PRINCIP BEZDOTYKOVÉHO MĚŘENÍ TEPLOTY

Prezentace na téma: "PRINCIP BEZDOTYKOVÉHO MĚŘENÍ TEPLOTY"— Transkript prezentace:

1 PRINCIP BEZDOTYKOVÉHO MĚŘENÍ TEPLOTY
Infračervený teploměr lze přirovnat k lidskému oku. Oční čočka představuje optiku, skrz kterou záření (proud fotonů) z měřeného objektu dopadá přes atmosféru na fotocitlivou vrstvu (oční sítnici).  Zde je přeměněno na signál, který je vysílán do mozku. Následující obrázek ilustruje obdobnou funkci infračerveného měřicího systému:

2 Měřený objekt Každé uskupení hmoty o teplotě nad absolutní nulu (0 °K = -273,16 °C) vysílá infračervené záření, odpovídající jeho teplotě. příčinou je vnitřní mechanický pohyb molekul, intenzita tohoto pohybu závisí na teplotě objektu - Spektrum tohoto vyzařování pokrývá vlnové délky od 0,7 do 1000 µm Tato oblast vlnových délek leží za červenou částí viditelného světla a nazývá se proto "infra"-červená (z latiny)

3 Vyzařování těles Následující diagram ukazuje vyzařování tělesa při různých teplotách Jak je patrno, tělesa při vysokých teplotách vyzařují ještě i malé množství viditelného záření Neviditelná část spektra však obsahuje až krát více energie. Na tom staví infračervená technologie. 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. vztahy byly zjištěny v r.1879 Stefanem a Boltzmannem a ilustrují, že z vyzařovaného signálu lze jednoznačně určit teplotu. 

4 Emisivita 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 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 a obrázek: E + R + T = 1

5

6 Záření pevných těles 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.

7 Charakteristické vyzařování při různých emisivitách.

8 Určování emisivity Pro stanovení emisivity měřeného objektu jsou různé metody. Za prvé můžete vyhledat emisivitu mnoha často používaných materiálů v tabulce. 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. Ohřejte vzorek materiálu na známou teplotu, kterou můžete určit velmi přesným dotykovým teploměrem (např. termočlánkem). Potom změřte teplotu tohoto tělesa infračerveným teploměrem. Měňte jeho emisivitu, dokud naměřená teplota neodpovídá teplotě změřené dotykovým teploměrem. Při relativně nízké teplotě (do 260 °C) nalepte na měřený objekt speciální plastovou samolepku se známou emisivitou. Infračerveným teploměrem změřte teplotu samolepky s touto emisivitou. Potom změřte povrchovou teplotu měřeného objektu bez samolepky a přestavte na teploměru emisivitu tak, aby teploměr ukazoval správnou teplotu. Nyní používejte emisivitu určenou touto metodou pro všechna měření na objektech z tohoto materiálu. Zhotovte si černé těleso s použitím vzorku z materiálu, který chcete měřit. Do vzorku materiálu vyvrtejte otvor. Hloubka vyvrtané díry by měla být přinejmenším pětinásobkem jeho průměru. Průměr musí odpovídat velikosti plochy měřené tímto teploměrem. Jestliže emisivita vnitřních stěn je větší než 0,5, emisivita dutého tělesa je nyní kolem 1 a teplota měřená v otvoru je správná teplota měřeného objektu. Měňte emisivitu přístroje dokud zobrazovaná teplota neodpovídá hodnotě změřené předtím z černého tělesa. Emisivitu určenou touto metodou můžete používat pro všechna měření na stejném materiálu. Jestliže je možno měřený povrch natřít, natřete jej matnou černou barvou, která má emisivitu kolem 0,95. Změřte teplotu tohoto "černého tělesa" a nastavte emisivitu, jak popsáno výše.

9 Měření kovů 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:

10 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 - viz obrázek:

11 Optické rozlišení D : S Optické rozlišení D : S je definováno jako vztah mezi vzdáleností měřicího přístroje od měřeného objektu a průměrem měřené plochy. Čím větší je tato hodnota, tím lepší je optické rozlišení měřicího přístroje a tím menší může být měřená plocha při dané vzdálenosti - viz následující obrázek:

12 Laserový zaměřovač Jednoduchý laserový paprsek s posunem z optické osy Laserový paprsek vychází z místa mimo střed optické osy a s optickou osou tedy přesně nesouhlasí. Toto je nejjednodušší provedení, zvláště se používá pro přístroje s nízkým optickým rozlišením (pro velké měřené objekty). Laserový bod se zamíří přibližně na střed měřeného objektu, ale při malých vzdálenostech teploměru od měřeného objektu je patrná nepřesnost v zaměření.   Koaxiální laserový paprsek Laserový paprsek vychází ze středu optické osy a souhlasí s optickou osou přístroje. Střed měřené plochy je při jakékoliv vzdálenosti vždy přesně označen.   Dvojitý laser Dvojitý paprsek se dvěma zaměřovacími body se používá pro vyznačení průměru měřené plochy, zejména při větších vzdálenostech. V tomto případě uživatel nemusí odhadovat nebo předem počítat průměr měřené plochy - ta je dána kružnicí, procházející oběma viditelnými body. To uživateli usnadňuje měření a zabraňuje chybám z důvodu špatného zaměření nebo nesprávného odhadu velikosti měřené plochy.   Kruhový laser s posunem z optické osy Toto je nejjednodušší řešení, které vyznačí nejen umístění měřené plochy, ale také její velikost a vnější tvar. Měřená plocha je od určité minimální vzdálenosti teploměru od měřeného objektu uvnitř laserového kruhu. Výrobce vypočítá provedení laserového kruhu tak, aby byl větší než skutečné měřené místo, čímž redukuje chybu paralaxy. Proto se uživatel musí ujistit, že laserový kruh je celý vyplněn měřeným objektem, aby dosáhl správného měření. Na druhé straně to ale uživateli brání plně využít geometrického rozlišení, specifikovaného pro konkrétní přístroj, viz následující obrázek:

13

14 Precizní 3-bodové koaxiální laserové zaměřování značně pomáhá vyhnout se chybám při měření. Uživatel může v plném rozsahu využít parametrů infračervené optiky. Používání laserového označování měřené plochy je účinným vizuálním pomocníkem při přesném cílení infračervených teploměrů na měřený objekt