Použití termokamery v technické praxi

Rok / Year: 2011

Svazek / Volume: 13

Číslo / Number: 1

Použití termokamery v technické praxi Practical use of thermocamera in technics Petr Švábeník, Lucie Dordová [email protected], [email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.

Abstrakt: Článek se zabývá využitím termokamery v technologickém odvětví pro měření optických a fyzikálních vlastností materiálů. Jsou zde popsány metody měření emisivity, součinitele tepelné vodivosti kovů a tepelného odporu chladiče. Popisuje návrh a provedené experimenty, které byly provedeny pro demonstraci těchto netradičních měření.

Abstract: This paper investigates the use of thermocamera in technical segment for measuring optical and physical parameters of materials. The measuring of emissivity, conductance and thermal resistance are written.

2011/2 – 11. 1. 2011

VOL.13, NO.1, FEBRUARY 2011

Použití termokamery v technické praxi Petr Švábeník, Lucie Dordová Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: [email protected], [email protected]

Abstrakt – Článek se zabývá využitím termokamery v technologickém odvětví pro měření optických a fyzikálních vlastností materiálů. Jsou zde popsány metody měření emisivity, součinitele tepelné vodivosti kovů a tepelného odporu chladiče. Popisuje návrh a provedené experimenty, které byly provedeny pro demonstraci těchto netradičních měření.

1 Záření a optika Pro pochopení základních vlastností o optice je vhodné zmínit se o tom, co je předmětem měření a s čím se toto měření setkává. Termokamera je přístroj, který snímá specifický druh záření. Záření je energie, která se může šířit různým prostředím. Pro popis vlastností záření, jeho vzniku a šíření se používá několik metod. Základním popisem je paprsková optika. Lepší a komplexnější popis nám dává vlnová a elektromagnetická optika. 1.1 Vlnová a elektromagnetická optika Obecné záření (světlo nebo jiný tok částic − fotonů) se šíří ve formě vln. Tyto vlny se ve vakuu šíří rychlostí přibližně c0 ≈ 3.108 m.s-1. V ostatních prostředích se šíří pomaleji dle rovnice rychlosti světla:

c=

c0 , n

(1)

kde c je rychlost světla v prostředí [m.s-1], c0 je rychlost světla ve vakuu (c0 ≈ 3.108 [m.s-1]), n je index lomu prostředí (n ≥ 1) [-]. Vlnová optika definuje záření pomocí jeho vlnové délky. Ta lze vyjádřit z rovnice:

c λ= , f

Obrázek 1: Spektrum vlnových délek záření [6] 1.2 Černé těleso a emisivita Absolutně černé těleso (angl. blackbody radiator) je ideální těleso, které pohlcuje veškeré záření a jeho vyzařovací charakteristika je přímo závislá na povrchové teplotě. Jedná se o ideální zářič, který veškerou tepelnou energii přemění na infračervené záření. Je charakterizován emisivitou ε = 1. Ideální černé těleso je pouze pojem, běžné předměty jsou od absolutně černého tělesa odlišné. Tuto odlišnost vyjadřuje parametr nazvaný emisivita ε. Emisivita každého materiálu je dále proměnná s teplotou předmětu, úhlem vyzařování a vlnovou délkou emitovaného záření. Šedé těleso má parametr ε < 1. Obecné neznámé těleso může mít emisivitu v rozsahu 0 < ε < 1. Variace Stefan-Boltzmannova zákona pro šedé těleso je:

(2)

kde λ je vlnová délka [m], c je rychlost světla v daném prostředí [m.s-1], f je frekvence vlny [Hz] nebo [s-1]. Viditelné světlo patří do oblasti vlnových délek přibližně 430 nm (fialová barva) až po 750 nm (červená). Infračervené záření (také nazývané IČ nebo IR) má vlnovou délku větší než viditelné světlo: 750 nm až 1 mm. Toto spektrum je ještě dále rozděleno na více částí. Pro termovizi se využívá oblast LWIR (long wave infrared) s vlnovou délkou 8 až 15 µm viz obrázek 1.

I = ε ⋅ σ ⋅T 4 ,

(3)

kde I je celková intenzita záření [W.m-2], ε je emisivita šedého tělesa [-], σ je Stefan-Boltzmannova konstanta (σ = 5,67.10-8 [W.m-2.K-4]), T je termodynamická teplota [K]. Spektrální emisivita je závislost vyzařování na vlnové délce, viz obrázek 2.

