MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
DIPLOMOVÁ PRÁCE
BRNO 2009
Bc. PETR BELLER
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky
Metrologie a vizualizace teplot povrchů zařízení odpadového hospodářství Diplomová práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
prof. Ing. Jan Mareček, DrSc.
Bc. Petr Beller
Brno 2009
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Metrologie a vizualizace teplot povrchů zařízení odpadového hospodářství vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.
dne: podpis diplomanta:
Poděkování Děkuji vedoucímu diplomové práce panu prof. Ing. Janu Marečkovi, DrSc. především za to, že mi vůbec umožnil zpracovat diplomovou práci právě na téma metrologie a vizualizace teplot povrchů zařízení odpadového hospodářství. Děkuji Ing. Petru Trávníčkovi za vstřícnost a veškerou pomoc. Rád bych také poděkoval za odborné texty, které mi při vypracování této diplomové práce byly výrazně nápomocny, a které uvádím v seznamu literatury, a to především doc. Ing. Milanu Pavelkovi, CSc. a prof. Ing. Miroslavu Jíchovi, CSc.
Abstrakt Sám název Metrologie a vizualizace teplot povrchů zařízení odpadového hospodářství napovídá jaké byly cíle této práce. Sestavená metodika termovizního měření byla aplikována na vybrané zařízení odpadového hospodářství, bioplynovou stanici. Bioplynová stanice byla snímkována termovizní kamerou a termosnímky byly následně vyhodnoceny prostřednictvím programu k dodané termokameře. Na vyhodnocených snímcích lze pozorovat vlastnosti radiačního šíření tepla a samozřejmě také tepelné ztráty a nedostatky v konstrukci celé bioplynové stanice.
Alone the name of graduation theses Metrology and visualisation temperatures surfaces arrangement of waste management prompt how was purposes. Built-up methodology was applied on choice arrangement of waste management, biogas station. The bio-gas station was photography by thermocamera and thermopictures were to be teamed with programme to delivered thermocamera. On evaluated pictures can be nicely observe characteristics of radiation thermal transmitance and indeed also heat losses and deficiencies of construction entire biogas station.
Keywords: waste management - odpadové hospodářství radiation - sálání thermocamera - termokamera visualisation - vizualizace biogas station - bioplynová stanice
Obsah 1
Úvod.......................................................................................................................... 9
2
Cíl práce .................................................................................................................. 10
3
Současný stav řešené problematiky ........................................................................ 11 3.1
Přenos tepla vedením(=kondukcí)(3) ............................................................... 11
3.2
Přenos tepla konvekcí(=prouděním)(3) ............................................................ 12
3.3
Základní zákonitosti přestupu tepla zářením(1) ............................................... 14
3.3.1
Rychlost, vlnová délka a frekvence záření(1) .......................................... 14
3.3.2
Planckův vyzařovací zákon(1) ................................................................. 15
3.3.3
Wienův posunovací zákon(1) ................................................................... 16
3.3.4
Stefan – Boltzmannův zákon(1) ............................................................... 17
3.3.5
Spektrum záření reálných zdrojů(1) ......................................................... 18
3.3.6
Absorpce záření v prostředí(1) ................................................................. 19
3.3.7
Odraz záření od povrchů(1) ...................................................................... 20
3.3.8
Energetická bilance dopadajícího záření(1) ............................................. 21
3.3.9
Detekce intenzity záření(1)....................................................................... 22
3.4
Přestup tepla zářením mezi černými povrchy a úhlový součinitel(3) .............. 23
3.5
Přenos tepla zářením mezi šedými povrchy(3) ................................................ 25 Jeden povrch obklopen mnohem větším druhým povrchem(3) ............... 27
3.5.1 3.6
Druhy vizualizačních technik a jejich vývoj................................................... 27
3.6.1
Dotykové vizualizační měřicí systémy ................................................... 28
3.6.1.1
Tepelně citlivé barvy(2) ....................................................................... 28
3.6.1.2
Tekuté krystaly(2) ................................................................................ 28
3.6.2
Bezdotykové vizualizační měřící systémy.............................................. 28
3.6.2.1
Oblasti použití bezdotykových teploměrů: ......................................... 29
3.6.2.2
Rozdělení: ........................................................................................... 29
3.6.2.3
Systémy snímání teplotních polí:........................................................ 30
3.7
Termovizní kamery(1) ...................................................................................... 31
3.7.1
Rozdělení termovizních kamer(1) ............................................................ 32
3.7.2
Výběr parametrů a výrobci termovizních kamer(1) ................................. 33
3.7.3
Vyhodnocení záření při měření termovizní kamerou(1) .......................... 34
3.7.4
Kalibrace termovizní kamery.................................................................. 38
3.7.5
Nástrahy a chyby měření obecně(4) ......................................................... 39
3.7.6
Výběr spektrální citlivosti termokamery(1) ............................................. 40
3.7.7
Zásady při manipulaci s termovizní kamerou(1) ...................................... 41
3.7.7.1
pořízení snímků................................................................................... 41
3.7.7.2
transport .............................................................................................. 41
3.7.7.3
napájení ............................................................................................... 41
3.7.7.4
uchování dat ........................................................................................ 41 Rozbor tepelného toku mezi objektem a termokamerou(1) ..................... 41
3.7.8 3.7.8.1
neprůteplivý objekt ............................................................................. 41
3.7.8.2
částečně průteplivý objekt................................................................... 42
3.7.8.3
objekt odrážející záření ....................................................................... 42
3.7.8.4
částečně neprůteplivé prostředí........................................................... 42
3.7.8.5
měření okolního prostředí ................................................................... 43
3.7.9
Určování a odstraňování vlivu emisivity při měření............................... 43
3.7.9.1
Spektrální závislost emisivity(8) .......................................................... 43
3.7.9.2
Teplotní závislost emisivity(8) ............................................................. 44
3.7.9.3
Úhlová závislost emisivity(8) ............................................................... 44
3.7.9.4
Metody určování a odstraňování vlivu emisivity(7) ............................ 45
3.7.10
Příklady použití termovizní kamery........................................................ 47
3.7.10.1
Hledání poškozené součástky ......................................................... 47
3.7.10.2
Hodnocení funkčnosti zařízení ....................................................... 47
3.7.10.3
Hledání tepelných ztrát ................................................................... 47
3.7.10.4
Získávání nových zajímavých informací(vidět co lidské oko nevidí) 48
4
Materiál a metody ................................................................................................... 49 4.1
Popis bioplynové stanice................................................................................. 49
4.2
Popis měřicích zařízení ................................................................................... 51
4.3
Metodika měření povrchové teploty ............................................................... 56
4.3.1
Výběr termokamery ................................................................................ 57
4.3.2
Obecné zásady termovizního měření ...................................................... 58
4.3.3
Určení emisivity...................................................................................... 58
4.3.4
definování a přizpůsobení podmínek měření ovlivňující tepelný tok mezi
objektem a termokamerou....................................................................................... 59 4.3.4.1
neprůteplivý objekt ( t = 0 ) ................................................................. 60
4.3.4.2
částečně průteplivý objekt ( t ≠ 0 ) ...................................................... 60
4.3.4.3
objekt odrážející záření ( r ≠ 0 ) .......................................................... 61
4.3.4.4
částečně neprůteplivé prostředí ( t p ≠ 1; ε p ≠ 0 ) ................................. 61
4.3.4.5
měření okolního prostředí ................................................................... 62
5
VÝSLEDKY PRÁCE ............................................................................................. 63
6
ZÁVĚR ................................................................................................................... 82
7
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY .................................................................... 84
8
SEZNAM OBRÁZKŮ ............................................................................................ 86
1
ÚVOD
Stojíme-li před problémem měření teplot povrchů těles a to ne jen z hlediska bodového zobrazení těchto teplot, ale zobrazení celého teplotního pole, je nutné použít některou z vizualizačních metod. Přínosem takovýchto metod oproti běžným teplotním charakteristikám spočívá především v těch získaných informacích, které by při bodových hodnotách zůstali skryty. Vizualizační metody jsou nedocenitelné tedy zvláště proto, že každý jedinec již od útlého dětství cvičí svůj mozek k rozpoznání toho co vidí, a co mu jeho mozek zprostředkuje prostřednictvím určitého barevného a stínového rozlišení. Pokud tedy pomocí vizualizační metody převedeme teplotu na barvu a její odstín, umožňujeme tak člověku „vidět“ teplotu, a na základě již dávno získaných vědomostí, takto získané teplotní pole vyhodnotit. Modernějším trendem v oblasti vizualizačních technik jsou pak termokamery. Princip termokamer vychází ze skutečnosti existence záření, které prochází prostředím v podobně elektromagnetických vln. Zatímco lidské oko reaguje pouze na záření v oblasti ~350-750 nm, „tepelné záření“ se projevuje na vlnových délkách od 100 nm do 1 mm. Tedy i samo lidské oko část tepelného záření zaznamenává, avšak při běžných teplotách příliš malou jeho část, aby bylo schopné toto záření vyhodnotit. Detektory termokamer toto záření vyhodnotit schopné jsou, a jelikož již od roku 1884 (Boltzmann) bylo experimentálně prokázáno, že množství tepelného záření je úměrné teplotě tělesa, dokáže termokamera určit i onu teplotu prostřednictvím do té doby neznámého termínu „tepelné záření“. Vizualizační techniky tak dostávají mimo zobrazení teplotního pole další výraznou výhodu, kterou je možnost bezkontaktního(chcete-li dálkového) měření teplot.
9
2
CÍL PRÁCE
Cílem této práce je provedení rešeršní studie vizualizačních metod měření teplot povrchů těles. Na základě těchto poznatků sestavit metodiku měření, aplikovat ji na vybrané zařízení odpadového hospodářství, v tomto případě na bioplynovou stanici, a provést příslušná měření. Na praktickém příkladě uvést způsob vyhodnocování termosnímků a možné nástrahy, které sebou toto vyhodnocování nese. Současně výsledky měření vyhodnotit a definovat možné nedostatky. Na jejich základě pak formulovat praktická dopručení.
10
3
SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY
3.1 Přenos tepla vedením(=kondukcí)(3) Vedení tepla lze charakterizovat jako přenos energie od více energetických k méně energetickým částicím. Tyto částice mohou být molekuly (u kapalin a plynů) nebo atomy (u tuhých látek). Vyšší teplota je spojena s vyšší energií částice. Existuje-li v látce teplotní gradient, pak se přenos tepla uskutečňuje ve směru klesající teploty. U plynů nebo kapalin lze pozorovat náhodný pohyb molekul z oblastí s vyšší energií do oblasti s nižší energií. Tomuto náhodnému pohybu s předáváním energie říkáme difúze energie, a proto se také vedení tepla často označuje jako proces tepelné difúze. Rozdíl mezi plynem a kapalinou je vtom, že u kapalin jsou molekuly více u sebe a interakce mezi nimi je silnější a častější. V tuhých látkách se vedení tepla uskutečňuje pohybem atomů ve formě vlnového pohybu krystalické mřížky (v nevodičích), u látek dobře vodivých přistupuje k tomuto mechanizmu ještě postupný pohyb volných elektronů. Představme si rovinnou stěnu o tloušťce L (ve směru osy x), další dva rozměry stěny jsou nekonečně velké, tzn. že teplo se tímto směrem nevede – stěna má v tomto směru nekonečně velký odpor. Na jedné straně má stěna teplotu T1 na druhé T2, přičemž je T1 > T2.
3.1-1 Schéma rovinné stěny(3)
Podle Fourierova zákona platí pro tepelný tok, který je veden z míst o vyšší teplotě do místa o nižší teplotě, že je přímo úměrný teplotnímu gradientu. Koeficientem úměrnosti
11
je tepelná vodivost λ, což je fyzikální vlastnost látky. Měrný tepelný tok q& x (množství tepla za jednotku času na jednotku plochy přenášené ve směru osy x) je dán vztahem:
q& x = −λ
dT dx
W m 2
(3.1: 1)
Záporné znaménko je ve vtahu proto, že teplotní gradient je záporný (ve směru osy x teplota klesá). Jelikož je teplotní průběh v rovinné stěně přímkový, můžeme teplotní gradient zapsat vztahem: zákon ve tvaru q& x = λ
dT T2 - T1 = . Pro měrný tepelný tok pak lze zapsat Fourierův dx L
T1 − T2 . Pro celkový tepelný tok přenášený plochou S (plocha L
kolmá na směr tepelného toku) pak platí: T − T2 Q& x = λS 1 L
[W ]
(3.1: 2)
Často se také používá tvar, ve kterém je pouze označení tloušťky L ve směru tepelného toku, nahrazeno výrazem δ a všechny neznámé kromě teplotní diference, jsou umístěny do jmenovatele. T − T2 Q& x = 1
[W ] ,
výraz ve jmenovateli
δ je pak nazýván jako „odpor proti vedení tepla“ kondukcí. λS
δ λS
(3.1: 3)
3.2 Přenos tepla konvekcí(=prouděním)(3) Přenos tepla konvekcí je složen ze dvou mechanizmů: Základní je náhodný pohyb molekul - difúze (jako u vedení tepla v tekutinách) KONdukce Druhým mechanizmem je objemový, makroskopický pohyb tekutiny. Toto značí, že v kterémkoliv okamžiku se velké množství molekul pohybuje kolektivně, ve velkých objemech. Tomuto mechanizmu říkáme adVEKCE
Nejtypičtější je přenos tepla konvekcí mezi proudící tekutinou a nějakým omezujícím
12
povrchem, mají-li oba různou teplotu. V blízkosti povrchu se vytvoří vrstva tekutiny, v níž se rychlost proudění mění od nulové hodnoty až po rychlost nazývanou rychlost volného proudu. Této vrstvě se říká hydrodynamická mezní vrstva. Podobně se vytváří i tepelná mezní vrstva. V blízkosti povrchu dominuje první mechanizmus přenosu tepla konvekcí, kde je rychlost tekutiny nízká, přímo na povrchu rychlost klesá na nulu. Druhý mechanizmus se uplatňuje, když je tekutina strhávána z volného proudu do mezní vrstvy a pak je jakoby "stržena" proudící tekutinou. Oba mechanizmy- difúze a objemový tok (advekce) - byly doposud spojeny s přenosem tzv. "citelného" tepla, tj. vnitřní energie látky. Jsou však i konvektivní procesy, v nichž vystupuje i přenos latentního tepla. To jsou procesy spojené s fázovou přeměnou - var a kondenzace.
