VYSOKÉ UýENÍ U TECHNICKÉ KÉ V BRNċ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY T
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A INFORMATIKY FACULTY OF MECHANICAL L ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMATION AND COMPUTER COMPU SCIENCE
EMISIVITA A VÝSLEDEK BEZDOTYKOVÉHO MċěENÍ ENÍ TEPLOTY EMISSIVITY AND RESULT T OF NON-CONTACTING NON TEMPERATURE RE MEASUREMENT
DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS
AUTOR PRÁCE
BC. MARTIN KOTRBA
VEDOUCÍ PRÁCE
Ing. František Vdoleþek, þek, CSc.
AUTHOR
SUPERVISOR
BRNO 2011
Strana 2
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav automatizace a informatiky Akademický rok: 2010/2011
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE student(ka): Bc. Martin Kotrba který/která studuje v magisterském navazujícím studijním programu obor: Aplikovaná informatika a řízení (3902T001) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce: Emisivita a výsledek bezdotykového měření teploty v anglickém jazyce: Emissivity and Result of Non-Contacting Temperature Measurement Stručná charakteristika problematiky úkolu: V dnešní době se stále častěji uplatňuje v praxi bezdotykové měření teplot pomocí pyrometrů a termokamer. Výsledek měření je ale velmi závislý na správném nastavení parametrů, především pak součinitele emisivity. Cíle diplomové práce: Analyzujte vlivy správného nastavení emisivity na výsledek měření teploty pomocí moderních bezdotykových teploměrů. Pro potvrzení těchto analýz navrhněte a realizujte jednoduché experimenty s využitím možností teploměru Raytek Compact CM. Doporučená osnova práce: 1. Moderní metody bezdotykových měření teploty 2. Vliv správného nastavení emisivity na výsledek měření teploty 3. Návrh a realizace experimentálního pracoviště pro ověření závislostí 4. Experimentální ověření vlivu emisivity, vyvození závěrů a doporučení
Seznam odborné literatury: CHUDÝ, V.; Palenčár, R.; Kureková, E.; Halaj, M.; Meranie technických veličín : 1.vydání Bratislava : Vydavatelstvo STU, 1999. 688s. ISBN 80-227-1275-2. KREIDL, M.; Měření teploty – Senzory a měřicí obvody : 1. vydání Praha : BEN – technická literatura, 2005. 240 s. ISBN 80-7300-145-4. LYSENKO,V.; Detektory pro bezdotykové měření teplot : 1. vydání Praha: BEN – technická literatura, 2005. 160 s. ISBN 80-7300-180-2. SLÁDEK, Z.; Vdoleček, F.; Technická měření : 1.vydání Brno : Nakladatelství VUT, 1992. 220 s. ISBN 80-214-0414-0. Časopisy AUTOMA, AUTOMATIZACE Firemní literatura
Vedoucí diplomové práce: Ing. František Vdoleček, CSc. Termín odevzdání diplomové práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2010/2011. V Brně, dne L.S.
_______________________________ Ing. Jan Roupec, Ph.D. Ředitel ústavu
_______________________________ prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc. Děkan fakulty
Strana 5
ABSTRAKT Cílem práce je bližší seznámení s bezdotykovým mČĜením teploty a správné nastavení emisivity, která má znaþný vliv na správnČ namČĜenou hodnotu teploty. Bylo realizováno experimentální pracovištČ pro ovČĜení závislostí pomocí bezdotykového teplomČru Compact CM. Z výsledkĤ mČĜení a jejich analýz jsou vyvozeny pĜíslušné závČry a doporuþení.
ABSTRACT Detailed introducition of non-contact temperature measurement and correct settings of the measurement device, which has great influence on correct temperature determination, is the aim of this diploma thesis. The experimental laboratory was established to verify dependencies by Compaq CM non-contact thermometer. Conclusions and recomendations are deduced from the measurement results and their analysis.
KLÍýOVÁ SLOVA Bezdotykové mČĜení teploty, Emisivita, Compact CM
KEYWORDS NoN-Coctacting Temperature Measurement, Emissivity, Compact CM
Strana 6
Strana 7
PODċKOVÁNÍ Rád bych podČkoval za pomoc svému vedoucímu práce panu Ing. Františku Vdoleþkovi, CSc., za jeho cenné rady a podnČty, které mi pomohly pĜi tvorbČ diplomové práce.
Strana 8
Strana 9
Obsah: Zadání závČreþné práce ............................................................................................................ 3 Abstrakt ..................................................................................................................................... 5 PodČkování ................................................................................................................................ 7 Obsah ......................................................................................................................................... 9 1 Úvod ...................................................................................................................................... 11 2 Moderní metody bezdotykového mČĜení teploty............................................................... 13 2.1 Definice teploty ................................................................................................................ 13 2.1.1 Jednotky teploty ........................................................................................................................ 14 2.2 Principy mČĜení teploty ................................................................................................................. 14 2.3 TeplomČry ..................................................................................................................................... 15 2.4 Bezdotykové mČĜení teploty - pyrometrie ..................................................................................... 15 2.4.1 Zákony záĜení - základy ............................................................................................................ 16 2.4.2 RozdČlení pyrometrĤ ................................................................................................................. 19 2.4.3 Radiaþní pyrometry ................................................................................................................... 20 2.4.4 Fotoelektrické pyrometry .......................................................................................................... 21 2.4.5 Spektrální pyrometry................................................................................................................. 22 2.4.6 Distribuþní pyrometry ............................................................................................................... 25 2.4.7 Chyby mČĜení pyrometrĤ a jejich korekce ................................................................................ 27
2.5 Infraþervené pĜístroje ........................................................................................................ 29 2.5.1 Infraþervené pyrometry ............................................................................................................. 30 2.5.2 Infraþervené termoþlánky.......................................................................................................... 32
2.6 MČĜení teplotních polí ....................................................................................................... 35 2.6.1 Fotografické mČĜení teploty ...................................................................................................... 35 2.6.2 Termovize .................................................................................................................................. 35
3 Vliv správného nastavení emisivity na výsledek mČĜení teploty ................................... 39 3.1 Hodnoty emisivity u materiálĤ ......................................................................................... 40 4 Návrh a realizace experimentálního pracovištČ pro ovČĜení závislostí .......................... 43 4.1 Použitý bezdotykový teplomČr - Compact CM ................................................................ 43 4.1.1 Základní charakteristiky a parametry teplomČru Compact CM................................... 44 4.1.2 Optický diagram - Compact CM ................................................................................. 45 4.1.3 ZamČĜení ...................................................................................................................... 46
Strana 10
4.1.4 Elektrické rušení, kvalita atmosféry a emisivita ..........................................................46 4.1.5 PĜipojení a kabel...........................................................................................................47 4.2 3-bodový IR kalibrátor ......................................................................................................47 4.3 Schéma zapojení a pracovištČ ...........................................................................................49 5 Experimentální ovČĜení vlivu emisivity, vyvození závČrĤ a doporuþení .........................53 5.1 Nastavení a namČĜené hodnoty .........................................................................................53 5.2 Základní zpracování výsledkĤ mČĜení ..............................................................................61 5.3 Urþení matematického vztahu mČĜení na nastavení emisivity - výpoþet koeficientu korekce ......................................................................................................................................65 5.4 Kontrolní mČĜení ...............................................................................................................75 6 ZávČr .....................................................................................................................................77 Seznam použité literatury ......................................................................................................79
Strana 11
1
ÚVOD
Cílem této diplomové práce je blíže se seznámit s bezdotykovým mČĜením teploty a nastavením emisivity, která je pro správný výsledek mČĜení velice dĤležitá. Nejprve se seznámíme s teplotou jako fyzikální veliþinou a uvedeme si správnou definici teploty. Dále se budeme zabývat jak správnČ teplotu mČĜit, aby výsledek byl co nejpĜesnČjší. Bezdotykové teplomČry jsou dnes vyrábČny v nČkolika variantách a provedeních tak, abychom pro dané mČĜení vybrali ten nejlepší pĜístroj. V kapitole vliv správného nastavení emisivity na výsledek mČĜení teploty se budeme zabývat problematikou emisivity, jaký má vliv na mČĜení teploty a uvedeme si pár pĜíkladĤ emisivity u konkrétních materiálĤ. Abychom si však všechny informace ovČĜili v praxi, provedeme sérii mČĜení pomocí bezdotykového teplomČru Compact CM. Výsledky zaznamenáme a vyhodnotíme, abychom mohli v praxi dokázat, že správné nastavení emisivity mĤže mít podstatný vliv na výsledek mČĜení. Vypoþítáme korekce a odchylky, které pĜi nesprávném nastavení emisivity vznikají tak, abychom byli schopni urþit správnou hodnotu emisivity a získat mČĜení s co nejlepší hodnotou. Budeme realizovat pracovištČ, kdy použijeme ideálnČ þerné tČleso – kalibrátor a bezdotykový teplomČr Compact CM, který budeme ovládat pomocí softwaru ve stolním poþítaþi a zaznamenávat hodnoty mČĜení. Po namČĜení všech hodnot a vyhodnocení tČchto mČĜení, budeme vše ovČĜovat v praxi. Použijeme tČleso s neznámou emisivitou, které nahĜejeme pomocí vaĜiþe na urþitou teplotu. Provedeme mČĜení bezdotykovým teplomČrem s chybnČ nastavenou emisivitou a dotykovým teplomČrem. Rozdíl namČĜených teplot nám poukáže na nesprávnČ nastavenou emisivitu. Pomocí korekce odchylky se pokusíme urþit správnČ emisivitu daného tČlesa tak, aby došlo k namČĜení správných hodnot teploty a správného nastavení emisivity.
Strana 12
Strana 13
2
MODERNÍ METODY BEZDOTYKOVÝCH MċěENÍ TEPLOTY
V dnešní dobČ se stále þastČji uplatĖuje v praxi bezdotykové mČĜení teplot pomocí pyrometrĤ a termokamer. Výsledek mČĜení je ale velmi závislý na správném nastavení parametrĤ, pĜedevším pak souþinitele emisivity.
2.1
Definice teploty
Teplota je stavová veliþina urþující stav termodynamické rovnováhy tj. stav, kdy v izolované soustavČ tČles od okolního prostĜedí neprobíhají žádné makroskopické zmČny a všechny fyzikální veliþiny, jimiž je stav soustavy popsán nezávisející na þase. Stav termodynamické rovnováhy bývá charakterizován termodynamickou teplotou, která musí být stejná pro všechny þásti izolované soustavy. Fyzikální veliþina teplota se nesmí zamČĖovat za fyzikální veliþinu teplo, neboĢ teplo je forma energie související s pohybem þástic dané soustavy tČles, ale není stavovou veliþinou, neboĢ nezávisí na pĜítomném stavu soustavy, ale na celé minulosti vývoje této soustavy. Teplota je jedna z mála veliþin, která se nedá mČĜit pĜímo, ale pouze prostĜednictvím jiných fyzikálních veliþin. MČĜení teploty je tedy mČĜení nepĜímé. [16] Teplota je termodynamická stavová veliþina. Definujeme ji na základČ Carnotova cyklu. Úþinnost vratného Carnotova cyklu závisí jen na tČchto teplotách a nezávisí na použité teplomČrné látce. Platí vztah [2] ߟൌ
ሺொమିொభ ሻ ሺ் ି் ሻ ൌ మ భ ொమ ்మ
(2.1)
kde Ș – je úþinnost Carnotova cyklu Q2 – je teplo odebrané teplomČrnou látkou s teplotou T2 Q1 – je teplo odevzdané teplomČrnou látkou s teplotou T1 pĜiþemž platí, že T2 > T1 V pĜípadČ ideálního stavu Ș = 1, potom ze vztahu (2.1) platí: ்మ ்భ
ൌ
ொమ ொభ
(2.2)
Ideální tepelný stroj pracující na principu Carnotova cyklu nelze sestrojit. TeplomČrovou látkou však mĤže být také dokonalý plny, pro který platí v souladu s Carnotovým cyklem stavová rovnice: [16]
ǤൌǤ kde Rm – je molární plynová konstanta (Rm =8,3143 J.kmol-1.K-1) V – je objem plynu
(2.3)
Strana 14
Pro konstantní objem V je vztah pro plynový teplomČr: ܶ ൌ ܶ ൈ
బ
(2.4)
kde p0 = 1,01325 . 105 Pa T0 = 273,15 K
2.1.1 Jednotky teploty Základní jednotka termodynamické teploty je K (Kelvin). Je to 273,16-tá þást termodynamické teploty trojného bodu vody. Lord Kelvin definoval termodynamickou stupnici na základČ trojného bodu vody, to znamená na základČ rovnovážného stavu tĜí skupenství vody (ledu, vody a nasycené vodní páry). Teplota trojného bodu vody má na termodynamické stupnici hodnotu T = 273,16 K. KromČ termodynamické teploty se používá také Celsiovy teploty definované rovnicí = ׇT – T0
(2.5)
kde T0 = 273,16 K. ObČ jednotky (°C, K) lze použít pro vyjádĜení teplotního rozdílu. Termodynamická teplotní stupnice je teoreticky definována na základČ termodynamických zákonĤ, nezávisle na vlastnostech reálných látek. [1] Podle definice má stupČĖ Celsia stejnou velikost jako Kelvin (1 K = 1 °C). Hodnoty teploty mĤžeme vyjádĜit v kelvinech nebo stupních celsia. Platí, že ¨t = ¨T. V anglosaských zemích se také používá pro vyjádĜení teploty Fahrenheitova stupnice (°F), která odpovídá teplotČ ledu 32 °F a teplotČ varu vody 212 °F. Tato stupnice se dČlí mezi tČmito body na 180 °F.
2.2
Principy mČĜení teploty
PĜi mČĜení neznámé teploty daného objektu se využívá možnost mČĜení rozdílných sekundárních veliþin, které se rĤznČ mČní od mČĜené teploty. Takovou veliþinou mĤže být napĜíklad zmČna tlaku teplomČrné látky nebo objemu. VšeobecnČ se využívá nČkolik základních principĤ na mČĜení teploty:[2] a) Teplotní roztažnost tuhých, plynných nebo kapalných látek. Teplotní roztažnost teplomČrné látky, respektive rozdíl teplotních roztažností dvou látek poté pĜedstavuje míru teploty. MČĜí se zmČna objemu teplomČrné látky pĜi konstantním tlaku (dilataþní teplomČry), nebo zmČna tlaku teplomČrné látky pĜi konstantním objemu (tlakové teplomČry) [2]
Strana 15
b) ZmČnu elektrických vlastností snímaþe v závislosti na zmČnČ teploty. Využíváme: - závislost elektrického odporu vodiþĤ nebo polovodiþĤ na teplotČ, takové snímaþe teploty se nazývají odporové teplomČry, respektive termistory. - vznik termoelektrického napČtí v obvodČ tvoĜeném dvČma rĤznými kovovými vodiþi, jejichž konce jsou spojené a vystavují se dvČma rĤzným teplotám (SeebeckĤv jev). Takové snímaþe teploty se nazývají termoþlánky. c) Snímání celkové energie záĜení. Tuhé a kapalné látky vysílají pĜi každé teplotČ T > 0 K tepelné záĜení. Na urþení teploty se využívá tepelná závislost, kterou mČĜí tepelné detektory [2] d) Využití spektrální záĜivosti mČĜeného objektu. S rĤstem teploty mČĜeného objektu roste i jeho spektrální záĜivost. [2]
2.3
TeplomČry
ZaĜízení na mČĜení teploty se nazývají teplomČry. TeplomČry využívají rĤzné mČĜící principy a existují v rĤzných konstrukþních provedeních. VšeobecnČ dČlíme teplomČry podle umístČní snímací þásti v mČĜeném prostĜedí do dvou základních skupin. Dotykové teplomČry a bezdotykové teplomČry. Dotykové teplomČry mají snímanou þást umístČnou pĜímo v mČĜeném prostĜedí, to znamená, že se pĜímo dotýkají mČĜeného objektu. Bezdotykové teplomČry mČĜí teplotu na dálku z urþité vzdálenosti. Jejich snímací þást je umístČna mimo mČĜené prostĜedí, to znamená, že se nedotýkají mČĜeného objektu.
