Wybrane aspekty wzorcowania pirometrów i kamer termowizyjnych
Selected aspects of pyrometers and infrared cameras calibrating
Rys. Kalibratory model 4180 (po lewej) oraz model 4181 (po prawej), fot. Instytut Energetyki
Termometry radiacyjne (pirometry i kamery termowizyjne) ze względu na łatwość wykonania pomiaru znajdują szerokie zastosowanie nie tylko w pomiarach wysokich temperatur, ale także przy wyznaczaniu temperatury w szerokim jej zakresie, szczególnie jeżeli trzeba wykonać pomiary szybko. Aby pomiar taki był wiarygodny musi zostać zachowana spójność pomiarowa, czyli powiązanie otrzymanych wskazań miernika z wzorcami odpowiednich jednostek miar. To samo tyczy się, jeżeli zamiast pomiaru temperatury chcemy dokonać wyznaczenia jej rozkładu za pomocą kamery termowizyjnej.
Zobacz także
dr inż. Karol Kuczyński Pomiary transformatorów rozdzielczych SN/nn – zagadnienia wybrane
Transformatory rozdzielcze stanowią jeden z najliczniejszych elementów infrastruktury systemu energetycznego, których czas eksploatacji to minimum 20 – 30 lat. Transformatory pracujące w systemie elektroenergetycznym...
Transformatory rozdzielcze stanowią jeden z najliczniejszych elementów infrastruktury systemu energetycznego, których czas eksploatacji to minimum 20 – 30 lat. Transformatory pracujące w systemie elektroenergetycznym poddaje się badaniom diagnostycznym dostarczającym informacji o ich stanie. Cykliczne badania umożliwiają wykrycie, identyfikację i obserwację rozwijających się uszkodzeń, które mogą doprowadzić do awarii.
mgr inż. Roman Domański, mgr inż. Michał Osiecki Metoda techniczna pomiaru rezystancji uziemienia
Na temat pomiarów rezystancji uziemienia napisano już wiele referatów, artykułów i innych publikacji, które w mniej lub bardziej przystępny sposób wyjaśniają tryb postępowania w trakcie badań uziemień....
Na temat pomiarów rezystancji uziemienia napisano już wiele referatów, artykułów i innych publikacji, które w mniej lub bardziej przystępny sposób wyjaśniają tryb postępowania w trakcie badań uziemień. W praktyce, niestety, powszechnie powiela się błędy i stosuje zasady, które w efekcie skutkują uzyskaniem błędnych wyników. Największą trudnością w prawidłowym przygotowaniu układu pomiarowego do badań, jest poprawne rozmieszczenie sond pomocniczych. Dlatego zrozumienie zasad rządzących zastosowaniem...
mgr inż. Grzegorz Loska Zmiany wartości pomiarowej impedancji pętli zwarcia w rzeczywistych niskonapięciowych sieciach IT
Przy pomiarach impedancji pętli zwarcia w przemysłowych, niskonapięciowych sieciach IT występuje wiele czynników wpływających na dokładność pomiarów. Wartości wyznaczonych pomiarowo impedancji pętli zwarcia...
Przy pomiarach impedancji pętli zwarcia w przemysłowych, niskonapięciowych sieciach IT występuje wiele czynników wpływających na dokładność pomiarów. Wartości wyznaczonych pomiarowo impedancji pętli zwarcia są często znacząco różne od wartości otrzymanych na podstawie obliczeń. Mają na to wpływ czynniki związane z zastosowaną metodą pomiarową (sposób uziemienia na czas pomiarów punktu neutralnego transformatora zasilającego), a także konfiguracja samej sieci IT, w której wykonujemy pomiary, oraz...
