Školení CIUR termografieAbsolutně černé těleso, šedá tělesa a obecné (reálné) zářiče,...

ŠŠkolení CIURkolení CIUR

termografietermografie

7. září 2009

Jan Pašek

Stavební fakulta ČVUT v Praze

Katedra konstrukcí pozemních staveb

ČČást 1.ást 1.

Teorie šíření tepla aTeorie šíření tepla azásady nekontaktního měření teplotzásady nekontaktního měření teplot

Terminologie

Termografie

Obecně zahrnuje metody pro zobrazování teplotních polí na povrchu snímaných těles

(rozložení povrchových teplot), které je

reprezentováno energií a hustotou fotonů emitovaných z

povrchu snímaného tělesa a jeho vyhodnocením –

kvantifikací

Infračervená (IČ, IR) termografie (termovize)

Metoda (ale i systém) zobrazující, analyzující a vyhodnocující informace o rozložení povrchových teplot

a detekující teplotní anomálie

Termokamera

Přístroj nekontaktním způsobem snímající vyzařované IR záření

a transformující lidským okem neviditelný reliéf teplotního pole na povrchu snímaného objektu na viditelný obraz (barevný nebo černobílý)

Proces zobrazení

Konverze intenzity IR záření

do digitálního výstupu pro další zpracování ve viditelném spektru

Terminologie

Infračervené (IR) záření = tepelné záření

Neviditelná část záření elektromagnetického spektra projevující se tepelnými účinky; záření s

vlnovou délkou v

intervalu přibližně 0,78

μm až 1 mm; tepelný tok ve formě vyzařovaného nebo pohlcovaného elektromagnetického záření a šířící se rychlostí světla i ve vakuu

Viditelné záření

Záření odpovídající spektrální citlivosti lidského oka, leží v

rozsahu vlnových délek cca 0,38 až 0,78 μm

Teplo

Energie

dodávaná nebo odevzdávaná v důsledku rozdílů teplot

[J]

Zdroj tepla

Každý objekt s

teplotou vyšší než 0 K

(tzn. všechny objekty kolem nás); přenos tepla z

tělesa (i na těleso) se vedle vedení a proudění děje

prostřednictvím radiace (sáláním) v

infračervené části elektro- magnetického spektra (záření, pohlcování, odrážení, propouštění)

Terminologie

Tepelný tok

Teplo dodané za jednotku času [W = J/s]

Hustota tepelného toku

Tepelný tok připadající na jednotku plochy, postavenou kolmo ke směru šíření tepla [W/m2]

Teplota

Veličina vyjadřující tepelný stav dané látky nebo tělesa [K, °C]

Termodynamická teplota

Je definována druhou větou termodynamiky a přiřazením hodnoty 273,16 K teplotě trojného bodu vody (směs ledu, vody a vodní páry)

Celsiova teplota

Je definována vztahem t = T –

273,15; teplota trojného bodu vody je 273,16 K = 0,01 °C, teplota bodu mrazu je 0,00 °C = 273,15 K

Terminologie

Zpracování signálu

Proces převedení teplotního signálu na viditelný obraz pro účely

dalšího vyhodnocení

Zdánlivá teplota

Nekompenzovaná hodnota snímání intenzity tepelné radiace obsahující veškeré tepelné toky dopadající na detektor kamery ze všech zdrojů

Odražená zdánlivá teplota

Zdánlivá teplota okolních objektů odrážená povrchem snímaného objektu na detektor termokamery

Zeslabující (pohltivá) prostředí

Okna, filtry, atmosféra, vnější optika, některé materiály oslabující intenzitu záření emitovaného ze zdrojů

Cíl

Povrch snímaného objektu

Terminologie

Pracovní (měřící) vzdálenost

Vzdálenost mezi zájmovým povrchem a termokamerou, obvykle objektivem (příp. detektorem)

-1,0°C

11,0°C

SP01

SP02

Pro L = 5 m:

SP01 = 2,8 °C

SP02 = 5,5 °C

Pro L = 50 m

SP01 = 2,8 °C

SP02 = 5,7 °C

Terminologie

Prostorové rozlišení snímání

Rozměr měřícího bodu na povrchu zájmového objektu v závislosti na pracovní vzdálenosti snímání (vyjadřuje se buď v miliradiánech

nebo

poměr velikosti jednoho snímaného bodu a pracovní vzdálenosti)

