práce je dostupná online

České vysoké učenı́ technické v Praze
Fakulta elektrotechnická
DIPLOMOVÁ PRÁCE
Termografie v elektroenergetice
Praha, 2012
Autor: Bc. Jan Sumara
Prohlášenı́
Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatně a použil jsem
pouze podklady ( literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu.
V Praze dne
podpis
i
Poděkovánı́
Děkuji předevšı́m vedoucı́mu diplomové práce panu Ing. Janu Sovovi za jeho
podporu a dobré připomı́nky, které mě nutily neustále pokračovat v práci. Dále bych
chtěl poděkovat zaměstnancům ČVUT FEL z Katedry elektroenergetiky, předevšı́m Janu
Kvasničkovi za jeho pomoc při výrobě experimentálnı́ch přı́pravků. V neposlednı́ řadě
bych chtěl poděkovat společnosti Workswell, která mi zapůjčila měřı́cı́ techniku a prostory pro měřenı́.
ii
Abstrakt
Tato práce se zabývá bezdotykovým měřenı́m teploty infračervenou termografickou kamerou. V prvnı́ části popisuje historický vývoj senzorů infračerveného zářenı́, teoretické principy na jejichž základě fungujı́ a rozdělenı́ podle konstrukce detektorů IČ
zářenı́. Dále zkoumá nejčastějšı́ zdroje chyb a možnosti jejich omezenı́ nebo kompenzace.
Experimentálně jsem ověřil účinnost kompenzace zdánlivé odražené teploty na zařı́zenı́
vlastnı́ konstrukce. Součástı́ práce jsou také dalšı́ měřenı́, při kterých bylo použito tohoto zařı́zenı́: zkoumánı́ vlivu rozostřenı́ infračervené termografické kamery na měřenou
teplotu, zjištěnı́ emisivity různých povrchových úprav. V poslednı́ části jsme zkoumal
emisivitu vodičů venkovnı́ho nadzemnı́ho vedenı́.
iii
Abstract
This Thesis is about non-contact measuring of temperature by infrared thermographic camera. The first part consists of historical evolution of infrared radiation sensor,
theoretical principles and construction distribution of infrared radiation sensors. The
next part of the thesis deal with the most frequent errors and possibility of its limitation
and compensation. My measuring verifies efficiency of compensation reflected apparent
temperature on own structure of facility. At the end is describing other measuring with
this disposition: investigation of soft focus temperature influence of infrared thermographic camera, detection emissivity of different kind of surfacing. Finally I examine
emissivity of overhead line conductors.
iv
vložit originálnı́ zadánı́ı́ı́ı́ı́ı́ı́ı́ı́ı́ı́ı́ı́ı́ı́ı́ı́ !!!!!
v
Obsah
Seznam obrázků
viii
Seznam tabulek
x
1 Úvod
1
1.1
Historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.1.1
3
Vývoj detektorů IČ zářenı́ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Teorie
5
2.1
Základnı́ veličiny a pojmy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.2
Atmosférická okna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.3
Planckův vyzařovacı́ zákon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.4
Stefan-Boltzmannův zákon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.5
Wienův posunovacı́ zákon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.6
Kirchhoffův zákon termálnı́ radiace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3 Konstrukce IČT kamery
12
3.1
Optický systém . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3.2
Detektor IČ zářenı́ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3.2.1
Základnı́ parametry IČ detektorů . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3.2.2
Rozdělenı́ detektorů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3.2.3
Konstrukce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
4 Vlivy na přesnost měřenı́
19
4.1
Vlivy okolı́ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
4.2
Vlastnosti měřeného objektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
4.2.1
Emisivita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
4.2.2
Rozdělenı́ těles podle jejich emisivity . . . . . . . . . . . . . . . .
21
vi
4.2.3
4.3
Vlivy určujı́cı́ emisivitu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
Minimálnı́ snı́maná plocha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
5 Experimentálnı́ přı́pravek
26
5.1
Termostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
5.2
Topidlo
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
5.2.1
Model topidla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
5.2.2
Konstrukce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
5.2.3
Povrchová úprava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
Ověřenı́ funkčnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
5.3
6 Měřenı́ A
35
6.1
Použité přı́stroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
6.2
Vliv zdánlivé odražené teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
6.2.1
Postup měřenı́ podle ČSN ISO 18434-1 . . . . . . . . . . . . . . .
36
6.2.2
Vlastnı́ měřenı́ zdánlivé odražené teploty . . . . . . . . . . . . . .
39
Měřenı́ emisivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
6.3.1
Teorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
6.3.2
Naměřené hodnoty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
6.3.3
Vyhodnocenı́ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
Vliv rozostřenı́ kamery na průměrnou teplotu . . . . . . . . . . . . . . .
48
6.3
6.4
7 Měřenı́ B
51
7.1
Použité přı́stroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
7.2
Popis experimentu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
7.3
Naměřené hodnoty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
7.4
Vyhodnocenı́ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
8 Závěr
56
Literatura
57
A Obsah přiloženého CD
I
vii
Seznam obrázků
1.1
Rozklad světla optickým hranolem [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2.1
Propustnost atmosféry v oblasti IČ zářenı́ [14] . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.2
Grafické vyjádřenı́ Planckova zákona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.3
Planckův zákon v dvojrozměrném grafu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.4
Grafické vyjádřenı́ Wienova posunovacı́ho zákonu . . . . . . . . . . . . .
10
2.5
Kirchhoffův zákon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.1
Blokové schéma digitálnı́ IČT kamery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3.2
Rozdělenı́ detektorů IČ zářenı́ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
3.3
Mikrobolometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
4.1
Přı́klady různých těles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
4.2
Zorné pole IČT kamery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
5.1
Schéma zapojenı́ termostatu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
5.2
Návrh desky pošného spoje termostatu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
5.3
Model - tenká kruhová deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
5.4
Graf teploty v závislosti na poloměru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
5.5
Model topidla h = 6 mm, chovánı́ v čase . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
5.6
Schéma zapojenı́ elektrické části topidla
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
5.7
Tepelné zářiče použité při měřenı́ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
6.1
Situace při měřenı́ odražené zdánlivé teploty metodou odrazu . . . . . . .
37
6.2
Situace při měřenı́ odražené zdánlivé teploty přı́mou metodou, prvnı́ krok
38
6.3
Situace při měřenı́ odražené zdánlivé teploty přı́mou metodou, druhý krok
38
6.4
Rozloženı́ měřı́cı́ho pracoviště . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
6.5
Graf δk = f ce(∆TAB ) - Metoda odrazu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
6.6
Graf δT = f ce(∆TAB ) - Metoda odrazu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
viii
6.7
Graf δk = f ce(∆TAB ) - Přı́má metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
6.8
Graf δT = f ce(∆TAB ) - Přı́má metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
6.9
Porovnánı́ chyby korekce při použitı́ přı́mé a nepřı́mé metody . . . . . . .
44
6.10 Porovnánı́ chyby teploty při použitı́ přı́mé a nepřı́mé metody . . . . . . .
44
6.11 Průběh emisivit různých barev povrchu v závislosti na jejich teplotě . . .
49
6.12 Porovnánı́ různě zaostřených termogramů . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
7.1
Schéma zapojenı́, měřenı́ emisivit vodičů . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
7.2
Termogram zahřátého vodiče, emisivita nastavena na 1 . . . . . . . . . .
53
7.3
Emisivita jednotlivých vodičů v závislosti na teplotě . . . . . . . . . . . .
55
ix
Seznam tabulek
2.1
Rozdělenı́ elektromagnetického zářenı́ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
4.1
Základnı́ rozdělenı́ těles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
4.2
Přehled vlivů určujı́cı́ch emisivitu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
5.1
Seznam použitých prvků . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
5.2
Materiálové konstanty hlinı́ku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
5.3
Seznam použitých prvků . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
6.1
Tabulka naměřených hodnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
6.2
Tabulka naměřených hodnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
7.1
Tabulka naměřených hodnot emisivit vodičů . . . . . . . . . . . . . . . .
54
x
Kapitola 1
Úvod
Infračervené termografické kamery (dále IČT kamery) fungujı́ na stejném principu,
jako běžné digitálnı́ kamery nebo fotoaparáty. Lišı́ se předevšı́m v tom, jaké spektrum
vlnových délek snı́majı́. S tı́mto faktem jsou spojena specifika této snı́macı́ techniky. Běžné
kamery pracujı́ v pásmu viditelných vlnových délek λ = 0, 4 − 0, 75 µm, ale IČT kamery
v pásmu infračerveného (dále IČ) zářenı́, které je v intervalu λ = 0, 75 − 1000 µm. Z takto
širokého spektra jsou pro měřenı́ využita pouze takzvaná atmosférická okna (viz. 2.2).
Každý objekt, který má teplotu vyššı́ než 0 K (−273, 15 ◦ C), vyzařuje do svého okolı́ energii
v IČ spektru. Velikost této energie je určena vlastnostmi povrchu jako je teplota, emisivita
nebo úhlem pozorovánı́ a dalšı́ (bližšı́ vysvětlenı́ v kapitole 4.2.1). Z toho vyplývá, že IČT
kamera může měřit, při správném nastavenı́ a zahrnutı́ vlivů okolnı́ho prostředı́, s vysokou
teoretickou přesnostı́ (±0, 25 ◦ C až ±0, 15 ◦ C) povrchovou teplotu tělesa.
V poslednı́ch letech se, dı́ky neustálému snižovánı́ pořizovacı́ch nákladů na techniku a značnému posunu ve vývoji snı́mánı́ infračerveného zářenı́ využı́vajı́ v oblastech
průmyslu, kde to kvůli jejich ceně dřı́ve nebylo možné. Termografické měřenı́ nabı́zı́ mnoho
specializovaných firem, ale často se při měřenı́ dopouštějı́ chyb, které jsou způsobeny nedodrženı́m doporučených postupů měřenı́. Jednı́m z cı́lů této práce je objasnit nejčastějšı́
chyby při použitı́ IČT kamer a umožnit tak, minimalizovat vliv těchto chyb na přesnost
měřenı́.
IČT kamery se použı́vajı́ nejen k diagnostice teplotnı́ho pole zařı́zenı́ (poruchy se často
projevujı́ změnami teplotnı́ho pole na povrchu) a budov (tepelné mosty, průsaky izolacı́
a jiné poruchy), ale napřı́klad ve zdravotnictvı́ dokáže detekovat podkožnı́ změny (mı́sta
se zvýšeným prokrvenı́m, tam kde být nemajı́ a včasně tak detekovat zhoubný růst tkáně).
Vývoj těchto zařı́zenı́ v minulosti inicializoval vojenský sektor, jeden z hlavnı́ch uživatelů
termografických systémů. Podobné využitı́ majı́ v civilnı́ch bezpečnostnı́ch službách. Dále
1
KAPITOLA 1. ÚVOD
2
Obrázek 1.1: Rozklad světla optickým hranolem [13]
mohou sloužit k výzkumným účelů, at’ už jako nedestruktivnı́ metody diagnostiky materiálů a konstrukcı́ nebo výzkum klimatických změn Země. Použı́vajı́ se s oblasti požárnı́
nebo protiplynové ochrany. Vyrábějı́ se jako přenosné i stabilnı́ přı́stroje. Ty se lišı́ pouze
oblastı́ použitı́, ale konstrukčně jsou stejné.
Dále bude popsána historie stojı́cı́ za vznikem termografie, teoretické základy, které
popisujı́ princip fungovánı́, a jednotlivé konstrukčnı́ součásti IČT kamery. Byly sestaveny
experimentálnı́ uspořádánı́ pro měřenı́ emisivity a zdánlivé odražené teploty. V následujı́cı́ch kapitolách jsou popsána měřenı́, při kterých byly použity.
1.1
Historie
Historie bezkontaktnı́ho měřenı́ teploty je dlouhá a mohla by být samostatnou pracı́.
Z tohoto důvodu popsány přelomové objevy.
V roce 1800 objevil William Herschel infračervené zářenı́ při experimentech s rozkladem světla pomocı́ optického hranolu. Při měřenı́ teploty jednotlivých barev spektra
zjistil, že je možné měřit zvýšenou teplotu i v části spektra, kde již nenı́ zářenı́ viditelné.
Tohoto výsledku dosáhl, protože použil optický hranol z NaCl (sůl), který propouštı́ infračervené zářenı́, na rozdı́l od křemičitého skla, které většı́ část infračerveného spektra
nepropustı́.
Gustav Kirchhoff formuloval v roce 1859 tzv. Kirchhoffovi termálnı́ zákony. Definoval také pojmy a zákonitosti, které s nimi souvisely a to včetně tzv. černého tělesa.
V roce 1879 publikovali Josef Stefan a Ludwig Boltzmann tzv. Stefan-Boltzmannův zákon,
KAPITOLA 1. ÚVOD
3
který popisuje intenzitu zářenı́ absolutně černého tělesa v závislosti na jeho teplotě.
Wilhelm Wien empiricky odvodil tzv. Wienův posunovacı́ zákon, který řı́ká, že maximum vyzařované energie se s rostoucı́ teplotou posouvá na kratšı́ vlnové délky. Kolem
roku 1900 definoval Max Planck zákon, který popisuje výkon vyzařovaný černým tělesem
v závislosti na spektru zářenı́ (jeho vlnové délce). Je známý jako tzv. Planckův vyzařovacı́
zákon.
1.1.1
Vývoj detektorů IČ zářenı́
Možnostı́, jak detekovat IČ zářenı́, je několik a jsou založeny na různých fyzikálnı́ch
jevech: termoelektrický jev, fotoelektrický jev, změna elektrického odporu materiálu (Bolometr), expanze plynů (Golayův článek), pyroelektrický jev, photon drag“ efekt, Jose”
phsonův efekt. Vı́ce o jevech a detektorech, které je využı́ı́vajı́ viz 3.2.2.
