Bezdotykové měření teploty

â. 1, 2. VYDÁNÍ
http://www.newport.cz
e-mail: [email protected]
ELEKTROMAGNETICKÉ S
viditelné
záfiení
paprsky
gama
vlnová dálka
Frekvence, Hz:
0,1A
paprsky X U.V.
10A 100A 0,1애 1애
1A
infraãervené
záfiení
mikro
EHF
10애 100애 0,1cm 1c
3x1019 3x1018 3x1017 3x1016 3x1015 3x1014 3x1013 3x1012 3x1011 3x
(cyklÛ za sekundu)
VIDITELNÉ ZÁ¤ENÍ
blízká
(Iâ
oblast)
0,4
0,78
krátkovlnné infraãervené záfiení
INFRARED (SWIR)
1
10,000
stfiedovlnné infraãervené záfiení
INFRARED (MWIR)
2
5,000
3
5
vlnová dálka, 애m
poãet vln na, cm-1
2,500
100
transmitance (%)
(propustnost)
80
60
40
20
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
REPRODUKOVÁNO SE SVOLENÍM SANTA BARBARA RESEARCH CENTER, DCE¤INNÉ SPOLEâNOSTI FY HUGHES
TRANSMITANCE
SPEKTRUM
ovlny
SHF
cm
TV
Rádio AM
vys lac sign ly
UHF
VHF
HF
MF
LF
VLF
10cm 1m 10m 100m 1km 10km 100km
x1010 3x109 3x108 3x107 3x106 3x105 3x104 3x103
dlouhovlnné infraãervené záfiení
INFRARED (LWIR)
8
infraãervené záfiení s velmi dlouhou vln. délkou
INFRARED (VLWIR)
10
1,000
m:
14
20
500
24
Transmitance 1km horizontální vzdu‰né vzdálenosti
pfii hladinû mofie, za standardních podmínek v roce 1976,
vzduch 15°C (59°F), relativní vlhkost 46%,
atmosferick˘ tlak 101,3 kPa.
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10
E (PROPUSTNOST) ATMOSFÉRY
11
12
13
14
15
16 17 18 19 20
22
24
vlnová délka 애m
Bezdotykové mûfiení teploty
Série technick˘ch pfiíruãek které Vám poskytuje fy OMEGA
âÍSLO
1
ZPRAVODAJ
âíslo 1
05
OBSAH
âást
âÍSLO 1 - BEZDOTYKOVÉ Mù¤ENÍ TEPLOTY
Téma
Strana
sítnice
detektor svûtla
ãoãka
1
Historický přehled
• Studia infračerveného
záření v minulých staletích
• Od Newtona k Einsteinovi
• Dnešní aplikace
10
do mozku
oko
Obrázek 1-1: První infraãerven˘ teplomûr
2
Teoretické základy
energie
odraÏeného
záfiení
• Základní poznatky o radiaci
• Absolutně černé těleso
• Od absolutně černého tělesa
k reálným povrchům
17
energie
propu‰tûná
tûlesem
energie
záfiení
energie
absorbovaného
záfiení
Obr. 2-1: Energetická rovnováha objektu
3
IČ teploměry a pyrometry
• N-faktor
• Typy radiačních pyrometrů
• Návrh, projekce, a provoz
radiačních pyrometrů
prostor
s regulovanou
teplotou
mikroskop
oko
otvorová clona
sekundární
clona
ãoãka
mûfien˘
objekt
ãoãka objektivu
zrcadlo
a primární clona
senzor
24
ãoãka
rotující
filtraãní kolo
Obrázek 3-6: Poměrová pyrometrie s užitím filtračního kola
8
IČ termočlánky
6
4 mV
4
mV
4
• Úvod do teorie termočlánků
• Infračervené termočlánky
• Návody na instalaci
infračervených termočlánků
6,68
mV
2
2
38
2,68 mV
3
1
0
0
200
400
°F
600
800
Obrázek 4-1: Činnost termočlánku
06
âíslo 1
ZPRAVODAJ
âLENùNÍ
Diagram infračerveného spektra
Obsah
Ediční poznámka
O firmě OMEGA
02 68 Zdroje informací
06 72 Intenzita vyzařování běžných materiálů
08 77
09 80
âást
Slovník
Rejstřík
Téma
Strana
dutina imitující
absolutnû
ãerné tûleso
5
Použití optických vláken
• Výhody optických vláken
• Aplikace optických vláken
• Součástkové možnosti
safírov˘
monokrystal (Al2O3)
nízkoteplotní
optické vlákno
optick˘
detektor
analyzátor
ãoãka
Coupler
Tenká vrstva
pokovení
43
Narrowband
Filter
Ochran˘ film
z Al2O3
Obrázek 5-2: Typická infračervená vláknooptická sonda
6
Linescannery a Termografie
• Infračervené linescannery
• Termografická 2-D analýza
• Použití mikroprocesorů
Obraz z fiktivních barev
46
objekt
skenovaná
oblast
2-D termograf
Obrázek 6-3: 2-D temografická kamera
Kalibrace IČ teploměrů
0,95
0,9
0,8
0,8
0,7
efektivní emisivita, ε
7
• Proč se kalibrace provádí?
• Dutiny jako absolutně černá tělesa
• Žárovky s wolframovým vláknem
1,0
0,6
53
0,5
0,4
0,3
emisivita povrchu
dutiny
φ
0,2
0,1
0,0
0
20
40
60
80
100
120
otvorov˘ úhel, φ (ve stupních)
140
160
180
Obrázek 7-2: Efektivní emisivity sférických dutin
teplomûr
8
Výrobky a jejich použití
• Alternativní konfigurace
• Aplikační návody
• Příslušenství a volitelné prvky
56
horké stûny pece
mûfien˘ objekt
Obrázek 8-2: Pozorování zrcadlového povrchu
ZPRAVODAJ
âíslo 1
07
Ediãní poznámka
Vítejte při čtení Zpravodaje!
O
d svého zaloÏení v roce 1962 vyrostla firma OMEGA z pozice v˘robce jednoho v˘robku, ...kvalitní termoãlánkové sondy..., na uznávanou celosvûtovou vedoucí obchodní organizaci v oblasti vûdeckého a technického vybavení. Firma nabízí více neÏ 68 000 nejmodernûj‰ích pfiístrojÛ a zafiízení urãen˘ch pro mûfiení
a fiízení. A i kdyÏ pfiedstavují jak pracovníci OMEGY, tak také moÏnosti a vybavení firmy, a také sluÏby, které poskytuje sv˘m zákazníkÛm vÏdy a v‰ude to nejlep‰í, dávají firmû OMEGA ten prav˘ punc její, dnes jiÏ legendární, pfiíruãky a encyklopedie. InÏen˘fii z celého svûta se dennû spoléhají na tyto referenãní prostfiedky. Pfiíruãky
a encyklopedie firmy OMEGA mají bezprecedentní hodnotu nejenom proto, Ïe obsahují data o v˘robcích firmy, ale
také proto, Ïe obsahují absolutnû nezbytné technické informace t˘kající se efektivního pouÏití dne‰ních dÛmysln˘ch
pfiístrojÛ a zafiízení pro mûfiení a pro fiízení procesÛ.
Nespíme ov‰em na vavfiínech. Chápeme, Ïe Va‰e potfieba základních a v˘znamn˘ch vûdeck˘ch údajÛ a informací stále roste, Ïe potfiebujete ve‰keré informace, které mÛÏete získat, udrÏovat v souladu s rychle se vyvíjející a stále sloÏitûj‰í a propojenûj‰í pfiístrojovou a fiídící technikou a technologií.
Z tohoto dÛvodu vydáváme tyto Zpravodaje v oblasti mûfiení a fiízení. První ãíslo fiady
tûchto ZpravodajÛ právû drÏíte ve sv˘ch rukou. Zpravodaje jsou spí‰e koncipovány jako praktické informace, obsahují technické údaje pro uÏivatele, ktefií
dennû pouÏívají pfiístrojovou a fiídící techniku. Nejsou zam˘‰leny jako
série vysoce erudovan˘ch ãlánkÛ. KaÏdé ãíslo Zpravodaje bude naplnûno informacemi o urãitém typu problému mûfiící a fiídící techniky
a technologie. Toto ãíslo se napfiíklad ob‰írnû zab˘vá problémy
bezdotykového mûfiení teploty. Podává historick˘ pfiehled fie‰ení
problematiky, uvádí teoretick˘ rozbor tématu. Uvádí principy projekce a návrhu zafiízení, poskytuje návody pro v˘bûr a pouÏití
zafiízení, pohybující se od cenovû nenároãn˘ch termoãlánkÛ aÏ
po infraãervené snímaãe kfiivek. Ve Zpravodajích nebudou uvádûny ani inzeráty, ani propagaãní nebo reklamní materiály.
Dal‰í ãísla ZpravodajÛ, která budou publikována kvartálnû, se
budou systematicky vûnovat otázkám mûfiení, regulace a fiízení teploty,
vlhkosti, tlaku, prÛtoãného mnoÏství, hladiny, hodnoty pH, a vodivosti.
Budou rovnûÏ vûnována ostatním problémÛm mûfiení, sbûru dat a fiízení.
Vûfiíme, Ïe Zpravodaje naleznou ve Va‰í odborné knihovnû svÛj trval˘
domov a Ïe jiÏ dnes tak i v budoucnu prokáÏí svoji vysokou hodnotu.
Mrs. Betty Ruth Hollander
Chairman-CEO
OMEGA Technologies
P.S. Pokud chcete zaslat odpovídající pfiíspûvek do dal‰ích ãísel Prací, kontaktujte mne prosím pomocí po‰ty (P.O. Box 4047,
Stamford, CT 06907), FAX ( 203-359-7700), nebo pomocí e-mailu([email protected])
08
âíslo 1
ZPRAVODAJ
O firmû OMEGA
Více než očekáváte
Z
pravodaje pro mûfiení a regulaci fy, OMEGA, stejnû tak jako na‰e dnes jiÏ legendární pfiíruãky a enecyklopedie,
jsou pfiipraveny tak, Ïe Vám pfiímo do rukou pfiiná‰ejí technické informace, které Vám pomohou fie‰it úlohy z oblasti
mûfiení a fiízení. Pokud v‰ak Va‰e potfieby pfiesáhnou moÏnosti ti‰tûného slova - pokud budete potfiebovat pfii v˘bûru
z mnoha moÏn˘ch v˘robkÛ technickou pomoc, nebo pokud se Vám bude zdát, Ïe potfiebn˘ v˘robek není k disposici - potom
vûfiíme, Ïe se obrátíte na firmu OMEGA. V celé fiadû ZpravodajÛ nejsou inzeráty nebo reklamní
materiály. Inzeráty a reklamní materiály se ve Zpravodajích nebudou vyskytovat.
Na‰i lidé, na‰e vybavení, a nበpfiístup k uÏivatelskému servisu vytváfií v oboru fiízení a pfiístrojového vybavení normu. Podívejme se na reprezentativní vzorek na‰ich moÏností a schopností.
• OMEGA je zapojena do ‰piãkového v˘zkumu a v˘voje, je angaÏována v nejmodernûj‰ích
v˘robních kapacitách. To v‰e nás pevnû drÏí na ãelním místû v oblasti techniky a technologie.
V˘vojové a projekãní stfiedisko fy. OMEGA je umístûno ve Stamfordu, Connecticut, CT Campus. Je to
domovské místo laboratofií fy. OMEGA, které se zab˘vají projekãní a inÏen˘rskou ãinností. V‰echny
novû projektované v˘robky jsou zde pfied zahájením jejich v˘roby testovány a dále vylep‰ovány. Jsou
zde metrologické laboratofie firmy OMEGA a dal‰í zafiízení, urãená pro fiízení kvality v˘roby. Testy
a zkou‰ky, které se zde provádí, Vám zaruãují, Ïe pro svoje aplikace získáte ty nejlep‰í v˘robky.
• Pokud se t˘ká v˘roby, je na‰e vertikálnû integrované v˘robní zafiízení umístûno v Bridgeport, New York, NY, v blízkosti mûsta Philadelphia. Máme zde zafiízení pro v˘robu drátÛ termoãlánkÛ, k dispozici jsou poãítaãem fiízené válcovací
stolice, zafiízení pro vstfiikovací formování, svinovaãe, oplétací stroje, protlaãovací stroje, prostfiihovací a dûrovací lisy
a mnoho dal‰ích strojÛ.
• Omega je hrdá na to, Ïe Vám mÛÏe nabídnout, pokud nelze Va‰e poÏadavky pfiesnû uspokojit z na‰eho ‰irokého
sortimentu standardních v˘robkÛ, kvalitní, sofistikované, a obsáhlé moÏnosti zákaznick˘ch inÏen˘rsk˘ch sluÏeb v oblasti
mûfiící a fiídící techniky. AÈ jiÏ poÏadujete provést nûjakou jednoduchou modifikaci standardního v˘robku, nebo poÏadujete-li zhotovit na zakázku cel˘ systém, OMEGA Va‰emu speciálnímu poÏadavku ráda vyhoví. Bezplatnû Vám rovnûÏ se
zafiízením zhotoven˘m na zakázku dodáme v˘kresy nakreslené v CAD, pfiípadnû zhotovíme, bez závazku, nov˘ návrh
zafiízení podle Va‰í specifikace.
• Vûfiíme na aktivní a vstfiícné servisní sluÏby, ãímÏ pfiedcházíme problémÛm. Souãástí na‰ich obchodních a v˘robních
aktivit je trvalá snaha o dosaÏení nov˘ch vy‰‰ích úrovní kvality. Pracujeme podle norem kvality ISO 9000. Tento nበsystematick˘ pfiístup k otázkám kvality jen zvy‰uje na‰e v˘hodné postavení v konkurenãní soutûÏi. Na‰e stfiediska kde provádíme kalibraãní sluÏby a zkou‰ky kvality pomáhají vÏdy a trvale spolehlivû uspokojovat potfieby na‰ich zákazníkÛ.
• Technické stfiedisko na‰í spoleãnosti hostí mnoho skupin spolupracujících inÏen˘rÛ a vûdcÛ, ktefií se obracejí na fy.
OMEGA s poÏadavky na ‰kolení. Na‰e pfiedná‰ková síÀ má 140 míst a je vybavena tak, Ïe pfiedná‰ky jsou provádûny
pomocí nejmodernûj‰í multimediální techniky. Je zde ideální prostfiedí pro v˘uku a ‰kolení, které pfiizpÛsobíme potfiebám
Va‰í spoleãnosti - od kurzÛ základní úrovnû které slouÏí pro osvûÏení znalostí aÏ po specializované nároãné kurzy.
Struãnû fieãeno, povaÏujeme za svoji povinnost aby základem na‰eho úspûchu bylo kvalitní pfiístrojové vybavení a v˘jimeãnû dobré sluÏby na‰im zákazníkÛm. Priority fy. OMEGA jsou jasné. Jsme zde proto, abychom Vám ulehãili vyfie‰ení
úkolÛ podle Va‰ich poÏadavkÛ a potfieb.
Více informací o technice a technologiích fy. OMEGA získáte na na‰í internetové adrese www.omegaeng.cz.
ZPRAVODAJ
âíslo 1
09
1
BEZDOTYKOVÉ Mù¤ENÍ TEPLOTY
Historick˘ pfiehled
Studia infraãerveného záfiení v minul˘ch staletích
Historický přehled
Od Newtona k Einsteinovi
Dne‰ní aplikace
V
a‰e oãi vidí a vnímají pouze
mal˘ zlomek energie, vyzáfiené (emitované) sluncem.
Vnímají ji jako svûtelné záfiení.
Kdybychom ale mohli vnímat infraãervené
záfiení emitované v‰emi tûlesy, jak organick˘mi tak anorganick˘mi, vidûli bychom
velmi dobfie ve tmû. Infraãervené záfiení je
lidsk˘ma oãima neviditelné. MÛÏeme ho
ale detekovat tak, Ïe cítíme ohfiátí kÛÏe.
Energii ve formû infraãerveného záfiení
vyzafiují dokonce i ty objekty, které jsou
chladnûj‰í neÏ je teplota okolního prostfiedí. Nûkterá zvífiata, napfiíklad chfiest˘‰i,
mají pod kaÏd˘m okem umístûny malé snímaãe teploty vyvolané infraãerven˘m
záfiením, které mohou snímat urãité mnoÏství tepla vydávaného tûlesem. Tyto snímaãe jim pomáhají lokalizovat kofiist a chránit se pfied dravci.
Bezdotykové snímaãe teploty vyuÏívají
snímání energie infraãerveného záfiení
pro mûfiení teploty objektÛ na dálku, pro
bezdotykové mûfiení teploty objektÛ. Po
signál k mozku, kter˘ slouÏí jako indiká-
urãení vlnové délky záfiení emitovaného
tor záfiení. Pokud je mozek zku‰eností
objektem urãí snímaã, pomocí rovnic
správnû kalibrován, pfievádí tento signál
popisujících vliv materiálu tûlesa a vliv
na hodnotu teploty.
kvality jeho povrchu na infraãervené
Lidé vyuÏívali teplo infraãerveného
mûfiení, jeho teplotu. V této kapitole se
záfiení pro svÛj prospûch po tisíce let.
zamûfiíme na dûjiny radiaãního mûfiení
Jílové tabulky a keramika vyrobené pfied
teploty, radiaãní termometrie, a na v˘voj
tisíciletími dokazují, Ïe se slunce pouÏí-
bezdotykov˘ch snímaãÛ teploty.
valo pro zv˘‰ení teploty materiálÛ pfii
v˘robû forem a stavebních prvkÛ.
PfiibliÏnû od r. 2700 aÏ 2200 pfied
Studia infračerveného
záření v minulých staletích
Kristem se z cihel vysu‰en˘ch na slunci
stavûly pyramidy. EgypÈané vyrábûli rovnûÏ kovové pfiedmûty, jako pilky, seãné
Je pfiekvapující, Ïe se radiaãní termo-
nástroje a klíny, které byly zhotovovány
metrie pouÏívá jiÏ po tisíce let. Prvním
zku‰en˘mi fiemeslníky své doby. ¤emesl-
prakticky pouÏívan˘m teplomûrem, pra-
níci museli vûdût, na jakou teplotu mají
cujícím na principu mûfiení infraãervené-
kov pfied jeho tváfiením ohfiát. S nejvût‰í
ho záfiení, dále struãnû < infraãerven˘m
pravdûpodobností to dokázali na zákla-
teplomûrem > bylo lidské oko (obrázek
dû zku‰enosti s barvou ohfiátého Ïeleza.
1-1). Lidské oko obsahuje ãoãku, která
ProtoÏe se nedostávalo paliva, závise-
soustfieìuje emitované záfiení na sítnici.
li stavitelé biblick˘ch ãasÛ na infraãerve-
Sítnice je záfiením podráÏdûna a vysílá
ném záfiení slunce, které vysu‰ovalo cihly
sítnice
detektor svûtla
ãoãka
do mozku
oko
Obrázek 1-1: První infraãerven˘ teplomûr
10
âíslo 1
ZPRAVODAJ
1
Historick˘ pfiehled
pro jejich chrámy a pyramidy. Zbytky
Babylonské vûÏe v Mezopotámii ukazují,
Ïe byla vystavûna z cihel vysu‰en˘ch na
slunci. Z cihel, které jsou srovnatelné
s pálen˘mi cihlami a s kamenem.V Indii
byl v období 2500 r. pfied Kristem postaven kanalizaãní systém, kter˘ vedl
odpadní vody keramick˘mi trubkami do
kanálÛ podél cest. Kanály byly pfiikryté
cihlami a vyúsÈovaly do cihlov˘ch propustí, které vedly do fieky.
Ve starém ¤ecku, vyrábûli jiÏ v r. 2100
minoj‰tí umûlci vázy, sochy a textilie. Kdy
je moÏno dan˘ kus materiálu tvarovat
zji‰Èovali pohledem. Terakotové, cihlovû
ãervené, trubky byly vyrábûny ohfievem
materiálu na jistou danou teplotu a jejich
odléváním do formy.
I v novûj‰ích dobách, byli odborní
fiemeslníci pfii pozorování, zda má materiál správnou teplotu pro odlévání nebo
pro dûlení, závislí na sv˘ch vlastních
smyslech. Zrak se pouÏíval pfii v˘robû
a zpracování oceli, pfii v˘robû a zpracování skla, pfii formování vosku, pfii v˘robû keramiky. Zku‰ení fiemeslníci se uãili
na základû své zku‰enosti urãit teplotu
a mnoÏství tepla ve vypalovacích a su‰í-
Obr. 1-2: Výroba skla využívávající vizuální měření teploty
poÏadují. Ztrácí-li sklo poÏadovanou
barvu nebo poÏadovan˘ jas, dávají ho
zpût do pece nebo ho pfiestávají zpracovávat. Kdy je sklo pfiipraveno pro
zpracování, poznají skláfii pohledem.
Vlastníte-li sklenûn˘ svícen, nebo ruãnû
vyrábûné sklenice, které mají pÛvod
v Evropû, byly s nejvût‰í pravdûpodobností vyrábûny tímto zpÛsobem.
cích pecích, v tavících pecích, nebo ve
skláfisk˘ch pecích podle barvy vnitfiku
pecní komory. Stejnû tak, jak napfiíklad
mÛÏe kováfi odhadnout teplotu kovatelnosti koÀské podkovy podle toho, Ïe
dosáhla ãervenou tfie‰Àovou barvu.
Zrak se pouÏívá jako nástroj techniky stále ve v‰ech zemích svûta. Evrop‰tí
skláfii rozhodují podle zraku o tom, zda
je sklo pfiipraveno pro tvarování (obrázek 1-2). VloÏí velk˘ kus skla na dlouhé kovové tyãi do ohfiívací pece.
Jakmile sklo dosáhne poÏadované
barvy a jasu, vytáhnou ho z pece
a okamÏitû formují do tvaru, kter˘
ZPRAVODAJ
Od Newtona k Einsteinovi
Teplomûr vynalezl v Itálii Galileo
Galilei (1564 – 1642) asi 200 let pfied
tím, neÏ bylo v roce 1800 objeveno
infraãervené záfiení, a asi 100 let pfiedtím, neÏ velk˘ anglick˘ vûdec Sir Isaac
Newton (1642 – 1727) zkoumal povahu
svûtla v experimentech s hranoly.
Jak je publikováno v knize Optika,
vydané v roce 1704, pouÏil Newton sklenûné hranoly k tomu, aby ukázal, Ïe bílé
svûtlo mÛÏe b˘t rozloÏeno do barevného
spektra (obr.1-3 ). Nejménû zalomenou
ãástí svûtla byla ãervená sloÏka, následnû pak v pofiadí oranÏová, Ïlutá, zelená,
modrá, indigová a fialová, kaÏdá
postupnû pfiecházející v dal‰í. Newton
také ukázal, Ïe rÛzné barvy mohou b˘t
zpûtnû obnoveny dal‰ím hranolem, ãímÏ
vznikne znovu bílé svûtlo. Ve své práci
Newton objasnil, Ïe barva je základní
vlastností svûtla, a Ïe bílé svûtlo je smûsí
rÛzn˘ch barev. Hmota ovlivÀuje barvu
jen absorpcí nûkter˘ch druhÛ svûtla
a propou‰tûním nebo odráÏením jin˘ch.
Byl to také Newton, kdo v roce 1675
vyslovil názor, Ïe svûtlo je tvofieno
mal˘mi ãásticemi, neboli „korpuskulemi“. V rámci této teorie mûl Newton
v úmyslu mûfiit relativní velikosti tûchto
korpuskulí. Z pozorování zatmûní
Mûsíce a Jupitera odvodil, Ïe v‰echny
druhy svûtla se pohybují stejnou rychlostí. Na základû tohoto pozorování pak
stanovil relativní velikosti barevného
svûtla pomocí mûfiení úhlÛ lomu.
âíslo 1
11
Historick˘ pfiehled
1
V roce 1678 Christiaan Huygens
(1629-1695), matematik, astronom
a pfiírodovûdec, zpochybnil Newtonovu
korpuskulární teorii my‰lenkou, Ïe svûtlo
mÛÏe b˘t lépe pochopeno za pfiedpokladu, Ïe je sloÏeno z vln. V prÛbûhu 19.
století byla tato teorie pfiijata a nakonec
byla v˘znamná pro teorii elektromagnetické radiace Jamese Clerka Maxwella.
Ironií osudu pro infraãervenou termografii je fakt, Ïe infraãervené záfiení bylo
objeveno za pouÏití konvenãního teplomûru. Frederick William Herschel (17381822), vûdec a astronom, je znám jako
otec hvûzdné astronomie. Zkoumal planety a byl prvním vûdcem, kter˘ plnû popsal
mléãnou dráhu. Také pfiispûl ke studiu sluneãní soustavy a podstaty sluneãního
záfiení. V roce 1800 v Anglii experimentoval se sluneãním svûtlem. Pfii pozorování
Slunce pfies barevná skla si Herschel v‰iml,
Ïe tepeln˘ vjem nebyl v souladu s viditeln˘m svûtlem (obr.1-4). To jej vedlo k provedení experimentÛ se rtuÈov˘mi teplomûry a sklenûn˘mi hranoly a ke správné
hypotéze o existenci neviditeln˘ch infraãerven˘ch tepeln˘ch vln. Pfied Herschelem
nikoho nenapadlo pouÏít zároveÀ teplomûr a hranol a zmûfiit, jaké mnoÏství tepla
náleÏí urãité barvû spektra.
Herschel rozloÏil sluneãní záfiení na
spektrum a testoval jeho rÛzné ãásti teplomûrem, aby zjistil, jestli nûkteré barvy
nesou vût‰í mnoÏství tepla neÏ jiné. Zjistil,
Ïe kdyÏ teplomûr posouvá smûrem k ãervené ãásti spektra, teplota roste. Pfiitom
zkusil posunout teplomûr aÏ za konec
ãervené sloÏky spektra a zjistit, zdali zde
vymizí tepeln˘ efekt. To se nestalo. Místo
toho teplota vzrostla v˘‰e neÏ v kterémkoli místû pfied koncem ãervené sloÏky
spektra. Tato oblast byla nazvána infraãervená, coÏ znamená „pod ãervenou“.
Jak interpretovat tuto oblast nebylo
hned jasné. Zprvu se zdálo, Ïe slunce
vyzafiuje tepelné paprsky stejnû jako svûtelné, a Ïe tepelné paprsky se lámou
ménû neÏ svûtelné. Uplynulo pÛl století,
neÏ se zjistilo, Ïe infraãervené záfiení má
stejné vlastnosti jako svûtelné vlny s jedinou v˘jimkou, a to, Ïe nepÛsobí na sítnici oka tak, aby vyvolávalo svûteln˘ vjem.
Na poãátku 19. století zkoumal sluneãní spektrum nûmeck˘ fyzik Joseph von
Fraunhofer (1787-1826). Do jeho spektroskopu vstupovaly paralelní paprsky bílého sluneãního svûtla, které propou‰tûl
skrze úzkou ‰tûrbinu. Svûtlo dále rozkládal pomocí hranolu. Tím vytvofiil nespoãetné mnoÏství svûteln˘ch ãar, z nichÏ kaÏdá
byla obrazem ‰tûrbiny a kaÏdá obsahovala velmi úzké pásmo vlnov˘ch délek.
Nûkteré vlnové délky nicménû chybûly
a proto obrazy ‰tûrbiny na tûchto vlnov˘ch
délkách byly tmavé. V˘sledkem bylo zji‰tûní, Ïe sluneãní spektrum je pfieru‰eno
tmav˘mi ãarami. Tyto linie byly pozdûji
dÛleÏité pro studium emise a radiace.
V roce 1864 odvodil James Clarck
Maxwell (1831-1879) rovnice popisující
základní zákony elektromagnetismu.
Rovnice popisují Ïe elektrick˘ náboj,
(zdroj), vyzafiuje vlny prostorem. Vlny mají
definované frekvence, které urãují polohu
zdroje v elektromagnetickém spektru. Toto,
jak nyní víme, zahrnuje rádiové vlny, mikrovlny, infraãervené záfiení, ultrafialové
záfiení, záfiení x a gama záfiení.
ZávaÏn˘m dÛsledkem Maxwellov˘ch
rovnic bylo také teoretické odvození
rychlosti elektromagnetického vlnûní.
Obr. 1-3: NewtonÛv rozklad a zpûtná rekombinace bílého svûtla
12
âíslo 1
ZPRAVODAJ
1
Historick˘ pfiehled
Hranol
Teplomûry
I
nfr
aãe
r. z
á
âe fi e n í
O ra r vená
nÏo
lÎ ut vá
á
Ze
le n
á
M
o
Fia drá
lov
á
Obr. 1-4: HerschelÛv objev infraãerveného záfiení
Maxwell o sv˘ch pozorováních napsal:
„Tato rychlost je tak blízká rychlosti svûtla, Ïe se zdá, Ïe jsou zde váÏné dÛvody
k pfiedpokladu, Ïe svûtlo samo je elektromagnetick˘ nepokoj, kter˘ má formu vln
‰ífiících se v elektromagnetickém poli
v souladu se zákony elektromagnetismu.“
Maxwell byl schopen pfiedpovûdût cel˘
rozsah elektromagnetického spektra.
Nûmeck˘ fyziolog a fyzik Hermann von
Helmholtz (1821-1894) pfiijal Maxwellovu
teorii elektromagnetismu a zjistil, Ïe jedním
z jejích dÛsledkÛ je ãásticová teorie elektrick˘ch jevÛ. „Pokud pfiijmeme hypotézu,
Ïe chemické prvky jsou sloÏeny z atomÛ“,
napsal Helmholtz v roce 1881, „nemÛÏeme se vyhnout závûru, Ïe elektfiina, aÈ jiÏ
pozitivní nebo negativní, se skládá z elementárních ãástí, které se chovají jako
atomy elektfiiny.“
V roce 1859 Gustav Robert Kirchhoff
(1824-1887), matematik a fyzik, pracoval
s Robertem Bunsenem (1811-1899), anorganick˘m chemikem a fyzikem, na spektrometru, kter˘ obsahoval více neÏ jeden
hranol. Tento spektroskop dovoloval vût‰í
odli‰ení spektrálních ãar, neÏ mohlo b˘t
dosaÏeno Fraunhofferov˘m spektroskoZPRAVODAJ
pem. Podafiilo se jim dokázat, Ïe kaÏd˘
chemick˘ prvek emituje charakteristické
spektrum záfiení, které mÛÏe b˘t pozorováno, zaznamenáno a mûfieno.
Skuteãnost, Ïe svûtlé ãáry v emisním spektru prvkÛ pfiesnû odpovídaly vlnové délce
tmav˘ch ãar ve sluneãním spektru, poukazovala na to, Ïe stejné prvky, které emitovaly svûtlo na zemi, absorbovaly svûtlo na
slunci. Jako dÛsledek této práce vytvofiil
Kirchhoff v roce 1859 obecnou teorii
emise a radiace známou jako KirchhoffÛv
zákon (pozn. pfiekl. - v ãeské literatufie
KirchhoffÛv-BunsenÛv zákon). Jednodu‰e
fieãeno, KirchhoffÛv zákon fiíká, Ïe schopnost látky emitovat záfiení je shodná se
schopností jej absorbovat pfii stejné teplotû.
Následujícího roku odvodil Kirchhoff
koncepci absolutnû ãerného tûlesa. Byl
to jeden z dÛsledkÛ Kirchhoffova zákona
radiace. Absolutnû ãerné tûleso je definováno jako objekt, kter˘ pfii zahfiívání
absorbuje v‰echny frekvence záfiení
a pfii ochlazování je vyzafiuje.Tato teorie
byla zásadní pro v˘voj radiaãní termometrie. Otázka absolutnû ãerného tûlesa
se objevila pfii pozorování, Ïe pfii zahfiívání napfiíklad Ïelezné tyãe, tato tyã
vyzafiuje jak teplo, tak svûtlo. Tato radiace mÛÏe b˘t napfied neviditelná, infraãervená. Nicménû pozdûji se stane viditelnou, tyã je do ãervena rozpálená.
Nakonec se tyã rozÏhaví do bûla, coÏ
ukazuje, Ïe tyã emituje v‰echny barvy
spektra. Klasická fyzika není schopna
vysvûtlit spektrální radiaci, která závisí
jen na teplotû tûlesa a ne na jeho materiálu. Kirchhoff rozpoznal, Ïe „najít tuto
univerzální funkci je velmi dÛleÏit˘ úkol“.
Pro svoji zásadní dÛleÏitost se problém
absolutnû ãerného tûlesa doãkal fie‰ení.
Rakousk˘ fyzik Josef Stefan 18351893 jako první stanovil vztah mezi
mnoÏstvím energie vyzafiované tûlesem
a teplotou tûlesa. Obzvlá‰tû se zajímal
o problematiku chladnutí hork˘ch tûles
a o to, kolik radiace chladnoucí tûlesa
emitují. Studoval horká tûlesa v ‰irokém
rozsahu teplot a v roce 1879 z pokusÛ
odvodil, Ïe celková radiace vyzafiovaná
absolutnû ãern˘m tûlesem se mûní jako
ãtvrtá mocnina jeho absolutní teploty
(StefanÛv zákon). V roce 1884 jeden
z b˘val˘ch ÏákÛ Stefana, Ludwig
Boltzmann (1844-1906), na základû termodynamick˘ch principÛ a Maxwellovy
âíslo 1
13
Historick˘ pfiehled
1
elektromagnetické teorie teoreticky odvodil Stefanem experimentálnû vysledovan˘
zákon vyzafiování absolutnû ãerného
tûlesa. Tento zákon, znám˘ jako
StefanÛv-BoltzmannÛv zákon, tvofií teoretick˘ základ radiaãní termometrie. Díky
této rovnici byl Stefan schopen provést
první pfiesné mûfiení povrchové teploty
Slunce, jehoÏ hodnota je pfiibliÏnû
11000°F tj. 6000°C.
Povaha tepelného záfiení absolutnû
ãerného tûlesa vyvolávala u vûdcÛ dal‰í
otázky. Absolutnû ãerné tûleso nevyzafiovalo teplo zpÛsobem, jak˘ vûdci pfiedpokládali. Teoretick˘ vztah mezi spektrální
radiací absolutnû ãerného tûlesa a jeho
termodynamickou teplotou nebyl stanoven aÏ do sklonku 19. století.
Mezi teoriemi navrÏen˘mi k vysvûtlení tohoto rozporu byla teorie nûmeckého fyzika Wilhelma Viena (1864-1928)
a anglického fyzika Johna Rayleigha.
V roce 1893 Vien promûfiil distribuci
vlnov˘ch délek záfiení absolutnû ãerného tûlesa. V˘sledkem byly grafy intenzity záfiení v závislosti na vlnové délce pfii
rÛzn˘ch teplotách. Tûmito kfiivkami
dokázal, Ïe ‰piãková hodnota intenzity
záfiení dané vlnové délky je pfiímo
úmûrná energii a nepfiímo úmûrná
absolutní teplotû. JestliÏe se teplota zvy‰uje, nezvy‰uje se jen celkové mnoÏství
záfiení v souladu se Stefanov˘m pozorováním, ale hodnota vlnové délky pro
maximální intenzitu záfiení se sniÏuje
a barva vyzafiovaného svûtla se mûní
z ãervené na oranÏovou, Ïlutou
a nakonec bílou. Wien se pokusil formulovat empirickou rovnici, která by
popisovala tento vztah. Tato komplikovaná rovnice dávala dobré v˘sledky
pro vysoké frekvence záfiení absolutnû
ãerného tûlesa (krátké vlnové délky),
14
âíslo 1
ale ne pro nízké frekvence (dlouhé
vlnové délky). Rayleighova teorie vyhovovala naopak pro nízké frekvence.
V polovinû 90. let 19. století zkoumal spektrum záfiení emitovaného
absolutnû ãern˘m tûlesem spolu se skupinou berlínsk˘ch fyzikÛ nûmeck˘
fyzik, b˘val˘ Ïák Kirchhoffa, Max Karl
Ernst Ludwig Planck (1858-1947).
ProtoÏe na spektrometru zjistili spí‰e
neÏ ‰iroké pásy, jen oddûlené svûtelné
linie, byla vyslovena hypotéza, Ïe svûtlo emitují malinké ãásteãky. K vysvûtlení spektrálních ãar byla tak vytvofiena
teorie, Ïe svûtlo se skládá z mal˘ch
nedûliteln˘ch ãástic.
Toto zaujalo Plancka, protoÏe
Kirchhoff v roce 1869 objevil, Ïe vlastnosti tepla vyzafiovaného a absorbovaného absolutnû ãern˘m tûlesem na
v‰ech frekvencích dosáhly rovnováhy,
která závisela jen na teplotû a ne na
povaze objektu samého. Nicménû svûtlo, vycházející z rozpálené dutiny napfi.
z vysoké pece vytváfií pfii kaÏdé teplotû
‰irokou ‰kálu spektrálních barev. Po
nûkolika neúspû‰n˘ch pokusech, se kter˘mi zaãal v roce 1897, se podafiilo
Planckovi nalézt vztah, kter˘ mohl
popsat záfiení absolutnû ãerného tûlesa.
Planck odvodil vztah, kter˘ odpovídal
pozorované energii radiace na jakékoliv vlnové délce a teplotû. Vyslovil
zásadní my‰lenku, Ïe svûtlo a teplo není
vyzafiováno ve spojitém proudu. Místo
toho je energie vyzafiována v oddûlen˘ch jednotkách. Planck objevil univerzální konstantu - Planckovu konstantu,
která byla vzata do fyzikální teorie
a pouÏívá se k v˘poãtu spektra. Z toho
vychází domnûnka, Ïe energie se skládá z diskrétních jednotek, které Planck
nazval kvanta, a Ïe energie emitovaná
kaÏd˘m kvantem mÛÏe b˘t popsána
vztahem E=h*n=h*c/l, kde n(sekunda1) je frekvence záfiení a h je Planckova
konstanta - základní fyzikální konstanta. Takto pfiímo závisí energie záfiení na
jeho frekvenci. Planck podal vysvûtlení
pro pozorování, Ïe záfiení o vy‰‰í energii má vy‰‰í frekvenãní rozloÏení. Tímto
otevfiel novou éru fyziky.
Kupole
Umístûní síÈky
a stfied rotace
Obrázek 1-5: Infraãerven˘ navádûcí systém stfiely Sidewinder
ZPRAVODAJ
1
Pfied Planckov˘mi studiemi bylo teplo
povaÏováno za plyn, sloÏen˘ z odpudiv˘ch ãástic, schopn˘ch se chemicky slouãit s hmotn˘mi atomy. Podle této teorie
ãástice tepla vstoupily do hmoty a pohybovaly se mezi ãásticemi. Vzájemn˘
odpor mezi ãásticemi tepla vyvolával
vznik tlaku. Termometr detekoval tento
tlak. Planckova konstanta vstoupila
v známost jako „·Èastná náhoda“,
poskytla základ teoretick˘m rovnicím,
které odpovídaly zjistitelnému rozmezí
spektrálních jevÛ, a byla základem teorie
absolutnû ãerného tûlesa.
Práce Maxwela a Helmholtze studoval
Albert Einstein (1879-1955). V roce
1905 pouÏil kvantum jako teoretick˘
nástroj k vysvûtlení fotoelektrického jevu
a ukázal, Ïe svûtlo se mÛÏe nûkdy chovat
jako proud ãástic. Publikoval tfii práce ve
svazku XVII Annalen der Physik. Jednak
vyloÏil svou nyní proslulou teorii relativity, jednak ukázal ,Ïe základní pfiírodní
proces- vyzafiování ãerného tûlesa- lze
popsat matematickou rovnicí. Einstein
ukázal, Ïe svûtlo je proudem ãástic,
s urãit˘m mnoÏstvím energie, kterou lze
vypoãítat s pouÏitím Planckovy konstanty.
V prÛbûhu následujících deseti let byl
tento pfiedpoklad experimentálnû potvrzen pro viditelné svûtlo.
Max Karl Ernst Ludwig Planck uvedl
kvantovou teorii na pfielomu 19. a 20.
století a zmûnil tak základní rámec fyziky.
Einstein napsal: “ Planck dal jeden z nejsilnûj‰ích impulsÛ pro rozvoj vûdy vÛbec.“
Nynější aplikace
V roce 1901 byl podán první patent
t˘kající se radiaãní termometrie. Pfiístroj
pouÏíval termoelektrické ãidlo, dával
ZPRAVODAJ
Historick˘ pfiehled
elektrick˘ v˘stupní signál a byl schopen
pracovat bez obsluhy. V roce 1931
byly na trh uvedeny první komerãnû
dostupné radiaãní termometry. Tyto pfiístroje byly ‰iroce pouÏívány k zaznamenávání a fiízení prÛmyslov˘ch procesÛ. PouÏívají se dodnes, zejména pro
nízkoteplotní aplikace.
První moderní radiaãní teplomûry
byly dostupné aÏ po druhé svûtové
maceutickém a potravináfiském prÛmyslu, kde se produkty nesmí kontaminovat
dotykov˘m senzorem. Bezdotykové teplomûry je moÏno pouÏít u materiálÛ hork˘ch, pohybujících se nebo nedostupn˘ch nebo není-li Ïádoucí, aby materiál
byl po‰kozen, po‰krábán, nebo roztrÏen
dotykov˘m teplomûrem.
Vefiejné sluÏby, prÛmysl chemick˘, farmaceutick˘, automobilov˘, prÛmysl zpra-
válce. Prvními infraãerven˘mi kvantov˘mi detektory, ‰iroce pouÏívan˘mi
cování plastÛ, zdravotnické technologie,
skláfiství, papírensk˘ prÛmysl, prÛmysl
Zaostfiující ãoãka
Hlavní optick˘ systém
Vzdálené
objekty
Detektor
SíÈka
Obrázek 1-6: Infraãervená optika návadûcího systému stfiely
v prÛmyslové radiaãní termometrii, byly
fotodetektory se sirníkem olovnat˘m,
a byly pÛvodnû vyvinuty pro vojenské
úãely. Také jiné typy kvantov˘ch detektorÛ byly pÛvodnû vytvofieny pro vojenské aplikace a nyní jsou ‰iroce uÏívané
v radiaãní termometrii. Mnohé infraãervené radiaãní teplomûry pouÏívají termoelektrické ãlánky jako detektory,
které jsou citlivé na ‰iroké spektrum
záfiení. Mají rozsáhlé pouÏití u pfiístrojÛ fiídících procesy.
Infraãervené teplomûry mají v souãasné dobû ‰iroké pouÏití pfii mûfiení
teploty v prÛmyslu a v laboratofiích.
Bezdotykov˘m teplotním ãidlem mohou
b˘t sledovány objekty, ke kter˘m je obtíÏné se pfiiblíÏit z dÛvodu extrémních podmínek prostfiedí. Dále najdou své pouÏití
napfiíklad ve skláfiském, chemickém, far-
stavebních materiálÛ, kovozpracující
prÛmysl - toto jsou typická odvûtví pouÏívající bezdotyková teplotní ãidla.
