Fakulta elektrotechnická. Termografie v elektroenergetice

ˇ ´ vysoke ´ uc ˇen´ı technicke ´ v Praze Cesk e ´ Fakulta elektrotechnicka

´ PRACE ´ DIPLOMOVA Termografie v elektroenergetice

Praha, 2012

Autor: Bc. Jan Sumara

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady ( literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v pˇriloˇzeném seznamu.

V Praze dne podpis

i

Podˇ ekov´ an´ı Dˇekuji pˇredevˇs´ım vedouc´ımu diplomové práce panu Ing. Janu Sovovi za jeho podporu a dobré pˇripom´ınky, které mˇe nutily neustále pokraˇcovat v práci. Dále bych ˇ chtˇel podˇekovat zamˇestnanc˚ um CVUT FEL z Katedry elektroenergetiky, pˇredevˇs´ım Janu Kvasniˇckovi za jeho pomoc pˇri v´ yrobˇe experimentáln´ıch pˇr´ıpravk˚ u. V neposledn´ı ˇradˇe bych chtˇel podˇekovat spoleˇcnosti Workswell, která mi zap˚ ujˇcila mˇeˇr´ıc´ı techniku a prostory pro mˇeˇren´ı.

ii

Abstrakt Tato práce se zab´ yvá bezdotykov´ ym mˇeˇren´ım teploty infraˇcervenou termografickou kamerou. V prvn´ı ˇca´sti popisuje historick´ y v´ yvoj senzor˚ u infraˇcerveného záˇren´ı, teˇ oretické principy na jejichˇz základˇe funguj´ı a rozdˇelen´ı podle konstrukce detektor˚ u IC záˇren´ı. Dále zkoumá nejˇcastˇejˇs´ı zdroje chyb a moˇznosti jejich omezen´ı nebo kompenzace. Experimentálnˇe jsem ovˇeˇril u ´ˇcinnost kompenzace zdánlivé odraˇzené teploty na zaˇr´ızen´ı vlastn´ı konstrukce. Souˇca´st´ı práce jsou také dalˇs´ı mˇeˇren´ı, pˇri kter´ ych bylo pouˇzito tohoto zaˇr´ızen´ı: zkoumán´ı vlivu rozostˇren´ı infraˇcervené termografické kamery na mˇeˇrenou teplotu, zjiˇstˇen´ı emisivity r˚ uzn´ ych povrchov´ ych u ´prav. V posledn´ı ˇcásti jsme zkoumal emisivitu vodiˇc˚ u venkovn´ıho nadzemn´ıho veden´ı.

iii

Abstract This Thesis is about non-contact measuring of temperature by infrared thermographic camera. The first part consists of historical evolution of infrared radiation sensor, theoretical principles and construction distribution of infrared radiation sensors. The next part of the thesis deal with the most frequent errors and possibility of its limitation and compensation. My measuring verifies efficiency of compensation reflected apparent temperature on own structure of facility. At the end is describing other measuring with this disposition: investigation of soft focus temperature influence of infrared thermographic camera, detection emissivity of different kind of surfacing. Finally I examine emissivity of overhead line conductors.

iv

vloˇzit origináln´ı zadán´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı !!!!!

v

Obsah Seznam obr´ azk˚ u

viii

Seznam tabulek

x

´ 1 Uvod

1

1.1

2

Historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ záˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 V´ yvoj detektor˚ u IC

3

2 Teorie

5

2.1

Základn´ı veliˇciny a pojmy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.2

Atmosférická okna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.3

Planck˚ uv vyzaˇrovac´ı zákon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.4

Stefan-Boltzmann˚ uv zákon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.5

Wien˚ uv posunovac´ı zákon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.6

Kirchhoff˚ uv zákon termáln´ı radiace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

ˇ kamery 3 Konstrukce ICT 3.1 3.2

12

Optick´ y systém . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ záˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Detektor IC ˇ detektor˚ 3.2.1 Základn´ı parametry IC u . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

3.2.2

Rozdˇelen´ı detektor˚ u. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

3.2.3

Konstrukce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

4 Vlivy na pˇ resnost mˇ eˇ ren´ı

13 13

19

4.1

Vlivy okol´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

4.2

Vlastnosti mˇeˇreného objektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

4.2.1

Emisivita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

4.2.2

Rozdˇelen´ı tˇeles podle jejich emisivity . . . . . . . . . . . . . . . .

21

vi

4.2.3 4.3

Vlivy urˇcuj´ıc´ı emisivitu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

Minimáln´ı sn´ımaná plocha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

5 Experiment´ aln´ı pˇ r´ıpravek

26

5.1

Termostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

5.2

Topidlo

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

5.2.1

Model topidla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

5.2.2

Konstrukce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

5.2.3

Povrchová u ´prava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

Ovˇeˇren´ı funkˇcnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

5.3

6 Mˇ eˇ ren´ı A

35

6.1

Pouˇzité pˇr´ıstroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

6.2

Vliv zdánlivé odraˇzené teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ 6.2.1 Postup mˇeˇren´ı podle CSN ISO 18434-1 . . . . . . . . . . . . . . .

35

6.2.2

Vlastn´ı mˇeˇren´ı zdánlivé odraˇzené teploty . . . . . . . . . . . . . .

39

Mˇeˇren´ı emisivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

6.3.1

Teorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

6.3.2

Namˇeˇrené hodnoty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

6.3.3

Vyhodnocen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

Vliv rozostˇren´ı kamery na pr˚ umˇernou teplotu . . . . . . . . . . . . . . .

48

6.3

6.4

7 Mˇ eˇ ren´ı B

36

51

7.1

Pouˇzité pˇr´ıstroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

7.2

Popis experimentu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

7.3

Namˇeˇrené hodnoty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

7.4

Vyhodnocen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

8 Z´ avˇ er

56

Literatura

57

A Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD

I

vii

Seznam obr´ azk˚ u 1.1

Rozklad svˇetla optick´ ym hranolem [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2.1

ˇ záˇren´ı [14] . . . . . . . . . . . . . . . Propustnost atmosféry v oblasti IC

7

2.2

Grafické vyjádˇren´ı Planckova zákona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.3

Planck˚ uv zákon v dvojrozmˇerném grafu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.4

Grafické vyjádˇren´ı Wienova posunovac´ıho zákonu . . . . . . . . . . . . .

10

2.5

Kirchhoff˚ uv zákon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

3.1

13

3.2

ˇ kamery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blokové schéma digitáln´ı ICT ˇ záˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rozdˇelen´ı detektor˚ u IC

3.3

Mikrobolometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

4.1

22

4.2

Pˇr´ıklady r˚ uzn´ ych tˇeles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ kamery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zorné pole ICT

5.1

Schéma zapojen´ı termostatu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

5.2

Návrh desky poˇsného spoje termostatu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

5.3

Model - tenká kruhová deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

5.4

Graf teploty v závislosti na polomˇeru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

5.5

Model topidla h = 6 mm, chován´ı v ˇcase . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

5.6

Schéma zapojen´ı elektrické ˇca´sti topidla

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

5.7

Tepelné záˇriˇce pouˇzité pˇri mˇeˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

6.1

Situace pˇri mˇeˇren´ı odraˇzené zdánlivé teploty metodou odrazu . . . . . . .

37

6.2

Situace pˇri mˇeˇren´ı odraˇzené zdánlivé teploty pˇr´ımou metodou, prvn´ı krok

38

6.3

Situace pˇri mˇeˇren´ı odraˇzené zdánlivé teploty pˇr´ımou metodou, druh´ y krok

38

6.4

Rozloˇzen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pracoviˇstˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

6.5

Graf δk = f ce(∆TAB ) - Metoda odrazu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

6.6

Graf δT = f ce(∆TAB ) - Metoda odrazu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

viii

15

24

6.7

Graf δk = f ce(∆TAB ) - Pˇr´ımá metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

6.8

Graf δT = f ce(∆TAB ) - Pˇr´ımá metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

6.9

Porovnán´ı chyby korekce pˇri pouˇzit´ı pˇr´ımé a nepˇr´ımé metody . . . . . . .

44

6.10 Porovnán´ı chyby teploty pˇri pouˇzit´ı pˇr´ımé a nepˇr´ımé metody . . . . . . .

44

6.11 Pr˚ ubˇeh emisivit r˚ uzn´ ych barev povrchu v závislosti na jejich teplotˇe . . .

49

6.12 Porovnán´ı r˚ uznˇe zaostˇren´ ych termogram˚ u. . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

7.1

Schéma zapojen´ı, mˇeˇren´ı emisivit vodiˇc˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

7.2

Termogram zahˇra´tého vodiˇce, emisivita nastavena na 1 . . . . . . . . . .

53

7.3

Emisivita jednotliv´ ych vodiˇc˚ u v závislosti na teplotˇe . . . . . . . . . . . .

55

ix

Seznam tabulek 2.1

Rozdˇelen´ı elektromagnetického záˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

4.1

Základn´ı rozdˇelen´ı tˇeles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

4.2

Pˇrehled vliv˚ u urˇcuj´ıc´ıch emisivitu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

5.1

Seznam pouˇzit´ ych prvk˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

5.2

Materiálové konstanty hlin´ıku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

5.3

Seznam pouˇzit´ ych prvk˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

6.1

Tabulka namˇeˇren´ ych hodnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

6.2

Tabulka namˇeˇren´ ych hodnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

7.1

Tabulka namˇeˇren´ ych hodnot emisivit vodiˇc˚ u . . . . . . . . . . . . . . . .

54

x

Kapitola 1 ´ Uvod ˇ kamery) funguj´ı na stejném principu, Infraˇcervené termografické kamery (dále ICT jako bˇeˇzné digitáln´ı kamery nebo fotoaparáty. Liˇs´ı se pˇredevˇs´ım v tom, jaké spektrum vlnov´ ych délek sn´ımaj´ı. S t´ımto faktem jsou spojena specifika této sn´ımac´ı techniky. Bˇeˇzné ˇ kamery kamery pracuj´ı v pásmu viditeln´ ych vlnov´ ych délek λ = 0, 4 − 0, 75 µm, ale ICT ˇ záˇren´ı, které je v intervalu λ = 0, 75 − 1000 µm. Z takto v pásmu infraˇcerveného (dále IC) ˇsirokého spektra jsou pro mˇeˇren´ı vyuˇzita pouze takzvaná atmosférická okna (viz. 2.2). Kaˇzd´ y objekt, kter´ y má teplotu vyˇsˇs´ı neˇz 0 K (−273, 15 ◦ C), vyzaˇruje do svého okol´ı energii ˇ spektru. Velikost této energie je urˇcena vlastnostmi povrchu jako je teplota, emisivita v IC ˇ nebo u ´hlem pozorován´ı a dalˇs´ı (bliˇzˇs´ı vysvˇetlen´ı v kapitole 4.2.1). Z toho vypl´ yvá, ˇze ICT kamera m˚ uˇze mˇeˇrit, pˇri správném nastaven´ı a zahrnut´ı vliv˚ u okoln´ıho prostˇred´ı, s vysokou teoretickou pˇresnost´ı (±0, 25 ◦ C aˇz ±0, 15 ◦ C) povrchovou teplotu tˇelesa. V posledn´ıch letech se, d´ıky neustálému sniˇzován´ı poˇrizovac´ıch náklad˚ u na techniku a znaˇcnému posunu ve v´ yvoji sn´ımán´ı infraˇcerveného záˇren´ı vyuˇz´ıvaj´ı v oblastech pr˚ umyslu, kde to kv˚ uli jejich cenˇe dˇr´ıve nebylo moˇzné. Termografické mˇeˇren´ı nab´ız´ı mnoho specializovan´ ych firem, ale ˇcasto se pˇri mˇeˇren´ı dopouˇstˇej´ı chyb, které jsou zp˚ usobeny nedodrˇzen´ım doporuˇcen´ ych postup˚ u mˇeˇren´ı. Jedn´ım z c´ıl˚ u této práce je objasnit nejˇcastˇejˇs´ı ˇ kamer a umoˇznit tak, minimalizovat vliv tˇechto chyb na pˇresnost chyby pˇri pouˇzit´ı ICT mˇeˇren´ı. ˇ kamery se pouˇz´ıvaj´ı nejen k diagnostice teplotn´ıho pole zaˇr´ızen´ı (poruchy se ˇcasto ICT projevuj´ı zmˇenami teplotn´ıho pole na povrchu) a budov (tepelné mosty, pr˚ usaky izolac´ı a jiné poruchy), ale napˇr´ıklad ve zdravotnictv´ı dokáˇze detekovat podkoˇzn´ı zmˇeny (m´ısta se zv´ yˇsen´ ym prokrven´ım, tam kde b´ yt nemaj´ı a vˇcasnˇe tak detekovat zhoubn´ y r˚ ust tkánˇe). V´ yvoj tˇechto zaˇr´ızen´ı v minulosti inicializoval vojensk´ y sektor, jeden z hlavn´ıch uˇzivatel˚ u termografick´ ych systém˚ u. Podobné vyuˇzit´ı maj´ı v civiln´ıch bezpeˇcnostn´ıch sluˇzbách. Dále 1

´ KAPITOLA 1. UVOD

2

Obrázek 1.1: Rozklad svˇetla optick´ ym hranolem [13]

mohou slouˇzit k v´ yzkumn´ ym u ´ˇcel˚ u, at’ uˇz jako nedestruktivn´ı metody diagnostiky materiál˚ u a konstrukc´ı nebo v´ yzkum klimatick´ ych zmˇen Zemˇe. Pouˇz´ıvaj´ı se s oblasti poˇza´rn´ı nebo protiplynové ochrany. Vyrábˇej´ı se jako pˇrenosné i stabiln´ı pˇr´ıstroje. Ty se liˇs´ı pouze oblast´ı pouˇzit´ı, ale konstrukˇcnˇe jsou stejné. Dále bude popsána historie stoj´ıc´ı za vznikem termografie, teoretické základy, které ˇ kamery. Byly sestaveny popisuj´ı princip fungován´ı, a jednotlivé konstrukˇcn´ı souˇca´sti ICT experimentáln´ı uspoˇra´dán´ı pro mˇeˇren´ı emisivity a zdánlivé odraˇzené teploty. V následuj´ıc´ıch kapitolách jsou popsána mˇeˇren´ı, pˇri kter´ ych byly pouˇzity.

1.1

Historie

Historie bezkontaktn´ıho mˇeˇren´ı teploty je dlouhá a mohla by b´ yt samostatnou prac´ı. Z tohoto d˚ uvodu popsány pˇrelomové objevy. V roce 1800 objevil William Herschel infraˇcervené záˇren´ı pˇri experimentech s rozkladem svˇetla pomoc´ı optického hranolu. Pˇri mˇeˇren´ı teploty jednotliv´ ych barev spektra zjistil, ˇze je moˇzné mˇeˇrit zv´ yˇsenou teplotu i v ˇcásti spektra, kde jiˇz nen´ı záˇren´ı viditelné. Tohoto v´ ysledku dosáhl, protoˇze pouˇzil optick´ y hranol z NaCl (s˚ ul), kter´ y propouˇst´ı infraˇcervené záˇren´ı, na rozd´ıl od kˇremiˇcitého skla, které vˇetˇs´ı ˇca´st infraˇcerveného spektra nepropust´ı. Gustav Kirchhoff formuloval v roce 1859 tzv. Kirchhoffovi termáln´ı zákony. Definoval také pojmy a zákonitosti, které s nimi souvisely a to vˇcetnˇe tzv. ˇcerného tˇelesa. V roce 1879 publikovali Josef Stefan a Ludwig Boltzmann tzv. Stefan-Boltzmann˚ uv zákon,

´ KAPITOLA 1. UVOD

3

kter´ y popisuje intenzitu záˇren´ı absolutnˇe ˇcerného tˇelesa v závislosti na jeho teplotˇe. Wilhelm Wien empiricky odvodil tzv. Wien˚ uv posunovac´ı zákon, kter´ y ˇr´ıká, ˇze maximum vyzaˇrované energie se s rostouc´ı teplotou posouvá na kratˇs´ı vlnové délky. Kolem roku 1900 definoval Max Planck zákon, kter´ y popisuje v´ ykon vyzaˇrovan´ y ˇcern´ ym tˇelesem v závislosti na spektru záˇren´ı (jeho vlnové délce). Je znám´ y jako tzv. Planck˚ uv vyzaˇrovac´ı zákon.