Bolometr
Prvnı́m zařı́zenı́m na detekci IČ zářenı́ byl tzv. bolometr, který sestrojil v roce 1878
americký astronom Samuele Pierpont Langley. Skládal se ze dvou platinových pásků, které
byly pokryty černým pigmentem. Jeden z pásků byl vystaven zářenı́ a druhý byl před
zářenı́m zastı́něn. Tı́m se odpor nezastı́něného pásku měnil spolu s intenzitou zářenı́ a tato
změna odporu byla detekována na wheastonově můstku (pásky jsou zapojeny jako dvě
ramena můstku). V roce 1880 byl schopen detekovat teplo z živého skotu na vzdálenost
400 m.
Z bolometru byl později v 80. letech 20. stoletı́, na popud americké armády, vyvinut
mikrobolometr, který umožnil miniaturizaci IČT kamer a jejich použitı́ pěchotou. Váha
zařı́zenı́ klesla z několika kilogramů perifernı́ch komponent na jedno zařı́zenı́ o hmotnosti
stovek gramů. Vı́ce v kapitole 3.2.
Termočlánek
Dalšı́m zlomem byl objev termoelektrického jevu v roce 1921, jež uskutečnil německý
vědec Thomas Johan Seebeck. Sestrojil termočlánek, který vznikl spojenı́m dvou různých
vodičů na obou stranách. Když spoje zahřál na různé teploty, vznikl proudový obvod.
Tento obvod generoval magnetické pole vychylujı́cı́ kompas. Seebeck tedy z počátku
nevěděl, že vynalezl termoelektrický jev, ale nazval ho jevem termomagnetickým. Toto
pochybenı́ záhy napravil dánský vědec Hans Christian Orsted, který objevil vztah mezi
KAPITOLA 1. ÚVOD
4
elektřinou a magnetismem, a definoval pojem termoelektrický jev. Termoelektrický článek
využil italský fyzik Leopoldo Nobili při výzkumu tohoto jevu a v roce 1921 sestrojil
termočlánkovou baterii. K Nobilimu se připojil dalšı́ italský fyzik Macedonio Melloni.
Spolu zdokonalili baterii a představili ji v roce 1931. Melloni objevu využil pro výzkum
IČ zářenı́ a zkoumánı́ černého tělesa.
Fotodetektor
Fotoelektrický jev poprvé pozoroval francouzský fyzik Alexandr Edmont Becquerel
v roce 1839, ale bližšı́ho prozkoumánı́ se mu dostalo až v roce 1887 od německých fyziků Heinricha Hertze a Wilhelma Hallwachse. Jev teoreticky vysvětlil v roce 1905 Albert
Einstein. Velkým skokem v rozvoji fotodetektorů byla 2. světová válka, tehdy byly vyrobeny fotodetektory na bázi Ti2 S a PbS. V roce 1987 byl zkonstruován QWIP (Quantum
Well Infrared Photodetektor), ale prvnı́ funkčnı́ prototypy se začaly vyrábět až v devadesátých letech. Zpožděnı́ bylo dáno technologickou náročnostı́ výroby detektoru, skládá
se ze stovek polovodičových vrstev, tloušt’ka jednotlivých vrstev nenı́ většı́ než 700 nm.
Kapitola 2
Teorie
Výše je naznačen vývoj využitelných detektorů infračerveného zářenı́. Následná kapitola popisuje teoretické předpoklady, užité při sepisovánı́ této diplomové práce.
2.1
Základnı́ veličiny a pojmy
Energie zářenı́ pocházejı́cı́ z tělesa (tepelný sálavý tok) je určena jako:
zářivá energie QT (J) celkové množstvı́ energie vyzářené do poloprostoru v celém spektru (všechny vlnové délky)
zářivý tok ΦT =
dQT
dt
(W) výkon přenesený zářenı́m, množstvı́ energie přenesené za jed-
notku času do poloprostoru
spektrálnı́ (monochromatická) hustota zářivého toku ΦT λ =
dΦT
dλ
(W) výkon přená-
šený do poloprostoru určitou vlnovou délkou
intenzita vyzařovánı́ MT =
dΦT
dS
(W · m−2 ) zářivý tok vysı́laný plochou S povrchu tělesa
spektrálnı́ (monochromatická) intenzita vyzařovánı́ MT λ =
dMT
dλ
(W · m−3 ) výkon
vyzářený jednotkovou plochou tělesa do poloprostoru určitou vlnovou délkou
intenzita zářenı́ I(W · m−2 · sr−1 ) tok energie z plochy tělesa určený prostorovým úhlem
vzhledem k normále plochy dS
Poloprostor je nad nebo pod rovinou, která dělı́ prostor na dvě poloviny, často se zobrazuje jako polokoule. Je možné ho vyjádřit jako prostorový úhel 2π sr.
Černé těleso je teoretické těleso, které má schopnost vyzařovat energii na všech vlnových
délkách bez útlumu a také absorbovat (podle druhého Kirchhoffova zákona 2.6). Pro toto
5
KAPITOLA 2. TEORIE
6
těleso jsou odvozeny zákony jako Planckův, Wienův nebo Stefan-Boltzmannův, které jsou
popsány nı́že. Vlastnosti černého tělesa popsány v kapitole 4.2.2.
2.2
Atmosférická okna
Atmosféra nenı́ pro elektromagnetické zářenı́ absolutně transparentnı́, ale je propustná
pouze v určitých oblastech vlnových délek, tzv. atmosférických oken. V oblastech mimo
tato okna je elektromagnetické zářenı́ pohlcováno různými prvky, ze kterých je atmosféra
složena, jako napřı́klad sklenı́kové plyny (CO2 , vodnı́ pára, CH4 ).
Název
Vlnová délka
Gama zářenı́
≤ 0, 01 nm
Rentgenové zářenı́
0, 01 nm-10 nm
Ultrafialové zářenı́
10 nm-390 nm
Viditelné zářenı́ (světlo)
390 nm-750 nm
Infračervené zářenı́
750 nm-1 mm
Mikrovlnné zářenı́
1 mm-1 m
Rádiové zářenı́
1 m-105 km
Tabulka 2.1: Rozdělenı́ elektromagnetického zářenı́
Dále se budeme zabývat oblastı́ infračerveného zářenı́, v tomto intervalu vlnových
délek jsou dvě atmosférická okna využı́vaná v termografii a to intervaly 2−5 µm a 8−14 µm.
Propustnost zářenı́ v jednotlivých vlnových délkách je patrná z obrázku 2.1. Propustnost
závisı́ na množstvı́ jednotlivých sklenı́kových plynů v okolnı́ atmosféře a jejı́ teplotě.
Největšı́ proměnlivost vykazuje vzdušná vlhkost (vodnı́ pára), obsah ostatnı́ch plynů je
v čase téměř neměnný a považuje se za konstantnı́.
Základnı́m parametrem atmosféry je jejı́ relativnı́ vlhkost1 udávaná v procentech.
Znalost relativnı́ vlhkosti umožňuje vypočı́tat útlum atmosféry v určitém spektru elektromagnetického zářenı́ (pro tento přı́pad v oblasti zmiňovaných atmosférických oken)
jako funkci vzdálenosti (šı́řky atmosféry) mezi objektem a snı́mačem zářenı́.
1
relativnı́ vlhkost udává poměr mezi okamžitým množstvı́m vodnı́ch par ve vzduchu a obsahem
vodnı́ch par při stejném tlaku i teplotě, ale maximálnı́m nasycenı́
KAPITOLA 2. TEORIE
7
Obrázek 2.1: Propustnost atmosféry v oblasti IČ zářenı́ [14]
2.3
Planckův vyzařovacı́ zákon
Max Planck definoval rovnici, která určuje kvanta energie přenášená danou frekvencı́
zářenı́:
E = h · f,
(2.1)
kde h = 6, 62606896·10−32 Js je Planckova konstanta a f je frekvence fotonu. Popisuje
emisi a absorpci zářivé energie a řı́ká, že se může dı́t pouze po celistvých násobcı́ch
frekvence, tzv. kvantech (fotonech). Tento postulát dovolil Planckovi definovat následujı́cı́
fyzikálnı́ zákon (Planckův vyzařovacı́ zákon), který platı́ pro absolutně černé těleso:
M (λ, T ) =
2πhc2
λ5 (e λkT −1 )
hc
,
(2.2)
kde M(λ,T) je celková intenzita vyzařovánı́ o teplotě T na vlnové délce λ, c je rychlost
světla, h je Planckova konstanta, k je Boltzmannova konstanta a T je termodynamická
teplota tělesa v kelvinech.
Tı́mto výše uvedeným vztahem bylo možné vysvětlit chovánı́ černého tělesa a je z něj
také možné odvodit Stefan-Boltzmannův zákon a Wienův posunovacı́ zákon. Při zobrazenı́
grafu výše v osách x a y je vidět průběh intenzity vyzařované energie v závislosti na vlnové
délce pro různé teploty černého tělesa (obrázek 2.3).
KAPITOLA 2. TEORIE
8
-9
´ 10
-1
MHWm-26.Μm
L
4. ´ 10-9
800
2. ´ 10-9
0
0
600
5
ΛHΜmL
10
15
400
Obrázek 2.2: Grafické vyjádřenı́ Planckova zákona
MHWm-2 Μm-1 L
400K
500K
6. ´ 10
-9
600K
700K
4. ´ 10-9
800K
900K
2. ´ 10-9
ΛHΜmL
2
4
6
8
10
12
14
Obrázek 2.3: Planckův zákon v dvojrozměrném grafu
THKL
KAPITOLA 2. TEORIE
2.4
9
Stefan-Boltzmannův zákon
Stefan experimentálně stanovil a jeho žák Boltzmann poté matematicky odvodil, že
celková intenzita vyzařované energie je:
M = σT 4 ,
(2.3)
kde M je celková intenzita vyzařovánı́, σ = 5, 670400 · 10−8 Wm−2 K−4 je Stefan-Boltzmannova konstanta a T je termodynamická teplota tělesa. Rovnici je možné spočı́tat
integracı́ Planckova zákona přes celé spektrum vlnových délek (0 m − ∞ m).
2.5
Wienův posunovacı́ zákon
Wilhelm Wien empiricky stanovil závislost spektrálnı́ hustoty vyzařované energie
na teplotě a vlnové délce:
λmax =
b
,
T
(2.4)
kde λmax je vlnová délka s největšı́ energiı́, b = 2898 µmK je Wienova konstanta a T je
termodynamická teplota tělesa. Jinými slovy, s rostoucı́ teplotou tělesa se zkracuje vlnová
délka maxima vyzařované energie (obrázek 2.4).
2.6
Kirchhoffův zákon termálnı́ radiace
Jinak také nazývaný Kirchhoff-Bunsenův zákon, řı́ká, že těleso vyzařuje stejnou energii, jako při shodné teplotě absorbuje. Jeho interpretace se často dělı́ na tzv. prvnı́ a
druhý Kirchhoffův zákon.
Prvnı́ Kirchhoffův zákon:
αλ + ρλ + τλ = 1,
(2.5)
kde αλ je spektrálnı́ absorpce, ρλ je spektrálnı́ reflektance a τλ je spektrálnı́ propustnost.
KAPITOLA 2. TEORIE
10
Λ HΜmL
11
10
9
8
7
6
T HKL
300
350
400
450
500
550
600
Obrázek 2.4: Graf zobrazujı́cı́ posun maxima energie ke kratšı́m vlnovým
délkám s rostoucı́ teplotou
Obrázek 2.5: Kirchhoffův zákon
KAPITOLA 2. TEORIE
11
Druhý Kirchhoffův zákon:
ϵλ = αλ ,
(2.6)
kde ϵλ je emisivita tělesa a αλ je pohltivost materiálu. Tento zákon umožňuje zjišt’ovánı́
emisivity materiálu pomocı́ referenčnı́ho zářenı́ se známou intenzitou.
Kapitola 3
Konstrukce IČT kamery
I když je IČ termografická kamera složitý elektrooptický systém, lze funkci digitálnı́
IČT kamery rozdělit a vysvětlit na čtyřech samostatných subsystémech (blocı́ch):
optický systém - opticky zachycuje infračervené zářenı́ z měřeného objektu a soustředı́
jej na senzor infračerveného zářenı́. Za optický systém považujeme nejen vstupnı́
čočku (nebo soustavu čoček), ale dalšı́ elektromechanické prvky (závěrka, systém
automatického či manuálnı́ho ostřenı́, uloženı́ IČ senzoru apod.)
senzor infračerveného zářenı́ - maticový IČ senzor, který převádı́ dopadajı́cı́ IČ zářenı́
na nosný elektrický signál. Ten je v následujı́cı́m bloku digitalizován a zpracován
ve výsledný termogram.
A/D převodnı́k a zpracovánı́ obrazu - A/D převodnı́k převádı́ analogový signál ze
senzoru infračerveného zářenı́ na digitálnı́ signál, který je dalšı́mi obvody zpracován
ve výsledný termogram, uložen na záznamové médium, zobrazen na obrazovku IČT
kamery apod.
uživatelský interface - zajišt’uje zobrazenı́ termogramu na obrazovce IČT kamery, jeho
uloženı́ na záznamové médium, komunikaci prostřednictvı́m dalšı́ch interface (USB,
Ethernet, FireWire apod.), ovládánı́ kamery apod.
Toto rozdělenı́ je platné i v přı́padě analogové IČT kamery, kdy jsou poslednı́ dva
bloky nahrazeny analogovými obvody a analogovou zobrazovacı́ soustavou. V přı́padě
IČT kamery s rozkladem obrazu je maticový senzor IČ zářenı́ nahrazen diskrétnı́m (nebo
řádkovým) senzorem a systémem pro rozklad obrazu.
12
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE IČT KAMERY
13
Obrázek 3.1: Blokové schéma digitálnı́ IČT kamery
3.1
Optický systém
Jedná se o systém, který je téměř naprosto shodný s běžnými objektivy, použı́vanými
u kamer nebo fotoaparátů. Jediným podstatným rozdı́lem je materiál vlastnı́ho optického
systému. Ta je tvořena z germaniového skla, které propouštı́ IČ zářenı́. Pro zı́skánı́ záběrů
lepšı́ kvality je povrch čoček ošetřen antireflexnı́mi vrstvami.