2–1

2011/2 – 11. 1. 2011

VOL.13, NO.1, FEBRUARY 2011

3 Měření vlastností materiálů Tato kapitola pojednává o rozšířeném využití termokamery Flir ThermaCAM™ PM595 s využitím znalosti dalších fyzikálních principů. Tyto úlohy byly navrhnuty pro měření parametrů materiálů a součástí tohoto návrhu je měření, které porovnává získané hodnoty s teoretickými (tabulkovými) hodnotami. 3.1 Měření emisivity

Obrázek 2: Srovnání spektrální emisivity černého a šedého tělesa při T = 500 K [1]

Emisivita je veličina udávající poměr vyzářené energie IR záření skutečného tělesa vůči ideálnímu tělesu. Tento parametr musíme při optickém snímání teploty ve formě IR záření znát. Emisivitu můžeme zjistit z tabulek emisivity, ale ne vždy se můžeme na údaje spolehnout. Různé povrchové úpravy mají také velmi rozdílnou emisivitu. Dalším a přesnějším způsobem jak zjistit emisivitu je měření pomocí termokamery. Nastavení emisivity je pro termokameru velice důležité, proto je nutné před započetím měření emisivitu změřit nebo jinak zjistit.

2 Typické využití termokamery Bezkontaktní měření teploty nachází praktické uplatnění v mnoha oblastech. Používá se při kontrolách tepelné izolace budov, může také odhalit praskliny ve zdivu. Ve strojírenství je termokamera vhodná pro inspekci tepelného namáhání materiálů, zahřívání a přehřívání ložisek, motorů a hlavně pohyblivých objektů, které není možné měřit přímo.

Pro měření byly vybrány tyto materiály: a) (Cu) měd, b) (Al) hliník, c) (Al) hliník natřený černou barvou, d) (Zn) zinek, e) (Pb) olovo. Emisivita se dá změřit několika způsoby. 1. Použitím referenčního teploměru − měříme teplotu neznámého objektu termokamerou a referenčním teploměrem. Teploměr udává přesnou teplotu tělesa a změnou v nastavení emisivity u termokamery se snažíme docílit shodné teploty. Když se teploty shodují, nastavená emisivita je právě ta emisivita neznámého tělesa. 2. Použitím referenční látky se známou emisivitou − Neznámé těleso pokryjeme nebo natřeme látkou o známé emisivitě ε0. Tuto nastavíme na termokameře a změříme teplotu tohoto známého povrchu ohřátého na teplotu tělesa. Tuto teplotu si poznamenáme − T0. Měřicí bod namíříme na povrch neznámého tělesa. Nyní měníme nastavení emisivity tak, dokud nedosáhneme stejné teploty T0, jaké měl známý povrch. Při nastavení stejné teploty odečteme emisivitu ε neznámého tělesa. 3. Použitím referenčního tělesa a výpočtem – Pro toto měření musíme mít známé těleso se známou emisivitou a teplotou a těleso s neznámou emisivitou, u kterého známe jeho teplotu.

Obrázek 3: Přetížení spojů v pojistkové skříni[2] V elektrotechnice je měření důležité při odhalování nedokonalých spojů vodičů, které mají velký přechodový odpor – viz obrázek 3. Protékající proudy způsobí přeměnu vzniklého výkonu na teplo a možné selhání systému. Obdobně se zjišťuje přetížení elektronických součástek, jejich poškození (zkraty apod.) nebo případné chyby v návrhu. Velmi vhodné je měření vodičů pod velmi vysokým napětím. Kvůli dostatečné izolaci a ochraně pracovníka prakticky není jinak možné měření teploty těchto vedení. Při termografii získáme obrázek, dnes nejčastěji barevný, kde každá barva přísluší nějaké teplotě. Obvykle se nejchladnější místa zobrazují modrou barvou, teplejší zelenou až žlutou a nejteplejší červenou až bílou. V černobílém termosnímku teplejším místům nejčastěji odpovídá bílá barva a chladnějším černá, ostatní teploty jsou rozprostřeny ve stupních šedé barvy.

Ad 1) Při tomto měření se vyskytl problém s odrazivostí lesklých vzorků – měď a hliník. Samotná emisivita takovýchto materiálů je nízká, ale uplatňuje se zde odražené infračervené záření z okolí, které potom termokamera snímá. Další nesrovnalost vznikla při měření více emisivních materiálů – exolovaného hliníku, zinku a olova. Termokamera zobrazovala teplotu předmětu vyšší, než byla skutečná naměřená pomocí teplomě-

2–2

VOL.13, NO.1, FEBRUARY 2011

ru. To by značilo, že emisivita je vyšší než 1, což je fyzikálně nemožné. Proto je předpokládáno, že termokamera není správně kalibrovaná a ukazuje vyšší teploty, než skutečně jsou. Výsledky jsou zobrazeny na obrázku 5. 1,0

ε (Zn)

0,8

Emisivita (-)

ε (Al1)

0,6

0,8

70 90 Teplota [°C] Obrázek 4: Emisivita materiálů měřená srovnáním s kontaktním teploměrem

50

Ad 2) Při dalším měření byl materiál pokryt černou matnou lepicí páskou. Je předpokládáno, že emisivita této pásky je ε0 = 0,95.