1.1.1

ˇ z´ V´ yvoj detektor˚ u IC aˇ ren´ı

ˇ záˇren´ı, je nˇekolik a jsou zaloˇzeny na r˚ Moˇznost´ı, jak detekovat IC uzn´ ych fyzikáln´ıch jevech: termoelektrick´ y jev, fotoelektrick´ y jev, zmˇena elektrického odporu materiálu (Bolometr), expanze plyn˚ u (Golay˚ uv ˇclánek), pyroelektrick´ y jev, photon drag“ efekt, Jose” phson˚ uv efekt. V´ıce o jevech a detektorech, které je vyuˇz´ı´ıvaj´ı viz 3.2.2. Bolometr ˇ záˇren´ı byl tzv. bolometr, kter´ Prvn´ım zaˇr´ızen´ım na detekci IC y sestrojil v roce 1878 americk´ y astronom Samuele Pierpont Langley. Skládal se ze dvou platinov´ ych pásk˚ u, které byly pokryty ˇcern´ ym pigmentem. Jeden z pásk˚ u byl vystaven záˇren´ı a druh´ y byl pˇred záˇren´ım zast´ınˇen. T´ım se odpor nezast´ınˇeného pásku mˇenil spolu s intenzitou záˇren´ı a tato zmˇena odporu byla detekována na wheastonovˇe m˚ ustku (pásky jsou zapojeny jako dvˇe ramena m˚ ustku). V roce 1880 byl schopen detekovat teplo z ˇzivého skotu na vzdálenost 400 m. Z bolometru byl pozdˇeji v 80. letech 20. stolet´ı, na popud americké armády, vyvinut ˇ kamer a jejich pouˇzit´ı pˇechotou. Váha mikrobolometr, kter´ y umoˇznil miniaturizaci ICT zaˇr´ızen´ı klesla z nˇekolika kilogram˚ u perifern´ıch komponent na jedno zaˇr´ızen´ı o hmotnosti stovek gram˚ u. V´ıce v kapitole 3.2. Termoˇ cl´ anek Dalˇs´ım zlomem byl objev termoelektrického jevu v roce 1921, jeˇz uskuteˇcnil nˇemeck´ y vˇedec Thomas Johan Seebeck. Sestrojil termoˇclánek, kter´ y vznikl spojen´ım dvou r˚ uzn´ ych vodiˇc˚ u na obou stranách. Kdyˇz spoje zahˇra´l na r˚ uzné teploty, vznikl proudov´ y obvod. Tento obvod generoval magnetické pole vychyluj´ıc´ı kompas. Seebeck tedy z poˇca´tku nevˇedˇel, ˇze vynalezl termoelektrick´ y jev, ale nazval ho jevem termomagnetick´ ym. Toto pochyben´ı záhy napravil dánsk´ y vˇedec Hans Christian Orsted, kter´ y objevil vztah mezi

´ KAPITOLA 1. UVOD

4

elektˇrinou a magnetismem, a definoval pojem termoelektrick´ y jev. Termoelektrick´ y ˇclánek vyuˇzil italsk´ y fyzik Leopoldo Nobili pˇri v´ yzkumu tohoto jevu a v roce 1921 sestrojil termoˇclánkovou baterii. K Nobilimu se pˇripojil dalˇs´ı italsk´ y fyzik Macedonio Melloni. Spolu zdokonalili baterii a pˇredstavili ji v roce 1931. Melloni objevu vyuˇzil pro v´ yzkum ˇ záˇren´ı a zkoumán´ı ˇcerného tˇelesa. IC Fotodetektor Fotoelektrick´ y jev poprvé pozoroval francouzsk´ y fyzik Alexandr Edmont Becquerel v roce 1839, ale bliˇzˇs´ıho prozkoumán´ı se mu dostalo aˇz v roce 1887 od nˇemeck´ ych fyzik˚ u Heinricha Hertze a Wilhelma Hallwachse. Jev teoreticky vysvˇetlil v roce 1905 Albert Einstein. Velk´ ym skokem v rozvoji fotodetektor˚ u byla 2. svˇetová válka, tehdy byly vyrobeny fotodetektory na bázi Ti2 S a PbS. V roce 1987 byl zkonstruován QWIP (Quantum Well Infrared Photodetektor), ale prvn´ı funkˇcn´ı prototypy se zaˇcaly vyrábˇet aˇz v devadesát´ ych letech. Zpoˇzdˇen´ı bylo dáno technologickou nároˇcnost´ı v´ yroby detektoru, skládá se ze stovek polovodiˇcov´ ych vrstev, tlouˇst’ka jednotliv´ ych vrstev nen´ı vˇetˇs´ı neˇz 700 nm.

Kapitola 2 Teorie V´ yˇse je naznaˇcen v´ yvoj vyuˇziteln´ ych detektor˚ u infraˇcerveného záˇren´ı. Následná kapitola popisuje teoretické pˇredpoklady, uˇzité pˇri sepisován´ı této diplomové práce.

2.1

Z´ akladn´ı veliˇ ciny a pojmy

Energie záˇren´ı pocházej´ıc´ı z tˇelesa (tepeln´ y sálav´ y tok) je urˇcena jako: z´ aˇ riv´ a energie QT (J) celkové mnoˇzstv´ı energie vyzáˇrené do poloprostoru v celém spektru (vˇsechny vlnové délky) z´ aˇ riv´ y tok ΦT =

dQT dt

(W) v´ ykon pˇrenesen´ y záˇren´ım, mnoˇzstv´ı energie pˇrenesené za jed-

notku ˇcasu do poloprostoru spektr´ aln´ı (monochromatick´ a) hustota z´ aˇ riv´ eho toku ΦT λ =

dΦT dλ

(W) v´ ykon pˇrená-

ˇsen´ y do poloprostoru urˇcitou vlnovou délkou intenzita vyzaˇ rov´ an´ı MT =

dΦT dS

(W · m−2 ) záˇriv´ y tok vys´ılan´ y plochou S povrchu tˇelesa

spektr´ aln´ı (monochromatick´ a) intenzita vyzaˇ rov´ an´ı MT λ =

dMT dλ

(W · m−3 ) v´ ykon

vyzáˇren´ y jednotkovou plochou tˇelesa do poloprostoru urˇcitou vlnovou délkou intenzita z´ aˇ ren´ı I(W · m−2 · sr−1 ) tok energie z plochy tˇelesa urˇcen´ y prostorov´ ym u ´hlem vzhledem k normále plochy dS Poloprostor je nad nebo pod rovinou, která dˇel´ı prostor na dvˇe poloviny, ˇcasto se zobrazuje jako polokoule. Je moˇzné ho vyjádˇrit jako prostorov´ yu ´hel 2π sr. ˇ Cern´ e tˇ eleso je teoretické tˇeleso, které má schopnost vyzaˇrovat energii na vˇsech vlnov´ ych délkách bez u ´tlumu a také absorbovat (podle druhého Kirchhoffova zákona 2.6). Pro toto

5

KAPITOLA 2. TEORIE

6

tˇeleso jsou odvozeny zákony jako Planck˚ uv, Wien˚ uv nebo Stefan-Boltzmann˚ uv, které jsou popsány n´ıˇze. Vlastnosti ˇcerného tˇelesa popsány v kapitole 4.2.2.

2.2

Atmosf´ erick´ a okna

Atmosféra nen´ı pro elektromagnetické záˇren´ı absolutnˇe transparentn´ı, ale je propustná pouze v urˇcit´ ych oblastech vlnov´ ych délek, tzv. atmosférick´ ych oken. V oblastech mimo tato okna je elektromagnetické záˇren´ı pohlcováno r˚ uzn´ ymi prvky, ze kter´ ych je atmosféra sloˇzena, jako napˇr´ıklad sklen´ıkové plyny (CO2 , vodn´ı pára, CH4 ). N´ azev

Vlnov´ a d´ elka

Gama záˇren´ı

≤ 0, 01 nm

Rentgenové záˇren´ı

0, 01 nm-10 nm

Ultrafialové záˇren´ı

10 nm-390 nm

Viditelné záˇren´ı (svˇetlo)

390 nm-750 nm

Infraˇcervené záˇren´ı

750 nm-1 mm

Mikrovlnné záˇren´ı

1 mm-1 m

Rádiové záˇren´ı

1 m-105 km

Tabulka 2.1: Rozdˇelen´ı elektromagnetického záˇren´ı

Dále se budeme zab´ yvat oblast´ı infraˇcerveného záˇren´ı, v tomto intervalu vlnov´ ych délek jsou dvˇe atmosférická okna vyuˇz´ıvaná v termografii a to intervaly 2−5 µm a 8−14 µm. Propustnost záˇren´ı v jednotliv´ ych vlnov´ ych délkách je patrná z obrázku 2.1. Propustnost závis´ı na mnoˇzstv´ı jednotliv´ ych sklen´ıkov´ ych plyn˚ u v okoln´ı atmosféˇre a jej´ı teplotˇe. Nejvˇetˇs´ı promˇenlivost vykazuje vzduˇsná vlhkost (vodn´ı pára), obsah ostatn´ıch plyn˚ u je v ˇcase témˇeˇr nemˇenn´ y a povaˇzuje se za konstantn´ı. Základn´ım parametrem atmosféry je jej´ı relativn´ı vlhkost1 udávaná v procentech. Znalost relativn´ı vlhkosti umoˇzn ˇuje vypoˇc´ıtat u ´tlum atmosféry v urˇcitém spektru elektromagnetického záˇren´ı (pro tento pˇr´ıpad v oblasti zmiˇ novan´ ych atmosférick´ ych oken) jako funkci vzdálenosti (ˇs´ıˇrky atmosféry) mezi objektem a sn´ımaˇcem záˇren´ı. 1

relativn´ı vlhkost udáv´ a pomˇer mezi okamˇzit´ ym mnoˇzstv´ım vodn´ıch par ve vzduchu a obsahem

vodn´ıch par pˇri stejném tlaku i teplotˇe, ale maximáln´ım nasycen´ı

KAPITOLA 2. TEORIE

7

ˇ záˇren´ı [14] Obrázek 2.1: Propustnost atmosféry v oblasti IC

2.3

Planck˚ uv vyzaˇ rovac´ı z´ akon

Max Planck definoval rovnici, která urˇcuje kvanta energie pˇrenáˇsená danou frekvenc´ı záˇren´ı:

E = h · f,

(2.1)

kde h = 6, 62606896·10−32 Js je Planckova konstanta a f je frekvence fotonu. Popisuje emisi a absorpci záˇrivé energie a ˇr´ıká, ˇze se m˚ uˇze d´ıt pouze po celistv´ ych násobc´ıch frekvence, tzv. kvantech (fotonech). Tento postulát dovolil Planckovi definovat následuj´ıc´ı fyzikáln´ı zákon (Planck˚ uv vyzaˇrovac´ı zákon), kter´ y plat´ı pro absolutnˇe ˇcerné tˇeleso: M (λ, T ) =

2πhc2 λ5 (e λkT −1 ) hc

,

(2.2)

kde M(λ,T) je celková intenzita vyzaˇrován´ı o teplotˇe T na vlnové délce λ, c je rychlost svˇetla, h je Planckova konstanta, k je Boltzmannova konstanta a T je termodynamická teplota tˇelesa v kelvinech. T´ımto v´ yˇse uveden´ ym vztahem bylo moˇzné vysvˇetlit chován´ı ˇcerného tˇelesa a je z nˇej také moˇzné odvodit Stefan-Boltzmann˚ uv zákon a Wien˚ uv posunovac´ı zákon. Pˇri zobrazen´ı grafu v´ yˇse v osách x a y je vidˇet pr˚ ubˇeh intenzity vyzaˇrované energie v závislosti na vlnové délce pro r˚ uzné teploty ˇcerného tˇelesa (obrázek 2.3).

KAPITOLA 2. TEORIE

8

-9

´ 10 -1 MHWm-26.Μm L 4. ´ 10-9 800

2. ´ 10-9 0 0 600 5 ΛHΜmL

10 15

400

Obrázek 2.2: Grafické vyjádˇren´ı Planckova zákona

MHWm-2 Μm-1 L 400K 500K 6. ´ 10

-9

600K 700K 4. ´ 10-9 800K 900K 2. ´ 10-9

ΛHΜmL 2

4

6

8

10

12

14

Obrázek 2.3: Planck˚ uv zákon v dvojrozmˇerném grafu

THKL

KAPITOLA 2. TEORIE

2.4

9

Stefan-Boltzmann˚ uv z´ akon

Stefan experimentálnˇe stanovil a jeho ˇzák Boltzmann poté matematicky odvodil, ˇze celková intenzita vyzaˇrované energie je:

M = σT 4 ,

(2.3)

kde M je celková intenzita vyzaˇrován´ı, σ = 5, 670400 · 10−8 Wm−2 K−4 je Stefan-Boltzmannova konstanta a T je termodynamická teplota tˇelesa. Rovnici je moˇzné spoˇc´ıtat integrac´ı Planckova zákona pˇres celé spektrum vlnov´ ych délek (0 m − ∞ m).

2.5

Wien˚ uv posunovac´ı z´ akon

Wilhelm Wien empiricky stanovil závislost spektráln´ı hustoty vyzaˇrované energie na teplotˇe a vlnové délce:

λmax =

b , T

(2.4)

kde λmax je vlnová délka s nejvˇetˇs´ı energi´ı, b = 2898 µmK je Wienova konstanta a T je termodynamická teplota tˇelesa. Jin´ ymi slovy, s rostouc´ı teplotou tˇelesa se zkracuje vlnová délka maxima vyzaˇrované energie (obrázek 2.4).

2.6

Kirchhoff˚ uv z´ akon term´ aln´ı radiace

Jinak také naz´ yvan´ y Kirchhoff-Bunsen˚ uv zákon, ˇr´ıká, ˇze tˇeleso vyzaˇruje stejnou energii, jako pˇri shodné teplotˇe absorbuje. Jeho interpretace se ˇcasto dˇel´ı na tzv. prvn´ı a druh´ y Kirchhoff˚ uv zákon. Prvn´ı Kirchhoff˚ uv zákon:

αλ + ρλ + τλ = 1,

(2.5)

kde αλ je spektráln´ı absorpce, ρλ je spektráln´ı reflektance a τλ je spektráln´ı propustnost.

KAPITOLA 2. TEORIE

10

Λ HΜmL 11 10 9 8 7 6 T HKL 300

350

400

450

500

550

600

Obrázek 2.4: Graf zobrazuj´ıc´ı posun maxima energie ke kratˇs´ım vlnov´ ym délkám s rostouc´ı teplotou

Obrázek 2.5: Kirchhoff˚ uv zákon

KAPITOLA 2. TEORIE

11

Druh´ y Kirchhoff˚ uv zákon:

ϵλ = αλ ,

(2.6)

kde ϵλ je emisivita tˇelesa a αλ je pohltivost materiálu. Tento zákon umoˇzn ˇuje zjiˇst’ován´ı emisivity materiálu pomoc´ı referenˇcn´ıho záˇren´ı se známou intenzitou.

Kapitola 3 ˇ kamery Konstrukce ICT ˇ termografická kamera sloˇzit´ I kdyˇz je IC y elektrooptick´ y systém, lze funkci digitáln´ı ˇ kamery rozdˇelit a vysvˇetlit na ˇctyˇrech samostatn´ ICT ych subsystémech (bloc´ıch): optick´ y syst´ em - opticky zachycuje infraˇcervené záˇren´ı z mˇeˇreného objektu a soustˇred´ı jej na senzor infraˇcerveného záˇren´ı. Za optick´ y systém povaˇzujeme nejen vstupn´ı ˇcoˇcku (nebo soustavu ˇcoˇcek), ale dalˇs´ı elektromechanické prvky (závˇerka, systém ˇ senzoru apod.) automatického ˇci manuáln´ıho ostˇren´ı, uloˇzen´ı IC ˇ senzor, kter´ ˇ záˇren´ı senzor infraˇ cerven´ eho z´ aˇ ren´ı - maticov´ y IC y pˇrevád´ı dopadaj´ıc´ı IC na nosn´ y elektrick´ y signál. Ten je v následuj´ıc´ım bloku digitalizován a zpracován ve v´ ysledn´ y termogram. A/D pˇ revodn´ık a zpracov´ an´ı obrazu - A/D pˇrevodn´ık pˇrevád´ı analogov´ y signál ze senzoru infraˇcerveného záˇren´ı na digitáln´ı signál, kter´ y je dalˇs´ımi obvody zpracován ˇ ve v´ ysledn´ y termogram, uloˇzen na záznamové médium, zobrazen na obrazovku ICT kamery apod. ˇ kamery, jeho uˇ zivatelsk´ y interface - zajiˇst’uje zobrazen´ı termogramu na obrazovce ICT uloˇzen´ı na záznamové médium, komunikaci prostˇrednictv´ım dalˇs´ıch interface (USB, Ethernet, FireWire apod.), ovládán´ı kamery apod. ˇ kamery, kdy jsou posledn´ı dva Toto rozdˇelen´ı je platné i v pˇr´ıpadˇe analogové ICT bloky nahrazeny analogov´ ymi obvody a analogovou zobrazovac´ı soustavou. V pˇr´ıpadˇe ˇ kamery s rozkladem obrazu je maticov´ ˇ záˇren´ı nahrazen diskrétn´ım (nebo ICT y senzor IC ˇra´dkov´ ym) senzorem a systémem pro rozklad obrazu.

12

ˇ KAMERY KAPITOLA 3. KONSTRUKCE ICT

13

ˇ kamery Obrázek 3.1: Blokové schéma digitáln´ı ICT

3.1

Optick´ y syst´ em

Jedná se o systém, kter´ y je témˇeˇr naprosto shodn´ y s bˇeˇzn´ ymi objektivy, pouˇz´ıvan´ ymi u kamer nebo fotoaparát˚ u. Jedin´ ym podstatn´ ym rozd´ılem je materiál vlastn´ıho optického ˇ záˇren´ı. Pro z´ıskán´ı zábˇer˚ systému. Ta je tvoˇrena z germaniového skla, které propouˇst´ı IC u lepˇs´ı kvality je povrch ˇcoˇcek oˇsetˇren antireflexn´ımi vrstvami.