3.2
Detektor IČ zářenı́
Detektor infračerveného zářenı́ (IČ detektory) měnı́ energii dopadajı́cı́ho infračerveného zářenı́ na elektrický signál, který je dále digitalizován a čı́slicově zpracován v termogram. Zářivá energie je na detektor soustředěna optickým systémem tak, aby na povrch
detektoru dopadalo tepelné zářenı́ z jednoho či vı́ce objektů, jejichž povrchová teplota
je měřena. IČ detektor je jádrem infračerveného zobrazovacı́ho systému a velkou měrou
ovlivňuje jeho výsledné parametry. K výkladu problematiky IČ detektorů je přistoupeno
s přihlédnutı́m ke skutečnosti, že je užitečné, a někdy dokonce nezbytné, mı́t přehled
o různých typech detektorů, jejich základnı́ch vlastnostech (přesnosti, teplotnı́ citlivosti,
selektivitě apod.), omezenı́ch a funkci.
3.2.1
Základnı́ parametry IČ detektorů
Obecně lze detektory infračerveného zářenı́ charakterizovat velkým množstvı́m parametrů, které ovlivňujı́ vlastnosti výsledného termoviznı́ho systému.
Integrálnı́ citlivost - K(VW−1 ) je dána podı́lem elektrického signálu na výstupu
snı́mače U a zářivého toku ϕ, který dopadá na plochu detektoru:
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE IČT KAMERY
14
U
(3.1)
ϕ
Spektrálnı́ citlivost - K(λ) udává závislost výstupu snı́mače U na vlnové délce
K=
dopadajı́cı́ho zářivého toku:
K(λ) =
U
ϕ(λ)
(3.2)
Časová konstanta - tepelný detektor při skokové změně zářivého toku skokově
nezměnı́ svou teplotu, ale jeho teplota narůstá postupně ( teploměr se zahřı́vá“). Časová
”
konstanta detektoru τIDC určuje minimálnı́ dobu, kterou detektor potřebuje na změřenı́
teploty. Napřı́klad detektor infračerveného zářenı́ s časovou konstantou 10 ms potřebuje
být vystaven tepelnému zářenı́ měřeného objektu minimálně 10 ms.
NEP - ekvivalentnı́ šumový výkon - pro určenı́ prahové citlivosti IČ detektorů byl
zaveden pojem ekvivalentnı́ šumový výkon, definovaný jako výkon dopadajı́cı́ho zářenı́,
který vytvářı́ na detektoru stejnou efektivnı́ hodnotu napětı́, jako je napětı́ vlastnı́ho
šumu detektoru. Ekvivalentnı́ šumový výkon označuje zářivý výkon, při jehož detekci je
na výstupu detektoru zářenı́ poměr signál/šum roven jedné. Tento parametr tak udává
minimálnı́ intenzitu zářenı́, kterou je schopen senzor detekovat (odlišit od šumu). Čı́m
menšı́ je ekvivalentnı́ šumový výkon, tı́m lepšı́ daný detektor je, protože je schopen detekovat slabšı́ signály.
Detektivita - značı́ se D, neboli detekčnı́ schopnost, je definována jako:
1
(3.3)
N EP
Ze vztahu vyplývá, že čı́m většı́ je detektivita, tı́m slabšı́ signály je daný detektor
schopen zaznamenat, nebot’ ekvivalentnı́ šumový výkon (NEP) je menšı́. Aby bylo možné
D=
porovnávat detektivitu u detektorů různého provedenı́, zavádı́ se tzv. normovaná detektivita D∗ , což je detektivita D normovaná na plochu S a šı́řku kmitočtového pásma ∆f .
Oba tyto parametry ovlivňujı́ vlastnı́ šum a tedy i ekvivalentnı́ šumový výkon a normalizacı́ se lze jejich vlivu vyvarovat.
3.2.2
Rozdělenı́ detektorů
Detektory se dělı́ na dvě základnı́ skupiny a to na kvantové (někdy označované jako
fotodetektory) a tepelné detektory. Základnı́m rozdı́lem těchto dvou skupin je, jak inter-
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE IČT KAMERY
15
agujı́ s fotony dopadajı́cı́ho zářenı́. V kvantových detektorech docházı́ interakcı́ vázaných
elektronů s fotony a vznikajı́ volné náboje. Tepelné detektory pracujı́ se zářenı́m nepřı́mo,
ohřevem materiálu detektoru se změnı́ jeho fyzikálnı́ vlastnosti, které jsou bud’ měřitelné
přı́mo (elektrické napětı́) nebo nepřı́mo (elektrický odpor). Přesné rozdělenı́ v dnešnı́ době
nejpoužı́vanějšı́ch detektorů se nacházı́ v následujı́cı́m diagramu.
Obrázek 3.2: Rozdělenı́ detektorů IČ zářenı́
Kvantové detektory
Intrinsické detektory
Dělı́ se na dvě základnı́ skupiny, na tzv. intrinsické fotovodivé detektory a intrinsické
fotovoltaické detektory.
Intrinsický fotovodivý detektor je sestaven z čistého (nedotovaného) polovodiče. Při
ozářenı́ struktury detektoru se měnı́ jejı́ vodivost, aby tato změna byla detekovatelná, je
nutné přiložit vnějšı́ elektrické pole. Změna vodivosti je vyvolána interakcı́ fotonů zářenı́
a atomů polovodičové struktury. Uvolněnı́m elektronu z vazby atomu vzniknou dva nosiče
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE IČT KAMERY
16
náboje ( elektron“ a dı́ra“). Na rozdı́l od dotovaných polovodičů, zde nenı́ žádný nosič
”
”
majoritnı́ ani minoritnı́, a tak se při změně vodivosti uplatnı́ oba druhy nosičů.
Intrinsické fotovoltaické detektory jsou na bázi struktury P-N. Dopadajı́cı́ fotony mohou s materiálem detektoru reagovat několika způsoby. Pro detektor je podstatný ten,
kdy foton dodá elektronu vázaného v atomu takovou energii, aby opustil elektronový
obal a stal se z něj volný nosič. Vzniká záporný náboj, elektron. Zároveň se uvolněnı́m
elektronu z atomu vytvořı́ kladný náboj, neboli dı́ra. Tyto volné náboje jsou přitahovány
strukturou s opačnou orientacı́, takže elektrony putujı́ do oblasti P a dı́ry do oblasti N.
Jejich přesunem vzniká elektrické pole a jeho velikost je závislá na intenzitě dopadajı́cı́ho
zářenı́.
Extrinsické detektory
Extrinsické detektory jsou podobné intrinsickým, lišı́ se mechanismus uvolněnı́ volného
náboje. Detektor je tvořen polovodičovou strukturou, která je dotovaná přı́měsı́. Při interakci struktury s fotonem nejsou volné nosiče uvolňovány ze základnı́ látky, ale z přı́měsi.
Existujı́ jak extrinsické fotovodivé, tak extrinsické fotovoltaické detektory.
QWIP
Quantum Well Infrared Photo detector je anglický název dalšı́ho typu detektorů. Pracujı́ na podobném principu jako extrinsické detektory. Přı́měsi nejsou v celém objemu,
ale pouze v miniaturnı́ch oblastech. Kolem těchto malých vysoce dotovaných center se
změnı́ šı́řka zakázaného pásu a vznikne takzvaná kvantová past (studně, anglicky quantum well). Foton předá energii nutnou k posunu elektronu do vyššı́ energetické hladiny
nejen přı́mou interakcı́ s elektronem, ale i s okolnı́ kvantovou pastı́. Jejı́ průměr se pohybuje od 10 do 100 atomů. Z toho vyplývá, že citlivost QWIP detektorů je vyššı́ než
v předchozı́ch přı́padech. Nevýhodou těchto detektorů je nutnost jejich chlazenı́ na velmi
nı́zké teploty (okolo 65 K).
Tepelné detektory
Termočlánkové detektory
Termočlánek vzniká spojenı́m dvou odlišných kovů, tı́mto spojenı́m vznikne napětı́,
které je úměrné teplotě spoje. Kvůli minimalizaci vlivů okolı́ je nutné termočlánek izolovat. Zároveň je třeba, při snı́ženı́ intenzity dopadajı́cı́ho zářenı́, odvést teplo, které je ve
článku akumulováno. Tyto dva požadavky jsou v protikladu a při konstrukci je důležité
zvolit vhodný kompromis. Z toho vyplývá, že detektory složené z termočlánků (v anglické
literatuře označovány Thermopile) nemohou dosahovat takové citlivosti, jako fotodetek-
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE IČT KAMERY
17
tory a jejich výhoda spočı́vá předevšı́m, tak jako u ostatnı́ch tepelných detektorů, v jejich
nı́zké pořizovacı́ ceně.
Piroelektrické detektory
Piroelektrické detektory jsou založeny na stejnojmenném jevu. Polarizovaný materiál
reaguje na změnu teploty změnou polarizace. Protože reaguje pouze na změnu teploty, je
dopadajı́cı́ zářenı́ nutné střı́davě zastiňovat. Výstupnı́m parametrem je střı́davý proud,
který je možné dále zesilovat vstupnı́m zesilovačem elektroniky zpracovánı́ signálu. Velkou výhodou tohoto typu detektorů je vysoká citlivost ve velkém rozsahu intenzit dopadajı́cı́ho zářenı́.
Bolometrické detektory
Jedná se o principialně nejstaršı́ použı́vaný systém detekce IČ zářenı́. Při ohřátı́ materiálu (Ti, amorfnı́ křemı́k, polykrystalický SiGe a jiné) se měnı́ jeho elektrický odpor, tato změna se detekuje pomocı́ Wheastonova můstku. Přesnějšı́ popis konstrukce se
nacházı́ v následujı́cı́ kapitole 3.2.3.
3.2.3
Konstrukce
Protože v technické praxi1 se použı́vá předevšı́m bolometrů, dále budou popsány bolometrické detektory. V textu je popsána konstrukce bolometru jako jednotlivého prvku, ale
pro složenı́ obrazu je třeba v jednom okamžiku snı́mat tzv. teplotnı́ pole. Toho se docı́lilo
zmenšenı́m bolometrů a s rozvojem výroby integrovaných obvodů byly umist’ovány na čip.
Na základnı́m substrátu je pro většı́ přesnost měřenı́ umı́stěna odrazivá vrstva, nejčastěji
z oxidu hlinı́ku. Na této vrstvě jsou na paticı́ch (konektorech) umı́stěny jednotlivé mikrobolometry (obrázek 3.3a)), které jako celek tvořı́ mikrobolometrické pole (obrázek 3.3c)).
Na substrátu jsou dále umı́stěny A/D převodnı́ky.
Množstvı́ jednotlivých prvků pole je jednou z veličin určujı́cı́ch přesnost snı́mku a jeho
kvalitu. Ovšem nenı́ možné tvrdit, že velké rozlišenı́ zajistı́ vysokou kvalitu snı́mků.
Dalšı́m důležitým parametrem jsou vlastnosti optické soustavy (objektivu).
1
myšlena civilnı́ oblast využitı́, diagnostika zařı́zenı́ atp.
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE IČT KAMERY
a)
18
b)
c)
Obrázek 3.3: Detailnı́ snı́mky mikrobolometrů, na obrázku a) model jednoho pixelu snı́mače (bolometru) [16], b) mikrobolometru
pod mikroskopem [15] a c) snı́mek části mikrobolometrického
pole [15]
Kapitola 4
Vlivy na přesnost měřenı́
Přesnost měřenı́ určuje vı́ce faktorů, jde předevšı́m o vlivy okolı́ (napřı́klad teplota
pozadı́, vlhkost a tlak vzduchu), vlastnosti měřeného objektu a vlastnosti IČT kamery.
V komerčně použı́vaných IČT kamerách se kompenzuje pět vlastnostı́ okolı́ a měřeného
objektu, které nepřı́znivě ovlivňujı́ měřenı́:
• atmosférická teplota,
• vlhkost vzduchu,
• vzdálenost od objektu,
• zdánlivá odražená teplota,
• emisivita.
Z těchto pěti kompenzovatelných chyb se v kapitolách věnovaných měřenı́ zabýváme
určenı́m emisivity a zdánlivé odražené teploty. Měřenı́ mohou ovlivnit dalšı́ faktory,
kterým se lze vyvarovat, ale je nutné vědět, jaké to jsou. Jedná se napřı́klad o vliv
větru a nebo rozptylových podmı́nek, vı́ce v kapitole 4.1. Dalšı́ možnou chybou je špatné
zaostřenı́ měřeného objektu. Vliv této chyby je popsán v kapitole měřenı́ 6.4. Během
pozorovánı́ vzdálených nebo malých předmětů je možné při použitı́ špatného objektivu
způsobit podobnou chybu, jako při špatném ostřenı́ (viz 4.3).
19
KAPITOLA 4. VLIVY NA PŘESNOST MĚŘENÍ
4.1
20
Vlivy okolı́
Atmosférická teplota je jednou z veličin, určujı́cı́ útlum IČ zářenı́ v atmosféře. Je
také omezujı́cı́m faktorem použitı́ IČT kamery. Rozmezı́ pracovnı́ch teplot je udáváno
výrobcem. Tato teplota je u základnı́ch modelů běžně mezi 0 ◦ C až 50 ◦ C a u vyššı́ch řad
mezi −15 ◦ C až 50 ◦ C.
