Ing. Václav Rada, CSc

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb

Teorie měření a regulace emisivní - 2

18-2p. ZS – 2015/2016

© 2015 - Ing. Václav Rada, CSc.

T- MaR

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY

Přímé pokračování - 2. díl o emisivních principech A

© VR - ZS 2010/2011

snímačů …………

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOGRAFIE Bezkontaktní měření intenzity infračerveného záření na povrchu 10 ºC předmětů

0 ºC

-5 ºC © VR - ZS 2009/2010

T- MaR

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOGRAFIE snímkování za chladného počasí - dům delší dobu dobře vytápěn - nejlepší měření je při max. rozdílu vnitřní a venkovní teploty ideální venkovní teplota je do +5 °C a méně.

© VR - ZS 2015/2016

T- MaR


MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOGRAFIE Něco trošku z praktických poznatků a informací

Učebna E624 – čelní rohové okno vpravo nahoře – červen, cca půl 11 dopoledne – venkovní teplota cca 25 oC, slunečno © VR - ZS 2010/2011

T- MaR


MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOGRAFIE

T- MaR


30 ºC

0 ºC

-5 ºC

křivka teploty v místě vloženého řezu © VR - ZS 2009/2010


© VR - ZS 2015/2016

T- MaR



T- MaR


TERMOGRAFIE

Až do poloviny 20 století byla termografie využívána výhradně armádou. V 60. letech byly zrušeny bezpečnostní předpisy a termografie se začala používat v civilním sektoru Největší využití začalo v USA, pak se rozšířilo do technicky vyspělého „zbytku“ světa – a konečně i k nám. Takto to začínalo

…. a toto jsou ze současnosti © VR - ZS 2009/2010


T- MaR


Ve viditelném spektru se odraz energie neprojevuje

V IČ spektru se odraz energie okolních předmětů může projevit změnou povrchové teploty © VR - ZS 2009/2010


Zjišťování „neviditelných“ stop – zachovají se po dobu, než stopy doslova vychladnou (přestanou zářit, protože se jejich teplota srovnala s teplotou podložky).

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


T- MaR



TERMOGRAFIE Existující tabulky emisivit povrchů jsou pouze orientační

e = 0,50, O.E.=20 °C t = 50,2 °C 50 ºC

e = 0,95, O.E.= 20 °C t = 36,8 °C

10 ºC

50 ºC

Chybně 10 ºC

Správně e = 0,50, O.E.=24 °C t = 30,0 °C © VR - ZS 2015/2016

50 ºC

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOGRAFIE závady na fotovoltaických článcích

© VR - ZS 2015/2016

T- MaR


MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY TERMOGRAFIE termokamerou lze zjišťovat i místa, kde teplota je výrazně nižší a při zvýšené vlhkosti může být potencionálním místem vzniku plísní.

© VR - ZS 2015/2016

T- MaR



T- MaR

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ Jeden z hlavních – a prakticky nejdůležitější z provozních parametrů, které je nutno respektovat, znát a na kameře nastavit – je emisivita tělesa. Ideálně černé těleso má emisivitu 1, lesklá tělesa mají emisivitu velmi malou (až 0,1). Malá emisivita tělesa většinou znamená menší přesnost měření do měřeného zářivého toku tělesa totiž může značným způsobem vstoupit zdánlivá odražená teplota, která ovlivňuje naměřený výsledek.

© VR - ZS 2012/2013


T- MaR

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ Termovizní snímky mohou být radiometrické a neradiometrické (pouze zobrazující). Radiometrické termovizní systémy umožní vypočítat teplotu na povrchu tělesa – základem pro výpočet je množství snímaného infračerveného zářivého toku. V plně radiometrickém termogramu lze provádět měření teplot a upravit parametry snímku i po jeho uložení.

© VR - ZS 2012/2013


T- MaR

EMISIVNÍ - RADIAČNÍ Na naměřenou hodnotu v bodě má vliv velikost obrazového bodu snímače – bude li velikost obrazového bodu větší než měřený objekt, pak bude výsledek měření ovlivněn okolím měřeného objektu – nutno uvažovat vliv použité optiky. Rozlišení detektoru u nejlevnějších kamer je asi 80x80 obrazových bodů (pixelů) – největší je „full HD“.