2.4
Bezdotykové mČĜení teploty – pyrometrie
Základ slova pyrometr tvoĜí Ĝecké slovo ,,pyro“, což znamená oheĖ. PĤvodnČ byl termín pyrometr užíván k pojmenování pĜístrojĤ, jež byly schopny mČĜit teplotu objektĤ, které vyzaĜovaly viditelné záĜení. PĤvodní pyrometry byly bezdotykové optické pĜístroje, které zachycovaly a vyhodnocovaly viditelné záĜení vyzaĜované horkými objekty. Moderní a pĜesnČjší definice definuje pyrometry jako všechny bezkontaktní pĜístroje, které zachycují a mČĜí termální radiaci emitovanou zkoumaným objektem, s cílem zjistit teplotu zkoumaného povrchu. Slovo termometr má rovnČž Ĝecký základ ,,termos“, což znamená ,,horký“. Termometry pĜedstavují rozsáhlou skupinu pĜístrojĤ, které mČĜí teplotu. Pyrometr je tedy jedním z typĤ termometru. [18] Pyrometry se používají hlavnČ pro mČĜení vysokých teplot. NejpoužívanČjší jsou v oblasti tepelného nebo svČtelného záĜení, které tČlesa vypouštČjí do mČĜeného okolí. Mezi pyrometry však Ĝadíme také vysokoteplotní termoþlánky. Každé tČleso, které má vyšší teplotu než teplotu okolí, vyzaĜuje stále tepelnou energii do okolí. Tato energie je ve své podstatČ elektromagnetické vlnČní s urþitou vlnovou délkou. Velikost energie, kterou vyzáĜí tČleso o dané vlnové délce je závislá na teplotČ tČlesa a na fyzikálních vlastnostech daného tČlesa. Z toho poté mĤžeme spoþítat teplotu vyzaĜujícího tČlesa. Je potĜeba podotknout, že pyrometry dokážeme mČĜit jen urþitou prĤmČrnou hodnotu teploty tČlesa urþité plochy. Pyrometrie se používá ve velkém rozsahu teplot. NejþastČji v rozmezí od -40 °C do 3500 °C, ve speciálních pĜípadech od -100 °C do 5000 °C. Dovolená chyba pĜi mČĜení se pohybuje v rozsahu 1-7%, ve speciálních pĜípadech mĤže být chyba mČĜení pouze 0,02%. NejþastČjší použití pyrometrĤ je u žíhacích, kalících a vysokých pecích. MĤžeme je použít pĜi mČĜení napĜíklad vytékajícího kovu nebo roztaveného kovu, horkých blokĤ pĜi kování, válcování, lisování atd.
Strana 16
Mezi výhody pyrometrĤ Ĝadíme: -
PĜímý a snadný zpĤsob mČĜení teploty. Absence tepelného namáhaní pyrometrĤ bezprostĜedním stykem s mČĜeným tČlesem. Možnost spojitého mČĜení teploty. Rychlé sledování teplotních zmČn. Velká spolehlivost pĜi dlouhodobém mČĜení teplot nad 1400 °C (pĜi tČchto teplotách není možné použít dotykové teplomČry neboĢ mají velice omezenou životnost). Možnost mČĜení teploty v korozním prostĜedí. Možnost práce v automatickém režimu. Možnost mČĜení teploty pohybujících se objektĤ (napĜ. rotující souþásti). [2]
Mezi nevýhody pyrometrĤ Ĝadíme: -
Správná teplota se dá urþit jen tehdy, pokud známe emisivitu mČĜeného objektu (pyrometry se kalibrují pro záĜení absolutnČ þerného tČlesa), v opaþném pĜípadČ je potĜeba udČlat kalibraci pyrometru pro dané podmínky. NamČĜené údaje mohou podstatnČ ovlivĖovat fyzikální vlastnosti optické cesty mezi mČĜeným objektem a mČĜidlem (pohlcení nebo rozptyl záĜení a podobnČ). [2] Nejistoty mČĜení zpĤsobené nepĜesnou korekcí parazitního odraženého záĜení z okolního prostĜedí na mČĜený objekt. [16]
2.4.1 Zákony záĜení – základy Pyrometrie používá pĜi svém mČĜení základní vyzaĜovací zákony. Vlnové délky, které odpovídají elektromagnetickým vlnám v oblasti tepelného záĜení a svČtelného záĜení se pohybují v rozmezí 10-8 až 10-3 m. Barva záĜení, které vydává tČleso je závislá na absolutní hodnotČ teploty. ýím vyšší je teplota tČlesa, tím kratší jsou vlnové délky, na kterých tČleso vyzaĜuje. [2] Do 500 °C vyzaĜuje tČleso pomČrnČ velké vlnové délky, nazýváme je infraþervené, které jsou lidským okem neviditelné. TČleso, které má teplotu vyšší než 500 °C vyzaĜuje viditelné záĜení, nejprve þervenČ zabarvené, pĜi teplotČ blížící se 1200 °C se zbarvují do žluta, pĜi teplotČ okolo 2000 °C zelenČ a nad 3000 °C modĜe. PĜi vysokých teplotách blížící se 6000 °C vyzaĜují ultrafialový paprsek. Na obrázku (Obr. 2.1) je znázornČné celé spektrum elektromagnetického záĜení.
Strana 17
Obr. 2.1 – Spektrum elektromagnetického vlnČní
Idealizovaný objekt, který se používá ve vyzaĜovacích zákonech nazýváme ideálnČ þerné tČleso. Tento objekt je pouze teoretický, který pĜi dané teplotČ vyzáĜí nejvČtší množství energie, a které naopak všechnu energii pĜi dopadu na tČleso pohltí. Pohltivost (absorbance) Į záĜení je dána vztahem: ĮȜ = ɎȜa / ɎȜd
(2.6)
kde ĮȜ – je spektrální pohltivost pro danou vlnovou délku Ɏa – je pohlcený záĜivý tok Ɏd – je dopadající záĜivý tok Prostupnost (transmitance) IJ záĜení je dána vztahem: IJȜ = ɎȜt / ɎȜd
(2.7)
kde IJȜ – je spektrální propustnost pro danou vlnovou délku Ɏt – je prostupující záĜivý tok Ɏd – je dopadající záĜivý tok Odrazivost (reflektance) ȡ záĜení je dána vztahem: ȡȜ = ɎȜr / ɎȜd kde ȡȜ – je spektrální odrazivost pro danou vlnovou délku Ɏr – je odražený záĜivý tok Ɏd – je dopadající záĜivý tok
(2.8)
Strana 18
Pomocí Plankova zákona se mĤže urþit vlnová délka záĜení Ȝ, pĜi které je pĜi dané teplotČ T monochromatické vyzaĜování absolutnČ þerného tČlesa MȜ maximální. Intenzita monochromatického vyzaĜování MȜ podle Plankova vyzaĜovacího zákona: [2] మ
ܯఒ ൌ ܥଵ Τߣହ ሺ݁ ഊ െ ͳሻ
(2.9)
kde c1 – je první vyzaĜovací konstanta, c1 – 3,69x10-16 (W.m2) c2 – je druhá vyzaĜovací konstanta, c2 – (0,01438769 ± 12x10-8) (m.K) Ȝ – je vlnová délka záĜení T – je absolutní teplota ýím vyšší je teplota tČlesa, tím víc se maximum záĜení posouvá smČrem ke kratším vlnovým délkám (Obr. 2.2). Spojením maximálních hodnot na grafu (þárkovaná þára) se získá závislost, kterou vyjádĜil Wien posouvacím zákonem: [2] ȜmT = konst. = 2898 ȝm . K
(2.10)
kde Ȝm – je vlnová délka odpovídající maximu závislosti MȜ = f(Ȝ)
Obr. 2.2 – Spektrální záĜení absolutnČ þerného tČlesa v závislosti na vlnové délce a teplotČ
Strana 19
Celkové množství intenzity vyzaĜování absolutnČ þerného tČlesa Mc popisuje Stefan-BoltzmannĤv zákon Mc = ı . T4
(2.11)
kde T – je absolutní teplota záĜícího tČlesa ı – je Stefan-Boltzmannova konstanta (ı = 5,6697x10-8 W.m-2K-4) Skuteþné tČlesa mají menší vyzaĜovací schopnost. Nazýváme je neþerné tČlesa a vyzaĜují M < Mc, pro které platí: M = Mc . İ
(2.12)
kde İ – je emisivita LambertĤv zákon nám Ĝíká, že záĜ L ideálního plošného zdroje tepelného záĜení je stejná ve všech smČrech. PĜímým dĤsledkem tohoto zákona je závislost záĜivosti I na úhlu ij, který svírá smČr pozorování s kolmicí k rovinČ zdroje (smČr normály n), takže platí: [16] Lij = In / ¨S = Iij / ¨Scosij = Iij / ¨Sn = konst.
(2.13)
Hodnota In pĜedstavuje maximální hodnotu záĜivosti ve smČru kolmice. TČlesa, pro která platí tento vztah se oznaþují jako kosinové záĜiþe. [16] KirchhoffĤv zákon uvádí, že pomČr intenzity vyzaĜování M tepelného záĜiþe k pohltivosti Į závisí jen na termodynamické teplotČ tČlesa a nezávisí tedy na jeho chemickém složení, úpravČ povrchu a oxidaci. Zákon lze vyjádĜit rovnicí: [16] M / Į = f (T)
(2.14)
Intenzita vyzaĜování a záĜ þerného tČlesa závisí jen na termodynamické teplotČ.
2.4.2 RozdČlení pyrometrĤ Pyrometry pracují na rĤzných fyzikálních principech. VšeobecnČ snímají tepelné nebo svČtelné záĜení, které vyzaĜuje daný objekt. Existují ve velkém množství konstrukþního zhotovení. MĤžeme je tedy tĜídit podle rĤzných kritérií. Podle rozsahu spektra rozdČlujeme pyrometry na: - monochromatické - úhrnné - pásmové [2]
Strana 20
Podle oblasti spektra rozdČlujeme pyrometry na: - ultrafialové - optické - infraþervené - rádiové [2] Podle zpĤsobu mČĜení rozdČlujeme pyrometry na: - radiaþní (úhrnné) - fotoelektrické (pásmové) - spektrální (jasové) - distribuþní (barevné) [2]
2.4.3 Radiaþní pyrometry Radiaþní pyrometr (Obr. 2.3) je bezdotykový teplomČr, který se používá na mČĜení teploty þerných tČles, respektive témČĜ þerných tČles. Princip mČĜení využívá Stefan-Boltzmannova zákona, který je vyjádĜený vztahem (2.11). Znamená to, že energie záĜení, která se vymČní mezi mČĜenými tČlesy mČĜící ploškou, se rovná rozdílu þtvrtých mocnin jejich absolutních teplot. Teoreticky pracují v celé oblasti vlnových délek, teda od Ȝ = 0 do Ȝ՜ λ. Dopadající záĜivá energie mČĜící plochu ohĜeje a její teplota se mČĜí snímacím prvkem. Jen ojedinČle se v takovém pyrometru uplatní energie celého spektra záĜení. ObyþejnČ prostĜedí mezi mČĜeným objektem a mČĜící ploškou propustí jen záĜení v urþitém pásmu.[2] Radiaþní pyrometr mĤže mít optickou þást konstrukþnČ vyĜešenou dvČma zpĤsoby. Varianta první je, že hlavní prvek je konkávnČ pozlacený, respektive postĜíbĜené zrcadlo 3, nebo jsou to þoþky z vhodného materiálu. Jestliže sklenČné þoþky nepropouštČjí záĜení s vlnovou délkou vČtší než 3.10-6 m, takovým pyrometrem nelze mČĜit celkové množství dopadajícího záĜení. Použití jiných materiálĤ þoþek vČtšinou podstatnČ nerozšíĜí spodní hranici mČĜené teploty. U optické soustavy s konkávním zdrcadlem toto omezení odpadá. U obou variant se v ohnisku optického systému nachází snímací prvek 4. Používá se miniaturní termoþlánek, termobaterie (tvoĜená až 30 termoþlánky, zapojených do série na ploše 4 mm2), bolometr (speciální fóliový odporový teplomČr), termistor nebo bimetalický teplomČr. ZáĜení, které vysílá mČĜený objekt, se odráží od zrcadla 3 do ohniska mČĜící plošky 4, kterou ohĜeje. MČĜící ploška je zaþernČná, aby pohltila co nejvČtší þást dopadajícího záĜení. Pomocí snímacího prvku se mČĜí její teplota. MČĜený objekt všobecnČ není absolutnČ þerné tČleso, údaje pyrometru je tĜeba korigovat podle vztahu: [2] ర
ܶ௦ ൌ ܶ Τ ξߝ kde Ts – je skuteþná teplota Tp – je teplota uvedená pyrometrem İ – je emisivita úhrnného záĜení
(2.15)
Strana 21
Obr. 2.3 – Radiaþní pyrometr [2]
Další chyby mČĜení nastávají vlivem sálání samotného citlivého prvku, také odvodem tepla do okolí, pokud zneþistíme zrcadlo mČĜícím zaĜízením, pokud záĜení pĜejde pĜes ochranné sklo a podobnČ. Radiaþní pyrometry mají v nastavitelném okuláru þoþku 1, na kterou dopadá þást záĜení z mČĜeného objektu. Pomocí objektivu se dá pyrometr správnČ zamČĜit. ZaostĜení optické soustavy se vykonává posouváním zrcadla 3. Po pootoþení nastavovacího koleþka 6 se otoþný pohyb pĜevádí pomocí ozubeného pĜevodu 5 na pĜímoþarý a zrcadlo se posune. Jestliže se pyrometr vzdaluje od mČĜeného objektu, úmČrnČ se musí zvČtšit otvor vstupní clony 7. KvĤli ochranČ zraku pĜi mČĜení je v okuláru umístČná ochranná clona 2. V pĜípadČ použití bolometru se musí provést korekce namČĜených hodnot na zmČny okolní teploty. Proto se do mČĜícího obvodu pĜipájí další bolometr, na který nedopadá mČĜené záĜení. [2] Pokud mČĜíme teplotu radiaþním pyrometrem je dĤležité, aby námi mČĜený povrch objektu pĜekryl celé zorné pole. Pokud bychom takto neuþinili, dochází k velkým chybám pĜi mČĜení. Rozsah teploty, který mĤžeme pomocí radiaþního pyrometru mČĜit je v rozsahu od 50°C do 1500°C, pouze ve speciálních pĜípadech od -100°C do 5000°C. Povolená chyba se pohybuje v rozmezí 1 - 2% mČĜícího rozsahu. ýasová konstanta se pohybuje v rozmezí od 0,005 s až do 5 s. V tomto pĜípadČ jde o objektivní mČĜení teploty, protože namČĜené hodnoty nejsou závislé na obsluze. Tyto pyrometry používáme napĜíklad pro dlouhodobé mČĜení teploty urþitého tČlesa, napĜíklad teploty v pecích. Radiaþní pyrometry se používají napĜíklad na mČĜení teploty u tČles s velkou emisivitou. Nejsou však vhodné na mČĜení povrchĤ, které jsou témČĜ þerné.
2.4.4 Fotoelektrické pyrometry Fotoelektrické pyrometry pracují na podobném principu jako radiaþní pyrometry. Reagují však na záĜení jen v urþitém rozsahu vlnových délek. Tyto vlnové délky vymezuje použitá optika, citlivost snímaného objektu a filtry. Jako snímaný prvek se používají fotoþlánky, fotonásobiþe, fotodiody, fotoodpory, fototranzistory a podobnČ.