Atmosféra obsahuje látky, které pohlcujı́ infračervené zářenı́. Jedná se napřı́klad o oxid
uhličitý, dusı́k a jiné prvky. Jejich vliv nenı́ zanedbatelný, ale téměř se s časem neměnı́,
a je možné korekci pevně nastavit. Mezi tyto látky patřı́ také voda, konkrétně vzdušná
vlhkost, která se s časem naopak měnı́ rychle a proto je nutné jejı́ vliv korigovat v mı́stě
a čase měřenı́. Do IČT kamery se zadává hodnota relativnı́ vzdušné vlhkosti. S tı́m
souvisı́ i nutnost zjištěnı́ vzdálenosti mezi měřeným objektem a snı́mačem, protože útlum
je závislý na vzdálenosti.
Měřenı́ ovlivňuje nepřeberné množstvı́ okolnı́ch vlivů a výše zmı́něné jsou ty závažné,
které jsme schopni do určité mı́ry kompenzovat. Dalšı́m faktorem, kterým je možné
zvýšit přesnost měřenı́ je výběr vhodné doby měřenı́. Ta nastává, když je odstup teplot měřeného objektu a okolı́ co nejvyššı́ a zároveň se v okolı́ vyskytuje minimum dalšı́ch
zářičů, které mohou ovlivnit měřenı́ (viz 6.2). Při měřenı́ v exteriéru je měřený objekt
ochlazován prouděnı́m vzduchu, proto je větrné počası́ nevhodné, v literatuře se jako
maximálnı́ přı́pustná rychlost větru udává 4 ms−1 až 5 ms−1 . Důležitý je, pokud možno,
čistý prostor mezi objektem na IČT kamerou, to znamená vyvarovat se hustému dešti,
sněženı́, mlze nebo dnům se špatnými rozptylovými podmı́nkami (smog). Venkovnı́ měřenı́
napřı́klad probı́hajı́ téměř výhradně v zimnı́m nebo podzimnı́m obdobı́, kdy je minimálně
ovlivňováno slunečnı́m zářenı́m (měřený objekt i okolı́ nejsou otepleny sluncem).
4.2
Vlastnosti měřeného objektu
Intenzita zářenı́, která bude naměřena, závisı́ samozřejmě na teplotě. Ale to platı́
bezvýhradně pouze pro černá tělesa, v běžné praxi se samozřejmě nemůžeme dopustit
takového zjednodušenı́ a považovat všechna tělesa za černá. Pro kompenzaci chyby se
zavádı́ tzv. emisivita.
Emisivita (ε) je materiálová konstanta. Určuje schopnost materiálu vyzařovat energii
do okolı́. Je závislá na vlastnostech povrchu objektu, tzn. emisivita povrchu jednoho
stejného materiálu může nabývat mnoha hodnot a to v závislosti na jeho úpravě (od
KAPITOLA 4. VLIVY NA PŘESNOST MĚŘENÍ
21
oxidace - stárnutı́, přes hrubost - leštěnı́ a pı́skovánı́, až po různé nátěry a laky nebo vliv
geometrie - tvaru). Proto nenı́ možné tuto konstantu určit všeobecně a považovat jı́ za
správnou. Takto by se daly shrnout problémy s přesnostı́ určenı́ emisivity v závislosti
na povrchové úpravě materiálů, ale existujı́ dalšı́ parametry, které ovlivňujı́ jejı́ velikost.
V praxi nás zajı́majı́ předevšı́m tyto:
• teplota povrchu (T ),
• úhel pozorovánı́ (α),
• vlnová délka zářenı́ (λ).
4.2.1
Emisivita
Emisivitu lze popsat jako podı́l intenzit vyzařovánı́ reálného tělesa a absolutně černého
tělesa při stejné teplotě:
ε=
MT (T )
,
MCT (T )
(4.1)
kde MT (T ) je intenzita vyzařovánı́ reálného tělesa přes celé spektrum a MCT (T ) je
intenzita vyzařovánı́ ideálnı́ho černého tělesa v celém spektru. Takto odvozená hodnota
se nazývá emisivita a je závislá pouze na teplotě. Z tohoto vztahu můžeme vyvodit, že
emisivita tělesa nabývá hodnot: 0 až 1 a zároveň, že emisivita absolutně černého tělesa
je: ε = 1. Nevýhodou takové definice je, že nám v podstatě nevypovı́, jaké bude mı́t
vlastnosti těleso, které pozorujeme IČT kamerou, protože nikdy nemůžeme snı́mat celé
těleso (ze všech směrů zároveň). Také určenı́ emisivity v celém spektru zářenı́ nenı́ vhodné,
protože termografie využı́vá pouze úzká pásma, tzv. atmosférických oken (viz 2.2). Dalšı́
definice emisivity jsou možné, ale ty pro nás nejsou dostatečné. Ideálnı́m určenı́m by byla
emisivita, jako konstanta ϵ(∆λ, ∆Ω, T ), určená v potřebné šı́řce IČ pásma a prostorovým
úhlem, který vymezı́ možný úhel pozorovánı́ na normálu nebo v jejı́ blı́zkosti. V praxi se
tedy emisivita neurčuje teoreticky, ale praktickým měřenı́m (viz 6.3).
4.2.2
Rozdělenı́ těles podle jejich emisivity
Tělesa se dělı́ do třı́ skupin, černá tělesa, šedá tělesa a selektivně emitujı́cı́ tělesa:
KAPITOLA 4. VLIVY NA PŘESNOST MĚŘENÍ
Černé těleso
22
ε(α) = 1, konst.
ε(λ, T ) = 1, konst.
Šedé těleso
0 < ε(α) < 1, proměnná
0 < ε(λ, T ) < 1, konst.
Selektivně emitujı́cı́ těleso
0 < ε(α) < 1, proměnná 0 < ε(λ, T ) < 1, proměnná
Tabulka 4.1: Základnı́ rozdělenı́ těles podle jejich emisivity ε a vlivu úhlu
pozorovánı́ (α)
Z tabulky vyplývá, že černé těleso je ideálnı́m předmětem zkoumánı́, ale jedná se
pouze o teoreticky definované těleso, které se v přı́rodě nevyskytuje. Pro potřebu kalibrace bezdotykových teploměrů nebo IČT kamer se použı́vajı́ modely černého tělesa,
které se blı́žı́ vlastnostem černého tělesa. Tyto modely jsou nejčastěji tvořeny dutinou
takových rozměrů a tvaru, aby bylo přı́chozı́ zářenı́ pohlceno a jejı́ stěny měly stejnou
teplotu. V praxi se snažı́me zaměřit na tělesa, která se blı́žı́ definici šedého tělesa, protože
ϵ(λ, T ) = konst.. Ovšem jedná se pouze o idealizaci, podobně jako černé těleso. Za šedé
těleso je možné uvažovat většinu pevných materiálů v určitých pásmech vlnových délek
IČ zářenı́. Naopak emisivita selektivně emitujı́cı́ho tělesa je funkcı́ vlnové délky a určenı́
této závislosti je velice komplikované a přı́padná měřenı́ intenzity vyzařovánı́ takových
těles jsou náročná. Mezi selektivnı́ emitory patřı́ napřı́klad plyny a plastové fólie.
Cerne teleso
-2
-1
MHWm Μm L
Sede teleso
1.2 ´ 10-10
1. ´ 10-10
Selektivni zaric
8. ´ 10-11
6. ´ 10-11
4. ´ 10-11
2. ´ 10-11
ΛHΜmL
5
10
15
Obrázek 4.1: Přı́klady různých těles
20
KAPITOLA 4. VLIVY NA PŘESNOST MĚŘENÍ
4.2.3
23
Vlivy určujı́cı́ emisivitu
V úvodu byly popsány základnı́ vlivy, které určujı́ velikost emisivity. Jejich přehled je
v následujı́cı́ tabulce:
Vlastnosti tělesa
Vliv ostatnı́ch parametrů
Druh materiálu(kov, nekov, ...)
Úhel pozorovánı́
Povrch tělesa(drsnost, ...)
Teplota(změny struktury tělesa)
Tvar tělesa(drážky, dutiny, ...)
Vlnová délka zářenı́
Tabulka 4.2: Přehled vlivů určujı́cı́ch emisivitu
Úhel pozorovánı́ α má na velikost emisivity podstatný vliv u šedých a selektivně
emitujı́cı́ch těles, jak vyplývá z tabulky 4.1. Některé povrchy majı́ schopnost vyzařovat do
všech směrů stejnou intenzitou, jsou to takzvaná disipativnı́ tělesa (někdy také Lambertův
zářič). Takže se jedná o tělesa u kterých je emisivita (reflektance) nezávislá na úhlu
pozorovánı́ (této vlastnosti se snažı́me dosáhnout při tvorbě reflektoru pro měřenı́ zdánlivé
odražené teploty 6.2). Vliv úhlu pozorovánı́ na intenzitu odraženého zářenı́ I u takového
zářiče lze popsat Lambertovým zákonem (cosinový zákon optiky):
Iα = I⊥ cosα,
(4.2)
kde Iα je intenzita zářenı́ tělesa v úhlu α od normály a I⊥ je intenzita zářenı́ na
normále. Opět se jedná o teoretickou vlastnost povrchu a ve skutečnosti se jı́ lze pouze
přiblı́žit, podobně jako při sestrojenı́ modelu černého tělesa.
Běžná tělesa nelze popsat takovouto rovnicı́, protože jejich emisivita a reflexivita je
závislá na nepřeberném množstvı́ vlastnostı́ povrchu, některé z nich jsou zmı́něny v tabulce 4.2. Pro co nejpřesnějšı́ měřenı́ je vhodný co nejmenšı́ úhel pozorovánı́.
4.3
Minimálnı́ snı́maná plocha
V předchozı́ kapitole byla zmı́něna možnost chybného měřenı́ při pozorovánı́ vzdálených nebo malých předmětů, jež je způsobena zářenı́m, které z tohoto předmětu dopadá
pouze na malou plochu snı́mače (rozložı́ se mezi několik sousednı́ch, ale žádný nenı́ ozářen
celý). Tento způsobı́, že software zpracovánı́ obrazu vyhodnotı́ chybně intenzitu zářenı́
KAPITOLA 4. VLIVY NA PŘESNOST MĚŘENÍ
24
a zobrazovaná teplota je nižšı́ než skutečná. Každá IČT kamera má ve své dokumentaci zadané zorné pole, anglicky Field Of View (FOV). Udává se ve stupnı́ch a podle
rozlišenı́ detektoru může být různý horizontálnı́ a vertikálnı́ úhel (napřı́klad u IČT kametry FLIR T335 s rozlišenı́m 320 x 240 pixelů je 25◦ x 19◦ ). S tı́mto úhlem je z pravidla
uvedena minimálnı́ vzdálenost mezi kamerou a objektem (0, 8 až 0, 4 m). Podle těchto
úhlů a vzdálenosti lze určit velikost snı́mané plochy (obrazu): S x V = d · sin(ϕ) x
d · sin(γ). Když zmı́něné hodnoty vydělı́me přı́slušným rozlišenı́m snı́mače, vyjde plocha
obrazu připadajı́cı́ na jeden pixel. V literatuře [1] se dále udává, že minimálnı́ plocha pro
správné rozlišenı́ teploty je 3x3 pixely, čili devı́tinásobek plochy obrazu připadajı́cı́ na
jeden pixel.
Obrázek 4.2: Zorné pole IČT kamery, A - IČT kamera, B - snı́maná plocha
(obraz)
Tato omezenı́ tedy mohou zabránit detekci rozdı́lů v teplotnı́m poli, které se projevujı́
na ploše menšı́ než odpovı́dá předchozı́m závěrům. Řešenı́m je použitı́ vhodné optiky
nebo přiblı́ženı́ se k pozorovanému předmětu. Běžné IČT kamery majı́ možnost přiblı́ženı́,
nejedná se o optický zoom, ale o elektronický zoom. Tudı́ž výsledný termogram je zatı́žen
stejnou chybou jako snı́mek bez přiblı́ženı́. Absence optického zoomu u většiny komerčně
KAPITOLA 4. VLIVY NA PŘESNOST MĚŘENÍ
použı́vaných zařı́zenı́ je způsobena vysokou pořizovacı́ cenou objektivů.
25
Kapitola 5
Experimentálnı́ přı́pravek
Pro měřenı́ A jsme sestavili zařı́zenı́, které se skládá z otopné desky a termostatu, tato
sestava simuluje měřený objekt a druhá, stejná sestava, představuje zdroj odrážejı́cı́ho se
zářenı́. Jako topný prvek byla zvolena sestava tranzistorů NPN v pouzdře TO220 v zapojenı́ se společným emitorem. Tato konfigurace se vyznačuje nı́zkým tepelným odporem
a nı́zkou tepelnou kapacitou, což zajišt’uje dostatečnou dynamiku systému. Vı́ce informacı́
o jednotlivých částech přı́pravku je v následujı́cı́ch kapitolách.
5.1
Termostat
Termostat se v podstatě skládá z Wheastonova můstku. Na jednom rameni je snı́macı́
napět’ový dělič, který se skládá z odporu a termistoru umı́stěného na topidle, tvořı́ snı́macı́
dělič teploty. Na druhém rameni je odporový dělič se sériově přiřazeným potenciometrem řı́dı́cı́m velikost napětı́ na děliči, který tvořı́ řı́dicı́ dělič. Rozdı́l napětı́ je vyhodnocován komparátorem, který při zvýšeném napětı́ na ovládané straně můstku sepne sestavu
topných tranzistorů.
26
KAPITOLA 5. EXPERIMENTÁLNÍ PŘÍPRAVEK
27
Obrázek 5.1: Schéma zapojenı́ termostatu
Prvek
Hodnota
R1, R2
3 kΩ
R3
2 kΩ 0, 5W
R4
TRIMR 100 kΩ horizontálnı́
R5
TRIMR 1 kΩ horizontálnı́
R6
potenciometr 5 kΩ
R7
370 Ω
C1,C2,C3,C4
100nF
IC1
stabilizátor napětı́ 7810
IC3
stabilizátor napětı́ 7805
IC2
OZ MC1458P
Tabulka 5.1: Seznam použitých prvků
Dalšı́m krokem bylo navrhnout desku plošného spoje, osadit ji a umı́stit do vhodné
přı́strojové krabice. Návrh jsem provedl v programu EAGLE, Light Edition a následně
vyleptal fotocestou na jednostrannou cuprexitovou desku.