Konvekce může být klasifikována podle povahy proudění: a) nucená b) přirozená c) kombinovaná (bude-li rychlost proudění nízká a teplota např. horizontálního povrchu oproti teplotě tekutiny vysoká, vzniká velká vztlaková síla a dojde k sekundárnímu proudění kolmému na hlavní směr proudění. Toto sekundární proudění výrazně ovlivní konvekci). Oba mechanizmy- difúze a objemový tok (advekce) - byly doposud spojeny s přenosem tzv. "citelného" tepla, tj. vnitřní energie látky. Jsou však i konvektivní procesy, v nichž vystupuje i přenos latentního tepla. To jsou procesy spojené s fázovou přeměnou - var a kondenzace.
Bez ohledu na povahu konvekce platí pro přenášený měrný tepelný tok vztah nazývaný někdy Newtonův ochlazovací zákon:
q& = α (Tw − T∞ ) kde α
(3.2: 1)
je součinitel přestupu tepla a zahrnuje všechny parametry, které ovlivňují
konvekci. Tw je teplota povrchu obtékaného tělesa, T∞ je teplota tekutiny v dostatečné vzdálenosti od povrchu.
13
3.3 Základní zákonitosti přestupu tepla zářením(1) Vizualizační metody jsou založeny na využívání různých typů elektromagnetického záření. Elektromagnetické záření, které se šíří prostředím pomocí fotonů, má jak korpuskulární, tak vlnový charakter. Korpuskulární charakter je dán skutečností, že záření se vyzařuje a pohlcuje po celistvých kvantech. Vlnový charakter je pak dán tím, že každému záření lze přiřadit vlnovou délku, která se projevuje např. při interferenci záření. Každý objekt, který má nenulovou absolutní teplotu září a při interakci objektu se zářením může docházet k odrazu, pohlcování či průchodu záření, přičemž objekt často ovlivňuje i směr šíření záření. Typické vlastnosti záření, které budou potřebné k pochopení dalších kapitol, jsou následující.
3.3.1
Rychlost, vlnová délka a frekvence záření(1)
Hmotný objekt se projevuje do svého okolí různým silovým působením a vyzařováním fotonů. Každý hmotný objekt je zdrojem elektromagnetického záření a navíc může také záření odrážet, pohlcovat a propouštět. Generované elektromagnetické záření se šíří prostředím rychlostí c, která je závislá na druhu prostředí. Rychlost šíření záření ve vakuu co má hodnotu co = (2,99792458 ± 0,000000012 ) ⋅ 10 8 m ⋅ s −1 (místo rychlosti šíření záření v daném prostředí c se často používá tzv. index lomu n). Jelikož má elektromagnetické záření vlnový charakter, je možné definovat jeho vlnovou délku. Podle vlnové délky lze rozlišovat různé typy elektromagnetického záření, viz obrázek 3.3-1.
3.3-1 Spektrum elektromagnetického záření(1)
14
Elektromagnetickému záření, které má vlnový charakter, lze také přiřadit frekvenci záření f, a to podle vztahu f =
c
λ
,
(3.3: 1)
kde c je rychlost šíření elektromagnetického záření v daném prostředí a λ je vlnová délka elektromagnetického záření. V oblasti vizualizačních metod se nejčastěji setkáme se světelnými zářením, ale některé vizualizační metody využívají též infračervené záření (termovizní systémy), ultrafialové, záření γ.
3.3.2
Planckův vyzařovací zákon(1)
Zdroje elektromagnetického záření vyzařují svou energii po kvantech. Na základě kvantové teorie a v souladu se zákony pravděpodobnosti odvodil Planck svůj vyzařovací zákon, který konstatuje: Záření o frekvenci f může být vyzařováno nebo pohlcováno jen po kvantech energie o velikosti e = h × f . V tomto
zákoně
(3.3: 2) představuje
h
Planckovu
konstantu,
která
má
hodnotu
h = (6,6256 ± 0,0005) ⋅ 10 −34 J ⋅ s .
Z uvedené formulace Planckova vyzařovacího zákona je možné pro dokonale černé těleso (dokonalý zářič) ve vakuu odvodit vztah pro spektrální hustotu zářivého toku (pozn. jindy také nazývána monochromatická zářivost) dokonale černého tělesa
E oλ jako funkci vlnové délky záření λ a teploty zářiče T E oλ =
dE o 2πλ−5 = f (λ , T ) = c 2 h ch , dλ kλ T e −1
(3.3: 3)
kde E o je hustota zářivého toku dokonale černého tělesa a k je Boltzmannova konstanta, která má hodnotu k = (1,38054 ± 0,00018) ⋅ 10 −23 J ⋅ K −1 . Jak uvádí Miroslav Jícha(3), jde vlastně z matematického hlediska o závislost zářivosti černého tělesa, vztaženou na jednotku vlnové délky. Vztah (3.3: 3) je matematickou formulací Planckova vyzařovacího zákona a lze jej také vyjádřit graficky, viz obr. 3.3-2. Na tomto obrázku jsou vykresleny závislosti spektrální hustoty zářivého toku dokonale černého tělesa na vlnové délce záření, a to pro různé
15
teploty zdroje záření. Je zřejmé, že se zvětšující se teplotou zdroje se zvětšuje spektrální hustota zářivého toku dokonale černého tělesa a maximální hodnota spektrální hustoty zářivého toku se posouvá ke kratším vlnovým délkám.
3.3-2 Spektrální hustota zářivého toku dokonale černého tělesa v závislosti na vlnové délce záření a teplotě zářiče(1)
3.3.3
Wienův posunovací zákon(1)
Problematikou spektrální hustoty zářivého toku v závislosti na vlnové délce se zabýval německý fyzik Wilhelm Wien. Došel k závěru, označovaném dnes jako Wienův posunovací zákon, který říká: S rostoucí teplotou zářiče se posouvá maximální hodnota spektrální hustoty zářivého toku ke kratším vlnovým délkám. Matematická formulace Wienova posunovacího zákona je dána vztahem:
λ max ⋅ T = 2,897810 −3 mK ,
(3.3: 4)
kde λ max je vlnová délka, při níž je hodnota spektrální hustoty zářivého toku při dané teplotě zářiče maximální. Wienův posunovací zákon je možné získat z Planckova vyzařovacího zákona derivací spektrální hustoty zářivého toku dokonale černého tělesa E oλ dle vlnové délky λ , přičemž tuto derivaci je třeba položit rovnu nule. Tím získáme průběh poloh maxim izoterem v diagramu závislosti spektrální hustoty zářivého toku dokonale černého tělesa
E oλ na vlnové délce λ , viz obr. 3.3-3. 16
3.3-3 Zobrazení Wienova posunovacího zákona v diagramu závislosti spektrální hustoty zářivého toku dokonale černého tělesa na vlnové délce záření(1)
3.3.4
Stefan – Boltzmannův zákon(1)
Hustota zářivého toku v závislosti na teplotě objektu zkoumal rakouský fyzik Ludwig Boltzmann. Došel k závěru, označovaném dnes jako Stefanův – Boltzmannův zákon, který říká: Každé těleso, které má nenulovou absolutní teplotu září, přičemž hustota zářivého toku je úměrná čtvrté mocnině absolutní teploty. Matematickou formulaci Stefanova – Boltzmannova zákona lze získat, provedeme-li integraci spektrální hustoty zářivého toku dokonale černého tělesa E oλ dle Planckova vyzařovacího zákona, a to přes celý rozsah vlnových délek a za konstantní teploty. Pro hustotu zářivého toku dokonale černého tělesa dostaneme:
Eo = σ 0 ⋅ T 4 , kde
σ0
je
(3.3: 5) Stefanova
–
Boltzmannova
konstanta,
která
má
hodnotu
σ 0 = 5,6697 ⋅ 10 −8 W ⋅ m −2 ⋅ K −4 . Hustotu zářivého toku dokonale černého tělesa E o lze zobrazit v diagramu závislosti spektrální hustoty zářivého toku dokonale černého tělesa
E oλ na vlnové délce λ , viz obr. 3.3-4, jako plochu pod danou izotermou
17
3.3-4 Zobrazení Stefanova – Boltzmannova zákona v diagramu závislosti spektrální hustoty zářivého toku dokonale černého tělesa na vlnové délce záření(1)
Pro nedokonalé zářiče, které se také označují jako šedé povrchy, lze pak hustotu zářivého toku vyjádřit vztahem:
Eo = ε ⋅ σ 0 ⋅ T 4 ,
(3.3: 6)
kde ε je emisivita (poměrná zářivost) zářiče. Emisivita nebo také poměrná zářivost vyjadřuje schopnost zářiče vyzařovat. Dokonalé zářiče (dokonale černá tělesa) mají
ε = 1 , nedokonalé zářiče (šedá tělesa) mají ε ∈ (0, 1) a absolutně nedokonalé zářiče (bílá tělesa) mají ε = 0 .
3.3.5
Spektrum záření reálných zdrojů(1)
Spektrum různých zdrojů záření nebývá totožné se spektrem dokonalých zářičů s absolutně černým povrchem. Záření ideálně šedých povrchů a absolutně černých povrchů se při stejné teplotě T liší tak, že šedý zářič má při každé vlnové délce spektrální hustoto zářivého toku menší a maximum spektrální hustoty zářivého toku je u ideálně šedých a černých zářičů o stejné teplotě vždy při stejné vlnové délce.
18
3.3-5 Závislosti spektrální hustoty zářivého toku různých zdrojů záření na vlnové délce záření(1)
Reálné tepelné zářiče mají spektrální hustoto zářivého toku v závislosti na vlnové délce značně proměnnou, a to obvykle s několika lokálními extrémy. Zabýváme-li se jen energetickým působením záření, lze záření reálného tepelného zářiče nahradit přibližně průběhem spektrální hustoty zářivého toku šedého zářiče. Můžeme se však setkat i se selektivními zářiči (např. plyny), budeme-li se zabývat měřením jiného než energetického působení záření.
3.3.6
Absorpce záření v prostředí(1)
Při průchodu záření prostředím může docházet k jeho částečné absorpci. Průběh hustoty zářivého toku E procházející absorbující vrstvou ve směru z je zřejmý z obr. 3.3-6. Na elementární vzdálenosti dz se hustota zářivého toku E zmenší vždy o stejný poměr dE/E a můžeme psát:
dE = − β ⋅ dz , E
(3.3: 7)
kde β je součinitel pohltivosti. Po integraci dostaneme:
E = E1
− βz
.
(3.3: 8)
19
3.3-6 Průběh hustoty zářivého toku v absorbující vrstvě(1)
3.3.7
Odraz záření od povrchů(1)
Povrchy různých objektů jsou schopné více či méně odrážet záření. Směr šíření paprsků po odraze na povrchu závisí na kvalitě a drsnosti povrchu, viz obr. 3.3-7. Z tohoto pohledu rozlišujeme především dva mezní typy povrchů. Prvým typem je zrcadlový povrch, umožňující zrcadlový odraz záření, kdy úhel dopadu záření je roven úhlu odrazu a žádné paprsky se nemohou šířit v jiném směru. Druhým mezním typem je difúzní povrch, který dopadající záření odráží rovnoměrně do všech směrů a projevuje se pak jako sekundární Lambertův zdroj zářící do všech směrů stejně intenzívně.
3.3-7 Typy povrchů odrážejících záření(1)
20
3.3.8
Energetická bilance dopadajícího záření(1)
Při dopadu záření na povrch může dojít k odrazu záření, k jeho pohlcení nebo také k průchodu záření objektem, viz obr. 3.6-8. Energetickou bilanci lze vyjádřit rovnicí 1=
E r E a Et + + E E E
(3.3: 9)
3.3-8 Rovnováha hustot zářivého toku(1)
Dále zavedeme do rovnice 3.3: 9 označení r reflektance, a absorptance a t transmitance a dostaneme matematickou formulaci I. Kirchhoffova zákona 1= r +a+t
(3.3: 10)
Slovní formulace I. Kirchhoffova zákona je následující: Součet reflektance r, absorptance a a transmitance t daného objektu je vždy roven jedné. Hodnoty reflektance, absorptance a transmitance závisí na druhu a stavu objektu a na jakosti jeho povrchu. Mohou nastat tyto extrémní případy.
r = 1 je dokonale bílé těleso, které veškerou dopadající zářivou energii odráží (v praxi se nevyskytuje),
a = 1 je dokonale černé těleso, které veškerou dopadající zářivou energii pohlcuje (v praxi se nevyskytuje),
t =1
je dokonale transparentní těleso, které veškerou dopadající zářivou energii
propouští (v praxi se nevyskytuje). Pro tuhé látky a kapaliny, které jsou transparentní jen výjimečně (kromě slídy, kazivce, kuchyňské soli), je t = 0 . Pro dvouatomové plyny (H2, O2, N2 apod.) a pro vzduch je
t ≈ 1 . Pro víceatomové plyny (CO2, H2O apod.) platí obecně rovnice (3.3: 10). Pojem dokonale černé těleso se používá jak pro tělesa dokonale pohlcující, tak pro tělesa dokonale vyzařující záření. Obecněji to vyjadřuje II. Kirchhoffův zákon, který
říká: Objekt je tak dokonalým zářičem, jak dovede záření pohlcovat, a proto emisivita objektu je rovna absorptanci. Matematicky lze II. Kirchhoffův zákon zapsat ve tvaru
21
ε = a.