PrÛmyslovû se vyuÏívají ve v˘robû, kontrole kvality a údrÏbû a pomáhají podnikÛm zv˘‰it produktivitu, sníÏit spotfiebu
energií a zlep‰it kvalitu v˘robkÛ.
Dal‰í aplikace radiaãní termometrie
zahrnuje takové oblasti, jako tvarování,
zu‰lechÈování a chlazení skla; odlévání,
válcování, kování, fiízení teploty pfii zpracování kovÛ; kontrolu kvality v potravináfiském a papírenském prÛmyslu; lisování, laminaci, su‰ení plastÛ a gumy;
zpracování pryskyfiic, lepidel a barev.
Bezdotykové teplomûry hrají dÛleÏitou
roli ve vojenském v˘zkumu, v lékafisk˘ch,
prÛmyslov˘ch, meteorologick˘ch, ekologick˘ch, lesnick˘ch, zemûdûlsk˘ch a chemick˘ch aplikacích.
âíslo 1
15
Historick˘ pfiehled
1
Meteorologické druÏice pouÏívají
infraãervené zobrazovací pfiístroje
k mapování mrakÛ a vytváfiejí obrazy,
které mÛÏete vidût ve zprávách o poãasí.
Díky radiaãní termometrie lze zmûfiit teplotu zemského povrchu dokonce i pfies
pokr˘vku mrakÛ.
Infraãervená zobrazovací zafiízení
se také pouÏívají v medicínské termografii. V praktické medicínû se termografie napfiíklad pouÏívá k vãasné
detekci karcinomu prsu a k lokalizaci
pfiíãin obûhov˘ch poruch. VyuÏívá se
zde skuteãnost, Ïe patologick˘ proces
zpÛsobí místní zv˘‰ení teploty, které
mÛÏe b˘t detekováno. Dal‰í diagnostické pfiístroje zaloÏené na infraãervené termometrii mohou pomoci fie‰it
zdravotní problémy od bolestí
v zádech aÏ po onemocnûní dutin.
Pomocí vzdu‰n˘ch infraãerven˘ch
detektorÛ mohou b˘t také vyhledávány
lesní poÏáry. UmoÏÀují pfiesnûj‰í vymezení okrajÛ poÏáru, protoÏe dlouhé vlny
infraãervené radiace obvykle pronikají
koufiem lépe neÏ viditelné svûtlo.
Ve ‰piãkovém v˘zkumu v oblasti stanovování poruch v kovech, kompozitech a rozhraních na‰la pouÏití jedna
sloÏitá metoda, zaloÏená na infraãervené termometrii. Tato technika je
známa pod názvem pulzní videotermografie. Kompozitní materiál, obsahující
uhlíková vlákna, stmelen˘ hliníkovou
konstrukcí je vystaven tepeln˘m impulzÛm z xenonové v˘bojky. Infraãervené
kamery zaznamenávají snímek po
snímku sekvenci ‰ífiení tepla objektem,
které je zobrazováno na obrazovce.
Defekty se ukazují jako odchylky od
16
âíslo 1
oãekávan˘ch prÛbûhÛ u daného testovaného materiálu.
Co se t˘ãe vojensk˘ch aplikací,
nachází radiaãní termometrie upotfiebení v noãním vidûní a u tepelnû navádûn˘ch stfiel. Ve druhém pfiípadû obsluha teplem navádûné rakety jednodu‰e
vypustí stfielu v pfiibliÏném smûru cíle.
Vestavûné detektory umoÏÀují stfiele
lokalizovat cíl pomocí sledování tepelné
stopy smûfiující k cíli. Nejznámûj‰ími
systémy tepelnû navádûn˘ch stfiel jsou
stfiely vzduch-vzduch typu Sidewinder
a satelitní mezikontinentální a satelitní
detekãní systém proti mezikontinentálním balistick˘m stfielám (ICBM).
Oba systémy jsou zaloÏeny na
detekci infraãervené stopy hork˘ch
v˘fukov˘ch plynÛ nebo velmi hork˘ch
motorÛ. Navádûcí systém Sidewinder
je schematicky zobrazen na obrázku
1-5. Speciální kupole chrání optick˘
systém uvnitfi. Optick˘ systém se skládá
z primárního a sekundárního zrcadla
a ze sady korekãních ãoãek, které
umoÏÀují zaostfiení obrazu na speciální optickou síÈku. V‰echno svûtlo ze
síÈky je zaostfieno do detektoru. SíÈka
upravuje záfiení takov˘m zpÛsobem,
aby bylo moÏno odli‰it mraky a letadlo, a aby bylo moÏno urãit správné
smûrové informace.
Pfienosné stfiely zemû-vzduch SAM
jsou efektivní obranné jednotky, které se
samy navádûjí na cíl pomocí detekce
a stopování tepla emitovaného letadlem,
zejména v˘fukov˘mi plyny.
T
Literatura:
• Album of Science, The 19th Century, Pearce L. Williams,
Charles Scribner’s Sons, 1978.
• Asimov’s Chronology of Science and Discovery, Isaac Asimov, HarperCollins
Publishers, 1994.
• The Biographical Dictionary of Scientists, 2nd ed., Oxford University Press, 1994.
• Dictionary of Scientific Biography, Vols. 9, 10, 11, Charles C. Gillispile,
Charles Scribner’s Sons, 1973.
• Engineering in History, Richard S. Kirby and Sidney Withington,
Arthur B. Darling, Frederick G. Kilgour, McGraw-Hill, 1956.
• The Invisible World of the Infrared, Jack R. White, Dodd, Mead & Company,
1984.
• The McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology, 8th ed., Vol. 9,
McGraw-Hill, 1997.
• Notable Twentieth-Century Scientists, Emily J. McMurray, Gale Research Inc.,
1995.
• Pioneers of Modern Science, The World of Science, Bill MacKeith,
Andromeda Oxford Limited, 1991.
• The Scientific 100. A Ranking of the Most Influential Scientists, Past and
Present, John Simmons, Carol Publishing Group, 1996.
• Theory and Practice of Radiation Thermometry, David P. DeWitt., and
Gene D. Nutter, John Wiley & Sons, 1988.
ZPRAVODAJ
2
BEZDOTYKOVÉ Mù¤ENÍ TEPLOTY
Teoretické základy
Základní poznatky o radiaci
Absolutnû ãerné tûleso
Od absolutnû ãerného tûlesa k reáln˘m povrchÛm
Teoretické základy
V
e‰kerá hmota – Ïivá nebo
sobením
Planckovy
konstanty,
neÏivá, tekutiny, pevné
h=6,6256x10 , a frekvence záfiení
látky, plyny, si trvale vymû-
ν udávané v Hz.
-34
Àují se sv˘m okolím tepel-
V roce 1905 postuloval Albert
nou energii ve formû elektromagnetic-
Einstein, Ïe tato kvanta odpovídají ãás-
ké radiace. Pokud je mezi dan˘m
ticím
objektem a jeho okolím teplotní roz-
2,9979x108 m/s. Pokud se tyto fotony
díl, bude se energie pfiená‰et ve
pohybují rychlostí svûtla, fiídí se teorií
formû tepla, chladnûj‰í objekt se bude
relativity, vyjádfiené rovnicí E2=c2p2
pohybujícím
se
rychlostí
ohfiívat na úkor svého okolí, teplej‰í
a fotony mají hybnost p = E/c = h/λ.
objekt se bude ochlazovat. Pokud má
Frekvence fotonÛ mÛÏe b˘t vypoãtena
dan˘ objekt stejnou teplotu jako jeho
jako podíl rychlosti svûtla a vlnové
okolí, celková v˘mûna energie radia-
délky, ν=c/l . Substitucí hybnosti v˘ra-
cí bude nulová.
zem h/l dostáváme:
V kaÏdém pfiípadû charakteristické
spektrum radiace závisí na absolutních teplotách objektu a jeho okolí.
Tato publikace se zab˘vá radiaãní
termometrií, nebo obecnûji bezdotykov˘m mûfiením teploty, vyuÏitím
závislosti radiace na teplotû k mûfiení
teploty pfiedmûtu bez potfieby pfiímého dotyku.
E = hν = hc/λ
Z této rovnice je zfiejmé, Ïe mnoÏství
vyzafiované energie závisí na vlnové
délce (nebo frekvenci). âím krat‰í je
vlnová délka, tím vy‰‰í je energie.
Emitované záfiení se skládá z nespojité, ne pro v‰echny vlnové délky stejné
distribuce monochromatick˘ch kompo-
nent, které mohou b˘t ‰irokého rozmezí
vlnov˘ch délek a mohou mít rÛzn˘ smûr.
MnoÏství radiace na jednotkovou vlnovou délku, naz˘vané spektrální koncentrace, taktéÏ závisí na vlnové délce.
MnoÏství radiace na jakékoliv vlnové
délce, stejnû jako spektrální distribuce,
závisí na vlastnostech a teplotû emitujícího povrchu. Záfiení má také smûr.
Povrch mÛÏe preferovat urãit˘ smûr,
v nûmÏ energii vyzafiuje. Pfii zkoumání
záfiení se musí vzít v úvahu jak spektrální, tak i smûrová distribuce.
Vlnová délka mÛÏe b˘t chápána jako
adresov˘ typ do kterého je zapsána
energie paprskÛ. Mapa zobrazující
v‰echny vlnové délky elektromagnetického záfiení se naz˘vá elektromagnetické
spektrum (viz vnitfiní strana obálky této
publikace). Mezi krátké vlnové délky,
které nesou nejvy‰‰í mnoÏství vyzafiované energie, patfií paprsky gama, paprsky X a pásmo ultrafialové radiace.
Stfiední ãást spektra je oblast tepeln˘ch
Základní poznatky o radiaci
V˘voj matematick˘ch vztahÛ popi-
energie
odraÏeného
záfiení
sujících radiaci byl velk˘m pokrokem
pfii v˘voji moderní teorie radiaãní termometrie.
Schopnost kvantifikovat
radiaãní energii vychází do znaãné
míry z Planckovy kvantové teorie.
Planck pfiedpokládal, Ïe záfiení je
tvofieno diskrétními mnoÏstvími ener-
energie
záfiení
gie, zvan˘mi fotony nebo kvanta,
energie
absorbovaného
záfiení
jejichÏ velikost závisí na vlnové délce
energie
propu‰tûná
tûlesem
záfiení. Celková energie kvanta
oznaãovaná jako E se vypoãte vynáZPRAVODAJ
Obr. 2-1: Energetická rovnováha objektu
Císlo 1
17
Teoretické základy
2
paprskÛ sahající pfiibliÏnû od 0,1
do 1000 µm (1000000 µm = 1m),
a spadá do nûj ãást ultrafialov˘ch
a v‰echny viditelné vlnové délky
a infraãervené vlnové délky. Tato ãást
elektromagnetického spektra se naz˘vá tepelné záfiení a je dÛleÏitá pfii
zkoumání tepelného pfienosu a pro
radiaãní termometrii.
Bezdotyková teplotní ãidla pracují
s
infraãervenou
Infraãervené
ãástí
pásmo
spektra.
leÏí
mezi
Koncept absolutně
černého tělesa
Jak ukazuje obrázek 2-1, mÛÏe b˘t
záfiení dopadající na objekt absorbováno, odraÏeno nebo mÛÏe objektem
procházet (pokud není neprÛhledn˘).
Pokud má objekt konstantní teplotu,
potom musí b˘t v˘kon emitovaného
záfiení stejn˘ jako v˘kon záfiení absorbovaného. V opaãném pfiípadû se
absorbuje, nezávisle na jeho smûru
a vlnové délce. U reálného tûlesa se
podíl pohlceného záfiení naz˘vá
absorptivita, α. Pro absolutnû ãerné
tûleso je absorptivita rovna 1,0 (αb=1).
Pro reálná tûlesa je absorpce ãástí
tepelné radiace dopadající na povrch,
a platí, Ïe 0 ≤ ≤1. Z hlediska tepelného pfienosu, platí pro q“:
q“absorbovaná = αq“dopadajicí
objekt ochlazuje (vyzafiování je vût‰í
neÏ absorpce) nebo zahfiívá (absorpce
Absolutnû ãerné tûleso nejenom
0,78 µm a 1000 µm a je pouh˘m
je vût‰í neÏ vyzafiování). Proto pro tûle-
pohlcuje ve‰keré dopadající záfiení,
okem neviditelné. Infraãervené pásmo
sa s konstantní teplotou platí, Ïe
ale je také dokonale vyzafiujícím tûle-
se dûlí na tfii oblasti: blízké infraãer-
absorpce, odraz a propu‰tûní záfiení
sem. Aby popsal vyzafiovací schop-
vené pásmo (0,78-3, 0 µm), stfiední
jsou v rovnováze.
nosti povrchu ve srovnání s vyzafiová-
(3,0-30 µm) a vzdálené infraãervené
TûÏi‰tûm teorie radiaãní termometrie
ním absolutnû ãerného tûlesa, defino-
pásmo (30-300 µm). V infraãervené
je koncepce absolutnû ãerného tûlesa.
val Kirchhoff emisivitu (ε) reálného
termometrii se bûÏnû pouÏívá vlnové
V roce1860 definoval Kirchhoff abso-
povrchu jako pomûr tepelné radiace
záfiení o délce 0,7 aÏ 14 µm. V˘bûr
lutnû ãerné tûleso jako povrch, kter˘
pfii dané teplotû a radiace absolutnû
vlnové délky u rÛzn˘ch aplikací se fiídí
záfiení neodráÏí ani nepropou‰tí, ale
ãerného tûlesa pfii stejné teplotû a za
atmosférick˘m pfienosem záfiení.
pouze ve‰keré dopadající záfiení
stejn˘ch spektrálních a smûrov˘ch
podmínek.
Tato hodnota také musí b˘t zvaÏována pfii mûfiení teploty bezdotykov˘m
teplomûrem. Celková emisivita reálného povrchu je vyjádfiena pomûrem
celkového mnoÏství radiace vyzafiovaného povrchem a celkové radiace
absolutnû ãerného tûlesa pfii stejné
teplotû. Na stranû 82 zaãínají tabulky, které obsahují reprezentativní
hodnoty emisivity pro rÛzné materiály. Pokud je v‰ak nutné velmi pfiesné
mûfiení teploty, je tfieba zjistit hodnotu
aktuální emitivity povrchu. Aãkoliv
jsou pojmy emisivita a emitivita ãasto
smû‰ovány, ve skuteãnosti mají technicky rÛzn˘ obsah. Emisivita popisuje
vlastnost materiálu, napfi. litiny, zatímco emitivita popisuje vlastnosti daného povrchu.
18
âíslo 1
ZPRAVODAJ
2
Na
experimentálních
hodnota teploty niωí, neÏ je aktuální
Pfii prÛmyslovém vyuÏití se musí
v˘sledkÛ odvodil v roce 1879 Stephan
teplota. Pro tûlesa s emisivitou men‰í
poãítat s ovlivnûním záfiení pfii jeho
vztah, kter˘ fiíká, Ïe radiace vyzafiova-
neÏ 0,9 se rychlost pfienosu tepla
prÛchodu rÛzn˘mi látkami jako napfi.
ná povrchem objektu je úmûrná ãtvrté
z reálného povrchu vypoãítá podle
vodou nebo sklem. Ze spektra záfiení
mocninû absolutní teploty povrchu. Tato
vztahu:
mohou b˘t nûkteré ãásti odraÏeny,
teorie
základû
Teoretické základy
byla
pozdûji
rozvinuta
Boltzmanem, kter˘ ukázal, Ïe radiace
vyzafiovaná absolutnû ãern˘m tûlesem
pfii absolutní teplotû Ts (K) je rovna:
q“ = εσTs4
Nejpfiesnûj‰í aproximací absolutnû
ãerného tûlesa je dutina s vnitfiním povr-
absorbovány nebo propu‰tûny. Z toho
vypl˘vá, Ïe:
Gλ = Gλref + Gλabs + Gλtran
q“ = σTs4
chem o konstantní teplotû Ts, která
Nicménû ve vût‰inû pfiípadÛ je pro-
komunikuje s okolím skrze malou dírku,
stfiedí pro dopadající záfiení neprÛ-
kde σ je Stefanova-Boltzmannova kon-
jejíÏ prÛmûr je velmi mal˘ ve srovnání
hledné. Proto je Gλtran = 0 a ke zb˘va-
stanta (σ = 5,67 x 10-8 W/m2K4).
s rozmûry dutiny (obr. 2-3). Vût‰ina
jící sloÏce absorpce a odrazu je
Rychlost pfienosu tepla záfiením na
záfiení vstupující dírkou do dutiny je buì
moÏno pfiistupovat jako k jevu urãené-
jednotku plochy pro reálné tûleso je
ihned absorbována, nebo je povrchem
mu povrchem tûlesa. Jin˘mi slovy
definováno jako:
dutiny odraÏena zpût do dutiny (a nako-
absorpce a reflexe jsou ovlivÀovány
nec také absorbována), zatímco z otvo-
procesy, vyskytujícími se ve vzdále-
ru vychází zanedbatelné mnoÏství záfie-
nosti zlomku mikrometru od záfiícího
ní . Tato soustava aproximuje objekt
povrchu. Je proto vhodné fiíci, Ïe
dokonale pohlcující záfiení nezávisle na
vyzafiování je absorbováno a odráÏe-
vlastnostech vnitfiního povrchu dutiny.
no povrchem s relativními magnituda-
q“ = ασ(Ts4 - Tsur4)
kde Ts je povrchová teplota a Tsur je
teplota okolí.
Aãkoliv nûkteré povrchy se sv˘mi
vlastnostmi podobají absolutnû ãernému tûlesu, v‰echny reálné objekty
a povrchy mají emisivitu men‰í neÏ 1.
Reálné objekty jsou buì ‰edá tûlesa,
jejichÏ emisivita nezávisí - na vlnové
délce záfiení a tûlesa barevná, u nichÏ
emisivita závisí na vlnové délce záfiení. Vût‰ina organick˘ch objektÛ jsou
tûlesa ‰edá, s emisivitou 0,90 – 0,95
(obr. 2-2).
Koncept absolutnû ãerného tûlesa je
dÛleÏit˘, protoÏe ukazuje, Ïe energie
vyzafiovaná absolutnû ãern˘m tûlesem
závisí na teplotû. Pfii pouÏití bezdotyko-
Záfiení, které je zachyceno uvnitfi
dutiny je absorbováno a odráÏeno tak,
mi Gλref a Gλabs v závislosti na vlnové
délce a povaze povrchu.
Ïe je uvnitfi dutiny rovnomûrnû distribu-
Pfienos záfiení u reáln˘ch tûles je
ováno - ãásteãnû je absorbováno
uskuteãÀován v rÛzn˘ch smûrech
a ãásteãnû odraÏeno. Dopadající záfie-
a ‰irok˘m rozsahem vlnov˘ch délek
ní za ãasovou jednotku na jednotku
záfiení. Spektrální hemisferální záfiiv˘
plochy kdekoliv uvnitfi dutiny se naz˘vá
iradiance Gλ (W/m •µm). Pokud cel2
ková iradiace G (W/m2) udává energii
záfiení v‰ech vlnov˘ch délek dopadajícího ze v‰ech smûrÛ na jednotku plochy, vypoãítá se jako:
G = 0Gλ (dλ)
v˘kon Eλ (W/m2•µm) je definován jako
v˘kon záfiení na jednotkovou plochu na
v‰ech moÏn˘ch vlnov˘ch délkách a ve
v‰ech moÏn˘ch smûrech, na kaÏdou
vlnovou délku dλ kolem λ na jednotku
plochy povrchu.
Aãkoliv smûrová distribuce záfiení
povrchu kolísá, je závislá na povrchu.
vého teplomûru mûfiícího energii vyza-
Pokud je do dutiny vloÏeno jiné absolut-
¤ada povrchÛ se blíÏí difuzním emito-
fiovanou z objektu (a závisející na
nû ãerné tûleso, které má stejnou teplotu,
rÛm. To znamená, Ïe intenzita emitova-
povaze povrchu), je tfieba vzít v úvahu
jako vnitfiní stûny dutiny, bude absolutnû
ného záfiení je nezávislá na smûru ve
emisivitu. Napfi. objekt s emisivitou 0,6
ãerné tûleso udrÏovat svoji teplotu. Proto
kterém záfiení dopadá nebo je vyzafio-
vyzafiuje jen 60 % energie ve srovnání
rychlost, kterou je energie absorbována
váno. V tomto pfiípadû je celkov˘ spekt-
s absolutnû ãern˘m tûlesem. Pokud se
vnitfiním povrchem dutiny je stejná jako
rální hemisferální v˘kon Eλ(W/m2) defi-
nezavede tato korekce, bude naãtena
rychlost, kterou je vyzafiována.
nován jako:
ZPRAVODAJ
âíslo 1
19
Teoretické základy
2
Eλ (λ) = πIλ, e(λ)
neboli
E = πIe
nou rovnicí, navrhl v roce 1900 Planck
její úpravu, aby lépe odpovídala realitû:
Eλ, b(λ, T) = 2h2/λ5[exp( hc0/λkT) - 1]
Zásluhou této rovnice postuloval Planck
kde Ie je celková intenzita emitované
radiace nebo v˘kon emitované energie
svoji kvantovou teorii. Vhodnûj‰í vyjádfie-
pro danou vlnovou délku na jednotku
buãní zákon (obr. 2-4) je následující:
plochy záfiícího povrchu kolmého na
jeho smûr, na jednotkov˘ prostorov˘
úhel kolem tohoto smûru záfiení a na
jednotkovou vlnovou délku. V‰imnûte
si, Ïe Eλe je tok záfiení, závisející na
aktuální plo‰e povrchu a Ιλe k je závislá na prÛmûtu plochy. Pfii aproximaci
absolutnû ãerného tûlesa je záfiení
témûfi úplnû absorbováno uvnitfi dutiny.
Ve‰kerá radiace, která dutinu opou‰tí,
závisí jedinû na vnitfiní teplotû povrchu
dutiny. Spektrální charakteristika záfiení absolutnû ãerného tûlesa jako funkce
teploty a vlnové délky byla vypoãítána
Wilhelmem Wienem v roce 1896.
Wien odvodil svÛj zákon pro distribuci
energie v emisním spektru následovnû:
ní této rovnice, naz˘vané PlanckÛv distri-
Eλ, b(λ, T) = π Iλ, b(λ, T )=
C1/λ5[exp(C2/λT) - 1]
Kde C1 = 2πhc02 = 3,742 x 108
W•µm4/m2 a C2 = (hc0/k) = 1,439
délkám. Vezmeme-li v úvahu elektromagnetické spektrum, je zfiejmé, Ïe
tûlesa s velmi vysokou teplotou vyzafiují energii ve viditelném spektru, protoÏe se sniÏuje vlnová délka záfiení.
Obr. 2-4 také ukazuje, Ïe rozdíl energie na stupeÀ teploty je vût‰í u krátk˘ch vlnov˘ch délek.
Jak vypl˘vá z obr. 2-4, má spektrální
hustota záfiení absolutnû ãerného tûlesa
maximální hodnotu na vlnové délce
λmax. λmax závisí na teplotû. Derivujemeli v˘‰e uvedenou rovnici podle λ a poloÏíme-li v˘sledek roven 0, dostaneme:
x 104 µm • K jsou první a druhá radia-
λmax T=C3
ãní konstanta.
Planckova distribuce ukazuje, Ïe
s mûnící se vlnovou délkou se spojitû
mûní intenzita vyzafiované radiace.
JestliÏe se zvy‰uje teplota, zvy‰uje se
celkové mnoÏství vyzafiované energie
a vrchol kfiivky se posouvá doleva,
neboli smûrem ke krat‰ím vlnov˘m
kde C3 = 2897,7 µm • K je tfietí radiaãní konstanta. Toto je známo jako
WienÛv zákon posunu. Pfieru‰ovaná
ãára v obrázku 2-4 odpovídá tomuto
zákonu a lokalizuje hodnoty maximální radiace pro kaÏdou teplotu pfii dané
vlnové délce. V‰imnûte si, Ïe s rÛstem
l λ, ι
Eλ,b(λ, T) = 2h /λ [exp(hc0/λkT)]
2
5
kde Eλ, b (b jako black body = absolutnû
ãerné tûleso) pfiedstavuje intenzitu radiace emitovanou absolutnû ãern˘m tûlesem pfii teplotû T a vlnové délce λ na jednotkov˘ interval vlnov˘ch délek, na jednotkov˘ ãas, na jednotkov˘ prostorov˘
úhel, na jednotkovou plochu. Dále
h =6,626 x 10-24 J•s, je Planckova konstanta a k = 1,3807 x 10-23 J•K-1 je
Boltzmannova konstanta, c0 = 2,9979
x 108 m/s je rychlost svûtla ve vakuu
a T je absolutní teplota absolutnû ãerného tûlesa udávaná v Kelvinech (K).
ProtoÏe byly zji‰tûny rozdíly mezi
experimentálními v˘sledky a v˘‰e uvede20
âíslo 1
Obrázek 2-3: Izotermická dutina simulující absolutnû ãerné tûleso
ZPRAVODAJ
Teoretické základy
2
9
10
108
Oblast viditelného svûtla
Spektrální energie záfiení, Eλ,b, W/m2 . 애m
107
λmaxT=2898 애m . K
106
Sluneãní záfiení
105
2000 K
5800 K
104
103
1000 K
102
800 K
101
300 K
100
100 K
10-1
10-2
50 K
-3
10
10-4
0,1
0,2
0,4
0,6
1,0
2,0
4,0
6,0
10
20
40
60
100
Vlnová délka, λ, 애m
Obrázek 2-4: PlanckÛv pfiedpoklad energie záfiení absolutnû ãerného tûlesa
teploty roste spektrální emisní v˘kon
posunuje se frekvenãní pásmo infraãerve-
technick˘ch aplikací je Ïádoucí pracovat
záfiení a klesá vlnová délka pro maxi-
ného teplomûru smûrem k del‰ím vlnov˘m
s takov˘mi vlastnostmi povrchu, které
mum záfiení.
délkám, a mûfiení se stává ménû pfies-
vyjadfiují smûrové prÛmûry. Spektrální
n˘m. Také se musí vzít v úvahu vlastnost
hemisferická absorptivita reálného povr-
materiálu pfii rÛzn˘ch teplotách. ProtoÏe
chu αλ(λ) je vyjádfiena vztahem:
Od absolutně černého tělesa
k reálným povrchům.
Ïádn˘ materiál nevyzafiuje pfii dané teplotû tak efektivnû, jako absolutnû ãerné
Mohlo by zdát, Ïe by radiaãní teplo-
tûleso, je pfii mûfiení teploty reálného tûle-
mûr mohl vyuÏívat celé spektrum vyzafio-
sa nezbytné zohlednit dal‰í faktory.
vané objektem (zdrojem) v daném teplot-
Mûfiení mÛÏe b˘t ovlivnûno zmûnami
ním rozmezí. Je nûkolik dÛvodÛ, proã
emisivity materiálu v prÛbûhu procesu,
tomu tak není. V˘‰e odvozené rovnice
záfiením z jin˘ch zdrojÛ a ztrátami záfie-
pro infraãervené záfiení ukazují, Ïe inten-
ní zpÛsoben˘mi neãistotou, prachem,
zita záfiení na velmi krátk˘ch vlnov˘ch
koufiem nebo atmosferickou absorpcí.
αλ(λ) = Gλ,abs (λ)/Gλ(λ)
kde Gλ,abs je ãást dopadajicího záfiení,
absorbovaná povrchem. Proto αλ závisí
na smûrové distribuci dopadajicího
záfiení stejnû jako na vlnové délce záfiení a na povaze absorbujícího povrchu.
Celková
hemisferální
absorbivita
a pfiedstavuje stfiední hodnotu, kterou
délkách se s rostoucí teplotou zvy‰uje
Absorptivita materiálu je vyjádfiena
rychleji, neÏ na del‰ích vlnov˘ch délkách,
podílem absorbovaného záfiení z celko-
coÏ ilustruje obrázek 2-4. TudíÏ intenzita
vého dopadajícího záfiení. Stejnû jako
záfiení roste s teplotou vÏdy rychleji na
vyzafiování, mÛÏe b˘t i absorptivita
krátk˘ch vlnov˘ch délkách. Toto umoÏÀu-
popsána jak smûrovou, tak spektrální
je pfiesnûj‰í mûfiení teploty a její jemnûj‰í
distribucí. Je jasné, Ïe povrchy mohou mít
regulaci. Av‰ak pro krátkou vlnovou
schopnost selektivnû absorbovat záfiení
délku existuje minimální mûfiitelná teplo-
v závislosti na vlnové délce a smûru
Hodnota α závisí na spektrální a smû-
ta. S tím, jak se teplota procesu sniÏuje,
dopadajicího záfiení. Nicménû ve vût‰inû
rové distribuci dopadajícího záfiení
ZPRAVODAJ
získáme dvojnou integrací podle smûru
a vlnové délky. Je definována, jako ta
ãást celkového dopadajícího záfiení,
která je absorbována povrchem, neboli:
α
= Gabs/G
âíslo 1
21
Teoretické základy
2
a na charakteru absorbujícího povr-
Pokud platí, Ïe intenzita odraÏeného
chu. Aãkoliv hodnota α je nezávislá na
záfiení je nezávislá na smûru dopadají-
teplotû povrchu, nelze totéÏ fiíci o cel-
cího záfiení a na smûru odraÏeného
kové hemisferální emisivitû. Tato emisi-
záfiení, potom se povrch naz˘vá difuz-
vita silnû závisí na teplotû. Reflektivita
ním emitorem. Pokud naopak platí, Ïe
(odrazivost) povrchu je urãena tou ãástí
úhel dopadu záfiení má stejnou velikost
dopadajicího záfiení, kterou povrch
jako úhel odrazu, potom se povrch
odráÏí. Její specifické definice mohou
naz˘vá spekulárním (zrcadlov˘m). Ale
nab˘vat rÛzn˘ch formem. Budeme
Ïádn˘ reáln˘ povrch není dokonale
pfiedpokládat reflektivitu, která je urãe-
difuzní nebo spekulární (zrcadlov˘),
na stfiední hodnotou odraÏené radiace
chování spekulárního reflektoru se mÛÏe
nad celou hemisférou, coÏ nám umoÏ-
napodobit le‰tûn˘mi nebo zrcadlu
Àuje vyhnout se problémÛm souviseji-
podobn˘mi povrchy. Difuzní emitory lze
cím se smûrovou distribucí záfiení.
blízce napodobit drsn˘mi povrchy,
Spektrální hemisferická reflektivita ρλ(λ)
v prÛmyslov˘ch aplikacích jsou pravdû-
je definována, jako reflektivita povrchu
podobnûj‰í.
pro danou vlnovou délku spektra.
Z toho vypl˘vá:
Transmisivita je mnoÏství záfiení, které
ρλ(λ) = Gλ, ref(λ)/Gλ(λ)
dáme, Ïe transmisivita je vyjádfiena
kde Gλ,ref je ta ãást záfiení, kterou
tûles je obtíÏné získat hodnoty, hemisfe-
povrch odráÏí. Celková hemisferická
rická transmisivita se definuje jako:
stfiední hodnotou. Aãkoliv u prÛhledn˘ch
Celkov˘ souãet energií absorbované (α),
odraÏené (ρ) a procházejicí (τ) musí b˘t
roven celkovému mnoÏství záfiení dopadajicího na dan˘ povrch. Proto mÛÏeme
psát pro kaÏdou vlnovou délku:
ρ λ + τ λ + αλ = 1
Tato rovnice platí pro poloprÛhledné
prostfiedí. Pro hodnoty, zprÛmûrované
pfies celé spektrum platí:
Pro neprÛhledné prostfiedí je hodnota
transmise rovna 0. Proto pro absorbci
a reflexi platí:
ρλ + α λ = 1
τλ = Gλ,tr(λ)/Gλ(λ)
a analogicky pro prÛmûrné hodnoty
platí:
kde Gλ,tr je ta ãást záfiení, která je povr-
ρ+α=1
reflektivita je potom definována
následovnû:
chem propou‰tûna.
3,43 애m
1,0
τ = Gtr/G
ρ+τ+α=1
povrchem prochází. Znovu pfiedpoklá-
ρ
= Gref/G
Celková hemisferální transmisivita je
definována jako:
4,8 aÏ 5,3 애m
7,9 애m
Spektrální propustnost, τλ
0,009 palcÛ tlusté
0,8
0,027 palcÛ tlusté
0,6
0,061 palcÛ tlusté
0,4
0,124 palcÛ tlusté
0,2
0,231 palcÛ tlusté
0
2,5
3
4
5
Vlnová délka, λ, 애m
6
7
8
9
10
Obr. 2-5: Energetická rovnováha objektu
22
âíslo 1
ZPRAVODAJ
2
Pro absolutnû ãerné tûleso platí, Ïe propou‰tûná a odraÏená frakce záfiení je
rovna 0, z toho vypl˘vá, Ïe emisivita
má hodnotu 1.
Pfiíkladem materiálu, jehoÏ emisivita se radikálnû mûní s vlnovou délkou
je sklo. Sodné sklo je pfiíkladem materiálu, kter˘ mûní emisivitu v závislosti
na vlnové délce je‰tû více. (Obr. 2-5)
Pro vlnové délky zhruba pod 2,6 µm
je sklo vysoce transparentní a emisivita se blíÏí nule. Pro vlnové délky vût‰í
neÏ 2,6 µm je sklo stále ménû propustné. Pro vlnové dálky více neÏ
4 µm je sklo zcela nepropustné a emisivita je nad 0,97.
T
ZPRAVODAJ
Teoretické základy
Literatura
•
Temperature Measurement in Engineering, H. Dean Baker, E.A. Ryder, and
N. H. Baker, Omega Press, 1975.
• Heat and Thermodynamics, 6th ed., Mark W. Zemansky, and Richard H.
Dittman, McGraw-Hill, 1981.
• Industrial Temperature Measurement, Thomas W. Kerlin and Robert L.
Shepard, Publishers Creative Series, Inc., ISA.
• Introduction to Heat Transfer, 2nd ed., Frank P. Incropera, and David P.
DeWitt, John Wiley & Sons, 1990.
• The Invisible World of the Infrared, Dodd, Jack R. White, Mead &
Company, 1984.
• Process/Industrial Instruments and Controls Handbook, 4th ed., Douglas M.
Considine, McGraw-Hill, 1993.
• Theory and Practice of Radiation Thermometry, David P. DeWitt and Gene
D. Nutter, John Wiley & Sons, 1988.
• Thermodynamics, 5th ed., Virgil M. Faires, The Macmillan Company, 1971.
âíslo 1
23
3
BEZDOTYKOVÉ Mù¤ENÍ TEPLOTY
Infraãervené termometry a pyrometry
N-faktor
IČ termometry a pyrometry
Typy radiaãních pyrometrÛ
Návrh, projekce, a provoz radiaãních pyrometrÛ
Z
áklad slova pyrometr tvofií
fiecké slovo „pyro“, coÏ znamená oheÀ. PÛvodnû byl termín
pyrometr
uÏíván
k pojmenování pfiístrojÛ, jeÏ byly
schopny mûfiit teplotu objektÛ, které
vyzafiovaly viditelné záfiení. PÛvodní
pyrometry byly bezdotykové optické
pfiístroje, které zachycovaly a vyhodnocovaly viditelné záfiení vyzafiované hork˘mi objekty. Moderní a pfiesnûj‰í definice definuje pyrometry jako v‰echny
bezkontaktní pfiístroje, které zachycují
a mûfií termální radiaci emitovanou
zkouman˘m objektem, s cílem zjistit
teplotu zkoumaného povrchu. Slovo
termometr má rovnûÏ fieck˘ základ„thermos“, coÏ znamená „hork˘“.
Termometry pfiedstavují rozsáhlou skupinu pfiístrojÛ, které mûfií teplotu.
Pyrometr je tedy jedním z typÛ termometru. Oznaãení radiaãní termometr se
objevilo bûhem posledního desetiletí
jako alternativa názvu pyrometr. Proto
se v literatufie mÛÏeme setkat jak
s názvem pyrometr tak s názvem radiaãní termometr.
Pokud to velmi zjednodu‰íme, mÛÏeme
danou vlnovou délku. Tato v˘stupní
zaji‰Èuje prÛhlednost prostfiedí mezi
hodnota mÛÏe b˘t pouÏita ke zji‰tûní
teploty objektu. Emitivita nebo emitance
mûfien˘m objektem a teplomûrem a ãis-
objektu je dÛleÏitou promûnnou ovlivÀu-
mûry uÏívané ve sloÏitûj‰ích aplikacích
jicí konverzi v˘stupního signálu detektoru na pfiesnou hodnotu teploty.
mohou mít sloÏitou optiku, rotujicí nebo
Infraãervené radiaãní termometry –
vou fiídící elektroniku. Pro radiaãní tep-
pyrometry, mûfiící energii vyzafiovanou
objektem na vlnov˘ch délkách 0,7 aÏ
lomûry neexistují v‰eobecnû uznávané
20 µm, pfiedstavují podskupinu radiaã-
ãlánkÛ a odporov˘ch teplomûrÛ. Navíc
ních termometrÛ. Tyto pfiístroje mûfií
mÛÏe b˘t uÏivatel, kter˘ chce získat
radiaci na dálku a na rozdíl od termo-
poÏadovan˘ v˘kon pfiístroje, nucen slo-
ãlánkÛ a odporov˘ch teplomûrÛ zde
není tfieba pfiímého kontaktu pfiístroje
Ïitû provûfiovat vyuÏití teplomûru, aby
s mûfien˘m objektem. Radiaãní teplo-
zpÛsob instalace a korekce potfiebné
mûry jsou obzvlá‰tû vhodné k mûfiení
teploty pohybujících se objektÛ nebo
k úpravû mûfieného signálu.
povrchÛ, které nejsou pfiístupné, nebo
totu optick˘ch souãástí. Radiaãní teplo-
pohyblivé souãásti a mikroprocesoro-
kalibraãní kfiivky, jako je tomu u termo-
vybral optimální technologii, optimální
se jich nelze dotknout.
V˘hody radiaãních teplomûrÛ jsou v‰ak
Emitance, emisivita a faktor N
drahé. Dokonce i ty nejjednodu‰‰í pfií-
popsána jako dÛleÏit˘ parametr pfiesné
stroje jsou draωí neÏ standardní termoãlánky nebo odporové teplomûry
konverze v˘stupního signálu detektoru
a investiãní náklady pfiesahují náklady
objektu.
u standardních teplomûrÛ. Pfiístroje
vyÏadují pravidelnou údrÏbu, která
âoãka
Dutina
Filtr
s regulovanou teplotou
V pfiedchozí kapitole byla emitance
radiaãního signálu na hodnotu teploty
Pojmy emitance a emisivita jsou ãasto
zamûÀovány, nicménû je mezi nimi tech-
Pfiívod
energie
Detektor
fiíci, Ïe se radiaãní termometr skládá
z optické soustavy a z detektoru.
Zkouman˘ objekt vyzafiuje energii, kte-
k záznamovému
zafiízení
rou optick˘ systém soustfieìuje do
detektoru, kter˘ je citliv˘ na radiaci.
V˘stupní hodnota z detektoru je proporcionální k mnoÏství energie vyzafiované
zkouman˘m objektem (minus mnoÏství
energie,která se absorbuje v optickém
systému) a k citlivosti detektoru na
24
âíslo 1
optická
clona
synchronní
motor
Pfiedzesilovaã
Filtr
Rectifier
v˘stupní mûfiidlo
Obrázek 3-1: Tradiční infračervený teploměr
ZPRAVODAJ
3
nick˘ rozdíl. Emisivita popisuje vlastnosti materiálu. Emitance popisuje vlastnosti daného objektu. V tomto smyslu je
emisivita pouze jedním faktorem urãujícím emitanci. Musí se vzít v úvahu také
dal‰í faktory, jako je tvar objektu, jeho
absorpce energie v optickém systému
nebo plyny v prostfiedí na v˘slednou
teplotu men‰í vliv.
Témûfi u v‰ech materiálÛ jsou hodnoty emisivity známy a jsou publikovány
v literatufie. Nicménû hodnoty emisivity
Infraãervené termometry a pyrometry
neÏ 1. Pro teploty do 500 °F (260 °C )
mohou b˘t hodnoty emisivity experimentálnû urãeny poloÏením ãerné maskovací pásky na zkouman˘ povrch tûlesa.
S pouÏitím radiaãního termometru
nastaveného na hodnotu emisivity 0,95
oxidace a povrchová úprava.
Emitance materiálu také závisí na
800
teplotû, pfii které je mûfiena a na vlnové
700
délce, na které se provádí mûfiení. Stav
600
povrchu ovlivÀuje hodnotu emitance
povrchy a vy‰‰ími hodnotami pro
hrubé nebo matné povrchy. Navíc
500
chyba - °F
objektu s niωími hodnotami pro le‰tûné
0,3
E=
E= 0
400
,5
300
s postupující oxidací se zvy‰uje emitan-
200
ce a klesá vliv povrchové úpravy objek-
100
E=0,7
E=0,9
tu. Typické hodnoty emisivity pro fiadu
bûÏn˘ch kovÛ a nekovov˘ch materiálÛ
pfii rÛzn˘ch teplotách jsou uvedeny
v tabulkách na stranû 72.
Základní rovnice pouÏívaná k popisu v˘stupu radiaãního teplomûru je:
V (T) = ε K TN
Kde:
ε = emitivita
V(T) = v˘stup teplomûru závisl˘
na teplotû
K = konstanta
T = teplota objektu
N = faktor N (=14388/(λT))
λ = ekvivalentní vlnová délka.
Radiaãní teplomûr s vysokou hodnotou faktoru N (nejkrat‰í moÏná ekvivalentní vlnová délka) je nejménû závisl˘
na zmûnách emitance mûfieného objektu. V˘hodou pfiístroje s vysokou hodnotou faktoru N je to, Ïe potlaãuje vliv
v‰ech dal‰ích parametrÛ, které ovlivÀují v˘stup V. Pokud je hodnota N vysoká,
pak mají neãistoty v optickém systému,
ZPRAVODAJ
1500
2000
2500
3000
3500
skuteãná teplota, °F
4000
4500
5000
Obrázek 3-2: Vliv emisivity reálného tělesa na chybu infračerveného teploměru
zji‰tûné v laboratorních podmínkách
zfiídka kdy souhlasí s aktuálními hodnotami emitance objektÛ v reáln˘ch podmínkách. Z tohoto dÛvodu jsou data
o emisivitû pravdûpodobnû správná,
pokud jsou hodnoty vysoké. Podle zku‰eností vût‰ina neprÛhledn˘ch nekovov˘ch materiálÛ má vysokou a stabilní
emisivitu (0,85 aÏ 0,90). Vût‰ina neoxidovan˘ch kovov˘ch materiálÛ má nízkou aÏ stfiední hodnotu emisivity (0,2 aÏ
0,5). Zlato, stfiíbra a hliník tvofií vyjímku
s hodnotami emisivity v rozmezí 0,02
aÏ 0,04. Mûfiit teplotu tûchto kovÛ radiaãním teplomûrem je velmi obtíÏné.