Strana 22
Skuteþnou teplotu mĤžeme vypoþítat podle vztahu: 1 / Ts = 1 / Tp + Ȝp / c2 . lnİp
(2.16)
kde Tp –je teplota pyrometru Ȝp – je charakteristická vlnová délka ve vymezeném pásmu c2 – je druhá vyzaĜovací konstanta İp – je pásmová emisivita mČĜeného objektu Pásmová emisivita velice kolísá u reálných objektĤ, a proto se dá chyba jen pĜibližnČ odhadnout. Výhoda fotoelektrických pyrometrĤ je velmi rychlá reakce na zmČny teploty a možnost s nimi mČĜit i malé objekty. Používáme je na bezdotykové mČĜení teploty napĜíklad ve válcovnách a slévárnách. Pokud se mezi mČĜeným objektem a fotoelektrickým pyrometrem nacházejí plyny s absorpþními pásmy v rozsahu infraþerveného záĜení, využíváme je jako primární etalony teploty.
2.4.5 Spektrální pyrometry Spektrální pyrometry pracují na základČ množství tepelné energie, která je vyzáĜena na úzkém spektru vlnové délky. Teplotu u spektrálních pyrometrĤ mČĜíme tak, že porovnává jas mČĜeného objektu s jasem porovnávacího zdroje pyrometru. Jas porovnávacího zdroje se mČní dokud opticky nezmizí rozhraní mezi zdrojem a obrysem mČĜeného objektu. Porovnávání se provádí buć automaticky nebo lidským okem. Abychom mČĜili tepelnou energii jen na jedné vlnové délce, v pĜístroji je umístČn monochromatický filtr. NejþastČji používaná vlnová délka je Ȝ = 0,65m, která se udává u þerveného svČtla. Tato vlnová délka je pro nás výhodná, protože pĜi ní lidské oko je stále dostateþnČ citlivé a záĜení má vyhovující intenzitu. Pokud se použije svČtlo jen s jednou vlnovou délkou a porovnáváme jas mČĜeného objektu s jasem porovnávacího zdroje pyrometru, vylouþíme vliv barvy mČĜeného objektu na pĜesnost mČĜení. Podle konstrukce mĤžeme spektrální pyrometry rozdČlit na: - PĜístroje s promČnlivým jasem porovnávacího zdroje, kde se jas pyrometrické žárovky mČní pomocí elektrického obvodu. - PĜístroje se stálým jasem porovnávacího zdroje, když pyrometrická žárovka svítí stálým jasem a mezi nČ a dopadající záĜení se vsune filtr s nastavitelnou absorpcí. [2] Spektrální pyrometr s promČnlivým jasem porovnávacího zdroje porovnává intenzitu záĜení mČĜeného objektu s intenzitou záĜení porovnávacího zdroje. Porovnávání realizujeme nejþastČji pomocí lidského oka nebo pomocí elektrooptických metod. Porovnávacím zdrojem bývá nejþastČji kovové vlákno žárovky. Konstrukci spektrálního pyrometru ukážeme na (Obr. 2.4). ZáĜení z mČĜeného objektu vchází do pyrometru pĜes objektiv 1. PĜechází okolo pyrometrické žárovky 4 a pĜes filtr 3 až do þoþky okuláru 2. Pomocí promČnlivého rezistoru pozorovatel nastavuje takový žhavicí proud žárovky, aby obraz vlákna zmizel na pozadí mČĜeného objektu. Teplota mČĜeného objektu je úmČrná žhavicímu proudu žárovky, který se odeþítá na mČĜícím pĜístroji kalibrovaném pĜímo v °C. PĜi nastavování proudu je potĜeba postupovat pomalu, protože mČĜící vlákno reaguje na zmČny se zpoždČním. Vlákno žárovky býva nejþastČji z volframu a jeho teplota mĤže dosáhnout maximálnČ 1500 °C. PĜi vyšších teplotách se nedá zaruþit stálost údajĤ. [2]
Strana 23
Obr. 2.4 – Spektrální pyrometr s promČnlivým jasem žárovky a) konstrukce b) vlákno žárovky jasnČjší než mČĜený objekt c) mČĜený objekt jasnČjší než vlákno žárovky [2]
PĜi mČĜení teplot, které jsou vyšší než 1500 °C používáme spektrální pyrometry se stálým jasem porovnávacího zdroje (Obr. 2.5). NejþastČji zde používáme kovové vlákno pyrometrické žárovky. ZáĜení z mČĜeného objektu pĜichází pĜes objektiv 1 do pyrometru. Dále prochází pĜes bod 5, který má rozdílnou tloušĢku po obvodu. Potom prochází pĜes filtr 3 do þoþky okuláru 2.
Obr. 2.5 – Spektrální pyrometr se stálým jasem žárovky a) konstrukþní Ĝešení b) klín s promČnlivou tloušĢkou [2] Pyrometrická žárovka 4 se žhaví pomocí konstantního proudu. Pozorovatel pootáþí klínem dokud vlákno žárovky nesplyne s obrysem mČĜeného objektu. Jinak vlákno vypadá svČtleji nebo tmavČji než mČĜený objekt. Teplota mČĜeného objektu je úmČrná pootoþení klínu. K hĜídeli klínu je upevnČna ruþiþka 6, která nám zobrazuje teplotu na stupnici, která je uvedena na pyrometru. Tuto teplotu kalibrujeme ve °C. U obou typĤ spektrálního pyrometru závisí pĜesnost mČĜení také na obsluze pyrometru. Porovnávání jasu porovnávacího zdroje a obrysu mČĜeného pĜedmČtu musí být co nejpĜesnČjší. V opaþném pĜípadČ pĜinášíme do mČĜení chybu. Díky tomuto faktoru se hledaly možnosti, jak vylouþit lidskou chybu.
Strana 24
Spektrální pyrometr s automatickým provnáváním intenzity záĜení schématicky znázorĖuje (Obr. 2.6). MČĜené záĜení prochází pĜes objektiv 1, clonu 2 a dalším optickým systémem se soustĜećuje do ohniska 5.
Obr. 2.6 – Spektrální pyrometr s automatickým porovnáváním intenzity záĜení [2] V ohnisku se nachází fotodioda, na kterou dopadá záĜení porovnávacího vlákna volframové žárovky 4. ObČ dvČ záĜení se pĜed dopadem na fotodiodu pĜerušují tou stejnou rotující clonou 3, kterou pohání motor 6. PĜerušování dopadajícího záĜení zpĤsobí, že obČ porovnávací zaĜízení vyvolají na fotodiodČ elektrické impulzy. Tyto impulzy jsou vzájemnČ posunuté o 180°C. V pĜípadČ, že jsou impulzy stejné úrovnČ, teda záĜení mají stejnou intenzitu, stĜídavý zesilovaþ 9 dává na výstupu nulový signál. V opaþném pĜípadČ se výstupní signál vede pĜes zesilovaþ 10 do motoru 7. PĜevodový mechanizmus pĜedstavuje clonu 2 dokud se nevyrovná intenzita obou záĜení dopadajících na fotodiodu. Poloha clony se pĜes pĜevodník 11 pĜenáší na stupnici 12. Na zamČĜení cíle pyrometru slouží okulár 8. [2] Spektrální pyrometry ve všech variantách pĜi odeþítání na stupnici zobrazí teplotu, která by odpovídala záĜení absolutnČ þerného tČlesa. Jenomže ne vždy se realný objekt chová jako dokonale þerné tČleso (jeho emisivita İ < 1), je poté potĜeba namČĜenou teplotu korigovat. VšeobecnČ platí, že teplota odeþítaná na stupnici pyrometru bývá nižší než skuteþná teplota tČlesa. Pro skuteþnou teplotu platí vztah: 1 / Ts = 1 / Tp + Ȝ / c2 . ln İȜ kde Ts – je skuteþná teplota Tp – je teplota na stupnici jasového pyrometru Ȝ – je charakteristická vlnová délka záĜení ve vymezeném pásmu İȜ – je spektrální emisivita mČĜeného objektu c2 – je druhá vyzaĜovací konstanta
(2.17)
Strana 25
Aby se v praxi usnadnilo korigování namČĜené teploty, zpracovaly se tzv. normogramy, kde jsou uvádČny jednotlivé hodnoty emisivity korekþní teploty, kterou musíme pĜidat k namČĜené teplotČ. Spektrální pyrometry nejsou vhodném pĜi mČĜení objektĤ, kde neznáme emisivitu nebo se emisivita bČhem mČĜení mČní. Chyby mČĜením mĤže také zpĤsobovat samotný pĜístroj, prostĜedí, které se nachází mezi objektem a pĜístrojem, nesprávná obsluha pĜístroje a podobnČ. Pyrometry pracující na principu zmČny proudu mají mČĜící rozsah od 700°C do 1500°C. Horní mČĜící rozsah ovlivĖuje maximální teplota vlákna, pĜi které se dá ještČ zaruþit stálost údajĤ. Pyrometrie pracující s rotací klínu mají mČĜící rozsah až do 3500°C. Spektrální pyrometry mají v daném mČĜícím rozsahu pomČrnČ velkou chybu mČĜení, od 7 až do 9%, což pĜi mČĜené teplotČ napĜíklad 2000°C pĜedstavuje hodnotu až 180°C.
2.4.6 Distribuþní pyrometry Pracují na podobném principu jako spektrální pyrometry. Jedná se však o objektivnČjší mČĜení teploty. NepotĜebujeme znát pĜesnou hodnotu emisivity daného tČlesa, staþí nám znát pouze interval. U distribuþních pyrometrĤ se vyskytují nČkteré nové veliþiny. Distribuþní teplota Tv libovolnČ záĜící je teplota þerného tČlesa, pĜi které má jeho záĜení v urþité oblasti spektra taky jisté pomČrné spektrální rozložení jako daný záĜiþ. Pokud je tato oblast spektra viditelná, distribuþní teplota se poté nazývá distribuþní teplota. To znamená, že daný záĜiþ vyvolá v pozorovateli takový barevný vjem, jako þerné tČleso s teplotou Tf. Pokud se pĜi mČĜení pyrometrem zjišĢuje pomČr jasĤ mČĜeného objektu zachycených na dvou vlnových délkách, urþí se tzv. pomČrová teplota Tf. PomČrová teplota je teplota þerného tČlesa, pĜi které je pomČr jasĤ stejný jako pomČr jasĤ mČĜeného tČlesa. Pro šedé tČlesa všechny tĜi teploty splývají. Distribuþní teplota se dá urþit dvČma zpĤsoby: -
SubjektivnČ – z barevného vjemu vyvolaného smíšením dvou monochromatických záĜená. ObjektivnČ – z pomČru intenzit záĜení na dvou rĤzných vlnových délkách. [2]
Obr. 2.7 – Distribuþní porovnávací pyrometr [2] Z konstrukþního hlediska se distribuþní pyrometry dČlí na porovnávací a pomČrové.
Strana 26
Distribuþní porovnávací pyrometr porovnává záĜení mČĜeného objektu a pyrometrické žárovky. Toto porovnávání se vykonává pĜi dvou vlnových délkách. Pyrometr pracuje ve viditelné þásti spektra, takže nejþastČji využívají vlnové délky Ȝ1 = 0,65 ȝm a Ȝ2 = 0,55 ȝm. ObČ vlnové délky jsou doplĖkové. [2] Schéma pĜístroje pĜedstavuje (Obr.2.7). ZáĜení, které vychází z mČĜeného objektu, vchází do pyrometru pĜes objektiv 1. Prochází pĜes dvoubarevný otoþný klín 2. Zde se oddČlí dvČ barvy, þervená a zelená. Pozorovatel si natáþí dvoubarevný klín dokud se mu nezdá, že dopadající záĜení je bílé. ZáĜení z mČĜeného objektu dale prochází pĜes neutrální klín 3 a dopadá na polopropustný optický hranol 4. Jeho stĜed je postĜíbĜený. Pyrometrickou žárovku 5 napájí konstantní proud. Její záĜení prochází pĜes filtr 6 a oko ho také vnímá jako bílou barvu. Dále se záĜení z pyrometrické žárovky odráží od zrcadlové þásti dČlící plochy optického hranolu 4. PĜes výstupní þoþku 7 se dostává k pozorovateli. Ten vidí v pĜístroji souþasnČ dvČ porovnávací plošky. Aby se jas vyrovnal v obou záĜeních, pootáþí se šedý klín. Údaj o distribuþní teplotČ uvádí stupnice 8 dvojbarevného otoþného klínu. Údaj o jasové teplotČ se odeþítá na stupnici 9 neutrálního šedého klínu. [2] Distribuþní teplota tČlesa se vypoþítá podle vztahu: ͳΤܶ ൌ
ଵ ଵ ଵ ଵ ൗ െ ሺଵǤଵሻ ሺଶǤଶሻ ଵ ଶ
(2.18)
kde Tf - je skuteþná distribuþní teplota Ȝ1, Ȝ2 – jsou použité vlnové délky T1, T2 – jsou teploty urþené pĜi pĜíslušných filtrech Pokud má tČleso charakter šedého záĜícího tČlesa, výsledek není potĜeba upravovat. Pokud se jeho emisivita mČní pĜi zmČnČ vlnové délky, je tĜeba upravit podle vztahu: Ts = Tm - Tk
(2.19)
kde Ts – je skuteþná teplota Tm – je namČĜená teplota Tk – je korekþní teplota Hodnota korekþní teploty se urþí ze vztahu: ܶ ൌ ܽǤ ܶଶ Τͳ ܽǤ ܶ
(2.20)
kde a = 14 380 ȝmK. Distribuþní pomČrový pyrometr využívá pĜi mČĜení pomČru dvou intenzit záĜení pĜi dvou vlnových délkách Ȝ1, Ȝ2. ZáĜení mČĜeného tČlesa vchází do pĜístroje pĜes objektiv 1. Prochází do polopropustného hranolu 2, kde se rozdČlí na dva samostatné rovnobČžné svazky. Na usmČrĖování svazkĤ záĜení v pyrometrii slouží polostĜíbrné zrcadla 5. Oba dva svazky procházejí pĜes rotující clonu 3, pohánČnou osobitým elektromotorem. Rotující clona oba dva svazky stĜídavČ pĜerušuje. Dále oba svazky procházejí pĜes filtry 4. Jeden filtr propustí záĜení odpovídající zelené barvČ,
Strana 27
druhý filtr propustí záĜení odpovídající þerné barvČ. Oba dva svazky záĜení se pomocí zrcadel 5 vedou na snímací prvek pyrometru 7. ýasto se jako snímací prvek používá fotodioda. Ve snímacím prvku vzniká vlivem pĜerušovaného záĜení rĤzné intenzity stĜídavý signál a ten vyhodnocuje porovnávací þlen 11. Signál prochází do zesilovaþe 12, kde se zesílí na takovou úroveĖ, aby vyvolal pootoþení elektromotoru 8. Na hĜídel elektromotoru 8 se upevĖuje šedý klín 6. Vlivem Ĝídícího signálu se klín pootoþí a teda zmČní pomČr dopadajícího záĜení. PĜitom dojde ke snížení, respektive zvýšení intenzity záĜení v jednom svazku. Pokud je intenzita záĜení stejná v obou dvou svazcích, Ĝídící signál je nulový. Na tom stejném hĜídeli elektromotoru, kde se nachází klín, je upevnČná i ruþiþka 9. Ruþiþka umožĖuje odeþítat na stupnici distribuþní teplotu. K zamČĜení pyrometru na cíl slouží okulár 10. [2]
Obr. 2.8 – PomČrový pyrometr [2] MČĜící rozsah distribuþních pyrometrĤ bývá od 700°C až do 2000°C. Povolená chyba pĜi mČĜení je od 1,5% do 2%.