3.3.9
(3.3: 11)
Detekce intenzity záření(1)
Při bezkontaktním záznamu záření objektů je třeba registrovat hustotu zářivého toku objektu E, která je úměrná hustotě zářivého toku absorbované detektorem Ea a také intenzitě absorbovaného záření I. Pro záznam intenzity různých typů záření se používá různé druhy čidel, snímačů či detektorů, které umožní zaznamenávat záření v jednom bodě či v rovině.
3.3-9 Příklady konstrukcí černých těles(1)
Tepelné záření v širokém spektru lze nejjednodušeji zaznamenávat pomocí černých těles, doplněných o měření teploty nebo i tepelného toku (pro měření ohřevu či ochlazování čidla). Takové detektory se bez použití filtrů chovají jako neselektivní. Radioaktivní záření je možné detekovat pomocí různých typů detektorů. Používají se plynové detektory, kterým patří ionizační komory a Geigerovy-Müllerovy počítače nebo různé scintilační a polovodičové detektory. Pro záznam světelného záření, ale i jiných typů záření se používá fotografické emulze. Jedná se o selektivní detektory vhodné pro snímání dvojrozměrných obrazů, jelikož se emulze aplikují na plošné podklady, které nevyžadují rozklad obrazu. Rozlišovací schopnost běžných fotografických emulzí se pohybuje od 50 do 150 čar/mm. Políčko kinofilmu o velikosti 24 × 36 mm má pak rozlišení až 3600 × 5400 obrazových bodů. Fotografická emulze bývá často aplikována na transparentní podklady. Propustnost fotografické emulze po její expozici a zpracování závisí na osvitu, který je definován vztahem W = I ⋅ τ , kde I je intenzita záření a τ je expoziční čas. Typická funkce propustnosti fotografické emulze t v závislosti na osvitu W je uvedena na obr. 3.3-9. Chceme-li mít lineární záznam intenzity záření I , je třeba volit osvit W pouze v blízkosti inflexního bodu.
22
3.3-10 Závislost propustnosti t fotografické emulze na osvitu W(1)
Pro elektrický záznam světelného záření (ale i tepelného záření) se používají selektivní snímače typu fotonek, fotonásobičů, fotoodporů, fotodiod, fototranzistorů. Chceme-li pomocí těchto prvků snímat dvojrozměrný obraz, je nutné provést nejdříve rozklad obrazu na daný bodový snímač a pak tyto informace o jednotlivých bodech obrazu opět elektricky složit. Pro digitální záznam obrazu světelného záření (ale i tepelného záření) se s výhodou používají selektivní CCD detektory (Charge Coupled Devices), které nevyžadují rozklad. Jedná se o integrované maticové snímače intenzity záření o velikosti 1/3", 1/2" apod., které mohou být i vzájemně poskládané. Po osvětlení matice se cyklicky snímají náboje z jednotlivých elementů matice, které je třeba následně vynulovat.
3.4 Přestup tepla zářením mezi černými povrchy a úhlový součinitel(3) Pro řešení tepelného toku přenášeného zářením mezi dvěma povrchy, které jsou v prostoru obecně orientované, tzn. že nejsou např. rovnoběžné, je nutno pracovat s pojmem úhlový součinitel (někdy se používá název tvarový součinitel). Na obr. 3.4-1 jsou znázorněny dvě plochy S1 a S2, obecně v prostoru orientované. Zajímá nás vztah, kterým spočítáme energii, kterou si tyto dva povrchy mezi sebou navzájem vymění, mají-li rozdílné teploty (T1 > T2). Problém spočívá v podstatě v určení množství energie, která opouští jeden povrch a dopadne na druhý. A pro tento účel právě zavádíme úhlový součinitel F, definovaný následujícím způsobem:
F1-2: vyjadřuje podíl energie dopadající na povrch 2 k energii opouštějící povrch 1, F2-1: vyjadřuje podíl energie dopadající na povrch 1 k energii opouštějící povrch 2, 23
Fm-n: vyjadřuje podíl energie dopadající na povrch n k energii opouštějící povrch m. platí vždy že Fm − n ≤ 1
3.4-1 Model dvou povrchů pro analýzu přenosu tepla zářením(3)
Při užívání úhlového součinitele je třeba brát v potaz vztah
S1 F1− 2 = S 2 F2−1
(3.4: 1)
Tento vztah je známý jako vztah reciprocity. I když byl odvozen pro povrchy černé, používá se i pro povrchy ostatní za předpokladu difúzního charakteru záření. Pro tepelný tok přenášený výsledně mezi dvěma povrchy o nestejné teplotě musí platit
Q& 1− 2 = S1 F1−2 (E 0,1 − E 0, 2 ) = S 2 F2−1 (E0,1 − E 0, 2 )
[W ]
(3.4: 2)
nebo použijeme-li Stefan-Boltzmannův zákon
(
)
(
Q& 1− 2 = S1 F1−2σ T14 − T24 = S 2 F2−1σ T14 − T24
)
(3.4: 3)
Znalost úhlového součinitele je velmi důležitá, protože výrazně ovlivňuje hodnotu přenášeného tepelného toku. Určení úhlového součinitele však bývá často velmi složitý problém. Lze odvodit matematický vztah, pomocí kterého se dá úhlový součinitel teoreticky spočítat, ale prakticky to bývá často nesmírně obtížné. S použitím označení z obr. (3.4: 3) má tento vztah tvar
S1 F1− 2 = S 2 F2−1 =
∫ ∫ cos Φ S1 S 2
1
cos Φ 2
dS1 dS 2 πr 2
(3.4: 4)
Častěji jsou používány grafy nebo tabulky pro různá plošná i prostorová uspořádání (přílohy literatury 3).
24
3.5 Přenos tepla zářením mezi šedými povrchy(3) Přenos tepla zářením mezi černými povrchy je relativně jednoduchý, protože veškerá energie, která na povrch dopadne je tímto povrchem absorbována. Jediným problémem je proto určení úhlového součinitele Fm− n . Ale jakmile jsme ho určili, výpočet přenášeného tepelného toku zářením pomocí (3.4: 3) je velmi jednoduchý. Máme-li řešit přenos tepla mezi šedými povrchy či tělesy, je situace mnohem složitější, protože ne všechna energie, která dopadne na povrch je absorbována. Část je odražena zpět na jiný povrch a část může být odražena zcela mimo uvažovaný systém. Problém se komplikuje také proto, že energie může být odrážena mezi povrchy tam a zpět několikrát. Analýza daného problému musí nutně brát do úvahy tento mnohonásobný odraz.
Budeme předpokládat, že všechny povrchy odrážejí difúzně, tj. energie je odražena rovnoměrné do všech směrů a že reflektance r a poměrná zářivost - emisivita ε - jsou konstantní pro celý daný povrch.
Prvním krokem k analýze přenosu tepla zářením, a to pomocí síťové metody, kterou zavedl Openheimer, je definování povrchového odporu. V první řadě je ovšem třeba ještě také definovat novou veličinu, a to radiozitu J, což je celková energie, která
[
]
opouští povrch za jednotku času a na jednotku plochy W ⋅ m 2 . Radiozita J je sumou energie emitované daným povrchem a energie odražené (předpokládáme, že žádná část energie není transmitována). Odvozením uvedeným v literatuře(3), dostaneme: E −J Q& = 0 1− ε ε ⋅S Jmenovatel
(3.5: 1)
1− ε představuje již zmíněný povrchový odpor, čitatel E 0 − J je rozdíl ε ⋅S
potenciálu, který je „tažnou silou“ pro tento přenos a Q& je „proud“.
3.5-1 Odporový element reprezentující povrchový odpor(3)
25
Takto provedená analýza se týká jednoho povrchu a postihuje výměnu energie na jednom povrchu. Nyní uvažujme přenos energie zářením mezi dvěma povrchy S1 a S 2 . Odvozením uvedeným v literatuře(3) dostaneme: Q1− 2 =
J1 − J 2 1 S1 F1− 2
(3.5: 2)
(platí vzah reciprocity S1 F1− 2 = S 2 F2−1 ) A ve jmenovateli je opět odpor, tentokrát však nazývaný odpor prostorový.
3.5-2 Odporový element reprezentující prostorový odpor(3)
Nyní můžeme sestrojit odporovou síť. Dva síťové prvky, znázorněné v obr. 3.5-1 a 3.52 tvoří podstatu síťové metody pro přenos tepla zářením. K sestrojení sítě pro daný problém přenosu tepla zářením je třeba pouze spojit „povrchový odpor“ s daným povrchem a „prostorový odpor“ připojit mezi potenciály radiozit. Např. dva povrchy, které si vyměňují energii mezi sebou a energie nejde už nikam jinam, budou charakterizovány sítí podle obr. 3.5-3. V tomto případě bude „čistá“ vyměňovaná energie mezi povrchy dána rozdílem celkových potenciálů děleným celkovým odporem.
Q& 1− 2 =
Q& 1− 2 =
E 0,1 − E 0, 2 1 − ε1 1− ε2 1 + + ε 1 S1 S1 F1−2 ε 2 S 2
(3.5: 3)
σ ⋅ (T14 − T24 )
(3.5: 4)
1 − ε1 1− ε2 1 + + ε 1 S1 S1 F1−2 ε 2 S 2
26
3.5-3 Odporová síť pro přenos tepla zářením mezi dvěma povrchy(3)
Rovnice (3.5: 4) může být zjednodušena pro typické konfigurace.
3.5.1
Jeden povrch obklopen mnohem větším druhým povrchem(3)
Pro tento případ platí
S1 → 0 . Protože všechna energie, která opouští povrch 1 S2
dopadne na povrch 2 a nikam jinam, platí také F1− 2 = 1 a pro tepelný tok Q& píšeme
Q& 1− 2 =
σ ⋅ (T14 − T24 ) S 1− ε2 1 1 − ε1 1 ⋅ + + 1⋅ S1 ε 1 F1− 2 S 2 ε 2
(
Q& 1− 2 = σ ⋅ ε 1 ⋅ S1 ⋅ T14 − T24
(3.5: 5)
)
(3.5: 6)
Tato rovnice je velmi užitečná při výpočtu tepelných ztrát zářením z daného povrchu do velké místnosti. Další konfigurace i rozbor přenosu tepla mezi třemi a více povrchy uvádí literatura(3).
3.6 Druhy vizualizačních technik a jejich vývoj Zviditelňování teplotních polí na povrchu těles lze provádět jak pomocí dotykových, tak pomocí bezdotykových vizualizačních metod. Mezi dotykové metody patří především vizualizace teplotních polí na bázi tekutých krystalů, různých tužek, nálepek, tablet a nátěrů, které při styku s teplým povrchem mění svoji barvu. Mezi bezdotykové metody pro vizualizaci teplotních polí patří různé termovizní systémy, založené na registraci tepelného záření povrchů.(1) 27
3.6.1
Dotykové vizualizační měřicí systémy
3.6.1.1 Tepelně citlivé barvy(2) Barvy, které mění po dosažení jmenovité teploty zabarvení: Termokolory pro stálou indikaci teploty s vratným cyklem. Termokolory pro jednorázové použití s nevratným cyklem, jejichž odstín barvy se změní při překročení nominální teploty, ale po následujícím poklesu teploty už zůstává stejný. Je možno použít širokého spektra barev různých odstínů pro značný rozsah teplot (401400 °C). Přesnost indikace teploty je přibližně ±5 °C.