Jedním zpÛsobem experimentálního
stanovení emisivity je srovnání v˘sledkÛ
mûfiení teploty objektu radiaãním teplomûrem se souãasn˘m mûfiením pomocí
termoãlánku nebo odporového teplomûru. Rozdíly ve v˘sledcích jsou zpÛsobeny
emisivitou, která je, samozfiejmû, men‰í
se zmûfií teplota povrchu pásky (poté, co
se ustálí teplotní rovnováha). Potom se
zmûfií teplota povrchu mûfieného tûlesa
bez pásky. Rozdíl v naãten˘ch hodnotách urãuje aktuální emisivitu objektu.
U mnoha pfiístrojÛ je nyní moÏno
kalibraci emisivity nastavovat. Kalibrace
mÛÏe b˘t nastavena podle hodnoty emisivity odeãtené z tabulek, jako jsou
napfiíklad tabulky zaãínající na str. 72,
nebo zji‰tûné experimentálnû, jak je
popsáno v pfiedchozím odstavci. Pro nejvy‰‰í pfiesnost v mûfiení mÛÏe b˘t nezbytné nezávislé stanovení emisivity v laboratofii na vlnové délce, na které mûfií teplomûr a pfii pfiedpokládané teplotû.
Hodnoty emisivity v tabulkách byly
stanoveny pyrometrem umístûn˘m
kolmo k mûfienému povrchu. Pokud je
aktuální úhel, kter˘ svírá smûr paprskÛ
vstupujících do pyrometru a kolmice
k mûfienému povrchu vy‰‰í, neÏ 30 aÏ
âíslo 1
25
Infraãervené termometry a pyrometry
3
40 stupÀÛ, mÛÏe b˘t nezbytné zmûfiit
krátk˘ch vlnov˘ch délkách sniÏuje vliv
kalibraci teplomûru podle specifické
emisivitu laboratornû.
emitance. Vy‰‰í nárÛst vyzafiované
emitivity mûfieného objektu, 4. z teplot-
Pokud mûfiíme radiaãním pyromet-
energie také potlaãuje vliv absorpce
ního kompenzaãního obvodu, kter˘
rem skrze okno, musíme provést korek-
parou, prachem nebo vodní parou
zaji‰Èoval, Ïe kolísání teploty uvnitfi tep-
ci na ztráty energie zpÛsobené odra-
nacházející se v prostfiedí. Napfiíklad
lomûru zpÛsobené okolními podmínka-
zem od dvou povrchÛ okna a také
nastavení na toto pásmo vlnov˘ch
mi neovlivnilo pfiesnost mûfiení.
musíme vzít v úvahu absorpci v materi-
délek zpÛsobí, Ïe senzor naãítá s pfies-
Na této koncepci jsou zaloÏeny
álu okna. Napfiíklad sklo odráÏí jen asi
ností ±5 aÏ ±10 °K, pokud je emisivita
i dne‰ní moderní radiaãní teplomûry,
4 % radiace v infraãerveném pásmu,
materiálu 0,9 (±0,05). To znamená
sloÏitûj‰í technologie v‰ak roz‰ifiuje
takÏe efektivní transmitance je 0,92.
pfiesnost mûfiení 1-2 %.
moÏnosti jejich pouÏití. Napfiíklad
Obdobné ztráty u jin˘ch materiálÛ se
v˘raznû stoupl poãet dostupn˘ch
mohou stanovit z indexu lomu materiá-
detektorÛ a díky moÏnosti selektivní
lu na vlnové délce, pouÏité k mûfiení.
Typy radiačních teploměrů
filtrace mohou tyto detektory b˘t efektivnûji vyuÏity pro specifické úãely,
Nejistoty t˘kající se emitance se mohou
V poãátku historického v˘voje se
sníÏit pouÏitím krátk˘ch vlnov˘ch délek
radiaãní teplomûr, jak ukazuje obr. 3-1,
coÏ
nebo uÏitím pomûrového radiaãního
skládal: 1. z optické soustavy, která sou-
Mikroprocesorová elektronika mÛÏe
teplomûru. Krátké vlnové délky kolem
stfieìovala energii vyzafiovanou tûle-
vyuÏívat sloÏité algoritmy, které dáva-
0,7 µm jsou efektivní, protoÏe pfiírÛstek
sem, 2. z detektoru, kter˘ pfiemûÀoval
jí moÏnost lienarizace v reálném ãase
signálu je v této oblasti vysok˘. Vût‰í
tuto energii na elektrick˘ signál, 3.
a kompenzaci v˘stupu detektorÛ
v˘dej energie pfii zv˘‰ení teploty na
z korekãní soustavy, která upravovala
k zaji‰tûní vût‰í pfiesnosti mûfiené tep-
zlep‰uje
kvalitu
mûfiení.
loty. Mikroprocesory mohou zobrazovat okamÏité hodnoty mnoha promûnn˘ch (jako je napfi. okamÏitá tep-
1200F
lota, minimální namûfiená teplota,
800F
maximální namûfiená teplota, prÛ-
intenzita
mûrná teplota nebo teplotní rozdíly)
na integrovaném LCD displeji.
600F
Následuje praktické rozdûlení radiaãních teplomûrÛ:
400F
• ·irokopásmové radiaãní
teplomûry/pyrometry
200F
10µm
5µm
• Úzkopásmové radiaãní
teplomûry/pyrometry
• Pomûrové radiaãní
vlnová délka
Wavelength
1ηm
infraãervené
záfiení
viditelné
svûtlo
rádiové
vlny
• Optické pyrometry
• Radiaãní teplomûry/pyrometry
zaloÏené na vláknové optice
ãervené
ultrafialové
záfiení
modré
paprsky X
teplomûry/pyrometry
,77µ
Tato klasifikace není nemûnná.
Napfiíklad optické pyrometry se mohou
1mm
1m
1km
povaÏovat za podskupinu úzkopásmov˘ch zafiízení. Radiaãní teplomûry
Obrázek 3-3: Radiace absolutně černého tělese v infračervené oblasti
26
âíslo 1
zaloÏené na vláknové optice, které
ZPRAVODAJ
3
budou podrobnû rozebrány v dal‰ím
textu, se mohou zafiadit mezi ‰irokopásmové, úzkopásmové nebo pomûrové pfiístroje. TaktéÏ infraãervené radiaãní teplomûry mohou b˘t podskupinou
mnoh˘ch z v˘‰e uveden˘ch tfiíd.
• Širokopásmové teploměry
·irokopásmové teplomûry jsou nejjed-
jícího záfiení, které dovolují pfiístroji, aby
• Úzkopásmové teploměry
Jak fiíká název, úzkopásmové radiaãní
teplomûry pracují s úzk˘m pásmem
vlnov˘ch délek. Úzkopásmové pfiístroje
mohou b˘t také oznaãeny jako monochromatické teplomûry – pyrometry
(viz optické pyrometry). V pfiístroji je
pouÏit˘ pro vlnovou délku specifick˘
detektor, kter˘ urãuje spektrální citlivost
pfiístroje. Napfiíklad teplomûr, kter˘
nodu‰‰í , nejlevnûj‰í a mohou pracovat
λ1
s vlnov˘mi délkami od 0,3 µm aÏ do 2,5
co nejvíce vyhovoval dané aplikaci a tak
dosáhl vy‰‰í pfiesnosti mûfiení. UmoÏnila
to dostupnost citlivûj‰ích detektorÛ
a pokrok v oblasti zesilovaãÛ signálÛ.
Mezi známé pfiíklady selektivní
spektrální odezvy patfií tato omezení
pouÏívan˘ch vlnov˘ch délek: 8-14µm
k vylouãení interference s atmosférickou vlhkostí pfii dlouhé dráze paprskÛ;
λ2
Pomûr H1/H2 je funkcí
teploty (T1...T5)
– 20 µm. Horní a dolní mez ‰irokopásmového teplomûru je urãena pouÏit˘m
Infraãervené termometry a pyrometry
5
optick˘m systémem. ·irokopásmové se
naz˘vají proto, Ïe mûfií podstatnou ãást
4
tem v bûÏném teplotním rozmezí.
·irokospásmové teplomûry jsou závislé
na celkové emitanci mûfieného povrchu.
Na obrázku 3-2 je zobrazena chyba
mûfiení pro rÛzné emisivity a teploty,
pokud je ‰irokopásmov˘ teplomûr
nakalibrován pro absolutnû ãerné tûle-
pomûrná energie záfiení, H
tepelného záfiení vyzafiovaného objek-
T5
3
T4
2
T3
1
T2
so. Regulátor pro nastavení kalibrace
T1
dovoluje uÏivateli kompenzovat tyto
chyby, dokud se emitance nezmûní.
Prostfiedí mezi mûfiícím pfiístrojem
a objektem musí b˘t prÛhledné. Pokud
,4
,8
1,2
vlnová délka, λ
1,6 µ
Obrázek 3-4: „Dvoubarevný“ infračervený teploměr
je v atmosféfie pfiítomna vodní pára,
prach, koufi nebo jsou zde plyny pohlcující záfiení, pak tyto látky mohou
pohlcovat záfiení z mûfieného objektu
a zpÛsobit, Ïe teplomûr dává niωí
hodnotu teploty.
Optick˘ systém se musí udrÏovat v ãistotû a okénko pfiístroje se musí chránit
proti agresivním látkám v prostfiedí.
pouÏívá kfiemíkov˘ detektor bude mít
vrchol citlivosti pfiibliÏnû mezi 0,9 µm
s horní mezí pouÏitelnosti asi 1,1 µm.
Takov˘ pfiístroj se hodí na mûfiení teplot
nad 600°C (1102°F). Úzkopásmové
teplomûry obvykle pouÏívají pásmo
men‰í neÏ 1 µm.
Úzkopásmové teplomûry pouÏívají filt-
Standardní teplotní pásmo leÏí mezi 0-
ry, aby omezily svoji odezvu jen na
1000°C
500-
vybranou vlnovou délku. Pravdûpodobnû
900°C (932-1652°F). Typická pfiesnost
nejvût‰ím pokrokem v radiaãní termomet-
je 1/2 –1 % rozsahu.
rii bylo zavedení selektivních filtrÛ vstupu-
ZPRAVODAJ
(32-1832°F)
a
7,9 µm se pouÏívá pro mûfiení teploty
nûkter˘ch tenk˘ch plastov˘ch folií;
5 µm se pouÏívá pro mûfiení teploty
nûkter˘ch sklenûn˘ch povrchÛ; vlnová
délka 3,86 µm omezuje interferenci
s kysliãníkem uhliãit˘m a vodní parou
v plameni a v koufiov˘ch plynech.
V˘bûr krat‰í nebo del‰í vlnové délky
je také urãován rozmezím mûfien˘ch
teplot. Jak ukazuje obrázek 3-3, posouvají se vrcholy kfiivek intenzity záfiení pfii
zvy‰ující se teplotû ke krat‰ím vlnov˘m
âíslo 1
27
Infraãervené termometry a pyrometry
3
délkám. V aplikacích, které nevyÏadují
tyto úvahy se vÏdy mÛÏe vyuÏít v˘chozí
úzké spektrální odezvy okolo 0,7 µm.
I kdyÏ emesivita se na niωích vlnov˘ch
pomûr
• Poměrové radiační teploměry
Tyto pfiístroje, které se také naz˘vají
dvoubarevné radiaãní teplomûry, mûfií
energii vyzafiovanou objektem na dvou
V˘stup
mûfien˘
objekt
λ1
λ2
dûliã
paprskÛ
kolimátor
Obrázek 3-5: Dělení paprsků v poměrovém radiačním teploměru
délkách tolik nemûní, pro sníÏení energie záfiení se sníÏí citlivost teplomûru.
Úzkopásmové teplomûry pro krátké
vlnové délky se pouÏívají k mûfiení vysok˘ch teplot nad 500°C (932°F), protoÏe
pfii tûchto teplotách se zvy‰uje mnoÏství
energie na krátk˘ch vlnov˘ch délkách.
Dlouhé vlnové délky se pouÏívají pro
nízké teploty od -45,5°C (-50°F).
Úzkopásmové teplomûry mohou mít
rÛznou podobu, od jednoduch˘ch ruãních pfiístrojÛ pfies propracované pfienosné pfiístroje se souãasn˘m zobrazováním mûfieného objektu a jeho teploty,
s moÏnostmi ukládání do pamûti
a moÏností tisku, aÏ k pevnû montovan˘m senzorÛm se vzdálenou fiídící elektronikou s PID - regulátory.
U jednotliv˘ch v˘robcÛ se li‰í standardní teplotní rozmezí, uvádíme
nûkteré pfiíklady: -37,78 aÏ 600°C,
(-36 aÏ 1112°F), 0 aÏ 1000°C (32 aÏ
1832°F), 600 aÏ 3000°C (1112 aÏ
5432°F), 500 aÏ 2000°C (932 aÏ
3632°F). Typická pfiesnost je 0,25 % aÏ
2 % stupnice.
28
âíslo 1
úzk˘ch pásmech vlnov˘ch délek
a vypoãítávají pomûr tûchto energií,
kter˘ je funkcí teploty objektu. PÛvodnû
se naz˘valy dvoubarevné pyrometry,
protoÏe uvedené dvû vlnové délky
odpovídaly dvûma rÛzn˘m barvám ve
viditelném spektru (napfi. ãervená
a zelená). Mnoho lidí dodnes pouÏívá
pojem dvoubarevn˘ pyrometr a tím
tento pojem roz‰ifiují, protoÏe zahrnují
i infraãervenou oblast. Jak ukazuje
obr. 3-4, mûfiená teplota závisí jen na
pomûru dvou mûfien˘ch energií, a nikoliv na jejích absolutních hodnotách.
Îádn˘ parametr, kter˘ ovlivní obû
pásma stejnû, jako je napfi. velikost
mûfieného objektu, nebude mít vliv na
v˘sledek mûfiení teploty. To ãiní pomûrov˘ teplomûr z principu pfiesnûj‰í neÏ
jiné teplomûry (nicménû ãást pfiesnosti
se ztratí pfii mûfiení mal˘ch rozdílÛ velk˘ch energií). Pomûrov˘ teplomûr mÛÏe
eliminovat chyby v mûfiení teploty zpÛsobené vlivem zmûn emisivity, povrchovou úpravou, a chyby, zpÛsobené
absorpcí záfiení napfi. vodní parou
nebo jin˘mi materiály , které se vyskytují mezi teplomûrem a mûfien˘m
objektem. Tyto dynamické zmûny musí
ovlivÀovat detekci stejn˘m zpÛsobem
na obou pouÏit˘ch vlnov˘ch délkách.
Emisivita v‰ech reáln˘ch materiálÛ
se nemûní na v‰ech vlnov˘ch délkách
stejnû. Materiály, pro které platí, Ïe
se emisivita mûní stejnû na v‰ech
vlnov˘ch délkách se naz˘vají ‰edá
tûlesa. Materiály, pro které toto
neplatí se naz˘vají tûlesa ne-‰edá.
Navíc ne v‰echny typy zneprÛhlednûní prostoru mezi mûfien˘m tûlesem
a teplomûrem ovlivÀují rÛzné vlnové
délky stejnû. Napfiíklad pokud se
v tomto prostoru vyskytují ãástice,
jejichÏ velikost je shodná s nûkterou
z pouÏit˘ch vlnov˘ch délek, stává se
pomûr nevyváÏen˘.
prostor
s regulovanou
teplotou
mikroskop
oko
otvorová clona
ãoãka
mûfien˘
objekt
ãoãka objektivu
zrcadlo
a primární clona
sekundární
clona
senzor
ãoãka
rotující
filtraãní kolo
Obrázek 3-6: Poměrová pyrometrie s užitím filtračního kola
ZPRAVODAJ
3
detektory
infraãervené okno
v˘stupy
otvor
Dopadající
záfiení
Dûliã paprskÛ
pfiedzesilovaãe
Infraãervené termometry a pyrometry
Pomûrové teplomûry pokr˘vají ‰iroké rozmezí teplot. Typické komerãnû
dostupné pfiístroje mají rozmezí mezi
900 a 3000°C (1652 aÏ 5432°F)
a 50 aÏ 3700°C (120 aÏ 6692°F).
Typická pfiesnost je 0,5 % mûfiené hodnoty v dílãích rozsazích aÏ ke 2 %
celého rozsahu.
filtry
Obr 3-7: Schéma „mnohobareveného“ infračerveného teploměru
Vliv jevÛ, které jsou ze své podstaty
ní. Tento nechlazen˘ teplomûr byl vyvi-
nepromûnlivé, jako napfiíklad ne-
nut pro anal˘zu plynÛ. Jin˘ experi-
‰edost materiálu, mÛÏe b˘t eliminován
mentální systém, kter˘ vyuÏívá sedmi
korekcí namûfieného pomûru podle
vlnov˘ch délek pfii mûfiení zdroje typu
vlnov˘ch délek. Tato úprava se naz˘vá
absolutnû ãerného tûlesa, dosáhl rozli-
strmost. Vhodné nastavení strmosti se
‰ení ±1°C v rozmezí 600 aÏ 900°C.
musí urãit experimentálnû.
Stejn˘ systém dosáhl rozli‰ení ±4°C pfii
Obr. 3-5 ukazuje schéma jednoduchého pomûrového radiaãního teplomûru. Obrázek 3-6 ukazuje pomûrov˘
teplomûr, kde jednotlivé vlnové délky
jsou stfiídavû vybírány pomocí rotujícího filtraãního kola.
Nûkteré pomûrové teplomûry pouÏívají více neÏ dvû vlnové délky.
Pomûrov˘ teplomûr s více vlnov˘mi
mûfiení objektu s promûnlivou emitancí
v teplotním rozmezí 500 aÏ 950°C.
Dvoubarevné nebo mnohobarevné
teplomûry by mûly mít své vyuÏití v tûch
aplikacích, kde je dÛleÏitá nejenom opakovatelnost, ale i pfiesnost mûfiení anebo
tam, kde mûfien˘ objekt podstupuje fyzikální nebo chemické zmûny.
• Optické pyrometry
Optické pyrometry mûfií radiaci
v úzkém pásmu vlnov˘ch délek tepelného záfiení. Nejstar‰í pfiístroje pouÏívaly principu mûfiení optického jasu na
viditeln˘ch vlnov˘ch délkách kolem
0,65 µm (ãervená). Tyto pfiístroje se
také naz˘vají jednobarevné pyrometry. Optické pyrometry jsou nyní
dostupné pro mûfiení energie na vlnov˘ch délkách pfiesahujících aÏ do
oblasti infraãervené. Pojem jednobarevn˘ pyrometr byl roz‰ífien nûkter˘mi
autory tak, Ïe zahrnuje jak˘koliv úzkopásmov˘ radiaãní teplomûr.
Nûkteré optické pfiístroje se ovláda-
délkami je schematicky znázornûn na
obrázku 3-7. Tyto pfiístroje detailnû
analyzují emisivitu povrchu mûfieného
objektu v závislosti na vlnové délce,
teplotû a chemickém sloÏení povrchu.
S tûmito daty mÛÏe poãítaã vyuÏít sloÏité algoritmy ke zji‰tûní závislostí
a kompenzaci zmûn emisivity v rÛzn˘ch podmínkách. Systém zobrazen˘
na obrázku 3-7 provádí paralelní
mûfiení ve ãtyfiech spektrálních kanálech v rozsahu od 1 do 25 µm.
Detektor tohoto pfiístroje se skládá
z optického systému s rozdûlovaãem
paprskÛ a z interferenãních filtrÛ pro
spektrální rozklad dopadajícího záfieZPRAVODAJ
Typická konfigurace průmyslové infračervené teplotní sondy
âíslo 1
29
Infraãervené termometry a pyrometry
3
detektoru kalibraãní lampu. Pfiístroj
ãoãka
ãerven˘ filtr
okulár
mÛÏe mít ‰iroké nebo úzké zorné
pole. V‰echny souãásti mohou b˘t
vestavûny do pu‰kového ruãního pfiístroje. Stlaãení spou‰tû zapne refe-
potenciometr
Kalibrovaná
wolframová lampa
mûfiené tûleso
renãní zdroj a displej pfiístroje.
Optické pyrometry mají typicky pfiesnost 1 aÏ 2 % rozsahu.
baterie
ampérmetr je zkalibrován
v jednotkách teploty
• Vláknová optika
ãerven˘ filtr
standardní lampa
ãoãka
okulár
U tûchto pfiístrojÛ se pouÏívají optické vodiãe, napfiíklad ohebná prÛhledná vlákna, k tomu,aby pfiivedly záfiení
posuvná
clona
konstantní
proud
baterie
mûfiené tûleso
Clona je kalibrována
v jednotkách teploty
k detektoru. Pfiísnû vzato se nejedná
o zvlá‰tní skupinu radiaãních teplomûrÛ. Podrobnûji jsou rozebrány v kapitole zaãínající na str. 43. Spektrální
odezva tûchto pfiístrojÛ je kolem 2 µm
Obrázek 3-8: Optická pyrometrie pomocí vizuálního srovnání
30
a mohou b˘t pouÏity k mûfiení teplot od
100°C (210°F) v˘‰e. Mají velmi efektiv-
jí ruãnû, tak jak je ukázáno na obráz-
elektrick˘ radiaãní detektor. Tento pfií-
ní uplatnûní v pfiípadech, kdy je obtíÏ-
ku 3-8. UÏivatel nasmûruje pyrometr
stroj pracuje na principu srovnání
né nebo nemoÏné zajistit pfiím˘ v˘hled
na mûfien˘ objekt. Ve stejn˘ okamÏik
energie záfiení vyzafiované objektem
na mûfien˘ objekt jako je tomu napfi.
vidí vnitfiní Ïhavené vlákno pfiístroje
s energií vyzafiovanou vnitfiním refe-
v tlakové komofie.
v okuláru pfiístroje. UÏivatel mûní veli-
renãním zdrojem. V˘stupní hodnota
kost pfiíkonu, kter˘ Ïhaví vlákno, a tím
pfiístroje je úmûrná rozdílu ve vyzafio-
mûní barvu vlákna aÏ odpovídá
vání mezi mûfien˘m objektem a refe-
barvû mûfieného objektu. Teplota
renãním zdrojem. Vrtulka pohánûná
V˘robci radiaãních teplomûrÛ vybírají
mûfieného objektu se odvozuje od pfií-
motorkem se pouÏívá k tomu, aby byl
detektor a optické prvky tak, aby dosáh-
konu elektrické energie Ïhavící vlák-
detektor ozafiován stfiídavû paprsky
li optimálního kompromisu mezi proti-
no. V jiném uspofiádání se udrÏuje
z mûfieného objektu a paprsky z refe-
chÛdn˘mi parametry jako je cena, pfies-
konstantní Ïhavící proud vlákna
renãního zdroje. U nûkter˘ch modelÛ
nost, rychlost mûfiení a rozmezí mûfiitel-
a mûní se jas mûfieného objektu za
se pouÏívá k zaostfiení lidské oko. Na
n˘ch teplot. UÏivatel by si mûl b˘t vûdom
pomocí otoãné optické clony, která
obr. 3-9 je schematicky znázornûn
toho, jak rÛzné detektory a optické prvky
absorbuje energii. Teplota objektu se
pyrometr s dichroick˘m zrcadlem.
ovlivÀují rozsah vlnov˘ch délek, na kte-
odvozuje od mnoÏství energie, které
Záfiení prochází ãoãkou na zrcadlo,
r˘ch teplomûr mûfií. Spektrální odezva
je absorbováno clonou, coÏ je funkcí
které odráÏí infraãervené záfiení do
pyrometru urãuje, zdali je mûfiení pouÏi-
jejího nastavení.
Design a konstrukce
detektoru, ale viditelnému svûtlu
telné vzhledem k atmosférické absorpci,
Dostupné jsou i automatické optic-
dovoluje projít do okuláru. Kalibraãní
odrazÛm od jin˘ch objektÛ a také vzhle-
ké pyrometry, které jsou citlivé pro
chlopeÀ je ovládána cívkou ze zesilo-
dem k obtíÏím, které provázejí mûfiení
mûfiení v infraãerveném pásmu. Tyto
vaãe a po aktivaci pfieru‰í záfiení pfii-
teploty takov˘ch materiálÛ, jako je sklo
pfiístroje pouÏívají místo lidského oka
cházející skrze ãoãku a zaostfií do
nebo plastické hmoty.
âíslo 1
ZPRAVODAJ
3
Infraãervené termometry a pyrometry
na mûfieném povrchu v oblasti sníma-
ovlivnûny zmûnami vlnové délky záfie-
V radiaãních pyrometrech se pouÏí-
né detektorem vût‰í teplotní rozdíly,
ní. Rychlost odezvy tepeln˘ch detekto-
vají termální, fotonové a pyroelektric-
pak je v˘sledkem mûfiení nejedno-
rÛ je sniÏována jejich hmotností.
ké detektory. Radiaãní detektory jsou
znaãn˘ váÏen˘ prÛmûr.
• Detektory
Teplotní detektory jsou ãernû natfie-
silnû ovlivÀovány zmûnami okolní tep-
V pfiípadû mûfiení celkové energie
ny, takÏe reagují na záfiení v ‰irokém
loty. Pro dosaÏení vysoké pfiesnosti je
záfiení je plocha mûfieného povrchu
spektru (‰irokopásmové detektory).
tfieba vliv okolní teploty kompenzovat.
omezena clonou, která je opticky spo-
Jsou relativnû pomalé, protoÏe musí
Citlivost radiaãního detektoru mÛÏe
jena s detektorem. Tato oblast mÛÏe
dosáhnout tepelné rovnováhy kdykoliv
b˘t udána buì intenzitou záfiení nebo
b˘t libovolnû zmen‰ena. DÛsledkem
se zmûní teplota mûfieného objektu.
celkovou energií záfiení dopadajícího
toho je, Ïe se mohou mûfiit místní
Mají ãasové konstanty v fiádu sekund
na detektor.
bodové teploty na povrchu mûfieného
i více, i kdyÏ vrstvové detektory mají
Pokud je obraz vytváfien˘ povrchem
tûlesa. Citlivost detektoru mÛÏe záviset
odezvu rychlej‰í.
mûfieného tûlesa vût‰í neÏ citlivá oblast
na umístûní obrazu mûfieného objektu
Termoelektrické baterie se skládají
detektoru, cel˘ povrch detektoru je
na citlivé plo‰e detektoru. Stálost
z jednoho nebo více termoãlánkÛ zapo-
vystaven záfiení, jehoÏ intenzita je
kalibrace v tomto pfiípadû závisí na
jen˘ch v sérii obvykle radiálnû uspofiá-
úmûrná jasu mûfieného objektu.
udrÏení mûfiené oblasti ve stálé poloze
dan˘ch tak, Ïe teplá spojení tvofií mal˘
Celková energie záfiení absorbovaná
vzhledem k optickému systému.
kruh a chladná spojení jsou udrÏována
detektorem pak závisí na velikosti plo-
Termální detektory jsou nejãastûji
v teplotû okolí. Technicky pokrokové
chy citlivé oblasti. Aktuální velikost
pouÏívan˘mi detektory radiaãních
tenkofilmové termoãlánky dosahují
efektivní plochy mûfieného objektu je
teplomûrÛ. Termální detektory vytváfie-
doby odezvy v rozmezí od 10 ms do 15
urãena zvût‰ením optického systému.
jí v˘stupní signál, protoÏe jsou zahfií-
ms. Vícenásobné termoelektrické ãlánky
Citlivost obvykle není konstantní na
vány energií, kterou absorbují. Ve
také zvy‰ují intenzitu v˘stupního signálu
celé plo‰e detektoru, ale pokud je jas
srovnání s jin˘mi typy detektorÛ mají
a jsou nejlep‰í volbou pro ‰irokopásmé
v‰ech ãástí objektu stejn˘, nemá tato
termální detektory niωí citlivost
teplomûry. Pokud se pouÏívají vícená-
skuteãnost na mûfiení vliv. Pokud jsou
a jejich v˘stupní signály jsou ménû
sobné termoelektrické ãlánky, je nutná
kompenzace okolní teploty. Termostatem fiízená teplota skfiíÀky teplomûru
ãoãka
kruhová
síÈka
dichroické
zrcadlo
se pouÏívá, aby se eliminovalo kolísání
nastaviteln˘ okulár
okolní teploty pfii práci v nízk˘ch teplotách. Samonapájecí infraãervené teroko
moãlánky jsou popsány v kapitole 4 na
stranû 38 originálu.
Bolometry jsou v podstatû odporové
kalibraãní lampa
teplomûry upravené pro mûfiení záfie-
kalibraãní chlopeÀ
ní. âidlo s termistorem, kovov˘m filoptická clona
mem nebo kovov˘m drátov˘m vodiãem se ãasto naz˘vá bolometr.
Fotonové detektory uvolÀují elektric-
filtr
synchronní elektromotor
detektor
zesilovaã
Obrázek 3-9: Automatický optický pyrometr
ZPRAVODAJ
k˘ náboj jako odezvu na dopadající
záfiení. U detektorÛ se sirníkem olovnat˘m a se selenidem olova se uvolnûní
náboje mûfií jako zmûna odporu.
U antimonidu india, kfiemíku a germáâíslo 1
31
Infraãervené termometry a pyrometry
3
nia se uvolnûní náboje mûfií jako napûÈov˘ v˘stup. Fotonové detektory mají
maximální vlnovou délku za kterou
nedávají odezvu. Maximální citlivost je
obvykle na vlnové délce o nûco krat‰í
neÏ mezní vlnová délka. Mnoho radiaãních teplomûrÛ pouÏívá spí‰e fotonové
Fotonové a pyroelektrické detektory
vykazují tepeln˘ posun, kter˘ mÛÏe
b˘t eliminován teplotními kompenzaãními ( termistorov˘mi ) obvody, regulací teploty, samonulujícími obvody,
pfieru‰ováním záfiení a izotermickou
ochranou.
délce. Zrcadlov˘ systém musí b˘t chránûn proti neãistotû a po‰kození okénkem. Mûì, stfiíbro a zlato jsou nejlep‰í
materiály pro zrcadlové systémy
v infraãerveném pásmu. Stfiíbrné
a mûdûné povrchy jsou chránûny proti
zmatnûní ochrann˘m filmem.
detektory neÏ tepelné, i kdyÏ mûfií na
uωím pásmu vlnov˘ch délek. Je to
proto, Ïe v pásmu vhodn˘ch frekvencí
106
je citlivost fotonov˘ch detektorÛ 1000
aÏ 100000 x vy‰‰í, neÏ je citlivost
tepeln˘ch detektorÛ. Doba odezvy fotonov˘ch detektorÛ je v fiádu µs. Jsou
kopásmov˘ch teplomûrÛ pro stfiední
teploty 93 aÏ 427°C (200 aÏ 800 °F),
a ãasto jsou vybaveny chlazením.
Pyroelektrické detektory mûní povr-
InSb
103
bolometr
102
pyroelektrick˘
detektor
termoãlánková baterie
z tenk˘ch plí‰kÛ
101
chov˘ náboj v závislosti na dopadajícím záfiení. KdyÏ se zmûní teplota
mûfieného objektu, nemusí detektor
1
kovov˘ termoãlánek
,1
,2
,3
,5
,7
1
2
3
5
7
10
20
vlnová délka, µm
dosáhnout tepelné rovnováhy, protoÏe
nekompaktní
odpovídá na zmûny dopadajícího
záfiení. Pfiicházející záfiení musí b˘t
InAs
Si
relativní citlivost
u úzkopásmov˘ch teplomûrÛ nebo ‰iro-
Ge
104
nestabilní u del‰ích vlnov˘ch délek
a vy‰‰ích teplot. âasto se pouÏívají
PbS
105
kompaktní
Obrázek 3-10: Relativní citlivost infračervených detektorů
pfieru‰ováno a v˘stup detektoru se
nemÛÏe pouÏívat pfiímo. Pfieru‰ovaã je
rotující závûrka, která má poskytnout
radûji stfiídav˘ neÏ stejnosmûrn˘
v˘stup z ãidla. Relativnû slabé stfiídavé
Obrázek 3-10 ukazuje rÛzné citlivosti rÛzn˘ch radiaãních detektorÛ.
PbS má nejvy‰‰í citlivost a termoãlánek nejniωí.
signály jsou s v˘hodou zpracovávány
mûfiícími obvody. Zmûna detektoru
mÛÏe b˘t mûfiena pomocí zmûny
náboje kondenzátoru, která musí b˘t
naãítána vysokoimpedanãním obvodem. Pyroelektrické detektory mají
povlaky, které absorbují záfiení, takÏe
to mohou b˘t ‰irokopásmové detektory. Spektrální odezva mÛÏe b˘t omezena v˘bûrem materiálu povlaku
s vhodn˘mi vlastnostmi.
32
âíslo 1
• Optické systémy
Jak ukazuje obrázek 3-11 mÛÏe b˘t
optick˘ systém radiaãního pyrometru
sloÏen z ãoãek, zrcadel nebo mÛÏe
obsahovat
kombinaci
obojího.
Zrcadlové systémy obecnû neovlivÀují
spektrální citlivost pfiístroje, protoÏe
odrazivost v pásmu prÛmyslového teplotního mûfiení nezávisí na vlnové
Materiál okénka ovlivní pásmo vlnov˘ch délek, na nûÏ teplomûr reaguje.
Sklo nepropou‰tí dobfie vlnové délky
del‰í neÏ 2,5 µm a tím pádem se hodí jen
pro mûfiení vy‰‰ích teplot. Taven˘ kfiemen
propou‰tí do 4 µm, krystalick˘ fluorid
vápenat˘ do 10 µm, sirníky germania
a zinku mohou propou‰tût aÏ do
8 aÏ 14 µm. Jak ukazuje obrázek 3-12
existují je‰tû draωí materiály dokonce
s je‰tû vy‰‰ími schopnostmi propou‰tûní.
Okénka a filtry jsou umístûné na optickém systému zepfiedu nebo zezadu
a jsou neprÛhledné mimo dané rozmezí vlnov˘ch délek. Mohou v˘raznû ovlivZPRAVODAJ
3
Infraãervené termometry a pyrometry
nit vlastnosti propustnosti optického
Obrázek 3-13 ukazuje propustnost
optick˘ systém pfiifiazen k povrchu
systému a zamezit tomu, aby neÏádou-
(transmitanci) bûÏn˘ch materiálÛ jako
a mûfií povrchovou teplotu. Tento zpÛ-
cí vlnové délky dosáhly detektoru.
funkci vlnové délky. Chemické a fyzi-
sob vyhovuje tam, kde je mûfien˘ objekt
Zrcadlové systémy se obvykle pouÏí-
kální vlastnosti mohou diktovat v˘bûr
rozmûrn˘. Pro zamûfiení velmi mal˘ch
vají u systému s pevn˘m zaostfiením.
materiálu, aby vyhovûl dan˘m provoz-
nebo vzdálen˘ch objektÛ mÛÏe b˘t
Zmûna zaostfiení pfiístroje vyÏaduje
ním podmínkám.
nutné vizuální zamûfiovací zafiízení.
pohyblivé ãásti, které jsou ménû sloÏité
Aberace, které jsou pfiítomné u jed-
K dispozici je mnoho zamûfiovacích
u ãoãkov˘ch systémÛ. V˘bûr materiálÛ,
noãoãkov˘ch optick˘ch systémÛ mohou
technik: jednoduchá korálková a dráÏ-
ãoãek a okének je kompromisem mezi
znemoÏnit precizní zobrazení na
ková mífiidla, integrované nebo pfiipoji-
optick˘mi s fyzikálními vlastnostmi
detektor. Proto mÛÏe b˘t nezbytné pou-
telné optické hledáãky, ãoãkové zamû-
materiálu a poÏadovanou spektrální
Ïití korekãních ãoãek, sloÏen˘ch ze
citlivostí pfiístroje. Základní charakteris-
dvou nebo více optick˘ch prvkÛ, vyro-
tiky pro navrhování materiálÛ vhod-
ben˘ch z rÛzn˘ch materiálÛ.
n˘ch pro ãoãky, hranoly a okénka
Fyzick˘ tvar optick˘ch systémÛ
zahrnují pfiibliÏnou odrazovou ztrátu
a jejich montáÏ v pfiístrojové skfiíÀce
a horní a dolní mezní vlnovou délku.
urãují cestu paprskÛ. V fiadû pfiípadÛ je
fiovaãe a integrované nebo pfiipojitelné
paprskové zamûfiovaãe.
• Zorné pole
Zorné pole radiaãního teplomûru ze
své podstaty definuje velikost mûfieného
objektu v dané vzdálenosti od pfiístroje.
Zorné pole mÛÏe b˘t znázornûno ve
detektor
formû diagramu (obr. 3-14), ve formû
tabulky maximálních velikostí mûfieného (zobrazitelného) objektu v závislosti
ãoãka okuláru
ãoãka objektivu
na vzdálenosti, jako maximální velikost
zrcadlo objektivu
mûfieného (zobrazitelného) objektu
v ohniskové vzdálenosti nebo ve formû
Eyepiece
Lens
detektor
hranol
nebo
zrcadlo
síÈka
ãoãka
okuláru
úhlu, kter˘ popisuje zorné pole.
Obrázek 3-15 ukazuje typická ‰iroká a úzká zorná pole. V pfiípadû ‰iro-
detektor
koúhlého zorného pole dosahuje velikost mûfieného (zobrazitelného) objektu
hranol dûlící paprsky
Pohyblivá ãoãka objektivu
pro rÛzná zaostfiení
minima v ohniskové vzdálenosti. V pfiípadû úzkého zorného pole dochází ke
SíÈka, obvykle
v pevné pozici
zuÏování pomaleji. V kaÏdém pfiípadû
ãoãka okuláru
polostfiíbfiené zrcadlo,
odráÏí infraãervené záfiení
a propou‰tí viditelné záfiení
detektor
prÛfiez zorného pole mÛÏe nab˘vat
rÛzn˘ch tvarÛ od kruhového, pfies pravoúhl˘, aÏ po ‰tûrbinov˘, v závislosti
na tvaru otvorÛ, které jsou pouÏity
detektor
v optickém systému teplomûru.
Teleskopické okuláry u nûkter˘ch
síÈka
malé neprÛhledné
zrcadlo
Mirror
pfiístrojÛ mohou zvût‰ovat obraz
ãoãka okuláru
zamûfieného pfiedmûtu, takÏe malé
cíle se mohou pozorovat ve vût‰í
Obrázek 3-11: Typické optické systémy
ZPRAVODAJ
vzdálenosti.
Pomocí
teplomûrÛ
âíslo 1
33
Infraãervené termometry a pyrometry
3
s pfiesn˘m zamûfiením se mÛÏe mûfiit
clony v ohniskové vzdálenosti. Pfiímky
Nepfiesná ohraniãenost zorného
teplota objektÛ aÏ do minimální
vedené z okrajÛ obrazu clony
pole mÛÏe b˘t také zpÛsobena kazy
velikosti 1,6 mm. BûÏné optické
v ohniskové vzdálenosti k ohraniãení
v materiálu a odrazy od vnitfiních ãástí
systémy dokáÏí zobrazit pfiedmût
ãoãky ohraniãují zorné pole. Za
teplomûru. Tyto efekty omezí pouÏití
o prÛmûru 2,54 cm na vzdálenost
ohniskovou vzdáleností je zorné pole
vysoce kvalitních materiálÛ a zaãernû-
38 cm. Jiné optické systémy dokáÏí
urãeno
ní vnitfiních povrchÛ.
zpracovat velmi malé plochy o prÛ-
z okrajÛ ãoãky pfies ohraniãení obra-
mûru 0,7 mm pro zmûfiení detailÛ,
zu clony v ohniskové vzdálenosti.
polopfiímkami
veden˘mi
Jen nûktefií v˘robci udávají zorné
pole, které zahrnuje vlivy aberací. Pokud
takzvané bodové mûfiení; jin˘m
V praxi je jakékoliv tvrzení, t˘kající se
je velikost mûfieného objektu a udávané
typem mûfiení je optika pro vzdále-
zorného pole pouze aproximace, proto-
zorné pole témûfi shodné, mÛÏe b˘t
né cíle, která zobrazí objekt o prÛ-
Ïe existuje sférická a chromatická abe-
praktické urãit zorné pole experimentál-
mûru 7,5 cm na vzdálenost 9 m.
race. Sférická aberace je zpÛsobena
nû. Zamûfite teplomûr na objekt , kter˘
Také úhel pohledu ovlivÀuje zobra-
tím, Ïe paprsky dopadající na ãoãku ve
vydává ãasovû i prostorovû stálé záfiení.
zovanou velikost a tvar cílového
vût‰í vzdálenosti od osy ãoãky jsou zalo-
Do ohniskové vzdálenosti vkládejte rÛzné
(mûfieného) objektu.
meny více, neÏ paprsky dopadající blíÏe
clony rÛzn˘ch prÛmûrÛ. Zakreslete graf
Pfii kalibraci radiaãního teplomûru
k ose ãoãky. Kruhová clona je zobraze-
v˘stupní hodnoty teplomûru v závislosti
je nutné, aby zdroj záfiení zcela vypl-
na jako kruh s okolním halo efektem.
na plo‰e otvoru clony. V˘stupní hodnota
nil zorné pole. Pokud zorné pole není
Zrcadla také mají sférickou aberaci.
teplomûru se bude zvy‰ovat úmûrnû
vyplnûno úplnû, teplomûr naãítá niωí
Chromatická aberace se objevuje
k plo‰e otvoru jestliÏe je plocha otvoru
hodnotu. Pokud teplomûr nemá pfies-
v dÛsledku toho, Ïe index lomu optic-
men‰í neÏ nominální plocha objektu.
nû definované zorné pole, jeho hod-
k˘ch materiálÛ se mûní v závislosti na
Zv˘‰ení v˘stupní hodnoty o nûkolik dese-
nota v˘stupu se zv˘‰í pokud je veli-
vlnové délce, pfiiãemÏ index lomu je
tin procenta pfii kaÏdém zdvojnásobení
kost mûfieného objektu vût‰í, neÏ je
niωí pro krat‰í vlnové délky. To zname-
plochy otvoru clony ukazuje na to, Ïe
velikost minimální. Obraz clony
ná, Ïe paprsky s krat‰í vlnovou délkou
nominální zorné pole má v sobû zahrnu-
v ohniskové vzdálenosti vût‰iny teplo-
se lámou více a jejich ohnisko se nachá-
ty efekty aberací. Pokud tyto efekty neby-
mûrÛ je vût‰í neÏ prÛmûr clony. Ve
zí blíÏe k ãoãce, zatímco paprsky s del‰í
ly vzaty v úvahu, mÛÏe v˘stupní hodnota
vzdálenosti krat‰í, neÏ je ohnisková
vlnovou délkou mají ohnisko dále od
teplomûru vykazovat signifikantní zv˘‰e-
vzdálenost, je zorné pole urãeno prÛ-
ãoãky. Obraz clony v urãitém pásmu
ní, pokud je viditelná oblast zvût‰ena
mûrem ãoãky a prÛmûrem obrazu
vlnov˘ch délek je proto rozmazan˘.
nad nominální hodnotu.
