ˇ
´ vysoke
´ uc
ˇen´ı technicke
´ v Praze
Cesk
e
´
Fakulta elektrotechnicka
´ PRACE
´
DIPLOMOVA
Termografie v elektroenergetice
Praha, 2012
Autor: Bc. Jan Sumara
Prohl´
aˇ
sen´ı
Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou diplomovou pr´aci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem
pouze podklady ( literaturu, projekty, SW atd.) uveden´e v pˇriloˇzen´em seznamu.
V Praze dne
podpis
i
Podˇ
ekov´
an´ı
Dˇekuji pˇredevˇs´ım vedouc´ımu diplomov´e pr´ace panu Ing. Janu Sovovi za jeho
podporu a dobr´e pˇripom´ınky, kter´e mˇe nutily neust´ale pokraˇcovat v pr´aci. D´ale bych
ˇ
chtˇel podˇekovat zamˇestnanc˚
um CVUT
FEL z Katedry elektroenergetiky, pˇredevˇs´ım Janu
Kvasniˇckovi za jeho pomoc pˇri v´
yrobˇe experiment´aln´ıch pˇr´ıpravk˚
u. V neposledn´ı ˇradˇe
bych chtˇel podˇekovat spoleˇcnosti Workswell, kter´a mi zap˚
ujˇcila mˇeˇr´ıc´ı techniku a prostory pro mˇeˇren´ı.
ii
Abstrakt
Tato pr´ace se zab´
yv´a bezdotykov´
ym mˇeˇren´ım teploty infraˇcervenou termografickou kamerou. V prvn´ı ˇca´sti popisuje historick´
y v´
yvoj senzor˚
u infraˇcerven´eho z´aˇren´ı, teˇ
oretick´e principy na jejichˇz z´akladˇe funguj´ı a rozdˇelen´ı podle konstrukce detektor˚
u IC
z´aˇren´ı. D´ale zkoum´a nejˇcastˇejˇs´ı zdroje chyb a moˇznosti jejich omezen´ı nebo kompenzace.
Experiment´alnˇe jsem ovˇeˇril u
´ˇcinnost kompenzace zd´anliv´e odraˇzen´e teploty na zaˇr´ızen´ı
vlastn´ı konstrukce. Souˇca´st´ı pr´ace jsou tak´e dalˇs´ı mˇeˇren´ı, pˇri kter´
ych bylo pouˇzito tohoto zaˇr´ızen´ı: zkoum´an´ı vlivu rozostˇren´ı infraˇcerven´e termografick´e kamery na mˇeˇrenou
teplotu, zjiˇstˇen´ı emisivity r˚
uzn´
ych povrchov´
ych u
´prav. V posledn´ı ˇc´asti jsme zkoumal
emisivitu vodiˇc˚
u venkovn´ıho nadzemn´ıho veden´ı.
iii
Abstract
This Thesis is about non-contact measuring of temperature by infrared thermographic camera. The first part consists of historical evolution of infrared radiation sensor,
theoretical principles and construction distribution of infrared radiation sensors. The
next part of the thesis deal with the most frequent errors and possibility of its limitation
and compensation. My measuring verifies efficiency of compensation reflected apparent
temperature on own structure of facility. At the end is describing other measuring with
this disposition: investigation of soft focus temperature influence of infrared thermographic camera, detection emissivity of different kind of surfacing. Finally I examine
emissivity of overhead line conductors.
iv
vloˇzit origin´aln´ı zad´an´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı´ı !!!!!
v
Obsah
Seznam obr´
azk˚
u
viii
Seznam tabulek
x
´
1 Uvod
1
1.1
2
Historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ˇ z´aˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1 V´
yvoj detektor˚
u IC
3
2 Teorie
5
2.1
Z´akladn´ı veliˇciny a pojmy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.2
Atmosf´erick´a okna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.3
Planck˚
uv vyzaˇrovac´ı z´akon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.4
Stefan-Boltzmann˚
uv z´akon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.5
Wien˚
uv posunovac´ı z´akon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.6
Kirchhoff˚
uv z´akon term´aln´ı radiace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
ˇ kamery
3 Konstrukce ICT
3.1
3.2
12
Optick´
y syst´em . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ˇ z´aˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Detektor IC
ˇ detektor˚
3.2.1 Z´akladn´ı parametry IC
u . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3.2.2
Rozdˇelen´ı detektor˚
u. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
3.2.3
Konstrukce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
4 Vlivy na pˇ
resnost mˇ
eˇ
ren´ı
13
13
19
4.1
Vlivy okol´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
4.2
Vlastnosti mˇeˇren´eho objektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
4.2.1
Emisivita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
4.2.2
Rozdˇelen´ı tˇeles podle jejich emisivity . . . . . . . . . . . . . . . .
21
vi
4.2.3
4.3
Vlivy urˇcuj´ıc´ı emisivitu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
Minim´aln´ı sn´ıman´a plocha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
5 Experiment´
aln´ı pˇ
r´ıpravek
26
5.1
Termostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
5.2
Topidlo
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
5.2.1
Model topidla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
5.2.2
Konstrukce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
5.2.3
Povrchov´a u
´prava . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
Ovˇeˇren´ı funkˇcnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
5.3
6 Mˇ
eˇ
ren´ı A
35
6.1
Pouˇzit´e pˇr´ıstroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
6.2
Vliv zd´anliv´e odraˇzen´e teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ˇ
6.2.1 Postup mˇeˇren´ı podle CSN
ISO 18434-1 . . . . . . . . . . . . . . .
35
6.2.2
Vlastn´ı mˇeˇren´ı zd´anliv´e odraˇzen´e teploty . . . . . . . . . . . . . .
39
Mˇeˇren´ı emisivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
6.3.1
Teorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
6.3.2
Namˇeˇren´e hodnoty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
6.3.3
Vyhodnocen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
Vliv rozostˇren´ı kamery na pr˚
umˇernou teplotu . . . . . . . . . . . . . . .
48
6.3
6.4
7 Mˇ
eˇ
ren´ı B
36
51
7.1
Pouˇzit´e pˇr´ıstroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
7.2
Popis experimentu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
7.3
Namˇeˇren´e hodnoty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
7.4
Vyhodnocen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
8 Z´
avˇ
er
56
Literatura
57
A Obsah pˇ
riloˇ
zen´
eho CD
I
vii
Seznam obr´
azk˚
u
1.1
Rozklad svˇetla optick´
ym hranolem [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2.1
ˇ z´aˇren´ı [14] . . . . . . . . . . . . . . .
Propustnost atmosf´ery v oblasti IC
7
2.2
Grafick´e vyj´adˇren´ı Planckova z´akona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.3
Planck˚
uv z´akon v dvojrozmˇern´em grafu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.4
Grafick´e vyj´adˇren´ı Wienova posunovac´ıho z´akonu . . . . . . . . . . . . .
10
2.5
Kirchhoff˚
uv z´akon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.1
13
3.2
ˇ kamery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Blokov´e sch´ema digit´aln´ı ICT
ˇ z´aˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rozdˇelen´ı detektor˚
u IC
3.3
Mikrobolometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
4.1
22
4.2
Pˇr´ıklady r˚
uzn´
ych tˇeles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ˇ kamery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zorn´e pole ICT
5.1
Sch´ema zapojen´ı termostatu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
5.2
N´avrh desky poˇsn´eho spoje termostatu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
5.3
Model - tenk´a kruhov´a deska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
5.4
Graf teploty v z´avislosti na polomˇeru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
5.5
Model topidla h = 6 mm, chov´an´ı v ˇcase . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
5.6
Sch´ema zapojen´ı elektrick´e ˇca´sti topidla
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
5.7
Tepeln´e z´aˇriˇce pouˇzit´e pˇri mˇeˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
6.1
Situace pˇri mˇeˇren´ı odraˇzen´e zd´anliv´e teploty metodou odrazu . . . . . . .
37
6.2
Situace pˇri mˇeˇren´ı odraˇzen´e zd´anliv´e teploty pˇr´ımou metodou, prvn´ı krok
38
6.3
Situace pˇri mˇeˇren´ı odraˇzen´e zd´anliv´e teploty pˇr´ımou metodou, druh´
y krok
38
6.4
Rozloˇzen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pracoviˇstˇe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
6.5
Graf δk = f ce(∆TAB ) - Metoda odrazu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
6.6
Graf δT = f ce(∆TAB ) - Metoda odrazu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
viii
15
24
6.7
Graf δk = f ce(∆TAB ) - Pˇr´ım´a metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
6.8
Graf δT = f ce(∆TAB ) - Pˇr´ım´a metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
6.9
Porovn´an´ı chyby korekce pˇri pouˇzit´ı pˇr´ım´e a nepˇr´ım´e metody . . . . . . .
44
6.10 Porovn´an´ı chyby teploty pˇri pouˇzit´ı pˇr´ım´e a nepˇr´ım´e metody . . . . . . .
44
6.11 Pr˚
ubˇeh emisivit r˚
uzn´
ych barev povrchu v z´avislosti na jejich teplotˇe . . .
49
6.12 Porovn´an´ı r˚
uznˇe zaostˇren´
ych termogram˚
u. . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
7.1
Sch´ema zapojen´ı, mˇeˇren´ı emisivit vodiˇc˚
u . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
7.2
Termogram zahˇra´t´eho vodiˇce, emisivita nastavena na 1 . . . . . . . . . .
53
7.3
Emisivita jednotliv´
ych vodiˇc˚
u v z´avislosti na teplotˇe . . . . . . . . . . . .
55
ix
Seznam tabulek
2.1
Rozdˇelen´ı elektromagnetick´eho z´aˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
4.1
Z´akladn´ı rozdˇelen´ı tˇeles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
4.2
Pˇrehled vliv˚
u urˇcuj´ıc´ıch emisivitu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
5.1
Seznam pouˇzit´
ych prvk˚
u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
5.2
Materi´alov´e konstanty hlin´ıku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
5.3
Seznam pouˇzit´
ych prvk˚
u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
6.1
Tabulka namˇeˇren´
ych hodnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
6.2
Tabulka namˇeˇren´
ych hodnot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
7.1
Tabulka namˇeˇren´
ych hodnot emisivit vodiˇc˚
u . . . . . . . . . . . . . . . .
54
x
Kapitola 1
´
Uvod
ˇ kamery) funguj´ı na stejn´em principu,
Infraˇcerven´e termografick´e kamery (d´ale ICT
jako bˇeˇzn´e digit´aln´ı kamery nebo fotoapar´aty. Liˇs´ı se pˇredevˇs´ım v tom, jak´e spektrum
vlnov´
ych d´elek sn´ımaj´ı. S t´ımto faktem jsou spojena specifika t´eto sn´ımac´ı techniky. Bˇeˇzn´e
ˇ kamery
kamery pracuj´ı v p´asmu viditeln´
ych vlnov´
ych d´elek λ = 0, 4 − 0, 75 µm, ale ICT
ˇ z´aˇren´ı, kter´e je v intervalu λ = 0, 75 − 1000 µm. Z takto
v p´asmu infraˇcerven´eho (d´ale IC)
ˇsirok´eho spektra jsou pro mˇeˇren´ı vyuˇzita pouze takzvan´a atmosf´erick´a okna (viz. 2.2).
Kaˇzd´
y objekt, kter´
y m´a teplotu vyˇsˇs´ı neˇz 0 K (−273, 15 ◦ C), vyzaˇruje do sv´eho okol´ı energii
ˇ spektru. Velikost t´eto energie je urˇcena vlastnostmi povrchu jako je teplota, emisivita
v IC
ˇ
nebo u
´hlem pozorov´an´ı a dalˇs´ı (bliˇzˇs´ı vysvˇetlen´ı v kapitole 4.2.1). Z toho vypl´
yv´a, ˇze ICT
kamera m˚
uˇze mˇeˇrit, pˇri spr´avn´em nastaven´ı a zahrnut´ı vliv˚
u okoln´ıho prostˇred´ı, s vysokou
teoretickou pˇresnost´ı (±0, 25 ◦ C aˇz ±0, 15 ◦ C) povrchovou teplotu tˇelesa.
V posledn´ıch letech se, d´ıky neust´al´emu sniˇzov´an´ı poˇrizovac´ıch n´aklad˚
u na techniku a znaˇcn´emu posunu ve v´
yvoji sn´ım´an´ı infraˇcerven´eho z´aˇren´ı vyuˇz´ıvaj´ı v oblastech
pr˚
umyslu, kde to kv˚
uli jejich cenˇe dˇr´ıve nebylo moˇzn´e. Termografick´e mˇeˇren´ı nab´ız´ı mnoho
specializovan´
ych firem, ale ˇcasto se pˇri mˇeˇren´ı dopouˇstˇej´ı chyb, kter´e jsou zp˚
usobeny nedodrˇzen´ım doporuˇcen´
ych postup˚
u mˇeˇren´ı. Jedn´ım z c´ıl˚
u t´eto pr´ace je objasnit nejˇcastˇejˇs´ı
ˇ kamer a umoˇznit tak, minimalizovat vliv tˇechto chyb na pˇresnost
chyby pˇri pouˇzit´ı ICT
mˇeˇren´ı.
ˇ kamery se pouˇz´ıvaj´ı nejen k diagnostice teplotn´ıho pole zaˇr´ızen´ı (poruchy se ˇcasto
ICT
projevuj´ı zmˇenami teplotn´ıho pole na povrchu) a budov (tepeln´e mosty, pr˚
usaky izolac´ı
a jin´e poruchy), ale napˇr´ıklad ve zdravotnictv´ı dok´aˇze detekovat podkoˇzn´ı zmˇeny (m´ısta
se zv´
yˇsen´
ym prokrven´ım, tam kde b´
yt nemaj´ı a vˇcasnˇe tak detekovat zhoubn´
y r˚
ust tk´anˇe).
