Bezkontaktné meranie teploty

1. Bezkontaktné meranie teploty Richard Krumpolec

2. Bezkontaktné meranie teploty Bezkontaktné teplomery Radiačné pyrometre Optické pyrometre Infračervené teplomery Infračervené termočlánky

3. 1.Princípy merania teploty • V zásade rozoznávame dve kategórie metód, ktoré môžme použiť na meranie teploty • kontaktnú termometriu - objekt merania je v kontakte s teplomerom - má za následok okamžité tepelné ovplyvnenie meraného objektu teplomerom - trvá istú dobu, kým citlivý prvok teplomera úplne zareaguje na teplotu meraného objektu. • radiačnú termometriu - metódy, ktoré sú založené na meraní (tepelného) vyžarovania meraného objektu - žiarenie smeruje do tepelne citlivého zariadenia, ktoré umožňuje určiť teplotu meraného objektu podľa jeho vyžarovania - tepelné zaťaženie pri takejto metóde je zanedbateľné

4. Meradlá vo všeobecnosti využívajú niekoľko základných princípov: • Teplotnú rozťažnosť - dilatačné teplomery, tlakové teplomery • Zmenu elektrických vlastností snímača v závislosti od zmeny teploty - termistory, termočlánky • Snímanie celkovej energie žiarenia: látky vysielajú pri každej teplote T > 0K tepelné žiarenie. - Na určenie teploty sa využíva tepelná závislosť žiary, ktorú merajú tepelné detektory • Využitie tepelnej žiarivosti meraného objektu. -S rastom teploty meraného objektu rastie aj jeho spektrálna žiarivosť

5. 2.Úvod • Radiačný teplomer využíva vyžarovanie tepla telesom, ktorého teplota sa má merať. Meranie je v zásade bezdotykové. Celkový tepelný tok W vyžarujúceho telesa je úmerný štvrtej mocnine jeho teploty Tr , (1) kde σ je Stefan-Boltzmannova konštanta (5,669.10-8 W.m-2K-4), εr je vyžarovací koeficient, zjednodušene emisivita vyžarujúceho povrchu. • Keďže samotný detektor tiež vyžaruje energiu, čistý žiarivý tok, ktorý zachytáva meradlo, je , (2) kde Td je teplota detektora, εd je emisivita materiálu detektora. Emisivita kovového povrchu sa pohybuje v rozsahu od 0,03 (vysoko leštený) po 0,8 (drsný povrch).

6. 3.Radiačné teplomery • tepelný tok vyžiarený telesom pokrýva rozsah vlnových dĺžok, ktorý závisí od teploty. Vlnová dĺžka, pri ktorej vyžarovanie dosahuje svoje maximum, klesá so zvyšujúcou sa teplotou (Wienov vyžarovací zákon). • pri izbovej teplote sa toto maximum vyskytuje pri vlnovej dĺžke 9,6μm (IR). Teleso s teplotou 1000K má svoje maximálne vyžarovanie na vlnových dĺžkach približne 3,5μm • bezkontaktné => umožňujú meranie veľmi vysokých teplôt, až do 3500°C. • dôležitou výhodou je možnosť merania teplôt materiálov, ktoré majú malú tepelnú vodivosť, napríklad kameň.

7. Obr.1 Spektrálne vyžarovanie čierneho telesa ako funkcia vlnovej dĺžky a teploty

8. Správne meranie teploty pomocou radiačnej metódy vyžaduje poznanie hodnoty emisivity • Emisivitaε • pomer medzi žiarením generovaným meraným žiaričom a žiarením generovaným čiernym telesom • hodnoty závisia od materiálu, vlastností povrchu a vlnovej dĺžky • Ak sa hodnota emisivity líši od 1, výsledok merania treba korigovať. Keďže teplo je úmerné štvrtej mocnine teploty, teda T4, relatívna chyba merania v dôsledku neznámej emisivity dosahuje hodnotu ε1/4 • Napr., ak predstavuje emisivita vyžarujúceho povrchu hodnotu 0,6, korekčný faktor má hodnotu 0,13. • Pri známom ε dosahuje približne chyba merania hodnotu 0,5°C.