100
90
tlou‰Èka 1mm
300K
77K
70
f lu o
ofieã
safír
50
r id h
60
kfiemen
n a t˘
40
t˘
arna
rid b
fluo
Transmitance (propustnost), %
bromid draseln˘
sirník zineãnat˘
80
30
20
v‰echny mohou b˘t
pokryty antireflexní vrstvou,
kromû BaF2, MgF2, KBr
10
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
vlnová délka, µm
14
15
16
17
18
19
20
Obrázek 3-12: Propustnost optických materiálů pro infračervené záření
34
âíslo 1
ZPRAVODAJ
Infraãervené termometry a pyrometry
3
100
tlou‰Èka 1mm
300K
77K
90
Transmitance (propustnost), %
80
KRS-5
70
selenid zinku
60
germanium
50
40
30
kfiemík
20
10
0
2
4
6
8
10
12
14
vlnová délka, µm
16
18
20
22
24
Obrázek 3-13: Charakteristiky propustnosti
• Elektronika
van˘ch pro korekci nedokonalosti
mohou systémy vybavené mikroproce-
Kalibraãní kfiivka v˘stupu detektoru
detektorÛ,
sory termistory pouÏívat.
v závislosti na teplotû je u v‰ech detek-
a dává digitální v˘stup pro obousmûr-
Citlivost detektoru je také nelineární
nou komunikaci mezi teplomûrem a PC
funkcí teploty tûlesa detektoru. To b˘vá
nebo regulaãním systémem. Mnoho
zhruba korigováno v analogov˘ch pfií-
nedostatkÛ termálních detektorÛ se
strojích s jednoduchou korekcí lineárního
mÛÏe o‰etfiit pomocí sofistikovan˘ch
zesílení zaji‰Èovanou teplotnû citliv˘m
technik zpracování dat v ãíslicov˘ch
odporem ve zpûtnovazebn˘ch obvodech
poãítaãích. Teplota mûfieného objektu je
pfies zesilovaãe. Mikroprocesor mÛÏe
torÛ nelineární, protoÏe rovnice popisující mnoÏství záfiení emitovaného
objektem jsou mocninové funkce.
Elektronika radiaãního teplomûru musí
zesilovat, regulovat, linearizovat a konvertovat signál na napûÈov˘ nebo proudov˘ v˘stup, kter˘ je úmûrn˘ teplotû.
Pfied zavedením mikroprocesoru
byla v˘hoda vysok˘ch hodnot faktoru
N u pfiístrojÛ s fixním teplotním pásmem znehodnocena skuteãností, Ïe
pouÏiteln˘ rozsah mûfien˘ch teplot byl
velmi úzk˘. Napfiíklad, jestliÏe N=15,
pfiístroj, kter˘ naãítá 100% ‰kály pfii
teplotû 1000°C bude mûfiit pfiibliÏnû
820°C na 10 % ‰kály. Pokud se oãeká-
kompenzaci
emisivity
exponenciální funkcí teploty detektoru.
V˘stupní signál z detektoru je nízké
napûtí úmûrné rozdílu teplot mezi
mûfien˘m objektem a detektorem. Ke
stanovení teploty objektu je nezbytné
pfiesnû zmûfiit teplotu detektoru. Teploty
tûlesa detektoru odpovídají rozsahu
teplot okolního prostfiedí, to je od –50
do 100°C. Nejdokonalej‰ím a nejpfies-
teploty tûlesa, kter˘ koriguje zmûny citlivosti detektoru. Energie vyzafiovaná tûlesem dopadající na detektor je vysoce
nelineární vzhledem k teplotû tûlesa
a pro teploty pod 538 °C (1000 °F) je
také závislá na teplotû detektoru. Znovu
zdÛrazÀujeme , Ïe mikroprocesor mÛÏe
nûj‰ím teplotním pfievodníkem v tomto
ohnisková
vzdálenost
teplotním rozsahu je termistor. Av‰ak
val pokles mûfiené teploty pod toto úzké
v˘stupní hodnoty termistoru jsou vysoce
pásmo, byla nezbytná linearizace
nelineární a v˘raznû kolísají od v˘rob-
nebo pfiepínání rozsahu. Dnes umoÏ-
ku k v˘robku. Analogové obvody ter-
Àují mikroprocesory linearizaci takové-
mistorÛ byly opu‰tûny protoÏe byly
ho signálu za velmi efektivní cenu.
ménû pfiesné a byly nahrazeny snad-
Elektronika zaloÏená na mikroproce-
nûji pouÏiteln˘m prvkem, jako je inte-
sorech (obr. 3-16) je mnohem lep‰í neÏ
grovan˘ obvod , kter˘ má lineární
konvenãní analogová elektronika, pro-
v˘stup. Vysoce nelineární odezvy
toÏe poskytuje moÏnost v˘poãtÛ, pouÏí-
nejsou pro poãítaã problémem a proto
ZPRAVODAJ
pouÏívat sloÏitého algoritmu pro detekci
prÛmûr ãoãky
úhlové
zorné pole
Clona
detektor
minimální prÛmûry
mûfieného objektu
Obrázek 3-14: Zorné pole
âíslo 1
35
Infraãervené termometry a pyrometry
3
134 prÛmûr mûfieného objektu
138 prÛmûr ãoãky
24
178 prÛmûr mûfieného objektu
36
PrÛbûh zorného pole úzkoúhlého pyrometru
1 prÛmûr
ãoãky
7
8
3
8
prÛmûr
mûfieného
objektu
6
10
18
1
2 prÛmûr
mûfieného
objektu
24
2 34 prÛmûr
mûfieného
objektu
134 prÛmûr
mûfieného
objektu
4 12 prÛmûr
mûfieného objektu
36
PrÛbûh zorného pole ‰irokoúhlého pyrometru
Obrázek 3-15: Typické průběhy úzkých a širokých zorných polí
pfiesnû kompenzovat oba tyto efekty.
V˘stupní napûtí detektoru roste se
luje vybrat jenom relevantní data poÏadovaná regulaãními systémy. MÛÏe b˘t
tûlesa.
napfiíklad poÏadavek odeslání jenom
Analogové pfiístroje obvykle pouÏívají
takov˘ch hodnot, které jsou mimo napro-
k zachycení tohoto vztahu linaeární
gramovan˘ rozsah. Tato data mohou b˘t
aproximace. Poãítaã mÛÏe fie‰it v reál-
pfiená‰ena digitálnû na principu pfieru‰e-
ném ãase sloÏit˘ algoritmus aÏ se
ní s rÛznou prioritou. Je v˘hodnûj‰í do
sedmi ãleny místo lineární aproximace,
fiídícího systému pfiená‰et jen dÛleÏitá
aby se zv˘‰ila pfiesnost.
data, neÏ pfiená‰et v‰echna mûfiená data.
ãtvrtou
mocninou
teploty
Mikroprocesorem mÛÏeme korigovat
Inteligentní radiaãní teplomûr mÛÏe
také posun nulové hodnoty detektoru
b˘t naprogramován tak, Ïe sám spou‰tí
vlivem kolísání okolní teploty. To eliminuje chybu nûkolika stupÀÛ, pokud se
pfiístroj pfienese z jedné místnosti do
druhé s rÛznou teplotou.
pfiedem naprogramované vnitfiní kalibraãní procesy bûhem pfiestávek v mûfiení. Tím se zabrání tomu, aby vnitfiní
kalibraãní kontroly nezpÛsobily neãin-
Pfiesná korekce emisivity se mÛÏe vyvolat buì aÏ z 10 hodnot uloÏen˘ch
v pamûti EEPROM nebo z komplexního
optická soustava
vání vestavûn˘m mikroprocesorem dovo36
âíslo 1
digitální
v˘stup
analogovû
mikropoãítaã
referenãní
termistor
u mûfieného tûlesa. Pfiíkladem je pro-
Ïhaví na vy‰‰í teploty. PfiedbûÏné zpraco-
Funkce „sample-and-hold“ do pamûti
je uÏiteãná v situaci, kdy urãitá událost
spou‰tí mûfiení teploty objektu. Teplomûr
mûfií teplotu v tom daném okamÏiku
a nevûnuje pozornost pfiedchozím
a pozdûj‰ím mûfiením. Analogové obvody
mûly tu vlastnost, Ïe docházelo k pomalé
zmûnû uloÏené zmûfiené hodnoty v dobû
jejího uchovávání, ale moderní digitální
pfiístroje uchovávají hodnotu v pamûti
nezmûnûnu po jakoukoliv dobu.
analogov˘ digitální
zesilovaã pfievodník
a zpracovávajícího vztah ãasu a teploty
vity u oceli, která se oxiduje, kdyÏ se
ní. ¤ídící zásahy provádí na základû
vstupních údajÛ o mûfien˘ch teplotách.
Navíc tyto inteligentní pfiístroje mohou
zpracovávat pomocné vstupy z termoãlánkÛ, odporov˘ch teplomûrÛ nebo dal‰ích radiaãních teplomûrÛ a vyuÏít jich
tak k podpofie vlastních vnitfiních funkcí.
Napfiíklad mikroprocesor mÛÏe prÛbûÏnû a automaticky nastavovat horní Ïádanou hodnotu teploty v závislosti na pfiedchozím v˘voji vstupní hodnoty.
infraãerven˘ pfiedzesilovaã
s nízk˘m
detektor
‰umem
algoritmu pracujícího v reálném ãase
gram, kter˘ kompenzuje vliv zmûn emisi-
nost pfiístroje v kritickém momentû procesu. Teplomûr, kter˘ mûfií teplotu plechovek na pásovém dopravníku mÛÏe
spustit vnitfiní kalibraãní program kdykoliv zjistí mezeru mezi konzervami.
Vnitfiní mikroprocesor mÛÏe na základû údajÛ o teplotû provádût vnûj‰í fiídící
funkce na prvcích vnûj‰í smyãky. PouÏívá
k tomu kontaktní spínaãe nebo releové
v˘stupy, dodávané jako volitelné vybave-
optická clona
stejnosmûrné
napûtí 9V
Obrázek 3-16: Mikroprocesorový infračervený teploměr
ZPRAVODAJ
3
V nûkter˘ch pfiípadech je pfiedmûtem
mûfiení zji‰tûní nejvy‰‰í teploty namûfiené v zorném poli bûhem urãitého období. Inteligentní elektronika mÛÏe b˘t
brání pozorování. U tûchto konstrukcí je
bûÏn˘ optick˘ pfieru‰ovaã mezi ãoãkou
a detektorem. Zadní plocha pfieru‰ovacího disku nebo lopatky mÛÏe slouÏit
naprogramována tak, aby ukládala do
pamûti nejvy‰‰í teplotu, která byla zmû-
detektor
fiena bûhem vzorkovací periody. Toto
se naz˘vá „peak picking“ - sbûr
pozlacené
polokulové
zrcadlo
mûfien˘ objekt
maxim. Dal‰í moÏností je „valley picking“ - sbûr minimálních hodnot.
PrÛmûrování hodnot zabraÀuje rychl˘m v˘chylkám mûrn˘ch hodnot od prÛmûrné hodnoty a tak se eliminuje vliv
‰umu na fiídící systém. BûÏnû se toho
dosahuje softwarov˘m zpomalením
odezvy pfiístroje.
• Konstrukce
Obrázek 3-11 na stránce 33 zobrazuje
bûÏné konstrukãní typy prÛmyslov˘ch
radiaãních teplomûrÛ. Konstrukãní typy
(a) a (b) jsou typické pfiístroje pouÏívající detektory, které dávají stabilní stejnosmûrné napûtí v fiádu mV bez pfiedzesí-
Obr. 3-17: Pyrometr k měření povrchových teplot
jako lokální reference okolní teploty.
Detektor stfiídavû vidí mûfien˘ objekt
a modulátor, kter˘ má teplotu okolí.
U nûkter˘ch pfiístrojÛ mÛÏe b˘t udrÏována horká plocha na známé referenãní
teplotû. Detektor stfiídavû vidí mûfien˘
objekt a tento referenãní zdroj. V˘stupní
stfiídav˘ signál potom mÛÏe b˘t kalibrován na neznámou teplotu objektu.
U pomûrov˘ch teplomûrÛ mohou b˘t
Infraãervené termometry a pyrometry
na pfieru‰ovacím disku filtry, které urãují pásmo propustnosti pro dva radiaãní
signály , jejichÏ pomûr se urãuje.
Obrázek 3-17 zobrazuje pfienosn˘
radiaãní teplomûr pro bodové mûfiení
teploty. Záfiení z objektu je mnohonásobnû odráÏeno od polokulového
zrcadla. Detektor pfiijímá tuto radiaci
skrze mal˘ otvor v reflektoru. Záfiení,
které se mnohonásobnû odráÏelo mezi
zrcadlem a objektem se jeví detektoru,
jakoby pfiicházelo z absolutnû ãerného
tûlesa. Komerãnû dostupn˘ pyrometr,
kter˘ pouÏívá tuto techniku, mÛÏe bez
korekce mûfiit teplotu objektÛ s emisivitou vy‰‰í neÏ 0,6. Reflektor musí b˘t pfiiloÏen v blízkosti mûfieného objektu, aby
se zabránilo vlivu vnûj‰ího záfiení a ztrátám. Mûfiit se mÛÏe jen krátkou dobu,
protoÏe zahfiátí reflektoru ovlivÀuje pfiesnost mûfiení. Navíc energie odraÏená
zpût na mûfien˘ povrch mÛÏe zpÛsobit
T
zmûnu teploty povrchu.
Literatura
pouÏívá u detektorÛ, jejichÏ stejnosmûr-
• Handbook of Temperature Measurement & Control, Omega Press, 1997.
• New Horizons in Temperature Measurement & Control, Omega Press, 1996.
• „Evolution in the Application of Optical Fiber Thermometry”, F. G. Bear
n˘ posun vyÏaduje, aby byly pouÏívány
Tinsley, Bruce Adams, Proceedings of the International Conference and
v modu stfiídavého napûtí. Rotující disk
Exhibitions, Instrument Society of America, 1991.
lení, jako napfiíklad termoãlánky a kfiemíkové buÀky. Konstrukce (a) se také
nebo vibrující tyãinka je vloÏena mezi
• Infrared Temperature Measurement, MIT Video Series, R. John Hansman, Jr.,
ãoãku a detektor, aby se dosáhlo cyklic-
Massachusetts Institute of Technology.
kého pfieru‰ování záfiení. Na detektor
•
tak dopadají pulzy záfiení. V˘stupem
Michael B, Kaplinsky, Jun Li, Nathaniel J. McCaffrey, Edwin S. H. Hou and
detektoru je stfiídavé napûtí. Detektor
musí b˘t dostateãnû mal˘, aby nepfiekáÏel pozorování mûfieného objektu.
Konstrukce (c), (d), (e) jsou vhodné
tam, kde je detektor pfiíli‰ velik˘ a tím
ZPRAVODAJ
„Progress on the Development of Multi-wavelength Imaging Pyrometer,”
Walter F. Kosonecky, SPIE Proceedings, 1996.
• Temperature Measurement in Industry, E. C. Magison, Instrument Society of
America, 1990.
• „Uncooled Multispectral Detectors and their Applications”, Volkman Norkus,
Gunter Hofman and Christine Schiewe, SPIE Proceedings, 1966.
âíslo 1
37
4
BEZDOTYKOVÉ Mù¤ENÍ TEPLOTY
Infraãervené termoãlánky
Úvod do teorie termoãlánkÛ
Infračervené termočlánky
Nenapájené infraãervené termoãlánky
Návody na instalaci infraãerven˘ch termoãlánkÛ
J
ak je uvedeno v kapitole 3
„Infraãervené
teplomûry
a pyrometry“, pouÏívají se termoãlánky
jako
detektory
v radiaãní termometrii jiÏ desítky let.
Preferovan˘mi tepeln˘mi detektory
byly sériovû zapojené termoãlánky termoelektrické baterie. V posledních
letech ale byla vyvinuta nová generace levn˘ch samonapájecích „infraãerven˘ch termoãlánkÛ“, která otevfiela
‰irok˘ trh v oblasti bezkontaktního
mûfiení teploty v takov˘ch odvûtvích,
jako potravináfiství, elektronika, papírenství, farmaceutick˘ prÛmysl, prÛmysl zpracování umûl˘ch hmot, gumy
a textilu.
V‰echny infraãervené termoãlánky
pracují zpÛsobem podobn˘m standardnímu termoãlánku: na mûfiené
teplotû závisí nízké napûtí fiádu mV.
Aby mohl uÏivatel nebo projektant
efekt. V‰iml si, Ïe pokud jsou dva dráty
horké spojení, musí vÏdy b˘t i chladné
z rÛzn˘ch kovÛ (jako je Ïelezo a slitina
neboli referenãní spojení“ (i kdyÏ
konstantan) spojeny na obou koncích
chladné spojení mÛÏe b˘t skryto v pfií-
tak, Ïe tvofií uzavfien˘ elektrick˘ obvod,
stroji vzdáleném 100 metrÛ daleko od
potom pokud je jedno spojení vystave-
horkého spojení).
no jiné teplotû neÏ spojení druhé, vzniká elektromotorické napûtí.
Pozdûji v 19. století dal‰í dva vûdci
fie‰ili podrobnûji otázku, jak˘m mecha-
V zásadû toto napûtí (fiádovû mV)
nizmem vzniká napûtí v termoelektric-
závisí na dvou podmínkách. Jsou to: 1)
kém obvodu. Podle jejich jmen se naz˘-
rozdíl v teplotû mezi tepl˘m spojením
vají dva jevy, které pozorovali;
a chladn˘m spojením (v‰imnûte si, Ïe
PeltierÛv efekt (podle Jeana Peltiera,
zmûna kterékoliv z tûchto teplot má vliv
1834) a ThompsonÛv efekt (podle Sira
na hodnotu napûtí) a 2) metalurgické
Williama Thompsona také známého
sloÏení tûchto dvou vodiãÛ.
jak Lord Kelvin, 1851).
Aãkoliv se ãasto „termoãlánek“
AniÏ bychom se podrobnûji zab˘va-
zobrazuje jako dva vodiãe, které jsou
li tûmito teoriemi, mÛÏeme fiíci, Ïe
spojené na jednom konci a zb˘vající
PeltierÛv efekt popisuje napûtí, které je
konce mají volné, je dÛleÏité pfiipome-
dÛsledkem spojení pouze dvou rÛzn˘ch
nout, Ïe se nejedná o prav˘ termoãlá-
vodiãÛ. Podobnû ThompsonÛv efekt
nek dokud volné konce nejsou také
mÛÏe b˘t shrnut jako popis napûtí,
spojeny! Je vhodné, aby si uÏivatel
které je vytváfieno teplotním gradientem
zapamatoval tento axiom: „JestliÏe je
podél kovového vodiãe. ProtoÏe v ter-
správnû pouÏít takov˘ pfiístroj musí
8
znát urãité základní charakteristiky
termoãlánkÛ a pouÏit˘ch obvodÛ. Jak
funguje termoãlánek a jak dává pou-
6
Ïiteln˘ napûÈov˘ signál? Na co je
4 mV
dÛleÏité se soustfiedit pfii mûfiení tohomûfiené teplotû? Jak˘ je vliv zmûn
okolní teploty na termoãlánek a mûfiící pfiístroj? Diskuse obrázku 4-1 dá
4
mV
to signálu, aby pfiesnû odpovídal
6,68
mV
2
2
2,68 mV
odpovûì na tyto otázky.
Úvod do teorie termočlánků
3
1
0
0
200
Zaãneme u T. J. Seebecka, kter˘
v roce 1821 objevil termoelektrick˘
38
âíslo 1
400
°F
600
800
Obrázek 4-1: Činnost termočlánku
ZPRAVODAJ
4
Infraãervené termoãlánky
moãlánku jsou dva body kontaktu
a dva rÛzné kovy nebo slitiny termoãlánku, jsou zde dvû Peltierova a dvû
T2
T1
Thompsonova napûtí. Celkové napûtí
A
obvodu je v˘sledkem obou v˘‰e jmenovan˘ch efektÛ.
Polarita napûtí je urãena a) pouÏi-
B
t˘m párem kovÛ nebo slitin (jako
napfi. Ïelezo - konstantan) a b) vztahem teplot tûchto dvou spojení.
Hodnota napûtí se mÛÏe mûfiit volt-
A
V‰echny
3 obvody
generují
stejné napûtí
C
B
metrem pfiipojen˘m v kterémkoliv
A
C
místû obvodu.
D
V souhrnu závisí celkové napûtí
E
jednak na teplotním rozdílu mezi
F
dvûma spojeními a jednak na typu
B
pouÏit˘ch materiálÛ. Pokud je teplota
chladného spojení udrÏována konstantní nebo je její kolísání kompenzováno, pak je celkové napûtí funkcí
Obr. 4-2 : Ekvivalentní obvody s termočlánkem
teploty horkého spojení.
U vût‰iny instalací není praktické
v intermediární referenãní teplotû
standardní teplotû chladného spojení -
udrÏovat teplotu chladného konce kon-
149°C (300°F) a horké spojení na
0°C (32°F). Mnoho pfiístrojÛ toho dosa-
stantní. Obvyklá standardní teplota
mûfiené
(700°F).
huje teplotnû citliv˘m odporem, kter˘
chladného spojení (naz˘vaná referenã-
Termoãlánek 2 dává napûtí 4 mV.
mûfií kolísání teploty chladného spojení
ní spojení) je 0°C (32°F). Je to základ-
Zákon intermediárních teplot fiíká, Ïe
(obvykle zpÛsobeného okolními pod-
ní teplota v uveden˘ch tabulkách závis-
souãet napûtí vytváfien˘ch termoãlánky
mínkami) a automaticky vytváfií vhod-
losti napûtí na teplotû pro rÛzné typy
1 a 2 je stejn˘, jako napûtí vytváfiené
nou korekci napûtí.
termoãlánkÛ.
jedin˘m termoãlánkem (3), kter˘ je na
371°C
skuteãnost, Ïe signální vodiãe, které
je vztah napûtí za bûÏn˘ch podmínek
Termoãlánek 3 má chladné spojení na
mají stejné termoelektrické charakte-
k napûtí za standardních podmínek
teplotû 0°C (32°F) a horké spojení na
ristiky jako vodiãe termoãlánku,
(napfi. 0°C). Princip tohoto zákona uka-
teplotû 371°C (700°F), coÏ je mûfiená
mohou b˘t pfiipojeny do obvodu ter-
zuje obrázek 4-1., kde termoãlánky
teplota. To znamená, Ïe teoreticky
moãlánku bez ovlivnûní celkového
1 a 2 jsou vyrobené ze stejné dvojice
mÛÏe b˘t namûfieno 6,68 mV, coÏ
napûtí termoãlánku.
rÛzn˘ch kovÛ.
reprezentuje „pravé“ napûtí podle
V praxi jsou vût‰inou pouÏity v obvo-
kalibraãní kfiivky termoãlánku – závis-
du termoãlánku také dal‰í kovy. Mûfiící
losti napûtí na teplotû.
pfiístroj má napfiíklad pájená nebo sva-
Termoãlánek 1 má chladné spojení
ve
standardní
referenãní
teplotû
zobrazen˘
Jin˘m vyuÏitím tohoto zákona je
pfieru‰ovanû.
Zákon intermediárních teplot popisu-
obrázku
teplotû
Na základû tohoto zákona musí
fiovaná spojení, u kter˘ch mohou b˘t
teplotû
v˘robce infraãerveného termoãlánku
uÏity takové kovy jako je mûì, man-
(v tomto pfiípadû 149°C (300°F).
poskytnout nástroj k substituci v˘stupní-
gan, olovo, cín, nikl.
Termoãlánek 1 dává napûtí 2,68 mV.
ho napûtí termoãlánku 1, aby zajistil,
Nemûní tyto pfiídatné kovy v˘stupní
Termoãlánek 2 má chladné spojení
Ïe naãítaná hodnota je vztaÏena ke
napûtí termoãlánku? Nemûní - v sou-
0°C (32°F) a horké spojení na urãité
intermediární
ZPRAVODAJ
referenãní
âíslo 1
39
Infraãervené termoãlánky
4
ladu se zákonem intermediárních
jení termoãlánku aÏ k referenãnímu
lota konektorÛ mûfiícího pfiístroje vliv
kovÛ. Zákon fiíká, Ïe pfiítomnost pfií-
(chladnému) spojení v pfiístroji.
na v˘sledek mûfiení. Celkov˘ efekt
datn˘ch kovÛ mezi tûmi dvûma kovy
Vlastní vodiãe termoãlánku obvykle
tûchto tfií termoãlánkÛ je stejn˘ jako
nemá vliv na generované napûtí
konãí relativnû blízko horkého spoje-
efekt jednoho termoãlánku mezi hor-
pokud spojení tûchto kovÛ s vodiãi
ní. Termoãlánky mají obvykle hlavici,
k˘m spojením (mûfiené místo) a chlad-
termoãlánkÛ jsou vystavena stejné
do níÏ se pfiipojují signální vodiãe.
n˘m spojením (pfiístroj).
teplotû. Tento efekt je zobrazen na
ProtoÏe tyto vodiãe jsou v termoelek-
obrázku 4-2, kde a a b reprezentuje
trickém obvodu, musí nutnû odpoví-
vodiãe termoãlánku.
dat charakteristice (závislosti napûtí
Praktick˘m pfiíkladem vyuÏití tohoto
na teplotû) termoãlánku.
zákona je základní termoelektrick˘
Je- li chladné spojení umístûno uvnitfi
systém, kter˘ je zobrazen˘ na obrázku
mûfiícího pfiístroje, musí b˘t vnitfiní
4-3. Pfiístroj mÛÏe b˘t umístûn v urãité
vodiãe, které spojují konektory pfiístroje
vzdálenosti od místa mûfiení, v místû
a chladné spojení, vyrobeny z vhod-
mûfiení je termoãlánek. Na schématu
n˘ch materiálÛ.
elektrického obvodu je nûkolik základních a praktick˘ch bodÛ:
V této konfiguraci jsou vlastnû za
sebou zapojeny tfii termoãlánky: jeden
Infračervený termočlánek
Bûhem posledních deseti aÏ dvaceti let se rozrÛstal poãet mal˘ch, specificky upraven˘ch infraãerven˘ch teplomûrÛ. Jejich dokonalé optické systémy a elektronické obvody jsou v protikladu k jednoduchému válcovitému
vzhledu. Pfiístroje pouÏívají speciální,
patentované úpravy termoãlánkÛ,
které vytváfiejí dostateãné napûtí, aby
âasto je nejv˘hodnûj‰ím místem pro
je vlastní termoãlánek, jeden je
mohly b˘t pfiímo pfiipojeny k voltmet-
chladné spojení mûfiící pfiístroj vzdále-
v zevních signálních vodiãích a jeden
ru nebo k zafiízení, které pfiená‰í
n˘ od mûfieného procesu .
je ve vnitfiních signálních vodiãích pfií-
mûfiené hodnoty ke v‰em typÛm
DÛsledkem umístûní chladného spo-
stroje. Av‰ak v souladu se zákonem
zobrazovacích, záznamov˘ch a regu-
jení v pfiístroji je, Ïe termoelektrick˘
intermediárních teplot nemá teplota
laãních zafiízení.
obvod se rozprostírá od horkého spo-
terminální hlavice termoãlánku ani tep-
Komerãnû je dostupná ‰iroká paleta
mûfiící pfiístroj
horké spojení
terminální hlava (konektor)
chladné spojení
termoãlánek
signální vodiãe (zevní)
signální
vodiãe
(vnitfiní)
Obrázek 4-3: Typická instalace termočlánku
40
âíslo 1
ZPRAVODAJ
Infraãervené termoãlánky
4
v˘stupní napûtí (mV)
v˘stupní napûtí (mV)
aktuální signál
z infraãerveného
termoãlánku
konvenãní
termoãlánek
oblast linearity
teplota mûfieného objektu
teplota mûfieného objektu
Obrázek 4-4: Výstup termočlánku
tûchto zafiízení, pokr˘vající teplotní
signál dostateãnû lineární, a touto line-
práci v tûÏk˘ch podmínkách nemûní
rozsah od -45 aÏ 2760°C (-50 do
ární závislostí lze aproximovat kfiivku
ani
5000°F) s pfiesností aÏ 0,01°C.
závislosti napûtí na teplotû daného
Neobsahuje aktivní elektronické kom-
Dostupné modely zahrnují:
mechanicky
ani
chemicky.
typu termoãlánku (obr. 4-4). Navíc
ponenty a Ïádné zdroje energie
Standardní jednotky simulující
mÛÏe konstruktér sladit obû kfiivky tak,
s v˘jimkou termoãlánku samotného.
v˘stup termoãlánkÛ, J, K, T, E,
aby vyhovovali zadané toleranci,
V˘robci udávají jeho pfiesnost kolem
R a S a nabízející 12 rÛzn˘ch zor-
napfiíklad ±2 %.
1 %. Pfiesnost je dlouhodobû ovlivnûna
•
n˘ch
100:1.
KaÏd˘ model je specificky navrÏen
stejn˘mi faktory jako spolehlivost.
Minimální rozli‰ovací schopnost je
pro optimální v˘kon v oblasti nejlep‰í
Infraãerven˘ termoãlánek je ve srov-
1 mm a minimální velikost mûfieného
lineární aproximace kfiivky závislosti
nání s konvenãním termoãlánkem
tûlesa od 4-12 mm.
v˘stupního napûtí na teplotû. Av‰ak
dobfie chránûn uvnitfi pevné ocelové
Ruãní skenery pro snímání teplo-
ãidlo se mÛÏe pouÏívat i mimo tuto
schránky. Konstrukce s pevnou, uza-
ty - musí vyhovovat normû ISO 9001,
oblast linearity pouh˘m pfiekalibrová-
vfienou schránkou podstatnû eliminuje
9002 a 9003.
ním naãítacího zafiízení. JestliÏe je pfií-
klasick˘ problém posunu u konvenã-
•
polí
od
1:2
aÏ
• Teplotní spínaãe, které se chovají
stroj takto kalibrován, je v˘stup spojit˘
ních termoãlánkÛ. K udrÏení dlouho-
jako fotobuÀky a pouÏívají se pro sle-
na celém rozsahu termoãlánku s 1%
dobé stability pomáhá dvojí Ïíhání na
dování vlastností tepelného procesu
pfiesností na celé ‰kále.
teplotách nad 100°C (212°F).
s rychlostmi aÏ 300 m/min.
UÏivatel si mÛÏe vybrat v materiá-
Infraãervené termoãlánky nepotfiebu-
lech dodavatele model napfi. s 2%
jí pfiívod energie, k tvorbû v˘stupního
pfiesností podle tabulky rozsahÛ,
signálu mechanismem termoelektrické-
která udává kódy rozsahÛ „Range
Infraãerven˘ termoãlánek, stejnû
ho efektu vyuÏívají jen dopadající
Codes“ s odpovídajícími teplotními
jako ostatní ãidla zaloÏená na radiaci,
infraãervenou radiaci. V˘stupní signál
rozsahy, kde se oãekává 2% pfiesnost.
musí b˘t kalibrován na specifické vlast-
odpovídá fyzikálním zákonitostem
UÏivatel také specifikuje typ termo-
nosti záfiícího povrchu mûfieného
tepelného záfiení a sleduje kfiivku
ãlánku (J, K, atd.).
objektu, vãetnû mnoÏství emitovaného
zobrazenou na obr. 4-4.
Typick˘ infraãerven˘ termoãlánek je
Návod k instalaci
záfiení a odrazÛ v okolním prostfiedí.
Ve specifickém, relativnû úzkém tep-
umístûn˘ v pevné, hermeticky uzavfie-
Kalibrace se provádí mûfiením povr-
lotním rozmezí je v˘stupní napûÈov˘
né schránce. Proto se dokonce i pfii
chové teploty mûfieného objektu vhod-
ZPRAVODAJ
âíslo 1
41
Infraãervené termoãlánky
4
n˘m nezávisl˘m ãidlem povrchové teploty. Takov˘m zafiízením je ruãní infraãerven˘ teplomûr s vestavûn˘m automatick˘m kompenzaãním systémem emisivity.
Doporuãuje se následující postup:
(1) Nainstalujte infraãerven˘ teplomûr co nejblíÏe mûfienému objektu.
(2) Zapojte obvykl˘m zpÛsobem
infraãerven˘ teplomûr do kontrolního
systému nebo systému sbûru dat (vãetnû stínûní). Stejnû jako u konvenãních
termoãlánku je ãerven˘ vodiã vÏdy
negativní.
(3) Pfiiveìte proces aÏ k normální
provozní teplotû a pouÏijte ruãní radiaãní teplomûr ke zmûfiení aktuální teploty objektu.
42
âíslo 1
(4) Proveìte vhodné pfiizpÛsobení
na ãtecím zafiízení tak, aby jeho kalib-
race odpovídala hodnotám ruãního
pfiístroje.
T
LITERATURA
• Handbook of Temperature Measurement & Control, Omega Press, 1997.
• New Horizons in Temperature Measurement & Control, Omega Press, 1996.
• The Infrared Temperature Handbook, Omega Engineering, 1994.
• Handbook of Non-Contact Temperature Sensors, The IRt/c Book, Third
Edition, Exergen Corp., 1996.
• Instrument Engineers’ Handbook, Third Edition, B. Liptak, Chilton Book Co.
(CRC Press), 1995.
• Process/Industrial Instruments and Controls Handbook, Fourth Edition, D. M.
Considine, ed., McGraw-Hill, 1993.
• „Some Basic Concepts of Thermoelectric Pyrometry,” C.C. Roberts and C.A.
Vogelsang, Instrumentation, Vol. 4, No.1, 1949.
• Temperature Measurement in Engineering, H. Dean Baker, E. A. Ryder, and
N. H. Baker, Omega Press, 1975.
ZPRAVODAJ
5
BEZDOTYKOVÉ Mù¤ENÍ TEPLOTY
PouÏití optick˘ch vláken
V˘hody optick˘ch vláken
Použití optických vláken
O
ptická vlákna jsou v podstatû svûtelné trubky. Jejich
základní ãinnost byla objevena pfied více neÏ 100
lety, kdy britsk˘ fysik John Tyndall prokázal, Ïe svûtlo mÛÏe b˘t pfiená‰eno uvnitfi
proudu vody, kter˘ vystfiikoval z nádobky. Základem k udûlení patentu pro Bell
Laboratories v roce 1934 byla tenká
sklenûná tyãka, pfiená‰ející svûtlo.
V padesát˘ch letech 20. století American
Optical dokázala pfienést svûtlo pfies
krátká ohebná sklenûná vlákna. Av‰ak
nejvût‰í pokrok ve vláknové optice vznikl
na základû v˘voje sklenûn˘ch technologií spoleãnosti Corning Glass na poãátku
70. let 20. století.
Aplikace optick˘ch vláken
Souãástkové moÏnosti
komunikace se vyvíjela pod vlivem vláknové optiky od poloviny 80. let 20. století. Zv˘‰ené pouÏití vláknové optiky
koreluje dobfie s v˘vojem optick˘ch vláken a sníÏenou cenou komponent.
V˘hody sklenûn˘ch vláken vedly ke
zlep‰ení pfienosu dosahujícímu aÏ trojnásobku prvotních pokusÛ Corning
AÈ uÏ se pouÏívá vláknová optika pro
úãely komunikace nebo pro infraãervené mûfiení teploty, vÏdy má podstatné
v˘hody. Optická vlákna:
• Nejsou ovlivnûna elektromagnetickou interferencí (z elektromotorÛ,
transformátorÛ, sváfiecích pfiístrojÛ
a podobnû)
Glass. Napfiíklad obyãejné plátové sklo
• Nejsou ovlivnûna interferencí s radi-
má koeficient zeslabení pro viditelné
ov˘mi frekvencemi (bezdrátové komunikátory, blesky…)
svûtlo aÏ nûkolik tisíc dB/km. Souãasná
optická vlákna mohou na 1 km pfienést
jádro
optického
vlákna
takovou ãást svûtla jako napfiíklad plátové
sklo
o
tlou‰Èce
0,64
cm.
Tabulka 5-1 ukazuje relativní ztráty pfii
pfienosu digitálních dat mûdûn˘m vodivnûj‰í obal
optického
vlákna
plá‰È
optického
vlákna
prÛhledn˘
elastomer
ãem a optick˘m vláknem.
Stejnû jako dal‰í technické v˘vojové
programy po 2. svûtové válce, byl
i tento masivnû podporován vládou
Výhody optických vláken
DÛsledkem zlep‰eného pfienosu skle-
USA z dÛvodÛ moÏného vojenského
nûn˘mi vlákny bylo poloÏení podmofi-
vyuÏití. Takové projekty primárnû pod-
sk˘ch kabelÛ, které vyÏadují zesilovaãe
porovaly telekomunikaãní aplikace
kaÏd˘ch 60 mil - coÏ je vzdálenost
a laserové gyroskopy pro navigaci leta-
10 x vût‰í neÏ u mûdûn˘ch vodiãÛ.
del a stfiel. V˘voj nûkter˘ch ãidel zahr-
·ífika pásma a propustnost vedly pro-
novaly v˘robní v˘zkumné programy,
vozovatele sítí k v˘bûru vláknové optiky
stejnû jako programy na vylep‰ování
jako stûÏejního média pro regionální
ãidel letadel, stfiel, lodí. V poslední dobû
multimediální sluÏby. Svûtov˘ trh
podpofiil v˘voj vláknové optiky také
s komponenty vláknové optiky dosaho-
Americk˘ úfiad pro energii a Národní
val v roce 1994 4 miliardy dolarÛ
úfiad pro telekomunikaci. Komerãní tele-
a v roce 1998 uÏ 8 miliard dolarÛ.
jádro
optického
vlákna
vnûj‰í obal
optického
lák
ZPRAVODAJ
fosforov˘ povlak
na elastomeru
Obrázek 5-1: Konstrukce vláknooptické sondy
•
Snadné umístûní na tûÏko dostupná
a tûÏko viditelná místa
• MoÏnost zaostfiení k mûfiení mal˘ch
objektÛ nebo k pfiesné lokalizaci.
• Nevedou elektrick˘ proud (ideální
v místech s nebezpeãím v˘buchu).
• Optické kabely mohou b˘t vedeny
existujícími kabelov˘mi lávkami nebo
mohou b˘t svázány do svazkÛ a tím
usnadÀují instalaci.
• kabely mohou sná‰et teploty aÏ do
300°C nebo je‰tû vy‰‰í pfii chlazení
vzduchem nebo vodou.
âíslo 1
43
Ω PouÏití optick˘ch vláken
5
Jakékoli snímání hodnot prostfiednic-
aplikací v energetice je mûfiení teploty
tvím optick˘ch kabelÛ vyÏaduje, aby
na hofiácích kotlÛ a teploty potrubí,
mûfiená promûnná modulovala urãit˘
stejnû jako promûfiování kritick˘ch míst
typ optického signálu - buì je signál
turbín. Vláknová optika také dobfie
produkován samotnou mûfienou pro-
sná‰í tvrdé podmínky válcoven a ostat-
mûnnou nebo dochází k modulaci sig-
ních
nálu vytváfieného v senzoru. V zásadû
PouÏívá se u vysok˘ch pecí v‰ech
modulace znamená zmûny v intenzitû,
druhÛ, sintrování, su‰iãek a su‰ících
fázi, vlnové délce nebo polarizaci optic-
pecí. Automatická svafiovací, pájecí
kého signálu. Pro úãely mûfiení teploty se
a Ïíhací zafiízení ãasto generují inten-
pfieváÏnû pouÏívá modulace intenzitou.
zivní elektrická pole, která mohou
Skupina senzorÛ, naz˘vaná vlákno-
kovozpracujících
provozÛ.
Vysoké provozní teploty v cementár-
pfiístroje k mûfiení vy‰‰ích teplot, vyuÏí-
nách, keramickém a chemickém prÛ-
vající zákony fyziky vyzafiování abso-
myslu jsou dÛvodem k pouÏití vláknovû-
lutnû ãerného tûlesa. Niωí teploty -
optického snímání teploty. Stále více tuto
napfi. od -100°C do 400°C mohou b˘t
technologii, pfii ponûkud niωích teplo-
mûfieny aktivací rÛzn˘ch citliv˘ch mate-
tách, vyuÏívá také prÛmysl zpracování
riálÛ - luminoforÛ, polovodiãÛ a teku-
plastick˘ch hmot, prÛmysl papírensk˘
t˘ch krystalÛ. Pfiipojení optick˘mi vlák-
a potravináfisk˘. Vláknová optika má
ny poskytuje v˘‰e uvedené v˘hody.
také své vyuÏití v tavení, napra‰ování
a v procesech rÛstu krystalÛ v prÛmyslu
polovodiãÛ. Nad rámec pfiímé koncentrace záfiení mÛÏe vláknová optika slou-
Vláknovû-optické teplomûry se uká-
Ïit pfiímo jako zdroj záfiení u hork˘ch
zaly jako neocenitelné pfii mûfiení teplo-
materiálÛ, takÏe zde slouÏí jednak jako
ty v metalurgii a skláfiském prÛmyslu,
senzor a jednak jako medium.
stejnû jako pfii procesech tvarování
Firma Westing House vyvinula obdob-
tûchto materiálÛ za tepla. Typickou
n˘ postup pro distribuované monitorová-
dutina imitující
absolutnû
ãerné tûleso
safírov˘
monokrystal (Al2O3)
nízkoteplotní
optické vlákno
ãoãka
Coupler
Tenká vrstva
pokovení
Narrowband
Filter
Ochran˘ film
z Al2O3
Obrázek 5-2: Typická infračervená vláknooptická sonda
44
âíslo 1
prÛhledná
ochranná
destiãka
horní
vzduchem
ãi‰tûná
destiãka
dolní
vzduchem
ãi‰tûná
destiãka
vstup
ãistícího
proudu
vzduchu
po‰kodit konvenãní ãidla.
vû optické teplomûry, obvykle zahrnuje
Aplikace optických vláken
drÏák vlákna/ãoãky
jednoduché standardní optické vlákno
sklenûná zaostfiovací kuliãka
analyzátor
optick˘
detektor
povrch mûfiené sítû
Obrázek 5-3: Soustava pro vícebodové snímání
ní teploty v jadern˘ch reaktorech.
Podobn˘ princip se mÛÏe pouÏít k detekci ohnû kolem turbín nebo tryskov˘ch
motorÛ. V pfiístrojích jsou vestavûny
vnitfiní obvody pro detekci hork˘ch míst.
Aktivovan˘ mûfiící systém teploty se
skládá ze senzoru, obsahujícího luminiscenãní materiál - fosfor, pfiipevnûn˘
na konec optického vlákna - obr. 5-1.