ε (Pb)

0,2

ε (Cu) ε (Al)

70 90 Teplota [°C] Obrázek 6: Emisivita materiálů měřená pomocí referenčního materiálu

ε (Cu) 30

ε (Al1)

0,4 0,0

ε (Al)

0,2

ε (Zn)

0,6

ε (Pb)

0,4 0,0

1,0 Emisivita (-)

2011/2 – 11. 1. 2011

30

50

Pro určení emisivity materiálu lze s výhodou použít jednoduchou a přesnou metodu pomocí srovnání s referenčním materiálem stejné teploty (3.1 ad 2) ). Pro eliminaci okolních jevů je vhodné měření provést v zatemněné chladné místnosti a zvolit měřící teplotu vyšší než teplota okolí alespoň o 40 °C. Ad 3) vychází ze Stefan-Boltzmannova zákona. Intenzita záření tělesa je přímo úměrná emisivitě, Stefan-Boltzmannově konstantě a čtvrté mocnině termodynamické teploty. V měření musíme dosáhnout takového stavu, kdy při měření termokamerou mají kontrolní a neznámé těleso stejnou „zdánlivou“ teplotu. Tato teplota je měřena a počítána termokamerou, ovšem neuvažujeme zde konkrétní vlastnosti předmětů, ale pouze vyzařovanou intenzitu IR záření. V takovém případě platí:

I1 = I 2 , ε1 ⋅ σ ⋅ T1 = ε 2 ⋅ σ ⋅ T2 , 4

ε1 =

Obrázek 5: Měření emisivity pomocí referenční pásky (nalepena na pravé části vzorku) Při tomto měření (viz obrázek 7) odpadl problém s nepřesnostmi měření teploty teploměrem, protože k měření byla použita pouze termokamera. Výsledky lze proto považovat za přesnější. Částečně byl eliminován i problém reflexivity materiálů – se vzorky nebylo nutné při měření manipulovat, takže byly neustále ve stejné poloze. Místnost byla zatemněná, tudíž i odrazy záření nebyly tak velké.

4

(4)

ε 2 ⋅ T24 , T14

kde I1, I2 jsou intenzity záření kontrolního a měřeného předmětu [W.m-2], ε1, ε2 jsou emisivity předmětů [-], T1 a T2 jsou termodynamické teploty předmětů [K], σ je StefanBoltzmannova konstanta (σ = 5,67.10-8 [W.m-2.K-4]). Měřením bylo zjištěno, že hodnoty jsou obdobné jako v předchozí metodě. Prokázala se ovšem nevýhoda metody – dvojí měření teploty teploměrem, které může zhoršovat přesnost vstupních hodnot a výsledného výpočtu. Nebyla měřena teplotní závislost, pouze statické hodnoty a ty jsou téměř shodné s bodem 2). 3.2 Měření tepelné vodivosti materiálů Každý materiál je složen z atomů a molekul. Protože jsou molekuly v látce relativně blízko sebe, mohou přenášet tepelný pohyb a tepelná energie může prostupovat materiálem. Protože mají různé materiály různou vzdálenost molekul, je tepelná vodivost pro každou látku jiná. Dobrými vodiči tepla jsou kovy, u nichž je tepelná vodivost zprostředkována pohy-

2–3

2011/2 – 11. 1. 2011

VOL.13, NO.1, FEBRUARY 2011

bem volných elektronů, které jsou blízko sebe. Naopak špatnými vodiči tepla jsou např. plasty a vzduch, protože jsou jejich částice ve větší vzdálenosti od sebe. Tepelná vodivost charakterizována součinitelem tepelné vodivosti λ, který je definován jako množství tepla Q, které projde za jednotku času τ tělesem a vytvoří na jednotkové délce tělesa teplotní rozdíl (tzv. teplotní spád).