W artykule:
|
StreszczenieW artykule przedstawiono praktyczne wskazówki dotyczące wzorcowania pirometrów i kamer termowizyjnych. Uwagi poprzedzone zostały krótkim wstępem teoretycznym dotyczącym podstaw działania termometrów radiacyjnych oraz podstawowymi informacjami o przyrządach pomiarowych do zdalnego pomiaru temperatury. AbstractSelected aspects of pyrometers and infrared cameras calibrating |
Charakterystyka i zastosowanie pirometrów
Termometr radiacyjny to przyrząd pomiarowy do bezdotykowego pomiaru temperatury. Działa w oparciu o analizę promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez badane ciało lub odbitego od niego. Pomiary zdalne temperatury (pirometryczne i termowizyjne) należą do grupy tzw. pomiarów trudnych, dlatego od osoby dokonującej pomiary wymagane jest doświadczenie przy ocenie poprawności uzyskanych rezultatów. Zaletami takiego pomiaru są: możliwość zdalnego pomiaru temperatury; nie zakłócanie istniejącego rozkładu temperatury, tak jak ma to w przypadku pomiaru kontaktowego; brak kontaktu z powierzchnią ciała badanego; szeroki zakres mierzonych temperatur. Pirometry umożliwiają pomiar temperatury: powierzchni, elementów trudno dostępnych, elementów będących w ruchu, powierzchni bardzo odległych oraz powierzchni o bardzo wysokich temperaturach. Niestety z definicji tak prowadzonego pomiaru wynikają pewne wady. Przede wszystkim w celu przeprowadzenia prawidłowego pomiaru należy znać współczynnik emisyjności powierzchni mierzonej oraz występuje duża wrażliwość na zakłócenia, takie jak np. promieniowanie odbite.
Współczynnik emisyjności ε to stosunek energii wypromieniowywanej przez ciało w danej temperaturze do energii wypromieniowanej przez ciało doskonale czarne w tej same temperaturze. Ciało doskonale czarne będzie miało emisyjność równą 1. Przyjmijmy, że ciało doskonale czarne promieniuje w danej temperaturze z mocą 1000 Wm–2, a inny obiekt w tej samej temperaturze 500 Wm–2, oznacza to, że jego współczynnik emisyjności jest równy 0,5, a dla ciała, które w tej temperaturze wypromieniuje 950 Wm–2, współczynnik emisyjności wyniesie 0,95. W rzeczywistości nie istnieje obiekt o emisyjności równej jedności, czyli nie można zrealizować idealnego ciała doskonale czarnego, jednak technicznie możliwa jest realizacja obiektu o bardzo zbliżonym współczynniku emisyjności do 1.
Przyjmując za kryterium zakres wykorzystywanego przez pirometr widma promieniowania można wyróżnić następujące typy pirometrów [1]:
pirometry promieniowania całkowitego: detektor jest czuły na bardzo szeroki zakres promieniowania – reaguje na sygnał będący sumą promieniowania o różnych długościach fal (teoretycznie od 0 do ∞), są to proste urządzenia, czułe w zakresie od 0,3 μm do (2,5 ÷ 20) μm, zakres czułości zależy od jakości układu optycznego oraz od emisyjności promieniującej powierzchni, skalowane są zwykle dla jednej lub kilku wartości ε, zanieczyszczenia układu optycznego, dym, mgła, para wodna, pyły znacząco pogarszają dokładność pomiaru;
pirometry pasmowe: detektor reaguje na promieniowanie z wybranego za pomocą filtrów zakresu (pasma), odpowiedni dobór zakresu pozwala na wyeliminowanie zakłóceń spowodowanych np. parą wodną lub dwutlenkiem węgla, mierzone długości fal to najczęściej tzw. efektywne długości fal (0,65; 1; 1,5; 1,55; 1,6; 2,5; 2,8 i 4 μm), w tej grupie można wydzielić:
- jednobarwowe (monochromatyczne);
- dwubarwowe (bichromatyczne), są przyrządami najpopularniejszymi spośród pirometrów barwowych, wyznaczana jest w nich wartość monochromatycznej gęstości emitancji dla dwóch różnych długości fal, a następnie ich stosunek przeliczany jest na temperaturę mierzonej powierzchni, zaletą jest to, że dokładność ich wskazań nie zależy od zmian emisyjności (jeśli są takie same dla każdej długości fali), kierunkowości promieniowania, zakłóceń atmosferycznych, ograniczeń wielkości powierzchni;
- trójbarwowe (trichromatyczne), detektor reaguje na trzy długości fali;
- wielobarwowe pozwalają na dokładną analizę temperatury powierzchni przy braku wstępnej informacji o emisyjności tej powierzchni, w skład tego typu mierników wchodzi układ podziału wiązki padającego promieniowania na sygnały odpowiadające mierzonym zakresom (barwom), układ równolegle działających detektorów dla pomiaru tych sygnałów oraz układ obliczeniowy;
- pirometry optyczne to podgrupa pirometrów jednobarwowych, ich działanie polega na porównaniu przez obserwatora promieniowania (dokładniej jaskrawości) powierzchni obiektu z promieniowaniem (jaskrawością) wzorcowym, długość fali dla której przeprowadzane jest porównanie leży w zakresie promieniowania widzialnego lub w bliskiej podczerwieni; spotyka się także pirometry tego typu wykorzystujące cały zakres promieniowania widzialnego.