3.2

ˇ z´ Detektor IC aˇ ren´ı

ˇ detektory) mˇen´ı energii dopadaj´ıc´ıho infraˇcerDetektor infraˇcerveného záˇren´ı (IC veného záˇren´ı na elektrick´ y signál, kter´ y je dále digitalizován a ˇc´ıslicovˇe zpracován v termogram. Záˇrivá energie je na detektor soustˇredˇena optick´ ym systémem tak, aby na povrch detektoru dopadalo tepelné záˇren´ı z jednoho ˇci v´ıce objekt˚ u, jejichˇz povrchová teplota ˇ detektor je jádrem infraˇcerveného zobrazovac´ıho systému a velkou mˇerou je mˇeˇrena. IC ˇ detektor˚ ovlivˇ nuje jeho v´ ysledné parametry. K v´ ykladu problematiky IC u je pˇristoupeno s pˇrihlédnut´ım ke skuteˇcnosti, ˇze je uˇziteˇcné, a nˇekdy dokonce nezbytné, m´ıt pˇrehled o r˚ uzn´ ych typech detektor˚ u, jejich základn´ıch vlastnostech (pˇresnosti, teplotn´ı citlivosti, selektivitˇe apod.), omezen´ıch a funkci.

3.2.1

ˇ detektor˚ Z´ akladn´ı parametry IC u

Obecnˇe lze detektory infraˇcerveného záˇren´ı charakterizovat velk´ ym mnoˇzstv´ım parametr˚ u, které ovlivˇ nuj´ı vlastnosti v´ ysledného termovizn´ıho systému. Integr´ aln´ı citlivost - K(VW−1 ) je dána pod´ılem elektrického signálu na v´ ystupu sn´ımaˇce U a záˇrivého toku ϕ, kter´ y dopadá na plochu detektoru:


14

U (3.1) ϕ Spektr´ aln´ı citlivost - K(λ) udává závislost v´ ystupu sn´ımaˇce U na vlnové délce K=

dopadaj´ıc´ıho záˇrivého toku:

K(λ) =

U ϕ(λ)

(3.2)

ˇ Casov´ a konstanta - tepeln´ y detektor pˇri skokové zmˇenˇe záˇrivého toku skokovˇe ˇ nezmˇen´ı svou teplotu, ale jeho teplota nar˚ ustá postupnˇe ( teplomˇer se zahˇr´ıvá“). Casov´ a ” konstanta detektoru τIDC urˇcuje minimáln´ı dobu, kterou detektor potˇrebuje na zmˇeˇren´ı teploty. Napˇr´ıklad detektor infraˇcerveného záˇren´ı s ˇcasovou konstantou 10 ms potˇrebuje b´ yt vystaven tepelnému záˇren´ı mˇeˇreného objektu minimálnˇe 10 ms. ˇ detektor˚ NEP - ekvivalentn´ı ˇ sumov´ y v´ ykon - pro urˇcen´ı prahové citlivosti IC u byl zaveden pojem ekvivalentn´ı ˇsumov´ y v´ ykon, definovan´ y jako v´ ykon dopadaj´ıc´ıho záˇren´ı, kter´ y vytváˇr´ı na detektoru stejnou efektivn´ı hodnotu napˇet´ı, jako je napˇet´ı vlastn´ıho ˇsumu detektoru. Ekvivalentn´ı ˇsumov´ y v´ ykon oznaˇcuje záˇriv´ y v´ ykon, pˇri jehoˇz detekci je na v´ ystupu detektoru záˇren´ı pomˇer signál/ˇsum roven jedné. Tento parametr tak udává ˇ ım minimáln´ı intenzitu záˇren´ı, kterou je schopen senzor detekovat (odliˇsit od ˇsumu). C´ menˇs´ı je ekvivalentn´ı ˇsumov´ y v´ ykon, t´ım lepˇs´ı dan´ y detektor je, protoˇze je schopen detekovat slabˇs´ı signály. Detektivita - znaˇc´ı se D, neboli detekˇcn´ı schopnost, je definována jako: 1 (3.3) N EP Ze vztahu vypl´ yvá, ˇze ˇc´ım vˇetˇs´ı je detektivita, t´ım slabˇs´ı signály je dan´ y detektor schopen zaznamenat, nebot’ ekvivalentn´ı ˇsumov´ y v´ ykon (NEP) je menˇs´ı. Aby bylo moˇzné D=

porovnávat detektivitu u detektor˚ u r˚ uzného proveden´ı, zavád´ı se tzv. normovaná detektivita D∗ , coˇz je detektivita D normovaná na plochu S a ˇs´ıˇrku kmitoˇctového pásma ∆f . Oba tyto parametry ovlivˇ nuj´ı vlastn´ı ˇsum a tedy i ekvivalentn´ı ˇsumov´ y v´ ykon a normalizac´ı se lze jejich vlivu vyvarovat.

3.2.2

Rozdˇ elen´ı detektor˚ u

Detektory se dˇel´ı na dvˇe základn´ı skupiny a to na kvantové (nˇekdy oznaˇcované jako fotodetektory) a tepelné detektory. Základn´ım rozd´ılem tˇechto dvou skupin je, jak inter-


15

aguj´ı s fotony dopadaj´ıc´ıho záˇren´ı. V kvantov´ ych detektorech docház´ı interakc´ı vázan´ ych elektron˚ u s fotony a vznikaj´ı volné náboje. Tepelné detektory pracuj´ı se záˇren´ım nepˇr´ımo, ohˇrevem materiálu detektoru se zmˇen´ı jeho fyzikáln´ı vlastnosti, které jsou bud’ mˇeˇritelné pˇr´ımo (elektrické napˇet´ı) nebo nepˇr´ımo (elektrick´ y odpor). Pˇresné rozdˇelen´ı v dneˇsn´ı dobˇe nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ıch detektor˚ u se nacház´ı v následuj´ıc´ım diagramu.

ˇ záˇren´ı Obrázek 3.2: Rozdˇelen´ı detektor˚ u IC

Kvantov´ e detektory Intrinsick´ e detektory Dˇel´ı se na dvˇe základn´ı skupiny, na tzv. intrinsické fotovodivé detektory a intrinsické fotovoltaické detektory. Intrinsick´ y fotovodiv´ y detektor je sestaven z ˇcistého (nedotovaného) polovodiˇce. Pˇri ozáˇren´ı struktury detektoru se mˇen´ı jej´ı vodivost, aby tato zmˇena byla detekovatelná, je nutné pˇriloˇzit vnˇejˇs´ı elektrické pole. Zmˇena vodivosti je vyvolána interakc´ı foton˚ u záˇren´ı a atom˚ u polovodiˇcové struktury. Uvolnˇen´ım elektronu z vazby atomu vzniknou dva nosiˇce


16

náboje ( elektron“ a d´ıra“). Na rozd´ıl od dotovan´ ych polovodiˇc˚ u, zde nen´ı ˇza´dn´ y nosiˇc ” ” majoritn´ı ani minoritn´ı, a tak se pˇri zmˇenˇe vodivosti uplatn´ı oba druhy nosiˇc˚ u. Intrinsické fotovoltaické detektory jsou na bázi struktury P-N. Dopadaj´ıc´ı fotony mohou s materiálem detektoru reagovat nˇekolika zp˚ usoby. Pro detektor je podstatn´ y ten, kdy foton dodá elektronu vázaného v atomu takovou energii, aby opustil elektronov´ y obal a stal se z nˇej voln´ y nosiˇc. Vzniká záporn´ y náboj, elektron. Zároveˇ n se uvolnˇen´ım elektronu z atomu vytvoˇr´ı kladn´ y náboj, neboli d´ıra. Tyto volné náboje jsou pˇritahovány strukturou s opaˇcnou orientac´ı, takˇze elektrony putuj´ı do oblasti P a d´ıry do oblasti N. Jejich pˇresunem vzniká elektrické pole a jeho velikost je závislá na intenzitˇe dopadaj´ıc´ıho záˇren´ı. Extrinsick´ e detektory Extrinsické detektory jsou podobné intrinsick´ ym, liˇs´ı se mechanismus uvolnˇen´ı volného náboje. Detektor je tvoˇren polovodiˇcovou strukturou, která je dotovaná pˇr´ımˇes´ı. Pˇri interakci struktury s fotonem nejsou volné nosiˇce uvolˇ novány ze základn´ı látky, ale z pˇr´ımˇesi. Existuj´ı jak extrinsické fotovodivé, tak extrinsické fotovoltaické detektory. QWIP Quantum Well Infrared Photo detector je anglick´ y název dalˇs´ıho typu detektor˚ u. Pracuj´ı na podobném principu jako extrinsické detektory. Pˇr´ımˇesi nejsou v celém objemu, ale pouze v miniaturn´ıch oblastech. Kolem tˇechto mal´ ych vysoce dotovan´ ych center se zmˇen´ı ˇs´ıˇrka zakázaného pásu a vznikne takzvaná kvantová past (studnˇe, anglicky quantum well). Foton pˇredá energii nutnou k posunu elektronu do vyˇsˇs´ı energetické hladiny nejen pˇr´ımou interakc´ı s elektronem, ale i s okoln´ı kvantovou past´ı. Jej´ı pr˚ umˇer se pohybuje od 10 do 100 atom˚ u. Z toho vypl´ yvá, ˇze citlivost QWIP detektor˚ u je vyˇsˇs´ı neˇz v pˇredchoz´ıch pˇr´ıpadech. Nev´ yhodou tˇechto detektor˚ u je nutnost jejich chlazen´ı na velmi n´ızké teploty (okolo 65 K). Tepeln´ e detektory Termoˇ cl´ ankov´ e detektory Termoˇclánek vzniká spojen´ım dvou odliˇsn´ ych kov˚ u, t´ımto spojen´ım vznikne napˇet´ı, které je u ´mˇerné teplotˇe spoje. Kv˚ uli minimalizaci vliv˚ u okol´ı je nutné termoˇclánek izolovat. Zároveˇ n je tˇreba, pˇri sn´ıˇzen´ı intenzity dopadaj´ıc´ıho záˇren´ı, odvést teplo, které je ve ˇclánku akumulováno. Tyto dva poˇzadavky jsou v protikladu a pˇri konstrukci je d˚ uleˇzité zvolit vhodn´ y kompromis. Z toho vypl´ yvá, ˇze detektory sloˇzené z termoˇclánk˚ u (v anglické literatuˇre oznaˇcovány Thermopile) nemohou dosahovat takové citlivosti, jako fotodetek-


17

tory a jejich v´ yhoda spoˇc´ıvá pˇredevˇs´ım, tak jako u ostatn´ıch tepeln´ ych detektor˚ u, v jejich n´ızké poˇrizovac´ı cenˇe. Piroelektrick´ e detektory Piroelektrické detektory jsou zaloˇzeny na stejnojmenném jevu. Polarizovan´ y materiál reaguje na zmˇenu teploty zmˇenou polarizace. Protoˇze reaguje pouze na zmˇenu teploty, je dopadaj´ıc´ı záˇren´ı nutné stˇr´ıdavˇe zastiˇ novat. V´ ystupn´ım parametrem je stˇr´ıdav´ y proud, kter´ y je moˇzné dále zesilovat vstupn´ım zesilovaˇcem elektroniky zpracován´ı signálu. Velkou v´ yhodou tohoto typu detektor˚ u je vysoká citlivost ve velkém rozsahu intenzit dopadaj´ıc´ıho záˇren´ı. Bolometrick´ e detektory ˇ záˇren´ı. Pˇri ohˇra´t´ı maJedná se o principialnˇe nejstarˇs´ı pouˇz´ıvan´ y systém detekce IC teriálu (Ti, amorfn´ı kˇrem´ık, polykrystalick´ y SiGe a jiné) se mˇen´ı jeho elektrick´ y odpor, tato zmˇena se detekuje pomoc´ı Wheastonova m˚ ustku. Pˇresnˇejˇs´ı popis konstrukce se nacház´ı v následuj´ıc´ı kapitole 3.2.3.

3.2.3

Konstrukce

Protoˇze v technické praxi1 se pouˇz´ıvá pˇredevˇs´ım bolometr˚ u, dále budou popsány bolometrické detektory. V textu je popsána konstrukce bolometru jako jednotlivého prvku, ale pro sloˇzen´ı obrazu je tˇreba v jednom okamˇziku sn´ımat tzv. teplotn´ı pole. Toho se doc´ılilo zmenˇsen´ım bolometr˚ u a s rozvojem v´ yroby integrovan´ ych obvod˚ u byly umist’ovány na ˇcip. Na základn´ım substrátu je pro vˇetˇs´ı pˇresnost mˇeˇren´ı um´ıstˇena odrazivá vrstva, nejˇcastˇeji z oxidu hlin´ıku. Na této vrstvˇe jsou na patic´ıch (konektorech) um´ıstˇeny jednotlivé mikrobolometry (obrázek 3.3a)), které jako celek tvoˇr´ı mikrobolometrické pole (obrázek 3.3c)). Na substrátu jsou dále um´ıstˇeny A/D pˇrevodn´ıky. Mnoˇzstv´ı jednotliv´ ych prvk˚ u pole je jednou z veliˇcin urˇcuj´ıc´ıch pˇresnost sn´ımku a jeho kvalitu. Ovˇsem nen´ı moˇzné tvrdit, ˇze velké rozliˇsen´ı zajist´ı vysokou kvalitu sn´ımk˚ u. Dalˇs´ım d˚ uleˇzit´ ym parametrem jsou vlastnosti optické soustavy (objektivu).

1

myˇslena civiln´ı oblast vyuˇzit´ı, diagnostika zaˇr´ızen´ı atp.


a)

18

b)

c) Obrázek 3.3: Detailn´ı sn´ımky mikrobolometr˚ u, na obrázku a) model jednoho pixelu sn´ımaˇce (bolometru) [16], b) mikrobolometru pod mikroskopem [15] a c) sn´ımek ˇcásti mikrobolometrického pole [15]

Kapitola 4 Vlivy na pˇ resnost mˇ eˇ ren´ı Pˇresnost mˇeˇren´ı urˇcuje v´ıce faktor˚ u, jde pˇredevˇs´ım o vlivy okol´ı (napˇr´ıklad teplota ˇ kamery. pozad´ı, vlhkost a tlak vzduchu), vlastnosti mˇeˇreného objektu a vlastnosti ICT ˇ kamerách se kompenzuje pˇet vlastnost´ı okol´ı a mˇeˇreného V komerˇcnˇe pouˇz´ıvan´ ych ICT objektu, které nepˇr´ıznivˇe ovlivˇ nuj´ı mˇeˇren´ı: • atmosférická teplota, • vlhkost vzduchu, • vzdálenost od objektu, • zdánlivá odraˇzená teplota, • emisivita. Z tˇechto pˇeti kompenzovateln´ ych chyb se v kapitolách vˇenovan´ ych mˇeˇren´ı zab´ yváme urˇcen´ım emisivity a zdánlivé odraˇzené teploty. Mˇeˇren´ı mohou ovlivnit dalˇs´ı faktory, kter´ ym se lze vyvarovat, ale je nutné vˇedˇet, jaké to jsou. Jedná se napˇr´ıklad o vliv vˇetru a nebo rozptylov´ ych podm´ınek, v´ıce v kapitole 4.1. Dalˇs´ı moˇznou chybou je ˇspatné zaostˇren´ı mˇeˇreného objektu. Vliv této chyby je popsán v kapitole mˇeˇren´ı 6.4. Bˇehem pozorován´ı vzdálen´ ych nebo mal´ ych pˇredmˇet˚ u je moˇzné pˇri pouˇzit´ı ˇspatného objektivu zp˚ usobit podobnou chybu, jako pˇri ˇspatném ostˇren´ı (viz 4.3).