V´
yvoj tˇechto zaˇr´ızen´ı v minulosti inicializoval vojensk´
y sektor, jeden z hlavn´ıch uˇzivatel˚
u
termografick´
ych syst´em˚
u. Podobn´e vyuˇzit´ı maj´ı v civiln´ıch bezpeˇcnostn´ıch sluˇzb´ach. D´ale
1
´
KAPITOLA 1. UVOD
2
Obr´azek 1.1: Rozklad svˇetla optick´
ym hranolem [13]
mohou slouˇzit k v´
yzkumn´
ym u
´ˇcel˚
u, at’ uˇz jako nedestruktivn´ı metody diagnostiky materi´al˚
u a konstrukc´ı nebo v´
yzkum klimatick´
ych zmˇen Zemˇe. Pouˇz´ıvaj´ı se s oblasti poˇza´rn´ı
nebo protiplynov´e ochrany. Vyr´abˇej´ı se jako pˇrenosn´e i stabiln´ı pˇr´ıstroje. Ty se liˇs´ı pouze
oblast´ı pouˇzit´ı, ale konstrukˇcnˇe jsou stejn´e.
D´ale bude pops´ana historie stoj´ıc´ı za vznikem termografie, teoretick´e z´aklady, kter´e
ˇ kamery. Byly sestaveny
popisuj´ı princip fungov´an´ı, a jednotliv´e konstrukˇcn´ı souˇca´sti ICT
experiment´aln´ı uspoˇra´d´an´ı pro mˇeˇren´ı emisivity a zd´anliv´e odraˇzen´e teploty. V n´asleduj´ıc´ıch kapitol´ach jsou pops´ana mˇeˇren´ı, pˇri kter´
ych byly pouˇzity.
1.1
Historie
Historie bezkontaktn´ıho mˇeˇren´ı teploty je dlouh´a a mohla by b´
yt samostatnou prac´ı.
Z tohoto d˚
uvodu pops´any pˇrelomov´e objevy.
V roce 1800 objevil William Herschel infraˇcerven´e z´aˇren´ı pˇri experimentech s rozkladem svˇetla pomoc´ı optick´eho hranolu. Pˇri mˇeˇren´ı teploty jednotliv´
ych barev spektra
zjistil, ˇze je moˇzn´e mˇeˇrit zv´
yˇsenou teplotu i v ˇc´asti spektra, kde jiˇz nen´ı z´aˇren´ı viditeln´e.
Tohoto v´
ysledku dos´ahl, protoˇze pouˇzil optick´
y hranol z NaCl (s˚
ul), kter´
y propouˇst´ı infraˇcerven´e z´aˇren´ı, na rozd´ıl od kˇremiˇcit´eho skla, kter´e vˇetˇs´ı ˇca´st infraˇcerven´eho spektra
nepropust´ı.
Gustav Kirchhoff formuloval v roce 1859 tzv. Kirchhoffovi term´aln´ı z´akony. Definoval tak´e pojmy a z´akonitosti, kter´e s nimi souvisely a to vˇcetnˇe tzv. ˇcern´eho tˇelesa.
V roce 1879 publikovali Josef Stefan a Ludwig Boltzmann tzv. Stefan-Boltzmann˚
uv z´akon,
´
KAPITOLA 1. UVOD
3
kter´
y popisuje intenzitu z´aˇren´ı absolutnˇe ˇcern´eho tˇelesa v z´avislosti na jeho teplotˇe.
Wilhelm Wien empiricky odvodil tzv. Wien˚
uv posunovac´ı z´akon, kter´
y ˇr´ık´a, ˇze maximum vyzaˇrovan´e energie se s rostouc´ı teplotou posouv´a na kratˇs´ı vlnov´e d´elky. Kolem
roku 1900 definoval Max Planck z´akon, kter´
y popisuje v´
ykon vyzaˇrovan´
y ˇcern´
ym tˇelesem
v z´avislosti na spektru z´aˇren´ı (jeho vlnov´e d´elce). Je zn´am´
y jako tzv. Planck˚
uv vyzaˇrovac´ı
z´akon.
1.1.1
ˇ z´
V´
yvoj detektor˚
u IC
aˇ
ren´ı
ˇ z´aˇren´ı, je nˇekolik a jsou zaloˇzeny na r˚
Moˇznost´ı, jak detekovat IC
uzn´
ych fyzik´aln´ıch
jevech: termoelektrick´
y jev, fotoelektrick´
y jev, zmˇena elektrick´eho odporu materi´alu (Bolometr), expanze plyn˚
u (Golay˚
uv ˇcl´anek), pyroelektrick´
y jev, photon drag“ efekt, Jose”
phson˚
uv efekt. V´ıce o jevech a detektorech, kter´e je vyuˇz´ı´ıvaj´ı viz 3.2.2.
Bolometr
ˇ z´aˇren´ı byl tzv. bolometr, kter´
Prvn´ım zaˇr´ızen´ım na detekci IC
y sestrojil v roce 1878
americk´
y astronom Samuele Pierpont Langley. Skl´adal se ze dvou platinov´
ych p´ask˚
u, kter´e
byly pokryty ˇcern´
ym pigmentem. Jeden z p´ask˚
u byl vystaven z´aˇren´ı a druh´
y byl pˇred
z´aˇren´ım zast´ınˇen. T´ım se odpor nezast´ınˇen´eho p´asku mˇenil spolu s intenzitou z´aˇren´ı a tato
zmˇena odporu byla detekov´ana na wheastonovˇe m˚
ustku (p´asky jsou zapojeny jako dvˇe
ramena m˚
ustku). V roce 1880 byl schopen detekovat teplo z ˇziv´eho skotu na vzd´alenost
400 m.
Z bolometru byl pozdˇeji v 80. letech 20. stolet´ı, na popud americk´e arm´ady, vyvinut
ˇ kamer a jejich pouˇzit´ı pˇechotou. V´aha
mikrobolometr, kter´
y umoˇznil miniaturizaci ICT
zaˇr´ızen´ı klesla z nˇekolika kilogram˚
u perifern´ıch komponent na jedno zaˇr´ızen´ı o hmotnosti
stovek gram˚
u. V´ıce v kapitole 3.2.
Termoˇ
cl´
anek
Dalˇs´ım zlomem byl objev termoelektrick´eho jevu v roce 1921, jeˇz uskuteˇcnil nˇemeck´
y
vˇedec Thomas Johan Seebeck. Sestrojil termoˇcl´anek, kter´
y vznikl spojen´ım dvou r˚
uzn´
ych
vodiˇc˚
u na obou stran´ach. Kdyˇz spoje zahˇra´l na r˚
uzn´e teploty, vznikl proudov´
y obvod.
Tento obvod generoval magnetick´e pole vychyluj´ıc´ı kompas. Seebeck tedy z poˇca´tku
nevˇedˇel, ˇze vynalezl termoelektrick´
y jev, ale nazval ho jevem termomagnetick´
ym. Toto
pochyben´ı z´ahy napravil d´ansk´
y vˇedec Hans Christian Orsted, kter´
y objevil vztah mezi
´
KAPITOLA 1. UVOD
4
elektˇrinou a magnetismem, a definoval pojem termoelektrick´
y jev. Termoelektrick´
y ˇcl´anek
vyuˇzil italsk´
y fyzik Leopoldo Nobili pˇri v´
yzkumu tohoto jevu a v roce 1921 sestrojil
termoˇcl´ankovou baterii. K Nobilimu se pˇripojil dalˇs´ı italsk´
y fyzik Macedonio Melloni.
Spolu zdokonalili baterii a pˇredstavili ji v roce 1931. Melloni objevu vyuˇzil pro v´
yzkum
ˇ z´aˇren´ı a zkoum´an´ı ˇcern´eho tˇelesa.
IC
Fotodetektor
Fotoelektrick´
y jev poprv´e pozoroval francouzsk´
y fyzik Alexandr Edmont Becquerel
v roce 1839, ale bliˇzˇs´ıho prozkoum´an´ı se mu dostalo aˇz v roce 1887 od nˇemeck´
ych fyzik˚
u Heinricha Hertze a Wilhelma Hallwachse. Jev teoreticky vysvˇetlil v roce 1905 Albert
Einstein. Velk´
ym skokem v rozvoji fotodetektor˚
u byla 2. svˇetov´a v´alka, tehdy byly vyrobeny fotodetektory na b´azi Ti2 S a PbS. V roce 1987 byl zkonstruov´an QWIP (Quantum
Well Infrared Photodetektor), ale prvn´ı funkˇcn´ı prototypy se zaˇcaly vyr´abˇet aˇz v devades´at´
ych letech. Zpoˇzdˇen´ı bylo d´ano technologickou n´aroˇcnost´ı v´
yroby detektoru, skl´ad´a
se ze stovek polovodiˇcov´
ych vrstev, tlouˇst’ka jednotliv´
ych vrstev nen´ı vˇetˇs´ı neˇz 700 nm.
Kapitola 2
Teorie
V´
yˇse je naznaˇcen v´
yvoj vyuˇziteln´
ych detektor˚
u infraˇcerven´eho z´aˇren´ı. N´asledn´a kapitola popisuje teoretick´e pˇredpoklady, uˇzit´e pˇri sepisov´an´ı t´eto diplomov´e pr´ace.
2.1
Z´
akladn´ı veliˇ
ciny a pojmy
Energie z´aˇren´ı poch´azej´ıc´ı z tˇelesa (tepeln´
y s´alav´
y tok) je urˇcena jako:
z´
aˇ
riv´
a energie QT (J) celkov´e mnoˇzstv´ı energie vyz´aˇren´e do poloprostoru v cel´em spektru (vˇsechny vlnov´e d´elky)
z´
aˇ
riv´
y tok ΦT =
dQT
dt
(W) v´
ykon pˇrenesen´
y z´aˇren´ım, mnoˇzstv´ı energie pˇrenesen´e za jed-
notku ˇcasu do poloprostoru
spektr´
aln´ı (monochromatick´
a) hustota z´
aˇ
riv´
eho toku ΦT λ =
dΦT
dλ
(W) v´
ykon pˇren´a-
ˇsen´
y do poloprostoru urˇcitou vlnovou d´elkou
intenzita vyzaˇ
rov´
an´ı MT =
dΦT
dS
(W · m−2 ) z´aˇriv´
y tok vys´ılan´
y plochou S povrchu tˇelesa
spektr´
aln´ı (monochromatick´
a) intenzita vyzaˇ
rov´
an´ı MT λ =
dMT
dλ
(W · m−3 ) v´
ykon
vyz´aˇren´
y jednotkovou plochou tˇelesa do poloprostoru urˇcitou vlnovou d´elkou
intenzita z´
aˇ
ren´ı I(W · m−2 · sr−1 ) tok energie z plochy tˇelesa urˇcen´
y prostorov´
ym u
´hlem
vzhledem k norm´ale plochy dS
Poloprostor je nad nebo pod rovinou, kter´a dˇel´ı prostor na dvˇe poloviny, ˇcasto se zobrazuje jako polokoule. Je moˇzn´e ho vyj´adˇrit jako prostorov´
yu
´hel 2π sr.
ˇ
Cern´
e tˇ
eleso je teoretick´e tˇeleso, kter´e m´a schopnost vyzaˇrovat energii na vˇsech vlnov´
ych
d´elk´ach bez u
´tlumu a tak´e absorbovat (podle druh´eho Kirchhoffova z´akona 2.6). Pro toto
5
KAPITOLA 2. TEORIE
6
tˇeleso jsou odvozeny z´akony jako Planck˚
uv, Wien˚
uv nebo Stefan-Boltzmann˚
uv, kter´e jsou
pops´any n´ıˇze. Vlastnosti ˇcern´eho tˇelesa pops´any v kapitole 4.2.2.
2.2
Atmosf´
erick´
a okna
Atmosf´era nen´ı pro elektromagnetick´e z´aˇren´ı absolutnˇe transparentn´ı, ale je propustn´a
pouze v urˇcit´
ych oblastech vlnov´
ych d´elek, tzv. atmosf´erick´
ych oken. V oblastech mimo
tato okna je elektromagnetick´e z´aˇren´ı pohlcov´ano r˚
uzn´
ymi prvky, ze kter´
ych je atmosf´era
sloˇzena, jako napˇr´ıklad sklen´ıkov´e plyny (CO2 , vodn´ı p´ara, CH4 ).
N´
azev
Vlnov´
a d´
elka
Gama z´aˇren´ı
≤ 0, 01 nm
Rentgenov´e z´aˇren´ı
0, 01 nm-10 nm
Ultrafialov´e z´aˇren´ı
10 nm-390 nm
Viditeln´e z´aˇren´ı (svˇetlo)
390 nm-750 nm
Infraˇcerven´e z´aˇren´ı
750 nm-1 mm
Mikrovlnn´e z´aˇren´ı
1 mm-1 m
R´adiov´e z´aˇren´ı
1 m-105 km
Tabulka 2.1: Rozdˇelen´ı elektromagnetick´eho z´aˇren´ı
D´ale se budeme zab´
yvat oblast´ı infraˇcerven´eho z´aˇren´ı, v tomto intervalu vlnov´
ych
d´elek jsou dvˇe atmosf´erick´a okna vyuˇz´ıvan´a v termografii a to intervaly 2−5 µm a 8−14 µm.