Ważnym czynnikiem zapewniającym poprawność pomiarów jest takie zbudowanie układu pomiarowego, aby pole widzenia pirometru (powierzchnia, z której promieniowanie jest uwzględniane) było jednolite. Sprowadza się to zwykle do wyznaczenia właściwej odległości pirometru od mierzonej powierzchni i porównaniu wymiarów mierzonej powierzchni z polem widzenia pirometru. Można ją określić znając tzw. kąt widzenia α lub współczynnik odległościowy d/D, wyznaczający stosunek odległości d pirometru od obiektu do minimalnej, wymaganej jego średnicy D. Wartość współczynnika d/D najczęściej zawiera się w przedziale 10 ÷ 300. Wykonanie prawidłowego i nieprawidłowego pomiaru z uwzględnieniem współczynnika odległościowego pokazano na rysunku 1.
Rys. 1. Pomiar temperatury obiektu z uwzględnieniem współczynnika odległościowego – pomiar prawidłowy (po lewej) i nieprawidłowy (po prawej) [3]
Termowizja znalazła zastosowanie wszędzie tam, gdzie na podstawie rozkładów temperatury czy zmian temperatury w czasie można wnioskować o zachodzących zjawiskach, przykłady zastosowania można znaleźć w:
- hutnictwie: badanie jakości odlewów, określanie stanu izolacji termicznej pieców i kadzi, określanie rozkładu temperatur w piecach, na ich powierzchni podczas walcowania;
- energetyce: badanie stanu przewodów elektrycznych, badanie jakości przyłączy energetycznych, określanie stanu izolacji cieplnej;
- elektronice: badanie jakości układów scalonych, poszukiwanie uszkodzonych elementów w aparaturze elektronicznej, określanie rozpływu ciepła w obwodach drukowanych;
- ochronie środowiska: określanie obszarów skażeń cieplnych i chemicznych wód, określanie zapylenia atmosfery;
- budownictwie: lokalizacja miejsc ulotów ciepła, lokalizacja rur z ciepłą i zimną wodą, lokalizacja instalacji elektrycznej;
- medycynie: kontrola temperatury ciała, wykrywanie raka piersi, zmian alergicznych, stanów zapalnych, reumatycznych, oparzeniowych, diagnostyka podczas operacji rozbijania kamieni nerkowych, diagnozowanie zmian miażdżycowych w kończynach, pomostowania tętnic w chorobach wieńcowych;
- rolnictwie i leśnictwie: określanie stanu wilgotności gleby i stanu upraw, poszukiwanie podziemnych zbiorników wodnych, wykrywanie ognisk pożarów leśnych, lokalizacja obszarów zaatakowanych przez szkodniki;
- mechanice: badanie stanu łożysk i innych ciernych elementów itp.
Podstawy teoretyczne
Każde ciało o temperaturze powyżej zera bezwzględnego (0 K) wypromieniowuje energię w szerokim zakresie spektralnym. Jeżeli znacząca część tego promieniowania jest w zakresie długości fal elektromagnetycznych pasma widzialnego (400 ÷ 700) nm, to można zaobserwować wypromieniowaną energię gołym okiem. Dobrym przykładem źródła promieniowania w zakresie widzialnym jest żarówka. Jednak większa część energii jest wypromieniowywana przez żarówkę w paśmie podczerwieni, odczuwalnym jako ciepło. Innym przykładem ciała promieniującego w świetle widzialnym jest słońce. Temperatura powierzchni słońca wynosi około 5750 K. Zgodnie z prawem przesunięć Wiena [4] dla tej temperatury, maksimum gęstości energii przypada dla długości fali 500 nm.
Większość termometrów radiacyjnych pracuje w zakresie długości fali (8 ÷ 14) μm. Dla temperatury pokojowej (23°C) pik energii przypada na długość fali 9,8 μm. Matematyczny opis widma promieniowania energetycznego ciała doskonale czarnego, dla danej długości fali, znany jest jako Prawo Plancka:
gdzie:
c1L = 1,191044·108 W μm4 m–2 sr–1 – pierwsza stała promieniowania,
c2 = 1,438769·104 μm K – druga stała promieniowania.
Jeżeli poddamy całkowaniu Prawo Planka, po wszystkich długościach fali otrzymamy Prawo Stefana-Boltzmana, określające całą energię wypromieniowaną przez ciało:
gdzie:
σ = 5,67051·10–8 W m4 K-4 – pierwsza stała Stefana-Boltzmananna.