2.4.7 Chyby mČĜení pyrometrĤ a jejich korekce PĜi mČĜení danými pyrometry se pĜedpokládá, že mČĜíme tČleso, které má vlastnosti absolutnČ þerného tČlesa, u distribuþních pyrometrĤ pĜedpokládáme, že tČleso má vlastnosti jako šedé tČleso. V reálu se však poþítá, že se mČĜí teplota tČles kde emisivita İ < 1. Proto pĜi mČĜení teploty je nutná korekce.
Strana 28
PĜehled pro korekþní teploty tk mĤžeme nalézt na (Obr.2.9). Z obrázku vyplývá, že korekce mČĜené teploty musí být tím vČtší, þím menší je emisivita daného tČlesa. Radiaþní a spektrální pyrometry mČĜí nižší teplotu než ve skuteþnosti je, a proto je tuto hodnotu potĜeba upravit. Korekþní teplota se odeþítá u distribuþních pyrometrĤ, protože teplota namČĜená je vyšší než skuteþná. Na pĜesnost mČĜení má vliv nČkolik faktorĤ: -
Velikost cíle a jeho vzdálenost. Emisivní vlastnosti mČĜeného povrchu. Druh použitého pyrometru. Optické vlastnosti mČĜícího pĜístroje. Citlivost snímacího prvku. Typ prostĜedí mezi mČĜeným objektem a pyrometrem. Zkušenosti pozorovatele pĜi ruþním mČĜení. [2]
Zorné pole je úhel pohledu, se kterým pracuje pĜístroj a závisí na použité optice. Pyrometry ve skuteþnosti jen mČĜí urþitou prĤmČrnou hodnotu daného tČlesa na jeho povrchu. Proto je velice dĤležité, aby v zorném poli mČĜícího pĜístroje byl jen mČĜený objekt. Pokud tyto podmínky nejsou splnČny mohou nastat chyby pĜi mČĜení teploty.
Obr. 2.9 – Závislost korekþních teplot tk na skuteþné teplotČ ts a na emisivním koeficientu Se zorným polem souvisí i ohnisková vzdálenost optiky u pĜístroje. Ohnisková vzdálenost je urþitý bod, kde se zobrazuje nejmenší mČĜící skvrna. NapĜíklad pĜístroj s pomČrem mezi vzdáleností a velikostí skvrny 130:1 a ohniskovou vzdáleností 1700 mm bude mít nejmenší vzdálenost skvrny 1700:130 = 13,08 mm. Pyrometry urþené na mČĜení z krátkých vzdáleností, mají malou ohniskovou vzdálenost na optice. Pohybuje se v rozmezí 2,5 až 300 mm. PĜístroje na mČĜení z velkých vzdáleností mají ohniskovou vzdálenost okolo 15m. Vliv pĜístroje a její optiky na velikosti pozorovacího úhlu u infraþervených pyrometrĤ je zobrazeno na (Obr.2.10). Velký vliv na mČĜení teploty u objektu má povrch mČĜeného tČlesa. PĜi bezdotykovém mČĜení dosahuje nejvyšší pĜesnost mČĜení u dokonale þerného tČlesa (İ=1). V reálu se však tyto tČlesa nevyskytují. U levnČjších pĜístrojĤ se nedá nastavovat hodnota intenzity záĜení, od výrobce bývá standardnČ
Strana 29
nastavena na hodnotu İ=0,95. Lepší pĜístroje na mČĜení teploty umožĖují nastavovat emisivitu. V takovém pĜípadČ je potĜeba, abychom znali emisivitu mČĜeného tČlesa. Lepší bezdotykové teplomČry mají zabudované kompenzátory hodnot emisivity, která je pro rĤzné materiály. ýím vyšší je emisivita objektu, tím snadnČjší je mČĜení teploty tČlesa. ýím nižší je emisivita mČĜeného tČlesa, napĜíklad pod 0.2, tím tČžší je mČĜení teploty tČlesa. VČtší vliv na pĜesnČjší mČĜení teploty má odrazivost než propustnost tČlesa.
Obr. 2.10 – Zorné pole infraþerveného pyrometru Bezdotykové teplomČry, které mají v sobČ zabudovány mikroprocesory, upravují namČĜené hodnoty již bČhem daného mČĜení. Používají k tomu rĤzné iteraþní metody, aby výsledek mČĜení byl co nejpĜesnČjší. Dosáhneme tím daleko lepšího výsledku než u teplomČrĤ bez automatiky.
2.5
Infraþervené pĜístroje
Infraþervené pĜístroje mČĜí principem bezdotykového mČĜení teploty prĤmČrnou teplotu povrchu daného tČlesa. PĜi tomto mČĜení používají urþité vyzaĜovací zákony viz. dĜívČjší uvedené pyrometry. Toto záĜení se pohybuje v rozmezí infraþerveného spektra záĜení, to znamená mezi vlnovými délkami 0,75 . 10-6 m až 10-3 m. MĤžeme je používat na rychlé a snadné mČĜení povrchu teploty. NejþastČji infraþervené teplomČry mČĜí hodnoty do 1000°C.
Strana 30
Využívají širokopásmový filtr s rozsahem vlnových délek 8 až 14 ȝm, který eliminuje vlivy atmosféry na mČĜení. Na speciální úþely se používají pĜístroje s rozsahem 8 až 20 ȝm. Pomocí nich se dá mČĜit jen z malé vzdálenosti, protože jsou náchylné na rušivé vlivy atmosféry. PĜi mČĜení teplot nad 1500°C se využívá rozsah vlnových délek 2,1 ȝm až 2,3 ȝm. V tomto pĜípadČ se dá infraþervený pĜístroj použít i za sklem nebo za kĜemíkovým krytem. PĜístroje totiž pracují na takové vlnové délce, pĜi které se sklo zdá úplnČ prĤhledné. Do skupiny infraþervených pĜístrojĤ patĜí také infraþervené pyrometry a infraþervené termoþlánky. [2]
2.5.1 Infraþervené pyrometry Infraþervené pyrometry mĤžeme používat na mČĜení teploty v prostĜedí, kde není možné použít bČžné bezdotykové teplomČry. Jde napĜíklad o pĜípady, kdy se mČĜené tČlesa pohybují. Infraþervené pyrometry se vyrábČjí jako spektrální a distribuþní pyrometry. Infraþervené pyrometry se skládají z elektrické a optické þásti. V elektrické þásti se zpracovává namČĜená hodnota. Optická þást pyrometru má za úkol zachytit a usmČrnit záĜení objektu. Z hlediska uživatele je nejdĤležitČjší ohnisková vzdálenost. S ohniskovou vzdáleností souvisí také zorné pole a jeho velikost. VČtšina infraþervených pyrometrĤ bývá vyrobena s danou ohniskovou vzdáleností. Pyrometry, které se používají na bČžné mČĜení teploty mají ohniskovou vzdálenost mezi 500 až 1500 mm. Pokud mČĜíme teplotu u velmi malých objektĤ, používáme pevnou optiku, která je pro tyto objekty vhodná. Potom jsme schopni mČĜit teplotu oblasti s prĤmČrem 0,5 mm.
Obr. 2.11 – Infraþervený ruþní laserový pyrometr Protože tyto pyrometry mČĜí teplotu v zorném poli pĜístroje, je potĜeba zamČĜit na objekt s velkou pĜesností. Nejjednodušší Ĝešení je umístit mČĜidlo na pevný objekt. Lze také tyto mČĜící pĜístroje doplnit systémem, který pĜímo na mČĜeném objektu vykreslí objekt mČĜící skvrny. Mezi nejdražší pĜístroje patĜí takové, kde mají pĜímo zabudovanou funkci na zmČnu ohniskové vzdálenosti. Používají se také oscilaþní zrcadla, kde se dá získat pĜímkový teplotní profil. Obvody, které zpracovávají výstupní signál se také liší podle ceny daného pĜístroje. NejlevnČjší a nejjednodušší pĜístroje nabízí na výstupu elektrický signál úmČrný dopadajícímu záĜení, který se linearizuje. I bČžné infraþervené pyrometry využívají softwarové zpracování výstupního signálu. Programy umožĖují kompenzaci teploty okolí cíle, mají zvukový a optický alarm. Na zabudovaném displeji se dá odeþítat minimální a maximální teplota cíle, jeho prĤmČrná teplota, rozdíl teplot a podobnČ. NamČĜené hodnoty se dají uchovávat a po pĜipojení pĜístroje na nadĜazený systém se mohou dále zpracovávat. [2]
Strana 31
Infraþervené pyrometry se vyrábČjí jako pevné pyrometry nebo pĜenosné pyrometry. Pevné pyrometry jsou instalovány na jedno statické místo a mČĜí teplotu jen daného místa. Bývají napájeny z místní sítČ elektrické energie. Výstup u tČchto pyrometrĤ bývá nejþastČji analogový. PĜenosné pyrometry bývají napájeny pomocí akumulátoru. Mají stejné vlastnosti jako pevné pyrometry, pouze nemají analogový výstup. Infraþervený pyrometr lze pĜirovnat k lidskému oku. Oþní þoþka pĜedstavuje optiku, skrz kterou jde záĜení (proud fotonĤ) z mČĜeného objektu, dopadá pĜes atmosféru na fotocitlivou vrstvu (oþní sítnici). Zde je pĜemČnČn na signál, který je vysílán do mozku. [3] Infraþervené pyrometry mají v mČĜícím rozsahu od -28°C po 870°C dovolenou chybu mČĜení 1% mČĜícího rozsahu. Emisivita mČĜeného objektu bývá nastavitelná od İ=0,1 po İ=1,0 s krokem 0,01. ýas odezvy se pohybuje od 0,3 do 1 s. Dražší vyhotovení mají vČtší mČĜící rozsah od -30°C do 1370°C, ve speciálních pĜípadech od 400°C až do 3000°C. Ostatní parametry jsou obdobné. [2] Infraþervených pyrometrĤ je dnes na trhu velké množství a podle potĜeby mČĜení lze nalézt ten správný. Níže pro pĜedstavu uvádíme jeden pĜíklad.
1) Ruþní teplomČr Testo - Infra-teplomČr s oznaþením snímané plochy - pĜepínání optiky pro velkou a malou vzdálenost pro optimalizaci velikosti snímané plochy. SouþasnČ je možné mČĜit i vlhkost – inovace v bezdotykovém mČĜení teploty. -
-
PĜepínatelná optika ,,switch“ pro mČĜení vzdáleného pole a pro mČĜení na blízko. Spolehlivé výsledky mČĜení díky laserovému kĜíži, který oznaþuje skuteþnČ snímanou plochu. MČĜicí rozsah –35 °C až +950 °C. Referenþní pĜesnost až +/- 0,75 °C super rychlou mČĜicí technikou (snímání 100 ms). Integrovaný vlhkostní modul pro mČĜení vlhkosti vzduchu v místnosti a k urþení vzdálenosti rosného bodu a povrchové vlhkosti. Vstup pro termoþlánkovou sondu. Dokumentace pomocí softwaru nebo na místČ tiskárnou protokolĤ. [5]
Tento infraþervený teplomČr má velice malou snímanou plochu pĜi malé i velké vzdálenosti k mČĜenému poli díky pĜepínatelné optice switch. Testo 845 vytváĜí technologický zlom v bezdotykovém mČĜení teploty. MĤžeme mČĜit teplotu na povrchu až o prĤmČru 1 mm. I pĜi velké vzdálenosti nám garantuje malou snímanou plochu. UmožĖuje to pĜepínatelná optika pro mČĜení vzdáleného pole a pro mČĜení na blízko. Optika 75:1 pro mČĜení vzdáleného pole s laserovým kĜížem: Pro mČĜení na vČtší vzdálenosti je pĜístroj Testo 845 vybaven optikou 75:1. PĜi mČĜení je spolehlivost výsledku mČĜení prvoĜadá. Laserový kĜíž pĜesnČ oznaþuje prĤmČr snímané plochy pĜi jakékoliv vzdálenosti. Tím je velikost snímané plochy v každém momentu mČĜení jasnČ zĜetelná – nesprávná mČĜení jsou eliminována. [5]
Strana 32
Obr. 2.12 - PrĤmČr snímané plochy a vzdálenost od mČĜeného pole [6]
2.5.2 Infraþervené termoþlánky Výroba infraþervených termoþlánkĤ byla velká zmČna pro bezdotykové mČĜení teploty. Infraþervené termoþlánky mají Ĝadu výhod. NepotĜebují napájecí zdroj z vnČjšího okolí, dokážou mČĜit teplotu na povrchu u rĤzných materiálĤ a navíc jsou levné. Jedna z dalších výhod je, že je lze pĜipojit pĜímo k vyhodnocovacím jednotkám, které jsou urþené pro termoþlánky. Jsou také vhodné na bezdotykové mČĜení absolutnČ þerného tČlesa. Pokud je emisivita İ<0,8, musí být použita korekce namČĜených hodnot. Infraþervený termoþlánek využívá spojení s termoþlánkem typu J, K, T a E. Všechny infraþervené termoþlánky mají systém snímaní detekující energii teploty vyzáĜenou z mČĜeného tČlesa. Využitím Seebeckova termoelektrického efektu pĜevádČjí tuto energii na elektrický signál. Výstupem je napČĢový signál v milivoltech. Ten je poté dále upravován pomocí podle dané charakteristiky termoþlánku. Tyto signály jsou ovlivnČny nelinearitou vyplývající ze zpĤsobu mČĜení. Pokud omezíme na urþitý teplotní rozsah použití termoþlánku, výstupní signál je lineární. Poté jej mĤžeme snadno upravit jako bČžný signál z infraþerveného pyrometru. NapĜíklad pĜi stanovení možné dvouprocentní odchylky od linearity konvenþního termoþlánku se získá teplotní rozsah, ve kterém se bude signál infraþerveného termoþlánku lišit jen rozsahu 2% od signálu konvenþního termoþlánku. V praxi se bČžnČ definuje možná odchylka 2% nebo 5% (zde bude mČĜící rozsah vČtší). Vyobrazení je na (Obr. 2.13). Proto jsou jednotlivé typy infraþervených termoþlánkĤ urþené jen na mČĜení v urþitém rozsahu teplot. [2]
Strana 33
Obr. 2.13 – Odchylka termoþlánkĤ Vystupující signál je na svém celém rozsahu hladký a spojitý. U dlouhodobého použití se signál nemČní. Na celém mČĜícím rozsahu je chyba maximálnČ 1%. Vychází to z konstrukþního hlediska infraþerveného termoþlánku. Jelikož jde o pevné tČleso, které je hermeticky uzavĜené jehož metalurgické a mechanické vlastnosti se bČhem jeho životnosti nemČní. Tím se liší od klasických termoþlánkĤ, které mohou pĜi mechanické zmČnČ vykazovat zmČny pĜi kalibraci. Infraþervené termoþlánky neobsahují žádný zdroj energie ani elektronické prvky. Klasické infraþervené termoþlánky se používají v rozsahu teplot -73°C až 2800°C. Jeden termoþlánek sám o sobČ nemá takový teplotní rozsah, vČtšinou dokáže mČĜit teplotu v rozmezí 30°C až 80°C. Termoþlánky, které používáme k mČĜení vyšších teplot mohou mít mČĜící rozsah až 1400°C. Chyba pĜi mČĜení bývá od 1% až do 5%. Mají také velmi malou þasovou konstantu. Infraþervené termoþlánky se vyrábČjí v nČkolika konstrukþních provedeních. Jedno z provedení jsou infraþervené termoþlánky s volitelnou vzdáleností od povrchu mČĜeného tČlesa. Druhé provedení je napĜíklad infraþervený termoþlánek s pevnou vzdáleností od mČĜeného povrchu. Infraþervené termoþlánky s volitelnou vzdáleností od povrchu mČĜeného tČlesa se pĜikládají pĜímo k povrchu. Vzdálenost od snímaþe bývá 0 až 10 mm. Tyto termoþlánky mají malou ohniskovou vzdálenost. VČtšinou je používáme na mČĜení nižších teplot. Termoþlánky s pevnou vzdáleností od mČĜeného povrchu tČlesa mají velkou ohniskovou vzdálenost. Používáme je na mČĜení vysokých teplot. Vzdálenost infraþerveného termoþlánku od objektu mĤže být v rozmezí 0 až 2000 mm. Infraþervené termoþlánky mĤžeme také dČlit podle toho, jestli mají nastavitelný nebo pevný mČĜící rozsah. Termoþlánky s pevným mČĜícím rozsahem obsahují zaĜízení, kterým se dá v rámci mČĜícího rozsahu nastavit rozsah s chybou mČĜení 2%. Infraþervené termoþlánky (Obr.2.14) se vždy dodávají v ochranném pouzdĜe. Základní vyhotovení tohoto termoþlánku zobrazujeme na (Obr. 2.14a). Ochranné pouzdra mĤžeme upravovat podle zpĤsobu použití.
