Fyzikální souvislosti bezdotykového měření teploty

Fyzikální souvislosti
bezdotykového měření teploty www.eko-drony.cz
Fyzikální souvislosti bezdotykového měření
teploty
Jan Sova
www.eko-drony.cz

Obsah
●
Motivace
●
●
Bezdotykové měření teploty
●
Vybrané aplikace

Motivace – co tím získáme
●
Motivace aneb co tím získáme
– bezdotykové měření teploty
– nový typ nočního vidění (alternativa noktovizorům) +
možnost vidět skrze mlhu, hustý kouř apod.
Pořízeno LWIR termokamerou. Zdroj:
FLIR

●
– technická diagnostika
●
budovy, elektrické rozvody, stroje a zařízení, FVE, TZB
– lékařské aplikace
– řízení procesů
– vývoj a výzkum
– detekce úniku plynů
– mnohé další
Source: A Basic Course in Thermography,
Erik Thorup, IR Technology Australia Pty
Ltd

Noční vidění
●
Noční vidění
– Není nutná tzv. radiometrická termokamera
– Alternativa k noktovizorům. Nedochází ale k zesilování
zbytkového světla, nýbrž k zachycení tepelného
záření, které je vyzařováno ze všech povrchů.
– Vidíme i v absolutní noci a při silném okolním
osvětlení. Omezené rozlišení.

Noční vidění
RGB fotografie x termogram. Zdroj: FLIR Noktovizor x termogram (za
dostatečného tepelné kontrastu), Zdroj:
FLIR

Šíření tepla
Zdroj snímků: Wikipedie

Šíření tepla
●
Proudění
– přenos energie mezi objektem a jeho prostředím v důsledku
pohybu tekutiny.
●
Vedení
– přenos energie mezi předměty, které jsou ve fyzickém kontaktu.
●
Sálání
– Přenos energie emisí elektromagnetického záření.

Tepelné záření
●
Všechny tělesa s povrchovou teplotou větší než
0 K vyzařují elektromagnetické záření ze svého
povrchu.
●
Stefanův–Boltzmannův zákon
●
Wienův posunovací zákon
●
Planckův vyzařovací zákon Source: A Basic Course in Thermography,
Ltd

Stefanův–Boltzmannův zákon
Popisuje celkovou intenzitu záření
černého tělesa; intenzita vyzařování
roste se čtvrtou mocninou
termodynamické teploty zářícího tělesa.

Wienův posunovací zákon
Umožňuje stanovit vlnovou délku na
které je vyzařováno nejvíce energie pro
danou povrchovou teplotu černého
tělesa.

Planckův vyzařovací zákon
Charakterizuje rozložení vyzařované
energie do jednotlivých částí spektra
elektromagnetického záření v závislosti
na povrchové teplotě černého tělesa.

Emisivita
●
Charakterizuje schopnost povrchu vyzařovat
tepelné záření
●
Veličina závislá zejména na a) povrchové
teplotě, b) vlnové délce a c) úhlu měření
●
V rovnovážném stavu platí:
EMISIVITA = POHLTIVOST

Emisivita
●
Povrchová teplota zatepleného
panelového domu je přibližně
homogenní. Na termogramu se
však zdá, že místa s nápisem
jsou až o 5 °C chladnější. Tato
chyba měření je způsobena
rozdílnou emisivitou barev
nápisu oproti barvám zdiva.
●
Pojem zdánlivá teplota.

Závislost emisivity na vlnové délce
Zdroj snímků:
Wikipedie

Černé těleso
●
Černé těleso je z hlediska bezdotykového měření teploty
objekt, který má emisivitu povrchu rovnou 1 (pozor na
spektrální závislost).
●
Z toho pak vyplývá, že má nulovou odrazivost a nulovou
propustnost (základní vztah říká, že emisivita + odrazivost +
propustnost = 1). Z jednotkové emisivity povrchu pak vyplývá,
že jeho pohltivost je také jednotková (neboť pro ustálený stav
platí Kirchhoffův zákon termální radiace, který říká, že
pohltivost = emisivita).