W pomiarach radiacyjnych, odbiorniki promieniowania są czułe na promieniowanie z określonego pasma (najczęściej (8 ÷ 14) μm), w celu określenia energii docierającej do takiego odbiornika należy w powyższym równaniu zastąpić granice całkowania rozpatrywanym pasmem.
W danej temperaturze widoczne jest ekstremum energii przypadającej dla określonej długości fali. Zależność położenia piku energii od temperatury znana jest jako Prawo Przesunięć Wiena (rys. 2.).
Rys. 2. Natężenie promieniowania ciała doskonale czarnego w funkcji długości wyemitowanej fali. Każda krzywa odpowiada innej temperaturze ciała [5]
Dla materiałów nieprzejrzystych stosunek energii odbitej plus stosunek energii wyemitowanej wynosi 1 (prawo Kirchhoffa). Oznacza to, że materiał o współczynniki emisyjności 0,95 odbija 5% energii obiektów otaczających go. Dla pomiarów pirometrycznych ta część energii jest zakłóceniem. Wpływ ten szczególnie uwidacznia się dla materiałów o małym współczynniku emisyjności w niskich temperaturach. Obiekt o współczynniku emisyjności 0,5 odbija 50% energii. Emisyjność jest funkcją kąta, typowo jest maksymalna, gdy przy wykonywaniu pomiarów pod kątem normalnym do powierzchni, a dla kąta stycznego do powierzchni wynosi 0.
Wzorcowanie termometrów radiacyjnych
Jak wynika z przedstawionych powyżej w skrócie zasad działania pirometrów, poprawne wyznaczenie wartości wskazywanych w postaci liczbowej przez pirometry lub graficznej przez kamery termowizyjne wymaga uwzględnienia ich specyfiki pracy podczas wzorcowania. Obecnie w Polsce tylko kilka laboratoriów wzorcujących posiada akredytację Polskiego Centrum Akredytacji na wzorcowanie pirometrów i kamer termowizyjnych [6], wśród nich jest także Instytut Energetyki – Instytut Badawczy, którego Laboratorium Aparatury Pomiarowej należy do pionierów w przeprowadzaniu wzorcowania pirometrów i kamer termowizyjnych w Polsce.
W Instytucie w zależności od temperatury wzorcowania dobierany jest odpowiedni kalibrator temperatury. Termometry radiacyjne w zakresie temperatur od – 5°C do 120°C wzorcuje się w oparciu o kalibrator radiacyjny model 4180 (rys. 3L), a od 35°C do 500°C model 4181 (rys. 3P) – długości fali (8 ÷ 14) μm. Termometry radiacyjne w zakresie temperatur od 50°C do 1200°C wzorcuje się w oparciu o wnękowe ciało czarne SR 200 – długości fali (0,4 ÷ 14,5) μm [3].
Rys. 3. Kalibratory model 4180 (po lewej) oraz model 4181 (po prawej), fot. Instytut Energetyki
W temperaturach poniżej 0°C, po pewnym czasie, bez osuszania pojawia się warstwa zamarzającej wilgoci na powierzchni ciała czarnego, staje się coraz grubsza i zaczyna być widoczna gołym okiem (rys. 5.).
Rys. 4. Ciało czarne wnękowe SR 200, fot. materiały reklamowe producenta
Rys. 5. Powierzchnia kalibratora model 4180 w ujemnej temperaturze z widoczną wilgocią, fot. Instytut Energetyki
Obraz tego zjawiska uchwycony za pomocą kamery termowizyjnej przestawiono na rys. 6. – widoczne są plamy o temperaturze mniejszej od reszty ciała czarnego. W rzeczywistości plamy te, które stanowi wykrystalizowana para wodna z powietrza, w postaci bardzo cienkiej warstwy lodu, mają temperaturę niemal identyczną z resztą powierzchni ciała, ale różnią się współczynnikiem emisyjności. Dlatego podczas wzorcowania w temperaturach poniżej punktu rosy konieczne jest osuszanie powierzchni źródła. W laboratorium do tego celu wykorzystywany jest azot.