Propustnost z´aˇren´ı v jednotliv´
ych vlnov´
ych d´elk´ach je patrn´a z obr´azku 2.1. Propustnost
z´avis´ı na mnoˇzstv´ı jednotliv´
ych sklen´ıkov´
ych plyn˚
u v okoln´ı atmosf´eˇre a jej´ı teplotˇe.
Nejvˇetˇs´ı promˇenlivost vykazuje vzduˇsn´a vlhkost (vodn´ı p´ara), obsah ostatn´ıch plyn˚
u je
v ˇcase t´emˇeˇr nemˇenn´
y a povaˇzuje se za konstantn´ı.
Z´akladn´ım parametrem atmosf´ery je jej´ı relativn´ı vlhkost1 ud´avan´a v procentech.
Znalost relativn´ı vlhkosti umoˇzn
ˇuje vypoˇc´ıtat u
´tlum atmosf´ery v urˇcit´em spektru elektromagnetick´eho z´aˇren´ı (pro tento pˇr´ıpad v oblasti zmiˇ
novan´
ych atmosf´erick´
ych oken)
jako funkci vzd´alenosti (ˇs´ıˇrky atmosf´ery) mezi objektem a sn´ımaˇcem z´aˇren´ı.
1
relativn´ı vlhkost ud´av´
a pomˇer mezi okamˇzit´
ym mnoˇzstv´ım vodn´ıch par ve vzduchu a obsahem
vodn´ıch par pˇri stejn´em tlaku i teplotˇe, ale maxim´aln´ım nasycen´ı
KAPITOLA 2. TEORIE
7
ˇ z´aˇren´ı [14]
Obr´azek 2.1: Propustnost atmosf´ery v oblasti IC
2.3
Planck˚
uv vyzaˇ
rovac´ı z´
akon
Max Planck definoval rovnici, kter´a urˇcuje kvanta energie pˇren´aˇsen´a danou frekvenc´ı
z´aˇren´ı:
E = h · f,
(2.1)
kde h = 6, 62606896·10−32 Js je Planckova konstanta a f je frekvence fotonu. Popisuje
emisi a absorpci z´aˇriv´e energie a ˇr´ık´a, ˇze se m˚
uˇze d´ıt pouze po celistv´
ych n´asobc´ıch
frekvence, tzv. kvantech (fotonech). Tento postul´at dovolil Planckovi definovat n´asleduj´ıc´ı
fyzik´aln´ı z´akon (Planck˚
uv vyzaˇrovac´ı z´akon), kter´
y plat´ı pro absolutnˇe ˇcern´e tˇeleso:
M (λ, T ) =
2πhc2
λ5 (e λkT −1 )
hc
,
(2.2)
kde M(λ,T) je celkov´a intenzita vyzaˇrov´an´ı o teplotˇe T na vlnov´e d´elce λ, c je rychlost
svˇetla, h je Planckova konstanta, k je Boltzmannova konstanta a T je termodynamick´a
teplota tˇelesa v kelvinech.
T´ımto v´
yˇse uveden´
ym vztahem bylo moˇzn´e vysvˇetlit chov´an´ı ˇcern´eho tˇelesa a je z nˇej
tak´e moˇzn´e odvodit Stefan-Boltzmann˚
uv z´akon a Wien˚
uv posunovac´ı z´akon. Pˇri zobrazen´ı
grafu v´
yˇse v os´ach x a y je vidˇet pr˚
ubˇeh intenzity vyzaˇrovan´e energie v z´avislosti na vlnov´e
d´elce pro r˚
uzn´e teploty ˇcern´eho tˇelesa (obr´azek 2.3).
KAPITOLA 2. TEORIE
8
-9
´ 10
-1
MHWm-26.Μm
L
4. ´ 10-9
800
2. ´ 10-9
0
0
600
5
ΛHΜmL
10
15
400
Obr´azek 2.2: Grafick´e vyj´adˇren´ı Planckova z´akona
MHWm-2 Μm-1 L
400K
500K
6. ´ 10
-9
600K
700K
4. ´ 10-9
800K
900K
2. ´ 10-9
ΛHΜmL
2
4
6
8
10
12
14
Obr´azek 2.3: Planck˚
uv z´akon v dvojrozmˇern´em grafu
THKL
KAPITOLA 2. TEORIE
2.4
9
Stefan-Boltzmann˚
uv z´
akon
Stefan experiment´alnˇe stanovil a jeho ˇz´ak Boltzmann pot´e matematicky odvodil, ˇze
celkov´a intenzita vyzaˇrovan´e energie je:
M = σT 4 ,
(2.3)
kde M je celkov´a intenzita vyzaˇrov´an´ı, σ = 5, 670400 · 10−8 Wm−2 K−4 je Stefan-Boltzmannova konstanta a T je termodynamick´a teplota tˇelesa. Rovnici je moˇzn´e spoˇc´ıtat
integrac´ı Planckova z´akona pˇres cel´e spektrum vlnov´
ych d´elek (0 m − ∞ m).
2.5
Wien˚
uv posunovac´ı z´
akon
Wilhelm Wien empiricky stanovil z´avislost spektr´aln´ı hustoty vyzaˇrovan´e energie
na teplotˇe a vlnov´e d´elce:
λmax =
b
,
T
(2.4)
kde λmax je vlnov´a d´elka s nejvˇetˇs´ı energi´ı, b = 2898 µmK je Wienova konstanta a T je
termodynamick´a teplota tˇelesa. Jin´
ymi slovy, s rostouc´ı teplotou tˇelesa se zkracuje vlnov´a
d´elka maxima vyzaˇrovan´e energie (obr´azek 2.4).
2.6
Kirchhoff˚
uv z´
akon term´
aln´ı radiace
Jinak tak´e naz´
yvan´
y Kirchhoff-Bunsen˚
uv z´akon, ˇr´ık´a, ˇze tˇeleso vyzaˇruje stejnou energii, jako pˇri shodn´e teplotˇe absorbuje. Jeho interpretace se ˇcasto dˇel´ı na tzv. prvn´ı a
druh´
y Kirchhoff˚
uv z´akon.
Prvn´ı Kirchhoff˚
uv z´akon:
αλ + ρλ + τλ = 1,
(2.5)
kde αλ je spektr´aln´ı absorpce, ρλ je spektr´aln´ı reflektance a τλ je spektr´aln´ı propustnost.
KAPITOLA 2. TEORIE
10
Λ HΜmL
11
10
9
8
7
6
T HKL
300
350
400
450
500
550
600
Obr´azek 2.4: Graf zobrazuj´ıc´ı posun maxima energie ke kratˇs´ım vlnov´
ym
d´elk´am s rostouc´ı teplotou
Obr´azek 2.5: Kirchhoff˚
uv z´akon
KAPITOLA 2. TEORIE
11
Druh´
y Kirchhoff˚
uv z´akon:
ϵλ = αλ ,
(2.6)
kde ϵλ je emisivita tˇelesa a αλ je pohltivost materi´alu. Tento z´akon umoˇzn
ˇuje zjiˇst’ov´an´ı
emisivity materi´alu pomoc´ı referenˇcn´ıho z´aˇren´ı se zn´amou intenzitou.
Kapitola 3
ˇ kamery
Konstrukce ICT
ˇ termografick´a kamera sloˇzit´
I kdyˇz je IC
y elektrooptick´
y syst´em, lze funkci digit´aln´ı
ˇ kamery rozdˇelit a vysvˇetlit na ˇctyˇrech samostatn´
ICT
ych subsyst´emech (bloc´ıch):
optick´
y syst´
em - opticky zachycuje infraˇcerven´e z´aˇren´ı z mˇeˇren´eho objektu a soustˇred´ı
jej na senzor infraˇcerven´eho z´aˇren´ı. Za optick´
y syst´em povaˇzujeme nejen vstupn´ı
ˇcoˇcku (nebo soustavu ˇcoˇcek), ale dalˇs´ı elektromechanick´e prvky (z´avˇerka, syst´em
ˇ senzoru apod.)
automatick´eho ˇci manu´aln´ıho ostˇren´ı, uloˇzen´ı IC
ˇ senzor, kter´
ˇ z´aˇren´ı
senzor infraˇ
cerven´
eho z´
aˇ
ren´ı - maticov´
y IC
y pˇrev´ad´ı dopadaj´ıc´ı IC
na nosn´
y elektrick´
y sign´al. Ten je v n´asleduj´ıc´ım bloku digitalizov´an a zpracov´an
ve v´
ysledn´
y termogram.
A/D pˇ
revodn´ık a zpracov´
an´ı obrazu - A/D pˇrevodn´ık pˇrev´ad´ı analogov´
y sign´al ze
senzoru infraˇcerven´eho z´aˇren´ı na digit´aln´ı sign´al, kter´
y je dalˇs´ımi obvody zpracov´an
ˇ
ve v´
ysledn´
y termogram, uloˇzen na z´aznamov´e m´edium, zobrazen na obrazovku ICT
kamery apod.
ˇ kamery, jeho
uˇ
zivatelsk´
y interface - zajiˇst’uje zobrazen´ı termogramu na obrazovce ICT
uloˇzen´ı na z´aznamov´e m´edium, komunikaci prostˇrednictv´ım dalˇs´ıch interface (USB,
Ethernet, FireWire apod.), ovl´ad´an´ı kamery apod.
ˇ kamery, kdy jsou posledn´ı dva
Toto rozdˇelen´ı je platn´e i v pˇr´ıpadˇe analogov´e ICT
bloky nahrazeny analogov´
ymi obvody a analogovou zobrazovac´ı soustavou. V pˇr´ıpadˇe
ˇ kamery s rozkladem obrazu je maticov´
ˇ z´aˇren´ı nahrazen diskr´etn´ım (nebo
ICT
y senzor IC
ˇra´dkov´
ym) senzorem a syst´emem pro rozklad obrazu.
12
ˇ KAMERY
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE ICT
13
ˇ kamery
Obr´azek 3.1: Blokov´e sch´ema digit´aln´ı ICT
3.1
Optick´
y syst´
em
Jedn´a se o syst´em, kter´
y je t´emˇeˇr naprosto shodn´
y s bˇeˇzn´
ymi objektivy, pouˇz´ıvan´
ymi
u kamer nebo fotoapar´at˚
u. Jedin´
ym podstatn´
ym rozd´ılem je materi´al vlastn´ıho optick´eho
ˇ z´aˇren´ı. Pro z´ısk´an´ı z´abˇer˚
syst´emu. Ta je tvoˇrena z germaniov´eho skla, kter´e propouˇst´ı IC
u
lepˇs´ı kvality je povrch ˇcoˇcek oˇsetˇren antireflexn´ımi vrstvami.
3.2
ˇ z´
Detektor IC
aˇ
ren´ı
ˇ detektory) mˇen´ı energii dopadaj´ıc´ıho infraˇcerDetektor infraˇcerven´eho z´aˇren´ı (IC
ven´eho z´aˇren´ı na elektrick´
y sign´al, kter´
y je d´ale digitalizov´an a ˇc´ıslicovˇe zpracov´an v termogram. Z´aˇriv´a energie je na detektor soustˇredˇena optick´
ym syst´emem tak, aby na povrch
detektoru dopadalo tepeln´e z´aˇren´ı z jednoho ˇci v´ıce objekt˚
u, jejichˇz povrchov´a teplota
ˇ detektor je j´adrem infraˇcerven´eho zobrazovac´ıho syst´emu a velkou mˇerou
je mˇeˇrena. IC
ˇ detektor˚
ovlivˇ
nuje jeho v´
ysledn´e parametry. K v´
ykladu problematiky IC
u je pˇristoupeno
s pˇrihl´ednut´ım ke skuteˇcnosti, ˇze je uˇziteˇcn´e, a nˇekdy dokonce nezbytn´e, m´ıt pˇrehled
o r˚
uzn´
ych typech detektor˚
u, jejich z´akladn´ıch vlastnostech (pˇresnosti, teplotn´ı citlivosti,
selektivitˇe apod.), omezen´ıch a funkci.
3.2.1
ˇ detektor˚
Z´
akladn´ı parametry IC
u
Obecnˇe lze detektory infraˇcerven´eho z´aˇren´ı charakterizovat velk´
ym mnoˇzstv´ım parametr˚
u, kter´e ovlivˇ
nuj´ı vlastnosti v´
ysledn´eho termovizn´ıho syst´emu.
Integr´
aln´ı citlivost - K(VW−1 ) je d´ana pod´ılem elektrick´eho sign´alu na v´
ystupu
sn´ımaˇce U a z´aˇriv´eho toku ϕ, kter´
y dopad´a na plochu detektoru:
ˇ KAMERY
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE ICT
14
U
(3.1)
ϕ
Spektr´
aln´ı citlivost - K(λ) ud´av´a z´avislost v´
ystupu sn´ımaˇce U na vlnov´e d´elce
K=
dopadaj´ıc´ıho z´aˇriv´eho toku:
K(λ) =
U
ϕ(λ)
(3.2)
ˇ
Casov´
a konstanta - tepeln´
y detektor pˇri skokov´e zmˇenˇe z´aˇriv´eho toku skokovˇe
ˇ
nezmˇen´ı svou teplotu, ale jeho teplota nar˚
ust´a postupnˇe ( teplomˇer se zahˇr´ıv´a“). Casov´
a
”
konstanta detektoru τIDC urˇcuje minim´aln´ı dobu, kterou detektor potˇrebuje na zmˇeˇren´ı
teploty. Napˇr´ıklad detektor infraˇcerven´eho z´aˇren´ı s ˇcasovou konstantou 10 ms potˇrebuje
b´
yt vystaven tepeln´emu z´aˇren´ı mˇeˇren´eho objektu minim´alnˇe 10 ms.