19

ˇ ˇ REN ˇ Í KAPITOLA 4. VLIVY NA PRESNOST ME

4.1

20

Vlivy okol´ı

ˇ záˇren´ı v atmosféˇre. Je Atmosférická teplota je jednou z veliˇcin, urˇcuj´ıc´ı u ´tlum IC ˇ kamery. Rozmez´ı pracovn´ıch teplot je udáváno také omezuj´ıc´ım faktorem pouˇzit´ı ICT v´ yrobcem. Tato teplota je u základn´ıch model˚ u bˇeˇznˇe mezi 0 ◦ C aˇz 50 ◦ C a u vyˇsˇs´ıch ˇrad mezi −15 ◦ C aˇz 50 ◦ C. Atmosféra obsahuje látky, které pohlcuj´ı infraˇcervené záˇren´ı. Jedná se napˇr´ıklad o oxid uhliˇcit´ y, dus´ık a jiné prvky. Jejich vliv nen´ı zanedbateln´ y, ale témˇeˇr se s ˇcasem nemˇen´ı, a je moˇzné korekci pevnˇe nastavit. Mezi tyto látky patˇr´ı také voda, konkrétnˇe vzduˇsná vlhkost, která se s ˇcasem naopak mˇen´ı rychle a proto je nutné jej´ı vliv korigovat v m´ıstˇe ˇ kamery se zadává hodnota relativn´ı vzduˇsné vlhkosti. S t´ım a ˇcase mˇeˇren´ı. Do ICT souvis´ı i nutnost zjiˇstˇen´ı vzdálenosti mezi mˇeˇren´ ym objektem a sn´ımaˇcem, protoˇze u ´tlum je závisl´ y na vzdálenosti. Mˇeˇren´ı ovlivˇ nuje nepˇreberné mnoˇzstv´ı okoln´ıch vliv˚ u a v´ yˇse zm´ınˇené jsou ty závaˇzné, které jsme schopni do urˇcité m´ıry kompenzovat. Dalˇs´ım faktorem, kter´ ym je moˇzné zv´ yˇsit pˇresnost mˇeˇren´ı je v´ ybˇer vhodné doby mˇeˇren´ı. Ta nastává, kdyˇz je odstup teplot mˇeˇreného objektu a okol´ı co nejvyˇsˇs´ı a zároveˇ n se v okol´ı vyskytuje minimum dalˇs´ıch záˇriˇc˚ u, které mohou ovlivnit mˇeˇren´ı (viz 6.2). Pˇri mˇeˇren´ı v exteriéru je mˇeˇren´ y objekt ochlazován proudˇen´ım vzduchu, proto je vˇetrné poˇcas´ı nevhodné, v literatuˇre se jako maximáln´ı pˇr´ıpustná rychlost vˇetru udává 4 ms−1 aˇz 5 ms−1 . D˚ uleˇzit´ y je, pokud moˇzno, ˇ kamerou, to znamená vyvarovat se hustému deˇsti, ˇcist´ y prostor mezi objektem na ICT snˇeˇzen´ı, mlze nebo dn˚ um se ˇspatn´ ymi rozptylov´ ymi podm´ınkami (smog). Venkovn´ı mˇeˇren´ı napˇr´ıklad prob´ıhaj´ı témˇeˇr v´ yhradnˇe v zimn´ım nebo podzimn´ım obdob´ı, kdy je minimálnˇe ovlivˇ nováno sluneˇcn´ım záˇren´ım (mˇeˇren´ y objekt i okol´ı nejsou otepleny sluncem).

4.2

Vlastnosti mˇ eˇ ren´ eho objektu

Intenzita záˇren´ı, která bude namˇeˇrena, závis´ı samozˇrejmˇe na teplotˇe. Ale to plat´ı bezv´ yhradnˇe pouze pro ˇcerná tˇelesa, v bˇeˇzné praxi se samozˇrejmˇe nem˚ uˇzeme dopustit takového zjednoduˇsen´ı a povaˇzovat vˇsechna tˇelesa za ˇcerná. Pro kompenzaci chyby se zavád´ı tzv. emisivita. Emisivita (ε) je materiálová konstanta. Urˇcuje schopnost materiálu vyzaˇrovat energii do okol´ı. Je závislá na vlastnostech povrchu objektu, tzn. emisivita povrchu jednoho stejného materiálu m˚ uˇze nab´ yvat mnoha hodnot a to v závislosti na jeho u ´pravˇe (od


21

oxidace - stárnut´ı, pˇres hrubost - leˇstˇen´ı a p´ıskován´ı, aˇz po r˚ uzné nátˇery a laky nebo vliv geometrie - tvaru). Proto nen´ı moˇzné tuto konstantu urˇcit vˇseobecnˇe a povaˇzovat j´ı za správnou. Takto by se daly shrnout problémy s pˇresnost´ı urˇcen´ı emisivity v závislosti na povrchové u ´pravˇe materiál˚ u, ale existuj´ı dalˇs´ı parametry, které ovlivˇ nuj´ı jej´ı velikost. V praxi nás zaj´ımaj´ı pˇredevˇs´ım tyto: • teplota povrchu (T ), • u ´hel pozorován´ı (α), • vlnová délka záˇren´ı (λ).

4.2.1

Emisivita

Emisivitu lze popsat jako pod´ıl intenzit vyzaˇrován´ı reálného tˇelesa a absolutnˇe ˇcerného tˇelesa pˇri stejné teplotˇe:

ε=

MT (T ) , MCT (T )

(4.1)

kde MT (T ) je intenzita vyzaˇrován´ı reálného tˇelesa pˇres celé spektrum a MCT (T ) je intenzita vyzaˇrován´ı ideáln´ıho ˇcerného tˇelesa v celém spektru. Takto odvozená hodnota se naz´ yvá emisivita a je závislá pouze na teplotˇe. Z tohoto vztahu m˚ uˇzeme vyvodit, ˇze emisivita tˇelesa nab´ yvá hodnot: 0 aˇz 1 a zároveˇ n, ˇze emisivita absolutnˇe ˇcerného tˇelesa je: ε = 1. Nev´ yhodou takové definice je, ˇze nám v podstatˇe nevypov´ı, jaké bude m´ıt ˇ kamerou, protoˇze nikdy nem˚ vlastnosti tˇeleso, které pozorujeme ICT uˇzeme sn´ımat celé tˇeleso (ze vˇsech smˇer˚ u zároveˇ n). Také urˇcen´ı emisivity v celém spektru záˇren´ı nen´ı vhodné, protoˇze termografie vyuˇz´ıvá pouze u ´zká pásma, tzv. atmosférick´ ych oken (viz 2.2). Dalˇs´ı definice emisivity jsou moˇzné, ale ty pro nás nejsou dostateˇcné. Ideáln´ım urˇcen´ım by byla ˇ pásma a prostorov´ emisivita, jako konstanta ϵ(∆λ, ∆Ω, T ), urˇcená v potˇrebné ˇs´ıˇrce IC ym u ´hlem, kter´ y vymez´ı moˇzn´ yu ´hel pozorován´ı na normálu nebo v jej´ı bl´ızkosti. V praxi se tedy emisivita neurˇcuje teoreticky, ale praktick´ ym mˇeˇren´ım (viz 6.3).

4.2.2

Rozdˇ elen´ı tˇ eles podle jejich emisivity

Tˇelesa se dˇel´ı do tˇr´ı skupin, ˇcerná tˇelesa, ˇsedá tˇelesa a selektivnˇe emituj´ıc´ı tˇelesa:


22

ˇ Cern´ e tˇ eleso ˇ e tˇ Sed´ eleso

ε(α) = 1, konst.

ε(λ, T ) = 1, konst.

0 < ε(α) < 1, promˇenná

0 < ε(λ, T ) < 1, konst.

Selektivnˇ e emituj´ıc´ı tˇ eleso

0 < ε(α) < 1, promˇenná 0 < ε(λ, T ) < 1, promˇenná

Tabulka 4.1: Základn´ı rozdˇelen´ı tˇeles podle jejich emisivity ε a vlivu u ´hlu pozorován´ı (α)

Z tabulky vypl´ yvá, ˇze ˇcerné tˇeleso je ideáln´ım pˇredmˇetem zkoumán´ı, ale jedná se pouze o teoreticky definované tˇeleso, které se v pˇr´ırodˇe nevyskytuje. Pro potˇrebu kaˇ kamer se pouˇz´ıvaj´ı modely ˇcerného tˇelesa, librace bezdotykov´ ych teplomˇer˚ u nebo ICT které se bl´ıˇz´ı vlastnostem ˇcerného tˇelesa. Tyto modely jsou nejˇcastˇeji tvoˇreny dutinou takov´ ych rozmˇer˚ u a tvaru, aby bylo pˇr´ıchoz´ı záˇren´ı pohlceno a jej´ı stˇeny mˇely stejnou teplotu. V praxi se snaˇz´ıme zamˇeˇrit na tˇelesa, která se bl´ıˇz´ı definici ˇsedého tˇelesa, protoˇze ϵ(λ, T ) = konst.. Ovˇsem jedná se pouze o idealizaci, podobnˇe jako ˇcerné tˇeleso. Za ˇsedé tˇeleso je moˇzné uvaˇzovat vˇetˇsinu pevn´ ych materiál˚ u v urˇcit´ ych pásmech vlnov´ ych délek ˇ záˇren´ı. Naopak emisivita selektivnˇe emituj´ıc´ıho tˇelesa je funkc´ı vlnové délky a urˇcen´ı IC této závislosti je velice komplikované a pˇr´ıpadná mˇeˇren´ı intenzity vyzaˇrován´ı takov´ ych tˇeles jsou nároˇcná. Mezi selektivn´ı emitory patˇr´ı napˇr´ıklad plyny a plastové fólie.

Cerne teleso -2

-1

MHWm Μm L Sede teleso

1.2 ´ 10-10 1. ´ 10-10

Selektivni zaric

8. ´ 10-11 6. ´ 10-11 4. ´ 10-11 2. ´ 10-11

ΛHΜmL 5

10

15

Obrázek 4.1: Pˇr´ıklady r˚ uzn´ ych tˇeles

20


4.2.3

23

Vlivy urˇ cuj´ıc´ı emisivitu

Vu ´vodu byly popsány základn´ı vlivy, které urˇcuj´ı velikost emisivity. Jejich pˇrehled je v následuj´ıc´ı tabulce: Vlastnosti tˇ elesa Druh materiálu(kov, nekov, ...)

Vliv ostatn´ıch parametr˚ u ´ Uhel pozorován´ı

Povrch tˇelesa(drsnost, ...)

Teplota(zmˇeny struktury tˇelesa)

Tvar tˇelesa(dráˇzky, dutiny, ...)

Vlnová délka záˇren´ı

Tabulka 4.2: Pˇrehled vliv˚ u urˇcuj´ıc´ıch emisivitu

´ Uhel pozorován´ı α má na velikost emisivity podstatn´ y vliv u ˇsed´ ych a selektivnˇe emituj´ıc´ıch tˇeles, jak vypl´ yvá z tabulky 4.1. Nˇekteré povrchy maj´ı schopnost vyzaˇrovat do vˇsech smˇer˚ u stejnou intenzitou, jsou to takzvaná disipativn´ı tˇelesa (nˇekdy také Lambert˚ uv záˇriˇc). Takˇze se jedná o tˇelesa u kter´ ych je emisivita (reflektance) nezávislá na u ´hlu pozorován´ı (této vlastnosti se snaˇz´ıme dosáhnout pˇri tvorbˇe reflektoru pro mˇeˇren´ı zdánlivé odraˇzené teploty 6.2). Vliv u ´hlu pozorován´ı na intenzitu odraˇzeného záˇren´ı I u takového záˇriˇce lze popsat Lambertov´ ym zákonem (cosinov´ y zákon optiky):

Iα = I⊥ cosα,

(4.2)

kde Iα je intenzita záˇren´ı tˇelesa v u ´hlu α od normály a I⊥ je intenzita záˇren´ı na normále. Opˇet se jedná o teoretickou vlastnost povrchu a ve skuteˇcnosti se j´ı lze pouze pˇribl´ıˇzit, podobnˇe jako pˇri sestrojen´ı modelu ˇcerného tˇelesa. Bˇeˇzná tˇelesa nelze popsat takovouto rovnic´ı, protoˇze jejich emisivita a reflexivita je závislá na nepˇreberném mnoˇzstv´ı vlastnost´ı povrchu, nˇekteré z nich jsou zm´ınˇeny v tabulce 4.2. Pro co nejpˇresnˇejˇs´ı mˇeˇren´ı je vhodn´ y co nejmenˇs´ı u ´hel pozorován´ı.

4.3

Minim´ aln´ı sn´ıman´ a plocha

V pˇredchoz´ı kapitole byla zm´ınˇena moˇznost chybného mˇeˇren´ı pˇri pozorován´ı vzdálen´ ych nebo mal´ ych pˇredmˇet˚ u, jeˇz je zp˚ usobena záˇren´ım, které z tohoto pˇredmˇetu dopadá pouze na malou plochu sn´ımaˇce (rozloˇz´ı se mezi nˇekolik sousedn´ıch, ale ˇza´dn´ y nen´ı ozáˇren cel´ y). Tento zp˚ usob´ı, ˇze software zpracován´ı obrazu vyhodnot´ı chybnˇe intenzitu záˇren´ı


24

ˇ kamera má ve své dokumena zobrazovaná teplota je niˇzˇs´ı neˇz skuteˇcná. Kaˇzdá ICT taci zadané zorné pole, anglicky Field Of View (FOV). Udává se ve stupn´ıch a podle ˇ karozliˇsen´ı detektoru m˚ uˇze b´ yt r˚ uzn´ y horizontáln´ı a vertikáln´ı u ´hel (napˇr´ıklad u ICT metry FLIR T335 s rozliˇsen´ım 320 x 240 pixel˚ u je 25◦ x 19◦ ). S t´ımto u ´hlem je z pravidla uvedena minimáln´ı vzdálenost mezi kamerou a objektem (0, 8 aˇz 0, 4 m). Podle tˇechto u ´hl˚ u a vzdálenosti lze urˇcit velikost sn´ımané plochy (obrazu): S x V = d · sin(ϕ) x d · sin(γ). Kdyˇz zm´ınˇené hodnoty vydˇel´ıme pˇr´ısluˇsn´ ym rozliˇsen´ım sn´ımaˇce, vyjde plocha obrazu pˇripadaj´ıc´ı na jeden pixel. V literatuˇre [1] se dále udává, ˇze minimáln´ı plocha pro správné rozliˇsen´ı teploty je 3x3 pixely, ˇcili dev´ıtinásobek plochy obrazu pˇripadaj´ıc´ı na jeden pixel.

ˇ kamery, A - ICT ˇ kamera, B - sn´ımaná plocha Obrázek 4.2: Zorné pole ICT (obraz)

Tato omezen´ı tedy mohou zabránit detekci rozd´ıl˚ u v teplotn´ım poli, které se projevuj´ı ˇ sen´ım je pouˇzit´ı vhodné optiky na ploˇse menˇs´ı neˇz odpov´ıdá pˇredchoz´ım závˇer˚ um. Reˇ ˇ kamery maj´ı moˇznost pˇribl´ıˇzen´ı, nebo pˇribl´ıˇzen´ı se k pozorovanému pˇredmˇetu. Bˇeˇzné ICT nejedná se o optick´ y zoom, ale o elektronick´ y zoom. Tud´ıˇz v´ ysledn´ y termogram je zat´ıˇzen stejnou chybou jako sn´ımek bez pˇribl´ıˇzen´ı. Absence optického zoomu u vˇetˇsiny komerˇcnˇe

ˇ ˇ REN ˇ Í KAPITOLA 4. VLIVY NA PRESNOST ME pouˇz´ıvan´ ych zaˇr´ızen´ı je zp˚ usobena vysokou poˇrizovac´ı cenou objektiv˚ u.

25

Kapitola 5 Experiment´ aln´ı pˇ r´ıpravek Pro mˇeˇren´ı A jsme sestavili zaˇr´ızen´ı, které se skládá z otopné desky a termostatu, tato sestava simuluje mˇeˇren´ y objekt a druhá, stejná sestava, pˇredstavuje zdroj odráˇzej´ıc´ıho se záˇren´ı. Jako topn´ y prvek byla zvolena sestava tranzistor˚ u NPN v pouzdˇre TO220 v zapojen´ı se spoleˇcn´ ym emitorem. Tato konfigurace se vyznaˇcuje n´ızk´ ym tepeln´ ym odporem a n´ızkou tepelnou kapacitou, coˇz zajiˇst’uje dostateˇcnou dynamiku systému. V´ıce informac´ı o jednotliv´ ych ˇcástech pˇr´ıpravku je v následuj´ıc´ıch kapitolách.

5.1

Termostat

Termostat se v podstatˇe skládá z Wheastonova m˚ ustku. Na jednom rameni je sn´ımac´ı napˇet’ov´ y dˇeliˇc, kter´ y se skládá z odporu a termistoru um´ıstˇeného na topidle, tvoˇr´ı sn´ımac´ı dˇeliˇc teploty. Na druhém rameni je odporov´ y dˇeliˇc se sériovˇe pˇriˇrazen´ ym potenciometrem ˇr´ıd´ıc´ım velikost napˇet´ı na dˇeliˇci, kter´ y tvoˇr´ı ˇr´ıdic´ı dˇeliˇc. Rozd´ıl napˇet´ı je vyhodnocován komparátorem, kter´ y pˇri zv´ yˇseném napˇet´ı na ovládané stranˇe m˚ ustku sepne sestavu topn´ ych tranzistor˚ u.