Termogram

Grafický záznam (teplotní mapa) vyjadřující šedými nebo barevnými odstíny rozložení intenzity infračerveného záření z povrchu zájmového objektu

Izoterma

Vyznačené rozhraní mezi dvěma intervaly teplotního rozmezí

Druhy zdrojů tepla

Absolutně černé těleso, šedá tělesa a obecné (reálné) zářiče, mezi které patří veškeré stavební objekty; specifickým případem je absolutně lesklé těleso; jejich charakteristiku lze provést pomocí koeficientů emisivity a reflexe jejich povrchu

Terminologie

Emisivita ε

Poměr intenzity vyzařování daného tělesa k

intenzitě vyzařování absolutně černého tělesa při stejné teplotě a stejném spektrálním rozsahu; nabývá hodnot v

intervalu ε

∈

[0; 1]

[-]

Reflexivita ρ

Vlastnost povrchu snímaného objektu (stejně jako emisivita), definovaný jako poměr celkové intenzity vyzařování tělesa k celkové

intenzitě záření na těleso dopadající; vypočítává se jako

ρ

= 1 -

ε

-

τ,

nabývá hodnot v

intervalu ε ∈

[0; 1]

[-]

-1,0°C

11,0°C

SP01

SP02

Pro ε

= 1:

(0 °C / -15 °C)

SP01 = 3,5 °C; SP02 = 6,1 °C

Pro ε

= 0,9

(0 °C / -15 °C)

SP01 = 5,3 °C; SP02 = 8,2 °C

Terminologie

Dokonale černé těleso (ideální zdroj IR záření)

Objekt pohlcující (absorbující) veškeré na něj dopadající záření

bez ohledu na jeho vlnovou délku a úhel dopadu a současně vyzařující

(emitující) při dané teplotě maximální možnou energii záření na všech vlnových délkách tzv. difúzním rozptylem; ε

=

1 [-]

Šedé

těleso

Objekt s emisivitou

ε

<

1, ovšem konstantní

hodnoty bez ohledu na vlnovou délku záření; emise záření

má

rovněž

difúzní

charakter, tzn. že

jeho intenzita nezávisí

na jeho směru

Ideální

lesklé

těleso (dokonalé

zrcadlo)Objekt, který veškeré

na něj dopadající

záření

odrazí

zpět do prostoru

tzv. zrcadlovým odrazem (úhel odrazu je roven úhlu dopadu); vůbec nevyzařuje vlastní

záření, veškeré

jeho záření

pochází

z odrazu záření

vnějšího; dokonalé

zrcadlo se vyznačuje hodnotami ε

= 0 a ρ = 1

Terminologie

Reálné zdroje (reálné zářiče) IR zářeníVyznačují se proměnlivostí ε

v

závislosti na vlnových délkách záření λ;

nepatří mezi difúzní zdroje záření, tzn. že vykazují směrovou závislost emisivity, nepohlcují veškeré dopadající záření: 0 <

ρ <

1 a 0 <

ε

<

1

Terminologie

Transmisivita

(propustnost)

Část IR záření, dopadajícího na povrch zájmového objektu, prostupující jeho tělesem; τ

= 1 -

ε

-

ρ, pro černé těleso τ

= 0 [-]

Tepelná vodivost

Vyjadřuje schopnost látky vést teplo, je to hustota tepelného toku při jednotkovém teplotním gradientu [W/m2K]

Elektromagnetické spektrum

Všechny skupiny vlnových pásem radiace; pohyb elektromagnetického vlnění je spojen s přenosem energie, proto je nazýván zářením. Elektromagnetické spektrum obsahuje záření gama, rentgenové, ultrafialové, viditelné, infračervené, mikrovlnné a radiové. Všechny tyto formy radiace se shodně šíří rychlostí světla (c = 2,9979 ×

108

m.s-1 ve

vakuu) a podléhají stejným zákonům. Jediný rozdíl mezi nimi spočívá v

jejich rozdílné vlnové délce λ

resp. frekvenci f; vzájemný vztah těchto

veličin je: f = c / λ [Hz]