3.6.1.2 Tekuté krystaly(2) Metody využívají organické sloučeniny, které ohřevem nepřecházejí z pevné fáze přímo v izotropickou kapalinu, nýbrž vytvářejí mezifáze, v níž si zachovávají určité molekulární uspořádání. V tomto stavu si zachovávají formu krystalu, jehož barva se vratně mění s teplotou. Tyto látky, využívané dnes také hojně v elektronice, se mechanickými vlastnostmi přibližují kapalinám, optickými a magnetickými vlastnostmi pevným látkám. V tenké vrstvičce tekutého krystalu na povrchu diagnostického objektu vlivem lokálních teplot dochází ke změnám orientace molekulárních vazeb, jejichž výsledkem jsou interferenční jevy při osvětlení bílým světlem a změna barevného odstínu. Tato metoda však umožňuje pouze relativní měření teplot. Ve vztažném bodě musíme absolutní hodnotu změřit některou jinou metodou. K měření teplot využíváme z několika skupin těchto látek především cholesterické krystaly, umožňující měření teplot v rozmezí od 10 do 100 °C s rozlišitelností řadově 0,1 °C
3.6.2
Bezdotykové vizualizační měřící systémy
Bezdotykové měření teplot je založeno na detekci a vyhodnocování té části elektromagnetického záření, které je vyvoláno teplotou objektu. Jde o infračervené záření, jehož oblast vlnových délek leží asi od 0,8 µm do 1 mm. Při bezkontaktním snímání teplot buď vyhodnocujeme teploty v jediném místě nebo jde o systémy snímání teplotního pole. Přístroje k měření teploty se obecně nazývají pyrometry.(2)
28
3.6.2.1 Oblasti použití bezdotykových teploměrů: Bezdotykové teploměry doznaly v poslední době značného pokroku a rozšíření díky pokroku v elektronice a optice. Přístroje byly původně označovány jako radiační pyrometry nebo radiační teploměry, nyní často jako IČ-teploměry. Radiační pyrometry nacházely původně uplatnění v takových provozech a aplikacích, kde bylo třeba měřit vysoké teploty často v malém prostoru, kde nebylo možno použít dotykový teploměr. Jednalo se zejména o aplikace v metalurgii, chemickém a zejména silikátovém průmyslu (sklářství, cementárny, vápenky, keramický průmysl). V průběhu posledních let se aplikace IČ-teploměrů posunula k nižším teplotám, včetně měření teplot nižších než 0 ºC, takže se s nimi setkáváme v potravinářství, elektronice, průmyslu papírenském, farmaceutickém, textilním, gumárenském, při zpracování plastických hmot apod. Přenosné IČ-teploměry nacházejí široké uplatnění při detekci tepelných ztrát a poruch, při kontrole potrubních systémů, nádrží apod.(4)
3.6.2.2 Rozdělení:
Úhrnné Pyrometry celkového záření, označované též jako širokopásmové přístroje, pracují v oblasti vlnových délek od 0,3 µm. Někdy se tyto přístroje označují jako radiační pyrometry nebo úhrnné pyrometry, protože měří v široké oblasti vyzařovaného teplotního záření.(4)
Takovéto pyrometry užívají tepelných snímačů. Tepelné záření je zde optickou soustavou koncentrováno na snímač (termočlánek, termistor apod.), jehož teplota v důsledku toho roste. Na základě následných změn elektrických parametrů snímače hodnotíme výši teploty. Vyhodnocení je zde neselektivní, přibližně z celého vlnového rozsahu záření.(2)
Pásmové V poslední době bylo vyvinuto mnoho různých úzkopásmových přístrojů pro specifické aplikace. Měřicí rozsahy jsou značně proměnné a jako příklad lze uvést -50 až +600 ºC, 0 až 1 000 ºC, 600 až 3 000 ºC, 500 až 2 000 ºC aj. Požadované pásmo vlnových délek se vymezuje aplikací vhodné optiky, optického filtru a vhodnou spektrální citlivostí detektoru. 29
Jako čidla pásmových pyrometrů se využívá fotoelektrických detektorů, tj. fotonek, fotočlánků, fotodiod, fototranzistorů a fotoodporů. Jejich výhodou je velmi rychlá reakce na změny teploty a možnost měření teploty i malých objektů. Spektrální citlivost je závislá na typu čidla; např. selenové fotočlánky jsou citlivé v oblasti viditelného záření, křemíkové fotočlánky jsou citlivé v rozsahu 0,6 µm až 1,8 µm, fotoodpory PbS mezi 0,5 µm až 3,6 µm apod. Energie vyzařovaná měřeným objektem prochází optickým systémem pyrometru a dopadá na detektor, který má požadovanou spektrální charakteristiku. Optický systém mívá pevnou ohniskovou vzdálenost (fixfokus). Volbou ohniskové vzdálenosti objektivu se určuje velikost snímané (měřené) plochy, kterou detektor na měřeném objektu „vidí“, a tím se definuje zorné pole přístroje. Většina pásmových pyrometrů umožňuje zaměřit přístroj na žádanou oblast měřeného objektu pomocí hledáčku podobně jako u fotoaparátu anebo pomocí vestavěného zdroje laserového záření, které usnadní zaměření tím, že na měřeném objektu vizuálně vyznačí snímanou plochu.(4)
3.6.2.3 Systémy snímání teplotních polí: V zásadě je lze rozdělit na systémy pracující s rozkladem obrazu(2) - rozkládající teplotní obraz diagnostikovaného objektu /opticko-mechanicky či elektronicky/ pracující bez rozkladu obrazu(2) Se systémy, které zviditelní teplotní pole diagnostikovaného objektu bez rozkladu obrazu přímou cestou, se setkáváme v diagnostice řidčeji. Patří sem: - Obrazové měniče , využívající fotoemise a sekundární emise elektronů. Tepelné záření objektu je optikou promítnuto na fotokatodu. Emise elektronů v každém jejím bodě je pak funkcí ozáření. Elektrony jsou elektronovou optikou usměrňovány na luminiscenční stínítko, kde vytvářejí viditelný obraz teplotního pole. - Obrazové měniče , založené na vlastnosti luminoforů měnit intenzitu záření vlivem teploty. Existují luminiscenční termografy, v nichž dochází ke změně jasu až o 20 % při změně teploty o 1 °C. 30
- Systémy, založené na infrafotografii , používající fotografický materiál citlivý na infračervené záření. Tímto způsobem lze u objektů, produkujících tepelné záření, vyhodnocovat především teploty nad 250 °C, a to relativním způsobem. - Evapografy – založené na přeměně tepelného záření objektu ve viditelné zobrazení vypařováním či kondenzací tekutiny na tenké membráně. Evapografy, používané pro vizualizaci tepelného pole objektu, mají vysokou rozlišovací schopnost a umožňují získat vyobrazení i objektů, jejichž teplota se odlišuje od teploty okolí pouze o 0,5 °C.
V současnosti se využívá televizní techniky CCD kamery (termovizní kamery) a rozklad obrazu se provádí elektronicky.
3.7 Termovizní kamery(1) Termovize umožňuje na podobných principech jako radiační teploměry měřit bezdotykově teploty povrchů těles. Navíc však dokáže zviditelnit a zobrazit na monitoru přístroje či počítače teplotní pole celého sledovaného objektu, což umožní lépe sledovat souvislosti pozorovaných jevů, případně zkoumat dynamický vývoj teplotního pole na celém objektu. Termovize patří mezi nákladná, ale velmi užitečná zařízení pro měření v technice prostředí, v energetice, v medicíně, při dálkovém výzkumu Země, při výzkumu vesmíru a v mnoha dalších oborech. Umožní např. rychlou kontrolu tepelných ztrát a kvality izolace budov. identifikaci úniků tepla z tepelných rozvodů, monitorování
činností různých zařízení, výzkum v oblasti přenosu tepla, odhalování nádorů, noční vidění apod. Termovize je určena pro měření v rozsahu teplot –40 až +2000 °C s rozlišením až 0,1 °C. Teplotní pole je snímáno kamerou vybavenou detektorem záření a pak je zobrazeno černobíle nebo barevně na monitoru. Detektory termovizních kamer mohou být kvantové, které bývají přesné a vyžadují chlazení, nejčastěji tekutým dusíkem. Také se používají detektory pyroelektrické, které jsou méně přesné, pracují při běžné teplotě a mohou se vyrábět i s velkou snímací plochou pro přímozobrazující systémy. V současné době se používají též maticové snímací prvky CCD, které vyžadují rozklad obrazu. Monitory termovizních systému zobrazí teplotní pole buď v šedé škále nebo barevně, kdy jednotlivým rozmezím teplot jsou přiřazovány různé barvy. Po stranách obrazu jsou pak stupnice umožňující
31
identifikaci konkrétních teplot v obraze. Při určování teplot je nutné znát a respektovat emisivitu objektu v daném místě.
3.7-1 Schéma termovizní kamery(1)
1 rozmítací zrcadlo 2 motorky 3 fotoelektrické vysílače 4 křemenný osmiboký hranol 5 duté zrcadlo 6 clona 7, 8, 9 optická soustava 10 kvantový detektor 11 termoska na kapalný dusík 12 předzesilovač
3.7.1
Rozdělení termovizních kamer(1)
Termovizní kamery lze dělit podle různých kritérií.
podle způsobu zobrazování • s rozkladem obrazu - scannery • bez rozkladu obrazu - s maticovými detektory
podle způsobu chlazení • s chlazeným detektorem • s nechlazeným detektorem
32
jiná dělení • krátkovlnové • dlouhovlnové • rychlé (pro záznam videosekvencí) • pomalé • kompaktní • vícekomponentové
3.7.2
Výběr parametrů a výrobci termovizních kamer(1)
Pří výběru termovizní kamery je třeba brát v úvahu, podle oblasti použití, různé parametry. Navíc je třeba uvážit, zda kamera bude na stálém místě nebo má být mobilní, zda má být ovládána z počítače, notebooku nebo pomocí ovládacích prvků kamery apod.
3.7-2 Termovizní kamery Jenoptik(1)
Parametry se liší podle produktů jednotlivých výrobců, kterými jsou například firmy Jenoptik (http://www.jenoptik-ir.com/), InfraTec (http://www.infratec.co.uk/), NEC San-ei
Instruments
(http://www.nec-avio.co.jp/en/),
FLIRT
systems
(http://www.flir.com.hk/), MICRON instrument (http://www.mikroninfrared.com/), aj.
33
3.7.3
Vyhodnocení záření při měření termovizní kamerou(1)
Při vlastním termovizním měření dochází k vzájemnému přenosu a ovlivňování zářivých toků nejen mezi kamerou a měřeným objektem, ale prakticky vždy je třeba brát v úvahu i vliv záření okolního prostředí. Je-li transmitance měřeného objektu t ≠ 0 , musíme navíc uvažovat i vliv záření pozadí (za měřeným objektem) a je-li emisivita prostředí mezi kamerou a objektem ε L ≠ 0 , je třeba uvažovat i vliv záření prostředí o délce L [m], viz obr. 3.7-3. Další rozbor bude proveden pro nejčastější případy termovizních měření, kdy t = 0 a ε L = 0 .
3.7-3 Uspořádání objektů při termovizním měření(1)
Jelikož kamera snímá záření pouze v omezeném rozsahu vlnových délek (spektrální citlivost kamery) a čidlo reaguje na dopadající záření jen s určitou účinností, bude v
[
]
dalším textu místo hustoty zářivého toku E w ⋅ m −2 použita hodnota úměrná, která může být u čidel reagujících na tepelný tok zářením ztotožněna s hustotou tepelného
[
]
toku zářením q& w ⋅ m −2 . Pro vlastní hustotu tepelného toku zářením měřeného objektu
[
]
q& w ⋅ m −2 o teplotě T [K ] a emisivitě povrchu ε [−] platí q& ≈ ε ⋅ σ 0 ⋅ T 4 .
(3.7: 1)
[
Pro vlastní hustotu tepelného toku zářením okolí q& r w ⋅ m −2
34
]
o teplotě Tr [K ]
(označované též jako radiační teplota) a pro hustotu tepelného toku zářením z okolí
[
]
odraženou od měřeného objektu q& r* w ⋅ m −2 můžeme psát q& r ≈ σ 0 ⋅ Tr4 ,
q& r* ≈ (1 − ε ) ⋅ σ 0 ⋅ Tr4 .
(3.7: 2) a
(3.7: 3)
[
Pro vlastní hustotu tepelného toku záření z pozadí q& Z w ⋅ m −2
[
]
o teplotě TZ [K ] a
]
hustotu tepelného toku zářením prošlou měřeným objektem q& Z* w ⋅ m −2 o transmitanci t = 0 platí q& Z ≈ σ 0 ⋅ Tz4 ,
q& Z* ≈ t ⋅ σ 0 ⋅ Tz4 = 0 .
(3.7: 4) a
(3.7: 5)
[
]
Pro vlastní hustotu tepelného toku zářením prostředí q& L w ⋅ m −2 o teplotě TL [K ] a pro
ε L = 0 platí q& L ≈ ε ⋅ σ 0 ⋅ TL4 = 0 .
(3.7: 6)
V soustavě je třeba uvažovat i vlastní hustotu tepelného toku detektoru kamery
[
]
q& K w ⋅ m −2 o teplotě TK [K ] , která se z pohledu objektu jeví podobně, jako okolní prostředí a platí vztah q& K ≈ σ 0 ⋅ TK4 .
(3.7: 7)
Hustoty tepelných toků všech objektů před kamerou, pro q& L = 0; q& Z* = 0 , lze vyjádřit vztahem q& C* = q& C = q& + q& r ≈ ε ⋅ σ 0 ⋅ T 4 + (1 − ε ) ⋅ σ 0 ⋅ Tr4 .
(3.7: 8)
Pro vzájemnou hustotu tepelného toku zářením mezi objekty před kamerou a kamerou platí
[
q& CK = σ 0 ⋅ ε ⋅ T 4 + (1 − ε ) ⋅ Tr4 − TK4
]
(3.7: 9)
(je potřeba ovšem dodat, že výrazy σ 0 ⋅ T 4 , σ 0 ⋅ Tr4 a σ 0 ⋅ Tk4 platí pouze pro celý rozsah vlnových délek, a že tyto výrazy by měl být ve skutečnosti nahrazeny výrazem odpovídajícím spektrální citlivosti kamery, respektive součtem energií na vlnových
35
λ2
délkách udaných spektrální citlivostí a to:
∫c
λ1
2
h
2πλ−5 e
ch kλT
⋅ dλ , kde vlnové délky
−1
λ1 , λ2 udávají rozsah spektrální citlivosti kamery. Výsledek takovéhoto integrálu se k ⋅ σ 0 ⋅ T 4 , což pouze nepatrně změní rovnici na tvar
bude nejspíše blížit výrazu
[
]
q& CK = k ⋅ σ 0 ⋅ ε ⋅ T 4 + (1 − ε ) ⋅ Tr4 − TK4 ). Z tohoto vztahu lze vyjádřit teplotu povrchu měřeného objektu T [K ] ve tvaru q& CK T=
4
σ0
+ TK4 − (1 − ε ) ⋅ Tr4 .
ε
(respektive T =
4
(3.7: 10)
q& CK + TK4 − (1 − ε ) ⋅ Tr4 k ⋅σ 0
ε
)
[
]
Je-li napětí U k [V ] na čidle termovizní kamery úměrné tepelnému toku q& CK w ⋅ m −2 , lze teplotu určit z rovnice T =4
K 1 ⋅ U K + K 2 − (1 − ε ) ⋅ Tr4
ε
,
(3.7: 11)
kde K1 a K2 jsou cejchovní konstanty kamery. Pro nelineární závislost U = f (q& CK ) může být cejchovních konstant i více.
Graficky je rovnice (3:7: 11) zobrazena na obr. 3.7-4, a to pro teplotu záření okolí Tr = 300 K. Je zřejmé, že při určitém konkrétním signálu v kameře, daném napětím na detektoru a cejchovními konstantami, je teplota povrchu objektu T závislá na emisivitě povrchu. Pro T > Tr vyhodnocená teplota objektu s klesající emisivitou roste a pro T < Tr vyhodnocená teplota objektu s klesající emisivitou klesá. Tato skutečnost je zřejmá i z obr. 3.7-5, který ukazuje vliv chybného nastavení emisivity na naměřenou teplotu objektu.