Dalším důležitým parametrem je teplotní citlivost, která u dobrých kamer může dosahovat až 50 mK (rozliší rozdíl teplot od 0,05°C).

© VR - ZS 2012/2013


T- MaR


Snímače v termovizních kamerách jsou založeny na jiném principu než v systémech pro snímání obrazu – pro snímkování v průmyslovém i normálním „domácím“ použití: infra-termočlánky pyroelektrické snímače - detektory fotonové snímače.

© VR - ZS 2015/2016


Bolometr

T- MaR


Princip bolometrického detektoru infračerveného záření je znám od 80. let 19. století - princip činnosti je jednoduchý, vzdáleně podobný kovovým odporovým senzorům teploty. Elektrický odpor bolometru se mění v závislosti na jeho teplotě – na dopadajícím tepelném záření - závisí na množství absorbovaného dopadajícího infračerveného záření. Množství dopadajícího záření je určeno ze změň odporu bolometru. Aby byla změna teploty bolometru úměrná pouze absorbovanému infračervenému záření, musí být vlastní bolometr tepelně izolován od svého okolí a nesmí přijímat sekundární emise a odrazy © VR - ZS 2015/2016

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Bolometr

T- MaR


Citlivé zařízení pro měření celkového toku záření ve všech vlnových délkách - funkce je založena na teplotní změně vodivosti obvykle platinového nebo zlatého proužku – kterým prochází slabý proud, měřený galvanometrem - existuje řada různých druhů bolometrů založených na stejném principu. . Záření pohlcené proužkem zvýší jeho teplotu, sníží tak jeho elektrický odpor a zvýší měřený proud – proto mnohdy si čidlo vyžaduje samostatné chlazení. Údaj galvanometru je mírou celkového dopadajícího toku tepelného (infračerveného) záření.

© VR - ZS 2015/2016


T- MaR


Bolometrické čidlo se obvykle jako vhodně tvarovaný tenký pásek z čistého kovu (Platina) - moderní konstrukce mají namísto kovového pásku termistor. Typické materiály používané pro absorpční odporové vrstvy bolometrů jsou oxidy vanadu - například oxid vanadičitý VO2 - naprosto odlišný materiál pro odporovou vrstvu je amorfní křemík. Od vedlejších rušivých vlivů (ztráty konvekcí) se bolometr izoluje vakuovým pouzdrem.

© VR - ZS 2015/2016


T- MaR


Supravodivý bolometr má místo platinového proužku nitrid niobu chlazený tekutým vodíkem - odpor s teplotou prudce klesá a nitrid se při teplotě 14,34 - 13,38 K stává supravodivým – následkem toho i při malé změně teploty dochází k velké změně vodivosti. Bolometr je zvláště užitečný pro měření v infračerveném a submilimetrovém oboru spektra. V astronomii ve spojení s dalekohledem se užívá k měření celkového záření hvězd a tepelného záření planet i jejich měsíců.

© VR - ZS 2015/2016


T- MaR


Bolometr z řeckého bole: paprsek měří celkový vyzářený tepelný výkon prostřednictvím infračerveného záření je to citlivý prvek určený pro měření slabého záření založený na odporu s vysokým teplotním koeficientem dneska se vyskytují v podobě integrovaných obvodů obsahující uspořádání několika desítek, stovek nebo i tisíců bolometrů do matice, obecně označované jako mikrobolometry.

© VR - ZS 2015/2016


T- MaR


Pohlcováním dopadajícího záření se mění odpor bolometru, na základě čehož se vypočítá množství pohlcené energie. Bolometr je vhodný pro velmi přesné měření teploty. Hlavní dnešní použití je v termo-kamerách sloužících pro bezdotykové (bezkontaktní) měření teploty na povrchu těles. Jako speciální aplikace – je použit v astronomii ve spojení s dalekohledem k měření záření hvězd a tepelného záření Měsíce a planet. Jiné použití v provedení spektrobolometr - pro proměřování rozložení intenzity dílčích zdrojů ve spektru záření – opět jako speciální aplikace v astronomii pro analýzu Slunce.. © VR - ZS 2015/2016