Q = λ⋅S ⋅

∆T τ, d

(5)

kde Q je množství tepla [J], λ je součinitel tepelné vodivosti [W m-1 K-1] nebo také [J s-1 m-1 K-1], S je plocha tělesa [m2], ∆T je rozdíl termodynamických teplot [K], d je hloubka vniku tepla [m], τ je čas, za který teplo projde tělesem [s]. Vztah (4) upravíme do podoby [3]:

λ=

Q⋅d . S .τ .∆T

(6)

P=

Q , τ

(7)

Protože energie za čas je výkon:

Obrázek 8: Měřený objekt – olověný pás Srovnání vypočtených a tabulkových hodnot je v tabulce 1. Měření je vhodné pro dobře vodivé materiály, na kterých snadněji vytvoříme největší teplotní spád – mezní pro daný materiál. Tabulka 1: Měření součinitele tepelné vodivosti materiálů Cu, Al, Zn, Pb Měď Hliník Zinek Olovo Kov (Cu) (Al) (Zn) (Pb) vypočtené 415 215 121 67 λ [W.m-1.K-1] tabulky 395 229 111 35,3 λ [W.m-1.K-1]

kde P je výkon [W], můžeme tepelnou vodivost spočítat takto:

λ=P

d . S .∆T

(8)

Měření bylo provedeno na stejných vzorcích materiálů (Cu, Al, Zn, Pb) – viz obrázek 8 a obrázek 9. V horní části je materiál známých rozměrů zahříván topným elementem se známým výkonem a dole je chlazen ledem. Takto se vytvoří co největší teplotní spád a ze známých vztahů vypočte součinitel tepelné vodivosti.

Tímto měřením jsme zjistili reálné hodnoty tepelné vodivosti. Parametry téměř odpovídají tabulkovým hodnotám. Větší odchylka u olověného materiálu je pravděpodobně způsobena nedostatečným ohříváním. Na materiálu s nízkým λ se hůře vytváří maximální teplotní spád a pro nedostatečné ohřátí a ochlazení jsou hodnoty nepřesné. 3.3 Měření tepelného odporu chladiče V elektronice se chladiče využívají pro chlazení výkonových polovodičových součástek. Cílem měření je srovnání různých druhů chladičů za pomoci rychlého termografického měření (viz Obrázek 9). Chladič je určen konstantou:

RTCH = Obrázek 7: Měřený objekt – měděný pás

∆ϑ ϑch − ϑa = , P P

(9)

kde RTCH je tepelný odpor chladiče [K.W-1], ∆ϑ je oteplení chladiče nad okolní teplotu [K] nebo [°C], P je ztrátový výkon součástky na chladiči [W], ϑ a je teplota okolí [K] nebo [°C],

ϑ ch je teplota chladiče [K] nebo [°C].

2–4

2011/2 – 11. 1. 2011

VOL.13, NO.1, FEBRUARY 2011

Literatura [1] © FLIR Systems AB; ThermaCAM™ PM595 Operator's Manual, červenec 1999 - Publ. No. 557 391 - Ed. A [2] ir55.com, [online], [cit. 2010-12-15]. ThermaCAM P60. Dostupné z www: [3] Mgr. M. Jílek - MFF UK. FyzWeb [online]. 2006-09-20 [cit. 2010-11-03]. Měření tepelné vodivosti. Dostupné z www: . [4] GM Electronic spol. s r.o. [online]. 2010 [cit. 2010-1103]. DO1A (620-021). Dostupné z www: [5] GM Electronic spol. s r.o., [online]. 2010 [cit. 2010-1103]. V4330N (620-008). Dostupné z www: [6] math.montana.edu, [online], [cit. 2010-12-15]. se of Color Composites in Landsat TM Data. Dostupné z www: Obrázek 9: Průběh měření chladiče V4330N Chladič začneme zahřívat definovaným výkonem a změříme jeho teplotu a teplotu nejbližšího okolí. Ze vztahu (8) potom přímo vypočteme tepelný odpor. Tabulka 2: Tepelné odpory chladičů [4], [5] Chladič DO1A V4330N Tep.odpor vypočtený 20,4 15,7 RTCH [K.W-1] Tep.odpor katalog. 21 15 RTCH [K.W-1] Z měření vyplývá, že typizované chladiče DO1A a V4330N mají tepelný odpor 20,4 K.W-1 resp. 15,7 K.W-1, což prakticky odpovídá udávaným parametrům v katalogu.

4 Závěr V tomto dokumentu byly popsány některé tradiční oblasti pro použití termografického měření. Článek se více zaměřuje na využití v oblasti fyzikálních a optických vlastností materiálů a měření dalších fyzikálních parametrů. Měření byla provedena s termokamerou FLIR® ThermaCAM™ PM575. V článku je ukázáno možné měření emisivity materiálů, součinitele tepelné vodivosti kovů a tepelný odpor chladičů pro elektroniku. Určitými úpravami měřicích metod je možné změřit obdobné parametry jiných materiálů, např. tepelných izolantů. Přesnost termografického měření je závislá na kalibraci kamery a na vytvoření vhodných podmínek pro měření. Nejedná se o velmi přesné měření, ale jeho výhody jsou v jednoduché a názorné reprezentaci dat.

2–5