Rys. 6. Powierzchnia kalibratora model 4180 w ujemnej temperaturze z widocznymi plamami, zdjęcie wykonane przy użyciu kamery termowizyjnej, fot. Instytut Energetyki
Położenie kalibratora radiacyjnego względem obiektów go otaczających. Mając na uwadze fakt, że część energii promieniowanej przez obiekty w otoczeniu kalibratora, odbita przez źródło promieniowania, dociera do elementu optycznego termometru radiacyjnego, należy tak umieścić kalibrator, aby źródło promieniowania w kalibratorze nie widziało obiektów o temperaturze wyższej niż temperatura otoczenia. Należy zwrócić uwagę na położenie okien, oświetlenia oraz ściany zewnętrznej budynku. Kalibrator powinien być ustawiony w taki sposób, aby ewentualne źródło zakłóceń promieniowało stycznie do powierzchni kalibratora. Ważne jest zapewnienie stabilnych warunków termodynamicznych w najbliższej przestrzeni źródła promieniowania (unikanie bezpośredniego nawiewu, itp.). Wybór punktów wzorcowania. Wzorcowanie obejmuje standardowo trzy równomiernie rozłożone punkty temperatury pokrywające zakres pracy termometru radiacyjnego. Punkty powinny być dostosowane do rzeczywistego użytkowania miernika [2].
Tab. 1. Wartości współczynników emisyjności wybranych materiałów
Ustalenie współczynnika emisyjności. Należy określić temperaturę pozorną (obliczeniowo lub odczytać z kalibratora). Jeśli nie ma innych przesłanek należy wybrać ε = 0,95 ÷ 1,00. Jeżeli przyrząd pracuje dla innego współczynnika emisyjności, dopuszcza się wzorcowanie dla współczynnika emisyjności z przedziału 0,9 do 1,0. W innych przypadkach należy wyznaczyć obliczeniowo współczynnik emisyjności.
Pozycjonowanie pirometru względem źródła promieniowania. Położenie termometru radiacyjnego względem źródła promieniowania jest krytyczną sprawą wpływającą na jakość wzorcowania. W pierwszej kolejności należy ustawić odległość pomiędzy źródłem promieniowania, a wzorcowanym termometrem radiacyjnym. Jeżeli to możliwe odległość należy ustawić, tak aby wzorcowanie zostało przeprowadzone w tych samych warunkach w jakich używany jest przyrząd. Dobrym wyborem jest odległość, przy której przyrząd został adiustowany przez producenta przyrządu. Informacji na ten temat należy szukać w instrukcji obsługi przyrządu. Zawsze, przy doborze odległości, należy zadbać, aby wpływ efektu SSE (ang. Size of Source Effect) nie był znaczący w wynikach wzorcowania, tzn. efektywna wielkość plamki (zbierania danych do pomiaru), utworzonej przez wzorcowany termometr na źródle promieniowania powinna być co najmniej 3-krotnie mniejsza niż średnica źródła. Często profil odległościowy, zależność wielkości plamki optycznej od odległości podawany jest w instrukcji obsługi przyrządu. Jest on przydatny do określenia odległości termometru od źródła promieniowania. Jest on podawany dla różnych poziomów energii, dla 95% i powyżej należy ustawić tak odległość od źródła, aby wielkość plamki optycznej była dwukrotnie mniejsza od średnicy źródła, a dla (80 ÷ 90)% stosunek wielkości plamki do średnicy źródła powinien wynosić trzy.
Podsumowanie
Wzorcowanie termometrów radiacyjnych (pirometrów i kamer termowizyjnych) wymaga szczególnie starannego podejścia i jest różne w zależności od typu przyrządu. Najistotniejszymi parametrami, które koniecznie należy uwzględnić, aby uzyskać poprawne wyniki są współczynnik emisyjności oraz geometria układu pomiarowego i wynikający z niej współczynnik odległościowy.
Literatura
- Encyklopedia fizyki współczesnej, PWN, 1983.
- R. Malinowski, R. Witkowski, Procedura Pomiarowa LAP IEn T/I 13/MAP „Wzorcowanie pirometrów i kamer termowizyjnych”, wydanie V, 2015.
- R. Malinowski, R. Witkowski, Ł. Adamiak, Budowa stanowiska do wzorcowania termometrów radiacyjnych, Instytut Energetyki – IB, MAP/STAT/03/2013, Warszawa, 2013.
- W. Minkina, Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2004, ISBN 83-7193-237-5.
- OpenStax, Fizyka dla szkół wyższych, Tom 3, dostęp on-line 13.05.2020: https://cnx.org/contents/u2KTPvIK@ 3.6:qVb4K8xR@3/6-1-Promieniowanie-cia%C5%82a-doskonale-czarnego
- Polskie Centrum Akredytacji, wykaz laboratoriów wzorcujących, dostęp on-line 13.05.2020: https://www.pca.gov.pl/akredytowane-podmioty/akredytacje-aktywne/laboratoria-wzorcujace.