Terminologie

Objektiv termokamery

Soustava čoček z

vhodného, pro danou spektrální oblast transparentního materiálu; zobrazuje snímanou scénu (objekt s pozadím) do obrazové roviny; soustředí divergentní (rozbíhavé) paprsky signálové radiace z

každého „bodu“ předmětu do odpovídajícího „bodu“ v

obrazové rovině

Detektory

IR záření

Měřící elementární detektory –

mikrobolometry, tj. prvky zpravidla čtvercového tvaru o velikosti cca 50 μm uspořádané do detekčních mozaik s

matricí např. 320 ×

240 (v tomto případě se tedy jedná o 76800

měřících bodů – pixelů

–

pracujících v

reálném čase). Detektor, resp. každý pixel detektoru, snímá signál ze scény (radiační tok), který je úměrný průmětu detektoru do předmětové roviny a transparenci optické soustavy a atmosféry, převádí tuto zářivou energii na analogový signál, který je pro každý řádek detektoru digitalizován (pro výše uvedenou matrici je v

jednom řádku 320 pixelů) –

výstupní signál detektoru je tedy

potom v

digitální formě

Způsoby šíření tepla

Způsoby šíření tepla

1.

Vedením (kondukcí)

-

Probíhá v pevných látkách, za jistých okolností i v kapalinách a plynech

-

Transport tepla ve směru klesající teploty

-

Uskutečňuje se mezi bezprostředně souvisejícími částicemi tělesa, ve kterých je teplotní rozdíl, anebo mezi dvěma tělesy o různých

teplotách, které mají rozdílné teploty

-

Ustálené (stacionární) teplotní pole –

teplota se s časem nemění

-

Neustálené (nestacionární) teplotní pole –

teplota je funkcí času

-

Parametr vyjadřující schopnost látky vést teplo: součinitel tepelné vodivosti λ

[W/mK]

-

hustota tepelného toku při jednotkovém teplotním gradientu na jednotku tloušťky

Stacionární a nestacionární průběhy teplot v konstrukci

Způsoby šíření tepla

2.

Prouděním (konvekcí)

-

Probíhá pouze v kapalinách a plynech

-

Transport tepla přirozeným nebo nuceným prouděním teplonosné látky

-

Parametr šíření tepla prouděním –

součinitel přestupu tepla α [W/m2K] –

vyjadřuje sdílení tepla mezi tekutinou a tuhou látkou, tj.

hustotu tepelného toku mezi tekutinou a tuhou látkou při jednotkovém teplotním rozdílu mezi nimi

Způsoby šíření tepla

3.

Sáláním (radiací)

-

Část spektra elektromagnetického záření, přenášející záření mezi tělesy bez ohledu na to, zda jsou odděleny vakuem nebo látkovým,

pro záření prostupným prostředím

-

Uskutečňuje se převážně infračerveným (tepelným) zářením (vlnová délka 0,78 μm

až 1 mm), částečně světlem (0,38 až 0,78

μm) a částečně zářením ultrafialovým (0,10 až 0,78 μm)

Způsoby šíření tepla

-

Parametr šíření tepla zářením –

zářivý tok P

[W] –

vyjadřuje výkon přenášený zářením, tj. podíl energie přenášené zářením a příslušného času

-

Zářivý tok dopadající na těleso je částečně pohlcován, částečně odrážen a částečně propouštěn (parametry pohltivost A = PA

/ Pe

, odrazivost R = PR

/ Pe

, propustnost T = PT

/ Pe

)

-

Možné případy:

-

A = 1 dokonale černé těleso

-

R = 1 dokonalé odrazivé těleso

-

T = 1 dokonale průteplivé těl.

-

T = 0 zpravidla pevná tělesa

-

R = 0 plyny

-

A = cca 0 plyny

21,7°C

34,8°C

Spektrální propustnost pro IR záření materiálu ve viditelném spektru neprůhledného

Stefan-Boltzmannův

zákon

Me

(T) = ε.σ.T4

[W.m-2]

(celkový zářivý výkon generovaný z

jednotky plochy obecného zdroje na všech vlnových délkách při dané

teplotě)

Wienův

zákon posuvu λmax

= 2898 / T [μm]

(závislost vlnové

délky maximální

intenzity vyzařování

na teplotě černého tělesa)

ε

koeficient emisivity povrchu tělesa [-]T

absolutní

(termodynamická) teplota tělesa [K]

σ

= 5,67 ×

10-8

[W.m-2.K-4] (Stefan-Boltzmannova

konstanta).