Strana 34
Obr. 2.14 – Infraþervené termoþlánky a) Standardní vyhotovení b) Se vzduchovým þištČním optické cesty c) S vodním chlazením d) S vodním chlazením i vzduchovým þištČním optické cesty Pokud je infraþervený termoþlánek používán ve zneþištČném prostĜedí, mohou se na termoþlánek i mČĜené tČleso dostat neþistoty, které znaþnČ zmČní mČĜenou hodnotu teploty. Proto používáme na þištČní termoþlánek se vzduchovým þištČním optické cesty. MĤžeme nastavit, aby se þistilo jen tČlo snímaþe nebo celá dráha optické cesty. Pokud mČĜíme vysoké teploty je velmi dĤležité, abychom zajistili chlazení na povrchu snímaþe. Chladíme kapalinou nebo vzduchem. Tento zpĤsob chlazení mĤžeme také kombinovat se vzduchovým þištČním optické cesty. Jestliže mČĜíme ve stísnČném prostĜedí, mĤžeme použít zrcadlo, které je nastavené pod úhlem 45° k ose snímaþe – viz. (Obr 2.15). Zrcadlo velmi dobĜe odráží infraþervené záĜení. Vše je vyrobeno z nerezové oceli.
Obr. 2.15 – Zrcadlo na použití ve stísnČném prostoru pĜi mČĜení infraþerveným termoþlánkem
Strana 35
Infraþervené termoþlánky se stále daĜí vylepšovat a tím je þastČjší jejich využití. Pomocí optického kabelu se nám podaĜilo snadno propojit infraþervený snímací prvek a optiku termoþlánku. Díky tomu mĤžeme mČĜit teplotu i na nepĜístupných místech. Optika, která je použita nám umožĖuje mČĜit teploty v oblasti s prĤmČrem menším než 0,1 mm. U mČĜícího rozsahu napĜíklad 800°C až 1600°C dosahuje dovolená chyba mČĜení jen 1% mČĜícího rozsahu. Infraþervené termoþlánky se používají na mČĜení teploty pohybujících se tČles nebo rotujících tČles. MĤžeme je použít napĜíklad i na mČĜení teploty pneumatiky za jízdy. Používají se také na mČĜení teploty u integrovaných obvodĤ. Mají velkou výhodu, že jsou pomČrnČ levné, a že mĤžeme bezdotykovČ mČĜit teplotu na pomČrnČ velkou vzdálenost.
2.6
MČĜení teplotních polí
Nyní jsme se zabývali pouze bezdotykovými teplomČry, kterými lze mČĜit teplotu pouze v urþitém bodČ. Pokud potĜebujeme znát teplotní rozložení na vČtším povrchu tČlesa, musíme použít nČkolik teplotních snímaþĤ a poté vyhodnotit prĤbČh izotermĤ. Na toto mČĜení bylo vyvinuto nČkolik zpĤsobu mČĜení.
2.6.1 Fotografické mČĜení teploty Nejjednodušší metodou zjištČní teplotního pole je vyfotografování infraþerveným filmem, protože fotografické materiály jsou na infraþervené záĜení citlivé, Ȝ=0,78 ȝm. Pokud film vyvoláme, získáme obraz teplotního pole. Pokud fotíme tČleso, vyfotografuje se zároveĖ také teplotní mČĜidlo, které tvoĜí sada destiþek. Každá z daných destiþek je ohĜátá na urþitou teplotu. Tyto teploty jsou poté urþeny dotykovým termoþlánkem. Rozsah pĜi mČĜení se pohybuje v rozmezí od 250°C až do 1000°C. PĜesnost pĜi mČĜení je závislá na vlastnostech termoþlánkových destiþek, kvalita materiálu, který fotografujeme, rozdíl emisních koeficientĤ teplotního mČĜidla a mČĜeného objektu.
2.6.2 Termovize Termovizní pĜístroje nám umožĖují na povrchu mČĜeného tČlesa zobrazit teplotní pole. V oblasti infraþerveného spektra se využívá vyzaĜování tČles. Dané teplotní pole je snímáno kamerou se snímaþem a poté je zobrazováno na displeji. Teplotní pole se poté zobrazuje v rĤzných barevných odstínech podle teploty. Základní funkþní þlen systému je pĜedstavován pomocí prvku, který je citlivý na dopad infraþerveného záĜení. Zde používáme pyroelektrické nebo kvantové detektory. Pyroelektrický detektor se pĜi dopadu infraþerveného záĜení ohĜeje a na tČlese vznikne elektrický náboj. Zde není vyžadováno chlazení, takže jej mĤžeme použít v bČžném prostĜedí. Kvantové detektory reagují pĜi dopadu infraþerveného záĜení zvýšením své elektrické vodivosti. Tyto detektory se však musí chladit na nízkou teplotu. Chlazení bývá realizováno napĜíklad tekutým dusíkem. PĜístroje urþené k termovizi se z konstrukþního hlediska staví jako systémy s postupným opticko-mechanickým rozkladem. Schématické zobrazení termovizního pĜístroje s opticko-mechanickým rozkladem obrazu je na (Obr. 2.16). Tepelné paprsky, které vyzaĜuje mČĜený objekt, prochází pĜes objektiv kamery 1 a dopadají na duté zrcadlo 2. Od nČho se odrážejí na ploché zrcadlo 3, které kmitá okolo vodorovné osy s frekvencí 16 Hz. Tím se dosahuje vertikální rozklad obrazu. Dále se paprsky odrážejí a soustĜećují na osmiboký hranol 4. Ten rotuje okolo svislé osy s frekvencí otáþení 200 s-1. Rozkmitaný paprsek prochází clonou 5, þoþkou 6 a zrcadlo 7 ho odráží na fotogen 8. Fotoþlen se nachází na dnČ Dewarové nádoby 9 naplnČné tekutým dusíkem, þím se zabezpeþuje chlazení
Strana 36
fotogenu. Jeho výstupní signál je úmČrný intenzitČ dopadajícího záĜení. V elektronických obvodech se zesiluje, zpracovává a pĜivádí na obrazovku monitoru. [2]
Obr. 2.16 – Termovize s opticko-mechanickým rozkladem obrazu [2] Termogramy v rĤzných odstínech šedé barvy však neumožĖují tak lehké vyhodnocení obrazu. Proto se na termogramu zobrazuje þasto jen jedna hodnota teploty. Teplota, která je na objektu se zvýrazĖuje jasnČ bílou barvou. Pokud chceme osmibarevný záznam, musíme vytvoĜit osm termogramĤ. Termogramy se fotografují na snímek pĜes barevné filtry a každý termogram má svou barvu. Termovizní pĜístroje nám umožĖují snadno zjistit pomocí programového cyklu lehkou a rychlou analýzu obrazĤ. Základní videovýstup umožĖuje záznam obrazĤ a údajĤ na termokameĜe. Tento záznam mĤže být užiteþný, pokud potĜebujeme provést kontrolu. MČĜící rozsah bývá od 30°C až do 2000°C s rozlišením až 0,1°C. PĜímozobrazující termovizní pĜístroje jako citlivý prvek využívají pyroelektrický detektor. Mají však malou pĜesnost mČĜení, a proto se používají pouze na orientaþní mČĜení teplot. Výhoda je absence chladícího zaĜízení, což má za následek nízké poziĜovací náklady pĜístroje. Pyroelektrický detektor na základČ pyroelektrického jevu snímá dopadající záĜení. Tento jev se vyskytuje v materiálech s trvalou polarizací nebo v nČkterých feroelektrických materiálech, ve kterých se orientace domén vytvoĜí elektrický zlom. NejþastČji se používá TGS (triglycinsulfát), keramika PZT, LiTaO3 (lítium tantalát) nebo PVDF (polyvinylfluorid). [2] Základní schéma pyroelektrického citlivého prvku je na (Obr. 2.17a). Skládá se z pĜehledné elektrody 1, pyroelektrického material 2 a ze spodní elektrody 3. Citlivý prvek se tak mĤže pokládat za kondenzátor, na který se v elektrodách indukuje elektrický náboj. Náboj se odvádí pĜes svodový odpor pyroelektrika a vstupní odpor pĜedzesilovaþe. PĜed každým mČĜením náboje je potĜeba zaclonit a opČt odclonit dopadající záĜení. [2] Parazitní pizoelektrický jev se nejþastČji vyskytuje v pyroelektrických materiálech. Ten vnáší do mČĜení systematickou chybu pĜi deformaci. Díky tomu používáme kompenzaþní Ĝešení uvedené na (Obr. 2.17b). Do obvodu je pĜiveden další pyroelektrický snímaþ s opaþnou polarizací.
Strana 37
PĜíklad detekþní þásti pĜímozobrazujícího termovizního systému s Ĝádkovým pyroelektrickým prvkem CCD uvádí (Obr. 2.17c). V pĜípadČ Ĝádkového nebo plošného snímání se náboje bodových pyroelektrických prvkĤ zpracovávají pomocí posuvných registrĤ CCD. Diferenþní zapojení se používá na vyhodnocení rozdílu dopadajícího záĜení pĜi odkrytém a zaclonČném pyroelektrickém prvku. Dopadající záĜení prochází pĜes clonící zaĜízení 1 a soustavu pĜehledných elektrod 2 a ze spoleþné zadní elektrody 4 na vstupní obvody CCD 5 a pĜes posuvné registry 6 se dostává signál do diferenþního výstupního obvodu 7.[2]
Obr. 2.17 – Pyroelektrický detektor a) Citlivý prvek b) Kompenzaþní zapojení c) ěádkový pyroelektrický snímaþ CCD [2] Termovizní pĜístroje našly uplatnČní pĜi mČĜení teploty napĜíklad budov, potrubí, pecí a podobnČ.
Strana 38
Strana 39
3
VLIV SPRÁVNÉHO NASTAVENÍ EMISIVITY NA VÝSLEDEK MċěENÍ TEPLOTY
Emisivita je schopnost objektu absorbovat a emitovat infraþervenou energii. MĤže mít hodnotu mezi 0 a 1,0. NapĜíklad zrcadlo má emisivitu 0,1, zatímco takzvané „þerné tČleso“ dosahuje hodnot emisivity 1,0. Když je nastavená hodnota emisivity vČtší než je její skuteþná velikost, bude na výstupu pĜístroje menší hodnota teploty, pokud je teplota cíle vyšší než teplota okolí pĜístroje. Když napĜíklad nastavíme 0,95 a skuteþná emisivita je 0,9, zobrazená hodnota teploty bude nižší než skuteþná teplota. [7] Emisivita mĤže být urþena jednou z následujících metod:
-
-
-
ZjistČte skuteþnou aktuální teplotu materiálu použitím termistoru (RTD, napĜ. PT100), termoþlánku nebo nČjakou jinou vhodnou metodou. Pak mČĜte teplotu objektu a nastavujte emisivitu tak dlouho, dokud nedosáhnete stejné teploty. Takto nastavená emisivita je emisivita mČĜeného materiálu. Pro relativnČ nízké teploty (do 260 °C) nalepte na mČĜený povrch plastový štítek. Štítek musí být vČtší než stopa mČĜení. Pak mČĜte teplotu štítku s emisivitou nastavenou na 0,95. KoneþnČ mČĜte teplotu pĜiléhající oblasti a nastavujte emisivitu, dokud nedosáhnete stejné teploty. Takto nastavená emisivita je emisivita mČĜeného materiálu. Pokud je to možné, mĤžeme použít silnČjší vrstvu barvy na þást objektu. Emisivita barvy musí být okolo 0,98. Pak mČĜte teplotu nabarvené plochy s emisivitou nastavenou na 0,98. KoneþnČ mČĜte teplotu pĜiléhající oblasti a nastavujte emisivitu dokud nedosáhnete stejné teploty. Takto nastavená emisivita je emisivita mČĜeného materiálu. [7]
Reálné zdroje záĜení nesplĖují podmínku maximální absorpce okolního záĜení, tj. Į=1, nýbrž u nich pohltivost bývá menší než jedna. Oznaþují se jako neþerná tČlesa. Podle závislosti pohltivosti Į na vlnové délce se rozdČlují na ,,šedá“ a ,,selektivní“ [15]
Obr. 3.1 – Graf závislosti emisivity pro a) Šedé záĜiþe
Strana 40
Obr. 3.2 - Graf závislosti emisivity pro b) Selektivní záĜiþe Selektivním spektrem se vyznaþují plyny, kdežto nejménČ selektivní charakter vykazují pevné látky s neleštČným povrchem. Intenzitu vyzaĜování reálných tČles (neþerných) záĜiþĤ lze stanovit za použití Kirchhoffova vyzaĜovacího zákona: [15] He (T, Ȝ) / Ȝ (T, Ȝ) = Ho (T, Ȝ) / Įo (T, Ȝ) = konst.