Pulzní zdroj svûtla umístûn˘ v pfiístroji
excituje fosfor k luminiscenci. Rychlost
poklesu luminiscence je závislá na teplotû. Tato metoda pracuje dobfie u hork˘ch, ale nikoliv vfiel˘ch povrchÛ, s teplotou pod 400°C.
Safírová sonda vyvinutá firmou
Accufiber má senzorov˘ konec potaÏen˘
tûÏkotaviteln˘m kovem a vytváfií tak dutinu napodobující absolutnû ãerné tûleso.
Malá safírová tyãinka tepelnû izoluje
a pfiipojuje se k optickému vláknu, jak
ukazuje obrázek 5-2. Optick˘ interferenãní filtr a fotodetektor urãují vlnovou
délku a z toho následnû teplotu.
Firrna Babcock a Wilcox vyvinula
velmi uÏiteãn˘ pohybliv˘ síÈov˘ nebo válcov˘ monitorovací systém teploty, kter˘
ZPRAVODAJ
5
plá‰È svûtlovodu
jádro
velmi mal˘ Θ0
plá‰È svûtlovodu
jádro
plastiková trubiãka
páskov˘ nebo rukávov˘
separátor
zevní obal
svûtlovodu
(PVC)
jádro a plá‰È
kfiemíkov˘ vnitfiní obal
silné
opletení
lakované
optické vlákno
plastov˘ zevní obal
zevní obal
svûtlovodu
(PVC)
souãásti
z pevného textilu
lakovaná
optická
vlákna
dále délkou kabelu. Pro zevní ochranné obaly se pouÏívají rÛzné kovy, teflon‚ nebo plastické hmoty.
Rozdíly v indexech lomu centrálního
vlákna a plá‰tû také urãují pfiípustn˘
úhel, pod kter˘m mÛÏe záfiení vstupovat do vlákna, aby bylo pfieneseno.
K lep‰ímu optickému spojení mûfieného
objektu a vlákna se pouÏívají ãoãky.
Pfii relativnû krátké délce optick˘ch
vláken pfii mûfiení teploty jsou ztráty svûtla ve vláknech obvykle zanedbatelné.
JEDNOVLÁKNOVÉ KABELY
polyuretanové pouzdro
PouÏití optick˘ch vláken
PfievaÏující ztráty v konektorech a spojovysokozátûÏov˘
obal
páskov˘ separátor
plastikové kontejnery
zevní obal
plastikov˘ svûtlovodu
kontejner (PVC)
vacích zafiízeních zasluhují technickou
pozornost. V prÛbûhu délky optického
kabelu je do systému mûfiení teploty
obalená optická vlákna
VÍCEVLÁKNOVÉ KABELY
Obrázek 5-4: Konstrukce optického kabelu
zafiazena celá fiada komponent, jako
jsou sondy, senzory, nebo pfiijímaãe,
svorky, ãoãky, spojky, konektory atd.
K provedení validního mûfiení jsou ãasto
potfiebná pfiídatná zafiízení jako kalibrá-
mûfií teploty od 120°C do 180°C v síti
aÏ 4m (13 stop) ‰iroké (obr. 5-3).
Tento systém kombinuje optické
a elektronické multiplexování a mÛÏe
mít aÏ 160 individuálních sbûrn˘ch
vláken uspofiádan˘ch aÏ v deseti
fiadách. Optická vlákna pfiená‰ejí záfiení skrze ãoãku na pole fotodiod.
Součástkové možnosti
Vláknová optika pro mûfiení teploty,
stejnû jako pro úãely komunikace, závisí na minimalizaci ztrát pfiená‰eného
svûtla nebo infraãerveného záfiení.
Základem vedení svûtla (obr. 5-4) je
centrální sklenûné vlákno, které bylo
peãlivû vyrobeno tak, aby mûlo témûfi
nulové absorpãní ztráty na pfiená‰en˘ch vlnov˘ch délkách. Plá‰Èov˘ materiál s mnohem niωím indexem lomu
odráÏí v‰echny vyosené svûtelné paprsZPRAVODAJ
ky zpût do centrálního vlákna, takÏe
vût‰ina pfiená‰ené radiace prochází
tory a osvûtlovací jednotky, které osvûtlují aktuální zorné pole.
T
Literatura
• Handbook of Temperature Measurement & Control, Omega Press, 1997.
• “Fiber Optic PLC Links,” Kenneth Ball, Programmable Controls, Nov/Dec 1988.
• Fiber Optic Sensors, Eric Udd, John Wiley & Sons, 1991.
• Handbook of Intelligent Sensors for Industrial Automation, Nello Zuech,
Addison-Wesley Publishing Company, 1992.
• “Infrared Optical Fibers”, M.G. Drexhage and C.T. Moynihan, Scientific
American, November 1988.
• Measurements for Competitiveness in Electronics, NIST Electronics and
Electrical Engineering Laboratory, 1993.
• “Multichannel Fiber-Optic Temperature Monitor,” L. Jeffers, Babcock &
Wilcox Report; B&W R&D Division; Alliance, Ohio.
• Optical Fiber Sensors: Systems and Applications, Vol 2, B. Culshaw
and J. Dakin, Artech House; 1989.
• Process Measurement and Analysis; Instrument Engineers’ Handbook, Third
Edition, B. Liptak, Chilton Book Company, 1995.
• “Radiation Thermometers/Pyrometers,” C. Warren, Measurements
& Control, February, 1995.
• Sensors and Control Systems in Manufacturing, S. Soloman,
McGraw-Hill, 1994.
âíslo 1
45
6
BEZDOTYKOVÉ Mù¤ENÍ TEPLOTY
Linesscannery a termografie
Infraãervené snímaãe kfiivek
„Linescannery“ a Termografie
Termografická 2-D anal˘za
PouÏití mikroprocesorÛ
L
inescannery a termografie
Aãkoliv odpovídající zv˘‰ení mûfiení
ho „linescanneru“ poskytuje mnoho dat.
podstatnû roz‰ifiují moÏnosti
teploty mÛÏe vyÏadovat jenom nûkolik
Pokud je „linescanner“ namontovan˘
bodové radiaãní termometrie
desítek scanÛ za sekundu, souãasné
nûkolik stop nad v˘robní linkou a zaost-
na jednorozmûrné profily nebo
pfiístroje umoÏÀují aÏ 500 scanÛ za
fien na pohybující se produkt, poskytuje
dvourozmûrné obrazy bezdotykovû
sekundu. Elektronické obvody za detek-
prvek zpûtné vazby v reálném ãase
zmûfien˘ch objektÛ.
torem rozdûlují teplotní data pro kaÏd˘
slouÏící k uzavfiení regulaãní smyãky.
Jednorozmûrné „linescannery“ mají
lineární prÛchod na nûkolik stovek aÏ
‰iroké pole uÏití. PouÏívají se pfii v˘ro-
nûkolik tisíc jednotliv˘ch zmûfien˘ch
bû dfievotfiísky, kobercÛ, linolea, papí-
bodÛ. Vysokorychlostní obvody pro
• Funkce „linescannerů“
ru, obalového materiálu, tlakovû citli-
sbûr dat potom kvantifikují, digitalizují
Rozli‰ení „linescannerÛ“ je funkcí rych-
v˘ch páskÛ, laminátu, plaveného skla,
a zachytávají teplotu objektÛ v mûr-
losti zamûfieného objektu, frekvence
bezpeãnostního skla, a témûfi v‰ech
n˘ch bodech v prÛbûhu kaÏdého
skenování, poãtu mûfiení na jeden scan,
plechÛ, kdy je fiízení teploty velmi dÛle-
scanu. Pfiídavné obvody potom analy-
a ‰ífiky skenování. Pfiesnost a správnost
Ïité. „Linescannery“ také monitorují
zují a upravují digitální data, aby
funkce „linescanneru“ závisí na ãistotû
horké válcovací tratû, vypalovací pece
vytvofiily teplotní obraz v reálném ãase.
optického prostfiedí mezi mûfien˘m
pro cement a vápenec, a dal‰í válcovací tepelná technologická zafiízení.
Termografické „kamery“ se pouÏí-
Lineární teplotní scan dává ponûkud
objektem a nad ním umístûn˘m detek-
krátkozrak˘ pohled na nehybn˘ objekt.
torem, coÏ mÛÏe b˘t problematické
Ale objekt pohybující se kolem statické-
v typickém v˘robním prostfiedí.
vají ve v˘robních provozech, zejména
tam, kde je zároveÀ teplota pfiedmû-
stacionární
termograf
tem aktivního zájmu a dÛleÏit˘m diagnostick˘m
nástrojem.
objekt
Typick˘mi
objekty pro infraãervené sledování
mûfien˘ bod
jsou elektrická zafiízení, izolace tfiecích efektÛ u zafiízení pfiená‰ejících
BEZROZMùRNÁ TERMOGRAFIE
energii a sledování tepeln˘ch procesÛ
ve v˘robû.
linescanner
Infračervené „linescannery“
fiktivní
barva
A
B
izometrické
zobrazení
Typická senzorická jednotka pro
„linescannerovou“ termografii pouÏívá jedin˘ detektor, kter˘ je omezen na
pohybující se síÈ
bod A
mûfiení teploty jenom v jednom bodû.
bod B
Nicménû, rotující zrcadlo zaostfiuje
mûfiená linie
jeden trvale se mûnící úzk˘ fiez reálJEDNOROZMùRNÁ TERMOGRAFIE
ného svûta na povrchu detektoru
(obr. 6-1).
46
âíslo 1
Obrázek 6-1: Funkce linescanneru
ZPRAVODAJ
6
• Využití „linescannerů“
Technologie „linescannerÛ“ poskytuje
moÏnost optimalizace tepeln˘ch procesÛ v prÛmyslu. Napfiíklad formování
plastÛ za tepla vyÏaduje, aby se plastická folie zahfiála pouÏitím pole topn˘ch tûles. Teplota je kritická pokud se
ve vakuu lisují záhyby, hluboké v˘chlipky a ostré hrany. „Linescanner“
s vysok˘m rozli‰ením pouÏit˘ v regulaãním obvodu fiídícím jednotlivá
topná tûlesa pomáhá maximalizovat
produktivitu lisu.
ZPRAVODAJ
Jin˘m vyuÏitím „linescannerÛ“ v prÛmyslu plastick˘ch hmot je formování plastick˘ch filmÛ. Tento proces zahrnuje protlaãování taveniny polymeru skrze kruhovou
formu a taÏení tvofiící se trubice vzhÛru.
V urãitém bodû plastická hmota pfii
vytahování tuhne, a toto místo se naz˘-
teplota
Jsou dostupné „linescannery“ se vzduchov˘m ãisticím systémem, kter˘ udrÏuje
optiku ãistou. V horkém prostfiedí mÛÏe
b˘t pro udrÏení dobré funkce nezbytné
vodní chlazení senzoru. Hermetické
schránky a pouzdra chrání drobné souãástky proti vlhkosti a prachu.
Digitální elektronick˘ v˘stup „linescanneru“ obvykle poskytuje data aplikaãnímu software na PC konvertujícímu
proud dat do pohyblivého obrazu sítû
probíhající pod detektorem v reálném
ãase. ProtoÏe sítnice lidského oka není
citlivá na infraãervené záfiení musí b˘t
obraz na obrazovce vykreslen ve
„fale‰n˘ch“ barvách jejichÏ odstín
odpovídá teplotû daného bodu.
V˘stup „linescanneru“ konvertuje tradiãní graf závislosti teploty na ãase do
trojrozmûrného mûfiení teploty, která je
funkcí ãasu a lokalizace na materiálové
síti (obrázek 6-2). Scanner „mapuje
tepeln˘ terén“ pohybující se pod detektorem. Jak je obvyklé u substituce barev
v termografick˘ch mûfieních, urãuje
elektronika barvu daného pixelu na
obrazovce na základû teploty, která je
zmûfiená pomocí infraãervené radiace.
Linesscannery a termografie
Termografická 2-D analýza
Pfiidání dal‰ího souãasného geometrického rozmûru do skenování vede ke
2-D
termografické
anal˘ze.
Dvourozmûrné obrazy jsou plochy,
které mají jenom délku a ‰ífiku, ale ne
v˘‰ku. Zmínûn˘ dvourozmûrn˘ obraz je
azí
síÈ ur
terou skenu
k
,
t
s
no
ní 1
vzdále em snímá
a sítû
á délk
bûh
podéln
‰ífie sítû
Obrázek 6-2: 1-D skeny složené do 2-D obrazu
vá linie tuhnutí. Aby plastická folie
zchladla na vhodnou teplotu, která je
nutná pro navíjení na cívku, musí se
pouÏít pfiídavné chlazení.
UdrÏení vhodného teplotního profilu
pohybující se plastické hmoty je zásadní
pro to, aby se eliminovaly funkãní a estetické defekty folie. Monitorování stoupající plastické hmoty „linescannerem“ dává
v reálném ãase obsluze okamÏité informace o pfiesné lokalizaci linie tuhnutí
a dal‰í, s teplotou související informace .
Podobn˘ pfiístup se vyuÏívá ve skláfiském prÛmyslu. Sklenûné pláty se tepelnû
zpracovávají aby získaly poÏadovanou
tlou‰Èku. KdyÏ se sklo pohybuje na
dopravníkovém pásu, je co nejrovnomûrnûji zahfiíváno elektrick˘mi topn˘mi tûlesy. Po vhodné dobû v peci se sklenûn˘
plát rovnomûrnû chladí stlaãen˘m vzduchem. V tomto procesu vidíme v‰echny
moÏnosti pouÏití „linescanneru“ u pohybující se sítû teplotnû citlivého materiálu.
obraz, kter˘ vidíte vlastníma oãima.
Zmínûné termografické zafiízení je
infraãervená kamera velikostí srovnatelná s videokamerou. (obr. 6-3)
Zafiízení pouÏívaná k termografické
anal˘ze obecnû spadají do dvou velk˘ch kategorií. Radiometrická zafiízení
se pouÏívají pro pfiesná radiometrická
mûfiení. Zafiízení druhého typu, naz˘vaná zobrazovací zafiízení (viewing devices) nejsou navrÏena pro kvantitativní
mûfiení, ale spí‰e pro kvalitativní srovnávání. Zobrazovací zafiízení pouze
dává informaci o tom, Ïe jeden objekt
je teplej‰í neÏ druh˘, zatímco radiometrie fiíká, Ïe jeden objekt je napfiíklad o
25.4 stupnû teplej‰í, neÏ druh˘, s pfiesností kolem 2 stupÀÛ nebo 2 %.
Zatímco standardní videokamera je
citlivá na viditelné svûtlo, které vydává
objekt v zorném poli, termografická zafiízení jsou citlivá na infraãervenou radiaci
objektu. Obraz v hledáãku takové kameâíslo 1
47
Linesscannery a termografie
6
ry je zobrazen ve fale‰n˘ch barvách,
které pfiená‰ejí informaci o teplotû.
Lesklé povrchy, obzvlá‰tû kovové,
odráÏejí infraãervené záfiení. Obraz
bly‰tivého kovového povrchu pozorovan˘ infraãervenou kamerou obsahuje tepelnou informaci vlastní mûfienému povrchu, stejnû jako tepelnou
informaci o okolí, kdy dochází
k odrazu povrchem. Pfii monitorování
teploty prÛhledn˘ch objektÛ mÛÏe
optick˘ systém zachytávat radiaci
z jin˘ch zdrojÛ za objektem. Moderní
zobrazovací zafiízení mají korekãní
ãleny pro emisivitu, které upravují
odezvu pfiístroje tak, aby dával pfiesnou hodnotu. (Viz str. 72- tabulky
emisivity bûÏn˘ch materiálÛ).
Díky malé velikosti termografick˘ch
zobrazovacích zafiízení není tfieba
pouÏívat stojany a jiné faktory, které
omezují pohyblivost. Napfiíklad technik mÛÏe pfii chÛzi pomocí ruãního
zobrazovacího zafiízení pohodlnû
mûfiit teplotu nebo zachycovat obrazy.
Taková ãinnost v‰ak mÛÏe b˘t nebezpeãná protoÏe pozornost uÏivatele se
soustfieìuje na sbûr dat a odvádí od
okolních nebezpeãí. Z tohoto dÛvodu
nemají tato zobrazovací zafiízení
typické okuláry, které známe z videokamer. Místo toho se pouÏívají ãtyfipalcové ploché displeje, obvykle barevné,
z tekut˘ch krystalÛ.
• Nastavení detektorů
Nejstar‰í tepelné zobrazovací systémy pracovaly s jedin˘m detektorem
a otoãn˘m zrcátkem, které skenovalo
obraz pfiicházející skrze ãoãku kamery
a postupnû zaostfiovalo jednotlivé pixely dvourozmûrného obrazu na detek48
âíslo 1
tor. Elektronick˘ senzor, kter˘ zachytává data je synchronizován se zrcátkem,
takÏe se Ïádná tepelná informace
neztratí ani není zkreslena. Jedním
z problémÛ jednodetektorového fie‰ení
je doba zdrÏení mûfiením. Skenování
obrazu 120x120 pixelÛ otoãn˘m zrcátkem nedává pfiíli‰ mnoho ãasu na
detekci a mûfiení jednotliv˘ch pixelÛ.
Nejnovûj‰í termální zobrazovací systémy eliminují otoãné zrcátko náhradou
jednobodového detektoru pevn˘m
detektorem, kter˘ kontinuálnû zachycuje cel˘ obraz, kter˘ prochází ãoãkou.
Doba prodlevy jiÏ není problémem,
protoÏe obraz procházející optikou se
pfiímo zachycuje na aktivním povrchu
detektorového pole v ohniskové rovinû.
PouÏití této technologie pfiiná‰í uÏivateli mnoho v˘hod.
Nejv˘raznûj‰í v˘hodou je men‰í
mnoÏství pohybliv˘ch dílÛ v kamefie.
Ménû ãástí vede ke zv˘‰ené spolehlivosti a vût‰í odolnosti proti fyzikálnímu
po‰kození a jin˘m rizikÛm. Novûj‰í
tepelné zobrazovací systémy jsou men‰í
a lehãí, neÏ jejich pfiedchÛdci. Opravdu,
nejmodernûj‰í infraãervené zobrazovací
systémy nejsou o mnoho vût‰í, neÏ
nejmen‰í moderní ruãní videokamery.
Rozli‰ení detektorového pole je
minimálnû 320x244 pixelÛ, coÏ je
mnohem více, neÏ u jednodetektorov˘ch modelÛ. Jemnûj‰í rozli‰ení vede
pfiímo ke zv˘‰ení schopnosti odhalit
horká místa v zorném poli.
• Chlazení detektoru
Aby detektor jakéhokoliv typu fungoval správnû, musí se chladit. Je to
podobné, jako kdyÏ se díváte v noci
z okna. Pokud se v místnosti svítí je
obtíÏné venku nûco jasnû vidût, protoÏe pfiíli‰ mnoho svûtla pfiichází ze
samotné místnosti. Pfii zhasnut˘ch svûtlech je dívat se ven mnohem snaz‰í.
Podobnû mÛÏe b˘t obtíÏné pfiesné
mûfiení, pokud ãásti kamery v okolí
detektoru vyzafiují pfiíli‰ mnoho infraãerveného záfiení. KdyÏ se detektor
udrÏuje chladn˘ je to obdobné, jako
vypnutí svûtel v místnosti. Infraãervená
zobrazovací technologie závisí na
chlazení detektoru. Nejstar‰í termografické kamery pouÏívaly k chlazení
detektoru kapalné plyny. Technologie
byla nová a málo propracovaná.
Hlavní klíãov˘ prvek, kter˘ chladí
detektor souãasn˘ch systémÛ je mal˘,
bateriemi napájen˘ chladiã, pracující
na principu Stirlingova cyklu.
Existují dvû obvyklé metody pro
chlazení
detektorového
ãipu.
StirlingÛv cyklus pracuje na principu
kryogenního chlazení, které je potfiebné u pfiesn˘ch radiometrick˘ch zafiízení. Termoelektrické chlazení stabilizuje
teplotu, coÏ je tfieba u zobrazovacích
systémÛ. V pfiípadû kryogenního chlazení je detektor vychlazen na teploty
kolem 200°C, zatímco teplotní stabilizace vyÏaduje ochlazení detektoru na
teplotu blízkou pokojové teplotû.
V závislosti na konstrukci detektoru se
mÛÏe teplota stabilizovat v rozmezí
20-30°C nebo to mÛÏe b˘t Curieova
teplota v rozmezí od 45-60°C. Práce
pfii Curieovû teplotû poskytuje lep‰í
senzitivitu na pfiicházející infraãervené
záfiení. V kaÏdém pfiípadû musí b˘t
pfii kaÏdém mûfiení tato teplota konstantní, pokud má zobrazovací zafiízení dávat konzistentní a reprodukovatelné v˘sledky. Mimochodem,
v hant˘rce prÛmyslov˘ch provozÛ se
ZPRAVODAJ
6
zafiízení, která vyuÏívají termoelektrického chlazení naz˘vají „nechlazená“
na rozdíl od kryogennû chlazen˘ch
systémÛ.
• Stirlingův stroj
V roce 1816 vyvinul Robert Stirling
regenerovateln˘ zevní spalovací stroj
s uzavfien˘m cyklem. Tento stroj neprodukuje Ïádné odpadní v˘fukové plyny,
k pohonu pouÏívá rozdílné teploty tepeln˘ch zdrojÛ, není hluãn˘ a má vysokou
teoretickou tepelnou úãinnost. StirlingÛv
cyklus je sloÏen ze ãtyfi krokÛ: zahfiátí pfii
konstantním objemu, izotermická expanze, chlazení pfii konstantním obejmu
a izotermická komprese (obr. 6-4).
Zafiízení mûní teplo na odpovídající
mnoÏství mechanické práce. V koneãném
dÛsledku se zahfiíváním pfiístroje získá
mechanická práce. Na‰tûstí je StirlingÛv
cyklus reversibilní termodynamick˘ proces a mechanická práce se mÛÏe pouÏít
k vytváfiení chladicího efektu.
ProtoÏe je nutné infraãerven˘ detektor chladit, nelze zobrazovací zafiízení
bez pfiípravy zapnout. Kryogenní chlazení vyÏaduje 5-9 minut, aby se
dosáhlo velmi nízk˘ch teplot, které
vyÏaduje detektor, ke své funkci. Na
druhé stranû termoelektrické chlazení
trvá kolem minuty, i ménû.
• Vývoj dalších detektorů
Oãekává se, Ïe v brzké dobû povede
v˘zkum k levnûj‰ím nechlazen˘m radiometrick˘m detektorÛm se senzitivitou
a rozli‰ovací schopností nejménû stejnû
dobrou, jako mají dne‰ní kryogenní
jednotky. Jeden z problémÛ, kter˘ musí
b˘t vyfie‰en, jsou relativnû nízké v˘nosy
ZPRAVODAJ
pfii v˘robû detektorÛ. Dokud nebudou
tyto problémy vyfie‰eny cena vysoce
kvalitních nechlazen˘ch detektorÛ setrvá na stejné úrovni s kryogenními jednotkami a se Stirlingov˘mi chladiãi.
Existuje jedna jednotka, která se dá
okamÏitû zapnout, pracuje na principu
polí pyroelektrick˘ch detektorÛ. Tyto
pfiístroje nevyÏadují vÛbec Ïádné chlazení, ale vyÏadují trvale se mûnící
obrazov˘ signál. Pokud se obraz pfiená‰en˘ ãoãkou nemûní, kamera pfiestává snímat jak˘koliv obraz. Kamery
zaloÏené na pyroelektrickém principu
jsou vhodné jenom jako zobrazovací
zafiízení, ne pro radiometrii. Nicménû
je moÏné pouÏít bodov˘ detektor ve
smûru osy obrazu, kter˘ zaznamenává
jednu teplotu, která reprezentuje cel˘
snímek. ProtoÏe pyroelektrick˘ prvek
pracuje na piezoelektrickém principu
coÏ znamená, Ïe v dÛsledku vibrací
kamery v nûm vzniká ‰um, tato neÏádoucí citlivost vyÏaduje takovou montáÏ kamery, které eliminuje vibrace.
• Prostorové a teplotní rozlišení
Známe dva typy rozli‰ení termografického detektoru. Prvním typem je
prostorové rozli‰ení. V ohniskové rovinû je umístûn jedin˘ detektorov˘ ãip
Linesscannery a termografie
sloÏen˘ z mnoha detektorov˘ch prvkÛ.
KaÏd˘ z nich má pfiím˘ vztah k urãité
ãásti zorného pole.Vysoké prostorové
rozli‰ení znamená, Ïe kamera mÛÏe
rozli‰it dva blízko u sebe poloÏené
body. Teplotní rozli‰ení popisuje
schopnost kamery rozli‰it teplotní rozdíly mezi dvûma body. Teplotní rozli‰ení závisí na typu detektorového prvku;
prostorové rozli‰ení závisí na poãtu
detektorov˘ch prvkÛ.
V technické dokumentaci infraãerven˘ch kamer b˘vá uvedena prostorová
rozli‰ovací schopnost hodnotou prostorového úhlu v miliradianech. (obr. 6-5)
Hodnota v miliradianech má vztah
k teoretické plo‰e objektu pokryté jedním pixelem v okamÏitém zorném poli.
Je zfiejmé, Ïe ve vût‰ích vzdálenostech
je vût‰í plocha objektu snímána jako
jedin˘ pixel a tato vût‰í plocha znamená ménû pfiesnou teplotní informaci.
• Užití termografie
Efektivní údrÏba nûkdy vede k potfiebû dosti nároãného sbûru dat z v˘robních prostor. Technik provozní údrÏby
bûÏnû prochází pfiedem stanovenou
cestu a kontroluje v˘robní zafiízení
v urãeném pofiadí. Tím je sbûr dat efektivnûj‰í. Aby nevynechal nûkterou kon-
Obraz z fiktivních barev
objekt
2-D termograf
skenovaná
oblast
Obrázek 6-3: 2-D temografická kamera
âíslo 1
49
Linesscannery a termografie
6
trolu, kontroluje technik jednotlivá
pak b˘t uÏiteãné mûfiení zopakovat po
pokládané doby opotfiebení souãástek
mûfiidla podle seznamu. V pfiípadû ter-
západu slunce nebo vypnout vysoko-
strojÛ. MoÏnost zobrazit v˘voj teplot-
mografie se data sestávají z jednoho
napûÈové zafiízení, a tím získat pouÏi-
ních dat jako funkci ãasu je jedním ze
nebo více obrazÛ sledované ãásti stro-
telná data. Analytik musí mít pro tuto
zpÛsobÛ, jak sledovat proces stárnutí
je. Podstatou infraãervené kamery není
práci cit.
strojÛ. Software, kter˘ zpracovává tep-
nic jiného neÏ snímaã dat. ¤ada mûr-
lotní data z kamery mÛÏe zobrazit
n˘ch hodnot má nízkou hodnotu.
Zji‰Èují se rozdíly dat.
graf ãasov˘ch posloupností teploty
• Nástroje pro analýzu dat
vztahujících se ke stejnému bodu
KdyÏ se ukonãí sbûr dat, tak tech-
Nûkteré termální kamery spolupracují
v infraãerveném zobrazení v˘robního
nik nebo analytik zhodnotí obrázky,
s vestavûn˘m mikroprocesorem a spe-
zafiízení. Analytik pouze nastaví kur-
na kter˘ch hledá teplotní anomálie,
cializovan˘m softwarem, které dávají
zor na oblast zájmu jejíÏ teplotní v˘voj
které znamenají potfiebu plánované
moÏnost rychle pfiipravit diagnostické
se má analyzovat a teplotní data
nebo okamÏité opravy. Pokud je údrÏ-
zprávy. StaÏení dat z terénu do stolní-
báfiská práce zdÛvodnûna, pfiipravuje
odpovídající této oblasti se zobrazují
ho poãítaãe umoÏÀuje technikovi
analytik zprávu, která jednak slouÏí
v tabulce. Tyto vylep‰ení základní ter-
pokraãovat ve sbûru dat zatímco ana-
ke zdÛvodnûní finanãních investic za
mografické technologie zjednodu‰ují
lytik pfiipravuje zprávu. Ale pfiíprava
opravy, jednak se ukládá jako souãást
její pouÏití. JiÏ po nûkolika hodinách
zpráv není jedinou nadstavbou stan-
pravideln˘ch záznamÛ o provozu
zácviku mÛÏe dokonce i nováãek
dardních infraãerven˘ch obrázkÛ.
vytváfiet v˘borné teplotní skeny, které
v˘robního zafiízení.
Nûkteré termální zobrazovací systémy zjednodu‰ují práci také tím, Ïe
• Seřizování obrazu
Pfii sbûru a anal˘ze termografick˘ch
dat je nezbytná urãitá úroveÀ dovedností a zku‰eností. Technik pouÏívající
termografické zobrazovací zafiízení si
musí dát pozor na odrazy z nepodstatn˘ch vedlej‰ích tepeln˘ch zdrojÛ, které
zdánlivû pfiicházejí ze zobrazovaného
objektu. Zmûna polohy kamery doleva
nebo doprava mÛÏe zpÛsobit zásadní
zachycují ve‰kerou teplotní informaci
v zorném poli.
umoÏÀují okomentovat teplotní obrázky hlasov˘mi zprávami, které se ukládají digitálnû spolu s obrázkem.
• Průmyslové využití
Nûkteré jednotky automatizují proces
Elektrická
nastavení regulací tím, Ïe kamera
z mnoha fyzick˘ch spojení mezi
zachytává nejlep‰í, informaãnû nejbo-
kabely a rÛzn˘mi konektory a mezi
hat‰í termální obraz za dobu, kdy
konektory a kontakty v pfiístrojích.
mûfien˘ objekt byl zaostfien. Sledování
Základním znakem vysoce kvalitního
stáfií dílÛ strojÛ mÛÏe b˘t velmi cenné
elektrického spojení je velmi nízk˘
pro oddûlení údrÏby v odhadu pfied-
odpor mezi komponenty. UdrÏení
instalace
se
skládá
rozdíly v mûfiené teplotû. Rozdíl je zpÛsoben odrazy od podlahy provozu,
osvûtlovacích tûles, sluneãním svûtlem
P
T
3
procházejícím okny a dal‰ích vedlej-
4
3
Th
‰ích zdrojÛ.
Pokud se snímá s jednoãoãkovou
kamerou, je sefiízení obrazu sv˘m zpÛ-
2
sobem umûní. Namûfiená hodnota
4
bude také zkreslená tehdy, je-li mezi
1
mûfien˘m objektem a kamerou tepl˘
TL
V
2
1
S
nebo studen˘ vzduch vycházející
z vysokonapûÈového zafiízení. MÛÏe
50
âíslo 1
Obrázek 6-4: Stirlingův cyklus
ZPRAVODAJ
6
Linesscannery a termografie
S = RΘk
S = velikost snímané oblasti
R = vzdálenost od mûfieného objektu
Θ = rozli‰ení obrazu snímané oblasti [=] miliradiány
k = konstanta zaloÏená na jednotkách mûfiení S & R
R
S
Θ
hodnoty k
jednotky vzdáleností
stopy metry
jednotky
velikosti milimetry 0,305
snímané
0,012
oblasti palce
1,000
0,039
Obrázek 6-5: Prostorové rozlišení termografické kamery
dlouhodobého
chodu
teplotní rozdíl mezi tfiemi konektory.
ProtoÏe termografie je bezdotyková
elektrického zafiízení závisí na tomto
efektivního
Termografická kamera mÛÏe takovou
mûfiící metoda, umoÏÀuje prohlíÏení
odporu. JestliÏe proud prochází elek-
nerovnováhu zobrazit zcela jednodu-
mechanick˘ch systémÛ a komponent
trick˘m odporem jakéhokoliv druhu,
‰e a v˘raznû. Zamysleme se na chvíli
v reálném ãase bez nutnosti vypnout
„ztrácí“ se ãást elektrické energie,
nad jednoduchostí, se kterou mÛÏe
v˘robní linku.
tato „ztracená“ energie se projevuje
termografista prohlíÏet elektrická spo-
Energie tvofií hlavní ãást v˘robních
jako teplo. Pokud kvalita elektrického
jení ve v˘‰kách nebo transformátory
nákladÛ ve vût‰inû v˘robních provozÛ.
spojení klesá, roste jeho odpor
ze vzdáleného bezpeãného místa na
KaÏdá promrhaná kWh pfiedstavuje
a v koneãném dÛsledku zde dochází
zemi.
sníÏení ziskovosti v˘robního provozu.
ke ztrátám energie. Se zvy‰ujícím se
Termografie nalezla také uplatnûní
Termografie slouÏí k eliminaci ztrát
odporem se na konektoru nebo elek-
pfii kontrolách plá‰ÈÛ budov. MÛÏe
energie vztahující se k velké spotfiebû
trickém spojení zv˘razÀuje jev zvan˘
lokalizovat oblasti, které mají nedosta-
páry pfii poruchách parovodu. Pokud
odporové teplo. Elektrikáfii a technici
teãnou izolaci. MÛÏe také zachytit tep-
pára uniká z parovodu, zahfiívá potru-
údrÏby
termografickou
lotní rozdíly, které ukazují na proudûní
bí. Zahfiívající se ãásti potrubí jsou
kameru k lokalizaci tûchto hork˘ch
vzduchu netûsnostmi kolem oken
jasnû viditelné na termogramu.
míst v elektrick˘ch panelech a instala-
a dvefií. Termografie je také uÏiteãná
cích. Zahfiívající se elektrické souãást-
pfii kontrole stfiech.
pouÏívají
ky se zobrazují jako jasné skvrny na
termogramu elektrického panelu.
Tepelné ztráty do okolí jsou funkcí
vnitfiní teploty. Tepelné ztráty se zvy‰ují
Pokud je ve vnûj‰í vrstvû stfiechy
nelineárnû s rostoucí teplotou, protoÏe
defekt, kter˘ dovoluje vodû prosakovat
ztráty vyzafiováním mohou pfii vy‰‰ích
Trojfázová elektrická zafiízení se
mezi vrstvy stfiechy, je tepelná vodivost
teplotách pfiev˘‰it ztráty konvekcí
pfiipojují ke zdroji tfiemi vodiãi.
nasáklé ãásti stfiechy vût‰í neÏ okolních
a kondukcí. Napfiíklad refraktor insta-
Stfiední hodnota proudu procházející
neprosákl˘ch oblastí. Rozdíl tepelné
lovan˘ ve vypalovací peci, v bojleru
kaÏd˘m z vodiãÛ by mûla b˘t stejná.
vodivosti má vliv na teplotu zevní vrst-
nebo ve vysoké peci je urãen˘ k mini-
Je v‰ak také moÏná nerovnováha
vy stfiechy. Infraãervená kamera mÛÏe
malizaci tepeln˘ch ztrát. Termografie
v proudovém zatíÏení fázov˘ch vodi-
lehce odhalit takov˘ problém. Teplotní
mÛÏe
ãÛ. V tom pfiípadû je proud v jednom
scan stfiechy a barevn˘ spray je v‰e, co
v refraktoru. Jinou aplikací této techno-
z fázov˘ch vodiãÛ v˘raznû odli‰n˘ od
je tfieba k oznaãení moÏn˘ch defektÛ
logie jsou vysoké pece s velk˘m mnoÏ-
zb˘vajících dvou. DÛsledkem toho je
stfiechy pfied její opravou.
stvím vyzdívky.
ZPRAVODAJ
rychle
lokalizovat
defekty
âíslo 1
51
Linesscannery a termografie
6
Lokalizace pfiekáÏky pfii ucpaném
nebo zamrzlém potrubí se mÛÏe nûkdy
lokalizovat pomocí termografie. Pokud
selÏe ukazatel hladiny v zásobní cisternû termografie mÛÏe zjistit hladinu
v cisternû. Termografie na‰la také dal‰í
pouÏití pfii kontrole betonov˘ch povrchÛ a jin˘ch dláÏdûn˘ch ploch. Tyto
defekty pfiedstavují dutiny a trhliny
mezi rÛzn˘mi vrstvami vozovek. Voda
nebo vzduch obsaÏené v defektech
mûní tepelnou vodivost materiálu.
Infraãervená kamera mÛÏe detekovat
takové defekty.
Nabarvené plochy jsou ãasto vícevrstvé v dÛsledku toho, Ïe mosty nebo
cisterny se bûhem své Ïivotnosti opakovanû vícekrát natírají. Také zde je
moÏnost skrytého zrezivûní, vzniku
puch˘fiÛ a trhlin, delaminaãních
defektÛ mezi vrstvami barvy, coÏ je
obtíÏné vizuálnû zhodnotit. Technologie zvaná transientní termografie
pfiiná‰í objektivitu do rozhodování
o moÏnosti drah˘ch obnovování
nátûrÛ.
Transitorní termografie vyuÏívá
tepeln˘ch pulsÛ vytváfien˘ch tepeln˘mi
lampami, foukáním horkého vzduchu,
v˘fukov˘ch plynÛ a podobn˘ch zdrojÛ
energie, aby na krátkou dobu zahfiála
zkouman˘ povrch. ProtoÏe kamera
detekuje teplotní rozdíly men‰í neÏ
jeden stupeÀ, trhliny a delaminace se
zfietelnû zobrazují.
Lesníci pouÏívají termografii k monitorování rozsahu a ohraniãení lesních
poÏárÛ, takÏe mohou co nejefektivnûji
rozmístit potfiebné pracovní síly a hasicí
prostfiedky.
V˘zkumná v˘vojová oddûlení v˘robních spoleãností také vyuÏívají termografii.V˘robci automobilÛ vyuÏívají tyto
52
âíslo 1
technologie k optimalizaci v˘konu
vzduchov˘ch rozmrazovacích zafiízení
a ohfiívaãÛ zadních skel. V˘robci polovodiãÛ je pouÏívají k anal˘ze chyb
poãítaãov˘ch ãipÛ.
Nástup mikroprocesorů
Mikroprocesory a softwarové vybavení
termografick˘ch jednotek jsou dÛleÏité
pro v‰estranné pouÏití tûchto technologií. Digitální fiízení a rychlá komunikace dávají termografick˘m zafiízením
moÏnost vzájemného propojení
a zpracování signálÛ. Napfiíklad
v˘stup „linescanneru“ mÛÏe b˘t rozdûlen na nûkolik segmentÛ nebo zon, pfiiãemÏ kaÏdá odpovídá urãitému rozmezí ‰ífiky pohybující se sítû. KaÏdá
z tûchto zon dává fiídícímu procesu
individuální kontrolní a alarmov˘ signál v rozmezí 4-20 mA.
ProtoÏe se teplotní data digitalizují, je
jednoduché uloÏit optimální termograf jako standardu pro srovnávání.
Tento standardní termogram - „zlat˘
obraz“ se pouÏívá ke zjednodu‰ení
nastavení procesu, coÏ je obzvlá‰tû
v˘hodné, pokud se produkt na v˘robní lince mûní.
Souãasné termografické jednotky
pouÏívají dvanáctibitovou dynamickou architekturu. To je prakticky minimum, pokud má radiometrie zachytá-
vat ve‰kerou teplotní informaci obsaÏenou v urãité oblasti. To dovoluje
analytikovi umístit do jediného pixelu
fiadu kfiíÏov˘ch interpolací a urãit tak
pfiesnû teplotu, kterou tento pixel
reprezentuje.
Mikroprocesor také zjednodu‰uje
interpretaci termogramu. Analytik
mÛÏe roz‰ífiit barevnou paletu na
celou ‰kálu teplot v termogramu.
Napfiíklad pokud se kontroluje stfiecha
v ãervenci je teplota v kaÏdém bodû
zorného pole vysoká a rozdíly mezi
nezávadn˘mi a po‰kozen˘mi ãástmi
jsou relativnû malé, kolem 20 stupÀÛ.
Na druhé stranû ve v˘robních procesech se vyskytují situace, kdy v ãásti
zorného pole jsou objekty, jejichÏ teplota je o 250 stupÀÛ (i více) vy‰‰í, neÏ
teplota pozadí. Analytik mÛÏe roz‰kálovat 256 barev na dvacetistupÀov˘
interval v prvním pfiípadû a 250 stupÀov˘ ve druhém pfiípadû tak, aby
vznikl pouÏiteln˘ obraz.
T
Literatura
• Applications of Thermal Imaging, S.G. Burnay, T.L. Williams, and C.H. Jones
(editor), Adam Higler, 1988.
Infrared Thermography, (Microwave Technology, Vol. 5), G. Gaussorgues
and S. Chomet (translator), Chapman & Hall, 1994.
• An International Conference on Thermal Infrared Sensing for Diagnostics
and Control, (Thermosene Vii), Andronicos G. Kantsios (editor), SPIE, 1985.
• Nondestructive Evaluation of Materials by Infrared Thermography, Xavier
P.V. Maldague, Springer Verlag, 1993.
• Practical Applications of Infrared Thermal Sensing and Imaging Equipment
(Tutorial Texts in Optical Engineering, Vol. 13), Herbert Kaplan, SPIE, 1993
•
ZPRAVODAJ
7
BEZDOTYKOVÉ Mù¤ENÍ TEPLOTY
Kalibrace infraãerven˘ch teplomûrÛ
Proã se kalibrace provádí?
Kalibrace infračervených teploměrů
P
rotoÏe jsou bûÏné variace ve
vlastnostech materiálÛ pouÏit˘ch v konstrukci radiaãních teplomûrÛ, musí se nové
pfiístroje individuálnû kalibrovat,
dokonce aby se dosáhlo i jen malé
úrovnû pfiesnosti. Iniciální kalibraci
obvykle provádí v˘robce. Pokud je
nosti pfiesného stanovení emisivity
reáln˘ch tûles. Av‰ak opakovatelnost
a reprodukovatelnost je snadnûji
dosaÏitelná, takÏe neplaÈte zbyteãnû
více, pokud se poÏaduje zejména konzistence mûfiení. Pokud je dÛleÏitá
zejména absolutní pfiesnost, potom je
potfieba vést v patrnosti standardy,
jako
napfi.
standard
vydan˘
Národním úfiadem pro standardy
a technologie (NIST). Kompatibilita
primárních a sekundárních norem je
zásadní pro vyhovûní standardÛm
kvality, jako je napfi. ISO 9000.
Tento kalibrační zdroj, který pracuje podobně jako
vařič využívá vysoké emisivity, speciálních strukturovaných povrchů k tomu, aby se získala vhodná kalibrační
reference.
Proč kalibrovat?
Obecnû existují tfii metody, jak
kalibrovat prÛmyslové radiaãní teplomûry. První metodou je pouÏití
komerãního simulátoru absolutnû ãer-
potfieba provádût jiná, neÏ zcela orientaãní mûfiení, jsou nutné pravidelné
rekalibrace - aÈ jiÏ uÏivatelem nebo
externí laboratofií nebo pÛvodním
v˘robcem.
