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