(3.1)
PomČr intenzity vyzaĜování libovolného tČlesa k jeho absorpþní schopnosti pĜi dané teplotČ a dané vlnové délce je konstantní a nezávisí na materiálu záĜiþe. Protože Įo=(T, Ȝ)=1, (ideální absorpce), plyne absorpþní schopnost tČlesa: [15] Į (T, Ȝ) = He (T, Ȝ) / He0 (T, Ȝ) = İ (T, Ȝ) 1
(3.2)
Koeficientu na pravé stranČ rovnice se Ĝíká koeficient þernosti (emisivita) s oznaþením epsilon. Je to veliþina menší než jedna, závisí na teplotČ, vlnové délce a opracování povrchu. Koeficientem İ je nutno pro reálné záĜiþe násobit hodnoty hustoty spektrálních intenzit vyzaĜování H0 (T, Ȝ) þerného tČlesa. Hodnoty emisivity jsou pro rĤzné materiály i povrchy stanoveny v tabulkách. [15]
3.1
Hodnoty emisivity u materiálĤ
Následující tabulka je struþný referenþní prĤvodce pro stanovení emisivity pro pĜípady, že žádná z uvedených metod nemĤže být provedena. Hodnoty emisivity v tabulce jsou pĜibližné, protože na její skuteþnou velikost mĤže mít vliv mnoho dalších materiálových parametrĤ jako: -
Teplota Úhel mČĜení Geometrie povrchu (plochý, konkávní, konvexní) TloušĢka Kvalita povrchu (leštČný, hrubý, oxidovaný, pískovaný) Spektrální rozsah mČĜení (spektrální citlivost) Transmisivita
Strana 41
Protože emisivita daného materiálu závisí na teplotČ a povrchové úpravČ, je tĜeba brát hodnoty v tabulce pouze jako orientaþní pro relativní nebo diferenþní teplotní mČĜení. Pokud je požadována vysoká pĜesnost mČĜení, mČla by se stanovit pĜesná hodnota emisivity kovu. [18] Tab. 3.1 – Emisivita kovových materialĤ Kovové materiály Beton - hrubý Hliník - neoxidovaný Hliník - slitina A3003 Chrom - leštČný MČć - oxid mČdi Ocel - za studena válcovaná Platina - þerná StĜíbro - leštČné Uhlík - lampová þerĖ Uhlík - neoxidovaný Zlato - glazura Železo - oxidované Železo - oxidované Železo - oxidované Železo - tepané, matné Tab. 3.2 – Emisivita nekovových materiálĤ
Nekovové materiály Azbest - textilie Azbest - papír Barva - modrá Barva - zelená Barva - bílá ZnO Barva - žlutá PbO Barvy - olej, všechny barvy Cihla þervená drsná DĜevo bukové, hoblované DĜevo dubové, hoblované DĜevo smrkové, obroušené Lak - þerný Sklo - convex D Sklo - hladké Voda
Teplota °C 0-1093 25 316 150 38 93 260 38 25 25 100 100 499 1199 349
Emisivita 0,94 0,02 0,40 0,06 0,87 0,75 - 0,85 0,96 0,01 0,95 0,81 0,37 0,74 0,84 0,89 0,94
Teplota °C Emisivita 93 0,90 38-371 0,93 24 0,94 24 0,92 24 0,95 24 0,90 93 0,92-0,96 21 0,93 70 0,94 38 0,91 38 0,89 93 0,96 100 0,80 0-93 0,92-0,94 38 0,67
Strana 42
Strana 43
4
NÁVRH A REALIZACE EXPERIMENTÁLNÍHO PRACOVIŠTċ PRO OVċěENÍ ZÁVISLOSTÍ
4.1
Použitý bezdotykový teplomČr – Compact CM
Tento bezdotykový teplomČr Ĝadíme mezi systémové bezkontaktní teplomČry. MČĜení teploty Ĝadíme mezi nejsledovanČjší fyzikální veliþiny. V prĤmyslu se témČĜ nedá najít odvČtví, kde by nebylo potĜeba mČĜit teplotu. Systémové bezkontaktní teplomČry mají velmi rychlou þasovou odezvou a umožĖuje nám mČĜit v prostĜedí, které je nebezpeþné pro mČĜící pĜístroje nebo obsluhu teplomČrĤ. Díky technologii mČĜení i své bezpeþnosti se stále na více místech užívá bezkontaktního mČĜení teploty. Používá se také v pĜípadech, kde dĜíve mČĜení kontaktním teplomČrem bylo nemyslitelné. Stále nové technologie umožĖují vyrábČt malé, levné a výkonné teplomČry. Bezkontaktní teplomČry pracují na principu vyhodnocení množství vyzáĜené energie v infraþerveném spektru. Infraþervené záĜení emitují všechna tČlesa, jejichž teplota je vyšší než 0 K, vlivem tepelného pohybu elementárních þástic hmoty. Pro bezkontaktní mČĜení teploty se využívají vybrané vlnové délky z rozsahu pĜibližnČ 1 až 16 µm, na kterých nedochází k absorpci infraþerveného záĜení atmosférou. KonstrukþnČ je bezkontaktní teplomČr opticko-elektronický pĜístroj. Objektiv soustĜećuje infraþervené záĜení na senzor, který je pĜevede na elektrickou veliþinu. Elektronická jednotka s procesorem signál senzoru zpracuje a zobrazí na displeji hodnotu teploty, pĜípadnČ pĜevede na standardní elektrické veliþiny. Pro kontinuální technologická mČĜení s prĤbČžným zobrazováním namČĜených hodnot, s jejich archivací a pro úþely Ĝízení technologických procesĤ se používají systémové bezkontaktní teplomČry. [6] Nejširší ucelená Ĝada pĜístrojĤ pro mČĜení nízkých teplot od -40°C do 600°C. Zahrnuje celou škálu konstrukþních Ĝešení od nejjednodušších a nejlevnČjších systémových pyrometrĤ s pevným analogovým výstupem až po pĜístroje s možností digitální komunikace a s rozsáhlými možnostmi uživatelské volby parametrĤ a úpravy výstupního signálu. Unifikované rozhraní usnadĖuje implementaci do stávajících systémĤ mČĜení a regulace. K dispozici je rozsáhlé pĜíslušenství pro montáž a ochranu hlavic pĜed vlivy prostĜedí a programové vybavení DataTemp s komfortem vyšších modelĤ. [6] Úsporný, jednoduchý a levný snímaþ v pouzdĜe z nerezové oceli s vysokým krytím a mechanickou odolností. TeplomČry CM jsou vhodné jako pĜímá náhrada termoþlánkĤ typu J nebo K nebo þidel s napČĢovým výstupem ve stávajících i nových konstrukcích a pro masové nasazení v OEM aplikacích v tvrdších podmínkách. Operativní možnost zmČny nastavení parametrĤ pĜes rozhraní RS232 vþetnČ úprav výstupního signálu a jednoduchá LED autodiagnostika snižují þas pĜi zjišĢování funkþního režimu, nastavení konkrétních parametrĤ senzoru a jejich zmČny i pĜi odstraĖování pĜípadných závad. [6]
Strana 44
Obr. 4.1 – Bezdotykový teplomČr Compact CM [6]
4.1.1 Základní charakteristiky a parametry teplomČru – Compact CM -
Velký teplotní rozsah od -20 °C do 500 °C (-4 až 932 °F) Rozlišení optiky pĜístroje 13:1 pro 90% energie Spektrální citlivost 8 až 14 ȝm
-
PĜesnost (digitální a napČĢový výstup) ±1,5% mČĜené hodnoty nebo ±2 °C PĜesnost (termoþlánek) ±1,5% mČĜené hodnoty ±2 °C nebo ± 4 °C Opakovatelnost (digitální a napČĢový výstup) ±0,5% mČĜené hodnoty nebo ±1 °C Opakovatelnost (termoþlánek) ±0,5% mČĜené hodnoty ±1 °C nebo ±2 °C ýasová odezva 150 ms (95% energie) Teplotní rozlišení 0,1 °C Emisivita 0,100 až 1,100 (nastavitelná) Transmisivita 0,100 až 1,000 (nastavitelná)
-
Analogový výstup lze nastavit v rozsahu 0 až 5V, termoþlánek typu J nebo K Komunikace pĜes digitální rozhraní RS232 pro monitorování a nastavení senzoru Výstupní signalizace tranzistor, 24 VDC/20mA Napájení 24 VDC ±20%/20mA
-
-
-
LED indikace stavu a diagnostika senzoru Nastavitelné zpracování výstupního signálu Robustní provedení v ochranném nerezovém plášti s krytím IP 65 (NEMA-4x) Provozní teplota okolí -10°C až 70°C Skladovací teplota -20°C až 85 °C RozmČry/hmotnost – L=94 mm, prĤmČr 19 mm/cca 200g Kompatibilní s programem DataTemp Multidrop DoplĖky pro þištČní a ochranu objektivu
Strana 45
4.1.2 Optický diagram – Compact CM Vzdálenost D: senzor – objekt (mm)
Vzdálenost D: senzor objekt (in) Obr. 4.2 – Optický diagram teplomČru Compact CM D: S v ohnisku = 13:1 /11.5 mm ve vzdálenosti 150 mm D = vzdálenost mezi objektivem senzoru a cílem S = velikost stopy (pro 90% energie) Pro výpoþet velikosti ze dvou známých bodĤ uvnitĜ optického diagramu mĤže být použit vzorec: Sx = Sn + [(Dx - Dn) / (Df – Dn) . (Sf – Sn)] kde Sx – neznámý prĤmČr cílové stopy Sn – nejmenší známý prĤmČr cílové stopy Sf – nejvČtší známý prĤmČr cílové stopy Dx – vzdálenost neznámé cílové stopy Dn – vzdálenost nejmenší známé cílové stopy Df – vzdálenost vČtší známé cílové stopy
(4.1)
Strana 46
4.1.3 ZamČĜení Je potĜeba se ujistit, že cíl je vČtší než velikost stopy. ýím menší cíl mČĜíme, tím musí být bezdotykový teplomČr blíže.
Obr.4.3 – UmístČní senzoru teplomČru Compact CM
4.1.4 Elektrické rušení, kvalita atmosféry a emisivita Pokud nechceme, aby se porušil objektiv a nedocházelo k chybnému namČĜení teploty, musíme objektiv chránit pĜed prachem, výpary a dalším možným zneþištČním. Na tuto ochranu mĤžeme použít napĜíklad límec pro vzduchové þištČní optiky. Pokud chceme minimalizovat elektrické a elektromagnetické rušení musíme pĜi mČĜení teploty postupovat dle následujících instrukcí: -
Senzor by mČl být instalován mimo dosah možných rušících zdrojĤ Musíme zajistit izolovanou instalaci senzoru Je tĜeba, aby bylo stínČní kabelu uzemnČno jen v jednom místČ Vodiþ by nemČl být pĜipojen pĜímo do napájecí sítČ 24 V
Emisivitu mČĜeného objektu urþíme dle tabulek hodnot mČĜených materiálĤ. Pokud je emisivita velice malá, výsledky mČĜení mohou být zkresleny interferencí infraþerveného záĜení objektĤ v pozadí. Tyto nepĜesnosti pĜi mČĜení mohou vzniknout napĜíklad pĜi mČĜení rĤzných reflexních povrchĤ a tenkých materiálĤ. Chyba mČĜení teploty u takových objektĤ s malou emisivitou mĤže být snížena dĤkladnou instalací a pĜípravou pĜed mČĜením, zejména odstínČním záĜení.
Strana 47
4.1.5
PĜipojení a kabel
Obr.4.4 – Schéma zapojení bezdotykového teplomČru Compact CM [6] Analogový výstup Minimální zatČžovací impedance pro výstup 0 až 5 V je vČtší než 50 kȍ. VnitĜní impedance termoþlánkového výstupu je 100 ȍ. Výstup signalizace Vývod TxD rozhraní RS232 a výstup signalizace sdílí jeden vodiþ. Volba mĤže být provedena z programu DataTemp nebo pĜíkazem pĜes RS232. Když je aktivní režim signalizace, mĤže teplomČr Compact CM pĜijímat pĜíkaz z poþítaþe pĜes RS232, ale nemĤže odpovČdČt do PC. Linka TxD rozhraní RS232 mĤže normálnČ pracovat po vypnutí výstupu signalizace pĜíkazem K=0. Když je pĜístroj nastaven z programu DataTemp, je signalizaþní výstup v požadovaném stavu až po restartu. [7]
4.2
3–bodový IR kalibrátor
Díky tomuto kalibrátoru je dnes velice snadné zkontrolovat správnost mČĜení IR teplomČru. Tento kalibrátor umožĖuje rychlé, levné a snadné ovČĜení mČĜení. Obsahuje tĜi možné nastavení teploty – 50°C, 100°C a 150°C. Vybereme požadovanou teplotu, poþkáme až se rozsvítí svČtlo, zamČĜíme na 1,5 palcový prĤmČr þerného bodu a mĤžeme mČĜit. Tento kalibrátor jsme použili pro ovČĜení závislosti emisivity na mČĜené teplotČ. Nastavení teploty mĤže být za ménČ než pČt minut, obvykle se stabilizuje teplota již bČhem tĜí minut. PĜesnost zaĜízení je ±1°C a stabilita je v rozmezí ±0,1°C Emisivita þerného tČlesa je 0,95 ± 0,2. Toto zaĜízení je zcela pĜenosné což zajišĢuje mČĜení a kalibrování snadno a rychle.
Strana 48
Tab. 4.1 – Specifikace 3-bodového IR kalibrátoru Rozsah PĜesnost Stabilita Doba ohĜevu ýas chlazení Stabilizaþní þas PrĤmČr þerného bodu Emisivita þerného bodu RozmČry Váha
50°C, 100°C, 150°C (122°F, 212°F, 302°F) ± 1°C ± 0,1°C 25°C až 150°C : 3 min, typicky 150°C až 50°C : 25 min, typicky 3 minuty, typicky 38 mm 0.95 46 x 112 x 198 mm 700 g
Obr. 4.5 – 3-bodový IR kalibrátor
Strana 49
4.3
Schéma zapojení a pracovištČ
Obr. 4.6 - Schéma zapojení bezdotykového teplomČru Compact CM, pĜipojení k PC, napájení, 3-bodový IR kalibrátor a krabiþka pro zapojení
Strana 50
Obr. 4.7 - Experimentální mČĜící pracovištČ (Compact CM, 3-bodový IR kalibrátor, krabiþka pro zapojení) – pozn. výsledek mČĜení uvádí další kapitola
Strana 51
Obr. 4.8 - MČĜící pracovištČ – OvČĜení závislosti nastavení emisivity pomocí Compact CM a dotykového teplomČru – pozn. výsledek mČĜení uvádí další kapitola
Strana 52
Strana 53
5
EXPERIMENTÁLNÍ OVċěENÍ VLIVU EMISIVITY, VYVOZENÍ ZÁVċRģ A DOPORUýENÍ
5.1
Nastavení a namČĜené hodnoty NamČĜené hodnoty jsou uvedeny v následujících tabulkách : - nastavení kalibrátoru na 50 °C - nastavení kalibrátoru na 100 °C - nastavení kalibrátoru na 150 °C
PĜi každém nastavení kalibrátoru byla na teplomČru nastavována emisivita od 1,00 do 0,30. NamČĜené hodnoty jsou uvedeny v tabulkách pro každé nastavení. Jako první posouzení namČĜených hodnot byly v softwaru Microsoft Excel zpracovány grafy závislosti údajĤ teplomČru na nastavené emisivitČ. . Z uvedených grafĤ je zĜejmá nelineární závislost vztahĤ. Je také zĜejmá vysoká podobnost prĤbČhu pro všechna 3 mČĜení. Jako další fáze byla proto snaha provést zjištČní stupnČ vzájemné podobnosti tČchto vztahĤ. NamČĜené hodnoty bezdotykovým teplomČrem Compact CM na þerném kalibrátoru: Tab. 5.1 – NamČĜené hodnoty pĜi teplotČ 150°C ýerné tČleso Teplota °C 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0
Kalibrátor Emisivita 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95
TeplomČr Teplota °C 145,5 146,3 147,2 148,1 149,1 150,0 151,1 152,1 153,1 154,1 155,2 156,3 157,5 158,6 159,7 160,8 162,0 163,1