Trvalá pfiesnost bezdotykového teplomûru závisí na zpÛsobu rekalibrace,
ãetností rekalibrací a na rychlosti driftu celého systému. Zaji‰tûní absolutní
pfiesnosti bezdotykov˘ch teplomûrÛ je
sloÏitûj‰í neÏ u kontaktních zafiízení,
jako jsou termoãlánky a odporové teplomûry. ObtíÏné je jiÏ zaji‰tûní pfiesnosti mûfiení do 1 % a dokonce i v nejpropracovanûj‰ích nastaveních se
dosahuje zfiídka pfiesnosti lep‰í neÏ
0,1 %. To má ãásteãnû pÛvod v obtíÏ-
ZPRAVODAJ
ného tûlesa, coÏ je izotermicky zahfiá-
Dutiny jako absolutnû ãerná tûlesa
Îárovky s wolframov˘m vláknem
tá dutina s relativnû mal˘m otvorem,
na kter˘ je zamûfien radiaãní teplomûr. (obr. 7-1) Jak bylo vysvûtleno
v dfiívûj‰í kapitole Teoretické základy,
pfii tomto uspofiádání se vlastnosti
simulátoru blíÏí vlastnostem absolutnû
ãerného tûlesa. Jako teplotní reference se pouÏívá standardní termoãlánek
nebo odporov˘ teplomûr uvnitfi dutiny. Pfii vy‰‰ích teplotách se jako reference pouÏívají kalibrované wolframové lampy. Poslední moÏností je
pouÏití referenãního pyrometru,
o nûmÏ se ví, Ïe je pfiesnû zkalibrován. Podle nûj se sefiizuje v˘stup
kalibrovaného pfiístroje, aÏ jsou
v˘stupy obou shodné.
Aby bylo moÏné kontrolovat kalibraãní v˘stup, je nutné, aby zdroj
záfiení zcela vyplnil zorné pole pfiístroje. Pokud zorné pole není celé
vyplnûno, teplomûr naãte niωí hodzadní termoãlánek
pfiední termoãlánek
Ïáruvzdorná koule
regulátor
termoãláne
regulátoru
Obrázek 7-1: Sférická dutina imitující absolutně černé těleso
âíslo 1
53
Kalibrace infraãerven˘ch teplomûrÛ 7
notu. V nûkter˘ch pfiístrojích mÛÏe b˘t
kalibrace proti absolutnû ãernému
tûlesu vnitfiní - pouÏívá se optick˘ pfiepínaã, kter˘ stfiídavû vystavuje detektor záfiení z absolutnû ãerného tûlesa
a mûfieného povrchu. Tento zpÛsob
umoÏÀuje kontinuální rekalibraci
a pomáhá eliminovat chyby zpÛsobené driftem (posunem).
Dutina jako absolutně
černé těleso
ProtoÏe kalibrace bezdotykového
teplotního ãidla vyÏaduje zdroj záfiení absolutnû ãerného tûlesa s pfiesnou
regulací a mûfiením teploty zdroje, je
vnitfiní povrch zahfiáté dutiny vhodnou formou. Jeho záfiení je v podstatû nezávislé na materiálu a stavu
povrchu.
Aby dutina jako absolutnû ãerné
tûleso pracovala správnû, musí b˘t izotermická. Její emisivita musí b˘t
známá, nebo dostateãnû blízká jedné
Ruční infračervený teploměr se kalibruje pomocí komerčního simulátoru absolutně černého tělesa – vnitřní dutina je
vyrobena tak, aby se její emisivita těsně blížila jednotkové emisivitě absolutně černého tělesa.
a standardní referenãní termoãlánek
musí mít stejnou teplotu, jako dutina.
Kalibraãní reference na principu absolutnû ãerného tûlesa je v zásadû sloÏena z vyhfiívané dutiny s mal˘m otvorem, kter˘m lze vidût vnitfiní povrch
(obr. 7-1). V zásadû platí, Ïe s rostoucí relativní velikostí dutiny ve srovnání
1,0
0,95
0,9
0,8
0,8
efektivní emisivita, ε
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
emisivita povrchu
dutiny
φ
0,2
0,1
0,0
0
20
40
60
80
100
120
otvorov˘ úhel, φ (ve stupních)
Obrázek 7-2: Efektivní emisivity sférických dutin
54
âíslo 1
140
160
180
s otvorem se emisivita blíÏí stále více
jedné (obr. 7-2)
Aãkoliv je tvar dutiny nejãastûji kulov˘, peãlivû navrÏené válcové nebo klínovité dutiny mohou také dosáhnout
jednotkové emisivity.
K dosaÏení izotermického prostfiedí
obklopujícího dutinu se pouÏívají obvykle následující materiály:
• lázeÀ s promíchávanou vodou pro
teploty 30-100°C (86-212°F)
• hliníkové jádro pro teploty
50-400°C (122-752°F)
• ocelové jádro pro teploty
350-1000°C (662-1832°F)
Dutiny simulující absolutnû ãerné tûleso mají své v˘hody i nev˘hody. Nûkteré
pfienosné, bateriemi napájené pfiístroje
se mohou pouÏívat i pro nízké teploty
(ménû neÏ 100°C), ale vût‰inou se jedná
o ponûkud tûÏké a drahé pfiístroje. Také
dlouho trvá, neÏ dosáhnou tepelné rovnováhy (30 minut a více), coÏ v˘znamnû
zpomaluje proces kalibrace, zejména,
pokud se má provést fiada mûfiení.
ZPRAVODAJ
7
Vlákno
Ukazatel
Niklov˘
drÏák
Sklenûn˘
nebo
keramick˘
podstavec
nû ãerná tûlesa. UÏivatel obvykle
dostane vztah mezi elektrick˘m proudem, kter˘ prochází vláknem a jeho
teplotou. Emisivita kolísá v závislosti
na teplotû a vlnové délce, ale wolfram
je natolik znám˘ materiál, Ïe je
moÏné konvertovat zdánlivou teplotu
na skuteãnou.
ProtoÏe dutina obsahuje referenãní
termoãlánek kompatibilní s normou
NIST, mÛÏe b˘t kalibrace pfiístroje proti
páskové lampû také odvozena ze standardu NIST. Pfii primární kalibraci,
která se vût‰inou provádí pfiímo
v Národním úfiadû pro standardy
a technologie (NIST), se zmûna proudu
procházejícího vláknem pouÏívá
Kalibrace infraãerven˘ch teplomûrÛ
k vyrovnání jasu standardizované
lampy a dutiny simulující absolutnû
ãerné tûleso (vyhfiáté na teplotu tání
zlata +1064,43°C za normálního tlaku
- gold point) v souladu s ITS90. Typická
nepfiesnost je ±4°C ve zlatém bodû aÏ
±40°C ve 4000°C.
V pfiípadû sekundární standardní
kalibrace se srovnává v˘stup primárního pyrometru (napfi. kalibrovaného
v NIST) a sekundárního pyrometru,
pfiiãemÏ oba pfiístroje jsou stfiídavû
zamûfieny na jedinou wolframovou
lampu. Tímto postupem se eliminuje
mnoho systematick˘ch chyb a takov˘
zpÛsob kalibrace je v˘hodnûj‰í
v praxi.
T
Obrázek 7-3: Typické wolframové vlákno lampy
Žárovky s wolframovým
vláknem
Vedle dutin simulujících absolutnû
ãerná tûlesa, se mohou jako standard
pouÏít také wolframové páskové lampy,
nebo prouÏkové lampy (obr. 7-3).
Woframové páskové lampy jsou zdroje
vysoce reprodukovatelného záfiení
a mohou b˘t pfiesnû kalibrovány na
teploty v rozmezí 800-2300°C. Dávají
moÏnost okamÏitého a pfiesného nastavení a mohou pracovat na vy‰‰ích teplotách, neÏ vût‰ina dutin.
Av‰ak lampy musí b˘t kalibrovány
podle standardÛ simulujících absolut-
ZPRAVODAJ
Literatura
• Handbook of Temperature Measurement & Control, Omega Press, 1997.
• New Horizons in Temperature Measurement & Control, Omega Press, 1996.
• Temperature Measurement in Engineering, H. Dean Baker, E. A. Ryder, and
N. H. Baker, Omega Press, 1975.
The Detection and Measurement of Infrared Radiation, R.A. Smith, F. E.
Jones, and R. P. Chasmar, Oxford at Clarendon Press, 1968.
• Handbook of Temperature Measurement & Control, Omega Engineering Co.,
1997.
• Infrared Thermography (Microwave Technology, Vol 5), G. Gaussorgues and
S. Chomet (translator), Chapman & Hall, 1994.
• Instrument Engineers’ Handbook, Third Edition, B. Liptak, Chilton Book Co.
(CRC Press), 1995.
• Process/Industrial Instruments and Controls Handbook, 4th ed., Douglas M.
Considine, McGraw-Hill, 1993.
• Theory and Practice of Radiation Thermometry, David P. DeWitt and Gene
D. Nutter, John Wiley & Sons, 1988.
•
âíslo 1
55
8
BEZDOTYKOVÉ Mù¤ENÍ TEPLOTY
V˘robky a jejich pouÏití
Alternativní konfigurace
Výrobky a jejich použití
Aplikaãní návody
Pfiíslu‰enství a volitelné prvky
A
Ï dosud se vût‰ina ãlánkÛ
této stati zab˘vala fyzikálními a technologick˘mi principy bezkontaktního mûfiení
teploty, nyní je v‰ak naãase pohlédnout
na ‰irokou ‰kálu produktÛ, které vyuÏívají radiaãního fenoménu - a na vyuÏití
tûchto produktÛ v prÛmyslové praxi.
Bezkontaktní teplotní snímaãe umoÏnily technikÛm pfiesné mûfiení teploty tam,
kde je velmi tûÏké nebo nemoÏné pouÏít
jiné teplotní snímaãe. V nûkter˘ch pfiípadech je to proto, Ïe jiÏ pfii samém pouÏití je kontaktní ãidlo zniãeno, jako napfiíklad termoãlánky nebo odporov˘ teplotní
detektor pfii mûfiení teploty rozÏhaveného
kovu. V pfiípadû silné elektrické interference, jako napfi. u indukãního ohfievu,
zpÛsobuje elektromagnetické pole v okolí
objektu vznik chybn˘ch v˘sledkÛ u konvenãních ãidel. Vzdálená infraãervená
ãidla jsou imunní k obûma problémÛm.
Îádn˘ jin˘ snímaã, neÏ bezdotykov˘
teplomûr, není schopen provádût mûfiení na velké vzdálenosti. To je nutné
napfiíklad pfii hledání hork˘ch míst
nebo problematick˘ch oblastí u destilaãních pfiístrojÛ, nádob, izolací, trubek, motorÛ, nebo transformátorÛ.
V oblasti vyhledávání a zji‰Èování vad
pfiístrojÛ jsou ruãní radiaãní termometry tûÏko pfiekonatelné.
Ceny bezdotykov˘ch teplotních snímaãÛ se pohybují v ‰irokém rozmezí.
V‰echny pfiístroje v‰ak obsahují stejné
základní komponenty: sbûrnou optiku,
ãoãky, spektrální filtr a detektor.
Pfiesnûj‰í technické informace o jednot-
56
âíslo 1
liv˘ch typech snímaãÛ jsou uvedeny
v pfiedchozích kapitolách.
Alternativní konfigurace
UÏivatel si mÛÏe zvolit bezdotykov˘
teplotní snímaã s takov˘m vlnov˘m rozsahem, jak˘ poÏaduje - úzk˘m nebo ‰irok˘m. Citlivost radiaãních termometrÛ se
mûní nepfiímo úmûrnû s vlnovou délkou.
Proto pfiístroj pracující s vlnovou délkou
5 µm má jednu pûtinu citlivosti pfiístroje
pracujícího s vlnovou délkou 1µm. Také
to znamená, Ïe chyba, zpÛsobená optick˘m ‰umem a promûnlivou emisivitou,
bude pûtkrát vût‰í u pfiístroje, kter˘ pracuje s dlouh˘mi vlnov˘mi délkami.
Radiaãní termometry mají vût‰inou
optiku s pevnou ohniskovou vzdáleností,
ale pro mûfiení na del‰í vzdálenosti jsou
k dispozici i pfiístroje s automatick˘m
zaostfiováním. Pokud je mûfiená plocha
men‰í neÏ prÛmûr ãoãky v optickém
systému pfiístroje, lze k mûfiení na vût‰í
vzdálenosti pouÏít i pfiístroje s pevnou
ohniskovou vzdáleností.
Tabulka 8-1: Klady a zápory bezkontaktních teplotních čidel
TYP P¤ÍSTROJE
Infraãerven˘
termoãlánek
KLAD
Levn˘, cena od 99 dolarÛ
Samonapájecí
Bez posunu (driftu) mûfiení
Pfiipojení na displej standardního termoãlánku
a regulaãní zafiízení
DosaÏení obtíÏnû dostupn˘ch oblastí
Vnitfiní (jiskrová) bezpeãnost
ZÁPOR
Nelineární v˘stup
Ovlivnûní elektromagnetickou interferencí
Infraãerven˘ pyrometr Pfienosn˘ a praktick˘
/termometr pro dlouhé Levn˘, cena od 235 dolarÛ
V˘born˘ nástroj pro údrÏbu
vlnové délky
PouÏití limituje maximální
délka kabelu sondy 1m
Infraãerven˘ pyrometr MÛÏe zamûfiit jak˘koli cíl v témûfi jakékoli
/termometr pro krátké vzdálenosti
Pfienosn˘ nebo fixní
vlnové délky
Kamefie podobné ovládání, zamûfiení, mûfiení
Nízká aÏ stfiední cena od 350 dolarÛ
Práce v nepfiízniv˘ch podmínkách, vysokoteplotním
Vláknová optika
prostfiedí, vakuu nebo v nepfiístupn˘ch lokalizacích,
MÛÏe obejít pfiekáÏky k dosaÏení cíle.
NeovlivÀuje se elektromagnetickou interferencí
Mûfií pouze fixní oblast na mûfieném objektu
Pfiesnost mûfiení je ovlivnûna koufiem,
prachem apod. v prostfiedí
Ovlivnûní elektromagnetickou interferencí
Dvoubarevn˘ pyrometr Mûfií skrze prach, koufi a dal‰í kontaminanty
v prostfiedí
Nezávislost na emisivitû mûfieného objektu
Jedin˘ senzor, kter˘ provádí mûfiení na celé ‰ífii
Linescanner
produkt
Kontinuální mûfiení pohybujícího se produktu
Poãítaã poskytuje termografické obrazy
mûfieného produktu a jeho teplotní profil
Cena 3600 dolarÛ ãidlo
5000 dolarÛ pro display/ovládací zafiízení
Cena 1600-2600 dolarÛ
Fixní zaostfiení
Vysoká cena od 10000 dolarÛ pro samotné
ãidlo, 50 000 dolarÛ pro kompletní systém
ZPRAVODAJ
8
V˘robky a jejich pouÏití
Bezdotykové teplotní snímaãe se
pohybují v ‰irokém cenovém rozmezí,
od relativnû levn˘ch infraãerven˘ch termoãlánkÛ,v cenû okolo 99 dolarÛ, po
sofistikované, poãítaãem fiízené linescanery, v cenû okolo 50000 dolarÛ. Mezi
tûmito extrémy je ‰iroká fiada pfienosn˘ch nebo stacionárních pfiístrojÛ.
• Infračervené termočlánky
Infraãervené termoãlánky jsou levné snímaãe, které nepotfiebují pfiívod energie.
Teplotu povrchu mûfií bez vlastního kontaktu s tímto povrchem. Mohou b˘t
pfiímo instalované v konvenãních termoãlánkov˘ch regulátorech, snímaãích
a digitálních mûfiících zafiízeních, kde
nahrazují
klasické
termoãlánky.
Infraãervené termoãlánky mohou b˘t
nainstalovány jako fixní, trvale uloÏené,
nebo se mohou pouÏívat jako pfienosné
sondy. Jako samonapájecí závisejí na
dopadajícím infraãerveném záfiení,
které vytváfií signál cestou termoelektrického efektu. Proto v˘stup pfiístroje odpovídá fyzikálním zákonÛm tepelné radiace a je zatíÏen nelinearitami. V urãitém
teplotním rozmezí je ale je v˘stup dostateãnû lineární, takÏe se signál mÛÏe snímat konvenãním termoãlánkem.
Aãkoliv infraãervené termoãlánky
jsou sestrojeny k práci v urãité specifické oblasti, mohou b˘t pouÏity
i mimo tuto oblast pfiekalibrováním.
• Radiační termometry/Pyrometry
Radiaãní termometry, nûkdy téÏ naz˘vané pyrometry, se vyskytují v rozliãn˘ch
konfiguracích. Jednou z moÏností je
ruãnû ovládaná zobrazovací a fiídící jednotka s pfiipojenou sondou. Operátor
zamûfií sondu na objekt, kter˘ chce promûfiovat - nûkdy v minimální vzdálenosti
ZPRAVODAJ
Typická vláknooptická sonda, přenašeč a stolní displej.
od mûfieného povrchu - a v˘sledek mûfiení odeãítá na digitálním displeji. Tyto pfiístroje jsou ideální pro bodové mûfiení teploty u elektrick˘ch obvodÛ, loÏisek, motorÛ, parních uzávûrÛ, nebo jin˘ch zafiízení dosaÏiteln˘ch sondou. Levné pfiístroje
jsou sobûstaãné a jsou napájeny baterií.
Jiné radiaãní termometry jsou buì
pfienosné nebo nepfienosné pfiístroje,
které obsahují ãoãku podobnou 35mm
kamefie. Mohou b˘t zaostfieny na jak˘koliv blízk˘ nebo vzdálen˘ objekt a stanovují prÛmûrnou teplotu mûfiením plochy na mûfieném objektu, která spadá
do jejich zorného pole.
Pfienosné radiaãní termometry jsou
‰iroce uÏívány v oblasti údrÏby
a odstraÀování závad. Technik je mÛÏe
lehce pfienést a získat okamÏité teplotní
hodnoty jak˘chkoliv materiálÛ, od roztaven˘ch kovÛ aÏ po zmrzlé potraviny.
Stacionární termometry se pouÏívají
k monitorování v˘roby skla, textilií, plastÛ,
a podobn˘ch produktÛ, nebo pfii procesech jako je popou‰tûní, chlazení, utûsÀování, oh˘bání, a laminování.
• Přídatná zařízení vláknové optiky
Pokud objekt, jehoÏ teplotu chcete mûfiit
není v úhlu pohledu radiaãního termometru, je moÏno pouÏít vlákonooptick˘
snímaã. Snímaã se skládá z hrotu, ãoãky,
optického kabelu, a monitoru umístûného ve vzdálenosti do 9,15m (30 stop).
Snímaã mÛÏe b˘t umístûn ve vysokoenergetick˘ch polích, v teplotách do
427°C (800°F), ve vakuu, nebo v jinak
nedostupn˘ch prostorech.
• Dvoubarevné systémy
PouÏití dvoubarevného nebo pomûrového radiaãního teplomûru je ideální v pfiípadech, kdy mûfien˘ objekt je zakryt prachem, koufiem, nebo podobn˘mi zneãi‰Èujícími látkami, nebo tam, kde se mûní
vyzafiování - jako u „tekoucích kovÛ“.
Tyto teplomûry mûfií teplotu nezávisle na
emisivitû. Jsou pouÏitelné s vláknooptick˘mi snímaãi nebo mohou b˘t souãástí pfienosn˘ch nebo fixních systémÛ.
• „Linescanery“
Linescanery poskytují obraz povrchov˘ch teplot pohybujícího se v˘robku jako napfiíklad kovov˘ch plátÛ, skla,
textilu, stoãeného plechu nebo plastÛ.
Obsahují ãoãku, otoãné zrcadlo, které
skenuje zorné pole pfiístroje, detektor,
âíslo 1
57
V˘robky a jejich pouÏití
8
• Přenosné versus nepřenosné
Ruční infračervené teploměry mají přídatná zařízení,
například laserový zaměřovač.
kter˘ naãítá hodnoty tak, jak se
zrcadlo pohybuje, a poãítaãov˘
systém ke zpracování dat.
Jak zrcadlo rotuje, „linescanner“
provádí mnohonásobná mûfiení celého povrchu, a tím získává celkov˘
teplotní profil produktu. Jak se produkt pohybuje pod senzorem,
postupné snímání poskytne profil
celého produktu, od kraje ke kraji
a od zaãátku do konce.
Poãítaã promûní tento profil v termografické zobrazení produktu, za pouÏití rozliãn˘ch barev, které representují
jednotlivé teploty, nebo mÛÏe vytvofiit
„mapu“ v˘robku. Asi 50 mûfiících bodÛ
rozmístûn˘ch v celé ‰ífii pohybujícího se
produktu se mÛÏe uspofiádat do zon
a pouÏít k fiízení proudícího produktu .
Je tomu napfiíklad u strojÛ zpracovávajících tkaniny, u chladících zafiízení,
injektorÛ a obalovacích zafiízení.
„Linescannery“ mohou b˘t extrémnû
drahé. Pfiedstavují ale jedinou moÏnost
k získání úplného teplotního profilu
nebo obrazu pohybujícího se produktu.
58
âíslo 1
Pfiístroje mûfiící bezdotykovû teplotu
mohou b˘t také rozdûleny na pfienosné
a nepfienosné. Nastálo upevnûné termometry jsou obecnû instalovány v místech,
kde je kontinuálnû monitorován urãit˘
proces. âasto jsou napájeny stfiídav˘m
napûtím a jsou zamûfieny na jedin˘ bod.
Mûfiená data mohou b˘t odeãítána na
blízkém nebo vzdáleném displeji,
a v˘stupní signál (analogov˘ nebo digitální) mÛÏe b˘t poskytnut k pouÏití kdekoliv v regulaãním obvodu. Tyto termometry se obvykle skládají z pouzdra
/skfiínky/, které obsahuje optick˘ systém
a detektor a které je spojeno kabelem se
vzdálenou jednotkou elektronika/displej. U nûkter˘ch systémÛ napájen˘ch ve
smyãce, jsou v‰echny souãásti termometru i elektronika obsaÏeny v jediné skfiíÀce; dva stejné vodiãe uÏívané k napájení termometru také pfiená‰í v˘stupní signál o hodnotû od 4 do 20mA.
Ruãní, „pistolové“ radiaãní termometry na baterie, mají stejné základní rysy
jako nepfienosné pfiístroje, ale bez moÏnosti pfiipojení na jiná zafiízení. Pfienosné
jednotky jsou typicky pouÏívány v údrÏ-
bû, diagnostice, kontrole kvality
a v bodovém mûfiení kritick˘ch procesÛ.
Pfienosné pfiístroje zahrnují pyrometry, termometry a dvoubarevné systémy.
Jejich praktické vyuÏití má stejná omezení, jako má ãlovûk - to znamená, Ïe
senzory mohou pracovat jen v takov˘ch podmínkách prostfiedí a v takové
okolní teplotû, jako ãlovûk, tedy v rozmezí teplot 0-50°C (32-120°F).
V extremních teplotách, kde operátor
pouÏívá ochrann˘ oblek, je dobré stejn˘m zpÛsobem ochránit i pfiístroj. Ve
v˘robních prostorách pfii pokojové teplotû se mohou ruãní pfiístroje pouÏívat
bez obav, ale je tfieba se vyh˘bat zdrojÛm vysokého elektrického ru‰ení.
Indukãní pece, startéry motorÛ, velká
relé a podobná zafiízení, která vytváfiejí
elektromagnetické ru‰ení mohou ovlivnit
v˘stupní hodnoty pfienosného senzoru.
Pfienosné bezkontaktní senzory se
‰iroce pouÏívají v údrÏbû a odstraÀování poruch. Mohou se uÏívat napfiíklad
v testování desek ti‰tûn˘ch obvodÛ na
krátkou vzdálenost, motorÛ, loÏisek,
parních uzávûrÛ, pfii vstfiikování materiálÛ do forem, ke vzdálenému mûfiení
okolí
radiaãní teplomûr
mûfien˘ objekt
atmosférická
emise a absorpce
Obrázek 8-1: Okolní vlivy na přesnost IČ teploměru
ZPRAVODAJ
8
teplot v izolacích budov, potrubích, elektrick˘ch panelech, transformátorech,
v pecích, a ve v˘robních a fiídících prostorách. ProtoÏe infraãervené zafiízení
mûfií teplotu na plo‰e vymezené zorn˘m
polem, je velmi dÛleÏité správné zacílení. Pyrometry pro mûfiení nízk˘ch teplot
mohou b˘t vybaveny zamûfiovacími
paprsky zaloÏen˘mi na LED, teplomûry
pro mûfiení vy‰‰ích teplot mají moÏnost
laserového zamûfiovacího zafiízení,
které pomohou správnû zacílit senzor.
Fixní zafiízení jsou obvykle instalována
v fiídícím systému v˘roby a dávají v˘stupní signály fiídícím systémÛm nebo systémÛm sbírajícím data. Radiaãní teplomûry, dvoubarevná ãidla, vláknová optika,
infraãervené termoãlánky a linescannery
- v‰echny mohou b˘t montovány fixnû.
Pfii permanentní montáÏi lze pfiístroj
velmi peãlivû zamûfiit na cíl, zkalibrovat
na pfiesnou emisivitu, ãasovû vyladit,
pfiipojit ke vzdálenému zafiízení, jako
je indikátor, fiídící zafiízení, záznamové
zafiízení nebo poãítaã a zabezpeãit
proti vlivÛm prostfiedí. Je-li takov˘ pfiístroj jednou nainstalovan a zkontrolovan, mÛÏe pracovat neomezenû dlouho
a vyÏaduje jenom pravidelnou údrÏbu
k oãi‰tûní ãoãek.
Pfiístroje urãené k trvalé instalaci jsou
obvykle robustnûj‰í neÏ laboratorní nebo
ruãní a mají zcela jiné v˘stupy. Pfiístroje,
které pracují v blízkosti mûfien˘ch procesÛ, mají prÛmyslová pouzdra vyhovující
normám NEMA a ISO. Jejich v˘stupem je
standardní fiídící signál 4-20mA stejnosmûrného napûtí, termoãlánkov˘ milivoltov˘ signál, 0-5V stejnosmûrného napûtí
nebo v˘stup vhodn˘ pro rozhraní 232.
Ve velmi horkém a ‰pinavém prostfiedí b˘vají pfiístroje vybaveny vodním
nebo termoelektrick˘m chlazením,
ZPRAVODAJ
které chladí elektroniku, a dusíkov˘m
nebo vzdu‰n˘mi ãistícími systémy, které
udrÏují ãisté ãoãky.
Příručky pro uživatele
Pfii v˘bûru pfiístroje se nejdfiíve zamûfite
na poÏadovanou rychlost odezvy, velikost
mûfieného objektu, (zorné pole) a teplotu
objektu. KdyÏ se zúÏí seznam moÏn˘ch
kandidátÛ pro danou aplikaci, zvaÏujte
V˘robky a jejich pouÏití
vzdálenost 0,46 aÏ 0,92m (1,5 aÏ
3 stopy) od ãoãky. Pokud je nutné
nazírat na mûfien˘ cíl v uvedeném
velikostním rozmezí skrze malé okénko ve vysoké peci, pak mÛÏe b˘t fie‰ením pyrometr, kter˘ snímá plochu,
která se velmi rychle zvût‰uje se vzdáleností od ohniskové roviny. Jinak
mÛÏe b˘t nezbytné pouÏít teplomûr
s komplikovanûj‰í optikou a zpracováním signálu.
teplomûr
horké stûny pece
mûfien˘ objekt
Obrázek 8-2: Pozorování zrcadlového povrchu
takové okolnosti, jako spektrální citlivost
detektoru, prostupnost optického systému
a prostupnost jak˘chkoliv oken nebo
atmosféry na spojnici mezi pfiístrojem
a mûfien˘m objektem, emisivitu mûfieného
objektu, okolní podmínky, dynamiku procesu (kolísání nebo skokové zmûny). Tyto
efekty jsou zobrazeny na obrázku 8-1.
V 90 % pfiípadÛ se vyÏaduje odezva
na náhlou zmûnu teploty za ménû neÏ
nûkolik sekund, takÏe pyrometry s tepeln˘mi detektory nevyhovují, ledaÏe byste
pouÏili termoãlánky. Lep‰í volbou mÛÏe
b˘t pyrometr s fotonov˘m detektorem.
BûÏné jsou teplomûry pro prÛmûry
mûfien˘ch objektÛ od 0,76cm do
2,54cm (0,3 aÏ 1 palce) a ohnisková
Pokud je mûfiená teplota niωí neÏ
400°C (750°F), pak jsou pro zdokonalení v˘konu mûfiení k dispozici více sofistikované pyrometry s optick˘mi clonami.
Pokud není prostfiedí mezi teplomûrem a mûfien˘m objektem stálé, nebo
pokud je zde pfiítomné horké tûleso, pak
je vhodné zastínit zorné pole pfiístroje
takov˘m zpÛsobem, aby tento fenomén
mûl co nejmen‰í vliv na mûfiení.
Jakákoliv radiace absorbovaná nebo
vytvofiená plyny nebo ãásteãkami nacházejícími se ve v˘hledu termometru ovlivní
mûfienou teplotu objektu. Vliv absorbujícího media (jako je vodní pára) mÛÏe b˘t
minimalizován správn˘m v˘bûrem vlnov˘ch délek které bude termometr registâíslo 1
59
V˘robky a jejich pouÏití
8
rovat. Napfiíklad pyrometr se silikonov˘m detektorem pracuje mimo absorpãní
pásmo vodních par, chyba mûfiení je zde
nulová. Vliv hork˘ch ãástic mÛÏe b˘t eliminován zajistíme-li, aby takové ãástice
nevstupovaly do prostfiedí mezi termometrem a mûfien˘m objektem, nebo prÛmûrováním hodnot, pokud jsou zde ãástice pfiechodnû pfiítomny. Pozorovací
tuba s otevfien˘m koncem, která je proãi‰tûná plynem o nízké teplotû, mÛÏe
zajistit pro mûfiení prostfiedí, které nebude obsahovat interferující ãástice.
Vybrané termometry pro mûfiení
transparentních objektÛ, jako je napfiíklad sklo nebo plastické filmy, musí pracovat s takov˘mi vlnov˘mi délkami, které
jsou tûmito materiály málo propou‰tûny.
Tím pádem horké objekty, které se
nacházejí za mûfien˘m materiálem, neovlivÀují v˘sledek mûfiení. Napfiíklad sklo
o tlou‰Èce vût‰í neÏ 3mm je vût‰inou
neprostupné pro vlnové délky nad 5 mikronÛ. Pfii vlnov˘ch délkách nad 8 mikronÛ emitance skla pro vysok˘ odraz klesá,
a tak není vhodné mûfiit pfii vy‰‰ích vlnov˘ch délkách. Pokud zvolíme nesprávné
rozmezí vlnov˘ch délek, bude termometr
„hledût skrze sklo“ a nebude odeãítat
povrchovou teplotu skla.
Pfiedstavme si, napfiíklad, dva termometry, které mûfií povrchovou teplotu
Ïárovky. Jeden termometr pracuje
v rozmezí vlnové délky od 8 do 14 mikronÛ, druh˘ pracuje na vlnové délce 2
mikrony. První termometr namûfií povrchovou teplotu 90°C. U druhého termometru procházejí vlnové délky skrze
sklo, a mûfií se tedy teplota vlákna za
sklem, namûfiená hodnota je 494°C.
Zde jsou dal‰í parametry, které je
potfieba vzít v úvahu pfii v˘bûru bezkontaktního teplomûru:
60
âíslo 1
hork˘ objekt
hork˘ objekt
pozorovací tubus s oteven˘m koncem
chlazen˘ ‰tít
D
H
mûfien˘ objekt
Obrázek 8-3: Použití stínění a chlazení
• Materiál mûfieného objektu Emisivita mûfieného objektu, nebo mnoÏství tepelné energie, kterou mûfien˘
objekt emituje, závisí na charakteru
materiálu, ze kterého je tento objekt sloÏen. Absolutnû ãerné tûleso je ideální
emitor, ohodnocen hodnotou 1,0 nebo
100 %. Hodnota emisivty u ostatních
materiálÛ je ponûkud niωí, pohybuje se
v rozmezí 0,01 aÏ 0,99 nebo 0-99 %.
Organické materiály jsou velmi v˘konn˘mi emitory, s emisivitou 0,95, zatímco
le‰tûné kovy jsou nev˘konn˘mi emitory,
s emisivitou 20 % nebo niωí. Tabulky
udávají hodnoty emisivity ideálních povrchÛ a nepoãítají s korozí, oxidací, nebo
nerovnostmi povrchu. U reáln˘ch objektÛ
kolísá emisivita od 2 do 100% pfii zmûnû
teploty o 56°C (100°F). Pokud máte
pochybnosti, opatfiete si vhodn˘ pfiístroj
a zmûfite emisivitu pfiesnû.
•
Teplotní rozsah - Emisivita objektu
a pfiedpokládan˘ teplotní rozsah
objektu urãují vhodné vlnové délky pro
mûfiení. PouÏijte ãidlo, které je senzitivní na tyto vlnové délky. Pfiesnost mûfiení
je uvádûna v procentech. âím pfiesnûji
lze urãit mûfien˘ teplotní rozsah a jemu
odpovídající ãidlo, tím bude koneãn˘
v˘sledek mûfiení pfiesnûj‰í.
• V˘bûr vlnové délky - V˘robce
dodává své produkty s vyznaãen˘m teplotním rozmezím a vlnov˘mi délkami.
Vlnové délky jsou uvedeny v mikrometrech. MÛÏe b˘t uvedeno více vlnov˘ch
délek pro rÛzná pouÏití. Napfiíklad pfii
mûfiení teploty skla lze pouÏít vlnové
délky 3,43 nebo 5,0 nebo 7,92 mikrometrÛ, pouÏití závisí na hloubce, ve
které chcete mûfiit, na pfiítomnosti wolframov˘ch lamp a na vylouãení odrazÛ.
Stejn˘ problém pfiedstavuje mûfiení
ZPRAVODAJ
8
V˘robky a jejich pouÏití
plastick˘ch filmÛ. MÛÏete pouÏít ‰iroké
spektrum vlnov˘ch délek, abyste zachytili vût‰inu tepelného záfiení vycházejícího z objektu, nebo uωí spektrum
vlnov˘ch délek pfii zmen‰eném mûfieném teplotním rozsahu a vy‰‰í pfiesnosti mûfiení. Pfii aplikacích se ãasto mohou
objevit rÛzné okolnosti a mohou nastat
rÛzné moÏnosti v˘bûru. Podle potfieby
se poraìte se sv˘m dodavatelem.
zpÛsob, obr. 8-3, je moÏn˘ tehdy, je-li
mûfien˘ objekt nepohybliv˘, ploch˘,
a odráÏí jako zrcadlo. Termometr je
umístûn tak, Ïe nahlíÏí kolmo na objekt.
Pfii mûfiení teploty objektÛ s neleskl˘m
povrchem musíte zastínit zorné pole termometru tak, aby do nûj nemohla vstupovat radiace z okolních hork˘ch
objektÛ. Jednou z moÏností, jak ukazuje obrázek 8-3, je nazírání termometru
koncem. Zatímco na jednom konci tubusu se naãítá teplota mûfieného objektu
(tuba se objektu dot˘ká nebo je v jeho
bezprostfiední blízkosti), na opaãném
konci tubusu je termometr pomocí chlazení chránûn pfied vlivem vysok˘ch teplot. Tubusy s uzavfien˘m nebo otevfien˘m
koncem zabraÀují sníÏení emitované
radiace, ke kterému by do‰lo vlivem pfiítomnosti vodních par, prachu, koufie,
•
skrze tubu s otevfien˘m koncem. Dal‰í
moÏností je pouÏití chlazeného stínítka.
Stínítko musí b˘t dostateãnû velké, aby
D/H pomûr stínítka byl mezi 2-4. Tato
metoda nemÛÏe b˘t pouÏita pro mûfiení
nepohybliv˘ch nebo pomalu se pohybujících objektÛ. Pokud je nutné odstínit
mal˘ vysokoteplotní zdroj, kter˘ nesignifikantnû zahfiívá stínítko, pak lze pouÏít stínítko nechlazené.
U ‰irokopásmov˘ch termometrÛ mÛÏe
b˘t k ochranû optiky a k udrÏení ãistého
zorného pole pouÏit tubus s uzavfien˘m
páry a jin˘ch radioabsorbãních plynÛ
v prostfiedí. PrÛmyslovû se vyuÏívají pfii
mûfiení povrchové teploty jak voln˘ch
povrchÛ, tak povrchÛ uvnitfi trubek,
nádob, a pecí. V jin˘ch pfiípadech je
nutné mûfiit teplotu objektu skrze sklo.
Fixní termometr mÛÏe b˘t umístûn na pfiilehlém podstavci nebo pfiipevnûn
v nádobû. Jsme schopni vyrobit takov˘to
hardware. MÛÏe b˘t nutné chránit pouzdro termometru pfied nadmûrn˘m teplem pomocí chladících mechanismÛ,
a nebo mÛÏe b˘t zapotfiebí trvalé ãi‰tûní
Atmosférické interference - Co se
nachází v prostfiedí mezi ãidlem
a mûfien˘m objektem? Vût‰ina bezkontaktních teplomûrÛ vyÏaduje prostfiedí
bez prachu, koufie, plamenÛ,nebo
mlhy nebo dal‰ích zneãi‰Èujících látek
v zorném poli pfiístroje. Pokud se zde
takové látky vyskytují, pak je nezbytné
pouÏít dvoubarevné senzory. Je-li na
cestû mezi pfiístrojem a mûfien˘m
objektem pfiekáÏka, pouÏijeme k jejímu pfiekonání vláknovou optiku.
• Pracovní prostfiedí - Do jakého prostfiedí bude pfiístroj instalován? Pokud
se jedná o nebezpeãné, horké, vlhké,
korozivní, nebo jinak nevlídné prostfiedí, pak je nezbytné pfiístroj chránit.
âoãky a obaly pfiístrojÛ jsou odolné
proti korozi, vzdu‰né chladící systémy
chrání ãoãky pfied v˘robními neãistotami, a rozliãné chladící systémy chladí
ãoãky, optiku a elektroniku.
Pokud je teplota prostfiedí stejná,
jako teplota mûfieného objektu, pak
bude v˘sledek mûfiení pfiesn˘. Je-li v‰ak
teplota mûfieného objektu vy‰‰í, neÏ
okolní teplota, pak je vhodné k minimalizaci chyby emisivity a ke zmen‰ení
vlivu záfiení odraÏeného od okolních
pfiedmûtÛ pouÏít pfiístroj s vysokou hodnotou N. Pokud je teplota mûfieného
objektu niωí neÏ teplota okolí, pak lze
pouÏít k mûfiení dva zpÛsoby. První
pozorovací tubus
montáÏní
patka
trubice
hlava senzoru
v ochranném
chlazeném plá‰ti
pozorovací tubus
z karbidu kfiemíku
souprava pro
vzduchové ãi‰tûní
Ïáruvzdorn˘ tubus
koncová
krytka
bezpeãnostní závûr
Obrázek 8-4: Příslušenství pro instalaci na zeď pece
*Ref. str. 25
ZPRAVODAJ
âíslo 1
61
V˘robky a jejich pouÏití
8
k prevenci akumulace ‰píny. Existuje voliteln˘ hardware pro obû tyto eventuality.
Pfiídavná zafiízení, která jsou potfiebná pro sloÏité aplikace, jako je napfiíklad trvale nainstalovan˘ radiaãní termometr ve stûnû pece, mohou snadno
zv˘‰it cenu infraãerveného termometru
na hodnotu tisícÛ dolarÛ, a dvojnásobnû pfiev˘‰it cenu samotného pfiístroje.
dí, je nutné mít k dispozici dal‰í senzory, jak ukazuje obrázek 8-5. Tato konfigurace umoÏÀuje automatické pfiizpÛsobení elektroniky radiaãního termometru vlivÛm okolního prostfiedí pfii
mûfiení teploty objektu.
Pfii v˘bûru a instalaci bezkontaktního
teplomûru k mûfiení kritick˘ch teplotních
procesÛ musíme vzít v úvahu fiadu okol-
korigovaná
teplota objektu
teplota pozadí
procesor
signálu
souãet
vyzafiovan˘ch
a odraÏen˘ch
signálÛ
korekce
emisivity
a reflektivity
Obrázek 8-5: Kompenzace zvýšené okolní teploty
Napfiíklad, jak ukazuje obrázek 8-4,
termoãlánkov˘ senzor a jeho cílov˘
tubus jsou nainstalované uvnitfi chladícího obalu. PoÏadované proudûní chladící kapaliny závisí na aktuálních okolních podmínkách. Dále je zde zobrazeno namontované vzduchové ãi‰tûní
a bezpeãnostní záklopka. Záklopka
umoÏÀuje utûsnûní pece pokaÏdé, kdyÏ
je nutné termometr demontovat.
V pfiípadû, Ïe teplota mûfieného
objektu není shodná s teplotou prostfie62
âíslo 1
ností. Pro zaãáteãníka je to nelehk˘ úkol.
Jeho mysl zaplÀují tisíce otázek - Jak získám hodnoty emisivity? Jaká je nejvhodnûj‰í vlnová délka pro má mûfiení? Jaké
mám reálné moÏnosti v˘bûru?
……..a dal‰í a dal‰í. Ale odpovûdi jsou
vÏdy po ruce. Napfiíklad v mnoha firmách je dostupn˘ Internet, kde lze nalézt
informace pro zaãáteãníky (viz seznam
zdrojÛ, str. 68). Mimo to konzultanti
a také sám v˘robce Vám jsou schopni
poskytnout ve‰kerou pomoc v zaãátcích.
• Průmyslové využití
Ve vût‰inû pfiípadÛ lze u jakéhokoliv
druhu aplikace a pfii mûfiení teploty
v teplotním rozsahu od -50°F do
6500°F pouÏít nejménû jeden ze dfiíve
diskutovan˘ch snímaãÛ. NejdÛleÏitûj‰í
je vybrat takov˘ snímaã, kter˘ bude pro
dané mûfiení nejlépe vyhovovat. Takov˘
v˘bûr mÛÏe b˘t zcela jednoduch˘ nebo
extrémnû tûÏk˘. MoÏná Vám pfii pouÏití bezkontaktních teplomûrÛ pomohou
níÏe uvedené pfiíklady jejich aplikací.
• V˘stupní kontrola letadel - Velká velikost a hmotnost Boeingu 747 stûÏuje
technikÛm kontrolovat funkce rozliãn˘ch
pfiístrojÛ, jako jsou napfiíklad Pitotovy
trubice, topné ãlánky uÏívané k ohfievu
trubek, vody, a nádrÏí v rÛzn˘ch ãástech
letadla. Dfiíve se museli technici dostávat
do v˘‰ek aÏ 7 m pomocí Ïebfiíku, a kontaktním zpÛsobem zji‰Èovat, zda pfiístroje pracují správnû.
V dne‰ní dobû se pfii koneãné montáÏi pouÏívá bezdotyková termografie ke
kontrole rozliãn˘ch tepeln˘ch prvkÛ.