36
3.7-4 Určení teploty z napětí na čidle kamery(1)
3.7-5 Vliv chybného nastavení emisivity(1)
Následující obrázek zobrazuje spektrální hustotu zářivého toku černého tělesa v různých rozsazích spektrální citlivosti kamery. Lze jej získat dosazením spektrální citlivosti za
λ1 a λ 2 2 do následujícího vztahu. Např. pro černé těleso λ1 = 0 a λ 2 = ∞ . λ2
E 0λ = ∫ c 2 h λ1
2πλ−5 e
ch kλ T
⋅ dλ
−1
37
3.7-6 Vlastní hustota zářivého toku černých objektů pro různé spektrální citlivosti kamery(1)
3.7.4
Kalibrace termovizní kamery
Bezdotykové teploměry je nutno pravidelně kalibrovat a k tomu se velmi často používá
černého tělesa. Základem kalibrátorů s černým tělesem je obvykle válcová dutina vyrobená z kovového materiálu, povrchově upravena černou barvou. Emisivita povrchu dna dutiny je známa a pohybuje se v rozmezí 0,98 až 0,99. Teplota dna válcové dutiny je udržována na požadované hodnotě pomocí vhodného regulátoru teploty. Při kalibraci se bezdotykový teploměr zaměří na plochu dna válcové dutiny(4).
3.7-7 Výpočet přesné emisivity černého tělesa kulového tvaru(7) Lze dokázat, že emisivitu kulového černého zářiče ε0 lze vypočítat ze vztahu(7): 38
1− ε p d 2 ε 0 = 1 − × πD 2 4
kde
(3.7: 12)
εp je emisivita vnitřního povrchu dutiny d je průměr výstupního otvoru D je vnitřní průměr dutiny
3.7.5
Nástrahy a chyby měření obecně(4)
1) měřený objekt může být lesklý, drsný, barevný, černý nebo také průhledný, přičemž tyto vlastnosti se při měření uplatňují rozdílně (mění se emisivita povrchu) 2) za průhledným měřeným objektem se může v některých případech nacházet zdroj rušivého záření 3) u neprůhledného měřeného objektu může být zdrojem rušení odraz záření pocházejícího z rušivého zdroje (např. Slunce) 4) prostředí mezi měřeným povrchem a pyrometrem má proměnný činitel prostupu (CO2, H2O, prach).
3.7-8 Hlavní zdroje chyb při bezdotykovém měření(4)
Další chyby mohou být způsobeny: -nesprávně nastavenou emisivitou -nedodržením zaměřovací vzdálenosti určené výrobcem -znečištěnou optikou, stárnutím detektoru, odchylkami teploty přístroje od jmenovité hodnoty -úhel má vliv na měření -špatným výběrem kamery 39
3.7.6
Výběr spektrální citlivosti termokamery(1)
Zpravidla existují dva faktory ovlivňující výběr spektrální citlivosti termokamery
1) Výběr vlnové délky termokamery(=spektrální citlivosti=efektivní vlnové délky), při které objekt vyzařuje co možná nejvíce tepelného záření. Při pořizování kamery je tedy třeba volit spektrální citlivost dle požadovaného rozsahu měřených teplot (plyne z Wienova posunovacího zákona: pro vyšší teploty jsou vhodné kratší vlnové délky, pro nižší teploty delší vlnové délky). Je však také potřeba přihlédnout k emisivitě realných záříčů, která může strmě klesat při daném rozsahu vlnových délek a dané teplotě měření. Podrobněji je tento problém rozebrán v kapitole teplotní a spektrální závislost emisivity.
2) Vlastnost prostředí při určitých vlnových délkách pohlcovat tepelné záření. Je třeba dbát na vlastnosti prostředí mezi termovizní kamerou a zkoumaným objektem, aby nedocházelo k pohlcování záření prostředím, jelikož prostředí o t ≠ 1 by mělo a = ε ≠ 0 , a tím pádem by samo zářilo a narušovalo by tak měření. Pro termovizní měření v prostoru se vzduchem jsou vhodné rozsahy spektrální citlivosti I, II, III, uvedené na obr. 3.7-9, při kterých je pohltivost prostředí prakticky nulová.
3.7-9 Závislost transmitance vzduchu t na vlnové délce záření λ pro vzdálenost L = 10 m, teplotu 25 °C, tlak 1013 mbar a relativní vlhkost 85 %(1)
40
3.7-10 Vliv absorptance konkrétních složek atmosféry na vlnové délce(7)
3.7.7
Zásady při manipulaci s termovizní kamerou(1)
Při práci s termovizní kamerou je třeba dodržovat jisté zásady, aby bylo dosaženo co možná nejpřesnějšího výsledku, a aby nedošlo k poškození drahého zařízení.
kameru je třeba chránit před: agresivním prostředím, extremními teplotami, znečištěním, prachem, nárazy, nepřízní počasí
3.7.7.1 pořízení snímků -Pro kvalitní záběry v terénu je vhodné používat stativ.
3.7.7.2 transport -Při transportu kamery je třeba chránit především objektiv a nejlépe je provádět transport ve speciálním kufru
3.7.7.3 napájení -Pro práci v laboratoři je vhodný síťový adaptér, pro práci v terénu jsou vhodné akumulátory s nabíječkou.
3.7.7.4 uchování dat -Termogramy pořízené v terénu lze uchovávat na vyměnitelném paměťovém médiu nebo přímo v notebooku.
3.7.8
Rozbor tepelného toku mezi objektem a termokamerou(1)
3.7.8.1 neprůteplivý objekt - nastavit vhodný rozsah teplot 41
- dostatečný teplotní spád(např. při výzkumu tepelných ztrát budov nejméně 20K) - objekt musí být v zorném poli kamery co největší(vhodná vzdálenost, přiblížení, jiný objektiv, předsádkou objektivu, transfokátorem) - znalost emisivity měřeného objektu (tabulky nebo porovnání s např. dotykovým teploměrem a to pokud možno i jako funkci teploty, směru, či vlnové délky) - možnost provedení záznamu objektu z několika směrů, u laboratorních měření i v různých polohách a v různém natočení vůči okolí
3.7.8.2 částečně průteplivý objekt - záření pozadí: potřeba znát transmitanci objektu v rozsahu spektrální citlivosti kamery a teplotu pozadí. - prostředí se může projevovat i u malých objektů: zvětšit obraz kamery (přiblížením, jiným objektivem, předsádkou objektivu, transfokátorem)
3.7.8.3 objekt odrážející záření - vyšší odrazivost znamená nižší emisivitu a tedy nižší vlastní sepktrální hustotu zářivého toku (1= r + t + a; ε=a) - dochází k odrážení paprsků okolního prostředí - znalost střední radiační teploty Tr okolního prostředí nebo i radiačních teplot z určitého směru(hlavně u povrchů s malou emisivitou, které odrážejí záření částečně zrcadlově) - odclonit záření rušivých povrchů přepážkami nebo umístěním měřeného objektu do speciální komory (horké/chladné povrchy, plameny, žárovky, Slunce, lidé apod.) - u venkovních měření vhodné provádět brzy ráno nebo pozdě odpoledne kdy nesvítí tolik slunce - lze eliminovat diferenčním zpracováním obrazu, nejlépe však měřením ve speciální laboratoři s difúzně zářícími stěnami a konstantními teplotami povrchu - problém s dutými (konkávními) povrchy (sbíhavost odražených paprsků)
3.7.8.4 částečně neprůteplivé prostředí - způsobeno větším množství par H2O, plynů CO2, CO, aerosolů apod. - dochází k částečnému pohlcování záření prostředím (potřeba znát parametry prostředí: vzdálenost L objektu od kamery, transmitanci prostředí tL [-] a teplotu prostředí TL měřenou teploměrem stíněným vůči záření) - snižuje přesnost měření: neměřit v mlze, dešti nebo sněžení
42
3.7.8.5 měření okolního prostředí - potřeba znát přesně radiační teplotu Tr střední radiační teplota: postačí v případě homogenního prostředí rovinná radiační teplota: je vhodné ji znát u nehomogenního prostředí - měří se při nastavení ε = 1 namířením kamery do volného prostranství před měřeným objektem. Zjistí se průměrná radiační teplota v poloprostoru před měřeným objektem.
3.7.9
Určování a odstraňování vlivu emisivity při měření
Určení emisivity je jedním z hlavních klíčových faktorů správného měření termovizní kamerou. Pokud platí do důsledku II. Kirchhoffův zákon, pak lze v následujícím textu zaměnit slova emisivita za pohltivost.
3.7.9.1 Spektrální závislost emisivity(8) Emisivita se u šedých povrchů mění s vlnovou délkou. Lze tedy říct, že každá vlnová délka (od λ = 0 – ∞ m ) má vlastní emisivitu, jak je vidět na grafu č. 3.7-11. Emisivita povrchu pro určitý rozsah vlnových délek je tedy logicky váhovým průměrem těchto jednotlivých emisivit, kde jejich váhu určuje množství energie přenášené na konkrétních vlnových délkách černým povrchem.
3.7-11 Závislost emisivity na vlnové délce(7)
43
3.7.9.2 Teplotní závislost emisivity(8) Při změně teploty se změní emisivita jednotlivých vlnových délek, a tedy se změní i emisivita celého povrchu pro určitý rozsah těchto vlnových délek. Je třeba však dodat, že i kdyby se emisivita jednotlivých vlnových délek s teplotou nezměnila, stále platí Wienův posunovací zákon, který přesune určité množství vyzařované energie se změnou teploty na jinou vlnovou délku, a pokud daná vlnová délka, která tuto energii dostane/ztratí, bude mít jinou emisivitu (spektrální závislost emisivity), pak se při změně váhy emisivity této vlnové délky změní i celková emisivita. Z toho plyne, že i pokud emisivita jednotlivých vlnových délek nebude závislá na teplotě, stejně bude celková emisivita závislá na teplotě, díky existenci spektrální závislosti na emisivitě a Wienova posunovacího zakona.
a) nerezová ocel b) uhlíková ocel c) legovaná ocel (Cr, Mo, V) d) šamot e) dinas slinutý, korund
3.7-12 Závislost emisivity na teplotě(7)
3.7.9.3 Úhlová závislost emisivity(8) Povrch s definovanou „poloprostorovou“ emisivitou řekněme 0,90 nemusí mít při kolmém pohledu zář přesně devíti desetin záře černého tělesa stejné teploty, může do takového směru zářit poněkud silněji. A naopak, pozorujeme-li jej zboku, může jeho zář být slabší. Jak víme z obdoby ve světelné doméně, téměř tečné paprsky se na všech površích odrážejí více než paprsky dopadající na ně strmě (dobře je to patrné při pohledu na vodní hladinu), tedy bráno v pojmech z optiky, s růstem úhlu dopadu (měřeným od kolmice k danému povrchu) roste zpravidla odrazivost povrchu. Jinými
44
slovy, na reálném povrchu, na rozdíl od otvoru do velké dutiny (např. do jeskyně), se zdroje světla či jiného záření více či méně lesknou (větší lesk = větší odrazivost, větší odrazivost = menší pohltivost; pohltivost=emisivita). Proto se sálající povrch při pohledu hodně zboku jeví v termokameře méně teplý. Zář povrchu L můžeme pak vyjádřit jako
εασ T 4 L= π sr
(3.7: 13)
– index α naznačuje, že jde o emisivitu jen do daného směru. Tímto srovnáním s viditelným zářením není řečeno, že vlastnosti povrchů jsou pro vlnové délky světla a pro vlnové délky tepelného záření (lze jim říkat dlouhovlnné infračervené) stejné, ale geometricky jsou si obdobné. Dá se navíc říci, že v dlouhovlnném oboru jsou předměty zrcadlovější, méně matné – nerovnosti několikrát menší než daná vlnová délka (např. setina milimetru) se už neprojevují.
3.7.9.4 Metody určování a odstraňování vlivu emisivity(7) Jak je řečeno výše, emisivita se mění s vlnovou délkou a většina tabelovaných hodnot emisivit je ve skutečnosti váhovými průměry emisivit materiálů pro vlnové délky od λ = 0 – ∞ m. Jsou to tedy defakto celkové emisivity, které jsou však použitelné pouze pro úhrné pyrometry.