ˇ detektor˚
NEP - ekvivalentn´ı ˇ
sumov´
y v´
ykon - pro urˇcen´ı prahov´e citlivosti IC
u byl
zaveden pojem ekvivalentn´ı ˇsumov´
y v´
ykon, definovan´
y jako v´
ykon dopadaj´ıc´ıho z´aˇren´ı,
kter´
y vytv´aˇr´ı na detektoru stejnou efektivn´ı hodnotu napˇet´ı, jako je napˇet´ı vlastn´ıho
ˇsumu detektoru. Ekvivalentn´ı ˇsumov´
y v´
ykon oznaˇcuje z´aˇriv´
y v´
ykon, pˇri jehoˇz detekci je
na v´
ystupu detektoru z´aˇren´ı pomˇer sign´al/ˇsum roven jedn´e. Tento parametr tak ud´av´a
ˇ ım
minim´aln´ı intenzitu z´aˇren´ı, kterou je schopen senzor detekovat (odliˇsit od ˇsumu). C´
menˇs´ı je ekvivalentn´ı ˇsumov´
y v´
ykon, t´ım lepˇs´ı dan´
y detektor je, protoˇze je schopen detekovat slabˇs´ı sign´aly.
Detektivita - znaˇc´ı se D, neboli detekˇcn´ı schopnost, je definov´ana jako:
1
(3.3)
N EP
Ze vztahu vypl´
yv´a, ˇze ˇc´ım vˇetˇs´ı je detektivita, t´ım slabˇs´ı sign´aly je dan´
y detektor
schopen zaznamenat, nebot’ ekvivalentn´ı ˇsumov´
y v´
ykon (NEP) je menˇs´ı. Aby bylo moˇzn´e
D=
porovn´avat detektivitu u detektor˚
u r˚
uzn´eho proveden´ı, zav´ad´ı se tzv. normovan´a detektivita D∗ , coˇz je detektivita D normovan´a na plochu S a ˇs´ıˇrku kmitoˇctov´eho p´asma ∆f .
Oba tyto parametry ovlivˇ
nuj´ı vlastn´ı ˇsum a tedy i ekvivalentn´ı ˇsumov´
y v´
ykon a normalizac´ı se lze jejich vlivu vyvarovat.
3.2.2
Rozdˇ
elen´ı detektor˚
u
Detektory se dˇel´ı na dvˇe z´akladn´ı skupiny a to na kvantov´e (nˇekdy oznaˇcovan´e jako
fotodetektory) a tepeln´e detektory. Z´akladn´ım rozd´ılem tˇechto dvou skupin je, jak inter-
ˇ KAMERY
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE ICT
15
aguj´ı s fotony dopadaj´ıc´ıho z´aˇren´ı. V kvantov´
ych detektorech doch´az´ı interakc´ı v´azan´
ych
elektron˚
u s fotony a vznikaj´ı voln´e n´aboje. Tepeln´e detektory pracuj´ı se z´aˇren´ım nepˇr´ımo,
ohˇrevem materi´alu detektoru se zmˇen´ı jeho fyzik´aln´ı vlastnosti, kter´e jsou bud’ mˇeˇriteln´e
pˇr´ımo (elektrick´e napˇet´ı) nebo nepˇr´ımo (elektrick´
y odpor). Pˇresn´e rozdˇelen´ı v dneˇsn´ı dobˇe
nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ıch detektor˚
u se nach´az´ı v n´asleduj´ıc´ım diagramu.
ˇ z´aˇren´ı
Obr´azek 3.2: Rozdˇelen´ı detektor˚
u IC
Kvantov´
e detektory
Intrinsick´
e detektory
Dˇel´ı se na dvˇe z´akladn´ı skupiny, na tzv. intrinsick´e fotovodiv´e detektory a intrinsick´e
fotovoltaick´e detektory.
Intrinsick´
y fotovodiv´
y detektor je sestaven z ˇcist´eho (nedotovan´eho) polovodiˇce. Pˇri
oz´aˇren´ı struktury detektoru se mˇen´ı jej´ı vodivost, aby tato zmˇena byla detekovateln´a, je
nutn´e pˇriloˇzit vnˇejˇs´ı elektrick´e pole. Zmˇena vodivosti je vyvol´ana interakc´ı foton˚
u z´aˇren´ı
a atom˚
u polovodiˇcov´e struktury. Uvolnˇen´ım elektronu z vazby atomu vzniknou dva nosiˇce
ˇ KAMERY
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE ICT
16
n´aboje ( elektron“ a d´ıra“). Na rozd´ıl od dotovan´
ych polovodiˇc˚
u, zde nen´ı ˇza´dn´
y nosiˇc
”
”
majoritn´ı ani minoritn´ı, a tak se pˇri zmˇenˇe vodivosti uplatn´ı oba druhy nosiˇc˚
u.
Intrinsick´e fotovoltaick´e detektory jsou na b´azi struktury P-N. Dopadaj´ıc´ı fotony mohou s materi´alem detektoru reagovat nˇekolika zp˚
usoby. Pro detektor je podstatn´
y ten,
kdy foton dod´a elektronu v´azan´eho v atomu takovou energii, aby opustil elektronov´
y
obal a stal se z nˇej voln´
y nosiˇc. Vznik´a z´aporn´
y n´aboj, elektron. Z´aroveˇ
n se uvolnˇen´ım
elektronu z atomu vytvoˇr´ı kladn´
y n´aboj, neboli d´ıra. Tyto voln´e n´aboje jsou pˇritahov´any
strukturou s opaˇcnou orientac´ı, takˇze elektrony putuj´ı do oblasti P a d´ıry do oblasti N.
Jejich pˇresunem vznik´a elektrick´e pole a jeho velikost je z´avisl´a na intenzitˇe dopadaj´ıc´ıho
z´aˇren´ı.
Extrinsick´
e detektory
Extrinsick´e detektory jsou podobn´e intrinsick´
ym, liˇs´ı se mechanismus uvolnˇen´ı voln´eho
n´aboje. Detektor je tvoˇren polovodiˇcovou strukturou, kter´a je dotovan´a pˇr´ımˇes´ı. Pˇri interakci struktury s fotonem nejsou voln´e nosiˇce uvolˇ
nov´any ze z´akladn´ı l´atky, ale z pˇr´ımˇesi.
Existuj´ı jak extrinsick´e fotovodiv´e, tak extrinsick´e fotovoltaick´e detektory.
QWIP
Quantum Well Infrared Photo detector je anglick´
y n´azev dalˇs´ıho typu detektor˚
u. Pracuj´ı na podobn´em principu jako extrinsick´e detektory. Pˇr´ımˇesi nejsou v cel´em objemu,
ale pouze v miniaturn´ıch oblastech. Kolem tˇechto mal´
ych vysoce dotovan´
ych center se
zmˇen´ı ˇs´ıˇrka zak´azan´eho p´asu a vznikne takzvan´a kvantov´a past (studnˇe, anglicky quantum well). Foton pˇred´a energii nutnou k posunu elektronu do vyˇsˇs´ı energetick´e hladiny
nejen pˇr´ımou interakc´ı s elektronem, ale i s okoln´ı kvantovou past´ı. Jej´ı pr˚
umˇer se pohybuje od 10 do 100 atom˚
u. Z toho vypl´
yv´a, ˇze citlivost QWIP detektor˚
u je vyˇsˇs´ı neˇz
v pˇredchoz´ıch pˇr´ıpadech. Nev´
yhodou tˇechto detektor˚
u je nutnost jejich chlazen´ı na velmi
n´ızk´e teploty (okolo 65 K).
Tepeln´
e detektory
Termoˇ
cl´
ankov´
e detektory
Termoˇcl´anek vznik´a spojen´ım dvou odliˇsn´
ych kov˚
u, t´ımto spojen´ım vznikne napˇet´ı,
kter´e je u
´mˇern´e teplotˇe spoje. Kv˚
uli minimalizaci vliv˚
u okol´ı je nutn´e termoˇcl´anek izolovat. Z´aroveˇ
n je tˇreba, pˇri sn´ıˇzen´ı intenzity dopadaj´ıc´ıho z´aˇren´ı, odv´est teplo, kter´e je ve
ˇcl´anku akumulov´ano. Tyto dva poˇzadavky jsou v protikladu a pˇri konstrukci je d˚
uleˇzit´e
zvolit vhodn´
y kompromis. Z toho vypl´
yv´a, ˇze detektory sloˇzen´e z termoˇcl´ank˚
u (v anglick´e
literatuˇre oznaˇcov´any Thermopile) nemohou dosahovat takov´e citlivosti, jako fotodetek-
ˇ KAMERY
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE ICT
17
tory a jejich v´
yhoda spoˇc´ıv´a pˇredevˇs´ım, tak jako u ostatn´ıch tepeln´
ych detektor˚
u, v jejich
n´ızk´e poˇrizovac´ı cenˇe.
Piroelektrick´
e detektory
Piroelektrick´e detektory jsou zaloˇzeny na stejnojmenn´em jevu. Polarizovan´
y materi´al
reaguje na zmˇenu teploty zmˇenou polarizace. Protoˇze reaguje pouze na zmˇenu teploty, je
dopadaj´ıc´ı z´aˇren´ı nutn´e stˇr´ıdavˇe zastiˇ
novat. V´
ystupn´ım parametrem je stˇr´ıdav´
y proud,
kter´
y je moˇzn´e d´ale zesilovat vstupn´ım zesilovaˇcem elektroniky zpracov´an´ı sign´alu. Velkou v´
yhodou tohoto typu detektor˚
u je vysok´a citlivost ve velk´em rozsahu intenzit dopadaj´ıc´ıho z´aˇren´ı.
Bolometrick´
e detektory
ˇ z´aˇren´ı. Pˇri ohˇra´t´ı maJedn´a se o principialnˇe nejstarˇs´ı pouˇz´ıvan´
y syst´em detekce IC
teri´alu (Ti, amorfn´ı kˇrem´ık, polykrystalick´
y SiGe a jin´e) se mˇen´ı jeho elektrick´
y odpor, tato zmˇena se detekuje pomoc´ı Wheastonova m˚
ustku. Pˇresnˇejˇs´ı popis konstrukce se
nach´az´ı v n´asleduj´ıc´ı kapitole 3.2.3.
3.2.3
Konstrukce
Protoˇze v technick´e praxi1 se pouˇz´ıv´a pˇredevˇs´ım bolometr˚
u, d´ale budou pops´any bolometrick´e detektory. V textu je pops´ana konstrukce bolometru jako jednotliv´eho prvku, ale
pro sloˇzen´ı obrazu je tˇreba v jednom okamˇziku sn´ımat tzv. teplotn´ı pole. Toho se doc´ılilo
zmenˇsen´ım bolometr˚
u a s rozvojem v´
yroby integrovan´
ych obvod˚
u byly umist’ov´any na ˇcip.
Na z´akladn´ım substr´atu je pro vˇetˇs´ı pˇresnost mˇeˇren´ı um´ıstˇena odraziv´a vrstva, nejˇcastˇeji
z oxidu hlin´ıku. Na t´eto vrstvˇe jsou na patic´ıch (konektorech) um´ıstˇeny jednotliv´e mikrobolometry (obr´azek 3.3a)), kter´e jako celek tvoˇr´ı mikrobolometrick´e pole (obr´azek 3.3c)).
Na substr´atu jsou d´ale um´ıstˇeny A/D pˇrevodn´ıky.
Mnoˇzstv´ı jednotliv´
ych prvk˚
u pole je jednou z veliˇcin urˇcuj´ıc´ıch pˇresnost sn´ımku a jeho
kvalitu. Ovˇsem nen´ı moˇzn´e tvrdit, ˇze velk´e rozliˇsen´ı zajist´ı vysokou kvalitu sn´ımk˚
u.
Dalˇs´ım d˚
uleˇzit´
ym parametrem jsou vlastnosti optick´e soustavy (objektivu).
1
myˇslena civiln´ı oblast vyuˇzit´ı, diagnostika zaˇr´ızen´ı atp.
ˇ KAMERY
KAPITOLA 3. KONSTRUKCE ICT
a)
18
b)
c)
Obr´azek 3.3: Detailn´ı sn´ımky mikrobolometr˚
u, na obr´azku a) model jednoho pixelu sn´ımaˇce (bolometru) [16], b) mikrobolometru
pod mikroskopem [15] a c) sn´ımek ˇc´asti mikrobolometrick´eho
pole [15]
Kapitola 4
Vlivy na pˇ
resnost mˇ
eˇ
ren´ı
Pˇresnost mˇeˇren´ı urˇcuje v´ıce faktor˚
u, jde pˇredevˇs´ım o vlivy okol´ı (napˇr´ıklad teplota
ˇ kamery.
pozad´ı, vlhkost a tlak vzduchu), vlastnosti mˇeˇren´eho objektu a vlastnosti ICT
ˇ kamer´ach se kompenzuje pˇet vlastnost´ı okol´ı a mˇeˇren´eho
V komerˇcnˇe pouˇz´ıvan´
ych ICT
objektu, kter´e nepˇr´ıznivˇe ovlivˇ
nuj´ı mˇeˇren´ı:
• atmosf´erick´a teplota,
• vlhkost vzduchu,
• vzd´alenost od objektu,
• zd´anliv´a odraˇzen´a teplota,
• emisivita.