Technik stojí na zemi, zacílí termometr
na jakoukoliv Pitotovu trubici nebo topn˘
ãlánek. Firma Boeing uvádí úsporu 4-5
konstrukãních hodin na kaÏdé letadlo.
• Asfalt - Asfalt je bûhem své pfiípravy
i bûhem vyuÏití velmi citliv˘ k teplotám.
PouÏití normálních termoãlánkÛ pro
mûfiení teploty asfaltu bylo ãasto provázeno poruchami pfiístrojÛ z dÛvodu
opotfiebení materiálu. Infraãervené termoãlánky pfiedstavují ideální náhradu
tûchto pÛvodních termoãlánkÛ.
Namontované ãidlo snímá asfalt skrze
malé okénko ve Ïlábku, nebo je umístûno nad mûfien˘m povrchem a snímá
z dálky. V kaÏdém pfiípadû by mûlo b˘t
ãidlo opatfieno vzdu‰n˘m ãi‰tûním, které
chrání ãoãky pfied potfiísnûním a pfied
ZPRAVODAJ
V˘robky a jejich pouÏití
8
párami. Navíc, stejnû jako termoãlánek,
mÛÏe b˘t napojeno na kontrolní systém.
• ÚdrÏba elektrick˘ch systémÛ Infraãervené skenování je v poslední
dobû ‰iroce roz‰ífienou sluÏbou.
Pracovník sluÏby pfiiná‰í obvykle pfienosn˘ snímací procesor a skener dvakrát do roka ke kontrole rozvadûãÛ,
elektrick˘ch pojistek, a jin˘ch elektrick˘ch systémÛ budov a pátrá po hork˘ch místech a teplotních rozdílech.
Mezi tûmito kontrolami, mohou údrÏbáfii zji‰Èovat horká místa a pfiekontrolovat
opravy pomocí levn˘ch radiaãních termometrÛ. Pfiipojení na systém, kter˘
sbírá teplotní data, umoÏÀuje technikovi
zobrazit teplotní trendy napfiíklad vysokonapûÈov˘ch spínaãÛ bûhem ‰piãek
odbûru a identifikovat tak ãásti systému,
které nejvíce trpí pfii zv˘‰ení odbûru.
• ¤ezání plamenem - Pfii fiezání plamenem dfiíve neÏ poãítaã vyfiízne rozliãné
tvary z ocelového plechu, musí se ocelov˘ plát zahfiát pomocí zemního plynu
nebo propanu. Pokud operátor zjistí
„louÏi“ na roztaveném plechu, pfiidá do
plynu kyslík. Toto vystfielí roztaven˘ kov
skrze plát a zaãne fiezací cyklus. Pokud
je kyslík pfiidán pfiedãasnû, vznikne
defektní fiez, zanechávající nepfiijatelné
nerovnosti a dÛlkování na plátu.
Vláknovû optick˘ senzor mÛÏe b˘t umístûn na hofiáku a zacílen tak, Ïe mûfií
skrze plamen teplotu povrchu plechu.
Detekuje správnou teplotu plechu pro
pudlování a informuje operátora.
• Sklo - Infraãervená termometrie je
ideální pro mûfiení teploty sodno-vápenato-kfiemiãitého skla, které se pouÏívá
pfieváÏnû k v˘robû sklenûn˘ch tabulí,
talífiÛ a lahví. Nejvût‰í problémem je
relativnû ‰patná tepelná vodivost skla,
takÏe v rÛzn˘ch hloubkách skla existuZPRAVODAJ
je tepeln˘ gradient. Nejãastûji pouÏívané vlnové délky pro mûfiení teploty skla
jsou 3,43 a 5,0 a 7,92 mikrometrÛ.
KaÏdá tato vlnová délka nese informaci o teplotû z rÛzné hloubky skla.
Senzor pracující na vlnové délce 7,92
mikrometrÛ snímá pouze teplotu povrchu, zatímco senzor pracující na vlnové délce 3,43 mikrometrÛ snímá teplotu z hloubky aÏ 0,762cm (0,3 palce).
Základem úspûchu je vybrat takov˘ teplo-
mûr, kter˘ není nepfiíznivû ovlivnûn kolísáním tlou‰Èky skla. Nejlep‰ím postupem
je poslat vzorky skla v˘robci teplomûru,
a ten Vám poradí, jak˘ pfiístroj pouÏít.
Pfii instalaci vûnujte pozornost zamûfiení pfiístroje, tak aby pfiístroj nebyl
zamûfien na jak˘koliv hork˘ pfiedmût
za prÛhledn˘m sklem a aby nebyl
ovlivnûn odrazy radiace hork˘ch pfiedmûtÛ pfied sklem. Zamûfite senzor
v takovém úhlu, kter˘ potlaãí odrazy
Tabulka 8-2: Výhodné aplikace radiační termometrie
NEP¤ENOSNÉ
Cementová pec
Îhavé zóny, pfiedhfiívání
Úspory energie
Zji‰Èování stavu izolací a tepeln˘ch tokÛ, teplotní mapy
Vlákna
Chlazení, taÏní, o‰etfiení teplem
Potraviny
Peãení, cukráfiství, konzervárenství, mrazírenství, tepelné zpracování
potravin, míchání, praÏení, balení
Pece, chemick˘ prÛmysl
Hofiení, kotle, katalytické crackování
Sklo
TaÏení skla, v˘roba Ïárovek, nádob,
televizních obrazovek, vláken
ÚdrÏba
Pfiístroje, loÏiska, proudová pfietíÏení, hfiídele, izolace,
elektrická vedení, zji‰Èování úniku tepla
Kovozpracující prÛmysl (Ïelezo i neÏelezné kovy)
Îíhání a chlazení, vytlaãování ingotÛ, karbonizace, lití, kování,
tepelné o‰etfiení, indukãní pece, válcovny, sintrování, tavení rudy
2
•
H
•
L
2
•
P¤ENOSNÉ
H
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Odlévání kovÛ
•
Kontrola kvality
•
Desky ti‰tûn˘ch spojÛ, pájení, kontrola spojÛ,
svárÛ, metrologie
Barvy
Nátûry, su‰ení, tisk, fotografické emulze, potisk tkanin
Papír
Lisování, RIM, vytlaãování filmÛ, tepelné zpracování listÛ, lití
Plastické hmoty
Lisování, RIM, vytlaãování filmÛ, tepelné zpracování listÛ, lití
Vzdálená mûfiení
Mraky, zemsk˘ povrch, jezera, fieky, silnice, prÛzkum vulkánÛ
Guma
Kalandrování, lití, lisování, vytlaãování profilÛ, pneumatiky, latexové rukavice
•
Kfiemík
RÛst krystalÛ, vláken, Ïíhání plátkÛ, epitaxní ukládání
Textil
Su‰ení, vlákna, spfiádání
•
Vakuové komory
Rafinace, zpracování, ukládání
2 = dvoubarevn˘ senzor H = vysoká teplota L = nízká teplota
L
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
âíslo 1
63
V˘robky a jejich pouÏití
8
nebo namontujte neprÛhledné stínítko,
abyste odstranili odraÏené paprsky.
Pokud ani jedno z toho není moÏné,
pouÏijte nûkter˘ z senzorÛ pracujících
na del‰í vlnové délce, protoÏe takové
pfiístroje nejsou tak moc ovlivnûny
odraÏen˘mi paprsky.
Buìte opatrní v pfiípadech, kdy se sklo
zahfiívá vysokointenzitními kfiemíkov˘mi lampami s wolframov˘m vláknem.
Tyto lampy vydávají záfiení, které interferuje s termometry, které pracují
s vlnovou délkou pod 4,7 mikrometrÛ.
V takovém pfiípadû pouÏijte ãidlo na
7,92 mikrometrech.
• Sklenûné formy - Teplota formy nebo
pístu, které se pouÏívají k v˘robû skle-
vysokou odrazivost a nízkou emisivitu.
Jak formy stárnou, stávají se matn˘mi
a jejich odrazivost klesá a emisivita se
zvy‰uje a je stálej‰í. PouÏívejte radiaãní termometry, které mûfií na krátk˘ch
vlnov˘ch délkách, napfi. 0,9 mikrometrÛ, nebo dvoubarevné pfiístroje.
• Vlhkost - Infraãerven˘ termoãlánek
se mÛÏe pouÏít ke mûfiení relativní vlhkosti, jestliÏe je dostupn˘ vhodn˘ zdroj
vody a proudícího vzduchu. Zamûfite
pfiístroje na vlhk˘ porézní povrch,
kolem kterého proudí vzduch. KdyÏ
vzduch proudí kolem vlhkého povrchu,
vypafiování vody zpÛsobuje ochlazování, aÏ je dosaÏeno rosného bodu
a ochlazování se zastaví. âidlo mÛÏe
Tabulka 8-3: Typická teplotní rozpětí aplikací
APLIKACE
TEPLOTNÍ ROZPùTÍ
Textil, tiskárny, potravináfiství, gumárenství, plastické hmoty,
laminování, údrÏba
-50 aÏ 1000°C
-58 aÏ 1832°F
Biologické vûdy, zoologie, botanika, veterinární medicína, ztráty tepla, v˘zkum
0 aÏ 500°C
32 aÏ 932°F
Tenké plastové filmy, polyester, fluorokarbony, nízkoteplotní sklo
50 aÏ 600°C
122 aÏ 1112°F
Sklo a keramické povrchy, tepelné zpracování, chlazení, zalévání, laminování
300 aÏ 1500°C
572 aÏ 2732°F
Pece, mûfiení teploty plamenÛ a hork˘ch plynÛ
500 aÏ 1500°C
932 aÏ 2732°F
Zpracování Ïelezn˘ch a neÏelezn˘ch kovÛ za tepla
250 aÏ 2000°C
482 aÏ 3632°F
Horké a roztavené kovy, slévání, kalení, kování, Ïíhání a indukãní ohfiev
600 aÏ 3000°C
1112 aÏ 5432°F
nûn˘ch nádob je velmi dÛleÏitá : Pokud
je teplota pfiíli‰ vysoká, pak sklenûn˘
v˘robek mÛÏe opustit formu a neudrÏí si
svÛj tvar. Pokud je naopak teplota pfiíli‰
nízká, nemusí se v˘robek odlít pfiesnû.
Teplota forem se musí trvale kontrolovat,
aby se zajistilo správné chladnutí.
K mûfiení teploty forem je vhodn˘ infraãerven˘ teplomûr. Nûkolik rad:
Neprovádûjte mûfiení u nov˘ch forem.
Jsou obvykle lesklé a ãisté, takÏe mají
64
âíslo 1
b˘t pfiipojeno k displeji, kter˘ zaznamenává nejniωí namûfienou teplotu, tj.
teplotu rosného bodu, která se mÛÏe
dále pouÏít k v˘poãtu relativní vlhkosti.
• Imersní teplomûrné jímky Teplomûrné jímky vyãnívají do vysokotlak˘ch nádob, zásobníkÛ, potrubí nebo
reaktorÛ a umoÏÀují teplotnímu senzoru
umístûní uvnitfi a zároveÀ udrÏení integrity procesu. Infraãerven˘ termoãlánek
nebo vláknovûoptick˘ senzor se mÛÏe
umístit mimo teplomûrnou jímku
a zamûfiit dovnitfi, coÏ je v˘hodnûj‰í neÏ
montáÏ uvnitfi jímky. Konvenãní senzory
vystavené trvale vysok˘m teplotám trpí
metarulgick˘mi zmûnami, které ovlivÀují stabilitu a drift (posun). Ale nekontaktní ãidla tento problém nemají, protoÏe jsou namontována mimo. Jejich
odezva je také rychlej‰í. V podstatû je
doba odezvy radiaãního ãidla stejná
jako u termoãlánku. ProtoÏe senzor je
vnû, bude mít ve srovnání s konvenãním
senzorem del‰í Ïivotnost v prostfiedí
s velmi vysok˘mi teplotami.
Pfii instalaci radiaãního teplomûru do
teplomûrné jímky jej namontujte tak,
aby byl zamûfien pfiímo do její dutiny
a upravte vzdálenost pfiístroje tak, Ïe
zamûfiená oblast má stejn˘ prÛmûr,
jako teplomûrná jímka. Pfii tomto zpÛsobu bude teplomûr monitorovat teplotu
na hrotu jímky. Pokud je jímka vybavena sklenûn˘m prÛhledem, pouÏijte takov˘ senzor, kter˘ vidí skrze tento prÛhled.
• Indukãní ohfiev - Mûfiení teploty
indukãního ohfievu se mÛÏe provádût
pomocí infraãerven˘ch termoãlánkÛ,
teplomûrÛ nebo vláknooptick˘ch senzorÛ. Infraãerven˘ termoãlánek v tom
pfiípadû pracuje ve velmi siln˘ch elektrick˘ch polích obklopujících indukãní
ohfiívaãe. Ujistûte se, Ïe stínící vodiã je
pfiipojen ke vhodnému signálnímu zemnûní. Nejlep‰í metoda je zamûfiit ãást
mezi závity cívky nebo její konec.
Pokud je ãidlo vystaveno velmi vysokému Ïáru, pouÏijte plá‰È pro vodní chlazení (mÛÏete pouÏít stejn˘ vodní zdroj,
kter˘m chladíte indukãní cívky).
Vláknovû optické senzory by mûly b˘t
montovány tak, Ïe snímací konec se
umístí blízko k mûfienému objektu.
V tomto pfiípadû se mÛÏe umístit mezi
ZPRAVODAJ
8
indukãní cívky. Vymûnitelné keramické
koncovky sniÏují opotfiebení a neÏádoucí efekty zpÛsobené elektromagnetick˘m
polem na rádiov˘ch frekvencích. Pokud
vlákno nevyhovuje, pouÏijte ãoãkov˘
systém ke vzdálenému monitorování teploty povrchu. Vláknovû optické senzory
obvykle nejsou indukãními poli ovlivnûny,
ale pokud je ru‰ení extrémnû vysoké,
pouÏijte synchronní demodulaãní systém.
Demodulátor konvertuje stfiídav˘ signál
400 Hz z hlavy detektoru na stejnosmûrn˘ signál, kter˘ je vÛãi ru‰ení odolnûj‰í.
•
Plastické filmy - Film z plastické
hmoty nebo polymeru vyzafiuje tepelné
záfiení jako kter˘koliv jin˘ materiál. Na
druhé stranû se zde jedná o zvlá‰tní
problematiku mûfiení, a to pfii pouÏití
jakéhokoliv senzoru, vãetnû radiaãního
teplomûru. Stejnû, jako v pfiípadû skla,
je i v pfiípadû mûfiení teploty filmu dÛleÏité nainstalovat ãidlo tak, Ïe nevidí
Ïádné horké pfiedmûty za prÛhledn˘m
filmem ani odraÏené paprsky z hork˘ch objektÛ pfied filmem. Pro filmy
o tlou‰Èce 0,0254 nebo 0,254 nebo
V˘robky a jejich pouÏití
2,54 mm (1/1000 nebo 10/1000
nebo 100/1000 palce) je v pfiípadû
acetátu celulosy, polyesteru, fluoroplastického polyamidu, polyurethanu, polyvinylchloridu, akrylátÛ, polykarbonátu,
polyamidu (nylon), polypropylenu,
polyethylenu a polystyrenu vhodná
vlnová délka 3,43µm nebo 7,92µm.
Tak jako u skla dbejte zv˘‰ené pozornosti, kdyÏ se film zahfiívá vysokointensitní kfiemíkovou lampou s wolframov˘m
vláknem. Záfiení takov˘ch lamp interferuje s teplomûry pracujícími s vlnov˘mi
Tabulka 8-4: Použitelné vlnové délky (µm) u různých aplikací
Hliník
Asfalt
Automobilov˘ prÛmysl
Pfiístroje
Stfielivo
Baterie
Cement
Konstrukãní materiály
Sklenûná vlákna
Zpracování potravin
Slévárna
Tavení skla
Brou‰ení a fiezání skla
Sklenûné láhve
Tepelné zpracování
Indukãní ohfiev
Vypalovací pece
Zpracování kovÛ
Dolování
NeÏelezné kovy
Pece
Papír
Farmaceutick˘ prÛmysl
Plasty
Plastové filmy
Guma
Polovodiãe
Ocel
Textil
SluÏby
ZPRAVODAJ
0,65
0,9
1,0
2 barevnû 2 barevnû
0,7-1,08 1,55
a 1,68 µm a 1,68 µm
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1,65
2,0
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
3,43
3,9
5,0
7,9
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
8-14
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
âíslo 1
PRAMEN: IRCON
TYPICKÉ
APLIKACE
65
V˘robky a jejich pouÏití
8
délkami pod 4,7µm v tom pfiípadû pouÏijte ãidlo pro vlnovou délku 7,92µm.
• Mûfiení teploty válcÛ - Infraãervená
ãidla se pouÏívají k mûfiení teplot navíjecích válcÛ, i pochromovan˘ch.
Infraãervené mûfiení teploty pochromovan˘ch nebo nepochromovan˘ch válcÛ
je obtíÏné, protoÏe mají nízkou emisivitu a na senzor dopadá pfiíli‰ velké
mnoÏství odraÏen˘ch paprskÛ. Na
nepouÏívanou ãást válce natfiete ãern˘
prouÏek a zamûfite na nûj termometr.
Tím získáte pouÏiteln˘ signál. Emisivita
se mÛÏe zmûnit, pokud jsou válce
pokryty neãistotou, vlhkostí, nebo olejem. V pfiípadû pochybností jednodu‰e
natfiete ãern˘ pruh. Pokud nemají válce
kovov˘ povrch, je moÏné získat pouÏiteln˘ signál bez ohledu na to, na kterou
ãást válce je pfiístroj zamûfien˘.
Příslušenství, základní
parametry a možnosti
Radiaãní teplomûry a termoãlánky
jsou dostupné s velk˘m mnoÏstvím voliteln˘ch doplÀkÛ, které jsou vhodné pro
rÛzné aplikaãní podmínky. V‰echna
infraãervená ãidla se vyrábûjí pro ‰iroké
pásmo vlnov˘ch délek, teplot a s rÛzn˘mi
optick˘mi systémy. Pfienosné jednotky se
témûfi vÏdy dodávají s transportním obalem a pfiístroje pro permanentní pouÏití
jsou masivní konstrukce. V níÏe uvedeném seznamu jsou dal‰í moÏnosti, technické parametry a pfiíslu‰enství, která
roz‰ifiují moÏnosti pfiístroje pro urãité
typy aplikací. Na trhu jsou LCD displeje,
integrálnû pfiipojené k teplomûru nebo
s moÏností vzdálené montáÏe. Na takov˘ch displejích se mÛÏe souãasnû zobrazovat mnoho promûnn˘ch, napfiíklad
okamÏitá teplota, minimální namûfiená
66
âíslo 1
teplota (v závislosti na ãase), maximální
namûfiená teplota (v závislosti na ãase),
prÛmûrná namûfiená teplota (v závislosti
na ãase), a teplotní rozdíly (napfiíklad
mezi mûfien˘m objektem a jeho okolím).
Na mikroprocesorech zaloÏené
radiaãní teplomûry mají vstupní volby,
které umoÏÀují integraci dat do mûrn˘ch hodnot z dal‰ích ãidel nebo teplomûrÛ ve smyãce. Napfiíklad zvlá‰tní
vstup z termoãlánku nebo odporového
teplomûru mÛÏe kompenzovat v˘stupní
mûfienou teplotu v závislosti na zmûnách teploty v okolí pfiístroje. Pokud je
nutné teplomûr instalovat v obtíÏn˘ch
podmínkách, pak je dostupná ochrana
proti ru‰ení vysok˘mi elektromagnetick˘mi a rádiov˘mi frekvencemi EMI/RFI.
Vût‰ina infraãerven˘ch teplomûrÛ
mÛÏe b˘t dodána s moÏností nastavení emisivity. Navíc je moÏné dodat
nûkteré pfiístroje s nastaviteln˘m zorn˘m polem. Toho se dosáhne, jestliÏe
se do optického systému instaluje irisová clona. Tato clona mÛÏe b˘t otevfiená nebo zavfiená, tak, aby nastavila
‰irok˘ nebo úzk˘ úhel zorného pole.
• Ruční infračervené teploměry
Ruãní pfiístroje jsou obvykle zcela sobûstaãné, bateriemi napájené jednotky,
s ruãním ovládáním a nastavováním,
a nûjak˘m typem digitálního zobrazení.
Takov˘ pfiístroje se mÛÏe namontovat na
stativ. Dal‰í pfiíslu‰enství zahrnuje:
• Laserov˘ zamûfiovaã, jehoÏ paprsek
vytvofií na mûfieném objektu viditelnou
skvrnu a usnadÀuje tak zamûfiení pfiístroje. Tato pfiíslu‰enství je buì integrální souãástí pfiístroje nebo je snímatelné. Ruãní pfiístroje pro mûfiení teploty
z tûsné blízkosti (napfi. pfii mûfiení teploty komponent ti‰tûn˘ch spojÛ) mohou
mít místo svûteln˘ch akustické prÛvodce
zaostfiování.
• Zafiízení pro registraci dat slouÏí ke
sbûru dat z teplomûru a jejich záznamu
pro budoucí pouÏití.
• Digitální tiskárny
• Scannery elektrick˘ch systémÛ
navrÏené speciálnû pro hledání hork˘ch míst v elektrick˘ch panelech, rozvodn˘ch panelech, pojistkov˘ch panelech, transformátorech a podobnû.
• Kapesní ruãní scanner pro obecná
mûfiení teploty.
• V˘stupy: RS232C sériové rozhraní
a/nebo 1mV/°C.
• Infračervené termočlánky
Tyto samonapájecí komponenty vytváfiejí v˘stupní signál s vyuÏitím dopadajícího záfiení, ale obvykle nemají systémy pro zpracování signálu a zobrazení. Infraãerven˘ termoãlánek je jenom
senzor, ale pfiesto má nûkolik voleb
a pfiíslu‰enství.
• Souprava pro vodní nebo vzduchové
chlazení
• Ruãní verze pro pfiesná mûfiení
• Modely s krátkou ohniskovou vzdáleností a se zorn˘m polem aÏ 60:1.
• Periskopová souprava pro mûfiení
v pravém úhlu.
• Levn˘ model s plastick˘m obalem
ABS v cenû 99 dolarÛ.
• MoÏnost nastavení emisivity.
• Dvoubarevná pyrometrická jednotka, která pouÏívá krátkovlnn˘ a dlouhovlnn˘ infraãerven˘ termoãlánek.
• Vláknooptické senzory
Je moÏno získat sondy s ãoãkami rÛzné
velikosti se snímatelnou sklenûnou nebo
kfiemíkovou koncovkou. Volitelné jsou
keramické nebo kovové hroty nebo
ZPRAVODAJ
8
koncovky pro vysoké teploty, ejektorová jehlová sonda pro vstfiikovací lití
a pravoúhlé hranoly. Senzorová ãidla
se dodávají také jako optické tyãinky
aÏ 60cm dlouhé.
Optické kabely se dodávají jako jednoduché, dvojité nebo trojité svazky
obalené ohebnou ocelí (standardnû),
keramikou, vysokozátûÏov˘m opletením, které zaji‰Èuje odolnost proti odfiení, nebo Teflonem‚ v pfiípadû intenzivních elektromagnetick˘ch polí na radiov˘ch frekvencích. Optické kabely b˘vají
obvykle dlouhé okolo 9,15m (30 stop).
• Indikátory a regulátory
Displeje a regulátory jsou souãástí pfiístrojÛ v ‰iroké ‰kále od jednoduch˘ch
digitálních mûfiidel, která zobrazují
signál jako teplotu ve °C nebo °F, aÏ
po sloÏité mnohokanálové pfiístroje,
které provádûjí úpravu signálu, jeho
linearizaci, zachytávání maxim, monitorování alarmov˘ch hodnot, ukládání
minimálních a maximálních hodnot,
prÛmûrování, sbûr dat, a mnoho dal‰ích funkcí pro zpracování signálÛ
a manipulaãních funkcí.
• Stacionární infračervené termometry
Pro radiaãní teplomûry, dvoubarevné
systémy a linescannery jsou k dispozici
stejné moÏnosti, volby a pfiíslu‰enství.
Tyto pfiístroje pro pouÏití ve v˘robních
halách jsou robustní a vybavené ãetn˘m
ZPRAVODAJ
pfiíslu‰enstvím, které jim pomáhá pracovat v obtíÏn˘ch podmínkách.
• Vzduchové ãi‰tûní - se pfiipojuje
k pfiednímu konci pfiístrojové skfiíÀky.
Pfietlak vzduchu pfied pfiední plochou
ãoãky zabraÀuje prachu, koufii, vlhkosti a dal‰ím kontaminantÛm v zneãi‰tûní ãoãky.
• Vzduchové nebo vodní chladící
plá‰tû - jsou k dispozici pro teplá prostfiedí (1,7°C nad teplotou okolí) a pro
horká prostfiedí (aÏ 204°C). Chladící
plá‰tû udrÏují teplotu senzorÛ uvnitfi
obalu na normálních hodnotách.
V˘robky a jejich pouÏití
•
Chlazení na základû Peltierova
efektu. - Chladící systémy vyuÏívající
PeltierÛv efekt mají nûkteré linescannery.
• Pfiíslu‰enství pro pozorování mûfieného objektu - tubusy, laserové zamûfiovaãe, hledáãky.
• Dále jsou k dispozici vestavûné
funkce pro registraci dat a moÏnost,
aby tepelná tiskárna tiskla uloÏená
data. Data mohou b˘t také digitálnû
pfiesunuta na vût‰í vzdálenosti.
•
Vysílaãe. Robustní obal NEMA4 se
stejnosmûrn˘m v˘stupem 4-20mA
a/nebo v˘stupy RS232C/RS485.
T
Literatura
• Handbook of Temperature Measurement & Control, Omega Press, 1997.
• New Horizons in Temperature Measurement & Control, Omega Press, 1996.
• Product Previews in Temperature Measurement & Control, 21st Century™
Preview Edition, Omega Press, 1997.
• Temperature Measurement in Engineering, H. Dean Baker, E. A. Ryder, and
N. H. Baker, Omega Press, 1975.
• „Glass Temperature Measurement”, Technical Note 101, Ircon Inc., Niles, Ill.
• Handbook of Non-Contact Temperature Sensors, Exergen Corp.,
Watertown, Mass., 1996.
• „How Do You Take Its Temperature?,” Aviation Equipment
Maintenance, February 1992.
• „How Infrared Thermometers are Gaining Acceptance”, Paul
Studebaker, Control, July 1993.
• IR Answers and Solutions Handbook, Ircon Inc., Niles, Ill.
• „On-Line Industrial Thermal Imaging Systems Evolve Expanding
Infrared Measuring Capabilities”, George Bartosiak, Industrial Heating,
December 1992.
• „Plastic Film Measurement,” Technical Note 100, Ircon Inc., Niles, Ill.
• „Preventive Maintenance Program Averts Crashes with IR
Thermometer/Thermal Scanning,” Engineer’s Digest, September 1989.
âíslo 1
67
Zdroje informací
Zdroje informací
ORGANIZACE
JMÉNO/ADRESA
Academy of Infrared Thermography
2955 Westsyde Road, Kamloops, BC, Canada, V2B 7E7
TELEFON
WEB ADRESA
250/579-7677
www.netshop.net/~academy/
American Ceramic Society
65 Ceramic Drive, Columbus, OH 43214
614/268-8645
www.acers.org
American Institute of Chemical Engineers (AIChE)
345 East 47 Street, New York, NY 10017-2395
212/705-7338
www.aiche.org
American Society of Mechanical Engineers (ASME)
345 East 47th Street, New York, NY 10017
212/705-7722
www.asme.org
Electric Power Research Institute (EPRI)
3412 Hillview Avenue, Palo Alto, CA 94303
415/855-2000
www.epri.com
Fiber Optics Sensor System Facilities & Optical Fiber
Drawing & Measuring Facilities, Dept. of the Navy
4555 Overlook Avenue, Washington, DC 20375
202/767-3744
Infrared Information and Analysis Center (IRIA)
Dept. of the Navy
PO Box 8618, Ann Arbor, MI
313/994-1200
www.erim.org/IRIA
Infraspection Institute
Shelburne, VT
802/985-2500
www.together.net/~werir
Institute of Electrical & Electronics Engineers (IEEE)
445 Hoes Lane, Piscataway, NJ 08855-1331
732/981-0060
www.ieee.org
ISA—The International Society for Measurement & Control
67 Alexander Drive, Research Triangle Park, NC 27709
919/549-8411
www.isa.org
International Society for Optical Engineers (SPIE)
PO Box 10, Bellingham, WA 98277
206/676-3290
www.spie.org
Lawrence Berkeley National Laboratory,
Infrared Thermography Laboratory
Berkeley, CA 94720
510/486-6844 http://ucaccess.uirt.uci.edu/
(Dariush Arasteh)
National Institute of Standards & Technology
Gaithersburg, MD 20899-0001.
301/975-3058
Bezkontaktní teplomûry
– nejnovûj‰í informace
o pfiístrojové technice mÛÏete
získat na adrese:
68
âíslo 1
www.nist.gov
Newport Electronics, spol. s r. o.
Rudé armády 1868
733 01 Karviná
Telefon: 069/631 18 99
http://www.newport.cz
e-mail: [email protected]
ZPRAVODAJ
Zdroje informací
ODKAZY NA LITERATURU OMEGA PRESS
Book of Books: Scientific & Technical Books, Software & Videos,
Omega Press, 1998.
Handbook of Temperature Measurement & Control,
Omega Press, 1997.
New Horizons in Temperature Measurement & Control,
Omega Press, 1996.
Omega Handbook & Encyclopedia, Purchasing Agent Edition,
Omega Press, 1995.
Product Previews in Temperature Measurement & Control,
Omega Press, 1997.
Product Previews in Temperature Measurement & Control, 21st Century Preview Edition,
Omega Press, 1997.
Temperature Measurement in Engineering,
H. Dean Baker, E. A. Ryder, and N. H. Baker, Omega Press, 1975.
ODKAZY NA OSTATNÍ LITERATURU
Album of Science, The 19th Century
Pearce L. Williams, Charles Scribner’s Sons, 1978.
Applications of Infrared Technology (SPIE Proceedings, Vol. 918)
T.L. Williams (editor), SPIE, 1989.
Applications of Thermal Imaging
S.G. Burnay, T.L. Williams, and C.H. Jones (editor), Adam Hilger, 1988.
Asimov’s Chronology of Science and Discovery
Isaac Asimov, HarperCollins Publishers, 1994.
The Biographical Dictionary of Scientists
2nd ed., Oxford University Press, 1994.
Dictionary of Scientific Biography, Vols. 9, 10, 11
Charles C. Gillispile, Charles Scribner’s Sons, 1973.
Detecting Delaminations in Bridge Decks Using Infrared Thermography
(ASTM Standard D4488-88).
The Detection and Measurement of Infrared Radiation
R.A. Smith, F. E. Jones, and R. P. Chasmar, Oxford at Clarendon Press, 1968.
Engineering in History
Richard S. Kirby and Sidney Withington, Arthur B. Darling, Frederick G. Kilgour, McGraw-Hill, 1956.
Fiber Optic Sensors
Eric Udd, John Wiley & Sons, 1991.
Fundamentals of Infrared Detector Operation and Testing (Wiley Series in Pure and Applied Optics)
John David Vincent, John Wiley & Sons, 1990.
Glass Temperature Measurement, Technical Note 101
Ircon Inc., Niles, Ill.
Handbook of Infrared Optical Materials (Optical Engineering Series, Vol. 30)
Paul Klocek (editor), Marcel Dekker, 1991.
ZPRAVODAJ
âíslo 1
69
Zdroje informací
Handbook of Intelligent Sensors for Industrial Automation
Nello Zuech, Addison-Wesley Publishing Company, 1992.
Handbook of Non-Contact Temperature Sensors
Exergen Corp., Watertown, Mass., 1996.
Handbook of Temperature Measurement & Control
Omega Engineering Co., 1997.
Heat and Thermodynamics, 6th ed.
Mark W. Zemansky, and Richard H. Dittman, McGraw-Hill, 1981.
Industrial Temperature Measurement
Thomas W. Kerlin and Robert L. Shepard, Publishers Creative Series, Inc., ISA.
Infrared Detectors
R. D. Hudson and J. W. Hudson (editor), Van Nostrand Reinhold, 1975.
Infrared Detectors: State of the Art (SPIE Proceedings,Vol. 1735)
Wagih H. Makky (editor), SPIE, 1992.
Infrared Detectors: State of the Art II (SPIE Proceedings, Vol. 2274)
Randolph E. Longshore (editor), SPIE, 1994.
Infrared Detectors and Systems (Wiley Series in Pure and Applied Optics)
Eustace L. Dereniak and G. D. Boreman, John Wiley & Sons, 1996.
The Infrared and Electro-Optical Systems Handbook
Joseph S. Accetta, David L. Shumaker (editor), SPIE, 1993.
Infrared and Optoelectronic Materials and Devices (SPIE Proceedings, Vol. 1512)
Ahmed Naumann, SPIE, 1991.
Infrared Fiber Optics III (SPIE Proceedings Series, Vol. 1591)
James A. Harrington and Abraham Katzir (editor), SPIE, 1992.
Infrared Radiation
Henry L. Hackford, McGraw-Hill, 1960.
Infrared System Engineering (Pure and Applied Optics)
Richard D. Hudson, John Wiley & Sons, 1969.
Infrared Technology Fundamentals (Optical Engineering Series 22)
Irving J. Spiro and Monroe Schlessinger, Marcel Dekker, 1989.
The Infrared Temperature Handbook
Omega Engineering, 1994.
Infrared Thermography (Microwave Technology, Vol 5)
G. Gaussorgues and S. Chomet (translator), Chapman & Hall, 1994.
Instrument Engineers’ Handbook, Third Edition
B. Liptak, Chilton Book Co. (CRC Press), 1995.
An International Conference on Thermal Infrared Sensing for Diagnostics and Control (Thermosene Vii)
Andronicos G. Kantsios (editor), SPIE,1985.
Introduction to Heat Transfer, 2nd ed.
Frank P. Incropera, and David P. DeWitt, John Wiley & Sons, 1990.
An Introduction to the Principles of Infrared Physics
Hayes Aircraft Corp., Infrared Radiation Staff, , Birmingham, Alabama, 1956.
70
âíslo 1
ZPRAVODAJ
Zdroje informací
The Instrument Engineer’s Handbook
B. Liptak, ed., Chilton, 1996.
IR Answers and Solutions Handbook
Ircon Inc., Niles, Ill.
The Invisible World of the Infrared
Jack R. White, Dodd, Mead & Company, 1984.
The McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology, 8th ed., Vol. 9
McGraw-Hill, 1997.
Measurements for Competitiveness in Electronics
NIST Electronics and Electrical Engineering Laboratory,1993.
Nondestructive Evaluation of Materials by Infrared Thermography
Xavier P.V. Maldague, Springer Verlag, 1993.
Notable Twentieth-Century Scientists
Emily J. McMurray, Gale Research Inc., 1995.
Optical Fiber Sensors: Systems and Applications, Vol 2
B. Culshaw and J. Dakin, Artech House; 1989.
Pioneers of Modern Science, The World of Science
Bill MacKeith, Andromeda Oxford Limited, 1991.
Plastic Film Measurement, Technical Note 100
Ircon Inc., Niles, Ill.
Practical Applications of Infrared Thermal Sensing and Imaging Equipment
(Tutorial Texts in Optical Engineering, Vol. 13), Herbert Kaplan, SPIE, 1993.
Process/Industrial Instruments and Controls Handbook, 4th ed.
Douglas M. Considine, McGraw-Hill, 1993.
The Scientific 100. A Ranking of the Most Influential Scientists, Past and Present
John Simmons, Carol Publishing Group, 1996.
Sensors and Control Systems in Manufacturing
S. Soloman, McGraw-Hill, 1994.
Theory and Practice of Radiation Thermometry
David P. DeWitt and Gene D. Nutter, John Wiley & Sons, 1988.
Thermodynamics, 5th ed.
Virgil M. Faires, The Macmillan Company, 1971.
ZPRAVODAJ
âíslo 1
71
Tabulka emisivity
Emisivita běžných materiálů
Poznámka: ProtoÏe emisivita daného materiálu závisí na teplotû a povrchové úpravû, je tfieba brát hodnoty v této tabulce pouze jako orientaãní pro relativní
nebo diferenãní teplotní mûfiení. Pokud je poÏadována vysoká pfiesnost mûfiení, mûla by se stanovit pfiesná hodnota emisivity kovu.