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Bolometr - parametry

T- MaR


Jsou rychlé - krátká časová konstanta (až 1 ms) odezvy při změně. Velká citlivost - spektrální citlivost 1.6 až 5000 µm. Velký pracovní teplotní rozsah senzorů (-40°C až 100 °C). Lze bez problémů měřit vysoký rozsah teplot měřeného objektu (i nad 1500 °C) – z toho plyne i nutnost použít chlazení bolometrického čidla některých typů. Malé rozměry (u mikrobolometrů jen desítky µm). Neovlivňuje měřený objekt. U mikrobolometrů velký počet snímačů (přes 80 tisíc) na malé ploše => infračervené snímaní obrazu s rozlišením běžně 320x240 pixelů. © VR - ZS 2015/2016

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Bolometr - použití

T- MaR


Monitorování tepelného zatížení součástek, objektů - termovize s rozlišením běžně 320 x 240 pixelů, ale i více. Detekce ohně a plamenů. Detekce výbuchu. Bezdotykové měření teploty. Kontinuální nebo časové monitorování teploty procesů. Spektrometrie. Měření teploty pohyblivých předmětů. Astronomie. Infračervené kamery a dalekohledy. Zabezpečovací technika. © VR - ZS 2015/2016


T- MaR


Mikrobolometry se využívají hlavně pro účely infračerveného snímání obrazu – asi přesněji…. pro účely získání informací o tepelném vyzařování (tepelné emisi) povrchu předmětu / tělesa. Nejčastěji se dnes používají pro potřeby termovize, tzn. infračerveného snímání obrazu předmětů s následnou možností měření nebo detekce jejich teploty. Pole mikrobolometrů tvoří obraz min. 120 * 100 pixelů – maximum dnes jde až do počtu pixelů pro tzv. „full HD“ obraz. Nevýhodou je velmi vysoká cena za výšší počet pixelů a nutnost pro vyšší a vysoké rozlišeni získání nákupní licence od majitele patentů (a od ministerstva v USA). © VR - ZS 2015/2016


T- MaR


Mikrobolometrická pole jsou obvykle vyrobena na monolitických křemíkových substrátech jako běžné integrované obvody - vlastní čidlo je tvořeno dvourozměrným polem můstkových struktur pokrytých teplotně citlivým odporovým materiálem absorbujícím infračervené záření. Kromě vlastního šidla čipy obsahují ještě čtecí elektroniku a další pomocné obvody - celý čip je umístěn ve vakuovaném pouzdře – můstková struktura zajišťuje dobrou tepelnou izolaci mezi vlastním mikrobolometrem a křemíkovým substrátem.

© VR - ZS 2015/2016


T- MaR


Na obrázku 1 je znázorněna struktura pole složeného z 3 × 3 mikrobolometrů - obrázek 2 ukazuje skutečné provedení mikrobolometrického snímače.

© VR - ZS 2015/2016


T- MaR


Novější mikrobolometrická čidla mají (pro zlepšení vlastností) na substrátu pod jednotlivými mikrobolometry nanesenu reflexní vrstvu - slouží k odrazu záření, které mikrobolometrem nebylo absorbováno zpět do mikrobolometru, čímž se zvyšuje účinnost čidla. Dalším důsledkem reflexní vrstvy je potlačení vlivu teploty substrátu, protože jím emitované infračervené záření odráží zpět.

© VR - ZS 2015/2016


T- MaR


Výstupní signál je tvořen sekvenční posloupností složenou ze signálů jednotlivých elementů - vyčítání probíhá klasickým způsobem – řádkovým multiplexerem se vybere jeden aktivní řádek + sloupcovým multiplexerem se postupně vybírají výstupy jednotlivých elementů z aktivního řádku. Po přečtení všech pixelů daného řádku se vybere následující řádek. Tento postup se posutpně opakuje pro všechny řádky mikrobolometrického pole

© VR - ZS 2015/2016

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Bolometr Zjednodušené blokové uspořádání čipu snímače na obrázku nejsou zakresleny bloky časování a řízení.

© VR - ZS 2015/2016

T- MaR


T- MaR

… a to by bylo k informacím o dalších principech snímačů (skoro) vše

18-2 .. b

© VR - ZS 2015/2016

T- MaR

© VR - ZS 2014/2015

Ing. Václav Rada, CSc

Recommend Documents