Compact CM Emisivita 1,00 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,90 0,89 0,88 0,87 0,86 0,85 0,84 0,83
Strana 54
ýerné tČleso Teplota °C 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0
Kalibrátor Emisivita 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95
TeplomČr Teplota °C 164,4 165,6 166,9 168,2 169,5 170,9 172,2 173,7 175,1 176,7 178,2 179,7 181,2 182,8 184,4 186,1 187,9 189,6 191,5 193,4 195,3 197,3 199,5 201,5 203,5 205,8 207,9 210,3 212,6 215,1 217,7 220,3 223,2 226,0 228,9 231,7 234,8 238,0 241,3
Compact CM Emisivita 0,82 0,81 0,80 0,79 0,78 0,77 0,76 0,75 0,74 0,73 0,72 0,71 0,70 0,69 0,68 0,67 0,66 0,65 0,64 0,63 0,62 0,61 0,60 0,59 0,58 0,57 0,56 0,55 0,54 0,53 0,52 0,51 0,50 0,49 0,48 0,47 0,46 0,45 0,44
Strana 55
ýerné tČleso Teplota °C 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0 150,0
Kalibrátor Emisivita 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95
TeplomČr Teplota °C 244,7 248,5 252,3 256,3 260,2 264,3 268,7 273,4 278,3 283,4 288,9 294,4 300,2 306,3
Compact CM Emisivita 0,43 0,42 0,41 0,40 0,39 0,38 0,37 0,36 0,35 0,34 0,33 0,32 0,31 0,30
Závislost údaje teplomČru na nastavené emisivitČ (mČĜeno na kalibrátoru s emisivitou 0,95 pĜi teplotČ 150°C) 350
Odeþet údaje teplomČru (°C)
300
250
200
150
100
50
0 0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Nastavená emisivita na teplomČru Obr 5.1 – NamČĜené hodnoty pĜi teplotČ 150°C
0,8
0,9
1
Strana 56
Tab. 5.2 - NamČĜené hodnoty pĜi teplotČ 100°C ýerné tČleso Teplota °C 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
Kalibrátor Emisivita 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95
TeplomČr Teplota 97,0 100,0 103,3 106,9 110,9 115,2 120,2 125,8 132,0 139,2 147,5 149,4 151,3 153,3 155,3 157,5 169,2 183,7 202,1 226,3 259,7
Compact CM Emisivita 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,49 0,48 0,47 0,46 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20
Tab. 5.3 – NamČĜené hodnoty pĜi teplotČ 100°C ýerné tČleso Teplota °C 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
Kalibrátor Emisivita 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95
TeplomČr Teplota °C 97,1 97,8 98,4 99,0 99,5 100,1 100,8 101,5 102,2 102,8 103,4 104,2 104,8
Compact CM Emisivita 1,00 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,90 0,89 0,88
Strana 57
ýerné tČleso Teplota °C 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
Kalibrátor Emisivita 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95
TeplomČr Teplota °C 105,6 106,3 107,1 107,8 108,6 109,4 110,3 111,1 112,0 112,9 113,7 114,6 115,4 116,5 117,3 118,3 119,3 120,4 121,4 122,4 123,6 124,8 126,0 127,1 128,3 129,6 130,9 132,2 133,5 135,0 136,4 137,8 139,4 141,0 142,6 144,0 145,8 147,7
Compact CM Emisivita 0,87 0,86 0,85 0,84 0,83 0,82 0,81 0,80 0,79 0,78 0,77 0,76 0,75 0,74 0,73 0,72 0,71 0,70 0,69 0,68 0,67 0,66 0,65 0,64 0,63 0,62 0,61 0,60 0,59 0,58 0,57 0,56 0,55 0,54 0,53 0,52 0,51 0,50
Strana 58
Závislost namČĜené teploty na nastavené emisivitČ teplomČr kalibrován pĜi 100°C a emisivitČ 0,95
Odeþet údaje na teplomČru (°C)
250
200
150
100
50
0 0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Nastavená emisivita na teplomČru
Obr 5.2 – NamČĜené hodnoty pĜi teplotČ 100°C
0,9
1
Strana 59
Tab. 5.4 - NamČĜené hodnoty pĜi teplotČ 50°C ýerné tČleso Teplota °C 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0
Kalibrátor Emisivita 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95
TeplomČr Teplota °C 49,0 49,2 49,4 49,6 49,8 50,0 50,3 50,5 50,8 51,1 51,4 51,6 51,9 52,1 52,5 52,8 53,1 53,3 53,7 54,0 54,3 54,7 55,0 55,4 55,7 56,1 56,5 56,9 57,3 57,7 58,1 58,5 59,0 59,4 59,9 60,4 60,8 61,3
Compact CM Emisivita 1,00 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,90 0,89 0,88 0,87 0,86 0,85 0,84 0,83 0,82 0,81 0,80 0,79 0,78 0,77 0,76 0,75 0,74 0,73 0,72 0,71 0,70 0,69 0,68 0,67 0,66 0,65 0,64 0,63
Strana 60
ýerné tČleso Teplota °C 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0
Kalibrátor Emisivita 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95
TeplomČr Teplota °C 61,9 62,4 62,9 63,5 64,1 64,6 65,3 66,0 66,6 67,3 68,1 68,8 69,5 70,2 71,0 71,8 72,7 73,6 74,5 75,5 76,5 77,6 78,7 79,9 81,0 82,3 83,6 85,0 86,5 87,9 89,6 91,2 93,1
Compact CM Emisivita 0,62 0,61 0,60 0,59 0,58 0,57 0,56 0,55 0,54 0,53 0,52 0,51 0,50 0,49 0,48 0,47 0,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,41 0,40 0,39 0,38 0,37 0,36 0,35 0,34 0,33 0,32 0,31 0,30
Strana 61
Závislost údaje teplomČru na nastavené emisivitČ (mČĜeno na kalibrátoru s emisivitou 0,95 pĜi 50°C) 100
Odeþet údaje na teplomČru (°C)
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Nastavená emisivita na teplomČru
Obr. 5.3 – NamČĜené hodnoty pĜi teplotČ 50°C
5.2
Základní zpracování výsledkĤ mČĜení
Bylo zjištČno, že charakter závislosti nastavení emisivity na teplomČru na namČĜené hodnotČ teploty jsou podobné. Bylo zjištČno, že procentuální zmČny namČĜených hodnot teploty mezi body pro 95% emisivitu a 30% emisivitu jsou obdobné. To vedlo k úvaze použít to pro další fázi zpracování výsledkĤ mČĜení. OpČt použitím software Microsoft Excel byla z tabulky namČĜených hodnot vypoþtena odchylka namČĜené teploty, byla provedena transformace výsledkĤ mČĜení na procentuální odchylku mČĜení. Výpoþty byly provedeny pro každé mČĜení – pro 50°C, pro 100°C i pro 150°C. U mČĜení pĜi 100 °C byla v tabulce provedena korekce. OpČt použitím software Microsoft Excel byly mČĜení uspoĜádána sestupnČ podle nastavené emisivity. Duplicitní data byla vynechána a chybČjící data byla doplnČna pomocí interpolace mezi blízkými mČĜeními. Výsledky transformace jsou uvedeny v pĜiloženém tabulkovém pĜehledu. Je zpracována spoleþná tabulka pro 50°C, 100°C i 150°C. PĜedpoklad podobnosti vztahĤ procentuální odchylky namČĜené hodnoty je tímto výpoþtem potvrzen.
Strana 62
Z tabulky byl zpracován spoleþný graf závislostí odchylky namČĜených hodnot v % na nastavení emisivity. Ze spoleþného grafu pro teplotu 50°C, 100°C i 150°C je možno konstatovat, že je zde vysoká shodnost grafĤ pro 100°C a 150°C. Graf pro 50°C se systematicky odlišuje ale základní charakter kĜivky je shodný. Z namČĜených hodnot ani z charakteristických vlastností teplomČru není možno stanovit dĤvod této odchylky. PĜi tomto mČĜení je nutno peþlivČ nastavit kalibrátor, kontrolovat okolní podmínky mČĜení a sledovat možné pĜíþiny odchylky. Pro další vyhodnocení mČĜení byly proto použity závislosti údaje teplomČru na zmČnách emisivity pĜi nastavení kalibrátoru na 150°C, kde bylo provedeno mČĜení témČĜ v celém rozsahu nastavené emisivity na teplomČru v celém rozsahu od 0,3 do 1 ve stupních po 0,01. Tab. 5.5 - Stanovení odchylky namČĜené teploty v % mČĜicího rozsahu
Nastavená emisivita 1,00 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,90 0,89 0,88 0,87 0,86 0,85 0,84 0,83 0,82 0,81 0,80 0,79
Odchylka namČĜené hodnoty na rozsahu 50°C 100°C 150°C % % % -2,0 -3,0 -3,0 -1,6 -2,5 -2,5 -1,2 -1,6 -1,9 -0,8 -1,0 -1,3 -0,4 -0,5 -0,6 0,0 0,0 0,0 0,6 0,8 0,7 1,0 1,5 1,4 1,6 2,2 2,1 2,2 2,8 2,7 2,8 3,4 3,5 3,2 4,2 4,2 3,8 4,8 5,0 4,2 5,6 5,7 5,0 6,3 6,5 5,6 6,9 7,2 6,2 7,8 8,0 6,6 8,6 8,7 7,4 9,4 9,6 8,0 10,3 10,4 8,6 10,9 11,3 9,4 12,0 12,1
Strana 63
Nastavená emisivita 0,78 0,77 0,76 0,75 0,74 0,73 0,72 0,71 0,70 0,69 0,68 0,67 0,66 0,65 0,64 0,63 0,62 0,61 0,60 0,59 0,58 0,57 0,56 0,55 0,54 0,53 0,52 0,51 0,50 0,49 0,48 0,47 0,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,41
Odchylka namČĜené hodnoty na rozsahu 50°C 100°C 150°C % % % 10,0 12,9 13,0 10,8 13,7 13,9 11,4 14,6 14,8 12,2 15,2 15,8 13,0 16,5 16,7 13,8 17,3 17,8 14,6 18,3 18,8 15,4 19,3 19,8 16,2 20,2 20,8 17,0 21,4 21,9 18,0 22,4 22,9 18,8 23,6 24,1 19,8 24,8 25,3 20,8 25,8 26,4 21,6 27,1 27,7 22,6 28,3 28,9 23,8 29,6 30,2 24,8 30,9 31,5 25,8 32,0 33,0 27,0 33,5 34,3 28,2 35,0 35,7 29,2 36,4 37,2 30,6 37,8 38,6 32 39,2 40,2 33,2 41,0 41,7 34,6 42,6 43,4 36,2 44,0 45,1 37,6 45,8 46,9 39,0 47,5 48,8 40,4 49,4 50,7 42,0 51,3 52,6 43,6 53,3 54,5 45,4 55,3 56,5 47,2 57,5 58,7 49,0 59,2 60,9 51,0 63,1 53,0 65,7 55,2 68,2
Strana 64
Odchylka namČĜené hodnoty na rozsahu 50°C 100°C 150°C % % % 57,4 70,9 59,8 73,5 62,0 76,2 64,6 79,1 67,2 82,3 70,0 85,5 73,0 88,9 75,8 92,6 79,2 96,3 82,4 100,1 86,2 104,2
Nastavená emisivita 0,40 0,39 0,38 0,37 0,36 0,35 0,34 0,33 0,32 0,31 0,30
Údaj teplomČru pĜi nesprávném nastavení emisivity 120
Odchylka mČĜené hodnoty (%)
100 80 60
50°C 100°C
40
150°C
20 0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
-20 Nastavená emisivita na teplomČru
Obr. 5.4 – Graf stanovení odchylky namČĜené teploty
1,2
Strana 65
5.3
Urþení matematického vztahu mČĜení na nastavení emisivity – výpoþet koeficientu korekce
Pro další zpracování výsledkĤ mČĜení se ukázalo jako nutné vyjádĜit závislost namČĜených hodnot na nastavené emisivitČ matematickou závislostí. Výpoþet koeficientu korekce z hodnot sousedních bodĤ. V pĜiložené tabulce ze softwaru Microsoft Excel je vyznaþena metoda výpoþtu koeficientu korekce. Pro jednotlivé hodnoty nastavené emisivity byl vypoþítán koeficient korekce ze sousedního bodĤ podle rovnice: K = tg Į = (En-1 – En+1) / (On-1 – On+1)
(5.1)
Pro hodnotu K pro emisivitu İ=0,99 je vzorec výpoþtu: K = tg Į = (D8–D10) / (C8-C10)
(5.2)
V tabulce je provedeno oznaþení ĜádkĤ a sloupcĤ podle zásad Excelu. Výpoþty pro následující Ĝádky tabulky jsou vypoþteny aplikací uvedené rovnice. Z grafického zobrazení prĤbČhu závislosti K na jednotlivých bodech emisivity je vidČt nevyrovnaný prĤbČh. To je zpĤsobeno tím, že pĜi výpoþtu byl použit rozdíl þíslic definovaných na 2 až 3 platná místa, která jsou zatížena chybami mČĜení. Praktické ovČĜení: výsledky mČĜení : tm = 100°C, pĜi İ=0,8 výpoþet korigované teploty pro İ = 0,7 odeþet K pro İ = 0,8 tk = tm + K * İ m – İ k tk = 100 - (-85) * (0,8-0,7) = 100 + 8,5 = 108,5°C PĜi vČtší odchylce emisivity je možno zvolit pro výpoþet koeficient korekce ve stĜedu intervalu – v našem pĜípadČ K (pro İ =0,75)=95. tk = 100 - (-95) * (0,8-0,7) = 100 + 9,5 = 109,5°C Výpoþet koeficientu korekce stanovením smČrnice teþny ke kĜivce. Pro snížení chyb mČĜení byla ovČĜena také metoda stanovení koeficientu korekce z rovnice závislosti odchylky mČĜení na nastavené emisivitČ. Bylo ovČĜováno použití SW Excel pro vyhlazování kĜivek. Jako výchozí byla použita metoda analytického nástroje regrese. Byla ovČĜena polynomické regrese 2. a 3. stupnČ. Poté byla ovČĜena také metoda vyhlazování kĜivek, která se ukázala jako nejvhodnČjší.
Strana 66
Bylo provedeno vyhlazování logaritmickou závislostí, i závislostí exponenciální i klouzavým prĤmČrem. NejpĜesnČji však bylo možno danou závislost popsat polynomickou funkcí 3. Ĝádu. V pĜíloze je uveden výsledek této závislosti i s udáním matematického vztahu. Výborný soulad matematické kĜivky s namČĜenými hodnotami potvrzuje koeficient R2 který je vypoþten na 0,9997. Po zobrazení kĜivky závislosti odchylky teploty na nastavené emisivitČ byl spuštČn výpoþet kĜivky. Pro polynom 3. Ĝádu byl v Excelu dán výsledek : Y=-281x3+738,61X2-720,83x+259,76
(5.3)
Byl také vypoþten þtverec odchylek R2=0,9997. Tato hodnota potvrzuje dobrý soulad prĤbČhu kĜivky s namČĜenými hodnotami.
Koeficient korekce je vypoþten jako první derivace kĜivky závislosti : K=Y845,1-= ʩx2+1477x-720,83
(5.4)
Níže je uveden výstup z SW Excel vþetnČ pĜíslušného grafu a vypoþtené matematické závislosti. V tabulce jsou doplnČny i oznaþení sloupcĤ a ĜádkĤ a uvedeny i výpoþtové vzorce v metodice použité v Excelu. Praktické ovČĜení: výsledky mČĜení : tm = 100°C, pĜi İ=0,8 výpoþet korigované teploty pro İ =0,7 odeþet K pro İ =0,8 tk = tm + K * İ m - İ k tk = 100 - (-79,86) * (0,8-0,7) = 100 + 8,0 = 108,0°C PĜi vČtší odchylce emisivity je možno zvolit pro výpoþet koeficient korekce ve stĜedu intervalu – v našem pĜípadČ K (pro İ =0,75)=-88,23 tk = 100 - (-88,23) * (0,8-0,7) = 100 + 8,8 = 108.8°C Srovnání výsledkĤ Vypoþtené hodnoty koeficientu korekcí vypoþtené metodou ze sousedních bodĤ a metodou z rovnice závislosti se ve stĜední þásti prĤbČhu odchylují pomČrnČ málo. V okrajových oblastech jsou vypoþtené hodnoty koeficientĤ korekce podstatnČ vyšší. Tuto skuteþnost je nutno brát v úvahu pĜi používání této metody k provádČní výpoþtĤ korigované teploty.