KOVOVÉ MATERIÁLY
MATERIÁL
TEPLOTA °F (°C) ε-EMISIVITA
B Beton
Hrub˘
32-2000 (0-1093)
,94
DlaÏdice, pfiírodní 2500-5000 (1371-2760)
,63-,62
Hnûd˘
2500-5000 (1371-2760)
,87-,83
âern˘
2500-5000 (1371-2760)
,94-,91
C Cín
Neoxidovan˘
77 (25)
,04
Neoxidovan˘
212 (100)
,05
Cínované Ïelezo, jasné
76 (24)
,05
Cínované Ïelezo, jasné
212 (100)
,08
H Haynesova slitina C
Oxidovaná
600 2000 (316-1093)
,90-,96
Haynesova slitina 25
Oxidovaná
600-2000 (316-1093)
,86-,89
Haynesova slitina X
Oxidovaná
600-2000 (316-1093)
,85-,88
Hliník
Neoxidovan˘
77 (25)
,02
Neoxidovan˘
212 (100)
,03
Neoxidovan˘
932 (500)
,06
Oxidovan˘
390 (199)
,11
Oxidovan˘
1110 (599)
,19
Oxidovan˘ pfii 1110°F (599°C)
390 (199)
,11
Oxidovan˘ pfii 1110°F (599°C) 1110 (599)
,19
Velmi oxidovan˘
200 (93)
,20
Velmi oxidovan˘
940 (504)
,31
Vysoce le‰tûn˘
212 (100)
,09
Hrubû le‰tûn˘
212 (100)
,18
Komerãní folie
212 (100)
,09
Vysoce le‰tûné plechy
440 (227)
,04
Vysoce le‰tûné plechy
1070 (577)
,06
Lesklé válcované plechy
338 (170)
,04
Lesklé válcované plechy
932 (500)
,05
Slitina A3003, oxidovaná
600 (316)
,40
Slitina A3003, oxidovaná
900 (482)
,40
Slitina 1100-0
200-800 (93-427)
,05
Slitina 24ST
75 (24)
,09
Slitina 24ST, le‰tûná
75 (24)
,09
72
âíslo 1
MATERIÁL
TEPLOTA °F (°C) ε-EMISIVITA
Slitina 75ST
75 (24)
,11
Slitina 75ST, le‰tûná
75 (24)
,08
Hofiãík
100-500 (38-260)
,07-,13
Hofiãík-oxid
1880-3140 (1027-1727)
,16-,20
Chrom
100 (38)
,08 CH
Chrom
1000 (538)
,26
Chrom, le‰tûn˘
302 (150)
,06
I
Inconel
Folie
1000 (538)
,28
Folie
1200 (649)
,42
Folie
1400 (760)
,58
X, le‰tûná
75 (24)
,19
B, le‰tûná
75 (24)
,21
Kadmium
77 (25)
,02 K
Kobalt
Kobalt, neoxidovan˘
932 (500)
,13
Kobalt, neoxidovan˘
1832 (1000)
,23
Kolumbium
Kolumbium
1500 (816)
,19
Kolumbium
2000 (1093)
,24
M
Mûì
Oxid mûdi
100 (38)
,87
Oxid mûdi
500 (260)
,83
Oxid mûdi
1000 (538)
,77
âerná, oxidovaná
100 (38)
,78
Leptaná
100 (38)
,09
Matná
100 (38)
,22
Hrubû le‰tûná
100 (38)
,07
Le‰tûná
100 (38)
,03
Vysoce le‰tûná
100 (38)
,02
Válcovaná
100 (38)
,64
Drsná
100 (38)
,74
RozÏhavená, tavená
1000 (538)
,15
RozÏhavená, tavená
1970 (1077)
,16
RozÏhavená, tavená
2230 (1221)
,13
Poniklovaná
100-500 (38-260)
,37
Molybden
100 (38)
,06
Molybden
500 (260)
,08
ZPRAVODAJ
Tabulka emisivity
MATERIÁL
TEPLOTA °F (°C) ε-EMISIVITA
Molybden
1000 (538)
,11
Molybden
2000 (1093
,18
Oxidovan˘ pfii 1000°F
600 (316)
,80
Oxidovan˘ pfii 1000°F
700 (371)
,84
Oxidovan˘ pfii 1000°F
800 (427)
,84
Oxidovan˘ pfii 1000°F
900 (482)
,83
Oxidovan˘ pfii 1000°F
1000 (538)
,82
Monel
Monel, Ni-Cu
392 (200
,41
Monel, Ni-Cu
752 (400)
,44
Monel, Ni-Cu
1112 (600)
,46
Oxidovan˘
68 (20)
,43
Oxidovan˘ pfii 1110°F
1110 (599)
,46
Mosaz
73% Cu, 27% Zn, le‰tûná
476 (247)
,03
73% Cu, 27% Zn, le‰tûná
674 (357)
,03
62% Cu, 37% Zn, le‰tûná
494 (257)
,03
62% Cu, 37% Zn, le‰tûná
710 (377)
,04
83% Cu, 17% Zn, le‰tûná
530 (277)
,03
Matná
68 (20)
,07
Vyle‰tûná do hnûda
68 (20)
,40
Cu-Zn, oxidoavná
392 (200)
,61
Cu-Zn, oxidoavná
752 (400)
,60
Cu-Zn, oxidoavná
1112 (600)
,61
Neoxidovaná
77 (25)
,04
Neoxidovaná
212 (100)
,04
N Nikl
Le‰tûn˘
100 (38)
,05
Oxidovan˘
100-500 (38-260)
,31-,46
Neoxidovan˘
77 (25)
,05
Neoxidovan˘
212 (100)
,06
Neoxidovan˘
932 (500)
,12
Neoxidovan˘
1832 (1000)
,19
Elektrolytick˘
100 (38)
,04
Elektrolytick˘
500 (260)
,06
Elektrolytick˘
1000 (538)
,10
Elektrolytick˘
2000 (1093)
,16
Nikl-oxid
1000-2000 (538-1093)
,59-,86
O Ocel
Za studena válcovaná
200 (93)
,75-,85
Brou‰ené plechy
1720-2010 (938-1099)
,55-,61
Le‰tûné plechy
100 (38)
,07
Le‰tûné plechy
500 (260)
,10
Le‰tûné plechy
1000 (538)
,14
ZPRAVODAJ
MATERIÁL
TEPLOTA °F (°C) ε-EMISIVITA
Mûkká ocel, le‰tûná
75 (24)
,10
Mûkká ocel, hladká
75 (24)
,12
Mûkká ocel, tekutá 2910-3270 (1599-1793)
,28
Ocel, neoxidovaná
212 (100)
,08
Ocel, oxidovaná
77 (25)
,80
Ocel - slitiny
Typ 301, le‰tûná
75 (24)
,27
Typ 301, le‰tûná
450 (232)
,57
Typ 301, le‰tûná
1740 (949)
,55
Typ 303, oxidovaná 600-2000 (316-1093)
,74-,87
Typ 310, válcovaná 1500-2100 (816-1149)
,56-,81
Typ 316, le‰tûná
75 (24)
,28
Typ 316, le‰tûná
450 (232)
,57
Typ 316, le‰tûná
1740 (949)
,66
Typ 321
200-800 (93-427)
,27-,32
Typ 321, le‰tûná
300-1500 (149-815)
,18-,49
Typ 321 w/BK oxid
200-800 (93-427)
,66-,76
Typ 347, oxidovaná 600-2000 (316-1093)
,87-,91
Typ 350
200-800 (93-427)
,18-,27
Typ 350 le‰tûná
300-1800 (149-982)
,11-,35
Typ 446, le‰tûná
300-1500 (149-815)
,15-,37
Typ 17-7 PH
200-600 (93-316)
,44-,51
Typ 17-7 PH le‰tûná
300-1500 (149-815)
,09-,16
Typ C1020, oxidovaná 600-2000 (316-1093)
,87-,91
Typ PH-15-7 MO
300-1200 (149-649)
,07-,19
Stellit, le‰tûn˘
68 (20)
,18
Olovo
Le‰tûné
100-500 (38-260)
,06-,08
Drsné
100 (38)
,43
Oxidované
100 (38)
,43
Oxidované pfii 1100°F
100 (38)
,63
·edé oxidované
100 (38)
,28
Paladium (pokovení 0,0005 aÏ
P
0,005 na stfiíbfie
200-750 (93-399)
,16-,17
Platina
100 (38)
,05
Platina
500 (260)
,05
Platina
1000 (538)
,10
Platina, ãerná
100 (38)
,93
Platina, ãerná
500 (260)
,96
Platina, ãerná
2000 (1093)
,97
Oxidovaná pfii 1100°F (593°C) 500 (260)
,07
Oxidovaná pfii 1100°F (593°C) 1000 (538)
,11
Rhodium (pokovení 0,0002 aÏ
R
0,0005 na Ni)
200-700 (93-371)
,10-,18
âíslo 1
73
Tabulka emisivity
S
T
U
V
74
MATERIÁL
TEPLOTA °F (°C) ε-EMISIVITA
RtuÈ
32 (0)
,09
RtuÈ
77 (25), 100 (38)
,10
RtuÈ
212 (100)
,12
Slitiny
20-Ni, 24-CR, 55-FE, Oxidovan˘ 392 (200)
,90
20-Ni, 24-CR, 55-FE, Oxidovan˘ 932 (500)
,97
60-Ni, 12-CR, 28-FE, Oxidovan˘ 518 (270)
,89
60-Ni, 12-CR, 28-FE, Oxidovan˘ 1040 (560)
,82
80-Ni, 20-CR, Oxidovan˘
212 (100)
,87
80-Ni, 20-CR, Oxidovan˘
1112 (600)
,87
80-Ni, 20-CR, Oxidovan˘
2372 (1300)
,89
Stfiíbro
Postfiíbfiení (0,0005 on Ni) 200-700 (93-371)
,06-,07
Le‰tûné
100 (38)
,01
Le‰tûné
500 (260)
,02
Le‰tûné
1000 (538)
,03
Le‰tûné
2000 (1093)
,03
Tantal
Neoxidovan˘
1340 (727)
,14
Neoxidovan˘
2000 (1093)
,19
Neoxidovan˘
3600 (1982)
,26
Neoxidovan˘
5306 (2930)
,30
Titan
Slitina C110M, le‰tûná 300-1200 (149-649)
,08-,19
Slitina C110M, oxidovaná
pfii 1000°F (538°C)
200-800 (93-427)
,51-,61
Slitina Ti-95A, oxidovaná
pfii 1000°F (538°C)
200-800 (93-427)
,35-,48
Anodizovan˘ k SS
200-600 (93-316)
,96-,82
Uhlík
Lampová ãerÀ
77 (25)
,95
Neoxidovan˘
77 (25), 212 (100)
,81
Neoxidovan˘
932 (500)
,79
Svíãková saze
250 (121)
,95
Vlákno
500 (260)
,95
Grafitovan˘
212 (100)
,76
Grafitovan˘
572 (300)
,75
Grafitovan˘
932 (500)
,71
Uran-oxid
1880 (1027)
,79
Vismut
Leskl˘
176 (80)
,34
Neoxidovan˘
77 (25)
,05
Neoxidovan˘
212 (100)
,06
âíslo 1
MATERIÁL
TEPLOTA °F (°C) ε-EMISIVITA
Wolfram
W
Neoxidovan˘
77 (25)
,02
Neoxidovan˘
212 (100)
,03
Neoxidovan˘
932 (500)
,07
Neoxidovan˘
1832 (1000)
,15
Neoxidovan˘
2732 (1500)
,23
Neoxidovan˘
3632 (2000)
,28
Vlákno (staré)
100 (38)
,03
Vlákno (staré)
1000 (538)
,11
Vlákno (staré)
5000 (2760)
,35
Zinek
Z
Leskl˘, galvanisovan˘
100 (38)
,23
Komerãní 99,1%
500 (260)
,05
Galvanizovan˘
100 (38)
,28
Oxidovan˘
500-1000 (260-538)
,11
Le‰tûn˘
100 (38)
,02
Le‰tûn˘
500 (260)
,03
Le‰tûn˘
1000 (538)
,04
Le‰tûn˘
2000 (1093)
,06
Zlato
Glazura
212 (100)
,37
Plate (,0001)
Pokovení 0,0005 na Ag 200-750 (93-399)
,11-,14
Îelezo
Oxidované
212 (100)
,74
Oxidované
930 (499)
,84
Oxidované
2190 (1199)
,89
Neoxidované
212 (100)
,05
âervená rez
77 (25)
,70
Zkorodované
77 (25)
,65
Tekuté
2700-3220 (1516-1771)
,42-,45
Îelezo, lité
Oxidované
390 (199)
,64
Oxidované
1110 (599)
,78
Neoxidované
212 (100)
,21
Silná oxidace
40 (104), 482 (250)
,95
Tekuté
2795 (1535)
,29
Îelezo, tepané
Matné
77 (25), 660 (349)
,94
Hladké
100 (38)
,35
Le‰tûné
100 (38)
,28
Pokovení 0,0005 na Ni 200-750 (93-399)
,07-,09
Le‰tûné
100-500 (38-260)
,02
Le‰tûné
1000-2000 (538-1093)
,03
ZPRAVODAJ
Tabulka emisivity
NEKOVOVÉ MATERIÁLY
MATERIÁL
TEPLOTA °F (°C) ε-EMISIVITA
A Azbest
Deska
100 (38)
,96
Cement
32-392 (0-200)
,96
Cement, ãerven˘
2500 (1371)
,67
Cement, bíl˘
2500 (1371)
,65
Textilie
199 (93)
,90
Papír
100-700 (38-371)
,93
Bfiidlicovû ‰ed˘
68 (20)
,97
Asfalt - hodník
100 (38)
,93
Asfalt - térov˘ papír
68 (20)
,93
B Barvy
Modrá, Cu2O3
75 (24)
,94
âernák, CuO
75 (24)
,96
Zelená, Cu2O3
75 (24)
,92
âervená, Fe2O3
75 (24)
,91
Bílá, Al2O3
75 (24)
,94
Bílá, Y2O3
75 (24)
,90
Bílá, ZnO
75 (24)
,95
Bílá, MgCO3
75 (24)
,91
Bílá, ZrO2
75 (24)
,95
Bílá, ThO2
75 (24)
,90
Bílá, MgO
75 (24)
,91
Bílá, PbCO3
75 (24)
,93
Îlutá PbO
75 (24)
,90
Îlutá, PbCrO4
75 (24)
,93
Barvy, hliník
100 (38)
,27-,67
10% Al
100 (38)
,52
26% Al
100 (38)
,30
Dow XP-310
200 (93)
,22
Barvy, bronz
Low
,34-80
Klovatinová fermeÏ (2 nátûry)
70 (21)
,53
Klovatinová fermeÏ (3 nátûry)
70 (21)
,50
Celulosov˘ tmel (2 nátûry)
70 (21)
,34
Barvy, olej
V‰echny barvy
200 (93)
,92-,96
âerná
200 (93)
,92
âerná leklá
70 (21)
,90
Krycí zeleÀ
125 (52)
,85
Mátná ãerná
80 (27)
,88
Matná bílá
80 (27)
,91
·edozelená
70 (21)
,95
Zelená
200 (93)
,95
Lampová ãerÀ
209 (98)
,96
ZPRAVODAJ
MATERIÁL
TEPLOTA °F (°C) ε-EMISIVITA
âervená
200 (93)
,95
Bílá
200 (93)
,94
Bfiidlice
100 (38)
,67-,80
C
Cihla
âervená, drsná
70 (21)
,93
Gault
2500-5000 (1371-2760)
,26-,30
Ohnivzdorná hlína, ‰amot
2500 (1371)
,75
Svûtlá le‰tûná
1000 (538)
,80
Cihla z vápenné hlíny
2500 (1371)
,43
Ohnivzdorná, pálená cihla
1832 (1000)
,75-,80
Magnesitová cihla
1832 (1000)
,38
·edá cihla
2012 (1100)
,75
Kfiemen, glazovaná
2000 (1093)
,88
Kfiemen, neglazovaná
2000 (1093)
,80
Pískovápenná cihla 2500-5000 (1371-2760)
,59-,63
Cihla nepálená
68 (20)
,90
âediã
68 (20)
,72
âervené olovo
212 (100)
,93
Dolomit
69 (20)
,41 D
Dfievo
Low
,80-,90
Bukové, hoblované
158 (70)
,94
Dubové, hoblované
100 (38)
,91
Smrkové, obrou‰ené, smirkované
100 (38)
,89
Guma
G
Tvrdá
74 (23)
,94
Mûkká, ‰edá
76 (24)
,86
Hlína
68 (20)
,39 H
Vypalovaná
158 (70)
,91
Jílovitá bfiidlice
68 (20)
,69
DlaÏdice, sv. ãervená 2500-5000 (1371-2760)
,32-,34
DlaÏdice, ãervená 2500-5000 (1371-2760)
,40-,51
DlaÏdice, tm. purpur. 2500-5000 (1371-2760)
,78
Kamenné zdivo
100 (38)
,93 K
Karborundum
1850 (1010)
,92
Karbid kfiemíku
300-1200 (149-649)
,83-,96
Keramika
Oxid hlinit˘ na inconelu 800-2000 (427-1093)
,69-,45
Kamenina, glazovaná
70 (21)
,90
Kamenina matná
70 (21)
,93
ZeleÀ ã. 5210-2C
200-750 (93-399)
,89-,82
Nátûr ã. C20A
200-750 (93-399)
,73-,67
Porcelán
72 (22)
,92
Bíl˘ Al2O3
200 (93)
,90
âíslo 1
75
Tabulka emisivity
MATERIÁL
TEPLOTA °F (°C) ε-EMISIVITA
Oxid zirkonia na inconelu800-2000 (427-1093) ,62-,45
Kfiemen
Glazovan˘
1832 (1000)
,85
Neglazovan˘
2012 (1100)
,75
Kfiemen, hrub˘, taven˘
70 (21)
,93
Sklo, 1,98 mm
540 (282)
,90
Sklo, 1,98 mm
1540 (838)
,41
Sklo, 6,88 mm
540 (282)
,93
Sklo, 6,88 mm
1540 (838)
,47
NeprÛhledn˘
570 (299)
,92
NeprÛhledn˘
1540 (838)
,68
L Lak
âern˘
200 (93)
,96
Modr˘ na Al folii
100 (38)
,78
PrÛhledn˘ na Al folii (2 vrstvy)
200 (93) ,08 (,09)
PrÛhledn˘ na svûtlé Cu
200 (93)
,66
PrÛhledn˘ na za‰lé Cu
200 (93)
,64
âerven˘ na Al folii
100 (38) ,61 (,74)
Bíl˘
200 (93)
,95
Bíl˘ na Al folii (2 vrstvy)
100 (38) ,69 (,88)
Îlut˘ na Al folii (2 vrstvy)
100 (38) ,57 (,79)
Led
Hladk˘
32 (0)
,97
Hrub˘
32 (0)
,98
M Malta
100-500 (38-260)
,90-,92
Mramor
Bíl˘
100 (38)
,95
Hladk˘, bíl˘
100 (38)
,56
Le‰tûn˘ ‰ed˘
100 (38)
,75
O Olej, lnûn˘
Na Al folii, nenatíran˘
250 (121)
,09
Na Al folii, 1 nátûr
250 (121)
,56
Na Al folii, 2 nátûry
250 (121)
,51
Na le‰tûném Ïeleze, 0,001 vrstva
100 (38)
,22
Na le‰tûném Ïeleze, 0,002 vrstva
100 (38)
,45
Na le‰tûném Ïeleze, 0,004 vrstva
100 (38)
,65
Na le‰tûném Ïeleze, silná vrstva
100 (38)
,83
Olej na niklu
0,001 vrstva
72 (22)
,27
0,002 vrstva
72 (22)
,46
0,005 vrstva
72 (22)
,72
76
âíslo 1
MATERIÁL
Silná vrstva
Piliny
Písek
Pískovec
Pískovec, ãerven˘
PÛda, zemû
Povrch
âerná pÛda
Zorané pole
Saze
Acetylen
Kafr
Svíãka
Uhlí
Sádra
Shale
Sklo
Convex D
Convex D
Convex D
Nonex
Nonex
Nonex
Hladké
Slída
Smirkov˘ korund
Sníh
Drobné ãásteãky
Zrnit˘
·tûrk
Textilie bavlnûná
Textilie hedvábná
Vápenec
Voda
Vodní sklo
Îula
TEPLOTA °F (°C) ε-EMISIVITA
72 (22)
,82
68 (20)
,75 P
68 (20)
,76
100 (38)
,67
100 (38)
,60-,83
100 (38)
68 (20)
68 (20)
,38
,66
,38
75 (24)
75 (24)
250 (121)
68 (20)
68 (20)
68 (20)
,97
,94
,95
,95
,80-,90
,69
212 (100)
600 (316)
932 (500)
212 (100)
600 (316)
932 (500)
32-200 (0-93)
100 (38)
176 (80)
,80
,80
,76
,82
,82
,78
,92-,94
,75
,86
S
20 (-7)
18 (-8)
100 (38)
68 (20)
68 (20)
100 (38)
100 (38)
68 (20)
70 (21)
,82
,89
,28
,77 T
,78
,95 V
,67
,96
,45 Z
ZPRAVODAJ
Slovník
Slovník
A
Absolutnû ãerné tûleso: Teoretick˘ objekt, kter˘ vyzafiuje
maximální mnoÏství energie pfii dané teplotû a absorbuje
v‰echnu dopadajjící energiii. Absolutnû ãerné tûleso není
nutnû ãerné barvy. Slovo „ãerné“ je v názvu, protoÏe ãerná
barva zcela absorbuje svûtelnou energii.
Absolutní nula: Teplota pfii které je tepelná energie minimální. Je definována jako 0°K (Kelvina) neboi 0°R (Rankina)
(-273,15°C nebo –459,67°F).
Absorptivita: Frakce a dopadajícího záfiení, která je absorbována povrchem.
Americk˘ národní úfiad pro standardy (ANSI – American
National Standards Institute): Úfiad v USA, zodpovûdn˘ za
tvorbu národních standardÛ USA.
Ampér (A): Jednotka elektrického poudu v elektrickém
obvodu. Rozmûr 1 Coulomb (6,25x1018 elektronÛ).
B
Bod mrazu (Ice point): Teplota pfii které mrzne ãistá voda
(0°C, 32°F, 273,15K)
Bod mrazu: Teplota, pfii které se látka mûní z tekutého skupenství do tuhého.
Bod tání: Teplota, pfii které pfiechází látka ze skupenství pevného do skupenství kapalného.
Bod varu: Teplota, pfii které se látka v tekuté fázi pfiemûÀuje na plynnou fázi. BûÏnû se tímto termínem myslí bod varu
vody (100°C, 212°F).
Bolometr: Infraãerven˘ teplotní detektor s odporov˘m teplomûrem k mûfiení záfiení.
BTU: (British thermal unit – britská tepelná jednotka) mnoÏství energie potfiebné k ohfievu jedné libry vody o 1°F.
C
CelsiÛv stupeÀ: teplotní ‰kála definovaná jako 0°C
v bodû mrazu vody a 100°C v bodû varu vody pfii normálním tlaku.
CPS: Hertz (cyklus za sekundu.)
D
Difúzní emitor: Povrch, kter˘ emituje záfiení stejnû ve v‰ech
smûrech
DIN: Deutsche Industrial Norms (Nûmecké prÛmyslové
ZPRAVODAJ
normy) – nûmecká agentura která vydává prÛmyslové
a mûfiící standardy, které jsou nyní celosvûtovû akceptovány.
Duální senzor: Senzorová soustava sloÏená ze dvou nezávisl˘ch ãidel.
Dvoubarevn˘ pyrometr: Radiaãní teplomûr, kter˘ mûfií radiaci povrchu na dvou vlnov˘ch délkách, takÏe redukuje vliv
závislosti emisivity na vlnové délce.
E
Elektromagnetická interference (EMI): Elektrick˘ ‰um indukovan˘ v signálních vodiãích, zastírající signál pfiístroje.
Elektromotorická síla (EMF): napûtí
Emisivita/emitivita: Pomûr energie vyzafiované povrchem
tûlesa za urãité teploty k energii vyzafiované absolutnû ãern˘m tûlesem za stejné teploty. Oznaãuje se e. Emisivita je
vlastností materiálu, zatímco emitivita je charakteristika urãitého daného povrchu.
Emisivní (záfiív˘) v˘kon: Míra radiace, která je emitována
jednotkov˘m povrchem na jednotku vlnové délky.
F
Fahrenheit: teplotní stupnice definovaná 32°F v bodu
mrazu vody a 212°F v bodu varu vody pfii hladinû mofie
(normálním tlaku).
Fáze: âasov˘ vztah mezi danou funkcí a periodickou referenãní funkcí.
Fotonov˘ detektor: Detektor radiaãního teplomûru, kter˘
jako odezvu na dopadající záfiení uvolÀuje elektrick˘ náboj.
Frekvence: Poãet cyklÛ za jednotku ãasu. V pfiípadû elektromagnetického záfiení se obvykle oznaãuje symbolem ν.
H
Hertz (Hz): Jednotka frekvence, definovaná jako cyklus za
sekundu.
CH
Chyba: Rozdíl mezi správnou (poÏadovanou) hodnotou
a aktuálnû namûfienou hodnotou.
I
Impedance: Celkov˘ odpor
Infraãerven˘ termoãlánek: Radiaãní teplomûr, jehoÏ v˘stup
je podobn˘ jako standardní termoãlánek, obvykle pracuje
ve více limitovaném teplotním rozmezí.
âíslo 1
77
Slovník
Infraãerven˘: Rozsah elektromagnetického spektra za hranicí ãerveného viditelného svûtla – od 760 nm do 1000µm.
Interference s rádiov˘mi frekvencemi (RFI): ·um indukovan˘ na signálních vodiãích pÛsobením elektromagnetické
radiace na rádiov˘ch frekvencích.
ISA: PÛvodnû Instrument Society of America, nyní se naz˘vá
International Society for Measurement & Control.
J
Jiskrovû bezpeãn˘/vnitfiní bezpeãnost ve v˘bu‰ném prostfiedí (Intrinsically safe): Pfiístroj, jehoÏ elektrická energie je
omezena tak, Ïe nemÛÏe jiskfiit nebo jinak zapálit hofilavé
prostfiedí.
Joule: Základní jednotka tepelné energie.
Junkce, spojení: Bod na termoãlánku, ve kterém jsou spojeny dva rÛzné kovy.
K
Kalibrace: Proces pfiizpÛsobení pfiístroje nebo vypracování
tabulky v˘chylek, takÏe naãítaná hodnota se mÛÏe korelovat
s aktuální mûfienou hodnotou.
Kalorie: Míra tepelné energie, definovaná jako mnoÏství
tepla nutné k ohfiátí 1g vody o 1°C pfii 15°C.
Kelvin: Absolutní teplotní stupnice zaloÏená na stupnici
Celsiovû, ale její nulová hodnota je definovaná do absolutní nuly. 0°C odpovídá 273,15K.
Kód barvy: Kódování barvy vypracované v Americkém
národním úfiadu pro normy (ANSI) pro vodiãe termoãlánkÛ
(a infraãerven˘ch teplomûrÛ). Negativní vodiã je vÏdy ãerven˘. Kódování barvy pro základní kovové termoãlánky je:
Ïlutá pro typ K, ãerná pro typ J, temnû fialová pro typ
E a modrá pro typ T.
Koeficient potlaãení nesouhlasného napûtí (Normal-mode
rejection ratio): Schopnost pfiístroje potlaãit elektrickou interferenci na vstupních konektorech. Obvykle se udává pro
síÈové síÈové frekvence 50-60Hz.
Koeficient potlaãení souhlasného napûtí (Common mode
rejection ratio, CMR): Schopnost pfiístroje potlaãit interferenci spoleãného napûÈí vzhledem k zemi na vstupních konektorech. Obvykle se vyjadfiuje v decibelech dB.
Kompenzace okolní teploty: Uspofiádání pfiístroje, pfii kterém zmûny v teplotû okolí neovlivÀují mûrnou hodnotu
Kompenzaãní slitiny: Slitiny, které se pouÏívají k pfiipojení
termoãlánku a infraãerven˘ch termoãlánku k mûfiícím pfiístrojÛm. Tyto slitiny jsou voleny tak, aby mûly v urãitém teplotním rozmezí podobné termoelektrické vlastnosti jako
78
âíslo 1
materiál termoãlánku.
Kompenzovan˘ konektor: Konektro vyroben˘ ze stejn˘ch
slitin jako termoãlánek. PouÏívá se k pfiipojení termoãlánku
a infraãerven˘ch termoãlánkov˘ch sond a vodiãÛ.
Kryogenika: Mûfiení velmi nízk˘ch teplot, pod -200°C.
L
Linescanner: Pfiístroj, kter˘ uÏívá sérii pohybujících se zrcadel k mûfiení teploty nebo dal‰ích vlastností mnoha bodÛ na
pohybující se síti nebo povrchu.
M
Mûfiící spojení (junkce): Spojení na termoãlánku, které se
oznaãuje jako horké spojení a uÏívá se k mûfiení neznámé
teploty.
Mikron (µm): 10-6 m. Jedna miliontina metru.
Miliampér (mA): jedna tisícina ampéru.
Milivolt (mV): Jedna tisícina voltu.
N
N = N-faktor: (= 14388/(λT))
Napájecí jednotka: Speciální jednotka nebo ãást obvodu,
která poskytuje energii zbytku obvodu.
Nelinearita: Odchylka závislosti v˘stupní hodnoty pfiístroje
od pfiímkové závislosti.
Nulová odchylka: Nenulov˘ v˘stup pfiístroje vyjádfien˘
v mûrn˘ch jednotkách, je-li skuteãná hodnota nulová.
O
Odpor: Odpor, kter˘ klade vodiã elektrickému proudu, mûfií
se v ohmech, Ω.
Ohmetr: Pfiístroj k mûfiení elektrického odporu
Okolní teplota: PrÛmûrná teplota okolního vzduchu v okolí
pfiístroje
Opakovatelnost: Schopnost pfiístroje dát stejn˘ v˘stup nebo
mûrnou hodnotu, pokud se zopakují podmínky mûfiení.
Optická izolace: ZpÛsob oddûlení dvou elektrick˘ch obvodÛ, kdy z dÛvodÛ oddûlení se pouÏívá pfienos signálu
pomocí LED vysílaãe a pfiíjmaãe.
Optick˘ pyrometr: Infraãerven˘ teplomûr, kter˘ mûfií teplotu
velmi hork˘ch objektÛ na viditeln˘ch vlnov˘ch délkách.
P
Polarita: V pfiípadû elektfiiny kvalita dvou opaãn˘ch pólÛ,
jeden je pozitivní, druh˘ negativní.
Posun (drift): Samovolná zmûna v naãítan˘ch hodnotách
pfiístroje nebo zmûna nastavení bûhem del‰ích ãasov˘ch
období, zpÛsobená ãasem, napûtím, úãinky okolní teploty.
Pracovní standard: Standard nebo jednotka mûfiení kalibroZPRAVODAJ
Slovník
vaná buì podle primárního nebo sekundárního standardu,
kter˘ se pouÏívá ke kalibraci nebo ke srovnávacím mûfiením.
Primární standard: Standardní referenãní jednotky a fyzikální konstanty uchovávané v Národním úfiadu pro standardy a technologie (NIST), od nichÏ jsou odvozeny v‰echny mûfiící pfiístroje v USA.
Proud: Míra elektrického toku. Jednotka je ampér (A), coÏ
odpovídá 1 coulombu za sekundu.
Pfiesnost: Blízkost hodnoty namûfiené mûfiícím zafiízením ke
skuteãné hodnotû mûfiené veliãiny
Pyroelektrick˘ detektor: Detektor radiaãního teplomûru, jehoÏ
povrchov˘ náboj se mûní v závislosti na dopadajícím záfiení.
Teplomûrná jímka (thermowell): Trubice s uzavfien˘m koncem urãená k ochranû teplotního senzoru proti po‰kození.
Termoãlánek: Spojení dvou rÛzn˘ch kovÛ, jímÏ protéká
mûfiiteln˘ proud v závislosti na teplotním rozdílu mezi dvojicí takov˘ch spojení.
Termoelektrická baterie: Uspofiádání nûkolika termoãlánkÛ
do série, takÏe termoelektrick˘ v˘stup se amplifikuje.
Termografie: Prezentace a interpretace dvourozmûrn˘ch
teplotních obrazÛ.
Termometrie: Vûda o mûfiení teploty
Transmitance/transmisivita: Podíl dopadajícího záfiení,
kter˘ prochází skrze objekt.
R
Radiace: Pohyb energie ve formû elektromagnetick˘ch vln.
Referenãní spojení: Chladné spojení termoãlánkového obvodu, které se udrÏuje na známé konstantní teplotû.
Reflektivita/Reflektance: Podíl dopadajícího záfiení odraÏeného objektem nebo povrchem.
Rezistance (odpor) obvodu: Celková rezistance elektrického
obvodu
Rozpûtí (span): Rozdíl mezi horním a dolním limitem urãitého rozsahu, vyjadfiuje se ve stejn˘ch jednotkách jako rozsah.
Rozsah (Range): Oblast mezi dvûma limity, mezi nimiÏ se mûfií
urãitá kvantita. Udává se pomocí horního a dolního limitu.
S
Sekundární standard: Standard, nebo jednotka mûfiení
odvozená z primárního standardu.
Senzitivita: Minimální zmûna fyzikální promûnné, na kterou
je schopen pfiístroj reagovat.
Spektrální filtr: Filtr, kter˘ propu‰tí jenom specifické pásmo
elektromagnetického spektra, napfi. 4-8 µm (Iâ)
Stabilita: Schopnost pfiístroje nebo senzoru udrÏet konstatní
v˘stup, pokud se aplikuje konstantní vstup.
StupeÀ: Jednotka na teplotní ‰kále
·um: NeÏádoucí elektrická interference na signálním vodiãi.
T
Tepeln˘ detektor: Radiaãní teplomûr, kter˘ generuje v˘stupní signál zaloÏen˘ na absorbované tepelné energii
Tepeln˘ pfienos: Proces toku tepelné energie z tûlesa o vy‰‰í
energii k tûlesu o niωí energii cestou kondukce (vedení),
konvekce (proudûní) a/nebo radiace
Teplo: Tepelná energie, obvykle vyjadfiovaná v kaloriích
nebo BTU (pozn. pfiekladatele – v na‰ich podmínkách obvykle J nebo kJ).
U
Úzkopásmov˘ teplomûr: Radiaãní teplomûr, kter˘ mûfií
záfiení v úzkém pásmu vlnov˘ch délek, obvykle omezeném
optick˘m filtrem.
ZPRAVODAJ
V
Velikost mûfiené plochy (spot size): PrÛmûr kruhu vymezeného prÛfiezem zorného pole optického pfiístroje v urãité
vzdálenosti.
Vlákno-optick˘ radiaãní teplomûr: Radiaãní teplomûr, kter˘
pouÏívá vláknovû-optickou sondu, aby bylo moÏné oddûlit
detektor, schránku pfiístroje a elektroniku a samotn˘ bod
vstupu záfiení do pfiístroje. PouÏívá se k mûfiení teploty
v obtíÏnû dosaÏiteln˘ch místech nebo pfii obtíÏn˘ch podmínkách (vysoká teplota).
Vlnová délka: Vzdálenost mezi dvûma vrcholy vln. V pfiípadû elektromagnetické radiace v infraãervené oblasti se
obvykle mûfií v mm a symbolem je l.
Volt (V): Jednotka rozdílu elektrického potenciálu mezi
dvûma body v obvodu. Pokud je potenciálov˘ rozdíl 1V,
uvolní se (vynaloÏí se) na pfiesun elektrického náboje
1C práce 1J.
Vzájemná chyba: Chyba mûfiení, která se objevuje, pokud
pouÏijeme 2 nebo více senzorÛ k mûfiení jedné hodnoty. Je
zpÛsobena jemn˘mi variacemi ve vlastnostech senzorÛ.
Z
Zem: Místo s neutrálním potenciálem, jak˘ má okolní zemû.
Negativní pól systémÛ se stejnosmûrn˘m napûtím.
Referenãní bod elektrického systému.
Zisk: Míra zesílení v elektrickém obvodu
Zorné pole: Velikost prostoru vymezená prostorov˘m úhlem
s vrcholem v ohniskové rovinû pfiístroje.
âíslo 1
79
Rejstfiík
Rejstřík
A
Absolutnû ãerné tûleso
definice
chování absolutnû ãerného tûlesa
pouÏití pfii kalibraci
pfiiblíÏení realitû
Absorptivita
Aplikaãní návody
atmosferická interference
mûfien˘ objekt – materiál
pracovní prostfiedí
teplotní rozmezí
volba vlnové délky
B
Bibliografie
Bolometr
Boltzmann, Ludwig
Bunsen, Robert
C
Clona
âi‰tûní
D
Detektor
citlivost
foton
kompensace chyb
pyoelektrick˘
sensitivita
tepeln˘
Dvoubarevné pyrometry
(viz radiaãní termometr, pomûrov˘)
E
Einstein, Albert
Elektromagnetismus, základní zákony
Elektronika
anal˘za signálu
filtrování
kompensace detektoru
kontrolní funkce
skenování
termografie
Emisivita
definice
experimentální stanovení
80
âíslo 1
13, 18
14
54-55
19
18, 21
59-65
60
60
61
60
60
68
31
14
13
30, 37
61
32
31-32
35
32
32
31-32
15
12
36
37
36
36
52
51
18, 25
25
hodnoty pro bûÏné materiály
pravidlo palce
Emitance
Emitivita
F
Filtry
(viz také optické systémy)
kotouãová konfigurace
úzkopásmové
Fotoelektrick˘ jev
Franhofer, Joseph von
G
Galilei, Galileo
H
Helmholtz, Hermann von
Herschel, Frederick William
Huygens, Christian
Ch
Chlazení
detektor
montáÏ ãidla
Chyba
I
Intermediální teplota, zákon
K
Kalibrace
absolutnû ãerné tûleso
izotermická volba
nutnost kalibrace
stopa
vnitfiní
wolframové vlákno
Kamera, termografická
Kelvin, Lord
Kirchhoff, Gustav Robert
KirchhoffÛv zákon
Kvantová teorie
L
Linescanner, infraãerven˘
dvourozmûrné zobrazení
eletronika
princip funkce
vyuÏití
72
25
18
18, 25
28
27
15
12
11
13
12
11
36
60
58, 60
55
54-55
54
53
55
36
55
46
38
13
13
14
47
51
46
47, 58
ZPRAVODAJ
Rejstfiík
M
Maxwell, James Clerk
Maxwellova-Boltzmannova rovnice
Mezinárodní teplotní stupnice
N
Newton, Sir Isaac
N-faktor
O
OMEGA Engineering
informace o firmû
kontaktní adresa
Optické prostfiedí
(viz, optické systémy)
Optické systémy
konfigurace
optické prostfiedí
transmise
zorné pole
Optick˘ pyrometr
(viz radiaãní termometr, optick˘)
P
Pásková-vláknová lampa
(viz wolframová vláknová lampa)
Peltier, Jean
PeltierÛv efekt
Planck, Max Karl Ernst Ludwig
Planckova konstanta
Planckova rovnice
PlanckÛv distribuãní zákon
Povrchy
difusní
neideální
zrcadlové
Pyrometr
(viz radiaãní termometr)
R
Radiace, infraãervená
definice
energetická rovnováha
historiecé vyuÏití
objevení
smûrová závislost
Radiaãní termometr
alternativní konfigurace
definice
dvoubarevn˘ (viz pomûrov˘)
elektronika
fixní
ZPRAVODAJ
11
39
11
25
9
68
32
33
32, 34
33, 35
38
38
14
14
14-17
20
22
21
22
12, 18
19
11
12
17, 21
56
24
35
57, 67
funkce
jednobarevn˘ (viz úzkopásmov˘)
N-faktor-rovnice
omezení, hranice
optika
pomûrov˘
prÛmyslové vyuÏití
pfiíruãka uÏivatele
pfiíslu‰enství
ruãní
‰irokopásmov˘
úzkopásmové
vícebarevné
volba detektorÛ
v˘bûr typu
v˘hody
základní charakteristiky
Rayleigh, John
Referenãní texty
Reflektance
Reflektivita
S
Seebeck, T.J.
Slovníãek
Spektrum, elektromagnetické
Stefan, Josef
Stefanova-Boltzmannova konstanta
Stefanova-Boltzmannova rovnice
Stínûní
StirlingÛv cyklus
·edé tûleso
T
Tepelná bilance, vyzafiování
Teplomûrná jímka
Termoãlánek
intermadiární teplota, zákon
kompensace
princip ãinnosti
Termoãlánek, infraãerven˘
instalace
kalibrace
konfigurace
princip ãinnosti
pfiíruãka uÏivatele
pfiíslu‰enství
Termografie
anal˘za obrazu
elektronika
26
25
24
29-30
25, 28, 57
15-16, 57
59
66
57, 66
27
27
29
31
30, 37
24
66
14
69
18
22
38
77-79
2-3, 12, 17
13
19
14, 19
60
50
18
17-18
61
39
39-39
38
41
42
41
40
57
66
50
51
âíslo 1
81
Rejstfiík
chlazení detektoru
pouÏití
princip ãinnosti
radiometry
rozli‰ení
v˘bûr detektoru
zobrazovací pfiístroje
Termometr, teplomûr
definice
vynález
Thompson, William
(viz Kelvin, Lord)
ThompsonÛv efekt
Transmisivita
Transmitance
Tubus
V
Vícebarevn˘ pyrometr
(viz radiaãní termometr, záfiení)
82
âíslo 1
48
49-52
47
47
49
47
47
24
11
38
22
18
61
Vláknová optika
historick˘ v˘voj
konstrukce
konstrukce sond
odolnost
pouÏití
v˘kon pfienosu
W
Webové zdroje
Wien, Wilhelm
WienÛv zákon
WienÛv zákon posunu
Wolframová vláknová lampa
(viz kalibrace)
Z
Zdroje informací
Zorné pole
(viz optické systémy)
Zrcadla (viz optické systémy)
43
45
43
43
30, 43, 57, 66
43
68
14
20
20
68
ZPRAVODAJ
Rejstfiík
Seznam obrázků
âást 1.
Historick˘ v˘voj
1-1. První infraãerven˘ teplomûr
36
3-16. Mikroprocesorov˘ infraãerven˘ teplomûr
36
10
3-17. Pyrometr k mûfiení povrchov˘ch teplot
37
11
âást 4.
Infraãervené termoãlánky
1-2. V˘roba skla vyuÏívající visuálního
infraãerveného mûfiení teploty
3-15. Typické prÛbûhy úzk˘ch a ‰irok˘ch zorn˘ch polí
1-3. NewtonÛv rozklad a spûtná
4-1. âinnost termorãlánku
38
12
4-2. Ekvivalentní obvody s termoãlánkem
39
1-4. HershelÛv objev infraãerveného záfiení
13
4-3. Typické instalace termoãlánku
40
1-5. Infraãervené navádûní systému stfiely Sidewinder
14
4-4. V˘stup termoãlánku
41
1-6. Infraãervená optika navádûcího systému stfiely
15
âást 5.
PouÏití optick˘ch vláken
rekombinace bílého svûtla
âást 2.
Teoretické základy
5-1. PouÏití optick˘ch vláken
43
17
5-2. Konstrukce vláknooptické sondy
44
2-2. Spektrální distribuce
18
5-3. Typická infraãervená vláknooptická sonda
44
2-3. Izotermická dutina simulující abs. ãerné tûleso
20
5-4. Konstrukce optického kabelu
45
2-4. PlanckÛv pfiedpoklad energie abs. ãerného tûlesa
21
2-5. Spektrální propustnost sodného skla
22
âást 6.
Snímaãe kfiivek (linescannery) a termografie
2-1. Energetická rovnováha objektu
âást 3.
Infraãervené termometry a pyrometry
3-1. Tradiãní infraãerven˘ teplomûr
24
3-2. Vliv emisivity reálného tûlesa na chybu
infraãerveného teplomûru
6-1. Funkce linescanneru
46
6-2. 1-D skeny sloÏené do 2-D obrazu
47
6-3. 2-D termografická kamera
49
6-4. StirlingÛv cyklus
50
51
25
6-5. Prostorové rozli‰ení termografické kamery
3-3. Radiace absolutnû ãerného tûlesa v Iâ oblasti
26
3-4. „Dvoubarevn˘“ infraãerven˘ teplomûr
27
âást 7.
Kalibrace infraãerven˘ch teplomûrÛ
3-5. Dûlení paprskÛ v pomûrovém radiaãním teplom.
28
7-1. Sférická dutina imitující absolutnû ãerné tûleso
53
3-6. Pomûrová pyrometrie s uÏitím filtraãního kola
28
7-2. Efektivní emisivity sférick˘ch dutin
54
3-7. Schéma „mnohobarevného“ Iâ teplomûru
29
7-3. Typické wolframové vlákno lampy
55
3-8. Optická pyrometrie pomocí vizuálního srovnávání 30
31
âást 8.
V˘robky a jejich pouÏití
3-10. Relativní citlivost infraãerven˘ch detektorÛ
32
8-1. Okolní vlivy na pfiesnost infraãerveného teplomûru 58
3-11. Typické optické systémy
33
8-2. Pozorování zrcadlového povrchu
59
3-12. Propustnost optick˘ch materiálÛ pro Iâ záfiení
34
8-3. PouÏití stínûní a chlazení
60
3-13. Charakteristiky propustnosti
35
8-4. Pfiíslu‰enství pro instalaci na zeì pece
61
3-14. Zorné pole
35
8-5. Kompenzace zv˘‰ené okolní teploty
62
3-9. Automatick˘ optick˘ pyrometr
ZPRAVODAJ
âíslo 1
83
Rejstfiík
Seznam obrázků
âást 1.
Historick˘ v˘voj
1-1. První infraãerven˘ teplomûr
36
3-16. Mikroprocesorov˘ infraãerven˘ teplomûr
36
10
3-17. Pyrometr k mûfiení povrchov˘ch teplot
37
11
âást 4.
Infraãervené termoãlánky
1-2. V˘roba skla vyuÏívající visuálního
infraãerveného mûfiení teploty
3-15. Typické prÛbûhy úzk˘ch a ‰irok˘ch zorn˘ch polí
1-3. NewtonÛv rozklad a spûtná
4-1. âinnost termorãlánku
38
12
4-2. Ekvivalentní obvody s termoãlánkem
39
1-4. HershelÛv objev infraãerveného záfiení
13
4-3. Typické instalace termoãlánku
40
1-5. Infraãervené navádûní systému stfiely Sidewinder
14
4-4. V˘stup termoãlánku
41
1-6. Infraãervená optika navádûcího systému stfiely
15
âást 5.
PouÏití optick˘ch vláken
rekombinace bílého svûtla
âást 2.
Teoretické základy
5-1. PouÏití optick˘ch vláken
43
17
5-2. Konstrukce vláknooptické sondy
44
2-2. Spektrální distribuce
18
5-3. Typická infraãervená vláknooptická sonda
44
2-3. Izotermická dutina simulující abs. ãerné tûleso
20
5-4. Konstrukce optického kabelu
45
2-4. PlanckÛv pfiedpoklad energie abs. ãerného tûlesa
21
2-5. Spektrální propustnost sodného skla
22
âást 6.
Snímaãe kfiivek (linescannery) a termografie
2-1. Energetická rovnováha objektu
âást 3.
Infraãervené termometry a pyrometry
3-1. Tradiãní infraãerven˘ teplomûr
24
3-2. Vliv emisivity reálného tûlesa na chybu
infraãerveného teplomûru
6-1. Funkce linescanneru
46
6-2. 1-D skeny sloÏené do 2-D obrazu
47
6-3. 2-D termografická kamera
49
6-4. StirlingÛv cyklus
50
51
25
6-5. Prostorové rozli‰ení termografické kamery
3-3. Radiace absolutnû ãerného tûlesa v Iâ oblasti
26
3-4. „Dvoubarevn˘“ infraãerven˘ teplomûr
27
âást 7.
Kalibrace infraãerven˘ch teplomûrÛ
3-5. Dûlení paprskÛ v pomûrovém radiaãním teplom.
28
7-1. Sférická dutina imitující absolutnû ãerné tûleso
53
3-6. Pomûrová pyrometrie s uÏitím filtraãního kola
28
7-2. Efektivní emisivity sférick˘ch dutin
54
3-7. Schéma „mnohobarevného“ Iâ teplomûru
29
7-3. Typické wolframové vlákno lampy
55
3-8. Optická pyrometrie pomocí vizuálního srovnávání 30
31
âást 8.
V˘robky a jejich pouÏití
3-10. Relativní citlivost infraãerven˘ch detektorÛ
32
8-1. Okolní vlivy na pfiesnost infraãerveného teplomûru 58
3-11. Typické optické systémy
33
8-2. Pozorování zrcadlového povrchu
59
3-12. Propustnost optick˘ch materiálÛ pro Iâ záfiení
34
8-3. PouÏití stínûní a chlazení
60
3-13. Charakteristiky propustnosti
35
8-4. Pfiíslu‰enství pro instalaci na zeì pece
61
3-14. Zorné pole
35
8-5. Kompenzace zv˘‰ené okolní teploty
62
3-9. Automatick˘ optick˘ pyrometr
ZPRAVODAJ
âíslo 1
83