26

´ Í PR ˇ ÍPRAVEK KAPITOLA 5. EXPERIMENTALN

27

Obrázek 5.1: Schéma zapojen´ı termostatu

Prvek

Hodnota

R1, R2

3 kΩ

R3

2 kΩ 0, 5W

R4

TRIMR 100 kΩ horizontáln´ı

R5

TRIMR 1 kΩ horizontáln´ı

R6

potenciometr 5 kΩ

R7

370 Ω

C1,C2,C3,C4

100nF

IC1

stabilizátor napˇet´ı 7810

IC3

stabilizátor napˇet´ı 7805

IC2

OZ MC1458P

Tabulka 5.1: Seznam pouˇzit´ ych prvk˚ u

Dalˇs´ım krokem bylo navrhnout desku ploˇsného spoje, osadit ji a um´ıstit do vhodné pˇr´ıstrojové krabice. Návrh jsem provedl v programu EAGLE, Light Edition a následnˇe vyleptal fotocestou na jednostrannou cuprexitovou desku. Komparátor je realizován operaˇcn´ım zesilovaˇcem (dále OZ) MC1458P, ten vyˇzaduje


28

Obrázek 5.2: Návrh desky poˇsného spoje termostatu

symetrické napájen´ı. Je odoln´ y proti moˇzn´ ym rezonanc´ım, proto jsme zvolili tento typ i pˇresto, ˇze vyˇzaduje sloˇzitˇejˇs´ı ˇreˇsen´ı napájen´ı. Jak jiˇz bylo ˇreˇceno v´ yˇse, pˇri vzr˚ ustu napˇen´ı na ˇr´ıdic´ım dˇeliˇci nad velikost napˇet´ı na sn´ımac´ım dˇeliˇci, je na v´ ystupu OZ kladné napájec´ı napˇet´ı, velikost proudu do báze tranzistoru je omezena trimrem na potˇrebnou velikost (viz 5.2.2). Aby nebyl pˇretˇeˇzován pˇrechod báze-emitor pˇri opaˇcné situaci, kdy je na invertuj´ıc´ım vstupu OZ vyˇsˇs´ı napˇet´ı neˇz na vstupu neinvertuj´ıc´ım, to znamená, ˇze napˇet´ı na sn´ımac´ım dˇeliˇci je vyˇsˇs´ı neˇz na ˇr´ıdic´ım, je do obvodu báze topného tranzistoru zaˇrazena dioda. Ve schématu zapojen´ı je také zahrnut R4, kter´ y mˇel zajiˇst’ovat hysterezi, ale pˇri mˇeˇren´ı bylo zjiˇstˇeno, ˇze tepelná kapacita topidla je taková, ˇze sama o sobˇe zajist´ı dostateˇcné pˇrechodné pásmo mezi sepnut´ ym stavem a vypnut´ ym stavem.

5.2

Topidlo

Nejprve byla v programu Wolfram Mathematica provedena simulace topné desky, aby bylo moˇzné zvolit vhodn´ y materiál a rozmˇery. Pˇr´ıpravek byl modelován jako kruhová deska s jedn´ım tepeln´ ym zdrojem ve svém stˇredu.


5.2.1

29

Model topidla

Tepeln´ y zdroj je kruhov´ y, jako deska a pˇrenos tepla prob´ıhá pouze válcovou plochou, kterou se dot´ ykaj´ı. V´ ypoˇcet probˇehl numerickou metodou ve válcovém souˇradnicovém systému. Model v´ ypoˇctu je moˇzné lépe pochopit z následuj´ıc´ıho obrázku (5.3).

Obrázek 5.3: Model - tenká kruhová deska

Jako moˇzné materiály byla zvolena mˇed’ a hlin´ık. Mˇed’ má nesporné v´ yhody v podobˇe vysoké tepelné vodivosti a n´ızké tepelné kapacity. V´ yhoda hlin´ıku spoˇc´ıvá v jeho n´ızké cenˇe a snadné opracovatelnosti, takˇze byl zvolen hlin´ık. Vlastnosti hlin´ıku uvaˇzované pˇri v´ ypoˇctu byly následuj´ıc´ı: tepelná vodivost λ = 200 W · m−1 · K−1 tepelná kapacita

c = 900 J · kg−1· K−1 ρ = 2700 kg · m−3

hustota

Tabulka 5.2: Materiálové konstanty hlin´ıku

Vycházelo se z Fourier-Kirchhoffovi rovnice: 0

z }| { ∂T ρ · c( + ⃗v ∇T ) = ∇ · (λ∇T ) + QV , (5.1) ∂t kde ρ, c a λ jsou materiálové konstanty vypsané v pˇredchoz´ı tabulce, T je teplota, ⃗v je rychlost pohybu hranice prostoru urˇceného rovnic´ı a ∇ je operátor nabla oznaˇcuj´ıc´ı gradient (∇ · T ) nebo divergenci(∇T ).


30

K v´ ypoˇctu je tˇreba urˇcit poˇcáteˇcn´ı podm´ınky, rozloˇzen´ı teploty v ˇcase t = 0 a okrajové podm´ınky. Cel´ y zdrojov´ y kód se nacház´ı v pˇr´ıloze A. Na následuj´ıc´ıch grafech je pr˚ ubˇeh teploty v závislosti na vzdálenosti od stˇredu (polomˇer) po ustálen´ı pˇrechodov´ ych dˇej˚ u pro r˚ uzné tlouˇst’ky desky h.

T=fceHrL, pri t=7200s TH C L 200

150

100

50

rHmL 0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

Obrázek 5.4: Graf teploty v závislosti na polomˇeru

Byla zvolena tlouˇst’ka h = 6 mm a v této konfiguraci bude chován´ı modelu v ˇcase následuj´ıc´ı: tHsL

6000

4000 2000 0

150 100 TH C L 50

rHmL0.05

0.10

Obrázek 5.5: Model topidla h = 6 mm, chován´ı v ˇcase


5.2.2

31

Konstrukce

Tˇeleso je tvoˇreno sendviˇcovou strukturou sloˇzenou ze dvou hlin´ıkov´ ych desek o rozmˇeru 200x185x3 mm (ˇs´ıˇrka x délka x tlouˇst’ka) navzájem pevnˇe spojen´ ych ˇsrouby, styˇcná plocha je oˇsetˇrena silikonovou vazel´ınou. Toto ˇreˇsen´ı bylo zvoleno, aby se minimalizovaly neˇzádouc´ı vlivy spojovac´ıho materiálu vyuˇzitého ke spojen´ı tranzistor˚ u a desky. Jedná se pˇredevˇs´ım o nestejné teploty na ploˇse topidla. Tranzistory a termistory pˇripevnˇené na jedné stranˇe desky jsou na ploˇse styku oˇsetˇreny stejnou tepelnˇe vodivou pastou jako v pˇredchoz´ım pˇr´ıpadˇe. Pro dosaˇzen´ı lepˇs´ıch tepeln´ ych vlastnost´ı byla tato strana tepelnˇe izolována bavlnˇenou vatou. Topné tranzistory jsou na desce v sestavˇe po dev´ıti, jedná se o TIP122 (darlingtonovo zapojen´ı). Volbou tohoto prvku jsme doc´ılili dostateˇcného proudu ICE i pˇresto, ˇze tranzistory jsou ˇr´ızeny komparátorem (OZ) v termostatu s normáln´ım (podle dokumentace, pˇr´ıloha ??) v´ ystupn´ım proudem 25 aˇz 45 mA, protoˇze proudov´ y zesilovac´ı ˇcinitel v zapojen´ı se spoleˇcn´ ym emitorem h21e = 1000. V´ yrobce udává, jak´ y v´ ykon je moˇzné do polovodiˇce dodávat v závislosti na teplotˇe obalu, aby nebyla pˇrekroˇcena pˇr´ıpustná teplota NPN pˇrechodu. Pro vˇetˇs´ı spolehlivost byla zvolena maximáln´ı velikost ztrátového v´ ykonu na kaˇzdém prvku 7 W s takov´ ym limitem je bezpeˇcná teplota topidla Tmax = 130 ◦ C. Hodnota ztrátového v´ ykonu nen´ı pˇresná, protoˇze v emitoru tranzistoru je zapojen vazebn´ı odpor, kter´ y sniˇzuje kladnou zpˇetnou vazbu tranzistoru, kde s rostouc´ı teplotou roste proud ICE . U rezistoru roste u ´bytek napˇet´ı s rostouc´ım proudem ICE , takˇze p˚ usob´ı proti nár˚ ustu proudu obvodem. Celá topná deska je um´ıstˇena v dˇrevˇené krabici, která byla vyrobena podle rozmˇer˚ u topn´ ych desek. Jednotlivé d´ıly krabice byly vyrobeny na CNC frézce a poté slepeny. Na zadn´ı stranˇe bedny je um´ıstˇena pojistková patice s tavnou pojistkou o hodnotˇe 5 A a konektory ovládán´ı a napájen´ı. Jsou zde také konektory pro mˇeˇren´ı napájec´ıho proudu. Mˇeˇr´ı se u ´bytek napˇet´ı na odporu R = 0, 1 Ω, takˇze v´ ysledné napˇet´ı je desetina skuteˇcné hodnoty proudu. Kv˚ uli lepˇs´ı stabilitˇe topidel jsou na spodn´ı stranˇe um´ıstˇeny gumové podstavce. V´ ysledná sestava mˇeˇr´ıc´ıho pˇr´ıpravku se skládá ze dvou topidel (tepeln´ ych záˇriˇc˚ u), spoleˇcného ovládán´ı (termostatu) a napájen´ı, které je pro kaˇzdé topidlo zvláˇst’. Tepelné záˇriˇce jsou rozliˇseny jako záˇriˇc A a záˇriˇc B.


32

Obrázek 5.6: Schéma zapojen´ı elektrické ˇcásti topidla

Prvek

Hodnota

R1, R2, . . . , R9

3, 3 kΩ 3W

R10, R11, . . . , R18

3, 6 kΩ 0, 5W

R19, R20, . . . , R27

TRIMR 2, 5 kΩ vertikáln´ı

Q1, Q2, . . . , Q9

Tranzistor TIP122

Tabulka 5.3: Seznam pouˇzit´ ych prvk˚ u

Ovládán´ı je pˇrivedeno z termostatu a napájen´ı silové ˇca´sti je ˇreˇseno universáln´ım napájec´ım zdrojem pro notebooky s parametry: U = 19 V a Imax = 3, 42 A. Pˇri rovnomˇerném zat´ıˇzen´ı bude kaˇzdou vˇetv´ı topného obvodu procházet Inmax = 0, 38 A, aby zdroj nebyl nepˇretˇeˇzován, zvolili jsme In = 0, 35 A. Z tˇechto hodnot lze vypoˇc´ıtat ztrátov´ y v´ ykon na jednotliv´ ych tranzistorech:

PT R = UT R ∗ ·In

(5.2)

UT R = U − R1,2,...,9 ∗ ·In = 19 − 3, 3 ∗ ·0, 35 = 17, 845 V

(5.3)

PT R = 17, 845 ∗ ·0, 35 = 6, 246 W

(5.4)


5.2.3

33

Povrchov´ au ´ prava

Protoˇze základn´ı materiál topidla jsou hlin´ıkové desky, je emisivita povrchu vyuˇz´ıvaného k mˇeˇren´ı n´ızká (typicky se udává εAl = 0, 2), proto je nutné povrch upravit, aby se emisivita zv´ yˇsila. Pouˇzili jsme ˇcernou barvu ve spreji, která si zachová své vlastnosti aˇz do teploty 500 ◦ C. Bez dalˇs´ıch u ´prav dosahuje povrch topidla oˇsetˇren´ y touto barvou emisivity εAln = 0, 95. Okraj topné desky záˇriˇce A byly, pro názorn´ y rozd´ıl emisivit r˚ uzn´ ych povrchov´ ych u ´prav, ponechány v p˚ uvodn´ı u ´pravˇe, tedy jako ˇcist´ y hlin´ık. Tepeln´ y záˇriˇc B, byl upraven podobnˇe, pouze okraje nebyly ponechány bez u ´prav, ale jsou také oˇsetˇreny barevn´ ym sprejem (konkrétnˇe ˇcervenou matnou barvou a zelenou lesklou barvou) a pouˇzit´ y ˇcern´ y sprej nen´ı ˇza´ruvzdorn´ y, jako u tepelného záˇriˇce A. Jeden okraj je oˇsetˇren ˇcervenou matnou barvou a druh´ y zelenou lesklou barvou. Tato u ´prava byla zvolena ze stejného d˚ uvodu, jako v pˇredchoz´ım pˇr´ıpadˇe a ukazuje rozd´ıly v emisivitách r˚ uznˇe barevn´ ych povrch˚ u.

Obrázek 5.7: Tepelné záˇriˇce pouˇzité pˇri mˇeˇren´ı

5.3

Ovˇ eˇ ren´ı funkˇ cnosti

Experimentáln´ı pˇr´ıpravek jsem po jeho dokonˇcen´ı testoval, zde je nastavená teplota ˇ kameru (FLIR T335, citlivost 0, 05 K), která se stabiln´ı v ˇcase. K tomuto jsem vyuˇzil ICT zamˇeˇrila na záˇriˇc (topidlo) mˇeˇrila pr˚ umˇernou teplotu topné desky. Nastavil jsem teplotu pˇres 80 ◦ C, jej´ı pˇresná hodnota nen´ı d˚ uleˇzitá, protoˇze jsem kontroloval zmˇenu v ˇcase a poˇckal na ustálen´ı pˇrechodov´ ych jev˚ u. Po jejich odeznˇen´ı jsem poˇrizoval termogramy


34

záˇriˇce v intervalu pˇet minut po dobu jedné hodiny. Z namˇeˇren´ ych hodnot vycházela teplotn´ı stabilita obou topidel v rozsahu ±0, 15 K, takˇze zaˇr´ızen´ı bylo vhodné pro dalˇs´ı mˇeˇren´ı.

Kapitola 6 Mˇ eˇ ren´ı A y jsme V této kapitole jsme se zamˇeˇrili na ovˇeˇren´ı správné funkce pˇr´ıpravku (5), kter´ dále pouˇzili k mˇeˇren´ı zdánlivé odraˇzené teploty (6.2), emisivity r˚ uzn´ ych povrchov´ ych ˇ u ´prav (6.3) a nakonec vliv rozostˇren´ı ICT kamery na pr˚ umˇernou teplotu (6.4).

6.1

Pouˇ zit´ e pˇ r´ıstroje

Pˇri mˇeˇren´ı byly pouˇzity následuj´ıc´ı pˇr´ıstroje: • experimentáln´ı pˇr´ıpravek (kapitola 5), • dotykov´ y teplomˇer TESTO 905-T2, • dálkomˇer BOSCH DLE 70 Professional, • vlhkomˇer a teplomˇer EXTECH instruments FLIR M0297, ˇ kamera FLIR T335, • ICT • 2x multimetr UNI-T UT33A.

6.2

Vliv zd´ anliv´ e odraˇ zen´ e teploty

Pˇri mˇeˇren´ı teplotn´ıho pole objektu je nutné uvaˇzovat i vliv okoln´ıch pˇredmˇet˚ u, napˇr´ıklad ostatn´ıch stroj˚ u v továrn´ı hale. Tyto pˇredmˇety mohou ovlivnit tepelné záˇren´ı pochá35

ˇ REN ˇ Í A KAPITOLA 6. ME

36

zej´ıc´ı z c´ılového objektu o své záˇren´ı, které se od c´ılového objektu odraz´ı k pozorovateli ˇ (objektivu kamery). Toto parazitn´ı“ záˇren´ı se, podle normy CSN ISO 18434-1 [6], naz´ yvá ” odraˇzená zdánlivá teplota. Mˇeˇren´ı této teploty je popsáno ve v´ yˇse zm´ınˇené normˇe. My se dále budeme zab´ yvat mˇeˇren´ım zdánlivé odraˇzené teploty, jej´ım vlivem na chyby mˇeˇren´ı a postupem mˇeˇren´ı. Pro ovˇeˇren´ı postup˚ u (viz n´ıˇze) a popsán´ı vlivu zdánlivé odraˇzené teploty na mˇeˇren´ı jsme sestavili pokusné uspoˇra´dán´ı zm´ınˇené v kapitole 5.

6.2.1

ˇ Postup mˇ eˇ ren´ı podle CSN ISO 18434-1

N´ıˇze je sepsan´ y postup mˇeˇren´ı, kter´ y doporuˇcuje tato norma. Potˇ rebn´ a technika Aby bylo moˇzné zmˇeˇrit odraˇzenou zdánlivou teplotu objektu, jsou potˇrebná následuj´ıc´ı zaˇr´ızen´ı: ˇ kamera, která umoˇzn a) kalibrovaná kvalitativn´ı ICT ˇuje termodiagnostikovi zadávat hodnoty odraˇzené zdánlivé teploty Todr a emisivity ε, b) infraˇcerven´ y reflektor (odraˇzeˇc) jak´ ym je napˇr. zmaˇckaná“ a opˇetovnˇe narovnaná ” lesklá hlin´ıková fólie, která se pˇripevn´ı na rovnou desku (napˇr. karton) lesklou stranou nahoru. Metoda odrazu Postup pro stanoven´ı odraˇzené zdánlivé teploty Todr mus´ı b´ yt tento. ˇ kameˇre se nastav´ı emisivita 1, 00 a vzdálenost 0. a) Na ICT ˇ kamera neum´ıst´ı do poˇzadovaného m´ısta a vzdálenosti od objektu, kter´ b) ICT y se má ˇ kamera se zamˇeˇr´ı na mˇeˇren´ mˇeˇrit. ICT y objekt. ˇ kamery tak, ˇze mus´ı b´ c) Reflektor se um´ıst´ı do zorného pole ICT yt um´ıstˇen pˇred objektem a jeho plocha mus´ı b´ yt rovnobˇeˇznˇe s plochou mˇeˇreného objektu (viz 6.1). Pracuje se v bezpeˇcné vzdálenosti od jak´ ychkoli potencionálnˇe nebezpeˇcn´ ych objekt˚ u - tˇeles.