Z tˇechto pˇeti kompenzovateln´
ych chyb se v kapitol´ach vˇenovan´
ych mˇeˇren´ı zab´
yv´ame
urˇcen´ım emisivity a zd´anliv´e odraˇzen´e teploty. Mˇeˇren´ı mohou ovlivnit dalˇs´ı faktory,
kter´
ym se lze vyvarovat, ale je nutn´e vˇedˇet, jak´e to jsou. Jedn´a se napˇr´ıklad o vliv
vˇetru a nebo rozptylov´
ych podm´ınek, v´ıce v kapitole 4.1. Dalˇs´ı moˇznou chybou je ˇspatn´e
zaostˇren´ı mˇeˇren´eho objektu. Vliv t´eto chyby je pops´an v kapitole mˇeˇren´ı 6.4. Bˇehem
pozorov´an´ı vzd´alen´
ych nebo mal´
ych pˇredmˇet˚
u je moˇzn´e pˇri pouˇzit´ı ˇspatn´eho objektivu
zp˚
usobit podobnou chybu, jako pˇri ˇspatn´em ostˇren´ı (viz 4.3).
19
ˇ
ˇ REN
ˇ ´I
KAPITOLA 4. VLIVY NA PRESNOST
ME
4.1
20
Vlivy okol´ı
ˇ z´aˇren´ı v atmosf´eˇre. Je
Atmosf´erick´a teplota je jednou z veliˇcin, urˇcuj´ıc´ı u
´tlum IC
ˇ kamery. Rozmez´ı pracovn´ıch teplot je ud´av´ano
tak´e omezuj´ıc´ım faktorem pouˇzit´ı ICT
v´
yrobcem. Tato teplota je u z´akladn´ıch model˚
u bˇeˇznˇe mezi 0 ◦ C aˇz 50 ◦ C a u vyˇsˇs´ıch ˇrad
mezi −15 ◦ C aˇz 50 ◦ C.
Atmosf´era obsahuje l´atky, kter´e pohlcuj´ı infraˇcerven´e z´aˇren´ı. Jedn´a se napˇr´ıklad o oxid
uhliˇcit´
y, dus´ık a jin´e prvky. Jejich vliv nen´ı zanedbateln´
y, ale t´emˇeˇr se s ˇcasem nemˇen´ı,
a je moˇzn´e korekci pevnˇe nastavit. Mezi tyto l´atky patˇr´ı tak´e voda, konkr´etnˇe vzduˇsn´a
vlhkost, kter´a se s ˇcasem naopak mˇen´ı rychle a proto je nutn´e jej´ı vliv korigovat v m´ıstˇe
ˇ kamery se zad´av´a hodnota relativn´ı vzduˇsn´e vlhkosti. S t´ım
a ˇcase mˇeˇren´ı. Do ICT
souvis´ı i nutnost zjiˇstˇen´ı vzd´alenosti mezi mˇeˇren´
ym objektem a sn´ımaˇcem, protoˇze u
´tlum
je z´avisl´
y na vzd´alenosti.
Mˇeˇren´ı ovlivˇ
nuje nepˇrebern´e mnoˇzstv´ı okoln´ıch vliv˚
u a v´
yˇse zm´ınˇen´e jsou ty z´avaˇzn´e,
kter´e jsme schopni do urˇcit´e m´ıry kompenzovat. Dalˇs´ım faktorem, kter´
ym je moˇzn´e
zv´
yˇsit pˇresnost mˇeˇren´ı je v´
ybˇer vhodn´e doby mˇeˇren´ı. Ta nast´av´a, kdyˇz je odstup teplot mˇeˇren´eho objektu a okol´ı co nejvyˇsˇs´ı a z´aroveˇ
n se v okol´ı vyskytuje minimum dalˇs´ıch
z´aˇriˇc˚
u, kter´e mohou ovlivnit mˇeˇren´ı (viz 6.2). Pˇri mˇeˇren´ı v exteri´eru je mˇeˇren´
y objekt
ochlazov´an proudˇen´ım vzduchu, proto je vˇetrn´e poˇcas´ı nevhodn´e, v literatuˇre se jako
maxim´aln´ı pˇr´ıpustn´a rychlost vˇetru ud´av´a 4 ms−1 aˇz 5 ms−1 . D˚
uleˇzit´
y je, pokud moˇzno,
ˇ kamerou, to znamen´a vyvarovat se hust´emu deˇsti,
ˇcist´
y prostor mezi objektem na ICT
snˇeˇzen´ı, mlze nebo dn˚
um se ˇspatn´
ymi rozptylov´
ymi podm´ınkami (smog). Venkovn´ı mˇeˇren´ı
napˇr´ıklad prob´ıhaj´ı t´emˇeˇr v´
yhradnˇe v zimn´ım nebo podzimn´ım obdob´ı, kdy je minim´alnˇe
ovlivˇ
nov´ano sluneˇcn´ım z´aˇren´ım (mˇeˇren´
y objekt i okol´ı nejsou otepleny sluncem).
4.2
Vlastnosti mˇ
eˇ
ren´
eho objektu
Intenzita z´aˇren´ı, kter´a bude namˇeˇrena, z´avis´ı samozˇrejmˇe na teplotˇe. Ale to plat´ı
bezv´
yhradnˇe pouze pro ˇcern´a tˇelesa, v bˇeˇzn´e praxi se samozˇrejmˇe nem˚
uˇzeme dopustit
takov´eho zjednoduˇsen´ı a povaˇzovat vˇsechna tˇelesa za ˇcern´a. Pro kompenzaci chyby se
zav´ad´ı tzv. emisivita.
Emisivita (ε) je materi´alov´a konstanta. Urˇcuje schopnost materi´alu vyzaˇrovat energii
do okol´ı. Je z´avisl´a na vlastnostech povrchu objektu, tzn. emisivita povrchu jednoho
stejn´eho materi´alu m˚
uˇze nab´
yvat mnoha hodnot a to v z´avislosti na jeho u
´pravˇe (od
ˇ
ˇ REN
ˇ ´I
KAPITOLA 4. VLIVY NA PRESNOST
ME
21
oxidace - st´arnut´ı, pˇres hrubost - leˇstˇen´ı a p´ıskov´an´ı, aˇz po r˚
uzn´e n´atˇery a laky nebo vliv
geometrie - tvaru). Proto nen´ı moˇzn´e tuto konstantu urˇcit vˇseobecnˇe a povaˇzovat j´ı za
spr´avnou. Takto by se daly shrnout probl´emy s pˇresnost´ı urˇcen´ı emisivity v z´avislosti
na povrchov´e u
´pravˇe materi´al˚
u, ale existuj´ı dalˇs´ı parametry, kter´e ovlivˇ
nuj´ı jej´ı velikost.
V praxi n´as zaj´ımaj´ı pˇredevˇs´ım tyto:
• teplota povrchu (T ),
• u
´hel pozorov´an´ı (α),
• vlnov´a d´elka z´aˇren´ı (λ).
4.2.1
Emisivita
Emisivitu lze popsat jako pod´ıl intenzit vyzaˇrov´an´ı re´aln´eho tˇelesa a absolutnˇe ˇcern´eho
tˇelesa pˇri stejn´e teplotˇe:
ε=
MT (T )
,
MCT (T )
(4.1)
kde MT (T ) je intenzita vyzaˇrov´an´ı re´aln´eho tˇelesa pˇres cel´e spektrum a MCT (T ) je
intenzita vyzaˇrov´an´ı ide´aln´ıho ˇcern´eho tˇelesa v cel´em spektru. Takto odvozen´a hodnota
se naz´
yv´a emisivita a je z´avisl´a pouze na teplotˇe. Z tohoto vztahu m˚
uˇzeme vyvodit, ˇze
emisivita tˇelesa nab´
yv´a hodnot: 0 aˇz 1 a z´aroveˇ
n, ˇze emisivita absolutnˇe ˇcern´eho tˇelesa
je: ε = 1. Nev´
yhodou takov´e definice je, ˇze n´am v podstatˇe nevypov´ı, jak´e bude m´ıt
ˇ kamerou, protoˇze nikdy nem˚
vlastnosti tˇeleso, kter´e pozorujeme ICT
uˇzeme sn´ımat cel´e
tˇeleso (ze vˇsech smˇer˚
u z´aroveˇ
n). Tak´e urˇcen´ı emisivity v cel´em spektru z´aˇren´ı nen´ı vhodn´e,
protoˇze termografie vyuˇz´ıv´a pouze u
´zk´a p´asma, tzv. atmosf´erick´
ych oken (viz 2.2). Dalˇs´ı
definice emisivity jsou moˇzn´e, ale ty pro n´as nejsou dostateˇcn´e. Ide´aln´ım urˇcen´ım by byla
ˇ p´asma a prostorov´
emisivita, jako konstanta ϵ(∆λ, ∆Ω, T ), urˇcen´a v potˇrebn´e ˇs´ıˇrce IC
ym
u
´hlem, kter´
y vymez´ı moˇzn´
yu
´hel pozorov´an´ı na norm´alu nebo v jej´ı bl´ızkosti. V praxi se
tedy emisivita neurˇcuje teoreticky, ale praktick´
ym mˇeˇren´ım (viz 6.3).
4.2.2
Rozdˇ
elen´ı tˇ
eles podle jejich emisivity
Tˇelesa se dˇel´ı do tˇr´ı skupin, ˇcern´a tˇelesa, ˇsed´a tˇelesa a selektivnˇe emituj´ıc´ı tˇelesa:
ˇ
ˇ REN
ˇ ´I
KAPITOLA 4. VLIVY NA PRESNOST
ME
22
ˇ
Cern´
e tˇ
eleso
ˇ e tˇ
Sed´
eleso
ε(α) = 1, konst.
ε(λ, T ) = 1, konst.
0 < ε(α) < 1, promˇenn´a
0 < ε(λ, T ) < 1, konst.
Selektivnˇ
e emituj´ıc´ı tˇ
eleso
0 < ε(α) < 1, promˇenn´a 0 < ε(λ, T ) < 1, promˇenn´a
Tabulka 4.1: Z´akladn´ı rozdˇelen´ı tˇeles podle jejich emisivity ε a vlivu u
´hlu
pozorov´an´ı (α)
Z tabulky vypl´
yv´a, ˇze ˇcern´e tˇeleso je ide´aln´ım pˇredmˇetem zkoum´an´ı, ale jedn´a se
pouze o teoreticky definovan´e tˇeleso, kter´e se v pˇr´ırodˇe nevyskytuje. Pro potˇrebu kaˇ kamer se pouˇz´ıvaj´ı modely ˇcern´eho tˇelesa,
librace bezdotykov´
ych teplomˇer˚
u nebo ICT
kter´e se bl´ıˇz´ı vlastnostem ˇcern´eho tˇelesa. Tyto modely jsou nejˇcastˇeji tvoˇreny dutinou
takov´
ych rozmˇer˚
u a tvaru, aby bylo pˇr´ıchoz´ı z´aˇren´ı pohlceno a jej´ı stˇeny mˇely stejnou
teplotu. V praxi se snaˇz´ıme zamˇeˇrit na tˇelesa, kter´a se bl´ıˇz´ı definici ˇsed´eho tˇelesa, protoˇze
ϵ(λ, T ) = konst.. Ovˇsem jedn´a se pouze o idealizaci, podobnˇe jako ˇcern´e tˇeleso. Za ˇsed´e
tˇeleso je moˇzn´e uvaˇzovat vˇetˇsinu pevn´
ych materi´al˚
u v urˇcit´
ych p´asmech vlnov´
ych d´elek
ˇ z´aˇren´ı. Naopak emisivita selektivnˇe emituj´ıc´ıho tˇelesa je funkc´ı vlnov´e d´elky a urˇcen´ı
IC
t´eto z´avislosti je velice komplikovan´e a pˇr´ıpadn´a mˇeˇren´ı intenzity vyzaˇrov´an´ı takov´
ych
tˇeles jsou n´aroˇcn´a. Mezi selektivn´ı emitory patˇr´ı napˇr´ıklad plyny a plastov´e f´olie.
Cerne teleso
-2
-1
MHWm Μm L
Sede teleso
1.2 ´ 10-10
1. ´ 10-10
Selektivni zaric
8. ´ 10-11
6. ´ 10-11
4. ´ 10-11
2. ´ 10-11
ΛHΜmL
5
10
15
Obr´azek 4.1: Pˇr´ıklady r˚
uzn´
ych tˇeles
20
ˇ
ˇ REN
ˇ ´I
KAPITOLA 4. VLIVY NA PRESNOST
ME
4.2.3
23
Vlivy urˇ
cuj´ıc´ı emisivitu
Vu
´vodu byly pops´any z´akladn´ı vlivy, kter´e urˇcuj´ı velikost emisivity. Jejich pˇrehled je
v n´asleduj´ıc´ı tabulce:
Vlastnosti tˇ
elesa
Druh materi´alu(kov, nekov, ...)
Vliv ostatn´ıch parametr˚
u
´
Uhel
pozorov´an´ı
Povrch tˇelesa(drsnost, ...)
Teplota(zmˇeny struktury tˇelesa)
Tvar tˇelesa(dr´aˇzky, dutiny, ...)