Nalezneme-li v tabulkách nebo odborné literatuře hodnotu emisivity materiálu, která odpovídá spektrální citlivosti pyrometru, stavu povrchu měřeného materiálu a požadovanému rozsahu teplot, může být problém vyřešen. Poměrně často však požadovaná množina informací není úplná, a proto je zpravidla potřeba pokusit se určit emisivitu některou s náhradních metod. Jsou jimi např.:
a) proměření materiálu ve specializované laboratoři b) zvýšení emisivity povrchu materiálu překrytím jeho povrchu černou páskou, nástřikem speciální tepelně odolné barvy s ε » 1 c) proměření teplotních charakteristik materiálu 45
d) kontrola měřené teploty dotykovým měřidlem e) porovnání radiačního měření s údajem poměrového pyrometru
ad a) Pokud potřebujeme měřit teplotu materiálu, která je povrchu vzorku tohoto materiálu na blízká pokojové teplotě, je možné si nechat změřit emisivitu specializovaném pracovišti.
ad b) Pro nízké teploty (do cca. 250 °C) lze pro určení skutečné teploty a emisivity měřeného povrchu překrýt tento povrch speciální černou pásku, ale musí být zajištěn dobrý přenos tepla z měřeného povrchu na vnější povrch této pásky. Povrch materiálu je možno také nastříkat černým sprejem v měřeném místě. Tak se dosáhne lokálního zvýšení emisivity materiálu na hodnotu blízkou hodnotě ε » 1. Pyrometr má nastavenou hodnotu emisivity ε = 1 nebo hodnotu emisivity udávanou výrobcem spreje. Některé firmy nabízejí tyto spreje až do teploty 700 °C (např. Wahl: Emisivity Coating Black Spray Paint ε= 0,95 do 730 °C). Jejich využití pro kontinuální měření není vhodné.
ad c) Třetí metodou je ohřev vzorku materiálu v malé pícce, v níž je teplota vzorku měřena termočlánkem. Pyrometr je zaměřen na vzorek. Měří jeho povrchovou teplotu a zároveň je korekce emisivity pyrometru nastavena na takovou hodnotu, aby údaj termočlánku a pyrometru souhlasil s požadovanou přesností. Tato jednoduchá metoda umožňuje stanovit pro konkrétní pyrometr a konkrétní materiál závislost emisivity na teplotě.
ad d) Nejužívanější metoda určování emisivity v provozních podmínkách je založena na současném měření teploty povrchu měřeného materiálu termočlánkem a pyrometrem. Teplota měřená pyrometrem se korekcí emisivity nastaví tak, aby se rovnala teplotě měřené kontaktním teploměrem. Tato metoda v praxi často představuje jedinou možnost správného nastavení a objektivizace měření, protože postihuje skutečně reálnou situaci při měření. Je však nutno zajistit, aby měl termočlánek s měřeným povrchem dobrý kontakt, aby byl schopen dostatečně rychle reagovat na změny měřené teploty a neodváděl z měřeného povrchu teplo.
ad e) Máme-li k dispozici poměrový pyrometr, který měří na vlnových délkách, kde se
46
měřený materiál chová s dobrou přesností jako šedé těleso, můžeme údaj našeho radiačního pyrometru srovnat s údajem tohoto pyrometru. Tato metoda je přesná do té míry, do jaké se měřený materiál chová jako šedé těleso. Existují také pyrometry s laserovým měřením emisivity. Problém je ovšem v tom, že emisivita určena pomocí laseru je určená pouze na jedné určité vlnové délce. Měříme-li na jiné vlnové délce, zjištěná hodnota emisivity odpovídá skutečné pouze do té míry, do jaké se chová měřený materiál jako šedé těleso.
3.7.10 Příklady použití termovizní kamery 3.7.10.1 Hledání poškozené součástky
3.7-13 IR scan - pojistky(6)
3.7-14 IR scan - ztracené spojení(6)
3.7.10.2 Hodnocení funkčnosti zařízení
3.7-15 IR scan - cpu(6)
3.7.10.3 Hledání tepelných ztrát
3.7-16 IR scan - tepelné ztráty budovy(6)
47
3.7.10.4 Získávání nových zajímavých informací(vidět co lidské oko nevidí)
3.7-17 IR scan- galaxie andromeda(6)
3.7-18 IR scan- skrytá vodovodní trubka s teplou vodou(6)
48
4
MATERIÁL A METODY
Pro měření byla vybrána Bioplynová stanice Černovice. Měření proběhlo v časných ranních hodinách, bylo zataženo, mrzlo (~ 0 °C) a proudil silný studený vítr.
4.1 Popis bioplynové stanice Provozovatel: Ústav využití plynu Brno, s.r.o. Uvedeno do provozu: 2007 Umístění: Jihomoravský kraj, okres Brno - město, Obec Tuřany, k.ú. Brněnské Ivanovice, 49°09'58.95" s.z.š, 16°39'19.21" v.z.d
49
1) pasterizační nádrž(9)
naskladňování tuhých materiálů(9)
2) homogenizační nádrž(9)
3) fermentor(9)
4) administrativní budova
5) strojovna kogenerační jednotky
50
charakteristika bioplynové stanice: -jde o jednostupňový anaerobní proces: při něm celý anaerobní rozklad (hydrolýza, acidogeneze,
acetogeneze,
methanogeneze)
probíhá
v
jednom
fermentoru
a
vyprodukovaný bioplyn tak navíc obsahuje i větší množství nežádané složky „CO2“ z fáze acidogeneze a acetogeneze. -fermentovaný materiál: biologicky rozložitelné odpady z kuchyní a jídelen, odpady z potravinářského průmyslu, plnění probíhá 1× denně -parametry fermentoru: doba zdržení 40 dní, kapacita ~ 1000 Mg×rok-1, objem fermentoru ~ 70 m3, T ~ 45 až 50 °C(termofilní) -kogenerační jednotka TEDOM T300 SP Bio: Běží pouze jeden motor a to pouze na elektrický výkon 100 kW z celkového maximálního výkonu 2×150 kW, tepelný výkon 370 kW max., spotřeba plynu 62,4 m3/h (121,4 m3/h max.) (maximální uvedené hodnoty jsou pro bioplyn s 65 % CH4 při n.p.0 °C, 101-325 kpa). V kogenerační jednotce se spoluspaluje plyn z fermentoru a skládkový plyn z místní
Černovické skládky. Teplo je využíváno pro chod bioplynové stanice, elektrická energie je dodávaná do distribuční sítě.
4.2 Popis měřicích zařízení FLIR ThermaCAM™ E320 (Obrázky
a
popis
z
oficiálních
http://www.flir.com.hk/E320.htm) ZÁKLADNÍ ÚDAJE termokamera E320
• zorné pole
23° × 17°
51
stránek
společnosti
FLIR
• min. ohnisková vzdálenost 0.3 m • teplotní citlivost
0.10 °C v 30 °C
• zaostřování
Manuální Focal
Plane
Array
(FPA),
• typ detektoru
microbolometr 320 x 240 pixelů
• digital zoom
1×, 2×, 4×
• spektrální citlivost
7.5 až 13 µm
nechlazený
MANIPULACE SE SNÍMKY • display
2.5" color LCD, 16K barev
• video výstup
PAL nebo NTSC, standard RCA composite video
• USB
datový přenos do pc
• RS-232 kabel
datový přenos do pc
MĚŘENÍ • rozsah teplot
-20 °C až +500 °C (s 2 ma rozsahy); volitelné: +250 °C až do +1,200 °C (s externím filtrem, pouze s objektivem 25°)
• přesnost
±2 °C, ±2 %
• opakovatelnost
±1 °C, ±1 %
UCHOVÁVÁNÍ SNÍMKŮ
52
• typ
zabudovaná paměť flash (83 snímků)
• formát souboru
standardní JPEG
LASEROVÉ ZAMĚŘOVÁNÍ Semiconductor • typ
AIGaInP
Diode
Laser:
1 mW/635 nm red
BATERIE • typ
Li-Ion, dobíjitelné (7.2 V)
• doba provozu
2 hodiny neustálého provozu.
• způsob dobíjení
AC
adapter(vstup:
90-260 V,
50/60 hz,
1000 mA, výstup: 12 V DC, 2500 mA)
DC- 12 V kabel(do auta)
2 bay intelligent charger
• napájení
11-16 V DC
PHYSICAL CHARACTERISTICS
53
• váha
< 800 g, včetně baterií a 25° objektivu
• rozměry
272 mm x 80 mm x 105 mm
ENVIRONMENTAL SPECIFICATION • teplotní rozsah měření
-15 °C až +45 °C
• teplotní rozsah skladování -40 °C až +70 °C užívání i skladování při 20% až 80%, bez • vlhkost
kondenzace
PŘEPRAVA Transportní bedna pro termokameru E320
Objektiv FOV 25 (http://images.google.cz/) FOV 25
54
Velbon CX444 (http://www.velbon.co.uk/newvelbon/pages/CX444.html) Velbon CX444
• nejvyšší dostupná výška
145 cm
• nejmenší dostupná výška
46 cm
• délka složeného stativu
48 cm
• hmotnost
1,3 kg
• nejvyšší možné zatížení
3 kg
Termohygrometr Omega RH81 - přenosný digitální teploměr a vlhkoměr (http://www.omega.com/Temperature/pdf/RH80.pdf) Omega RH81 (na obrázku vlevo)
• rozsah měření teplot
-10 až 50 °C
• rozsah měření vlhkosti
5 až 95 %
• přesnost měření teploty
±1 °C
• přesnost měření vlhkosti
od 10 do 90 % : ±4 % při 25 °C při jiném rozsahu: ±5 %
55
Leica DISTO™ A5 - dálkoměr (http://www.leica-geosystems.com/corporate/en/ndef/lgs_31658.htm) Leica DISTO A5
• měřící rozsah
0.05 až 200 m
• přesnost
± 1.5 mm
4.3 Metodika měření povrchové teploty Jak vyplývá ze Stefan-Boltzmannova zákona, jedna ze stěžejních veličin pro vyhodnocení teploty, která není termokamerou změřena, je emisivita. Je tedy vhodné být právě při určování této veličiny velice pečlivý. Pokud se neměří neustále stejný druh materiálu, může se stát, že kolik je měření teplot, tolik je určování emisivit. Pokud se snímkuje objekt, složený z více druhů materiálů, může se dokonce i stát, že na jedno měření teploty, připadne několik stanovení neznámých emisivit částí měřeného objektu. Navíc jelikož se od sebe jednotlivé termokamery mohou lišit, je dobré si před začátkem měření ujasnit vstupní parametry, které požaduje právě ta termokamera, kterou vlastníme a všechny pečlivě na místě proměřit dalšími měřícími přístroji. Současně je dobré neopomenout měření i těchto přidružených veličin, na které se pak díky soustředění se na měřenou teplotu může zapomenout. S vědomím, že požadovanou teplotu můžeme s termokamerou vyměnit, ale pouze za snímek měřeného objektu s přiloženými doplňujícími veličinami a podmínkami měření, se vyhneme spoustě problémů při konečném vyhodnocování.
Při měření je vhodné se držet následujícího postupu: • vybrat termokameru (pro běžná měření není potřeba věnovat příliš velkou pozornost)
56
• držet se obecných zásad termovizního měření • určit emisivitu objektu (lze ji určit i dodatečně, snímky lze upravovat pomocí programu a nastavené hodnoty měnit) • definovat a přizpůsobit podmínky měření ovlivňující tepelný tok mezi objektem a termokamerou
4.3.1
Výběr termokamery
Před začátkem měření, je v první řadě třeba vybrat vhodnou termokameru pro námi zamýšlené měření. Z tohoto hlediska je u měřeného objektu potřeba zohlednit především:
Vlnové délky, při kterých má objekt co možná nejvyšší hustotu zářivého toku. Vlnové délky, při kterých má prostředí pro záření transmitanci t » 1.
Je dobré zdůraznit, že termokamera měří jen v určitém pásmu vlnových délek (=spektrální citlivost), kde má materiál určitou průměrnou emisivitu, a suma energie, která je na těchto vlnových délkách zaznamenána detektorem, je pak násobena určitou konstantou k, která má tuto část změřené energie převést na celkovou zářivost černého tělesa
k=
E0 , E1
(4.3: 1)
kde E 0 je hustota zářivého toku černého tělesa a E1 je hustota zářivého toku šedého tělesa v rozsahu vlnových délek detektoru termokamery. Pak platí že při konstantní chybě termokamery ∆E1 , bude ∆k a tedy i chyba měření tím nižší, čím vyšší je množství zářivého toku šedého tělesa zaznamenávaného detektorem E termokamery dk = 0 E1
′ E = − 02 ⋅ dE1 . E1
(4.3: 2)
Při výběru spektrální citlivosti termokamery se lze řídit jednak Wienovým posunovacím zákonem, který definuje, že s rostoucí teplotou zářiče se posouvá maximální hodnota spektrální
hustoty
zářivého
toku
57
ke
kratším
vlnovým
délkám
( λ max ⋅ T = 2,897810 −3 mK ) a jednak emisivitou, která se také s vlnovou délkou může velmi výrazně měnit. Obecně však lze říci, že čím vyšší je rozsah vlnových délek, tím vyšší je spektrální hustota zářivého toku, avšak rozsah vlnových délek omezuje konkrétní detektor a také prostředí, které při daném rozsahu vlnových délek může pohlcovat záření a díky tomu také zářit. Výběr termokamery je tedy kompromisem mezi prostředím v kterém měříme (či jinými rušivými jevy) a spektrální citlivostí doposud známých a používaných detektorů.
4.3.2
Obecné zásady termovizního měření
Některé vhodné postupy při práci s termokamerou mohou být vypsány v manuálu ke kameře
-pokud možno kameru nakalibrovat pomocí černého tělesa o známé teplotě -kameru a především objektiv chránit transportem ve speciálním kufru -pro kvalitní záběry v terénu používat stativ -pro zjednodušenou pozdější analýzu snímků používat fotoaparát a fotit každý naměřený objekt, pokud není fotoaparát součástí termokamery -zkontrolovat, zda není znečištěna optika -zdroj napájení: kameru lze dobít i pomocí specielního konektoru z cigaretového zapalovače automobilu -náhradní přenosné medium: na které bude možné po zaplnění kapacity termokamery uložit data a pokračovat dále v měření (např. notebook) -zvážit měření pokud by mohlo dojít k poškození některé ze součásti kamery z důvodu: agresivního prostředí, extremních teplot, znečištění, prachu, nárazů, nepřízně počasí
4.3.3
Určení emisivity
V první řadě se pokoušíme nalézt emisivitu v tabulkách, je však potřeba zdůraznit, že emisivita je závislá na řadě faktorů: • na spektrální citlivosti kamery • na teplotě objektu • stavu a povrchu materiálu: lesklý, drsný, barevný … • samotném druhu materiálu
58
• na úhlu pod kterým záření opouští povrch
Pokud nebude možné s jistotou říci, že emisivita uvedená v tabulce odpovídá objektu, který měříme, je potřeba určit emisivitu povrchu některou s náhradních metod, jsou to např.:
a) proměření vzorku materiálu ve specializované laboratoři b) zvýšení emisivity povrchu materiálu překrytím jeho povrchu černou páskou, nástřikem speciální tepelně odolné barvy s ε » 1 nebo použitím černého tělesa c) kontrola měřené teploty dotykovým měřidlem (lze proměřit odděleně od termovizního měření pro širší rozsah teplot a tím získat závislost teploty na emisivitě, použitelnou pro pozdější měření) d) porovnání radiačního měření s údajem poměrového pyrometru
Pokud bude měřen objekt, složený z více druhů materiálů nebo s různým stavem povrchu a u všech těchto částí je možné, že bude třeba znát přesnou teplotu, je nutné změřit emisivitu všech těchto částí, jinak se může stát snímek nepoužitelným.