37

ˇ kamerou zmˇeˇr´ı odraˇzená zdánlivá teplota na reflektoru. d) Bez zmˇeny pozice se ICT Takto zjiˇstˇená teplota je v podstatˇe tou hledanou od objektu se odráˇzej´ıc´ı zdánlivou teplotou Todr . e) Pro vˇetˇs´ı pˇresnost se postup uveden´ y v bodech b) aˇz d) zopakuje nejménˇe tˇrikrát a z namˇeˇren´ ych hodnot se udˇelá pr˚ umˇer. f ) Odraˇzená zdánlivá teplota se kompenzuje vloˇzen´ım zpr˚ umˇerované hodnoty odraˇzené ˇ kamery (vˇetˇsinou se tato teplota zdánlivé teploty Todr do vnitˇrn´ıho software ICT naz´ yvá jako TAM“, amb. temp.“ (ambient temperature - teplota okol´ı), reflec” ” ” ted apparent temperature“ (odraˇzená zdánlivá teplota), background temperature“ ” (teplota pozad´ı) nebo Tref l“, Todr“, Tamb“, Tokoli“). ” ” ” ”

Obrázek 6.1: Situace pˇri mˇeˇren´ı odraˇzené zdánlivé teploty metodou odˇ kamera, 2 – Zdroj tepla, kter´ razu, 1 – ICT y objekt odráˇz´ı do kamery, 3 - Reflektor rovnobˇeˇzn´ y s mˇeˇren´ ym objektem, 4 – Mˇeˇren´ y objekt

Pˇ r´ım´ a metoda Postup pro stanoven´ı odraˇzené zdánlivé teploty Todr pˇr´ımou metodou mus´ı b´ yt následuj´ıc´ı. ˇ kameˇre se nastav´ı emisivita na 1, 00. a) Na ICT ˇ kamera se um´ıst´ı do poˇzadovaného m´ısta a vzdálenosti od objektu, kter´ b) ICT y se ˇ bude mˇeˇrit. Odhadne se u ´hel odrazu α a u ´hel dopadu β pˇri zobrazen´ı objektu ICT kamerou z m´ısta jej´ıho um´ıstˇen´ı (viz 6.2).


Obrázek 6.2: Situace pˇri mˇeˇren´ı odraˇzené zdánlivé teploty pˇr´ımou metoˇ kamera, 2 - Zdroj tepla, kter´ dou, prvn´ı krok, 1 - ICT y objekt odráˇz´ı do kamery, 3 - Mˇeˇren´ y objekt

Obrázek 6.3: Situace pˇri mˇeˇren´ı odraˇzené zdánlivé teploty pˇr´ımou metoˇ kamera, 2 - Zdroj tepla, kter´ dou, druh´ y krok, 1 - ICT y objekt odráˇz´ı do kamery, 3 - Mˇeˇren´ y objekt

38


39

ˇ kamera se um´ıst´ı pˇred mˇeˇren´ c) ICT y objekt tak, aby byla zamˇeˇrena na zdroj odráˇzej´ıc´ıho se záˇren´ı a byla s objektem v u ´hlu, kter´ y odpov´ıdá u ´hlu odrazu α (viz 6.3). ˇ kamery se zmˇeˇr´ı pr˚ d) Pomoc´ı ICT umˇerná zdánlivá teplota tohoto zdroje (tˇechto zdroj˚ u). Vyuˇzije se jakékoli dostupné funkce kamery (jako je mˇeˇr´ıc´ı funkce pr˚ umˇerné teploty oblasti), aby se zpr˚ umˇerovala zdánlivá teplota. Doporuˇcuje se m´ıt na pamˇeti, ˇze je to odraˇzená zdánlivá teplota Todr od mˇeˇreného objektu. e) Pro vˇetˇs´ı pˇresnost se opakuje postup uveden´ y v bodech b) aˇz d) nejménˇe tˇrikrát a z namˇeˇren´ ych hodnot se spoˇc´ıtá pr˚ umˇer.

6.2.2

Vlastn´ı mˇ eˇ ren´ı zd´ anliv´ e odraˇ zen´ e teploty

ˇ Pˇri mˇeˇren´ı jsme postupovali podle metod popsan´ ych v normˇe CSN ISO 18434-1 (6.2). Pro ovˇeˇren´ı postupu pˇri mˇeˇren´ı nepˇr´ımou metodou byly voleny, mimo v normˇe popsaného, r˚ uzné druhy reflektor˚ u odráˇzej´ıc´ı se zdánlivé teploty. Dále r˚ uzné teploty mˇeˇreného objektu a zdroje parazitn´ıho“ záˇren´ı. ” Mˇ eˇ ren´ı metodou odrazu Pˇri mˇeˇren´ı byly jako reflektory pouˇzity následuj´ıc´ı materiály: • hlin´ıková fólie stará (reflektor star´ y 4 t´ ydny), • hlin´ıková fólie nová (reflektor sestaven´ y pˇred mˇeˇren´ım), • leskl´ y obal od potravin. ˇ kamera kalibrována podle postupu popsaného v norPˇred vlastn´ım mˇeˇren´ım byla ICT ˇ ˇ kamerou a zjistila se mˇe CSN ISO 18434-1. Zmˇeˇrila se vzdálenost mezi objektem a ICT emisivita povrchu mˇeˇreného objektu (viz 6.3). Záˇriˇce byly nastaveny tak, aby se záˇren´ı ze ˇ kamery. Rozloˇzen´ı mˇeˇr´ıc´ıho zdroje parazitn´ıho záˇren´ı odráˇzelo pˇres mˇeˇren´ y objekt do ICT pracoviˇstˇe je na obrázku 6.4. Mˇeˇren´ı probˇehlo pˇri r˚ uzn´ ych teplotách mˇeˇreného objektu, od teploty okol´ı po maximáln´ı teplotu, která byla s ohledem na vlastnosti pouˇzitého spreje stanovena na 80 ◦ C a jednotlivé teploty od sebe maj´ı odstup zhruba 10 K. Pro kaˇzdou teplotu mˇeˇreného objektu byla postupnˇe nastavována teplota druhého záˇriˇce v podobném rozsahu. Pouˇzit´ım ˇza´ruvzdorné barvy bylo moˇzné nastavit maximáln´ı teplotu na 90 ◦ C a stejn´ ym odstupem,


40

ˇ kamera, 2 - Mˇeˇren´ Obrázek 6.4: Rozloˇzen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pracoviˇstˇe: 1 - ICT y objekt (záˇriˇc B), 3 - Zdroj odráˇzej´ıc´ı se zdánlivé teploty (záˇriˇc A), 4 - Odraˇzené záˇren´ı, 5 - Záˇren´ı pocházej´ıc´ı z mˇeˇreného objektu

jako u mˇeˇreného zdroje záˇren´ı. Protoˇze pˇr´ıpravky pouˇzité pˇri tomto mˇeˇren´ı neumoˇzn´ı nastaven´ı pˇresné teploty, nen´ı reálné dodrˇzet odstup jednotliv´ ych teplot. Pˇri kaˇzdé zadané teplotˇe se odeˇc´ıtaly tyto u ´daje dotykov´ ymi teplomˇery: teploty obou tepeln´ ych záˇriˇc˚ u ˇ kamery. a pr˚ umˇerné teploty ve vymezené oblasti mˇeˇreného objektu (záˇriˇc B) pomoc´ı ICT Pˇri zast´ınˇeném odráˇzej´ıc´ım se záˇren´ı (tepeln´ y zdroj A byl pˇrikryt kartonovou deskou) a nezast´ınˇeném odráˇzej´ıc´ım se záˇren´ı (mimo tˇechto teplot byly také uloˇzeny termogramy pro dalˇs´ı vyhodnocen´ı), dále byly odeˇcteny odráˇzej´ıc´ı se zdánlivé teploty s r˚ uzn´ ymi reflektory. Tabulka namˇeˇren´ ych hodnot se, kv˚ uli svému rozsahu, nacház´ı v pˇr´ıloze ??. Uloˇzené ˇ kamery termogramy byly zpracovány v programu QuickReport od v´ yrobce pouˇzité ICT spoleˇcnosti FLIR. T´ımto byly namˇeˇrené hodnoty zkorigovány a pro porovnán´ı u ´ˇcinnosti korekce pˇreneseny do graf˚ u 6.5 a 6.6. Na ose x je vynesen rotd´ıl teplot záˇriˇc˚ u A a B ∆TAB = TA − TB . Na ose y je u prvn´ıho grafu (6.5) vynesena odchylka korekce δk , jako pod´ıl rozd´ılu nekorigované (TN ) a korigované teploty (TK ) od teploty zmˇeˇrené pˇri zast´ınˇen´ı (TZ ) tepelného záˇriˇce A, takˇze δk =

TK −TZ TN −TZ

· 100. U druhého grafu (6.6) je na

ose y odchylka teploty δT korigované a mˇeˇrené pˇri zast´ınˇen´ı δT =

TK TZ

· 100.


41

∆k H%L 100 80 Obal 60 Al reflektor stary 40 Al reflektor novy 20

-40

20

-20

40

60

DTAB HKL

Obrázek 6.5: Graf δk = f ce(∆TAB ) - Metoda odrazu ∆T H%L 3.5 3.0 Obal 2.5 2.0

Al reflektor stary

1.5 Al reflektor novy

1.0 0.5 -40

-20

20

40

60

DTAB HKL

Obrázek 6.6: Graf δT = f ce(∆TAB ) - Metoda odrazu


42

Mˇ eˇ ren´ı pˇ r´ımou metodou Mˇeˇren´ı prob´ıhalo pˇri ˇctyˇrech r˚ uzn´ ych teplotách mˇeˇreného objektu i zdroje zdánlivé odráˇzej´ıc´ı se teploty. Pˇri kaˇzdém mˇeˇren´ı se postupovalo podle návodu popsaného v normˇe 6.2 a podobnˇe jako v pˇredchoz´ım mˇeˇren´ı byly zaznamenávány tyto hodnoty: • dotykov´ ym teplomˇerem teplota záˇriˇce A a B • termogram záˇriˇce B se zdánlivou odraˇzenou teplotou a pˇri jej´ım zast´ınˇen´ı • teplota záˇriˇce A (mˇeˇreno jako oblast zahrnuj´ıc´ı pouze záˇriˇc a oblast zahrnuj´ıc´ı cel´ y ˇ kamerou) obraz sn´ıman´ y ICT V normˇe nen´ı specifikováno, jak pˇresnˇe zdánlivou odraˇzenou teplotu pˇri pouˇzit´ı pˇr´ımé metody mˇeˇrit, proto byly zvoleny dvˇe oblasti mˇeˇren´ı teploty parazitn´ıho zdroje záˇren´ı (záˇriˇc A). Mˇeˇr´ıc´ı sestava byla pouˇzita stejná, jako u mˇeˇren´ı nepˇr´ımou metodou, prostorové uspoˇrádán´ı je na obrázku 6.4. Namˇeˇrené hodnoty jsou v pˇr´ıloze A, termogramy byly zpracovány v programu Quicˇ kamery FLIR. V´ kReport od v´ yrobce pouˇzité ICT ysledné hodnoty byly vyneseny do graf˚ u, kde je srovnávána u ´ˇcinnost korekce 6.7 a chyba teploty 6.8. V´ yznam popis˚ u os je stejn´ y, jako v pˇredchoz´ım mˇeˇren´ı. ∆kH%L 150

Vyrez z obrazu

100

Cely obraz

50

-40

-20

20

40

60

DTAB HKL

Obrázek 6.7: Graf δk = f ce(∆TAB ) - Pˇr´ımá metoda

Hodnocen´ı Pˇri mˇeˇren´ı nepˇr´ımou metodou se vyskytly pot´ıˇze v podobˇe pouˇzit´ı starého reflektoru záˇren´ı z hlin´ıkové fólie, protoˇze hlin´ık zoxidoval a ztratil reflexivitu, t´ım se zvˇetˇsila chyba


43

∆TH%L 8

6

Vyrez z obrazu

4 Cely obraz 2

-40

-20

20

40

60

DTAB HKL

Obrázek 6.8: Graf δT = f ce(∆TAB ) - Pˇr´ımá metoda

mˇeˇren´ı. Proto je d˚ uleˇzité, aby pˇred kaˇzd´ ym pouˇzit´ım této metody, byla pouˇzita nová hlin´ıková fólie. Rozd´ıly pˇri pouˇzit´ı staré a nové fólie jsou patrné z graf˚ u 6.5 a 6.6. Tˇret´ı pouˇzit´ y materiál, potravinov´ y obal se neosvˇedˇcil v˚ ubec, pˇredevˇs´ım proto, ˇze vykazoval znaˇcnou závislost zdánlivé odráˇzej´ıc´ı teploty na teplotˇe vlastn´ı, coˇz pˇri vyˇsˇs´ı teplotˇe okol´ı zp˚ usobuje znaˇcné chyby. Vˇsechny pouˇzité reflektory vykazuj´ı podobné trendy, pˇri rostouc´ım rozd´ılu teplot ve smyslu, ˇze záˇriˇc B (mˇeˇren´ y objekt) je teplejˇs´ı, neˇz záˇriˇc A klesá v´ yznam korekce a roste jej´ı chyba. Podle normy je tato korekce nutná pouze do rozd´ılu teplot menˇs´ım neˇz 20 K a mˇeˇren´ı potvrzuje takové tvrzen´ı, v opaˇcném pˇr´ıpadˇe naopak jej´ı v´ yznam roste. Z namˇeˇren´ ych hodnot také vypl´ yvá, ˇze odchylka korekce se u nové hlin´ıkové fólie pohybuje v pr˚ umˇeru na 46% a naopak u staré fólie je tato hodnota 82%. Mˇeˇren´ı pˇr´ımou metodou je nároˇcnˇejˇs´ı neˇz mˇeˇren´ı nepˇr´ımou metodou, protoˇze je nutné ˇ kameru v pr˚ pˇremist’ovat ICT ubˇehu mˇeˇren´ı. Dále norma neuvád´ı, jak´ y obraz má b´ yt pˇri mˇeˇren´ı zahrnut, napˇr´ıklad jestli se má uvaˇzovat pouze ˇca´st se zdrojem záˇren´ı nebo celá scéna. Proto byly pˇri mˇeˇren´ı zaznamenávány pr˚ umˇerné teploty obou oblast´ı a korekce prob´ıhala také pomoc´ı tˇechto dvou soubor˚ u dat. V´ ysledky a u ´ˇcinnost tˇechto korekc´ı jsou zobrazeny v grafech 6.7 a 6.8. Pr˚ umˇerná odchylka korekce pˇri pouˇzit´ı v´ yˇrezu obrazu, kter´ y zab´ırá pouze zdroj parazitn´ıho záˇren´ı je 87% a pro cel´ y obraz je tato odchylka pouze 23%. Je tedy zˇrejmé, ˇze se pˇri mˇeˇren´ı mus´ı zdánlivé odraˇzené teploty ve druhém kroku (obrázek 6.3) mus´ı uvaˇzovat cel´ y zábˇer kamery a ne pouze jeho v´ yˇrez. Porovnán´ım v´ ysledn´ ych korekc´ı s nejmenˇs´ı chybou dostaneme následuj´ıc´ı grafy 6.9 a 6.10. Z graf˚ u je patrné, ˇze pˇr´ımá metoda mˇeˇren´ı zdánlivé odraˇzené teploty je u ´ˇcinnˇejˇs´ı


44

pˇri pouˇzit´ı jej´ıch v´ ysledk˚ u pro korekci této chyby. ∆kH%L 100 80 Neprima metoda

60 40

Prima metoda 20

-40

20

-20

40

60

DTAB HKL

Obrázek 6.9: Porovnán´ı chyby korekce pˇr´ımé metody (korekce cel´ ym obrazem) a nepˇr´ımé metody (korekce Al reflektorem-nov´ ym)

∆TH%L

0.8 Neprima metoda

0.6 0.4

Prima metoda 0.2

-40

-20

20

40

60

DTAB HKL

Obrázek 6.10: Porovnán´ı chyby teploty pˇri pouˇzit´ı pˇr´ımé metody (korekce cel´ ym obrazem) a nepˇr´ımé metody (korekce Al reflektoremnov´ ym)

6.3

Mˇ eˇ ren´ı emisivity

ˇ kamerou dosahujeme vysoké pˇresnosti a citlivosti Mˇeˇren´ım povrchové teploty ICT na zmˇeny teploty. Pˇresnost je, mimo jiné, limitována pˇresnost´ı urˇcen´ı emisivity povrchu


45

mˇeˇreného tˇelesa. Jej´ı znalost je jednou ze základn´ıch podm´ınek správného mˇeˇren´ı. V´ıce o vlivech na pˇresnost mˇeˇren´ı je uvedeno v kapitole 4. V tomto mˇeˇren´ı byl vyuˇzit experimentáln´ı pˇr´ıpravek z pˇredchoz´ıch kapitol. Pouˇzity se následuj´ıc´ı povrchové u ´pravy: Nástˇrik tepelnˇe odoln´ ym sprejem, nalepen´ı izolaˇcn´ı pásky, nástˇriky tˇrech barev bˇeˇzného spreje (ˇcerná, zelená, ˇcervená).