Vlnov´a d´elka z´aˇren´ı
Tabulka 4.2: Pˇrehled vliv˚
u urˇcuj´ıc´ıch emisivitu
´
Uhel
pozorov´an´ı α m´a na velikost emisivity podstatn´
y vliv u ˇsed´
ych a selektivnˇe
emituj´ıc´ıch tˇeles, jak vypl´
yv´a z tabulky 4.1. Nˇekter´e povrchy maj´ı schopnost vyzaˇrovat do
vˇsech smˇer˚
u stejnou intenzitou, jsou to takzvan´a disipativn´ı tˇelesa (nˇekdy tak´e Lambert˚
uv
z´aˇriˇc). Takˇze se jedn´a o tˇelesa u kter´
ych je emisivita (reflektance) nez´avisl´a na u
´hlu
pozorov´an´ı (t´eto vlastnosti se snaˇz´ıme dos´ahnout pˇri tvorbˇe reflektoru pro mˇeˇren´ı zd´anliv´e
odraˇzen´e teploty 6.2). Vliv u
´hlu pozorov´an´ı na intenzitu odraˇzen´eho z´aˇren´ı I u takov´eho
z´aˇriˇce lze popsat Lambertov´
ym z´akonem (cosinov´
y z´akon optiky):
Iα = I⊥ cosα,
(4.2)
kde Iα je intenzita z´aˇren´ı tˇelesa v u
´hlu α od norm´aly a I⊥ je intenzita z´aˇren´ı na
norm´ale. Opˇet se jedn´a o teoretickou vlastnost povrchu a ve skuteˇcnosti se j´ı lze pouze
pˇribl´ıˇzit, podobnˇe jako pˇri sestrojen´ı modelu ˇcern´eho tˇelesa.
Bˇeˇzn´a tˇelesa nelze popsat takovouto rovnic´ı, protoˇze jejich emisivita a reflexivita je
z´avisl´a na nepˇrebern´em mnoˇzstv´ı vlastnost´ı povrchu, nˇekter´e z nich jsou zm´ınˇeny v tabulce 4.2. Pro co nejpˇresnˇejˇs´ı mˇeˇren´ı je vhodn´
y co nejmenˇs´ı u
´hel pozorov´an´ı.
4.3
Minim´
aln´ı sn´ıman´
a plocha
V pˇredchoz´ı kapitole byla zm´ınˇena moˇznost chybn´eho mˇeˇren´ı pˇri pozorov´an´ı vzd´alen´
ych nebo mal´
ych pˇredmˇet˚
u, jeˇz je zp˚
usobena z´aˇren´ım, kter´e z tohoto pˇredmˇetu dopad´a
pouze na malou plochu sn´ımaˇce (rozloˇz´ı se mezi nˇekolik sousedn´ıch, ale ˇza´dn´
y nen´ı oz´aˇren
cel´
y). Tento zp˚
usob´ı, ˇze software zpracov´an´ı obrazu vyhodnot´ı chybnˇe intenzitu z´aˇren´ı
ˇ
ˇ REN
ˇ ´I
KAPITOLA 4. VLIVY NA PRESNOST
ME
24
ˇ kamera m´a ve sv´e dokumena zobrazovan´a teplota je niˇzˇs´ı neˇz skuteˇcn´a. Kaˇzd´a ICT
taci zadan´e zorn´e pole, anglicky Field Of View (FOV). Ud´av´a se ve stupn´ıch a podle
ˇ karozliˇsen´ı detektoru m˚
uˇze b´
yt r˚
uzn´
y horizont´aln´ı a vertik´aln´ı u
´hel (napˇr´ıklad u ICT
metry FLIR T335 s rozliˇsen´ım 320 x 240 pixel˚
u je 25◦ x 19◦ ). S t´ımto u
´hlem je z pravidla
uvedena minim´aln´ı vzd´alenost mezi kamerou a objektem (0, 8 aˇz 0, 4 m). Podle tˇechto
u
´hl˚
u a vzd´alenosti lze urˇcit velikost sn´ıman´e plochy (obrazu): S x V = d · sin(ϕ) x
d · sin(γ). Kdyˇz zm´ınˇen´e hodnoty vydˇel´ıme pˇr´ısluˇsn´
ym rozliˇsen´ım sn´ımaˇce, vyjde plocha
obrazu pˇripadaj´ıc´ı na jeden pixel. V literatuˇre [1] se d´ale ud´av´a, ˇze minim´aln´ı plocha pro
spr´avn´e rozliˇsen´ı teploty je 3x3 pixely, ˇcili dev´ıtin´asobek plochy obrazu pˇripadaj´ıc´ı na
jeden pixel.
ˇ kamery, A - ICT
ˇ kamera, B - sn´ıman´a plocha
Obr´azek 4.2: Zorn´e pole ICT
(obraz)
Tato omezen´ı tedy mohou zabr´anit detekci rozd´ıl˚
u v teplotn´ım poli, kter´e se projevuj´ı
ˇ sen´ım je pouˇzit´ı vhodn´e optiky
na ploˇse menˇs´ı neˇz odpov´ıd´a pˇredchoz´ım z´avˇer˚
um. Reˇ
ˇ kamery maj´ı moˇznost pˇribl´ıˇzen´ı,
nebo pˇribl´ıˇzen´ı se k pozorovan´emu pˇredmˇetu. Bˇeˇzn´e ICT
nejedn´a se o optick´
y zoom, ale o elektronick´
y zoom. Tud´ıˇz v´
ysledn´
y termogram je zat´ıˇzen
stejnou chybou jako sn´ımek bez pˇribl´ıˇzen´ı. Absence optick´eho zoomu u vˇetˇsiny komerˇcnˇe
ˇ
ˇ REN
ˇ ´I
KAPITOLA 4. VLIVY NA PRESNOST
ME
pouˇz´ıvan´
ych zaˇr´ızen´ı je zp˚
usobena vysokou poˇrizovac´ı cenou objektiv˚
u.
25
Kapitola 5
Experiment´
aln´ı pˇ
r´ıpravek
Pro mˇeˇren´ı A jsme sestavili zaˇr´ızen´ı, kter´e se skl´ad´a z otopn´e desky a termostatu, tato
sestava simuluje mˇeˇren´
y objekt a druh´a, stejn´a sestava, pˇredstavuje zdroj odr´aˇzej´ıc´ıho se
z´aˇren´ı. Jako topn´
y prvek byla zvolena sestava tranzistor˚
u NPN v pouzdˇre TO220 v zapojen´ı se spoleˇcn´
ym emitorem. Tato konfigurace se vyznaˇcuje n´ızk´
ym tepeln´
ym odporem
a n´ızkou tepelnou kapacitou, coˇz zajiˇst’uje dostateˇcnou dynamiku syst´emu. V´ıce informac´ı
o jednotliv´
ych ˇc´astech pˇr´ıpravku je v n´asleduj´ıc´ıch kapitol´ach.
5.1
Termostat
Termostat se v podstatˇe skl´ad´a z Wheastonova m˚
ustku. Na jednom rameni je sn´ımac´ı
napˇet’ov´
y dˇeliˇc, kter´
y se skl´ad´a z odporu a termistoru um´ıstˇen´eho na topidle, tvoˇr´ı sn´ımac´ı
dˇeliˇc teploty. Na druh´em rameni je odporov´
y dˇeliˇc se s´eriovˇe pˇriˇrazen´
ym potenciometrem ˇr´ıd´ıc´ım velikost napˇet´ı na dˇeliˇci, kter´
y tvoˇr´ı ˇr´ıdic´ı dˇeliˇc. Rozd´ıl napˇet´ı je vyhodnocov´an kompar´atorem, kter´
y pˇri zv´
yˇsen´em napˇet´ı na ovl´adan´e stranˇe m˚
ustku sepne sestavu
topn´
ych tranzistor˚
u.
26
´ ´I PR
ˇ ´IPRAVEK
KAPITOLA 5. EXPERIMENTALN
27
Obr´azek 5.1: Sch´ema zapojen´ı termostatu
Prvek
Hodnota
R1, R2
3 kΩ
R3
2 kΩ 0, 5W
R4
TRIMR 100 kΩ horizont´aln´ı
R5
TRIMR 1 kΩ horizont´aln´ı
R6
potenciometr 5 kΩ
R7
370 Ω
C1,C2,C3,C4
100nF
IC1
stabiliz´ator napˇet´ı 7810
IC3
stabiliz´ator napˇet´ı 7805
IC2
OZ MC1458P
Tabulka 5.1: Seznam pouˇzit´
ych prvk˚
u
Dalˇs´ım krokem bylo navrhnout desku ploˇsn´eho spoje, osadit ji a um´ıstit do vhodn´e
pˇr´ıstrojov´e krabice. N´avrh jsem provedl v programu EAGLE, Light Edition a n´aslednˇe
vyleptal fotocestou na jednostrannou cuprexitovou desku.
Kompar´ator je realizov´an operaˇcn´ım zesilovaˇcem (d´ale OZ) MC1458P, ten vyˇzaduje
´ ´I PR
ˇ ´IPRAVEK
KAPITOLA 5. EXPERIMENTALN
28
Obr´azek 5.2: N´avrh desky poˇsn´eho spoje termostatu
symetrick´e nap´ajen´ı. Je odoln´
y proti moˇzn´
ym rezonanc´ım, proto jsme zvolili tento typ
i pˇresto, ˇze vyˇzaduje sloˇzitˇejˇs´ı ˇreˇsen´ı nap´ajen´ı. Jak jiˇz bylo ˇreˇceno v´
yˇse, pˇri vzr˚
ustu napˇen´ı
na ˇr´ıdic´ım dˇeliˇci nad velikost napˇet´ı na sn´ımac´ım dˇeliˇci, je na v´
ystupu OZ kladn´e nap´ajec´ı
napˇet´ı, velikost proudu do b´aze tranzistoru je omezena trimrem na potˇrebnou velikost
(viz 5.2.2). Aby nebyl pˇretˇeˇzov´an pˇrechod b´aze-emitor pˇri opaˇcn´e situaci, kdy je na invertuj´ıc´ım vstupu OZ vyˇsˇs´ı napˇet´ı neˇz na vstupu neinvertuj´ıc´ım, to znamen´a, ˇze napˇet´ı na
sn´ımac´ım dˇeliˇci je vyˇsˇs´ı neˇz na ˇr´ıdic´ım, je do obvodu b´aze topn´eho tranzistoru zaˇrazena
dioda.
Ve sch´ematu zapojen´ı je tak´e zahrnut R4, kter´
y mˇel zajiˇst’ovat hysterezi, ale pˇri mˇeˇren´ı
bylo zjiˇstˇeno, ˇze tepeln´a kapacita topidla je takov´a, ˇze sama o sobˇe zajist´ı dostateˇcn´e
pˇrechodn´e p´asmo mezi sepnut´
ym stavem a vypnut´
ym stavem.
5.2
Topidlo
Nejprve byla v programu Wolfram Mathematica provedena simulace topn´e desky, aby
bylo moˇzn´e zvolit vhodn´
y materi´al a rozmˇery. Pˇr´ıpravek byl modelov´an jako kruhov´a
deska s jedn´ım tepeln´
ym zdrojem ve sv´em stˇredu.
´ ´I PR
ˇ ´IPRAVEK
KAPITOLA 5. EXPERIMENTALN
5.2.1
29
Model topidla
Tepeln´
y zdroj je kruhov´
y, jako deska a pˇrenos tepla prob´ıh´a pouze v´alcovou plochou,
kterou se dot´
ykaj´ı. V´
ypoˇcet probˇehl numerickou metodou ve v´alcov´em souˇradnicov´em
syst´emu. Model v´
ypoˇctu je moˇzn´e l´epe pochopit z n´asleduj´ıc´ıho obr´azku (5.3).
Obr´azek 5.3: Model - tenk´a kruhov´a deska
Jako moˇzn´e materi´aly byla zvolena mˇed’ a hlin´ık. Mˇed’ m´a nesporn´e v´
yhody v podobˇe
vysok´e tepeln´e vodivosti a n´ızk´e tepeln´e kapacity. V´
yhoda hlin´ıku spoˇc´ıv´a v jeho n´ızk´e
cenˇe a snadn´e opracovatelnosti, takˇze byl zvolen hlin´ık. Vlastnosti hlin´ıku uvaˇzovan´e pˇri
v´
ypoˇctu byly n´asleduj´ıc´ı:
tepeln´a vodivost λ = 200 W · m−1 · K−1
tepeln´a kapacita
c = 900 J · kg−1· K−1
ρ = 2700 kg · m−3
hustota
Tabulka 5.2: Materi´alov´e konstanty hlin´ıku
Vych´azelo se z Fourier-Kirchhoffovi rovnice:
0
z }| {
∂T
ρ · c(
+ ⃗v ∇T ) = ∇ · (λ∇T ) + QV ,
(5.1)
∂t
kde ρ, c a λ jsou materi´alov´e konstanty vypsan´e v pˇredchoz´ı tabulce, T je teplota,
⃗v je rychlost pohybu hranice prostoru urˇcen´eho rovnic´ı a ∇ je oper´ator nabla oznaˇcuj´ıc´ı
gradient (∇ · T ) nebo divergenci(∇T ).
´ ´I PR
ˇ ´IPRAVEK
KAPITOLA 5. EXPERIMENTALN
30
K v´
ypoˇctu je tˇreba urˇcit poˇc´ateˇcn´ı podm´ınky, rozloˇzen´ı teploty v ˇcase t = 0 a okrajov´e
podm´ınky. Cel´
y zdrojov´
y k´od se nach´az´ı v pˇr´ıloze A. Na n´asleduj´ıc´ıch grafech je pr˚
ubˇeh
teploty v z´avislosti na vzd´alenosti od stˇredu (polomˇer) po ust´alen´ı pˇrechodov´
ych dˇej˚
u
pro r˚
uzn´e tlouˇst’ky desky h.
