â. 1, 2. VYDÁNÍ

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