6.3.1

Teorie

Moˇznost´ı, jak mˇeˇrit emisivitu, je nˇekolik. Mezi ty základn´ı patˇr´ı mˇeˇren´ı emisivity pomoc´ı dotykového teplomˇeru (kontaktn´ı metoda), upraven´ım mˇeˇreného povrchu tak. abychom znali jeho emisivitu (nálepka, nástˇrik sprejem - metoda vyuˇz´ıvaj´ıc´ı materiálu s referenˇcn´ı emisivitou). ˇ kamera, Potˇrebná technika a podm´ınky u vˇsech druh˚ u mˇeˇren´ı bude následuj´ıc´ı: ICT která je zkalibrovaná pro dané podm´ınky mˇeˇren´ı (podle relativn´ı vlhkosti okol´ı, teploty ˇ kamerou a hodnotou zdánlivé odraˇzené okol´ı, vzdálenosti mezi mˇeˇren´ ym objektem a ICT teploty) a je u n´ı moˇzné mˇenit hodnotu emisivity ε. Dále mus´ı b´ yt teplota mˇeˇreného objektu alespoˇ n o 20 ◦ C vyˇsˇs´ı nebo menˇs´ı od zdánlivé odraˇzené teploty zmˇeˇrené podle postupu v kapitole 6.2. U jednotliv´ ych metod budou pˇripsány pom˚ ucky potˇrebné k urˇcen´ı emisivity tˇemito metodami. Kontaktn´ı metoda U této metody je spolu s v´ yˇse vypsan´ ymi zaˇr´ızen´ımi nutn´ y dotykov´ y teplomˇer. Emisivita je urˇcena podle teploty namˇeˇrené teplomˇerem, jej´ı pˇresnost je, mimo jiné, limitována pˇresnost´ı mˇeˇren´ı teploty pouˇzitého teplomˇeru - m˚ uˇze b´ yt namˇeˇrena niˇzˇs´ı teplota neˇz skuteˇcná. V extrémn´ıch pˇr´ıpadech je moˇzné, aby v´ ysledná emisivita byla vyˇsˇs´ı neˇz 1. Proto je nutné na pˇresnost této metody pohl´ıˇzet s ohledem na kvalitu dotykového teplomˇeru. ˇ kameˇre bod nebo Pˇri splnˇen´ı podm´ınek, které jsou popsány v´ yˇse, se nastav´ı na ICT oblast mˇeˇren´ı, kde se bude zjiˇst’ovat emisivita. Ovˇsem z hlediska vlastnost´ı detektoru je mˇeˇren´ı pr˚ umˇerné teploty v malé oblasti pˇresnˇejˇs´ı neˇz mˇeˇren´ı pouhého bodu. Se zamˇeˇrenou kamerou se po celou dobu nijak nemanipuluje, aby nedoˇslo ke zmˇenˇe mˇeˇr´ıc´ıch podm´ınek. ˇ kamera, a poté Nejdˇr´ıve se zmˇeˇr´ı teplota v oblasti nebo v bodˇe, na kter´ y je zamˇeˇrena ICT ˇ kameˇre, tak aby teplota mˇeˇrená ICT ˇ kamerou byla s tepse upravuje emisivita v ICT lotou namˇeˇrenou dotykov´ ym teplomˇerem shodná. Norma dále doporuˇcuje, pro zv´ yˇsen´ı


46

pˇresnosti, mˇeˇren´ı alespoˇ n tˇrikrát opakovat a z v´ ysledk˚ u spoˇc´ıtat pr˚ umˇer. Referenˇ cn´ı metoda Mimo v´ yˇse sepsanou techniku je potˇreba upravit povrch mˇeˇreného objektu barvou nebo nálepkou se známou vysokou emisivitou. Pˇri pouˇzit´ı této metody je nebezpeˇc´ı, ˇze u ´pravou povrchu m˚ uˇze doj´ıt ke zmˇenˇe povrchové teploty upravené ˇcásti objektu, takˇze v´ ysledné mˇeˇren´ı bude zat´ıˇzeno systematickou chybou. Proto je nutné, aby povrchová u ´prava takov´ y vliv nemˇela. Mˇeˇren´ı prob´ıhá podobnˇe jako v pˇredchoz´ım pˇr´ıpadˇe. Kamera se zaostˇr´ı na oblast mˇeˇreného objektu, vykompenzuje se zdánlivá odraˇzená teplota a ostatn´ı parametry prostˇred´ı. Povrch v bezprostˇredn´ı bl´ızkosti vybrané oblasti nebo pˇr´ımo jej´ı ˇca´st, se uprav´ı jedn´ım ˇ kamery se zamˇeˇr´ı na toto m´ısto. V softz v´ yˇse popsan´ ych zp˚ usob˚ u a mˇeˇr´ıc´ı oblast ICT waru kamery se nastav´ı známá emisivita povrchu a po ustálen´ı teploty upravené ˇcásti objektu se odeˇcte teplota. Poté se mˇeˇr´ıc´ı oblast zmˇen´ı na neupravenou ˇca´st povrchu, bl´ızkou upravenému povrchu nebo se u ´prava odstran´ı. Dále se emisivita mˇen´ı tak, aby teplota zmˇeˇrená v pˇredchoz´ım kroku byla shodná s teplotou odeˇctenou nyn´ı. Norma opˇet doporuˇcuje provést mˇeˇren´ı alespoˇ n tˇrikrát a z hodnot spoˇc´ıtat pr˚ umˇer, kv˚ uli zv´ yˇsen´ı pˇresnosti. Dalˇ s´ı moˇ znosti mˇ eˇ ren´ı V této práci nebyly dalˇs´ı moˇznosti mˇeˇren´ı emisivity vyuˇzity, ale pro u ´plnost budou nˇekteré zm´ınˇeny. • Pˇri mˇeˇren´ı tˇeles, které jsou dostateˇcnˇe velké, je moˇzné vytvoˇrit model ˇcerného tˇelesa pˇr´ımo v jejich povrchu. Jedná se o vrt do hloubky ˇsesti násobku jeho pr˚ umˇeru. Je nutné, aby masa materiálu byla taková, ˇze tato u ´prava v´ yraznˇe neovlivn´ı rozloˇzen´ı teploty v jeho okol´ı a vnitˇrn´ı povrch vrtu bude m´ıt homogenn´ı teplotu. Takov´ y model má emisivitu 0, 99 a dále se pˇri mˇeˇren´ı postupuje obdobnˇe jako pˇri pouˇzit´ı referenˇcn´ı metody. Nev´ yhodou tohoto postupu je nevratné poˇskozen´ı povrchu zkoumaného tˇelesa. • Pˇresnˇe lze mˇeˇrit emisivitu pomoc´ı pˇr´ıstroje, kter´ y pouˇz´ıvá dvou laser˚ u o r˚ uzné vlnové délce. Anal´ yzou intenzity odraˇzeného záˇren´ı (známe intenzitu dopadaj´ıc´ıho záˇren´ı) m˚ uˇzeme pomoc´ı Kirchhoffova a Planckova zákona dopoˇc´ıtat emisivitu mˇeˇreného povrchu.


47

• Literatura se také zmiˇ nuje o moˇznosti mˇeˇren´ı emisivity jako funkce tepelného toku procházej´ıc´ıho destiˇckou z mˇeˇreného materiálu. Anglicky se naz´ yvá HEAT FLUX” BASED EMISSIVITY MEASUREMENT“ a podrobnˇe je popsána v [11].

6.3.2

Namˇ eˇ ren´ e hodnoty

Mˇeˇren´ı prob´ıhalo ve dvou fáz´ıch a byla pouˇzita pouze dotyková metoda, protoˇze nebyl nalezen vhodn´ y materiál pro referenˇcn´ı metodu. Nejprve byl namˇeˇren nástˇrik ˇza´ruvzdorn´ ym sprejem a polepen´ı izolaˇcn´ı páskou: Izolaˇ cn´ı p´ aska T (◦ C)

ε−

ε+

ˇ aruvzdorn´ Z´ yˇ cern´ y sprej T (◦ C)

ε−

ε+

34,4

0,94 0,95

34,7

0,93

0,94

38,3

0,96 0,98

38,7

0,95

0,97

44,6

0,95 0,96

44,7

0,95

0,96

50,8

0,94 0,95

51,6

0,92

0,93

57,1

0,96 0,97

57,6

0,95

0,96

61,7

0,96 0,97

62,2

0,96

0,97

65,8

0,96 0,97

66,8

0,95

0,96

72,9

0,95 0,96

73,4

0,93

0,94

79,1

0,95 0,96

80,1

0,93

0,94

83,4

0,97 0,98

85,9

0,94

0,95

90,7

0,97 0,98

93,2

0,94

0,94

Tabulka 6.1: Tabulka namˇeˇren´ ych hodnot, povrchová u ´prava: sprej ˇcern´ y (ˇzáruvzdorn´ y), izolaˇcn´ı páska (b´ılá)

V druhé fázi byly zmˇeˇreny nástˇriky spreji o stejném sloˇzen´ı, ale r˚ uzn´ ych barvách:


48

ˇ Cern´ a barva

Zelen´ a barva

ˇ Cerven´ a barva

T (◦ C)

ε−

ε+

T (◦ C)

ε−

ε+

T (◦ C)

ε−

ε+

28,5

0,83

0,85

28,5

0,69

0,73

28,5

0,69

0,71

33,5

0,9

0,92

33,5

0,81

0,83

33,5

0,73

0,74

37,8

0,91

0,92

37,8

0,83

0,84

37,8

0,83

0,84

41,5

0,92

0,93

41,5

0,85

0,86

41,5

0,85

0,87

45,3

0,94

0,95

45,3

0,87

0,88

45,3

0,87

0,88

50,6

0,94

0,95

50,6

0,87

0,88

50,6

0,87

0,88

57,6

0,94

0,95

57,6

0,87

0,88

57,3

0,88

0,89

64,2

0,94

0,95

64,6

0,87

0,88

64,1

0,87

0,88

70,5

0,94

0,95

70,5

0,87

0,88

70

0,88

0,89

78,7

0,94

0,95

78,7

0,87

0,88

78

0,87

0,88

86,3

0,94

0,95

85,6

0,9

0,9

86

0,88

0,89

Tabulka 6.2: Tabulka namˇeˇren´ ych hodnot, povrchová u ´prava: sprej (bˇeˇzn´ y - ˇcern´ y, ˇcerven´ y matn´ y, zelen´ y leskl´ y)

6.3.3

Vyhodnocen´ı

Pˇri tomto mˇeˇren´ı je d˚ uleˇzité pˇresnˇe odeˇc´ıst teplotu povrchu a zajistit, aby v okol´ı nebyly ˇza´dné tepelné zdroje nebo je alespoˇ n po dobu mˇeˇren´ı zast´ınit. Mˇeˇren´ı mj. ovlivn´ı pˇr´ıtomné osoby, proto je d˚ uleˇzité pohybovat se v pr˚ ubˇehu mˇeˇren´ı tak, aby se tˇelesné teplo ˇ kamery. neodráˇzelo od zkoumaného objektu do ICT Z grafu 6.11 je patrné, ˇze pˇri n´ızk´ ych teplotách mˇeˇreného tˇelesa (teplota tˇelesa nen´ı o 20 K vyˇsˇs´ı neˇz okoln´ı prostˇred´ı) je u povrch˚ u s niˇzˇs´ı emisivitou (ε < 0, 9) vysok´ y vliv zdánlivé odraˇzené teploty, a tak se emisivita jev´ı menˇs´ı neˇz ve skuteˇcnosti.

6.4

Vliv rozostˇ ren´ı kamery na pr˚ umˇ ernou teplotu

Správné zaostˇren´ı mˇeˇreného objektu je podobnˇe d˚ uleˇzité jako u fotografie. Nav´ıc pˇri ˇ kamerou je motivac´ı jeho kontrola nebo prevence mˇeˇren´ı povrchové teploty objektu ICT poruch, proto je nutné do sn´ımku zahrnout maximum informac´ı. Pˇri správném zaostˇren´ı objektu, nebo jeho sn´ımané ˇca´sti, je d˚ uleˇzité, aby obraz, prom´ıtaj´ıc´ı se pˇres optick´ y systém


49

¶H1L 0.95

Cerna zaruvzdorna

0.90

Izolacni paska

0.85

Cerna Zelena

0.80

Cervena

0.75 40

50

60

70

80

90

TH C L

Obrázek 6.11: Pr˚ ubˇeh emisivit r˚ uzn´ ych barev povrchu v závislosti na jejich teplotˇe

zobrazoval na senzoru záˇren´ı ostr´ y“. Pokud je zaostˇren´ı chybné, m˚ uˇze b´ yt zaostˇreno pˇred ” nebo za objekt, obraz na senzoru neodpov´ıdá skuteˇcnosti a je rozmazan´ y. V takovém pˇr´ıpadˇe se záˇren´ı z jednoho bodu nespojuje v rovinˇe detektoru, ale je rozpt´ yleno po vˇetˇs´ı ploˇse, takˇze se ztrác´ı informace o intenzitˇe záˇren´ı tohoto bodu. T´ım pádem je moˇzné, ˇze ˇ kamery v˚ pˇri sn´ımán´ı objektu se zmˇeny teplotn´ıho pole na obraze ICT ubec neprojev´ı nebo jen v malé m´ıˇre. Toto bude m´ıt také vliv na mˇeˇren´ı pr˚ umˇerné teploty ve vybrané oblasti, nezaostˇren´ y obraz se nebude správnˇe prom´ıtat na detektor záˇren´ı a oblast mˇeˇren´ı nebude moˇzné správnˇe vymezit, takˇze odeˇcet pr˚ umˇerné teploty v mˇeˇrené oblasti bude nepˇresn´ y. Z obrázk˚ u je patrné, ˇze vliv na mˇeˇren´ı pr˚ umˇerné teploty urˇcité oblasti má rozostˇren´ı pouze, je-li tato oblast ohraniˇcená, napˇr´ıklad povrchem s jinou emisivitou, tvarem pˇredmˇetu nebo povrchy s rozd´ılnou teplotou. Pˇri sn´ımán´ı vˇetˇs´ı plochy s témˇeˇr homogenn´ı teplotou, je vliv ˇspatného ostˇren´ı neznateln´ y. Naopak pˇri mˇeˇren´ı ohraniˇcené oblasti je vliv rozostˇren´ı znaˇcn´ y, jak je vidˇet na hodnotách pr˚ umˇerné teploty v mˇeˇrené oblasti (obrázek 6.12).


Obrázek 6.12: Porovnán´ı r˚ uznˇe zaostˇren´ ych termogram˚ u, ve sloupci A jsou zaostˇrené obrazy, B zaostˇreno pˇred objekt a C zaostˇreno za objekt

50

Kapitola 7 Mˇ eˇ ren´ı B C´ılem této kapitoly bylo stanovit emisivitu venkovn´ıch nadzemn´ıch vodiˇc˚ u. Ty je moˇzné rozdˇelit na dvˇe základn´ı skupiny: izolované a neizolované. Izolované vodiˇce nacházej´ı vyuˇzit´ı pˇredevˇs´ım v oblastech, kde je vyˇsˇs´ı riziko styku vodiˇce s neˇziv´ ymi ˇca´stmi nebo mezi sebou, napˇr´ıklad kv˚ uli podrostu nebo okoln´ım konstrukc´ım. Toto ˇreˇsen´ı je bˇeˇzné zejména u napˇet’ové hladiny n´ızkého napˇet´ı. Pro vyˇsˇs´ı napˇet’ové hladiny se u nadzemn´ıch veden´ı nepouˇz´ıvaj´ı. Neizolované vodiˇce se pouˇz´ıvaj´ı od hladiny n´ızkého napˇet´ı aˇz po napˇet´ı zvláˇstˇe vysoké.

7.1

Pouˇ zit´ e pˇ r´ıstroje

Pˇri mˇeˇren´ı byly pouˇzity následuj´ıc´ı pˇr´ıstroje: • dotykov´ y teplomˇer TESTO 905-T2, • dálkomˇer BOSCH DLE 70 Professional, • vlhkomˇer a teplomˇer EXTECH instruments FLIR M0297, ˇ kamera FLIR T335, • ICT • laboratorn´ı zdroj Manson SDP2603.