4.3.4
definování a přizpůsobení podmínek měření ovlivňující tepelný tok mezi objektem a termokamerou
Termokamera vyhodnocuje výslednou teplotu objektu na základě vlivu určitých veličin na tepelný tok, a na základě určitých počátečních teoretických předpokladů. A proto z důvodu co nejpřesnějšího měření je potřeba přizpůsobit podmínky měření vstupním hodnotám. Standardním výchozím předpokladem měření je většinou transmitance objektu t 0 = 0 a transmitance prostředí t p ≈ 1 . Ve skutečnosti tomu tak však být nemusí.
Na tepelný tok má dále vliv prostředí, které září na objekt o reflektanci r a takto odražené záření dopadá také na detektor termokamery(radiační teplota Tr). V této souvislosti nebude nejspíše hrát až tak velkou roli skutečnost, že při vyhodnocení teploty je potřeba tuto odraženou energii odečíst (s čímž termokamera počítá), ale spíše další špatně definovatelné vlivy, které mohou velikost odraženého záření před dopadem 59
na detektor nějakým způsobem ovlivnit, a které budou s největší pravděpodobností působit i na vlastní záření objektu. Lze připomenout například úhlový součinitel přestupu tepla zářením nebo transmitance prostředí t p ≠ 1 . Nyní se pojďme podívat na celý problém trochu podrobněji.
4.3.4.1 neprůteplivý objekt ( t = 0 ) V případě objektu nepropouštějící záření máme ideální podmínky pro měření. Lze tedy bez většího rozmýšlení postupovat následovně.
-nastavit vhodný rozsah teplot -dostatečný teplotní spád(např. při výzkumu tepelných ztrát budov nejméně 20K) -objekt musí být v zorném poli kamery co největší, největší problém u malých objektů, u nichž se může projevovat záření pozadí. Odstraníme zvětšením obrazu kamery (vhodná vzdálenost, přiblížení, jiný objektiv, předsádkou objektivu, transfokátorem) -nastavit emisivitu objektu -nastavit radiační teplotu Tr
4.3.4.2 částečně průteplivý objekt ( t ≠ 0 ) Objekt propouštějící záření narušuje měřený tepelný tok dalším vlivem, a to zářením, které vychází zpoza objektu a prochází ním až na detektor kamery.
- potřeba znát transmitanci objektu v rozsahu spektrální citlivosti kamery a teplotu pozadí Je třeba dodat že kamera FLIR E320 neumožňuje žádným způsobem zohlednit transmitanci objektu, a proto při měření touto kamerou můžeme dělat pouze zásahy, které povedou k přiblížení se transmitance objektu nule. Mělo by být ovšem také možné zahrnout záření pozadí do parametru záření prostředí, čímž by se pro kameru vyhodnocující výslednou teplotu na základě rovnice (3.7: 11) upravila teplota Tr na Tr1 .
Tr4 ⋅ (1 − ε − t ) T pozadí ⋅ t + , 1− ε 1− ε 4
Tr1 = 4
(4.3: 3)
což lze také vyjádřit tvarem průměrné radiační teploty
Tr4 ⋅ r T pozadí ⋅ t Tr1 = + r +t r +t 4
(4.3: 4)
4
60
kde Tr vyjadřuje záření prostředí, t transmitanci a r reflektanci objektu. T pozadí lze zjistit obdobně jako teplotu Tr (teplota záření dopadající na opačnou stranu objektu). - pokud není z nějakého důvodu možno transmitanci zohlednit, můžeme se pokusit učinit povrch objektu neprůteplivým. Například použitím pro záření nepropustné barvy.
4.3.4.3 objekt odrážející záření ( r ≠ 0 ) Objekt odrážející záření odráží paprsky z okolního prostředí, které dopadají opět na detektor kamery. Většina vyhodnocení již počítá s tím, že objekt bude odrážet záření, tedy že nebude dokonale černý. Avšak vyšší odrazivost „znamená“ nižší emisivitu a tedy nižší vlastní sepktrální hustotu zářivého toku ( 1 = r + t + a; ε = a ), což vede ke zvýšení chyby měření, stejně tak jako nemožnost naprosto přesné znalosti reflektance/emisivity objektu.
-znalost střední radiační teploty Tr okolního prostředí nebo i radiačních teplot z určitého směru (hlavně u povrchů s malou emisivitou, které odrážejí záření částečně zrcadlově) -odclonit záření rušivých povrchů přepážkami nebo umístěním měřeného objektu do speciální komory (horké/chladné povrchy, plameny, žárovky, Slunce, lidé apod.) -u venkovních měření vhodné provádět brzy ráno nebo pozdě odpoledne kdy nesvítí tolik slunce -lze eliminovat diferenčním zpracováním obrazu, nejlépe však měřením ve speciální laboratoři s difúzně zářícími stěnami a konstantními teplotami povrchu -problém s dutými(konkávními) povrchy(sbíhavost odražených paprsků)
4.3.4.4 částečně neprůteplivé prostředí ( t p ≠ 1; ε p ≠ 0 ) Záření opouštějící objekt a dopadající na detektor kamery prochází prostředím (atmosférou), která pohlcuje záření, především v oblasti určitých vlnových délek. Z převážné části je tento problém eliminován již výběrem spektrální citlivostí kamery a pro běžné podmínky nehraje pohltivost prostředí velkou roli.
-způsobeno větším množství par H2O, plynů CO2, CO, aerosolů apod. -dochází k částečnému pohlcování záření prostředím
61
Potřeba znát parametry prostředí: transmitanci prostředí tL [-] a teplotu prostředí TL měřenou teploměrem stíněným vůči záření. Transmitance bývá většinou zjištěna náhradními veličinami, vzdáleností L objektu od kamery a vlhkostí prostředí. - snižuje přesnost měření: neměřit v mlze, dešti nebo sněžení
4.3.4.5 měření okolního prostředí Rád bych zopakoval, že výsledná naměřená teplota, může být vyhodnocena termokamerou správně, jen pokud budou přesně zadány vstupní hodnoty. Je dobré tento fakt nepodcenit, zvláště pak u radiační teploty, která má na vyslednou teplotu výrazný vliv. Zvláště pak je dobré si uvědomit, že nejen ona radiační teplota se mění v prostoru, ale také v čase. Není proto možné změřit jednu radiační teplotu a dále se věnovat pouze snímkování objektů
Radiační teplota Tr Každý nečerný objekt, jak již bylo zmíněno, odráží záření prostředí. Pro vyhodnocení množství takto odražených paprsků dopadajících z prostředí na detektor, je potřeba znát velikost záření prostředí, které dopadá a odráží se od měřeného objektu o reflektanci r.
-potřeba znát přesně radiační teplotu Tr střední radiační teplota: postačí v případě homogenního prostředí rovinná radiační teplota: je vhodné ji znát u nehomogenního prostředí -měří se při nastavení ε = 1 namířením kamery do volného prostranství před měřeným objektem.
Další možné vstupní parametry: Atmosférická teplota TL - měří se teplota atmosféry(okolního vzduchu), pokud možno stíněným teploměrem, aby se omezil vliv záření z okolního prostředí. Vlhkost prostředí- společně se vzdáleností od objektu vyjadřuje vliv atmosféry, kterou měřené záření prochází Vzdálenost od objektu Povětrnostní podmínky- použití různých korekčních součinitelů, které upravují a přibližují výslednou teplotu teplotě, kterou bychom naměřili bez povětrnostních vlivů
62
5
VÝSLEDKY PRÁCE
Měření proběhlo na základě sestavené metodiky.
Spektrální citlivost termokamery FLIR E320 je 7,5 až 13 µm. Jak lze ověřit s grafů níže, vybraná termokamera vyhovuje.
Graf zdůrazňující vliv absorptance konkrétních složek atmosféry na vlnové délce(7)
Dodržovány byly i další zásady a kamera, již dříve nakalibrovaná, byla přepravována ve speciálním kufru společně se stativem. Bylo vyhodnoceno, že zdroje napájení ani náhradního datového media nebude třeba. Kapacita FLIRU E320 83 snímků postačuje a samotná kamera byla před přemístěním se na místo měření dobita.
Prostředí bylo průteplivé, objekt byl neprůteplivý odrážející záření. Postup byl proto následující: -Byla změřena radiační teplota (odražená teplota)- při nastavení ε = 1 namířením kamery do volného prostoru před měřeným objektem. -Relativní vlhkost a atmosférická teplota byly změřeny pomocí Omega RH81 -Pokus o určení emisivity s pomocí dotykového teploměru (Omega RH81) Emisivitu takto lze snadno určit způsobem, kdy objektu snímanému termokamerou stále přidáváme/ubíráme emisivitu do doby, dokud se teplota z termokamery, neshoduje s teplotou z dotykového teploměru. Bohužel tato metoda selhala, jelikož koncovka dotykového teploměru nebyla chráněná před povětrnostními vlivy a foukal natolik silný a studený vítr, že i při pouhém dotyku měřeného místa lidskou rukou bylo zřejmé, že teploměr zobrazuje minimálně o 10 °C odlišnou teplotu. -emisivita byla tedy určena z tabulek emisivit 63
Vyhodnocení:
• emisivita
0,58
• odražená teplota
0 °C
• atmosférická teplota 2,1 °C • relativní vlhkost
69,8 %
vzduchu • vzdálenost
64
3,7 m
Na spodní straně (terč z červenou šipkou) je vada materiálu. Páska uprostřed (281,8 °C) má vyšší emisivitu(je zkorodovaná), proto má také na termosnímku vyšší teplotu než je teplota sousedící (143,9 °C). V levém horním rohu(začíná bodem 297,1 °C a pokračuje směrem dolů) se odráží záření pocházející z komína. Ovšem trochu jiné lesklosti povrchu si lze v oněch místech všimnout i na normální fotografii. Teplejší pás má tedy pravděpodobně i vyšší emisivitu. Ke změně lesklosti povrchu došlo nejspíš vlivem dlouhodobého působení onoho záření z komína, díky kterému byla tato oblast vystavována dlouhodobě vyšším teplotám. Vysoká teplota napovídá, že kogenerace tepla a energické energie má ve své účinnosti značné rezervy. Komín je velmi nízko nad zemí, při pouhém natažení ruky by na něj šlo dosáhnout.
65
• emisivita
0,85
• odražená teplota
0 °C
• atmosférická teplota 2,1 °C • relativní vlhkost
69,8 %
vzduchu • vzdálenost
3,7 m
nejvyšší teplota (terč z červenou šipkou) je v místě, kde by byl za normálních okolností nejvyšší odpor, dochází ke styku částic a tím i k silnějšímu přestupu tepla.
66
• emisivita
0,85
• odražená teplota
0 °C
• atmosférická teplota 2,1 °C • relativní vlhkost
69,8 %
vzduchu • vzdálenost
3,7 m
Spaliny se při průchodu komínem postupně ochlazují, na spodní straně vlevo si lze všimnout místa s vyšší teplotou, která roste směrem k okraji komína.
67
• emisivita
0,85
• odražená teplota
0 °C
• atmosférická teplota 2,1 °C • relativní vlhkost
69,8 %
vzduchu • vzdálenost
3,7 m
V horní části jsou zprava do leva umístěny blízko u sebe měřicí body. Z nich je patrné, že emisivita se zvyšujícím se úhlem směrem od kolmice klesá nebo také jinak že s rostoucím úhlem od kolmice roste odrazivost, proto je zobrazovaná teplota nižší. Na spodní straně je vidět místo z vyšší teplotou, která se zvyšuje směrem k levému kraji komína. To lze slaběji pozorovat v celé šířce. Pokud by se změnil rozsah teplot, pak by se na snímku zobrazily spaliny opouštějící komín a bylo by zřejmé, že pravá strana komína je chladnější díky proudícímu větru.
68
• emisivita
1
• odražená teplota
-
• atmosférická teplota 2,1 °C • relativní vlhkost
69,8 %
vzduchu • vzdálenost
69
3,7 m
Na snímku je patrné, jak vítr spaliny unáší pryč, a kterým směrem. Emisivita je nastavena na hodnotu 1, teplota tedy zobrazuje zářivou energii ( E = σ ⋅ T 4 ), nikoliv skutečnou teplotu. Odražená teplota při ε = 1 nehraje v tomto případě žádnou roli, spíše je zajímavá teplota záření pozadí. Ta je zobrazena v pravém horním rohu a činí ~ –4,2 °C. Na snímku je patrné, jak koncentrace spalin klesá(transmituje větší množství záření pozadí) a současně se ochlazují, proto klesá jejich zářivá energie. Na spodních 4 bodech snímku není teplota ovlivněna větrem, jinak řečeno neovlivněna teplotou okolního vzduchu. To proto, že záření atmosféry termokamera díky své spektrální citlivosti nezaznamenává. Záře přicházející z okolí komína je nejspíše způsobena nenulovou odrazivostí prostředí. Podobný jev lze pozorovat v noci v okolí lamp veřejného osvětlení.
70
71
• emisivita
1
• odražená teplota
-1 °C
• atmosférická teplota 2,1 °C • relativní vlhkost
69,8 %
vzduchu • vzdálenost
1,5 m
Pro tento snímek byl použit jiný typ zobrazení, v kterém jsou teploty zobrazeny spíše pomocí odlišných barev než různých odstínů, díky čemuž vznikne dojem určité teplotní hladiny, která je pak barevně přidělena danému pásmu na povrchu objektu. Při vyhodnocování poškozených součástí strojů nemusí hrát roli pouze teplota jdoucí přes vrstvu materiálu směrem k povrchu, ale také do stran, k čemuž se právě toto zobrazení může vhodně použít.
