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

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

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

Každé těleso s t > 0 ºK vyzařuje elektromagnetické záření. MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR EMISIVNÍ - RADIAČNÍ 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. © VR - ZS 2009/2010

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ Eλ = dE / dλ Eoλ = Aλ * C1 / (λ5 * ( ek – 1 )) MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR EMISIVNÍ - RADIAČNÍ Hodnota spektrální zářivosti je dána základním vztahem: Eλ = dE / dλ kde E … je celková zářivost λ … vlnová délka záření (čím je > absolutní teplota, tím bude < λ ). Intenzita vyzařování je dána Planckovým zákonem: Eoλ = Aλ * C1 / (λ5 * ( ek – 1 )) pro k = C0 / ( λ * T ) kde Aλ … poměrná pohltivost sálajícího tělesa C0 … vyzařovací konstanta = 3,17 * 10-16 kcal * m2/hod C1 … vyzařovací konstanty = 0,01438 m oK T … absolutní teplota. © VR - ZS 2009/2010

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

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Zjednodušená forma… Wienův zákon – platnost je omezena na malé hodnoty součinu λ * T – tj. pro obor krátkovlnného (ultra-fialového) spektra: Eoλ = ( C1 / λ5 ) * em pokud m = C2 / (λ * T ) >> 1. © VR - ZS 2009/2010

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

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

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

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

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

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

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

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

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Z hlediska charakteristiky IR radiace se rozlišují tři typy povrchů těles: černého tělesa, šedého a našedlého (tzv. reálného nebo spektrálního tělesa). 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. Povrchy mnohých těles jsou šedé, což znamená, že emisivita tělesa je téměř konstantní s měnící se vlnovou délkou. © VR - ZS 2009/2010

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ Přenos tepla vedením T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR EMISIVNÍ - RADIAČNÍ T1 T2 ΔT = T1 – T2 ΔT Přenos tepla vedením ma-teriálem síly dl dl U homogenního materiálu je průchod tepla lineární 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. © VR - ZS 2009/2010

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ Přenos tepla prouděním T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR EMISIVNÍ - RADIAČNÍ 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. T1 T2 (nucené) proudění média Povrch tělesa Hraniční vrstva Teplota na povrchu ΔT = T1 – T2 © VR - ZS 2009/2010

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ Přenos tepla radiací Wodr + Wproch + Wvyzář T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR EMISIVNÍ - RADIAČNÍ Přenos tepla radiací těleso - povrch T1 T2 ODRAŽENÁ PROCHÁZEJÍCÍ TEPEL. EN. VYZÁŘENÁ Wodr + Wproch + Wvyzář © VR - ZS 2009/2010

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

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ E0 = ∫ Eλ0 * dλ = c3 * T4 |od 0 do  T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR EMISIVNÍ - RADIAČNÍ Celková zářivost dokonale černého (povrchu) tělesa je dána Stephan – Boltzmanovým zákonem E0 = ∫ Eλ0 * dλ = c3 * T4 |od 0 do  pro c3 = 4,9 * 10-8 [kcal / m2 * hod * ºK ]. Velikost hodnoty Eλ0 je funkcí vlnové délky λ a teploty T – čím je vyšší teplota tím je nižší hodnota λ – pro maximum λm platí „Wienův zákon“: λm = 0,002897 / T [ m , - , ºK ] © VR - ZS 2009/2010

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY 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 Eλ0 dosáhne hodnoty až 350 [ kcal / m2 * hod ]. Využití uvedených principů k měření a měřicím přístrojům: optický pyrometr --- spektrální zářivosti na zvolené vlnové délce, která se obvykle volí = 0,65 μm (přísluší červené čáře vodíkového spektra foto-pyrometr, barvový pyrometr --- vlnová délka se volí z vi-ditelného spektra nebo z infračervené oblasti radiační pyrometr, ardometr --- měří celkovou zářivost …. © VR - ZS 2009/2010

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ Optický (jasový) pyrometr T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR EMISIVNÍ - RADIAČNÍ 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) © VR - ZS 2009/2010

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

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

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

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

T- MaR © VR - ZS 2009/2010

Témata T- MaR © VR - ZS 2009/2010