamžikem vyslání signálu a okamžikem jeho návratu po odrazu od proudícího média. © VR - ZS 2009/2010

ULTRAZVUKOVÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Zobrazení principů funkce vysilač  vysilač 1 přijímač 1 přijímač 2 vysilač 2 přijímač proudící médium – s rychlostí v © VR - ZS 2010/2011

ULTRAZVUKOVÉ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Příklady principu skutečného provedení potrubních ultrazvuko-vých snímačů vysílač a přijímač ultrazvukového signálu měřicí potrubí dané délky a průměru © VR - ZS 2009/2010

ULTRAZVUKOVÉ MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Příklady principu skutečného provedení potrubních ultrazvu-kových snímačů vysilač přijímač výška hladiny h vyhodnocení časového rozdílu mezi okamžikem vyslání signálu a jeho přijmutím po odrazu od hladiny © VR - ZS 2009/2010

ULTRAZVUKOVÉ MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Příklady principu skutečného provedení potrubních ultrazvu-kových snímačů © VR - ZS 2009/2010

CHEMICKÉ MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Principem chemických snímačů (čidel) je fakt, že některé fyzikální veličiny při svém působení mění chemickou podstatu dané spe-ciální hmoty. Jde o podstatu využití kvalitativní a kvantitativní analýzy a citli-vostní analýzy na chemické reakce (přesněji – na jejich výsledky). © VR - ZS 2009/2010

CHEMICKÉ MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Typy využitých principů: elektrochemický – jednoduchá konstrukce a nízká cena – využívá principu napěťového a proudového (základem je aplikace potenciálových elektrod a buněk měřících proud, zjišťování pH parametru voltmetrickými metodami), potenciometrického (základem je funkce nulového indikátoru při vyvážení pomocí potenciometrického prvku), odporového, kapacitního a indukčního akustický – piezoelektrický (základem je chemické působení na krystal a jeho akustická reakce) optický – kolorometrie a spektrometrie termický (teplotní) – teplo jako produkt chemické reakce. © VR - ZS 2009/2010

INTELIGENTNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Princip těchto SNÍMAČŮ – víceméně kterékoliv z uvedených čidel je doplněno o obvody úpravy a vyhodnocení signálu – vše v jednom pouzdře a díky dnešní miniaturizaci to ani na velikosti není moc poznat. Doplňkové obvody umožní například za provozu měnit některé jejich vlastnosti, měnit způsob zpracování signálu měřené veliči-ny, provést úplné zpracování (včetně filtrace a linearizace) a vy-hodnocení změřené veličiny podle předem zadaných kritérií. © VR - ZS 2009/2010

k informacím o dalších principech snímačů T- MaR … a to by bylo k informacím o dalších principech snímačů (skoro) vše 4-61b.. © VR - ZS 2010/2011

T- MaR © VR - ZS 2009/2010

Témata T- MaR © VR - ZS 2009/2010