Komparátor je realizován operačnı́m zesilovačem (dále OZ) MC1458P, ten vyžaduje
KAPITOLA 5. EXPERIMENTÁLNÍ PŘÍPRAVEK
28
Obrázek 5.2: Návrh desky pošného spoje termostatu
symetrické napájenı́. Je odolný proti možným rezonancı́m, proto jsme zvolili tento typ
i přesto, že vyžaduje složitějšı́ řešenı́ napájenı́. Jak již bylo řečeno výše, při vzrůstu napěnı́
na řı́dicı́m děliči nad velikost napětı́ na snı́macı́m děliči, je na výstupu OZ kladné napájecı́
napětı́, velikost proudu do báze tranzistoru je omezena trimrem na potřebnou velikost
(viz 5.2.2). Aby nebyl přetěžován přechod báze-emitor při opačné situaci, kdy je na invertujı́cı́m vstupu OZ vyššı́ napětı́ než na vstupu neinvertujı́cı́m, to znamená, že napětı́ na
snı́macı́m děliči je vyššı́ než na řı́dicı́m, je do obvodu báze topného tranzistoru zařazena
dioda.
Ve schématu zapojenı́ je také zahrnut R4, který měl zajišt’ovat hysterezi, ale při měřenı́
bylo zjištěno, že tepelná kapacita topidla je taková, že sama o sobě zajistı́ dostatečné
přechodné pásmo mezi sepnutým stavem a vypnutým stavem.
5.2
Topidlo
Nejprve byla v programu Wolfram Mathematica provedena simulace topné desky, aby
bylo možné zvolit vhodný materiál a rozměry. Přı́pravek byl modelován jako kruhová
deska s jednı́m tepelným zdrojem ve svém středu.
KAPITOLA 5. EXPERIMENTÁLNÍ PŘÍPRAVEK
5.2.1
29
Model topidla
Tepelný zdroj je kruhový, jako deska a přenos tepla probı́há pouze válcovou plochou,
kterou se dotýkajı́. Výpočet proběhl numerickou metodou ve válcovém souřadnicovém
systému. Model výpočtu je možné lépe pochopit z následujı́cı́ho obrázku (5.3).
Obrázek 5.3: Model - tenká kruhová deska
Jako možné materiály byla zvolena měd’ a hlinı́k. Měd’ má nesporné výhody v podobě
vysoké tepelné vodivosti a nı́zké tepelné kapacity. Výhoda hlinı́ku spočı́vá v jeho nı́zké
ceně a snadné opracovatelnosti, takže byl zvolen hlinı́k. Vlastnosti hlinı́ku uvažované při
výpočtu byly následujı́cı́:
tepelná vodivost λ = 200 W · m−1 · K−1
tepelná kapacita
c = 900 J · kg−1· K−1
ρ = 2700 kg · m−3
hustota
Tabulka 5.2: Materiálové konstanty hlinı́ku
Vycházelo se z Fourier-Kirchhoffovi rovnice:
0
z }| {
∂T
ρ · c(
+ ⃗v ∇T ) = ∇ · (λ∇T ) + QV ,
(5.1)
∂t
kde ρ, c a λ jsou materiálové konstanty vypsané v předchozı́ tabulce, T je teplota,
⃗v je rychlost pohybu hranice prostoru určeného rovnicı́ a ∇ je operátor nabla označujı́cı́
gradient (∇ · T ) nebo divergenci(∇T ).
KAPITOLA 5. EXPERIMENTÁLNÍ PŘÍPRAVEK
30
K výpočtu je třeba určit počátečnı́ podmı́nky, rozloženı́ teploty v čase t = 0 a okrajové
podmı́nky. Celý zdrojový kód se nacházı́ v přı́loze A. Na následujı́cı́ch grafech je průběh
teploty v závislosti na vzdálenosti od středu (poloměr) po ustálenı́ přechodových dějů
pro různé tloušt’ky desky h.
T=fceHrL, pri t=7200s
TH C L
200
150
100
50
rHmL
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
Obrázek 5.4: Graf teploty v závislosti na poloměru
Byla zvolena tloušt’ka h = 6 mm a v této konfiguraci bude chovánı́ modelu v čase
následujı́cı́:
tHsL
6000
4000
2000
0
150
100
TH C L
50
rHmL0.05
0.10
Obrázek 5.5: Model topidla h = 6 mm, chovánı́ v čase
KAPITOLA 5. EXPERIMENTÁLNÍ PŘÍPRAVEK
5.2.2
31
Konstrukce
Těleso je tvořeno sendvičovou strukturou složenou ze dvou hlinı́kových desek o rozměru
200x185x3 mm (šı́řka x délka x tloušt’ka) navzájem pevně spojených šrouby, styčná plocha je ošetřena silikonovou vazelı́nou. Toto řešenı́ bylo zvoleno, aby se minimalizovaly
nežádoucı́ vlivy spojovacı́ho materiálu využitého ke spojenı́ tranzistorů a desky. Jedná
se předevšı́m o nestejné teploty na ploše topidla. Tranzistory a termistory připevněné
na jedné straně desky jsou na ploše styku ošetřeny stejnou tepelně vodivou pastou jako
v předchozı́m přı́padě. Pro dosaženı́ lepšı́ch tepelných vlastnostı́ byla tato strana tepelně
izolována bavlněnou vatou.
Topné tranzistory jsou na desce v sestavě po devı́ti, jedná se o TIP122 (darlingtonovo zapojenı́). Volbou tohoto prvku jsme docı́lili dostatečného proudu ICE i přesto, že
tranzistory jsou řı́zeny komparátorem (OZ) v termostatu s normálnı́m (podle dokumentace, přı́loha ??) výstupnı́m proudem 25 až 45 mA, protože proudový zesilovacı́ činitel
v zapojenı́ se společným emitorem h21e = 1000. Výrobce udává, jaký výkon je možné do
polovodiče dodávat v závislosti na teplotě obalu, aby nebyla překročena přı́pustná teplota
NPN přechodu. Pro většı́ spolehlivost byla zvolena maximálnı́ velikost ztrátového výkonu
na každém prvku 7 W s takovým limitem je bezpečná teplota topidla Tmax = 130 ◦ C. Hodnota ztrátového výkonu nenı́ přesná, protože v emitoru tranzistoru je zapojen vazebnı́
odpor, který snižuje kladnou zpětnou vazbu tranzistoru, kde s rostoucı́ teplotou roste
proud ICE . U rezistoru roste úbytek napětı́ s rostoucı́m proudem ICE , takže působı́ proti
nárůstu proudu obvodem.
Celá topná deska je umı́stěna v dřevěné krabici, která byla vyrobena podle rozměrů
topných desek. Jednotlivé dı́ly krabice byly vyrobeny na CNC frézce a poté slepeny.
Na zadnı́ straně bedny je umı́stěna pojistková patice s tavnou pojistkou o hodnotě 5 A
a konektory ovládánı́ a napájenı́. Jsou zde také konektory pro měřenı́ napájecı́ho proudu.
Měřı́ se úbytek napětı́ na odporu R = 0, 1 Ω, takže výsledné napětı́ je desetina skutečné
hodnoty proudu. Kvůli lepšı́ stabilitě topidel jsou na spodnı́ straně umı́stěny gumové
podstavce. Výsledná sestava měřı́cı́ho přı́pravku se skládá ze dvou topidel (tepelných
zářičů), společného ovládánı́ (termostatu) a napájenı́, které je pro každé topidlo zvlášt’.
Tepelné zářiče jsou rozlišeny jako zářič A a zářič B.
KAPITOLA 5. EXPERIMENTÁLNÍ PŘÍPRAVEK
32
Obrázek 5.6: Schéma zapojenı́ elektrické části topidla
Prvek
Hodnota
R1, R2, . . . , R9
3, 3 kΩ 3W
R10, R11, . . . , R18
3, 6 kΩ 0, 5W
R19, R20, . . . , R27
TRIMR 2, 5 kΩ vertikálnı́
Q1, Q2, . . . , Q9
Tranzistor TIP122
Tabulka 5.3: Seznam použitých prvků
Ovládánı́ je přivedeno z termostatu a napájenı́ silové části je řešeno universálnı́m
napájecı́m zdrojem pro notebooky s parametry: U = 19 V a Imax = 3, 42 A. Při rovnoměrném zatı́ženı́ bude každou větvı́ topného obvodu procházet Inmax = 0, 38 A, aby
zdroj nebyl nepřetěžován, zvolili jsme In = 0, 35 A. Z těchto hodnot lze vypočı́tat ztrátový
výkon na jednotlivých tranzistorech:
PT R = UT R ∗ ·In
(5.2)
UT R = U − R1,2,...,9 ∗ ·In = 19 − 3, 3 ∗ ·0, 35 = 17, 845 V
(5.3)
PT R = 17, 845 ∗ ·0, 35 = 6, 246 W
(5.4)
KAPITOLA 5. EXPERIMENTÁLNÍ PŘÍPRAVEK
5.2.3
33
Povrchová úprava
Protože základnı́ materiál topidla jsou hlinı́kové desky, je emisivita povrchu využı́vaného k měřenı́ nı́zká (typicky se udává εAl = 0, 2), proto je nutné povrch upravit, aby
se emisivita zvýšila. Použili jsme černou barvu ve spreji, která si zachová své vlastnosti
až do teploty 500 ◦ C. Bez dalšı́ch úprav dosahuje povrch topidla ošetřený touto barvou
emisivity εAln = 0, 95. Okraj topné desky zářiče A byly, pro názorný rozdı́l emisivit
různých povrchových úprav, ponechány v původnı́ úpravě, tedy jako čistý hlinı́k. Tepelný zářič B, byl upraven podobně, pouze okraje nebyly ponechány bez úprav, ale jsou
také ošetřeny barevným sprejem (konkrétně červenou matnou barvou a zelenou lesklou
barvou) a použitý černý sprej nenı́ žáruvzdorný, jako u tepelného zářiče A. Jeden okraj
je ošetřen červenou matnou barvou a druhý zelenou lesklou barvou. Tato úprava byla
zvolena ze stejného důvodu, jako v předchozı́m přı́padě a ukazuje rozdı́ly v emisivitách
různě barevných povrchů.
Obrázek 5.7: Tepelné zářiče použité při měřenı́
5.3
Ověřenı́ funkčnosti
Experimentálnı́ přı́pravek jsem po jeho dokončenı́ testoval, zde je nastavená teplota
stabilnı́ v čase. K tomuto jsem využil IČT kameru (FLIR T335, citlivost 0, 05 K), která se
zaměřila na zářič (topidlo) měřila průměrnou teplotu topné desky. Nastavil jsem teplotu
přes 80 ◦ C, jejı́ přesná hodnota nenı́ důležitá, protože jsem kontroloval změnu v čase
a počkal na ustálenı́ přechodových jevů. Po jejich odezněnı́ jsem pořizoval termogramy
KAPITOLA 5. EXPERIMENTÁLNÍ PŘÍPRAVEK
34
zářiče v intervalu pět minut po dobu jedné hodiny.
Z naměřených hodnot vycházela teplotnı́ stabilita obou topidel v rozsahu ±0, 15 K,
takže zařı́zenı́ bylo vhodné pro dalšı́ měřenı́.
Kapitola 6
Měřenı́ A
V této kapitole jsme se zaměřili na ověřenı́ správné funkce přı́pravku (5), který jsme
dále použili k měřenı́ zdánlivé odražené teploty (6.2), emisivity různých povrchových
úprav (6.3) a nakonec vliv rozostřenı́ IČT kamery na průměrnou teplotu (6.4).
6.1
Použité přı́stroje
Při měřenı́ byly použity následujı́cı́ přı́stroje:
• experimentálnı́ přı́pravek (kapitola 5),
• dotykový teploměr TESTO 905-T2,
• dálkoměr BOSCH DLE 70 Professional,
• vlhkoměr a teploměr EXTECH instruments FLIR M0297,
• IČT kamera FLIR T335,
• 2x multimetr UNI-T UT33A.
6.2
Vliv zdánlivé odražené teploty
Při měřenı́ teplotnı́ho pole objektu je nutné uvažovat i vliv okolnı́ch předmětů, napřı́klad ostatnı́ch strojů v továrnı́ hale. Tyto předměty mohou ovlivnit tepelné zářenı́ pochá35
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A
36
zejı́cı́ z cı́lového objektu o své zářenı́, které se od cı́lového objektu odrazı́ k pozorovateli
(objektivu kamery). Toto parazitnı́“ zářenı́ se, podle normy ČSN ISO 18434-1 [6], nazývá
”
odražená zdánlivá teplota. Měřenı́ této teploty je popsáno ve výše zmı́něné normě. My se
dále budeme zabývat měřenı́m zdánlivé odražené teploty, jejı́m vlivem na chyby měřenı́
a postupem měřenı́.
Pro ověřenı́ postupů (viz nı́že) a popsánı́ vlivu zdánlivé odražené teploty na měřenı́
jsme sestavili pokusné uspořádánı́ zmı́něné v kapitole 5.
6.2.1
Postup měřenı́ podle ČSN ISO 18434-1
Nı́že je sepsaný postup měřenı́, který doporučuje tato norma.
Potřebná technika
Aby bylo možné změřit odraženou zdánlivou teplotu objektu, jsou potřebná následujı́cı́
zařı́zenı́:
a) kalibrovaná kvalitativnı́ IČT kamera, která umožňuje termodiagnostikovi zadávat hodnoty odražené zdánlivé teploty Todr a emisivity ε,
b) infračervený reflektor (odražeč) jakým je např. zmačkaná“ a opětovně narovnaná
”
lesklá hlinı́ková fólie, která se připevnı́ na rovnou desku (např. karton) lesklou stranou nahoru.