9. Obr.2 Závislosť korekčných teplôt tk od skutočnej teploty ts a od emisivity ε

10. Základ slova pyrometer tvorí grécke slovo "pyro„ - oheň. • Pôvodné pyrometre boli bezdotykové optické prístroje ktoré zachytávali a vyhodnocovali svetelné žiarenie emitované teplými telesami. • Moderná a presnejšia definícia definuje pyrometre ako všetky zariadenia, ktoré sú schopné zachytávať a merať tepelné žiarenie emitované skúmaným objektom s cieľom zistiť teplotu skúmaného povrchu. • Pyrometre sú jedným z mnohých typov termometrov (Termometre - z gr. thermos - horký)

11. Radiačné teplomery • merajú žiarenie na diaľku • na rozdiel od termočlánkov a odporových teplomerov nie je treba priamy kontakt prístroja s meraným objektom. • vhodné na meranie teploty pohybujúcich sa objektov alebo povrchov, ktoré sú neprístupné alebo sa ich nedá dotknúť.

12. Radiačné teplomery • Radiačný teplomer sa skladá (veľmi jednoducho povedané) z optickej sústavy a z detektoru. • Skúmaný objekt vyžaruje energiu, ktorú optický systém sústreďuje do detektoru, ktorý je citlivý na tepelné žiarenie. • Ak sa používa odporový snímač teploty zariadenie sa nazýva bolometer. • Keď sa teplota meria pomocou termoelektrického snímača zariadenie sa nazýva pyrometer.

13. Radiačné teplomery • Výstupná hodnota z detektora je úmerná množstvu energie vyžiarenej skúmaným telesom (mínus energia, ktorá sa absorbuje v optickom systéme) a citlivosti detektoru na danú vlnovú dĺžku. Táto výstupná hodnota sa použije na zistenia teploty objektu.

14. Rozdelenie radiačných teplomerov: • podľa spektrálnej oblasti využitého žiarenia • Širokopásmové radiačné teplomery/pyrometre • Úzkopásmové radiačné teplomery/pyrometre • pomerové, optické, jasové, farbové, pásmové (fotoelektrické),... • pyrometre založené na vláknovej optike

15. 3.1 Radiačný pyrometer Obr.3. : Radiačný pyrometer: 1 – šošovka, 2 – ochranná clona, 3 – pozlátené (postriebrené) zrkadlo, 4 – citlivý prvok, 5 – prevod, 6 – nastavovací gombík, 7 – vstupná clona

16. 3.2 Optické pyrometre(rôzne konštrukcie) • Optický pyrometer obsahuje vlákno, ktoré sa dá elektronicky nahriať na známu teplotu. • V prípade optického pyrometra vidíme na pozadí meraného objektu vlákno žiarovky. Teplota vlákna sa nastavuje dovtedy, kým sa nezdá, že vlákno zmizlo (má takú istú teplotu ako pozadie). • V tom okamihu má vlákno takú istú teplotu ako je teplota meraného objektu.

17. Spektrálny pyrometer s premenlivou svietivosťou žiarovky Obr.4.: a) konštrukčná schéma, b) vlákno žiarovky jasnejšie ako meraný objekt, c) meraný objekt jasnejší ako vlákno žiarovky 1 – vstupná šošovka, 2 – okulárová šošovka, 3 – filter, 4 – pyrometrická žiarovka

18. Pyrometer s pevnou intenzitou žiarenia žiarovky • Žiarovka má pevne nastavenú teplotu (intenzitu) • Intenzita dopadajúceho žiarenia sa vyrovnáva s intenzitou žiarenia žiarovky pomocou otočného klina s premenlivou hrúbkou • Poloha klina pri rovnakej intenzite predstavuje mieru teploty vyžarujúceho telesa.

19. Pyrometer s pevnou intenzitou žiarenia žiarovky Obr.5.: a) konštrukčná schéma, b) sivý klin s premenlivou hrúbkou 1 – vstupná šošovka, 2 – šošovka okulára, 3 – filter, 4 – pyrometrická žiarovka, 5 – sivý klin, 6 - ukazovateľ

20. Pyrometer s dvomi manuálne nastaviteľnými klinmi • farbový porovnávací pyrometer • porovnáva žiarenie meraného objektu a pyrometrickej žiarovky, ktorú žeraví konštantný prúd • porovnávanie sa vykonáva pri dvoch vlnových dĺžkach • pracuje vo viditeľnej časti spektra, takže sa najčastejšie využívajú vlnové dĺžky λ1 =650nm a λ2 = 550nm • obidve vlnové dĺžky sú doplnkové (komplementárne), => dopĺňajú sana bielu farbu.