Černé těleso
●
Typy konstrukce technických černých těles:
●
dutinové černé těleso - povrchem tělesa o vysoké
emisivitě je otvor do dutiny, jejíž povrch je temperován na
jmenovitou teplotu.
●
deskové černé těleso - povrch s vysokou emisivitou je
realizován prostřednictvím “drsného” povrchu o vysoké
emisivitě. Na jmenovitou teplotu je vyhříván přímo povrch
tělesa.

Černé těleso
Dutinové černé těleso
Deskové černé těleso
Zdroj snímků: www.pyrometrcz.cz

Barevná teplota
●
Bezdotykové měření teploty je principiálně velmi starý princip
využívaný při zpracování kovů (využíváno dávno před zavedením
pojmu „teplota“)
●
Světlo určité barevné teploty má barvu tepelného záření vydávané
černým tělesem, zahřátým na tuto teplotu.
●
Barevná teplota je vhodná pro chrakterizaci pouze takového záření,
které vykazuje stejný barevný vjem jako složené tepelné záření
(sálání) dokonale černého tělesa, tedy se spektrem daným
Planckovým rozdělovacím zákonem

Barevná teplota

Interakce IČ záření
Ltd
Ltd

Interakce IČ záření
POHLTIVOST + ODRAZIVOST + PROPUSTNOST = 1
Obvykle máme PROPUSTNOST = 0:
POHLTIVOST + ODRAZIVOST = 1
V termodynamické rovnováze platí:
EMISIVITA = POHLTIVOST
ODRAZIVOST = 1 - EMSIVITA

Stanovení povrchové teploty
●
Termokamera teplotu neměří přímo, ale stanovuje z naměřených
a zadaných údajů. To vyplývá z rovnice termografie.
●
Pro stanovení povrchové teploty je třeba znát (5 parametrů)
– emisivitu [-] (rozumí se emisivita měřeného povrchu),
– odraženou zdánlivou teplotu [°C] (jedná se o tepelné záření, které se
odráží z měřeného povrchu),
– atmosférickou teplotu [°C],
– relativní atmosférickou vlhkost [%] a
– vzdálenost mezi měřicím přístrojem a povrchem měřeného objektu [m].

●
Parametry měření musí
umožňovat zadat každý
přístroj pro bezdotykové
měření teploty.
●
Hlavními parametry jsou
emisivita a odražená
zdánlivá teplota. Jejich
stanovení a zadání do
přístroje je nezbytné.
Zdroj [2]

Rovnice termografie
Zdroj [2]

Odražená zdánlivá teplota
●
Odražená zdánlivá teplota charakterizuje (kvantifikuje) tepelné záření,
které se od povrchu měřeného objektu odráží.
●
Pro těleso s nepropustným povrchem je odrazivost ρ povrchu rovna ρ = 1−
ε, kde ε je emisivita povrchu (všechny veličiny bychom samozřejmě měli
uvážit jako funkce vlnové délky, teploty atd.).
●
Čím menší je emisivita povrchu, tím větší bude vliv odražené zdánlivé
teploty, což je vždy nepříjemné s ohledem na výslednou přesnost měření.
V praxi je proto obvykle méně obtížné měřit povrchy s vysokou emisivitou,
a proto se také snažíme volit takový spektrální rozsah termokamery, aby v
něm byla emisivita měřeného povrchu, pokud je to možné, co největší.

Kvalitativní x kvantitativní
●
Kvantitativní měření
– Potřebuji znát povrchovou teplotu, nastavuji
parametry měření (alespoň emisivitu a odraženou
zdánlivou teplotu)
●
Kvalitativní měření
– Postačuje znát rozdíly zdánlivé teploty na měřeném
povrchu

Rozdělení infračervené části spektra

Elektromagnetické spektrum

Vliv atmosféry – útlum IR záření
Rozdělení na jednotlivá pásma je dáno také v závislosti na pásmech útlumu
infračerveného záření v atmosféře.