Strana 67
PĜi uvedených výpoþtech je použito oznaþení : tk – korigovaná teplota tn – namČĜená teplota pĜi emisivitČ İ n İ n - emisivita pĜi které bylo mČĜeno İ k – korigovaná emisivita K - koeficient korekce odeþtený z tabulky (grafu) pro İ n
Výpoþet koeficientu korekce ze sousedních bodĤ: K – konstanta korekce; İ – emisivita, O – odchylka K = tgĮ = (D8- D10) / (C8 - C10)
(5.5)
K = ((İ n - 1)- (İ n+1)) . ( (On-1) - (On+1))
(5.6)
Tab. 5.6 – Absolutní odchylka a smČrnice
Emisivita İ 100 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,90 0,89 0,88 0,87 0,86 0,85 0,84 0,83 0,82 0,81 0,80 0,79 0,78
Absolutní odchylka proti hodnotČ namČĜené pĜi emisivitČ 0,95 odchylka °C -3,0 -2,5 -1,9 -1,3 -0,6 0,0 0,7 1,4 2,1 2,7 3,5 4,2 5,0 5,7 6,5 7,2 8,0 8,7 9,6 10,4 11,3 12,1 13,0
SmČrnice kĜivky K -55,00 -60,00 -65,00 -65,00 -65,00 -70,00 -70,00 -65,00 -70,00 -75,00 -75,00 -75,00 -75,00 -75,00 -75,00 -75,00 -80,00 -85,00 -85,00 -85,00 -85,00 -90,00
Strana 68
Emisivita İ 0,77 0,76 0,75 0,74 0,73 0,72 0,71 0,70 0,69 0,68 0,67 0,66 0,65 0,64 0,63 0,62 0,61 0,60 0,59 0,58 0,57 0,56 0,55 0,54 0,53 0,52 0,51 0,50 0,49 0,48 0,47 0,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,41 0,40 0,39 0,38 0,37 0,36 0,35 0,34
Absolutní odchylka proti hodnotČ namČĜené pĜi emisivitČ 0,95 odchylka °C 13,9 14,8 15,8 16,7 17,8 18,8 19,8 20,8 21,9 22,9 24,1 25,3 26,4 27,7 28,9 30,2 31,5 33,0 34,3 35,7 37,2 38,6 40,2 41,7 43,4 45,1 46,9 48,8 50,7 52,6 54,5 56,5 58,7 60,9 63,1 65,7 68,2 70,9 73,5 76,2 79,1 82,3 85,5 88,9
SmČrnice kĜivky K -90,00 -95,00 -95,00 -100,00 -105,00 -100,00 -100,00 -105,00 -105,00 -110,00 -120,00 -115,00 -120,00 -125,00 -125,00 -130,00 -140,00 -140,00 -135,00 -145,00 -145,00 -150,00 -155,00 -160,00 -170,00 -175,00 -185,00 -190,00 -190,00 -190,00 -195,00 -210,00 -220,00 -220,00 -240,00 -255,00 -260,00 -265,00 -265,00 -280,00 -305,00 -320,00 -330,00 -355,00
Strana 69
Absolutní odchylka proti hodnotČ namČĜené pĜi emisivitČ 0,95 odchylka °C 92,6 96,3 100,1 104,2
Emisivita İ 0,33 0,32 0,31 0,30
SmČrnice kĜivky K -370,00 -375,00 -395,00
Rovnice trendu odchylka mČĜení / emisivita
120
100
Odchylka mČĜení (%)
80
60 rovnice odchylky 40
20
0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
-20 Emisivita
Obr. 5.5 – Graf odchylky
1
1,2
Strana 70
Koeficient korekce pĜi zmČnČ emisivity 0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
-50
Koeficient korekce
-100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 Emisivita
Obr. 5.6 – Koeficient korekce
koeficient korekce
Strana 71
Tab. 5.7 - Výpoþet koeficientu korekce z rovnice kĜivky X3
-281,67
-845,01
2
738,61 -720,83 259,76 -4,13 Y -4,13 -3,25 -2,40 -1,56 -0,74 0,07 0,87 1,65 2,42 3,19 3,95 4,71 5,46 6,21 6,96 7,72 8,48 9,24 10,02 10,80 11,59 12,40 13,22 14,05 14,90 15,78 16,67 17,58 18,53 19,49 20,49 21,51 22,56 23,65
1477,22 -720,83
X X K Suma Emisivita 1,00 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,90 0,89 0,88 0,87 0,86 0,85 0,84 0,83 0,82 0,81 0,80 0,79 0,78 0,77 0,76 0,75 0,74 0,73 0,72 0,71 0,70 0,69 0,68 0,67
-88,62 Y' = K -88,62 -86,58 -84,70 -83,00 -81,46 -80,09 -78,89 -77,86 -77,00 -76,31 -75,79 -75,44 -75,25 -75,24 -75,39 -75,71 -76,20 -76,86 -77,69 -78,69 -79,86 -81,20 -82,70 -84,38 -86,22 -88,23 -90,41 -92,77 -95,28 -97,97 -100,83 -103,86 -107,05 -110,42
Odchylka -3,0 -2,5 -1,9 -1,3 -0,6 0,0 0,7 1,4 2,1 2,7 3,5 4,2 5,0 5,7 6,5 7,2 8,0 8,7 9,6 10,4 11,3 12,1 13,0 13,9 14,8 15,8 16,7 17,8 18,8 19,8 20,8 21,9 22,9 24,1
Strana 72
Emisivita 0,66 0,65 0,64 0,63 0,62 0,61 0,60 0,59 0,58 0,57 0,56 0,55 0,54 0,53 0,52 0,51 0,50 0,49 0,48 0,47 0,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,41 0,40 0,39 0,38 0,37 0,36 0,35 0,34 0,33 0,32 0,31 0,30
Y 24,77 25,93 27,13 28,36 29,64 30,96 32,32 33,73 35,19 36,70 38,26 39,87 41,54 43,26 45,04 46,89 48,79 50,76 52,79 54,89 57,05 59,29 61,60 63,98 66,43 68,97 71,58 74,27 77,04 79,90 82,84 85,87 88,99 92,20 95,50 98,89 102,38
Y' = K -113,95 -117,65 -121,53 -125,57 -129,78 -134,15 -138,70 -143,42 -148,30 -153,36 -158,58 -163,97 -169,54 -175,27 -181,17 -187,23 -193,47 -199,88 -206,45 -213,20 -220,11 -227,20 -234,45 -241,87 -249,46 -257,22 -265,14 -273,24 -281,51 -289,94 -298,54 -307,32 -316,26 -325,37 -334,65 -344,10 -353,71
Odchylka 25,3 26,4 27,7 28,9 30,2 31,5 33,0 34,3 35,7 37,2 38,6 40,2 41,7 43,4 45,1 46,9 48,8 50,7 52,6 54,5 56,5 58,7 60,9 63,1 65,7 68,2 70,9 73,5 76,2 79,1 82,3 85,5 88,9 92,6 96,3 100,1 104,2
Strana 73
Odchylka namČĜené hodnoty pĜi zmČnČ emisivity
Odchylka namČĜené hodnoty (°C). koeficirnt korekce tg alfa
200
100
0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
-100
-200
odchylka korekce
-300
-400 Emisivita
Obr. 5.7 - Odchylka a korekce
Strana 74
Závislost odchylky mČĜení na emisivitČ
120
100
Odchylka mČĜení (%)
80
60
body odchylky
40
20
0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
-20 Emisivita
Obr. 5.8 - Body odchylky a kĜivka odchylky
Strana 75
5.4
Kontrolní mČĜení
Na základČ výše vypoþtených hodnot jsme udČlali kontrolní mČĜení. Použili jsme bezdotykový teplomČr Compact CM a dotykový mČĜiþ Metex M-3660D. Na elektrický vaĜiþ jsme umístili rozehĜát kovový materiál s neznámou emisivitou a stĜíbrným povrchem. MČĜení 1 Použitý bezdotykový teplomČr Compact CM Použitý dotykový mČĜiþ Metex M-3660D Na elektrický vaĜiþ jsme umístili rozehĜát stĜíbrné kovové tČleso s neznámou emisivitou Compact CM – nastavená emisivita 0,95 – namČĜená teplota byla 121°C Metex M-3660D – namČĜená teplota byla 160°C Výpoþet odchylky mČĜení: (5.7)
ts / tn = 160/121 = 1,322 odchylka je tedy 32,2% kde ts – teplota skuteþná tn – teplota namČĜená
Z tabulky výpoþtu koeficientu korekce z rovnice kĜivky (uvedená výše) urþíme emisivitu daného tČlesa, která je správná. Tab. 5.8 – Odchylka pĜi dané emisivitČ a korekce Y Y' = K Emisivita 0,61 30,96 -134,15 0,60 32,32 -138,70
Odchylka v % 31,5 33,0
Pro odchylku 31,5% je tedy emisivita 0,61 Pro odchylku 33,0% je tedy emisivita 0,60 Lineární interpolací jsme tedy vypoþítali emisivitu neznámého tČlesa – 0,60 MČĜení 2 Pro ovČĜení námi vypoþítané emisivity a potvrzení její správnosti jsme provedli další kontrolní mČĜení. Použitý bezdotykový teplomČr Compact CM Použitý dotykový mČĜiþ Metex M-3660D Na elektrický vaĜiþ jsme umístili rozehĜát stĜíbrné kovové tČleso s neznámou emisivitou Compact CM – nastavená emisivita 0,60 – namČĜená teplota byla 143°C Metex M-3660D – namČĜená teplota byla 143°C
Strana 76
V mČĜení 1 byla na bezdotykovém teplomČru nastavená emisivita na hodnotu 0,95 a teplota byla 121°C. Díky výpoþtu jsme zjistili emisivitu neznámého tČlesa a to 0,60. Po provedení kontrolního mČĜení s touto nastavenou emisivitou se nám potvrdila správnost výpoþtu. NamČĜená teplota bezdotykovým teplomČrem Compact CM je se správným nastavením hodnoty emisivity shodná s dotykovým mČĜiþem Metex M-3660D a to 143°C. Kontrolní mČĜení potvrzují správnost vztahĤ mezi emisivitou a odchylkou, které jsme vypoþítali v pĜedchozí þásti.
Strana 77
6
ZÁVċR Hlavním zámČrem diplomové práce bylo stanovit metodu pro výpoþet korekce namČĜené hodnoty (teploty) když se po provedení mČĜení zjistí, že emisivita nebyla pĜi mČĜení nastavena správnČ. Když se zjistí odchylka mezi nastavenou emisivitou na teplomČru a dodateþnČ zjištČnou správnou emisivitou mČĜeného tČlesa (plochy) je možno stanovit koeficient korekce, kterým je možno vypoþítat správnou hodnotu teploty bez opakování mČĜení. Protože kĜivka závislosti odchylky mČĜení na nastavené emisivitČ není lineární, je konstanta korekce promČnná s nastavenou emisivitou. Byly ovČĜeny dvČ metody stanovení koeficientu korekce: - výpoþtem ze dvou sousedních hodnot odchylek - výpoþtem z rovnice kĜivky prĤbČhu odchylky s nastavenou emisivitou Srovnáním konkrétních kontrolních výpoþtĤ je možno konstatovat, že obČ metody jsou použitelné. Dosažená pĜesnost se podstatnČ neodlišuje. Protože obČ metody jsou stejnČ pracné, je pro praxi doporuþováno použití metody, která vychází z rovnice prĤbČhu závislosti odchylky na nastavené emisivitČ. Uvedený vztah výše je možno použít, když mČĜení teploty bylo provedeno s chybnČ nastavenou emisivitou. Není nutno opakovat mČĜení, ale možno provést korekci podle uvedeného vztahu. Nesprávné nastavení emisivity má velký vliv na výsledky mČĜení teploty. Urþení emisivity je nutno vČnovat velkou pozornost. Pokud není emisivita pĜesnČ známa je doporuþováno použít nČkterou z metod zjišĢování emisivity pĜedmČtu mČĜení. Koeficient korekce není konstantní v rozsahu emisivity 0,3 až 1,0. Korekci je možno bez zhoršení pĜesnosti použít v rozsahu emisivity +/- 5 až +/-10% odchylky emisivity pĜi mČĜení a skuteþné správné emisivitČ. Je možno konstatovat, že zde uvedená metodu korekce a stanovené koeficienty korekce platí v okolí teplot 100°C až 150°C. Vliv na celkovou pĜesnost mČĜení: Chyba v nastavení emisivity je chyba instalace – nastavení mČĜicího pĜístroje – systémová chyba. Tato chyba nemĤže být aplikována jako zhoršení pĜesnosti mČĜicího pĜístroje. Na závČr jsme provedli poslední kontrolní mČĜení, kde jsme si ovČĜili správnost výpoþtu. Pomocí tabulky odchylky viz. výše jsme urþili správné nastavení emisivity u tČlesa a namČĜili pĜesnou hodnotu teploty u tČlesa. Pyrometry obecnČ využívají IR 1 až 14 ȝm. Námi použitý bezdotykový teplomČr Compact CM pracuje až v oblasti 8 až 14 ȝm a zpravidla platí, že þím více se posouváme od viditelného spektra (pod 1 ȝm), tak se problémy s ,,rozcházejícími se teplotami“ zvyšují. DobĜe funguje, když si napĜíklad pĜes kontaktní teplomČr urþíme emisivitu a poté ji dobĜe zmČĜíme, avšak vČtšina dostupných tabulek emisivity nepostaþuje a pouze s nimi
Strana 78
nevystaþíme, abychom výraznČ zpĜesnili výsledky. Prakticky pro každý soubor mČĜení by bylo zapotĜebí rozsáhlých ,,doladČní“ (kalibrace, kontaktní mČĜení, aj.), emisivita se mČní s materiálem, teplotou a dalšími vlivy okolí. Proto nelze široce zobecnit, musí se citlivČ postupovat pĜípad od pĜípadu zcela specificky. Poté máme mČĜení velmi kvalitní (pĜesná) a podobnČ lze uvažovat nejen pro jednoduché pyrometry, ale i termokamery, kde se tato situace opakuje v tisících bodech.
Strana 79
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] MIFR M.; MČĜení teploty [PDF Dokument]. [cit. 4.4. 2007]Dostupný z: www.kvetakov.net/down.php?file=./UEIKMT/2/ls/ISAME/MTVKap5.pdf [2] CHUDÝ V.; Palenþár R.; Kureková, E.; Halaj, M.; Meranie technických veliþín : 1. Vydání Bratislava:Vydavatelstvo STU, 1999.688s. ISBN 80-227-1275-2. [3] HUŠEK Miloš. Bezdotykové teplomČry [online]. 2010, Dostupné z: http://www.qtest.cz/bezdotykove-teplomery/bezdotykove-teplomery.htm [4] Firemní literatura PĜehled výrobkĤ MICRO-EPSILON Czech Republic, spol. s.r.o.(CZ), 2009 [5] Firemní literatura Infra-teplomČr s oznaþením snímané plochy TESTO, Lenzkirch (D), 2006 [6] Firemní literatura Prospekt Compact CM TSI System s.r.o. Brno (CZ), 2009 [7] Firemní literatura Raytek CM návod k použití TSI System s.r.o. Brno (CZ), 2009 [8] Firemní literatura 3-bodový IR kalibrátor, Fluke Praha (CZ), 2005 [9] Kalibrátory pro infrasnímaþe: [online] [cit. 14.2.2011] Dostupné na: http://www.omegaeng.cz/shop/subsectionSC.asp?subsection=K02&book=Temperature [10] PĜíruþka pro výbČr kalibrátoru: [online] [cit. 14.2.2011] Dostupné na: http://www.omegaeng.cz/shop/subsectionSC.asp?subsection=K01&book=Temperature [11] Firemní literatura Infraþervený teplomČr IR 800-20D, FKtechnics, Praha (CZ), 2009 [12] MČĜení termovizí [online] [cit. 20.3.2011] Dostupné na: http://www.mereni-termokamerou.eu/princip-termografickeho-mereni [13] Firemní literatura Prospekt Compact MI3 TSI System s.r.o. Brno (CZ), 2009 [14] Accurate Noncontact Infrared Temperature Measurement [online] [cit. 8.4.2011] Dostupné na: http://www.raytek.com/Raytek/en-r0/IREducation/AccurateMeasurement.htm
[15] LYSENKO V.; Detektory pro bezdotykové mČĜení teplot : 1. vydání Praha: BEN – technická literatura, 2005. 160 s. ISBN 80-7300-180-2.
[16] KREIDL M.; MČĜení teploty – Senzory a mČĜicí obvody : 1. vydání Praha : BEN – technická literatura, 2005. 240 s. ISBN 80-7300-145-4.
Strana 80
[17] SLÁDEK, Z.; Vdoleþek, F.; Technická mČĜení : 1.vydání Brno : Nakladatelství VUT, 1992. 220s. ISBN 80-214-0414-0. [18] Firemní literatura Soubor technických informací poskytovaných firmou Omega þíslo 1- Zpravodaj pro mČĜení a regulaci, þíslo 1 – 2.vydání; Bezdotykové mČĜení teploty 2005