21. Pyrometer s dvomi manuálne nastaviteľnými klinmi Obr.6. : 1 – šošovka, 2 – dvojfarebný rotačný klin, 3 – neutrálny rotačný klin, 4 – optický hranol, 5 – pyrometrická žiarovka, 6 – filter, 7 – výstupná šošovka, 8 – ukazovateľ, 9 – ukazovateľ

22. Spektrálne pyrometre s automatickým porovnávaním svietivosti Obr.7. : 1 – šošovka, 2 – clona, 3 – prerušovacie koleso, 4 – žiarovka, 5 – snímací prvok, 6 – motor, 7 – motor, 8 – okulár, 9 – demodulátor, 10 – zosilňovač, 11 – prevodník, 12 – meradlo

23. Pomerový pyrometer Obr.8. : Pomerový pyrometer 1 – šošovka, 2 – polopriepustný hranol, 3 – prerušovací kotúč, 4 – filtre, 5 – zrkadlá, 6 – otočný sivý klin, 7 – snímací prvok pyrometra, 8 – motor, 9 – ukazovateľ, 10 – okulár, 11 – komparátor, 12 – zosilňovač (na obrázku je znázornený aj svetelný zväzok, ktorý je v skutočnosti blokovaný tmavou oblasťouprerušovacieho kotúča)

24. Infračervené radiačné teplomery • pyrometre, merajúce energiu vyžarovanú objektom na vlnových dĺžkach 0,7 až 20μm • predstavujú podskupinu radiačných teplomerov. • Majú prijateľné rozmery • VEĽMI DRAHÉ !!!

25. Bezkontaktný infrateplomer • Miniatúrny Bezkontaktný infrateplomer • rozsah merania: -33..+220°C • rozlíšenie 0.1°C • presnosť 2°C • optika 1:1 • emisivita 0,95, • rozmery 10x93 mm,

26. Infračervené teplomery

27. Infračervené teplomery

28. Infračervené termočlánky • V každom radiačnom pyrometri sa musí nachádzať teplocitlivý snímač. Ten generuje napätie, ktoré je úmerné nárastu teploty, spôsobenému dopadajúcim žiarením. Na tento účel sa používajú špeciálne infračervené termočlánky. Povrchovú teplotu čierneho telesa merajú bez korekcie, tá sa musí vykonávať až pre telesá s emisivitou ε < 0,8. • Termočlánky detegujú tepelnú energiu vyžiarenú z meraného objektu. Meria sa nárast teploty, pričom výstupné napätie je rádovo v milivoltovom rozsahu. Pri konverzii nameraného napätia na teplotu treba brať do úvahy nelinearitu termočlánku.

29. Infračervené termočlánky • dajú sa použiť v rozsahu –73oC až 2800oC • v celom rozsahu sa nepoužíva iba jediný termočlánok • rozsah jedného termočlánku býva približne 30 až 80oC. Termočlánky určené na meranie vyšších teplôt mávajú zvyčajne podstatne väčší merací rozsah, až do 1400oC • chyba merania závisí od konštrukcie termočlánku a dosahuje približne 1% až 5% meracieho rozsahu. Časová konštanta je pomerne malá, 10 až 300ms. • Infračervené termočlánky sú pomerne lacné a hodia sa na meranie povrchovej teploty veľkého množstva materiálov.

30. Infračervené termočlánky • dve základné skupiny : • termočlánky s nastaviteľnou vzdialenosťou od meraného povrchu • majú malú ohniskovú vzdialenosť • vzdialenosť medzi hlavou termočlánku a meraným objektom sa pohybuje v rozsahu 0 až 10mm • používajú sa na meranie nižšej teploty, približne do 300oC • termočlánky s pevnou vzdialenosťou od meraného povrchu • ohnisková vzdialenosť až do 100:1 • zvyčajne sa používajú na meranie vyšších teplôt • vzdialenosť medzi hlavou termočlánku a meraným objektom sa pohybuje od 0 do 2000mm • Pri meraní veľmi vysokých teplôt je dôležité chladenie termočlánku.

31. Infračervené termočlánky • Obr.9.: Infračervené termočlánky a) základná konštrukcia, b) so vzduchovým čistením optickej cesty, c) s chladením vodou, d) s chladením vodou a vzduchovým čistením optickej cesty.

32. Infračervené termočlánky • Infračervené termočlánky sa dajú použiť v množstve aplikácií. • meranie teploty pohyblivých (rotujúcich) povrchov • meranie teploty • detegovanie horúcich miest v čipe integrovaného obvodu • meranie teploty biologických objektov, atď. • Infračervené termočlánky s oddelenou optikou, pripojené pomocou optického vlákna, sa dajú použiť na riadenie lasera pri obrábaní kovov, tlakovom liatí, plazmovom rezaní, kalení plameňom, kontinuálnom odlievaní, atď.

33. Ďakujem za pozornosť