Vliv atmosféry – útlum IR záření
Vliv jednotlivých plynů na útlum infračerveného záření v atmosféře.

Senzory v infračerveném spektru
●
V závislosti na snímané části elektromagnetického spektra musí
být uzpůsoben také senzor termokamery. Detektory jsou součástí
použitelných senzorových systémů. Senzorové systémy zahrnují
optiku, detektory a elektroniku pro vytvoření obrazu.
●
Základní dělení detektorů z hlediska principu funkce je na dva typy,
tj. na tzv. tepelné detektory a fotonové detektory.
●
Z hlediska spektrálního pásma, v němž je detektor schopen
zaznamenávat infračervené záření pak detektory samozřejmě
dělíme na SWIR detektory, NIR detektory atd.

Detektory pro pásmo SWIR
●
SWIR neboli krátkovlnné infračervené detektory nabízejí jedinečné
zobrazovací možnosti. Detektory SWIR jsou vždy fotonové detektory. Na
rozdíl od zobrazování LWIR nebo MWIR, zobrazování SWIR používá
nejčastěji odražené záření (nikoli tepelné).
●
V tomto ohledu je tedy princip podobný klasickým fotoaparátům, které také
zaznamenávají odražené záření (v jejich případě denní světlo).
●
V závislosti na složení materiálu (chemická struktura) jsou tyto senzory
citlivé v různých vlnových délkách a mohou vyžadovat chlazení k dosažení
žádaného poměru signál/šum. Dle typu použitého detektoru lze vyrobit
velmi odlišné přístroje

Detektory pro MWIR
●
MWIR detekce probíhá přes chlazený fotodetektor,
podobně jako u detektorů SWIR. Pro detekci ve
vlnových délkách MWIR (3 až 6 μm) se používá
HgCdTe polovodičový materiál, InSb (antimonid
india) nebo T2SL (typ 2 SuperLattice).
●
Typický detektor MWIR musí být chlazen na 77 K.

Kvantová účinnost různých fotokatod v závislosti na vlnových délkách. Kvantová
účinnost (zkráceně „QE“) vyjadřuje počet fotonů emitovaných z fotokatody
vydělený počtem excitačních fotonů. Obvykle se vyjadřuje v procentech

Spektrální odpověď InGaAs fotodiody (typický příklad). Obrázek názorně
zobrazuje spektrální odezvu na různé typy fotodiod InGaAs. Výhodou InGaAs
dlouhovlnné fotodiody je široký rozsah spektrální odezvy (0,5 až 1,7 μm).

Mikrobolometr – senzor pro LWIR
Mikrobolometr a mikrobolometrické pole. Vlevo je schema mikrobolometru,
vpravo je snímek z elektronového mikroskopu, který zachycuje rozmístění
bolometrů do mikrobolometrického pole [7]. Jedná se o typický senzor pro
LWIR.

Mikrobolometr – sensor pro LWIR
●
Bolometr je zařízení, jež mění svůj elektrický odpor v závislosti na své teplotě. Ta pak
ve vhodné konfiguraci závisí na množství absorbovaného dopadajícího infračerveného
záření. Množství dopadajícího záření může být tedy určeno ze změn odporu bolometru.
●
Mikrobolometr, respektive mikrobolometrické pole, tvoří matice miniaturních
bolometrických detektorů, které jsou citlivé na infračervené záření v širokém spektru
vlnových délek, především s vlnovou délkou 7 až 14 μm. Pokud infračervená energie
dopadne na jediný element, zvýší svou teplotu a změní elektrický odpor celého
mikrobolometru. Tato změna odporu je měřena a poté je zpracována na teplotní
hodnoty, které lze zobrazit do tzv. Termogramu.
●
99,9% senzorů v termografii jsou právě mikrobolometry. Tedy v praxi se nejčastěji
používají LWIR termokamery.