Metoda odrazu
Postup pro stanovenı́ odražené zdánlivé teploty Todr musı́ být tento.
a) Na IČT kameře se nastavı́ emisivita 1, 00 a vzdálenost 0.
b) IČT kamera neumı́stı́ do požadovaného mı́sta a vzdálenosti od objektu, který se má
měřit. IČT kamera se zaměřı́ na měřený objekt.
c) Reflektor se umı́stı́ do zorného pole IČT kamery tak, že musı́ být umı́stěn před objektem a jeho plocha musı́ být rovnoběžně s plochou měřeného objektu (viz 6.1).
Pracuje se v bezpečné vzdálenosti od jakýchkoli potencionálně nebezpečných objektů - těles.
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A
37
d) Bez změny pozice se IČT kamerou změřı́ odražená zdánlivá teplota na reflektoru.
Takto zjištěná teplota je v podstatě tou hledanou od objektu se odrážejı́cı́ zdánlivou
teplotou Todr .
e) Pro většı́ přesnost se postup uvedený v bodech b) až d) zopakuje nejméně třikrát
a z naměřených hodnot se udělá průměr.
f ) Odražená zdánlivá teplota se kompenzuje vloženı́m zprůměrované hodnoty odražené
zdánlivé teploty Todr do vnitřnı́ho software IČT kamery (většinou se tato teplota
nazývá jako TAM“, amb. temp.“ (ambient temperature - teplota okolı́), reflec”
”
”
ted apparent temperature“ (odražená zdánlivá teplota), background temperature“
”
(teplota pozadı́) nebo Tref l“, Todr“, Tamb“, Tokoli“).
”
”
”
”
Obrázek 6.1: Situace při měřenı́ odražené zdánlivé teploty metodou odrazu, 1 – IČT kamera, 2 – Zdroj tepla, který objekt odrážı́
do kamery, 3 - Reflektor rovnoběžný s měřeným objektem, 4
– Měřený objekt
Přı́má metoda
Postup pro stanovenı́ odražené zdánlivé teploty Todr přı́mou metodou musı́ být následujı́cı́.
a) Na IČT kameře se nastavı́ emisivita na 1, 00.
b) IČT kamera se umı́stı́ do požadovaného mı́sta a vzdálenosti od objektu, který se
bude měřit. Odhadne se úhel odrazu α a úhel dopadu β při zobrazenı́ objektu IČT
kamerou z mı́sta jejı́ho umı́stěnı́ (viz 6.2).
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A
Obrázek 6.2: Situace při měřenı́ odražené zdánlivé teploty přı́mou metodou, prvnı́ krok, 1 - IČT kamera, 2 - Zdroj tepla, který objekt
odrážı́ do kamery, 3 - Měřený objekt
Obrázek 6.3: Situace při měřenı́ odražené zdánlivé teploty přı́mou metodou, druhý krok, 1 - IČT kamera, 2 - Zdroj tepla, který
objekt odrážı́ do kamery, 3 - Měřený objekt
38
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A
39
c) IČT kamera se umı́stı́ před měřený objekt tak, aby byla zaměřena na zdroj odrážejı́cı́ho
se zářenı́ a byla s objektem v úhlu, který odpovı́dá úhlu odrazu α (viz 6.3).
d) Pomocı́ IČT kamery se změřı́ průměrná zdánlivá teplota tohoto zdroje (těchto zdrojů).
Využije se jakékoli dostupné funkce kamery (jako je měřı́cı́ funkce průměrné teploty
oblasti), aby se zprůměrovala zdánlivá teplota. Doporučuje se mı́t na paměti, že je
to odražená zdánlivá teplota Todr od měřeného objektu.
e) Pro většı́ přesnost se opakuje postup uvedený v bodech b) až d) nejméně třikrát
a z naměřených hodnot se spočı́tá průměr.
6.2.2
Vlastnı́ měřenı́ zdánlivé odražené teploty
Při měřenı́ jsme postupovali podle metod popsaných v normě ČSN ISO 18434-1 (6.2).
Pro ověřenı́ postupu při měřenı́ nepřı́mou metodou byly voleny, mimo v normě popsaného,
různé druhy reflektorů odrážejı́cı́ se zdánlivé teploty. Dále různé teploty měřeného objektu
a zdroje parazitnı́ho“ zářenı́.
”
Měřenı́ metodou odrazu
Při měřenı́ byly jako reflektory použity následujı́cı́ materiály:
• hlinı́ková fólie stará (reflektor starý 4 týdny),
• hlinı́ková fólie nová (reflektor sestavený před měřenı́m),
• lesklý obal od potravin.
Před vlastnı́m měřenı́m byla IČT kamera kalibrována podle postupu popsaného v normě ČSN ISO 18434-1. Změřila se vzdálenost mezi objektem a IČT kamerou a zjistila se
emisivita povrchu měřeného objektu (viz 6.3). Zářiče byly nastaveny tak, aby se zářenı́ ze
zdroje parazitnı́ho zářenı́ odráželo přes měřený objekt do IČT kamery. Rozloženı́ měřı́cı́ho
pracoviště je na obrázku 6.4.
Měřenı́ proběhlo při různých teplotách měřeného objektu, od teploty okolı́ po maximálnı́ teplotu, která byla s ohledem na vlastnosti použitého spreje stanovena na 80 ◦ C
a jednotlivé teploty od sebe majı́ odstup zhruba 10 K. Pro každou teplotu měřeného objektu byla postupně nastavována teplota druhého zářiče v podobném rozsahu. Použitı́m
žáruvzdorné barvy bylo možné nastavit maximálnı́ teplotu na 90 ◦ C a stejným odstupem,
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A
40
Obrázek 6.4: Rozloženı́ měřı́cı́ho pracoviště: 1 - IČT kamera, 2 - Měřený
objekt (zářič B), 3 - Zdroj odrážejı́cı́ se zdánlivé teploty (zářič
A), 4 - Odražené zářenı́, 5 - Zářenı́ pocházejı́cı́ z měřeného
objektu
jako u měřeného zdroje zářenı́. Protože přı́pravky použité při tomto měřenı́ neumožnı́
nastavenı́ přesné teploty, nenı́ reálné dodržet odstup jednotlivých teplot. Při každé zadané teplotě se odečı́taly tyto údaje dotykovými teploměry: teploty obou tepelných zářičů
a průměrné teploty ve vymezené oblasti měřeného objektu (zářič B) pomocı́ IČT kamery.
Při zastı́něném odrážejı́cı́m se zářenı́ (tepelný zdroj A byl přikryt kartonovou deskou)
a nezastı́něném odrážejı́cı́m se zářenı́ (mimo těchto teplot byly také uloženy termogramy
pro dalšı́ vyhodnocenı́), dále byly odečteny odrážejı́cı́ se zdánlivé teploty s různými reflektory.
Tabulka naměřených hodnot se, kvůli svému rozsahu, nacházı́ v přı́loze ??. Uložené
termogramy byly zpracovány v programu QuickReport od výrobce použité IČT kamery
společnosti FLIR. Tı́mto byly naměřené hodnoty zkorigovány a pro porovnánı́ účinnosti
korekce přeneseny do grafů 6.5 a 6.6. Na ose x je vynesen rotdı́l teplot zářičů A a B
∆TAB = TA − TB . Na ose y je u prvnı́ho grafu (6.5) vynesena odchylka korekce δk ,
jako podı́l rozdı́lu nekorigované (TN ) a korigované teploty (TK ) od teploty změřené při
zastı́něnı́ (TZ ) tepelného zářiče A, takže δk =
TK −TZ
TN −TZ
· 100. U druhého grafu (6.6) je na
ose y odchylka teploty δT korigované a měřené při zastı́něnı́ δT =
TK
TZ
· 100.
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A
41
∆k H%L
100
80
Obal
60
Al reflektor stary
40
Al reflektor novy
20
-40
20
-20
40
60
DTAB HKL
Obrázek 6.5: Graf δk = f ce(∆TAB ) - Metoda odrazu
∆T H%L
3.5
3.0
Obal
2.5
2.0
Al reflektor stary
1.5
Al reflektor novy
1.0
0.5
-40
-20
20
40
60
DTAB HKL
Obrázek 6.6: Graf δT = f ce(∆TAB ) - Metoda odrazu
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A
42
Měřenı́ přı́mou metodou
Měřenı́ probı́halo při čtyřech různých teplotách měřeného objektu i zdroje zdánlivé
odrážejı́cı́ se teploty. Při každém měřenı́ se postupovalo podle návodu popsaného v normě
6.2 a podobně jako v předchozı́m měřenı́ byly zaznamenávány tyto hodnoty:
• dotykovým teploměrem teplota zářiče A a B
• termogram zářiče B se zdánlivou odraženou teplotou a při jejı́m zastı́něnı́
• teplota zářiče A (měřeno jako oblast zahrnujı́cı́ pouze zářič a oblast zahrnujı́cı́ celý
obraz snı́maný IČT kamerou)
V normě nenı́ specifikováno, jak přesně zdánlivou odraženou teplotu při použitı́ přı́mé
metody měřit, proto byly zvoleny dvě oblasti měřenı́ teploty parazitnı́ho zdroje zářenı́
(zářič A). Měřı́cı́ sestava byla použita stejná, jako u měřenı́ nepřı́mou metodou, prostorové
uspořádánı́ je na obrázku 6.4.
Naměřené hodnoty jsou v přı́loze A, termogramy byly zpracovány v programu QuickReport od výrobce použité IČT kamery FLIR. Výsledné hodnoty byly vyneseny do
grafů, kde je srovnávána účinnost korekce 6.7 a chyba teploty 6.8. Význam popisů os je
stejný, jako v předchozı́m měřenı́.
∆kH%L
150
Vyrez z obrazu
100
Cely obraz
50
-40
-20
20
40
60
DTAB HKL
Obrázek 6.7: Graf δk = f ce(∆TAB ) - Přı́má metoda
Hodnocenı́
Při měřenı́ nepřı́mou metodou se vyskytly potı́že v podobě použitı́ starého reflektoru
zářenı́ z hlinı́kové fólie, protože hlinı́k zoxidoval a ztratil reflexivitu, tı́m se zvětšila chyba
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A
43
∆TH%L
8
6
Vyrez z obrazu
4
Cely obraz
2
-40
-20
20
40
60
DTAB HKL
Obrázek 6.8: Graf δT = f ce(∆TAB ) - Přı́má metoda
měřenı́. Proto je důležité, aby před každým použitı́m této metody, byla použita nová
hlinı́ková fólie. Rozdı́ly při použitı́ staré a nové fólie jsou patrné z grafů 6.5 a 6.6. Třetı́
použitý materiál, potravinový obal se neosvědčil vůbec, předevšı́m proto, že vykazoval
značnou závislost zdánlivé odrážejı́cı́ teploty na teplotě vlastnı́, což při vyššı́ teplotě okolı́
způsobuje značné chyby.
Všechny použité reflektory vykazujı́ podobné trendy, při rostoucı́m rozdı́lu teplot
ve smyslu, že zářič B (měřený objekt) je teplejšı́, než zářič A klesá význam korekce
a roste jejı́ chyba. Podle normy je tato korekce nutná pouze do rozdı́lu teplot menšı́m
než 20 K a měřenı́ potvrzuje takové tvrzenı́, v opačném přı́padě naopak jejı́ význam
roste. Z naměřených hodnot také vyplývá, že odchylka korekce se u nové hlinı́kové fólie
pohybuje v průměru na 46% a naopak u staré fólie je tato hodnota 82%.
Měřenı́ přı́mou metodou je náročnějšı́ než měřenı́ nepřı́mou metodou, protože je nutné
přemist’ovat IČT kameru v průběhu měřenı́. Dále norma neuvádı́, jaký obraz má být při
měřenı́ zahrnut, napřı́klad jestli se má uvažovat pouze část se zdrojem zářenı́ nebo celá
scéna. Proto byly při měřenı́ zaznamenávány průměrné teploty obou oblastı́ a korekce
probı́hala také pomocı́ těchto dvou souborů dat. Výsledky a účinnost těchto korekcı́ jsou
zobrazeny v grafech 6.7 a 6.8. Průměrná odchylka korekce při použitı́ výřezu obrazu,
který zabı́rá pouze zdroj parazitnı́ho zářenı́ je 87% a pro celý obraz je tato odchylka
pouze 23%. Je tedy zřejmé, že se při měřenı́ musı́ zdánlivé odražené teploty ve druhém
kroku (obrázek 6.3) musı́ uvažovat celý záběr kamery a ne pouze jeho výřez.
Porovnánı́m výsledných korekcı́ s nejmenšı́ chybou dostaneme následujı́cı́ grafy 6.9
a 6.10. Z grafů je patrné, že přı́má metoda měřenı́ zdánlivé odražené teploty je účinnějšı́
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A
44
při použitı́ jejı́ch výsledků pro korekci této chyby.
∆kH%L
100
80
Neprima metoda
60
40
Prima metoda
20
-40
20
-20
40
60
DTAB HKL
Obrázek 6.9: Porovnánı́ chyby korekce přı́mé metody (korekce celým obrazem) a nepřı́mé metody (korekce Al reflektorem-novým)
∆TH%L
0.8
Neprima metoda
0.6
0.4
Prima metoda
0.2
-40
-20
20
40
60
DTAB HKL
Obrázek 6.10: Porovnánı́ chyby teploty při použitı́ přı́mé metody (korekce
celým obrazem) a nepřı́mé metody (korekce Al reflektoremnovým)
6.3
Měřenı́ emisivity
Měřenı́m povrchové teploty IČT kamerou dosahujeme vysoké přesnosti a citlivosti
na změny teploty. Přesnost je, mimo jiné, limitována přesnostı́ určenı́ emisivity povrchu
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A
45
měřeného tělesa. Jejı́ znalost je jednou ze základnı́ch podmı́nek správného měřenı́. Vı́ce
o vlivech na přesnost měřenı́ je uvedeno v kapitole 4. V tomto měřenı́ byl využit experimentálnı́ přı́pravek z předchozı́ch kapitol. Použity se následujı́cı́ povrchové úpravy:
Nástřik tepelně odolným sprejem, nalepenı́ izolačnı́ pásky, nástřiky třech barev běžného
spreje (černá, zelená, červená).