T=fceHrL, pri t=7200s
TH C L
200
150
100
50
rHmL
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
Obr´azek 5.4: Graf teploty v z´avislosti na polomˇeru
Byla zvolena tlouˇst’ka h = 6 mm a v t´eto konfiguraci bude chov´an´ı modelu v ˇcase
n´asleduj´ıc´ı:
tHsL
6000
4000
2000
0
150
100
TH C L
50
rHmL0.05
0.10
Obr´azek 5.5: Model topidla h = 6 mm, chov´an´ı v ˇcase
´ ´I PR
ˇ ´IPRAVEK
KAPITOLA 5. EXPERIMENTALN
5.2.2
31
Konstrukce
Tˇeleso je tvoˇreno sendviˇcovou strukturou sloˇzenou ze dvou hlin´ıkov´
ych desek o rozmˇeru
200x185x3 mm (ˇs´ıˇrka x d´elka x tlouˇst’ka) navz´ajem pevnˇe spojen´
ych ˇsrouby, styˇcn´a plocha je oˇsetˇrena silikonovou vazel´ınou. Toto ˇreˇsen´ı bylo zvoleno, aby se minimalizovaly
neˇz´adouc´ı vlivy spojovac´ıho materi´alu vyuˇzit´eho ke spojen´ı tranzistor˚
u a desky. Jedn´a
se pˇredevˇs´ım o nestejn´e teploty na ploˇse topidla. Tranzistory a termistory pˇripevnˇen´e
na jedn´e stranˇe desky jsou na ploˇse styku oˇsetˇreny stejnou tepelnˇe vodivou pastou jako
v pˇredchoz´ım pˇr´ıpadˇe. Pro dosaˇzen´ı lepˇs´ıch tepeln´
ych vlastnost´ı byla tato strana tepelnˇe
izolov´ana bavlnˇenou vatou.
Topn´e tranzistory jsou na desce v sestavˇe po dev´ıti, jedn´a se o TIP122 (darlingtonovo zapojen´ı). Volbou tohoto prvku jsme doc´ılili dostateˇcn´eho proudu ICE i pˇresto, ˇze
tranzistory jsou ˇr´ızeny kompar´atorem (OZ) v termostatu s norm´aln´ım (podle dokumentace, pˇr´ıloha ??) v´
ystupn´ım proudem 25 aˇz 45 mA, protoˇze proudov´
y zesilovac´ı ˇcinitel
v zapojen´ı se spoleˇcn´
ym emitorem h21e = 1000. V´
yrobce ud´av´a, jak´
y v´
ykon je moˇzn´e do
polovodiˇce dod´avat v z´avislosti na teplotˇe obalu, aby nebyla pˇrekroˇcena pˇr´ıpustn´a teplota
NPN pˇrechodu. Pro vˇetˇs´ı spolehlivost byla zvolena maxim´aln´ı velikost ztr´atov´eho v´
ykonu
na kaˇzd´em prvku 7 W s takov´
ym limitem je bezpeˇcn´a teplota topidla Tmax = 130 ◦ C. Hodnota ztr´atov´eho v´
ykonu nen´ı pˇresn´a, protoˇze v emitoru tranzistoru je zapojen vazebn´ı
odpor, kter´
y sniˇzuje kladnou zpˇetnou vazbu tranzistoru, kde s rostouc´ı teplotou roste
proud ICE . U rezistoru roste u
´bytek napˇet´ı s rostouc´ım proudem ICE , takˇze p˚
usob´ı proti
n´ar˚
ustu proudu obvodem.
Cel´a topn´a deska je um´ıstˇena v dˇrevˇen´e krabici, kter´a byla vyrobena podle rozmˇer˚
u
topn´
ych desek. Jednotliv´e d´ıly krabice byly vyrobeny na CNC fr´ezce a pot´e slepeny.
Na zadn´ı stranˇe bedny je um´ıstˇena pojistkov´a patice s tavnou pojistkou o hodnotˇe 5 A
a konektory ovl´ad´an´ı a nap´ajen´ı. Jsou zde tak´e konektory pro mˇeˇren´ı nap´ajec´ıho proudu.
Mˇeˇr´ı se u
´bytek napˇet´ı na odporu R = 0, 1 Ω, takˇze v´
ysledn´e napˇet´ı je desetina skuteˇcn´e
hodnoty proudu. Kv˚
uli lepˇs´ı stabilitˇe topidel jsou na spodn´ı stranˇe um´ıstˇeny gumov´e
podstavce. V´
ysledn´a sestava mˇeˇr´ıc´ıho pˇr´ıpravku se skl´ad´a ze dvou topidel (tepeln´
ych
z´aˇriˇc˚
u), spoleˇcn´eho ovl´ad´an´ı (termostatu) a nap´ajen´ı, kter´e je pro kaˇzd´e topidlo zvl´aˇst’.
Tepeln´e z´aˇriˇce jsou rozliˇseny jako z´aˇriˇc A a z´aˇriˇc B.
´ ´I PR
ˇ ´IPRAVEK
KAPITOLA 5. EXPERIMENTALN
32
Obr´azek 5.6: Sch´ema zapojen´ı elektrick´e ˇc´asti topidla
Prvek
Hodnota
R1, R2, . . . , R9
3, 3 kΩ 3W
R10, R11, . . . , R18
3, 6 kΩ 0, 5W
R19, R20, . . . , R27
TRIMR 2, 5 kΩ vertik´aln´ı
Q1, Q2, . . . , Q9
Tranzistor TIP122
Tabulka 5.3: Seznam pouˇzit´
ych prvk˚
u
Ovl´ad´an´ı je pˇrivedeno z termostatu a nap´ajen´ı silov´e ˇca´sti je ˇreˇseno univers´aln´ım
nap´ajec´ım zdrojem pro notebooky s parametry: U = 19 V a Imax = 3, 42 A. Pˇri rovnomˇern´em zat´ıˇzen´ı bude kaˇzdou vˇetv´ı topn´eho obvodu proch´azet Inmax = 0, 38 A, aby
zdroj nebyl nepˇretˇeˇzov´an, zvolili jsme In = 0, 35 A. Z tˇechto hodnot lze vypoˇc´ıtat ztr´atov´
y
v´
ykon na jednotliv´
ych tranzistorech:
PT R = UT R ∗ ·In
(5.2)
UT R = U − R1,2,...,9 ∗ ·In = 19 − 3, 3 ∗ ·0, 35 = 17, 845 V
(5.3)
PT R = 17, 845 ∗ ·0, 35 = 6, 246 W
(5.4)
´ ´I PR
ˇ ´IPRAVEK
KAPITOLA 5. EXPERIMENTALN
5.2.3
33
Povrchov´
au
´ prava
Protoˇze z´akladn´ı materi´al topidla jsou hlin´ıkov´e desky, je emisivita povrchu vyuˇz´ıvan´eho k mˇeˇren´ı n´ızk´a (typicky se ud´av´a εAl = 0, 2), proto je nutn´e povrch upravit, aby
se emisivita zv´
yˇsila. Pouˇzili jsme ˇcernou barvu ve spreji, kter´a si zachov´a sv´e vlastnosti
aˇz do teploty 500 ◦ C. Bez dalˇs´ıch u
´prav dosahuje povrch topidla oˇsetˇren´
y touto barvou
emisivity εAln = 0, 95. Okraj topn´e desky z´aˇriˇce A byly, pro n´azorn´
y rozd´ıl emisivit
r˚
uzn´
ych povrchov´
ych u
´prav, ponech´any v p˚
uvodn´ı u
´pravˇe, tedy jako ˇcist´
y hlin´ık. Tepeln´
y z´aˇriˇc B, byl upraven podobnˇe, pouze okraje nebyly ponech´any bez u
´prav, ale jsou
tak´e oˇsetˇreny barevn´
ym sprejem (konkr´etnˇe ˇcervenou matnou barvou a zelenou lesklou
barvou) a pouˇzit´
y ˇcern´
y sprej nen´ı ˇza´ruvzdorn´
y, jako u tepeln´eho z´aˇriˇce A. Jeden okraj
je oˇsetˇren ˇcervenou matnou barvou a druh´
y zelenou lesklou barvou. Tato u
´prava byla
zvolena ze stejn´eho d˚
uvodu, jako v pˇredchoz´ım pˇr´ıpadˇe a ukazuje rozd´ıly v emisivit´ach
r˚
uznˇe barevn´
ych povrch˚
u.
Obr´azek 5.7: Tepeln´e z´aˇriˇce pouˇzit´e pˇri mˇeˇren´ı
5.3
Ovˇ
eˇ
ren´ı funkˇ
cnosti
Experiment´aln´ı pˇr´ıpravek jsem po jeho dokonˇcen´ı testoval, zde je nastaven´a teplota
ˇ kameru (FLIR T335, citlivost 0, 05 K), kter´a se
stabiln´ı v ˇcase. K tomuto jsem vyuˇzil ICT
zamˇeˇrila na z´aˇriˇc (topidlo) mˇeˇrila pr˚
umˇernou teplotu topn´e desky. Nastavil jsem teplotu
pˇres 80 ◦ C, jej´ı pˇresn´a hodnota nen´ı d˚
uleˇzit´a, protoˇze jsem kontroloval zmˇenu v ˇcase
a poˇckal na ust´alen´ı pˇrechodov´
ych jev˚
u. Po jejich odeznˇen´ı jsem poˇrizoval termogramy
´ ´I PR
ˇ ´IPRAVEK
KAPITOLA 5. EXPERIMENTALN
34
z´aˇriˇce v intervalu pˇet minut po dobu jedn´e hodiny.
Z namˇeˇren´
ych hodnot vych´azela teplotn´ı stabilita obou topidel v rozsahu ±0, 15 K,
takˇze zaˇr´ızen´ı bylo vhodn´e pro dalˇs´ı mˇeˇren´ı.
Kapitola 6
Mˇ
eˇ
ren´ı A
y jsme
V t´eto kapitole jsme se zamˇeˇrili na ovˇeˇren´ı spr´avn´e funkce pˇr´ıpravku (5), kter´
d´ale pouˇzili k mˇeˇren´ı zd´anliv´e odraˇzen´e teploty (6.2), emisivity r˚
uzn´
ych povrchov´
ych
ˇ
u
´prav (6.3) a nakonec vliv rozostˇren´ı ICT kamery na pr˚
umˇernou teplotu (6.4).
6.1
Pouˇ
zit´
e pˇ
r´ıstroje
Pˇri mˇeˇren´ı byly pouˇzity n´asleduj´ıc´ı pˇr´ıstroje:
• experiment´aln´ı pˇr´ıpravek (kapitola 5),
• dotykov´
y teplomˇer TESTO 905-T2,
• d´alkomˇer BOSCH DLE 70 Professional,
• vlhkomˇer a teplomˇer EXTECH instruments FLIR M0297,
ˇ kamera FLIR T335,
• ICT
• 2x multimetr UNI-T UT33A.
6.2
Vliv zd´
anliv´
e odraˇ
zen´
e teploty
Pˇri mˇeˇren´ı teplotn´ıho pole objektu je nutn´e uvaˇzovat i vliv okoln´ıch pˇredmˇet˚
u, napˇr´ıklad ostatn´ıch stroj˚
u v tov´arn´ı hale. Tyto pˇredmˇety mohou ovlivnit tepeln´e z´aˇren´ı poch´a35
ˇ REN
ˇ ´I A
KAPITOLA 6. ME
36
zej´ıc´ı z c´ılov´eho objektu o sv´e z´aˇren´ı, kter´e se od c´ılov´eho objektu odraz´ı k pozorovateli
ˇ
(objektivu kamery). Toto parazitn´ı“ z´aˇren´ı se, podle normy CSN
ISO 18434-1 [6], naz´
yv´a
”
odraˇzen´a zd´anliv´a teplota. Mˇeˇren´ı t´eto teploty je pops´ano ve v´
yˇse zm´ınˇen´e normˇe. My se
d´ale budeme zab´
yvat mˇeˇren´ım zd´anliv´e odraˇzen´e teploty, jej´ım vlivem na chyby mˇeˇren´ı
a postupem mˇeˇren´ı.
Pro ovˇeˇren´ı postup˚
u (viz n´ıˇze) a pops´an´ı vlivu zd´anliv´e odraˇzen´e teploty na mˇeˇren´ı
jsme sestavili pokusn´e uspoˇra´d´an´ı zm´ınˇen´e v kapitole 5.
6.2.1
ˇ
Postup mˇ
eˇ
ren´ı podle CSN
ISO 18434-1
N´ıˇze je sepsan´
y postup mˇeˇren´ı, kter´
y doporuˇcuje tato norma.
Potˇ
rebn´
a technika
Aby bylo moˇzn´e zmˇeˇrit odraˇzenou zd´anlivou teplotu objektu, jsou potˇrebn´a n´asleduj´ıc´ı
zaˇr´ızen´ı:
ˇ kamera, kter´a umoˇzn
a) kalibrovan´a kvalitativn´ı ICT
ˇuje termodiagnostikovi zad´avat hodnoty odraˇzen´e zd´anliv´e teploty Todr a emisivity ε,
b) infraˇcerven´
y reflektor (odraˇzeˇc) jak´
ym je napˇr. zmaˇckan´a“ a opˇetovnˇe narovnan´a
”
leskl´a hlin´ıkov´a f´olie, kter´a se pˇripevn´ı na rovnou desku (napˇr. karton) lesklou stranou nahoru.
Metoda odrazu
Postup pro stanoven´ı odraˇzen´e zd´anliv´e teploty Todr mus´ı b´
yt tento.