Příklady termokamer
Research and development
camera VarioCAM® HDx research
600
Termokamera DJI H20T pro
drony DJI M300
Termokamera pro
noční vidění

Diagnostika plochých střech
●
Umožňuje stanovit místa, kde do
střechy zatéká.
●
Pro úspěšné měření jsou nezbytné
vhodné podmínky (po dešti, po
západu Slunce, dostatečně vysoké
teploty).
●
Měření je realizováno z dronu s
termokamerou.
●
Kvalitativní měření (není třeba
znalost emisivity a odražené zdánlivé
teploty). LWIR přístroje.
„Do ploché střechy buď již zatéká
nebo zatékat bude.“
Zdroj snímků: www.eko-drony.cz

Diagnostika plochých střech
Zdroj snímků: www.eko-drony.cz

Diagnostika elektrických rozvodů
●
Uplatňuje se kritérium rozdílu teplot
●
Měření je třeba provádět pod zátěží
(ideálně 100%)
●
K měření lze přistoupit kvalitativně i
kvantitativně.
●
Používají se LWIR přístroje.
●
Metodika měření viz:
●
ISO 18434-1
●
MIL-STD-2194
Ltd

Diagnostika DPS
●
Ukázka termogramu desky plošných
spojů (DPS). Jednotlivé pixely (při
správném nastavení parametrů měření
a za splnění dalších podmínek)
odpovídají povrchové teplotě.
Termokamery se velice často právě při
vývoji DPS používají k optimalizaci
jejich návrhu. Zdroj: FLIR.
●
Kvantitativní x kvalitativní měření.
Obvykle LWIR termokamery s vhodnym
objektivem.
Zdroj [2]

Search and rescue
●
Záchrana a pátrání po osobách. Využívá se
teplotního kontrastu živé bytosti oproti okolí.
Vidíme skrz mlhu.

Lékařské aplikace
●
Onkologie, sportovní a estetická medicína,
diagnostika zánětů.
●
Využívá se principu změnu teploty v důsledku
patologických změn v organismu.
●
Uplatňuje se zejména vysoká teplotní citlivost
termokamery, tj. 50 mK až cca 13 mK (NETD)

Zdroj: [8]. a) IR snímek zdravých prsou. (ΔT) představuje rozdíl v povrchu
na prsou a b) IR obraz pacientky s infiltrujícím duktálním karcinomem.

Zdroj: [9]. Termogram anterior aspect of the knees (ACL cupture in the right
knee)

Reference
●
[1] A Basic Course in Thermography, Erik Thorup, IR Technology Australia Pty Ltd (special
thanks!)
●
[2] Bezdotykové měření teplotních polí I.-III., Jan Sova, Aldebaran Bulletin
●
[3] ČSN ISO 18434-1 Monitorování stavu a diagnostika strojů; Termografie. Část 1: Všeobecné
postupy
●
[4] Školicí materiály www.eko-drony.cz
●
[5] Chalcogenide glass planar photonics: from mid-IR sensing to 3-D flexible substrate integration,
Hongtao Lin et all.
●
[6] MIL-STD-2194, MILITARY STANDARD: INFRARED THERMAL IMAGING SURVEY
PROCEDURE FOR ELECTRICAL EQUIPMENT (12 FEB 1988)
●
[7] Stemmer Imaging: Let’s see the invisible; SWIR and LWIR camera technology, Puchheim,
Germany, 2013

Reference
●
[8] Morales-Cervantes A, Kolosovas-Machuca ES, Guevara E, et al. An automated method for
the evaluation of breast cancer using infrared thermography. EXCLI J. 2018;17:989-998.
Published 2018 Oct 26. doi:10.17179/excli2018-1735
●
[9] Hildebrandt, C.; Raschner, C.; Ammer, K. An Overview of Recent Application of Medical
Infrared Thermography in Sports Medicine in Austria. Sensors 2010, 10, 4700-4715.
https://doi.org/10.3390/s100504700

Fyzikální souvislosti bezdotykového měření teploty

Recommended

Recommended

More Related Content

Featured

Featured (20)

Fyzikální souvislosti bezdotykového měření teploty