51

ˇ REN ˇ Í B KAPITOLA 7. ME

7.2

52

Popis experimentu

Pro mˇeˇren´ı bylo nutné vzorky vodiˇc˚ u zahˇr´ıvat na takovou teplotu, aby se sn´ıˇzil vliv zdánlivé odraˇzené teploty, to znamená na teplotu alespoˇ n o 20 ◦ C vyˇsˇs´ı. Protoˇze se jednalo o vzorky s vysokou elektrickou vodivost´ı a velkém pr˚ uˇrezu, nebylo vhodné je zahˇr´ıvat pˇr´ım´ ym pr˚ uchodem proudu, proto byl zvolen nepˇr´ım´ y ohˇrev. Na vzorek (vodiˇc) byl navinut topn´ y vodiˇc, jedná se odporov´ y drát z konstantanu izolovan´ y silikonovou buˇz´ırkou1 , pˇripojen´ y na zdroj stejnosmˇerného napˇet´ı. Délka drátu byla volena, podle pr˚ uˇrezu vodiˇce, mezi 1 m nebo 2 m. Topné vinut´ı bylo rozprostˇrené po délce vzorku kromˇe stˇredn´ı ˇcásti, ve které byl ponechán 5 cm ˇsirok´ y prostor pro mˇeˇren´ı.

Obrázek 7.1: Schéma zapojen´ı

Pˇri mˇeˇren´ı byly pouˇzity tˇri vzorky vodiˇc˚ u: ˇ e republice nejˇcastˇeji pouˇz´ıvan´ AlFe lano je v Cesk´ ym typem nadzemn´ıho vodiˇce. Jedná se o jednoduch´ y koncept, u kterého je nosná ˇcást (Fe lano) opleteno vodivou ˇca´st´ı (Al lano). AAAC lano je nˇekter´ ych zem´ıch (napˇr. Francie) standardnˇe pouˇz´ıvané, ale vˇetˇsinou se vyuˇz´ıvá pro speciáln´ı aplikace. Celohlin´ıkové lano (anglick´ y název: All Aluminium 1

v´ yhodnou vlastnost´ı silikonu je jeho stálost i pˇri provozn´ıch teplotách nad 200 ◦ C (krátkodobˇe aˇz

◦

320 C)


53

Alloy Conductor), nejedná se o ˇcist´ y hlin´ık, ale z jeho slitiny (ˇcast´ ymi pˇr´ımˇesemi b´ yvá kˇrem´ık a magnesium), jeho v´ yhodou je n´ızká hmotnost pˇri zachován´ı srovnateln´ ych elektrick´ ych vlastnost´ı jako u AlFe lan. AlFe vodiˇ c je odliˇsn´ y od pˇredchoz´ıch vzork˚ u pˇredevˇs´ım t´ım, ˇze se nejedná o lano. Tento vodiˇc se pouˇz´ıvá na hladinˇe vysokého napˇet´ı, patˇr´ı do skupiny vodiˇc˚ u s vysokou pro◦ vozn´ı teplotou (v´ıce neˇz 150 C) a je vlastnˇe alternativou k veden´ı na vyˇsˇs´ı napˇet’ové hladinˇe. Jeho nev´ yhodou jsou Jouleovy ztráty, které rostou s teplotou, ˇcili s teplotou rostou také provozn´ı náklady. Vodiˇc se skládá z ocelové trubky, nosná ˇca´st (pˇreb´ırá veˇskeré mechanické namáhán´ı), na které je navinut hlin´ıkov´ y vodiˇc (tvoˇr´ı hladk´ y povrch - jednotlivé dráty do sebe zapadaj´ı). ˇ kamera byla zamˇeˇrena na vzorek tak, aby Uspoˇrádán´ı mˇeˇren´ı bylo takovéto: ICT stˇredn´ı ˇcást vzorku s prostorem pro mˇeˇren´ı byla ve stˇredu zábˇeru. Dále byla zvolena oblast mˇeˇren´ı teploty, která pokr´ yvá stˇred vzorku. Emisivita byla zjiˇstˇena pomoc´ı kontaktn´ı metody popsané v kapitole 6.3.1. Pˇri mˇeˇren´ı se teplota odeˇc´ıtala dotykov´ ym teplomˇerem a bezprostˇrednˇe poté byl uloˇzen termogram vzorku. Po mˇeˇren´ı bylo moˇzné vyhodnotit termogramy v programu FLIR QuickReport, kde je moˇzné dodateˇcnˇe mˇenit parametry mˇeˇren´ı, mimo jiné také emisivitu. Nastavován´ım jej´ı hodnoty se pˇrepoˇc´ıtává pr˚ umˇerná teplota v mˇeˇrené oblasti a pˇri správném nastaven´ı emisivity se shoduje s teplotou zaznamenanou pomoc´ı dotykového teplomˇeru.

Obrázek 7.2: Termogram zahˇrátého vodiˇce, emisivita nastavena na 1


7.3

54

Namˇ eˇ ren´ e hodnoty AAAC-lano

Al-Fe lano

Al-Fe vodiˇ c

T (◦ C)

ε(1)

T (◦ C)

ε(1)

T (◦ C)

ε(1)

118,9

0,18

113

0,24

117,4

0,095

108,9

0,2

111,5

0,248

129

0,083

93,2

0,225

106,2

0,28

117,1

0,091

84,5

0,217

100,8

0,26

111,7

0,096

76,5

0,21

94,5

0,27

98,5

0,106

69,4

0,212

89

0,27

89,9

0,11

63,4

0,198

82,9

0,273

80

0,11

56,1

0,193

77,6

0,305

72,8

0,101

46

0,15

71,7

0,265

61,2

0,095

40,4

0,09

68,7

0,255

55,3

0,06

62,6

0,245

49,9

0,035

56,7

0,234

45,1

0,01

48,4

0,225

40,8

0,001

44,2

0,175

39,8

0,135

Tabulka 7.1: Tabulka namˇeˇren´ ych hodnot

7.4

Vyhodnocen´ı

Emisivity jednotliv´ ych vodiˇc˚ u jsou silnˇe závislé na teplotˇe, ale tvar v´ ysledn´ ych kˇrivek je u vˇsech vodiˇc˚ u podobn´ y. Jejich posun na ose y je zp˚ usoben povrchov´ ym uspoˇra´dán´ım vodiˇce. Malé mezery mezi jednotliv´ ymi dráty na povrchu vodiˇce se do urˇcité m´ıry chovaj´ı jako ˇcerné tˇeleso, a tak zvyˇsuj´ı emisivitu hlin´ıku, která je jinak velice n´ızká. Proto je emisivita AlFe lana nejvyˇsˇs´ı a emisivita AlFe vodiˇce s hladk´ ym povrchem nejniˇzˇs´ı. Bˇehem mˇeˇren´ı bylo d˚ uleˇzité zajistit minimáln´ı vliv okoln´ıch tepeln´ ych zdroj˚ u, protoˇze emisivita hlin´ıku je n´ızká, a to zvyˇsuje vliv zdánlivé odraˇzené teploty.


55

¶H1L 0.30 0.25 0.20 AAAC lano 0.15 AlFe lano 0.10

AlFe vodic

0.05

60

80

100

120

TH C L

Obrázek 7.3: Emisivita jednotliv´ ych vodiˇc˚ u v závislosti na teplotˇe

Kapitola 8 Z´ avˇ er Bezdotykové mˇeˇren´ı teploty je zaloˇzeno na skuteˇcnosti, ˇze vˇsechna tˇelesa s teplotou ˇ kavyˇsˇs´ı neˇz absolutn´ı nula (−273, 15 ◦ C) jsou zdrojem elektromagnetického záˇren´ı. ICT ˇ záˇren´ı v oblastech atmosférick´ mery sn´ımaj´ı IC ych oken, coˇz jsou intervaly vlnov´ ych délek, ve kter´ ych je minimáln´ı u ´tlum záˇren´ı zp˚ usoben´ y atmosférou. Bˇeˇznˇe se pouˇz´ıvaj´ı dvˇe atmosférická okna, která jsou v intervalech vlnov´ ych délek λ = 3, 5 µm aˇz 5 µm a λ = 8 µm aˇz 14 µm. Ze zmˇeˇrené energie záˇren´ı v dan´ ych rozsaz´ıch vlnov´ ych délek lze urˇcit teplotu povrchu, ze kterého záˇren´ı pocház´ı. Pˇri bezdotykovém mˇeˇren´ı teploty se v praxi setkáváme nejˇcastˇeji s tˇemito tˇremi zdroji nejistot: 1) nejistota stanoven´ı emisivity, 2) vlastn´ı vyzaˇrován´ı a u ´tlum atmosféry, 3) vyzaˇrován´ı okoln´ıch tˇeles, které se odráˇz´ı od povrchu mˇeˇreného objektu (tzv. zdánlivá odraˇzená teplota). V práci je popsáno, jak lze korigovat vliv tˇechto zdroj˚ u nejistot. Emisivita je závislá na mnoha faktorech. Proto je pro pˇresné mˇeˇren´ı vhodné, na m´ısto pouˇzit´ı tabulkov´ ych hodnot, jej´ı stanoven´ı pro konkrétn´ı situaci. Napˇr´ıklad jednou z metod popsan´ ych v této práci. S vlivem atmosféry se lze vyrovnat mˇeˇren´ım jej´ı teploty ˇ kamerou a mˇeˇren´ a relativn´ı vlhkosti za souˇcasného urˇcen´ı vzdálenosti mezi ICT ym objektem, ze které se urˇcuje mohutnost (tlouˇst’ka) atmosféry mezi tˇemito objekty. V práci jsou také popsány metody, které pomáhaj´ı korigovat vliv záˇren´ı okoln´ıch tˇeles (jejichˇz tepelné záˇren´ı se odráˇz´ı od povrchu mˇeˇreného objektu) stanoven´ım zdánlivé odraˇzené teploty. V rámci diplomové práce bylo navrˇzeno experimentáln´ı uspoˇrádán´ı pro mˇeˇren´ı zdánlivé odraˇzené teploty s pouˇzit´ım topidel (nastavitelné zdroje tepelného záˇren´ı) vlastn´ı konˇ kamerou s citlivost´ı strukce. Teplotn´ı stabilita topidel byla ovˇeˇrena kalibrovanou ICT 0, 05 K a pohybovala se v rozsahu ±0, 15 K. Pˇri mˇeˇren´ı zdánlivé odraˇzené teploty se poˇ stupovalo podle normy CSN ISO 18434-1 [6], která popisuje dvˇe moˇzné metody (pˇr´ımá 56

´ ER ˇ KAPITOLA 8. ZAV

57

a nepˇr´ımá metoda). Obˇe byly experimentálnˇe ovˇeˇreny. ˇ kamerou, která Nepˇr´ımá metoda mˇeˇren´ı má v´ yhodu v nenároˇcnosti manipulace s ICT je v pr˚ ubˇehu mˇeˇren´ı um´ıstˇena v jedné pozici. Nev´ yhodou je n´ızká schopnost korigovat chybu mˇeˇren´ı, které je nav´ıc závislá na volbˇe vhodného reflektoru. Tato metoda ˇ kameru sniˇzovala chybu mˇeˇren´ı v pr˚ umˇeru o 54%. Pˇri pouˇzit´ı pˇr´ımé metody je nutné ICT pˇremist’ovat, aby bylo moˇzné zmˇeˇrit teplotu ostatn´ıch zdroj˚ u záˇren´ı. Norma neˇr´ıká jakou ˇca´st obrazu je nutné pouˇz´ıt a neuvaˇzuje vliv pouˇzitého objektivu, pro správné urˇcen´ı jej´ı velikosti. Nejvˇetˇs´ıho sn´ıˇzen´ı chyby bylo dosaˇzeno (v pr˚ umˇeru o 77%), kdyˇz za mˇeˇrenou ˇ kamerou a zdánlivá odraˇzená teplota byla oblast byl zvolen cel´ y obraz sn´ıman´ y ICT stanovena jako pr˚ umˇerná teplota této oblasti. Pro mˇeˇren´ı emisivity vodiˇc˚ u jsme se omezili na neizolované vodiˇce venkovn´ıho veden´ı, z nichˇz jsme vybrali tˇri vzorky. Kaˇzd´ y vzorek byl opatˇren topn´ ym drátem, kter´ y zajistil ohˇrev vzorku aˇz na 120 ◦ C. T´ım se zajistil dostateˇcn´ y odstup od teploty okol´ı, aby se minimalizoval vliv jeho tepelného záˇren´ı. Na vzorku byla vyhrazena oblast na kterou se ˇ kamera, která zahrnovala jak plochy hlin´ıkov´ zamˇeˇrila ICT ych drát˚ u, tak i mezery mezi nimi. Ty se v urˇcitém smyslu chovaly jako modely ˇcerného tˇelesa a vykazovaly vysokou emisivitu. V´ ysledná, tj. zpr˚ umˇerovaná, emisivita je tedy ovlivnˇena tepeln´ ym záˇren´ım z mezer mezi jednotliv´ ymi vodiˇci lana a nen´ı stejná jako emisivita materiálu z nichˇz jsou vodiˇce vyrobeny. Z namˇeˇren´ ych hodnot vypl´ yvá, ˇze emisivita vzork˚ u je teplotnˇe závislá. Pˇri n´ızk´ ych teplotách byl také patrn´ y vliv tepelného záˇren´ı okoln´ıch objekt˚ u.

Literatura [1] MINKINA, Waldemar a Sebastian DUDZIK. Infrared thermography: errors and uncertainties Hoboken, NJ: J. Wiley, c2009, 192 s. ISBN 978-047-0747-186. ¨ [2] VOLLMER, Michael a Klaus-Peter MOLLMANN. Infrared thermal imaging: fundamentals, research and applications. Weinheim: Wiley-VCH, c2010, 593 s. ISBN 35-274-0717-0 [3] M.A.MICHEJEV. Základy sd´ılan´ı tepla. Praha: Pr˚ umyslové vydavatelstv´ı, 1952. [4] KIESSLING, Friedrich. Overhead power lines: planning, design, construction. New York: Springer, 2003, 759 s. ISBN 35-400-0297-9. [5] SMETANA, Jaroslav Ing. Emisivita: pot´ıˇz pˇresného radiometrického mˇeˇren´ı. Metrologie [online]. 2009, roˇc. 2009(ˇc. 3), 2 [cit. 2012-02-07]. Dostupné z: http://www.blue-panther.cz/emisivita ˇ [6] CSN ISO 18434-1. Monitorov´ an´ı stavu a diagnostika stroj˚ u: Termografie. Prvn´ı ´ rad pro technickou normalizaci, metrologii a státn´ı zkuˇsebnictv´ı, vydán´ı. Praha: Uˇ 2009 ˇ A, ´ Ludmila a Ing. STRAKA, Milan. Elek[7] Ing. PAUL, Miroslav, Ing. PETRSOV ˇ e Vysoké Uˇcen´ı technické v Praze, trotepelná technika: cviˇcen´ı. dotisk. Praha: Cesk´ 1989. ˇ CKA, ˇ [8] Ing. VAVRI Roman. Bezdotykové mˇeˇren´ı teploty. [online]. 2007, s. 6 [cit. 201204-30]. Dostupné z: http://utp.fs.cvut.cz/vz/clanky/104.pdf [9] Ing. KRUMPHANZL, Jiˇr´ı. Optimalizace záˇrivého pˇrenosu tepla v elektrotepelné techˇ nice. Praha, 2005. Disertaˇcn´ı práce. CVUT v Praze. Vedouc´ı práce Doc. Dr. Ing. Jan Kyncl.

58

LITERATURA

59

[10] R. WESTERVELT. JASON. Imaging Infrared Detectors II [online]. [cit. 2012-05-03]. Dostupné z: http://www.fas.org/irp/agency/dod/jason/iird.pdf [11] S. MOGHADDAM, J. LAWLER, C. MCCAFFERY, AND J. KIM. Heat Flux-Based Emissivity Measurement. In: AIP conference proceedings. 2005, s. 6. [12] KWONG-KIT CHOI AND JHABVALA, M.D. AND FORRAI, D.P. AND WACZYNSKI, A. AND SUN, J. AND JONES, R. Electromagnetic Modeling of Quantum Well Infrared Photodetectors. In: IEEE Journal of Quantum Electronics. The United States: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2011, s. 10. [13] Kirchhoff ’s law and Spectral lines. [online]. [cit. 2012-05-09]. Dostupné z: http://crab0.astr.nthu.edu.tw/~hchang/ga1/ch05-03.htm [14] Infrared window. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-2012 [cit. 2012-05-09]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_window ´ CEK, ˇ [15] Princip termografického mˇeˇren´ı. VOJA Anton´ın. [online]. [cit. 2012-0510]. Dostupné z: http://www.termokamera.cz/index.php?option=com_content& task=view&id=4&Itemid=9 [16] About Electro-optic Sensor Design. [online]. [cit. 2012-05-10]. Dostupné z: http://www.eosd.com.au/

Pˇ r´ıloha A Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD • DP LaTeX: zdrojov´ y kód diplomové práce • Model: zdrojov´ y kód v´ ypoˇct˚ u pouˇzit´ ych k modelován´ı topidla • Dokumentace: dokumentace pouˇzit´ ych konstrukˇcn´ıch ˇca´st´ı topidla (OZ 1458, tranzistor TIP120 a termistor KTY81) • Termostat: soubory desky ploˇsného spoje termostatu • Teorie: vyobrazen´ı základn´ıch fyzikáln´ıch zákon˚ u pouˇzit´ ych v této práci • Namˇ eˇ ren´ a data: data z mˇeˇren´ı ve formátu .xlsx a jejich zpracován´ı v programu Wolfram Mathematica

I

Fakulta elektrotechnická. Termografie v elektroenergetice

Recommend Documents