Fyzikální popis IR radiace

Planckův

vyzařovací

zákon v

energetickém tvaru

Me,λ

(λ,T) = 2 ×

10-6

×

π.ε.h.c2.λ-5.(ehc/λkT

– 1)-1

[W.m-2.μm-1]

(spektrální intenzita vyzařování obecného tělesa v

závislosti na jeho absolutní teplotě)

ε

koeficient emisivity povrchu tělesa [-]λ

vlnová

délka emitovaného záření

[m]

T

absolutní

teplota tělesa [K]h

= 6,6256 ×

10-34

[J.s] (Planckova

konstanta)c

= 2,9979 ×

108

[m.s-1] (rychlost světla ve vakuu)k

= 1,3805 ×

10-23

[J.K-1] (Boltzmannova

konst.)

Základní fyzikální vztahy pro kvantifikaci vyzařování

Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie

Emisivita

ε

= M / Mb

[-]

(poměr vyzařování obecného tělesa M k vyzařování černého tělesa Mb

při stejné teplotě)

Pohltivost

A = PA

/ Pe

[-]

(poměr tělesem pohlceného zářivého toku a zářivého toku dopadajícího na povrch tělesa)

Kirchhoffův

zákon

ε

= A

(emisivita povrchu při dané teplotě je rovna pohltivosti povrchu

při stejné teplotě)

Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie

1 –

tmavé nekovy, 2 –

světlé nekovy, 3 –

oxidy kovů, 4 –

kovy

Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie

ε

= 0,97

SP01 = 1,9 °C

SP01 = 2,6 °CSP01 = 2,0 °C

SP01 = 2,8 °C

-10,0°C

10,0°C

SP01

-10,0°C

10,0°C

SP01

-10,0°C

10,0°C

SP01

-10,0°C

10,0°C

SP01

Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie

ε

= 0,9

SP01 = 2,6 °C

SP01 = -2,1 °C

SP01 = 1,5 °C

SP01 = -4,1 °C

-10,0°C

10,0°C

SP01

-10,0°C

10,0°C

SP01

-10,0°C

10,0°C

SP01

-10,0°C

10,0°C

SP01

Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie

-5,0°C

5,0°C

Relativní hodnoty zdrojů zářeníτ

= 0,88

Trefl

= 20 °CTatm

= Te

= 20 °C (Tobj

= Tep

)

Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie

ozn. materiál T při ε = 0,96

ε při T = 19,3 °C

1 vápen. malba 19,3 0,96 2 papír 19,8 0,87 3 polykarbonát 20,2 0,85 4 zrcadlo (sklo) 20,4 0,89 5 nopovaný PE 19,3 0,96 6 textil 19,8 0,93 7 Al folie 29,2 0,41

Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie

-25,0°C

5,0°C

-61,8°C

13,6°C

-62,7°C

7,7°C

SP01

Emisivita a reflexivita povrchu jako nejvýznamnější faktory IR termografie

-8,0°C

8,0°C

SP01

SP02

0,97 / 0 °C / 0 °C

SP01 = -2,9 °C

SP02 = -5,5 °C

-8,0°C

8,0°C

SP01

SP020,97 / 0 °C / -70 °C

SP01 = -1,5 °C

SP02 = -4,1 °C

-4,0°C

13,0°C

SP01

SP02

0,9 / 0 °C / -70 °C

SP01 = 1,5 °C

SP02 = -0,9 °C

Optické a energetické vlastnosti skel (podobný princip –

atmosféra)

Tok energie procházející zasklením:

τ

– světlo propuštěné

zasklením, ρ

–

odražené

světlo, R –

odrazivost záření, A –

pohltivost záření, A1

, A2

– záření

pohlcené

sklem, TA

– záření

od pohlcené

části, g –

celková

energetická

propustnost

Spektrum elektromagnetického vlnění a vlnový rozsah IR zobrazovacích systémů

Faktory ovlivňující nekontaktní termografii

Transparence atmosféry pro IR záření, atmosférická okna

20,0°C

400,0°C

20,0°C

400,0°C

DěkujiDěkuji

7,9°C

42,5°C

10

20

30

40

-7,4°C

8,2°C

-5

0

5

za pozornostza pozornost