72
• emisivita
0,92
• odražená teplota
-1 °C
• atmosférická teplota 2,1 °C • relativní vlhkost
69.8 %
vzduchu • vzdálenost
73
2m
Termosnímek dokumentuje tvrzení, že objekty se v IČ oblasti jeví více zrcadlovější (méně matné). Obraz je podobný pohledu na vodní hladinu z tečného směru. Na víku (31,8 °C) se odráží tepelné záření od držátek. Na povrchu válce lze odraz pozorovat také, a to v okolí víka(27,8 a 28 °C) i v místě kde je uchycen držák homogenizační nádrže (25,4 °C). Na víku jsou teplejší místa. Na obyčejné fotografii je patrné, že tyto místa jsou zkorodovaná a mají proto vyšší emisivitu.
74
• emisivita
0,92
• odražená teplota
-1 °C
• atmosférická teplota 2,1 °C • relativní vlhkost
69,8 %
vzduchu • vzdálenost
4,2 m
Stejná konstrukce jako je na snímku nádrže pro digestát je použita pro prakticky celou bioplynovou stanici až na pasterizační nádrž. Nevhodnost konstrukce vychází z jejich
částí, které částečně fungují jako topení a jsou tak zbytečně vyhřívány.
75
• emisivita
0,92
• odražená teplota
-1 °C
• atmosférická teplota 2,1 °C • relativní vlhkost
69,8 %
vzduchu • vzdálenost
5,6 m
Podstava konstrukce připravuje reaktor o značné množství tepla. Plášť reaktoru je z hliníku o emisivitě ~ 0.25, tudíž jeho teplota zobrazená na snímku je především odrazem spodní části podstavy
76
• emisivita
0,92
• odražená teplota
-1 °C
•
atmosférická 2,1 °C
teplota • relativní vlhkost
69,8 %
vzduchu • vzdálenost
3,7 m
Nezateplené trubky, které ohřívají reaktor teplou vodou. Teplota uvnitř je 41,8 °C. Lze snadno vydedukovat, že spodní částí proudí teplá voda dovnitř reaktoru a vrchní ven. Teplota vody vstupující přesahuje 62,1 °C, podle měřících zařízení bioplynové stanice má teplá vodu ohřátá od kogenerační jednotky teplotu 66,3 °C. Teplotu tak vysokou je potřeba především z důvodu tepelných ztrát. Je známo, že methanovým bakteriím žijícím v rozmezí mezofilního a termofilního prostředí (~40 °C) vadí krátkodobé výkyvy teplot již okolo 2-3 °C, ke kterým může v reaktoru dojít v průběhu míchání.
77
• emisivita
0,92
• odražená teplota
-1 °C
• atmosférická teplota 2,1 °C • relativní vlhkost
69,8 %
vzduchu • vzdálenost
1,8 m
Další významnou tepelnou ztrátu představují 2 víka umístěná na reaktoru Na snímku lze pozorovat téměř nezářící šrouby víka. To lze vysvětlit vysokým leskem hlav těchto šroubů. Rozdíl odlišných barev nátěrů v IČ oblasti nelze prakticky rozeznat. Jejich emisivity budou velmi podobné ne-li stejné.
78
• emisivita
0,92
• odražená teplota
-1 °C
• atmosférická teplota
2,1 °C
• relativní vlhkost
69,8 %
vzduchu • vzdálenost
Ztráty tepla přírubami reaktoru
79
6,1 m
• emisivita
0,92
• odražená teplota
-1 °C
• atmosférická teplota 2,1 °C • relativní vlhkost
69,8 %
vzduchu • vzdálenost Další ztráty tepla
80
4,8 m
• emisivita
0,25
• odražená teplota
-1 °C
• atmosférická teplota 2,1 °C • relativní vlhkost
69,8 %
vzduchu • vzdálenost
3,4 m
Při manipulaci nejspíše došlo k poškození přední strany konstrukce pláště homogenizační nádrže, rozložení teplot na povrchu je díky tomu víceméně nahodilé a připomíná deformaci.
81
6
ZÁVĚR
Samotná termokamera je zatím poměrně finančně nákladná, což omezuje její širší uplatnění, ikdyž cena termokamer v poslední době prudce klesá. Hlavní výhody použití termokamery oproti obdobným zařízením, vychází především ze skutečnosti bezkontaktního měření a zobrazení celého teplotního pole. Termokamerou lze celkem snadno bez náročnějších zásahů zjišťovat nejrůznější skutečnosti. Tepelné ztráty, konstrukční chyby, funkční nedostatky, poruchy přístrojů, místa kde dochází ke zvýšenému tření, diagnostika rakoviny v medicíně, na to všechno a na mnohé další lze termokameru využít. Kudy neprojde světlo, tudy stále může projít teplo, které pak může být vyhodnoceno. V tomto případě byla termokamera použita na zařízení odpadového hospodářství, konkrétně na bioplynovou stanici. Vyhodnocení poskytlo spoustu zajímavých informací. Při pohledu na konstrukci reaktoru a i dalších části bioplynové stanice zjistíme, že nebyla zvolena zrovna šťastně. Dochází k výrazným neekologickým ale i neekonomickým tepelným ztrátám. Teplo je tak zvaně pouštěno pánu bohu do oken. Podstava, příruby, víka, ale bohužel i zbytečně nezaizolované trubky s teplou vodou fungují na reaktoru doslova jako topení. Pokud jde o samotnou kogeneraci, která transformuje v reaktoru vyprodukovaný bioplyn na elektrickou energii a ohřívá teplou vodu, lehce při pohledu na teplotu spalin, překračující povrchovou teplotu komína 300 °C, bude vyvozeno, že účinnost kogenerace má značné rezervy. Samotný komín, který dosahuje oněch 300 °C je na tak vysokou teplotu velmi nízko nad zemí a na spodní straně nejspíš hrozí proděravění. Je tedy na zvážení, zda z hlediska bezpečnosti práce je vývod z kogenerační jednotky vhodně umístěn a zabezpečen proti náhodnému kontaktu. Pokud pohlédneme na konstrukci z pohledu vlivu na samotný proces fermentace a poučíme se ze zkušeností načerpaných výzkumem fermentačního procesu zjistíme, že methanovým bakteriím silně vadí výkyvy teplot a to zejména pokud jsou tyto změny teplot rychlé a teplota při této změně klesá. Konkrétně na methanové bakterie pracující při ~40 °C působí již teplotní výkyvy v okolí 2 °C. Z důvodu výrazných tepelných ztrát je nutné, aby teplá voda vstupující do reaktoru byla vyšší (66,3 °C) a z teorie přestupu tepla vyplývá, že i místo styku z fermentovaným materiálem musí vykazovat vyšší rozdíl teploty, aby tyto tepelné ztráty byly nahrazeny a nedošlo ke snížení teploty v celém reaktoru, při které methanové bakterie pracují při daném substrátu „nejlépe“, tedy 82
oněch ~40 °C. Pokud se spustí elektromotor zajišťující míchání substrátu, může dojít k lokálnímu rychlému ohřátí, ale i ochlazení. Bylo by však potřeba s nejvyšší pravděpodobností objektivizovat onen teplotní výkyv 2 °C, jelikož z pohledu Fourierova zákona pro přestup tepla za jednotku času je důležitá změna teploty, ale vztažená díky linearitě přestupu tepla kondukcí na jednotku 1 m skutečné tloušťky materiálu, přičemž konečný přestup tepla závisí také na druhu materiálu, jelikož teplota je obrazem kinetické energie atomů dané látky, avšak těžší atom při nárazu předá větši množství energie, tedy teplo takto předané může být při stejné teplotě různé. Pokud by tento teplotní výkyv opravdu souvisel jen s onou teplotou 2 °C, pak se lze domnívat, že jde pouze jen o konečné změny v pochodech metabolizmu dané methanové bakterie, při přechodu mezi dvěmi různými teplotami, o čemž však lze pochybovat.
83
7 1.
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY
Milan Pavelek, Eva Janotková, Josef Štětina, Vizualizační a optické měřící druhé
metody.
vydání.
Brno,
květen
2007.
[online].
URL
http://ottp.fme.vutbr.cz/users/pavelek/optika/ [cit. 10-10-2008] 2.
Michal Křížek. Západočeská univerzita. Katedra konstruování strojů. [online]. URL http://home.zcu.cz/~krizek4/zcu/podklady/TDS09.pdf [cit. 1710-2008]
3.
Miroslav Jícha, Přenos tepla a látky. VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství. Akademické nakladatelství CERM, s.r.o Brno, prosinec 2001. ISBN 80-214-2029-4.
4.
Karel
Kadlec,
teploměry.
Bezdotykové
Vysoká
škola
chemicko-
technologická v Praze. Ústav fyziky a měřící techniky. [online]. URL http://www.vscht.cz/ufmt/kadleck.html [cit. 30-11-2008] 5.
Roman Vavřička, Bezdotykové měření teploty. ČVUT v Praze, Fakulta strojní,
Ústav
techniky
prostředí.
[online].
URL
http://utp.fs.cvut.cz/vz/clanky/104.pdf [cit. 30-11-2008] 6.
Sierra Pacific , [online] http://www.x20.org/thermal/index.htm [cit. 08-012009]
7.
Rostislav
Szeruda,
Základy
pyrometrie.
[online].
URL
http://sweb.cz/pyrometrie/Zaklady.htm [cit. 24-01-2009] 8.
Stanislav Šťastník, Jan Hollan, Radek Steuer, Monžnosti určení emisivity materiálů pomocí infračervené termografie. Ústav technologie stavebních
hmot a dílců, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně [online]. URL http://amper.ped.muni.cz/jenik/LW-infrared/omitky06.pdf [cit. 14-02-2009] 9.
Hodnocení využitelnosti obnovitelných zdrojů, ÚEK Jihomoravského kraje,.
[online].
URL
http://www.kr-
jihomoravsky.cz/Default.aspx?pubid=50780&TypeID=7&foldid=5913&fold type=7 [cit. 01-02-2009] 10.
Lumír Havlíček, Ekologická výroba a využití bioplynu v provozech na zpracování koželužských odpadů. Diplomová práce, Ústav zemědělské,
potravinářské a environmentální technicky (AF). Knihovna MZLU.
84
11.
Jana Karásková, Perspektivy výroby a využití bioplynu ze skládek komunálních odpadů. Diplomová práce, Ústav zemědělské, potravinářské a
environmentální technicky (AF). Knihovna MZLU.
85
8
SEZNAM OBRÁZKŮ
3.1-1
Schéma rovinné stěny(3) .................................................................................. 11
3.3-1
Spektrum elektromagnetického záření(1)......................................................... 14
3.3-2
Spektrální hustota zářivého toku dokonale černého tělesa v závislosti na
vlnové délce záření a teplotě zářiče(1) ............................................................................. 16 3.3-3
Zobrazení Wienova posunovacího zákona v diagramu závislosti spektrální
hustoty zářivého toku dokonale černého tělesa na vlnové délce záření(1) ...................... 17 3.3-4
Zobrazení Stefanova – Boltzmannova zákona v diagramu závislosti spektrální
hustoty zářivého toku dokonale černého tělesa na vlnové délce záření(1) ...................... 18 3.3-5
Závislosti spektrální hustoty zářivého toku různých zdrojů záření na vlnové
délce záření(1) .................................................................................................................. 19 3.3-6
Průběh hustoty zářivého toku v absorbující vrstvě(1) ...................................... 20
3.3-7
Typy povrchů odrážejících záření(1)................................................................ 20
3.3-8
Rovnováha hustot zářivého toku(1).................................................................. 21
3.3-9
Příklady konstrukcí černých těles(1) ................................................................ 22
3.3-10
Závislost propustnosti t fotografické emulze na osvitu W(1) ........................... 23
3.4-1
Model dvou povrchů pro analýzu přenosu tepla zářením(3) ............................ 24
3.5-1
Odporový element reprezentující povrchový odpor(3) .................................... 25
3.5-2
Odporový element reprezentující prostorový odpor(3) .................................... 26
3.5-3
Odporová síť pro přenos tepla zářením mezi dvěma povrchy(3) ..................... 27
3.7-1
Schéma termovizní kamery(1) ......................................................................... 32
3.7-2
Termovizní kamery Jenoptik(1) ....................................................................... 33
3.7-3
Uspořádání objektů při termovizním měření(1) ............................................... 34
3.7-4
Určení teploty z napětí na čidle kamery(1) ...................................................... 37
3.7-5
Vliv chybného nastavení emisivity(1) .............................................................. 37
3.7-6
Vlastní hustota zářivého toku černých objektů pro různé spektrální citlivosti
kamery(1) 38 3.7-7
Výpočet přesné emisivity černého tělesa kulového tvaru(7) ............................ 38
3.7-8
Hlavní zdroje chyb při bezdotykovém měření(4) ............................................. 39
3.7-9
Závislost transmitance vzduchu t na vlnové délce záření λ pro vzdálenost
L = 10 m, teplotu 25 °C, tlak 1013 mbar a relativní vlhkost 85 %(1) .............................. 40
3.7-10
Vliv absorptance konkrétních složek atmosféry na vlnové délce(7) ................ 41
3.7-11
Závislost emisivity na vlnové délce(7) ............................................................. 43 86
3.7-12
Závislost emisivity na teplotě(7) ...................................................................... 44
3.7-13
IR scan - pojistky(6) ......................................................................................... 47
3.7-14
IR scan - ztracené spojení(6) ............................................................................ 47
3.7-15
IR scan - cpu(6) ................................................................................................ 47
3.7-16
IR scan - tepelné ztráty budovy(6) ................................................................... 47
3.7-17
IR scan- galaxie andromeda(6) ......................................................................... 48
3.7-18
IR scan- skrytá vodovodní trubka s teplou vodou(6) ....................................... 48
87