6.3.1
Teorie
Možnostı́, jak měřit emisivitu, je několik. Mezi ty základnı́ patřı́ měřenı́ emisivity
pomocı́ dotykového teploměru (kontaktnı́ metoda), upravenı́m měřeného povrchu tak.
abychom znali jeho emisivitu (nálepka, nástřik sprejem - metoda využı́vajı́cı́ materiálu
s referenčnı́ emisivitou).
Potřebná technika a podmı́nky u všech druhů měřenı́ bude následujı́cı́: IČT kamera,
která je zkalibrovaná pro dané podmı́nky měřenı́ (podle relativnı́ vlhkosti okolı́, teploty
okolı́, vzdálenosti mezi měřeným objektem a IČT kamerou a hodnotou zdánlivé odražené
teploty) a je u nı́ možné měnit hodnotu emisivity ε. Dále musı́ být teplota měřeného
objektu alespoň o 20 ◦ C vyššı́ nebo menšı́ od zdánlivé odražené teploty změřené podle
postupu v kapitole 6.2. U jednotlivých metod budou připsány pomůcky potřebné k určenı́
emisivity těmito metodami.
Kontaktnı́ metoda
U této metody je spolu s výše vypsanými zařı́zenı́mi nutný dotykový teploměr. Emisivita je určena podle teploty naměřené teploměrem, jejı́ přesnost je, mimo jiné, limitována přesnostı́ měřenı́ teploty použitého teploměru - může být naměřena nižšı́ teplota
než skutečná. V extrémnı́ch přı́padech je možné, aby výsledná emisivita byla vyššı́ než 1.
Proto je nutné na přesnost této metody pohlı́žet s ohledem na kvalitu dotykového teploměru.
Při splněnı́ podmı́nek, které jsou popsány výše, se nastavı́ na IČT kameře bod nebo
oblast měřenı́, kde se bude zjišt’ovat emisivita. Ovšem z hlediska vlastnostı́ detektoru je
měřenı́ průměrné teploty v malé oblasti přesnějšı́ než měřenı́ pouhého bodu. Se zaměřenou
kamerou se po celou dobu nijak nemanipuluje, aby nedošlo ke změně měřı́cı́ch podmı́nek.
Nejdřı́ve se změřı́ teplota v oblasti nebo v bodě, na který je zaměřena IČT kamera, a poté
se upravuje emisivita v IČT kameře, tak aby teplota měřená IČT kamerou byla s teplotou naměřenou dotykovým teploměrem shodná. Norma dále doporučuje, pro zvýšenı́
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A
46
přesnosti, měřenı́ alespoň třikrát opakovat a z výsledků spočı́tat průměr.
Referenčnı́ metoda
Mimo výše sepsanou techniku je potřeba upravit povrch měřeného objektu barvou
nebo nálepkou se známou vysokou emisivitou. Při použitı́ této metody je nebezpečı́, že
úpravou povrchu může dojı́t ke změně povrchové teploty upravené části objektu, takže
výsledné měřenı́ bude zatı́ženo systematickou chybou. Proto je nutné, aby povrchová
úprava takový vliv neměla.
Měřenı́ probı́há podobně jako v předchozı́m přı́padě. Kamera se zaostřı́ na oblast
měřeného objektu, vykompenzuje se zdánlivá odražená teplota a ostatnı́ parametry prostředı́. Povrch v bezprostřednı́ blı́zkosti vybrané oblasti nebo přı́mo jejı́ část, se upravı́ jednı́m
z výše popsaných způsobů a měřı́cı́ oblast IČT kamery se zaměřı́ na toto mı́sto. V softwaru kamery se nastavı́ známá emisivita povrchu a po ustálenı́ teploty upravené části
objektu se odečte teplota. Poté se měřı́cı́ oblast změnı́ na neupravenou část povrchu,
blı́zkou upravenému povrchu nebo se úprava odstranı́. Dále se emisivita měnı́ tak, aby
teplota změřená v předchozı́m kroku byla shodná s teplotou odečtenou nynı́. Norma opět
doporučuje provést měřenı́ alespoň třikrát a z hodnot spočı́tat průměr, kvůli zvýšenı́
přesnosti.
Dalšı́ možnosti měřenı́
V této práci nebyly dalšı́ možnosti měřenı́ emisivity využity, ale pro úplnost budou
některé zmı́něny.
• Při měřenı́ těles, které jsou dostatečně velké, je možné vytvořit model černého tělesa
přı́mo v jejich povrchu. Jedná se o vrt do hloubky šesti násobku jeho průměru. Je
nutné, aby masa materiálu byla taková, že tato úprava výrazně neovlivnı́ rozloženı́
teploty v jeho okolı́ a vnitřnı́ povrch vrtu bude mı́t homogennı́ teplotu. Takový
model má emisivitu 0, 99 a dále se při měřenı́ postupuje obdobně jako při použitı́
referenčnı́ metody. Nevýhodou tohoto postupu je nevratné poškozenı́ povrchu zkoumaného tělesa.
• Přesně lze měřit emisivitu pomocı́ přı́stroje, který použı́vá dvou laserů o různé
vlnové délce. Analýzou intenzity odraženého zářenı́ (známe intenzitu dopadajı́cı́ho
zářenı́) můžeme pomocı́ Kirchhoffova a Planckova zákona dopočı́tat emisivitu měřeného povrchu.
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A
47
• Literatura se také zmiňuje o možnosti měřenı́ emisivity jako funkce tepelného toku
procházejı́cı́ho destičkou z měřeného materiálu. Anglicky se nazývá HEAT FLUX”
BASED EMISSIVITY MEASUREMENT“ a podrobně je popsána v [11].
6.3.2
Naměřené hodnoty
Měřenı́ probı́halo ve dvou fázı́ch a byla použita pouze dotyková metoda, protože
nebyl nalezen vhodný materiál pro referenčnı́ metodu. Nejprve byl naměřen nástřik
žáruvzdorným sprejem a polepenı́ izolačnı́ páskou:
Izolačnı́ páska
T (◦ C)
ε−
ε+
Žáruvzdorný černý sprej
T (◦ C)
ε−
ε+
34,4
0,94 0,95
34,7
0,93
0,94
38,3
0,96 0,98
38,7
0,95
0,97
44,6
0,95 0,96
44,7
0,95
0,96
50,8
0,94 0,95
51,6
0,92
0,93
57,1
0,96 0,97
57,6
0,95
0,96
61,7
0,96 0,97
62,2
0,96
0,97
65,8
0,96 0,97
66,8
0,95
0,96
72,9
0,95 0,96
73,4
0,93
0,94
79,1
0,95 0,96
80,1
0,93
0,94
83,4
0,97 0,98
85,9
0,94
0,95
90,7
0,97 0,98
93,2
0,94
0,94
Tabulka 6.1: Tabulka naměřených hodnot, povrchová úprava: sprej černý
(žáruvzdorný), izolačnı́ páska (bı́lá)
V druhé fázi byly změřeny nástřiky spreji o stejném složenı́, ale různých barvách:
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A
48
Černá barva
◦
Zelená barva
◦
Červená barva
T ( C)
ε−
ε+
T ( C)
ε−
ε+
T (◦ C)
ε−
ε+
28,5
0,83
0,85
28,5
0,69
0,73
28,5
0,69
0,71
33,5
0,9
0,92
33,5
0,81
0,83
33,5
0,73
0,74
37,8
0,91
0,92
37,8
0,83
0,84
37,8
0,83
0,84
41,5
0,92
0,93
41,5
0,85
0,86
41,5
0,85
0,87
45,3
0,94
0,95
45,3
0,87
0,88
45,3
0,87
0,88
50,6
0,94
0,95
50,6
0,87
0,88
50,6
0,87
0,88
57,6
0,94
0,95
57,6
0,87
0,88
57,3
0,88
0,89
64,2
0,94
0,95
64,6
0,87
0,88
64,1
0,87
0,88
70,5
0,94
0,95
70,5
0,87
0,88
70
0,88
0,89
78,7
0,94
0,95
78,7
0,87
0,88
78
0,87
0,88
86,3
0,94
0,95
85,6
0,9
0,9
86
0,88
0,89
Tabulka 6.2: Tabulka naměřených hodnot, povrchová úprava: sprej (běžný
- černý, červený matný, zelený lesklý)
6.3.3
Vyhodnocenı́
Při tomto měřenı́ je důležité přesně odečı́st teplotu povrchu a zajistit, aby v okolı́
nebyly žádné tepelné zdroje nebo je alespoň po dobu měřenı́ zastı́nit. Měřenı́ mj. ovlivnı́
přı́tomné osoby, proto je důležité pohybovat se v průběhu měřenı́ tak, aby se tělesné teplo
neodráželo od zkoumaného objektu do IČT kamery.
Z grafu 6.11 je patrné, že při nı́zkých teplotách měřeného tělesa (teplota tělesa nenı́
o 20 K vyššı́ než okolnı́ prostředı́) je u povrchů s nižšı́ emisivitou (ε < 0, 9) vysoký vliv
zdánlivé odražené teploty, a tak se emisivita jevı́ menšı́ než ve skutečnosti.
6.4
Vliv rozostřenı́ kamery na průměrnou teplotu
Správné zaostřenı́ měřeného objektu je podobně důležité jako u fotografie. Navı́c při
měřenı́ povrchové teploty objektu IČT kamerou je motivacı́ jeho kontrola nebo prevence
poruch, proto je nutné do snı́mku zahrnout maximum informacı́. Při správném zaostřenı́
objektu, nebo jeho snı́mané části, je důležité, aby obraz, promı́tajı́cı́ se přes optický systém
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A
49
¶H1L
0.95
Cerna zaruvzdorna
0.90
Izolacni paska
0.85
Cerna
Zelena
0.80
Cervena
0.75
40
50
60
70
80
90
TH C L
Obrázek 6.11: Průběh emisivit různých barev povrchu v závislosti na jejich
teplotě
zobrazoval na senzoru zářenı́ ostrý“. Pokud je zaostřenı́ chybné, může být zaostřeno před
”
nebo za objekt, obraz na senzoru neodpovı́dá skutečnosti a je rozmazaný. V takovém
přı́padě se zářenı́ z jednoho bodu nespojuje v rovině detektoru, ale je rozptýleno po většı́
ploše, takže se ztrácı́ informace o intenzitě zářenı́ tohoto bodu. Tı́m pádem je možné, že
při snı́mánı́ objektu se změny teplotnı́ho pole na obraze IČT kamery vůbec neprojevı́ nebo
jen v malé mı́ře. Toto bude mı́t také vliv na měřenı́ průměrné teploty ve vybrané oblasti,
nezaostřený obraz se nebude správně promı́tat na detektor zářenı́ a oblast měřenı́ nebude
možné správně vymezit, takže odečet průměrné teploty v měřené oblasti bude nepřesný.
Z obrázků je patrné, že vliv na měřenı́ průměrné teploty určité oblasti má rozostřenı́
pouze, je-li tato oblast ohraničená, napřı́klad povrchem s jinou emisivitou, tvarem předmětu nebo povrchy s rozdı́lnou teplotou. Při snı́mánı́ většı́ plochy s téměř homogennı́ teplotou, je vliv špatného ostřenı́ neznatelný. Naopak při měřenı́ ohraničené oblasti je vliv
rozostřenı́ značný, jak je vidět na hodnotách průměrné teploty v měřené oblasti (obrázek
6.12).
KAPITOLA 6. MĚŘENÍ A
Obrázek 6.12: Porovnánı́ různě zaostřených termogramů, ve sloupci A jsou
zaostřené obrazy, B zaostřeno před objekt a C zaostřeno za
objekt
50
Kapitola 7
Měřenı́ B
Cı́lem této kapitoly bylo stanovit emisivitu venkovnı́ch nadzemnı́ch vodičů. Ty je
možné rozdělit na dvě základnı́ skupiny: izolované a neizolované. Izolované vodiče nacházejı́
využitı́ předevšı́m v oblastech, kde je vyššı́ riziko styku vodiče s neživými částmi nebo
mezi sebou, napřı́klad kvůli podrostu nebo okolnı́m konstrukcı́m. Toto řešenı́ je běžné
zejména u napět’ové hladiny nı́zkého napětı́. Pro vyššı́ napět’ové hladiny se u nadzemnı́ch
vedenı́ nepoužı́vajı́. Neizolované vodiče se použı́vajı́ od hladiny nı́zkého napětı́ až po napětı́
zvláště vysoké.
7.1
Použité přı́stroje
Při měřenı́ byly použity následujı́cı́ přı́stroje:
• dotykový teploměr TESTO 905-T2,
• dálkoměr BOSCH DLE 70 Professional,
• vlhkoměr a teploměr EXTECH instruments FLIR M0297,
• IČT kamera FLIR T335,
• laboratornı́ zdroj Manson SDP2603.
51
KAPITOLA 7. MĚŘENÍ B
7.2
52
Popis experimentu
Pro měřenı́ bylo nutné vzorky vodičů zahřı́vat na takovou teplotu, aby se snı́žil vliv
zdánlivé odražené teploty, to znamená na teplotu alespoň o 20 ◦ C vyššı́. Protože se jednalo o vzorky s vysokou elektrickou vodivostı́ a velkém průřezu, nebylo vhodné je zahřı́vat
přı́mým průchodem proudu, proto byl zvolen nepřı́mý ohřev. Na vzorek (vodič) byl navinut topný vodič, jedná se odporový drát z konstantanu izolovaný silikonovou bužı́rkou1 ,
připojený na zdroj stejnosměrného napětı́. Délka drátu byla volena, podle průřezu vodiče,
mezi 1 m nebo 2 m.
Topné vinutı́ bylo rozprostřené po délce vzorku kromě střednı́ části, ve které byl
ponechán 5 cm široký prostor pro měřenı́.
Obrázek 7.1: Schéma zapojenı́
Při měřenı́ byly použity tři vzorky vodičů:
AlFe lano je v České republice nejčastěji použı́vaným typem nadzemnı́ho vodiče. Jedná
se o jednoduchý koncept, u kterého je nosná část (Fe lano) opleteno vodivou částı́
(Al lano).
AAAC lano je některých zemı́ch (např. Francie) standardně použı́vané, ale většinou se
využı́vá pro speciálnı́ aplikace. Celohlinı́kové lano (anglický název: All Aluminium
1
výhodnou vlastnostı́ silikonu je jeho stálost i při provoznı́ch teplotách nad 200 ◦ C (krátkodobě až
◦
320 C)
KAPITOLA 7. MĚŘENÍ B
53
Alloy Conductor), nejedná se o čistý hlinı́k, ale z jeho slitiny (častými přı́měsemi
bývá křemı́k a magnesium), jeho výhodou je nı́zká hmotnost při zachovánı́ srovnatelných elektrických vlastnostı́ jako u AlFe lan.
AlFe vodič je odlišný od předchozı́ch vzorků předevšı́m tı́m, že se nejedná o lano. Tento
vodič se použı́vá na hladině vysokého napětı́, patřı́ do skupiny vodičů s vysokou provoznı́ teplotou (vı́ce než 150 ◦ C) a je vlastně alternativou k vedenı́ na vyššı́ napět’ové
hladině. Jeho nevýhodou jsou Jouleovy ztráty, které rostou s teplotou, čili s teplotou rostou také provoznı́ náklady. Vodič se skládá z ocelové trubky, nosná část
(přebı́rá veškeré mechanické namáhánı́), na které je navinut hlinı́kový vodič (tvořı́
hladký povrch - jednotlivé dráty do sebe zapadajı́).
Uspořádánı́ měřenı́ bylo takovéto: IČT kamera byla zaměřena na vzorek tak, aby
střednı́ část vzorku s prostorem pro měřenı́ byla ve středu záběru. Dále byla zvolena oblast
měřenı́ teploty, která pokrývá střed vzorku. Emisivita byla zjištěna pomocı́ kontaktnı́
metody popsané v kapitole 6.3.1.
Při měřenı́ se teplota odečı́tala dotykovým teploměrem a bezprostředně poté byl
uložen termogram vzorku. Po měřenı́ bylo možné vyhodnotit termogramy v programu
FLIR QuickReport, kde je možné dodatečně měnit parametry měřenı́, mimo jiné také
emisivitu. Nastavovánı́m jejı́ hodnoty se přepočı́tává průměrná teplota v měřené oblasti
a při správném nastavenı́ emisivity se shoduje s teplotou zaznamenanou pomocı́ dotykového teploměru.
Obrázek 7.2: Termogram zahřátého vodiče, emisivita nastavena na 1
KAPITOLA 7. MĚŘENÍ B
7.3
54
Naměřené hodnoty
AAAC-lano
Al-Fe lano
Al-Fe vodič
T (◦ C)
ε(1)
T (◦ C)
ε(1)
T (◦ C)
ε(1)
118,9
0,18
113
0,24
117,4
0,095
108,9
0,2
111,5
0,248
129
0,083
93,2
0,225
106,2
0,28
117,1
0,091
84,5
0,217
100,8
0,26
111,7
0,096
76,5
0,21
94,5
0,27
98,5
0,106
69,4
0,212
89
0,27
89,9
0,11
63,4
0,198
82,9
0,273
80
0,11
56,1
0,193
77,6
0,305
72,8
0,101
46
0,15
71,7
0,265
61,2
0,095
40,4
0,09
68,7
0,255
55,3
0,06
62,6
0,245
49,9
0,035
56,7
0,234
45,1
0,01
48,4
0,225
40,8
0,001
44,2
0,175
39,8
0,135
Tabulka 7.1: Tabulka naměřených hodnot
7.4
Vyhodnocenı́
Emisivity jednotlivých vodičů jsou silně závislé na teplotě, ale tvar výsledných křivek
je u všech vodičů podobný. Jejich posun na ose y je způsoben povrchovým uspořádánı́m
vodiče. Malé mezery mezi jednotlivými dráty na povrchu vodiče se do určité mı́ry chovajı́
jako černé těleso, a tak zvyšujı́ emisivitu hlinı́ku, která je jinak velice nı́zká. Proto je
emisivita AlFe lana nejvyššı́ a emisivita AlFe vodiče s hladkým povrchem nejnižšı́.
Během měřenı́ bylo důležité zajistit minimálnı́ vliv okolnı́ch tepelných zdrojů, protože
emisivita hlinı́ku je nı́zká, a to zvyšuje vliv zdánlivé odražené teploty.
KAPITOLA 7. MĚŘENÍ B
55
¶H1L
0.30
0.25
0.20
AAAC lano
0.15
AlFe lano
0.10
AlFe vodic
0.05
60
80
100
120
TH C L
Obrázek 7.3: Emisivita jednotlivých vodičů v závislosti na teplotě
Kapitola 8
Závěr
Bezdotykové měřenı́ teploty je založeno na skutečnosti, že všechna tělesa s teplotou
vyššı́ než absolutnı́ nula (−273, 15 ◦ C) jsou zdrojem elektromagnetického zářenı́. IČT kamery snı́majı́ IČ zářenı́ v oblastech atmosférických oken, což jsou intervaly vlnových délek,
ve kterých je minimálnı́ útlum zářenı́ způsobený atmosférou. Běžně se použı́vajı́ dvě atmosférická okna, která jsou v intervalech vlnových délek λ = 3, 5 µm až 5 µm a λ = 8 µm
až 14 µm. Ze změřené energie zářenı́ v daných rozsazı́ch vlnových délek lze určit teplotu
povrchu, ze kterého zářenı́ pocházı́.
Při bezdotykovém měřenı́ teploty se v praxi setkáváme nejčastěji s těmito třemi zdroji
nejistot: 1) nejistota stanovenı́ emisivity, 2) vlastnı́ vyzařovánı́ a útlum atmosféry, 3)
vyzařovánı́ okolnı́ch těles, které se odrážı́ od povrchu měřeného objektu (tzv. zdánlivá
odražená teplota). V práci je popsáno, jak lze korigovat vliv těchto zdrojů nejistot.
Emisivita je závislá na mnoha faktorech. Proto je pro přesné měřenı́ vhodné, na mı́sto
použitı́ tabulkových hodnot, jejı́ stanovenı́ pro konkrétnı́ situaci. Napřı́klad jednou z metod popsaných v této práci. S vlivem atmosféry se lze vyrovnat měřenı́m jejı́ teploty
a relativnı́ vlhkosti za současného určenı́ vzdálenosti mezi IČT kamerou a měřeným objektem, ze které se určuje mohutnost (tloušt’ka) atmosféry mezi těmito objekty. V práci
jsou také popsány metody, které pomáhajı́ korigovat vliv zářenı́ okolnı́ch těles (jejichž
tepelné zářenı́ se odrážı́ od povrchu měřeného objektu) stanovenı́m zdánlivé odražené
teploty.
V rámci diplomové práce bylo navrženo experimentálnı́ uspořádánı́ pro měřenı́ zdánlivé
odražené teploty s použitı́m topidel (nastavitelné zdroje tepelného zářenı́) vlastnı́ konstrukce. Teplotnı́ stabilita topidel byla ověřena kalibrovanou IČT kamerou s citlivostı́
0, 05 K a pohybovala se v rozsahu ±0, 15 K. Při měřenı́ zdánlivé odražené teploty se postupovalo podle normy ČSN ISO 18434-1 [6], která popisuje dvě možné metody (přı́má
56
KAPITOLA 8. ZÁVĚR
57
a nepřı́má metoda). Obě byly experimentálně ověřeny.
Nepřı́má metoda měřenı́ má výhodu v nenáročnosti manipulace s IČT kamerou, která
je v průběhu měřenı́ umı́stěna v jedné pozici. Nevýhodou je nı́zká schopnost korigovat chybu měřenı́, které je navı́c závislá na volbě vhodného reflektoru. Tato metoda
snižovala chybu měřenı́ v průměru o 54%. Při použitı́ přı́mé metody je nutné IČT kameru
přemist’ovat, aby bylo možné změřit teplotu ostatnı́ch zdrojů zářenı́. Norma neřı́ká jakou
část obrazu je nutné použı́t a neuvažuje vliv použitého objektivu, pro správné určenı́ jejı́
velikosti. Největšı́ho snı́ženı́ chyby bylo dosaženo (v průměru o 77%), když za měřenou
oblast byl zvolen celý obraz snı́maný IČT kamerou a zdánlivá odražená teplota byla
stanovena jako průměrná teplota této oblasti.
Pro měřenı́ emisivity vodičů jsme se omezili na neizolované vodiče venkovnı́ho vedenı́,
z nichž jsme vybrali tři vzorky. Každý vzorek byl opatřen topným drátem, který zajistil
ohřev vzorku až na 120 ◦ C. Tı́m se zajistil dostatečný odstup od teploty okolı́, aby se
minimalizoval vliv jeho tepelného zářenı́. Na vzorku byla vyhrazena oblast na kterou se
zaměřila IČT kamera, která zahrnovala jak plochy hlinı́kových drátů, tak i mezery mezi
nimi. Ty se v určitém smyslu chovaly jako modely černého tělesa a vykazovaly vysokou
emisivitu. Výsledná, tj. zprůměrovaná, emisivita je tedy ovlivněna tepelným zářenı́m
z mezer mezi jednotlivými vodiči lana a nenı́ stejná jako emisivita materiálu z nichž jsou
vodiče vyrobeny. Z naměřených hodnot vyplývá, že emisivita vzorků je teplotně závislá.
Při nı́zkých teplotách byl také patrný vliv tepelného zářenı́ okolnı́ch objektů.
Literatura
[1] MINKINA, Waldemar a Sebastian DUDZIK. Infrared thermography: errors and uncertainties Hoboken, NJ: J. Wiley, c2009, 192 s. ISBN 978-047-0747-186.
[2] VOLLMER, Michael a Klaus-Peter MÖLLMANN. Infrared thermal imaging: fundamentals, research and applications. Weinheim: Wiley-VCH, c2010, 593 s. ISBN
35-274-0717-0
[3] M.A.MICHEJEV. Základy sdı́lanı́ tepla. Praha: Průmyslové vydavatelstvı́, 1952.
[4] KIESSLING, Friedrich. Overhead power lines: planning, design, construction. New
York: Springer, 2003, 759 s. ISBN 35-400-0297-9.
[5] SMETANA, Jaroslav Ing. Emisivita: potı́ž přesného radiometrického měřenı́.
Metrologie [online]. 2009, roč. 2009(č. 3), 2 [cit. 2012-02-07]. Dostupné z:
http://www.blue-panther.cz/emisivita
[6] ČSN ISO 18434-1. Monitorovánı́ stavu a diagnostika strojů: Termografie. Prvnı́
vydánı́. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státnı́ zkušebnictvı́,
2009
[7] Ing. PAUL, Miroslav, Ing. PETRŠOVÁ, Ludmila a Ing. STRAKA, Milan. Elektrotepelná technika: cvičenı́. dotisk. Praha: České Vysoké Učenı́ technické v Praze,
1989.
[8] Ing. VAVŘIČKA, Roman. Bezdotykové měřenı́ teploty. [online]. 2007, s. 6 [cit. 201204-30]. Dostupné z: http://utp.fs.cvut.cz/vz/clanky/104.pdf
[9] Ing. KRUMPHANZL, Jiřı́. Optimalizace zářivého přenosu tepla v elektrotepelné technice. Praha, 2005. Disertačnı́ práce. ČVUT v Praze. Vedoucı́ práce Doc. Dr. Ing. Jan
Kyncl.
58
LITERATURA
59
[10] R. WESTERVELT. JASON. Imaging Infrared Detectors II [online]. [cit. 2012-05-03].
Dostupné z: http://www.fas.org/irp/agency/dod/jason/iird.pdf
[11] S. MOGHADDAM, J. LAWLER, C. MCCAFFERY, AND J. KIM. Heat Flux-Based
Emissivity Measurement. In: AIP conference proceedings. 2005, s. 6.
[12] KWONG-KIT CHOI AND JHABVALA, M.D. AND FORRAI, D.P. AND WACZYNSKI, A. AND SUN, J. AND JONES, R. Electromagnetic Modeling of Quantum
Well Infrared Photodetectors. In: IEEE Journal of Quantum Electronics. The United
States: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2011, s. 10.
[13] Kirchhoff ’s law and Spectral lines. [online]. [cit. 2012-05-09]. Dostupné z:
http://crab0.astr.nthu.edu.tw/~hchang/ga1/ch05-03.htm
[14] Infrared window. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-2012 [cit. 2012-05-09]. Dostupné z:
http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_window
[15] Princip termografického měřenı́. VOJÁČEK, Antonı́n. [online]. [cit. 2012-0510]. Dostupné z: http://www.termokamera.cz/index.php?option=com_content&
task=view&id=4&Itemid=9
[16] About Electro-optic Sensor Design. [online]. [cit. 2012-05-10]. Dostupné z:
http://www.eosd.com.au/
Přı́loha A
Obsah přiloženého CD
• DP LaTeX: zdrojový kód diplomové práce
• Model: zdrojový kód výpočtů použitých k modelovánı́ topidla
• Dokumentace: dokumentace použitých konstrukčnı́ch částı́ topidla (OZ 1458,
tranzistor TIP120 a termistor KTY81)
• Termostat: soubory desky plošného spoje termostatu
• Teorie: vyobrazenı́ základnı́ch fyzikálnı́ch zákonů použitých v této práci
• Naměřená data: data z měřenı́ ve formátu .xlsx a jejich zpracovánı́ v programu
Wolfram Mathematica
I