ˇ kameˇre se nastav´ı emisivita 1, 00 a vzd´alenost 0.
a) Na ICT
ˇ kamera neum´ıst´ı do poˇzadovan´eho m´ısta a vzd´alenosti od objektu, kter´
b) ICT
y se m´a
ˇ kamera se zamˇeˇr´ı na mˇeˇren´
mˇeˇrit. ICT
y objekt.
ˇ kamery tak, ˇze mus´ı b´
c) Reflektor se um´ıst´ı do zorn´eho pole ICT
yt um´ıstˇen pˇred objektem a jeho plocha mus´ı b´
yt rovnobˇeˇznˇe s plochou mˇeˇren´eho objektu (viz 6.1).
Pracuje se v bezpeˇcn´e vzd´alenosti od jak´
ychkoli potencion´alnˇe nebezpeˇcn´
ych objekt˚
u - tˇeles.
ˇ REN
ˇ ´I A
KAPITOLA 6. ME
37
ˇ kamerou zmˇeˇr´ı odraˇzen´a zd´anliv´a teplota na reflektoru.
d) Bez zmˇeny pozice se ICT
Takto zjiˇstˇen´a teplota je v podstatˇe tou hledanou od objektu se odr´aˇzej´ıc´ı zd´anlivou
teplotou Todr .
e) Pro vˇetˇs´ı pˇresnost se postup uveden´
y v bodech b) aˇz d) zopakuje nejm´enˇe tˇrikr´at
a z namˇeˇren´
ych hodnot se udˇel´a pr˚
umˇer.
f ) Odraˇzen´a zd´anliv´a teplota se kompenzuje vloˇzen´ım zpr˚
umˇerovan´e hodnoty odraˇzen´e
ˇ kamery (vˇetˇsinou se tato teplota
zd´anliv´e teploty Todr do vnitˇrn´ıho software ICT
naz´
yv´a jako TAM“, amb. temp.“ (ambient temperature - teplota okol´ı), reflec”
”
”
ted apparent temperature“ (odraˇzen´a zd´anliv´a teplota), background temperature“
”
(teplota pozad´ı) nebo Tref l“, Todr“, Tamb“, Tokoli“).
”
”
”
”
Obr´azek 6.1: Situace pˇri mˇeˇren´ı odraˇzen´e zd´anliv´e teploty metodou odˇ kamera, 2 – Zdroj tepla, kter´
razu, 1 – ICT
y objekt odr´aˇz´ı
do kamery, 3 - Reflektor rovnobˇeˇzn´
y s mˇeˇren´
ym objektem, 4
– Mˇeˇren´
y objekt
Pˇ
r´ım´
a metoda
Postup pro stanoven´ı odraˇzen´e zd´anliv´e teploty Todr pˇr´ımou metodou mus´ı b´
yt n´asleduj´ıc´ı.
ˇ kameˇre se nastav´ı emisivita na 1, 00.
a) Na ICT
ˇ kamera se um´ıst´ı do poˇzadovan´eho m´ısta a vzd´alenosti od objektu, kter´
b) ICT
y se
ˇ
bude mˇeˇrit. Odhadne se u
´hel odrazu α a u
´hel dopadu β pˇri zobrazen´ı objektu ICT
kamerou z m´ısta jej´ıho um´ıstˇen´ı (viz 6.2).
ˇ REN
ˇ ´I A
KAPITOLA 6. ME
Obr´azek 6.2: Situace pˇri mˇeˇren´ı odraˇzen´e zd´anliv´e teploty pˇr´ımou metoˇ kamera, 2 - Zdroj tepla, kter´
dou, prvn´ı krok, 1 - ICT
y objekt
odr´aˇz´ı do kamery, 3 - Mˇeˇren´
y objekt
Obr´azek 6.3: Situace pˇri mˇeˇren´ı odraˇzen´e zd´anliv´e teploty pˇr´ımou metoˇ kamera, 2 - Zdroj tepla, kter´
dou, druh´
y krok, 1 - ICT
y
objekt odr´aˇz´ı do kamery, 3 - Mˇeˇren´
y objekt
38
ˇ REN
ˇ ´I A
KAPITOLA 6. ME
39
ˇ kamera se um´ıst´ı pˇred mˇeˇren´
c) ICT
y objekt tak, aby byla zamˇeˇrena na zdroj odr´aˇzej´ıc´ıho
se z´aˇren´ı a byla s objektem v u
´hlu, kter´
y odpov´ıd´a u
´hlu odrazu α (viz 6.3).
ˇ kamery se zmˇeˇr´ı pr˚
d) Pomoc´ı ICT
umˇern´a zd´anliv´a teplota tohoto zdroje (tˇechto zdroj˚
u).
Vyuˇzije se jak´ekoli dostupn´e funkce kamery (jako je mˇeˇr´ıc´ı funkce pr˚
umˇern´e teploty
oblasti), aby se zpr˚
umˇerovala zd´anliv´a teplota. Doporuˇcuje se m´ıt na pamˇeti, ˇze je
to odraˇzen´a zd´anliv´a teplota Todr od mˇeˇren´eho objektu.
e) Pro vˇetˇs´ı pˇresnost se opakuje postup uveden´
y v bodech b) aˇz d) nejm´enˇe tˇrikr´at
a z namˇeˇren´
ych hodnot se spoˇc´ıt´a pr˚
umˇer.
6.2.2
Vlastn´ı mˇ
eˇ
ren´ı zd´
anliv´
e odraˇ
zen´
e teploty
ˇ
Pˇri mˇeˇren´ı jsme postupovali podle metod popsan´
ych v normˇe CSN
ISO 18434-1 (6.2).
Pro ovˇeˇren´ı postupu pˇri mˇeˇren´ı nepˇr´ımou metodou byly voleny, mimo v normˇe popsan´eho,
r˚
uzn´e druhy reflektor˚
u odr´aˇzej´ıc´ı se zd´anliv´e teploty. D´ale r˚
uzn´e teploty mˇeˇren´eho objektu
a zdroje parazitn´ıho“ z´aˇren´ı.
”
Mˇ
eˇ
ren´ı metodou odrazu
Pˇri mˇeˇren´ı byly jako reflektory pouˇzity n´asleduj´ıc´ı materi´aly:
• hlin´ıkov´a f´olie star´a (reflektor star´
y 4 t´
ydny),
• hlin´ıkov´a f´olie nov´a (reflektor sestaven´
y pˇred mˇeˇren´ım),
• leskl´
y obal od potravin.
ˇ kamera kalibrov´ana podle postupu popsan´eho v norPˇred vlastn´ım mˇeˇren´ım byla ICT
ˇ
ˇ kamerou a zjistila se
mˇe CSN
ISO 18434-1. Zmˇeˇrila se vzd´alenost mezi objektem a ICT
emisivita povrchu mˇeˇren´eho objektu (viz 6.3). Z´aˇriˇce byly nastaveny tak, aby se z´aˇren´ı ze
ˇ kamery. Rozloˇzen´ı mˇeˇr´ıc´ıho
zdroje parazitn´ıho z´aˇren´ı odr´aˇzelo pˇres mˇeˇren´
y objekt do ICT
pracoviˇstˇe je na obr´azku 6.4.
Mˇeˇren´ı probˇehlo pˇri r˚
uzn´
ych teplot´ach mˇeˇren´eho objektu, od teploty okol´ı po maxim´aln´ı teplotu, kter´a byla s ohledem na vlastnosti pouˇzit´eho spreje stanovena na 80 ◦ C
a jednotliv´e teploty od sebe maj´ı odstup zhruba 10 K. Pro kaˇzdou teplotu mˇeˇren´eho objektu byla postupnˇe nastavov´ana teplota druh´eho z´aˇriˇce v podobn´em rozsahu. Pouˇzit´ım
ˇza´ruvzdorn´e barvy bylo moˇzn´e nastavit maxim´aln´ı teplotu na 90 ◦ C a stejn´
ym odstupem,
ˇ REN
ˇ ´I A
KAPITOLA 6. ME
40
ˇ kamera, 2 - Mˇeˇren´
Obr´azek 6.4: Rozloˇzen´ı mˇeˇr´ıc´ıho pracoviˇstˇe: 1 - ICT
y
objekt (z´aˇriˇc B), 3 - Zdroj odr´aˇzej´ıc´ı se zd´anliv´e teploty (z´aˇriˇc
A), 4 - Odraˇzen´e z´aˇren´ı, 5 - Z´aˇren´ı poch´azej´ıc´ı z mˇeˇren´eho
objektu
jako u mˇeˇren´eho zdroje z´aˇren´ı. Protoˇze pˇr´ıpravky pouˇzit´e pˇri tomto mˇeˇren´ı neumoˇzn´ı
nastaven´ı pˇresn´e teploty, nen´ı re´aln´e dodrˇzet odstup jednotliv´
ych teplot. Pˇri kaˇzd´e zadan´e teplotˇe se odeˇc´ıtaly tyto u
´daje dotykov´
ymi teplomˇery: teploty obou tepeln´
ych z´aˇriˇc˚
u
ˇ kamery.
a pr˚
umˇern´e teploty ve vymezen´e oblasti mˇeˇren´eho objektu (z´aˇriˇc B) pomoc´ı ICT
Pˇri zast´ınˇen´em odr´aˇzej´ıc´ım se z´aˇren´ı (tepeln´
y zdroj A byl pˇrikryt kartonovou deskou)
a nezast´ınˇen´em odr´aˇzej´ıc´ım se z´aˇren´ı (mimo tˇechto teplot byly tak´e uloˇzeny termogramy
pro dalˇs´ı vyhodnocen´ı), d´ale byly odeˇcteny odr´aˇzej´ıc´ı se zd´anliv´e teploty s r˚
uzn´
ymi reflektory.
Tabulka namˇeˇren´
ych hodnot se, kv˚
uli sv´emu rozsahu, nach´az´ı v pˇr´ıloze ??. Uloˇzen´e
ˇ kamery
termogramy byly zpracov´any v programu QuickReport od v´
yrobce pouˇzit´e ICT
spoleˇcnosti FLIR. T´ımto byly namˇeˇren´e hodnoty zkorigov´any a pro porovn´an´ı u
´ˇcinnosti
korekce pˇreneseny do graf˚
u 6.5 a 6.6. Na ose x je vynesen rotd´ıl teplot z´aˇriˇc˚
u A a B
∆TAB = TA − TB . Na ose y je u prvn´ıho grafu (6.5) vynesena odchylka korekce δk ,
jako pod´ıl rozd´ılu nekorigovan´e (TN ) a korigovan´e teploty (TK ) od teploty zmˇeˇren´e pˇri
zast´ınˇen´ı (TZ ) tepeln´eho z´aˇriˇce A, takˇze δk =
TK −TZ
TN −TZ
· 100. U druh´eho grafu (6.6) je na
ose y odchylka teploty δT korigovan´e a mˇeˇren´e pˇri zast´ınˇen´ı δT =
TK
TZ
· 100.
ˇ REN
ˇ ´I A
KAPITOLA 6. ME
41
∆k H%L
100
80
Obal
60
Al reflektor stary
40
Al reflektor novy
20
-40
20
-20
40
60
DTAB HKL
Obr´azek 6.5: Graf δk = f ce(∆TAB ) - Metoda odrazu
∆T H%L
3.5
3.0
Obal
2.5
2.0
Al reflektor stary
1.5
Al reflektor novy
1.0
0.5
-40
-20
20
40
60
DTAB HKL
Obr´azek 6.6: Graf δT = f ce(∆TAB ) - Metoda odrazu
ˇ REN
ˇ ´I A
KAPITOLA 6. ME
42
Mˇ
eˇ
ren´ı pˇ
r´ımou metodou
Mˇeˇren´ı prob´ıhalo pˇri ˇctyˇrech r˚
uzn´
ych teplot´ach mˇeˇren´eho objektu i zdroje zd´anliv´e
odr´aˇzej´ıc´ı se teploty. Pˇri kaˇzd´em mˇeˇren´ı se postupovalo podle n´avodu popsan´eho v normˇe
6.2 a podobnˇe jako v pˇredchoz´ım mˇeˇren´ı byly zaznamen´av´any tyto hodnoty:
• dotykov´
ym teplomˇerem teplota z´aˇriˇce A a B
• termogram z´aˇriˇce B se zd´anlivou odraˇzenou teplotou a pˇri jej´ım zast´ınˇen´ı
• teplota z´aˇriˇce A (mˇeˇreno jako oblast zahrnuj´ıc´ı pouze z´aˇriˇc a oblast zahrnuj´ıc´ı cel´
y
ˇ kamerou)
obraz sn´ıman´
y ICT
V normˇe nen´ı specifikov´ano, jak pˇresnˇe zd´anlivou odraˇzenou teplotu pˇri pouˇzit´ı pˇr´ım´e
metody mˇeˇrit, proto byly zvoleny dvˇe oblasti mˇeˇren´ı teploty parazitn´ıho zdroje z´aˇren´ı
(z´aˇriˇc A). Mˇeˇr´ıc´ı sestava byla pouˇzita stejn´a, jako u mˇeˇren´ı nepˇr´ımou metodou, prostorov´e
uspoˇr´ad´an´ı je na obr´azku 6.4.
Namˇeˇren´e hodnoty jsou v pˇr´ıloze A, termogramy byly zpracov´any v programu Quicˇ kamery FLIR. V´
kReport od v´
yrobce pouˇzit´e ICT
ysledn´e hodnoty byly vyneseny do
graf˚
u, kde je srovn´av´ana u
´ˇcinnost korekce 6.7 a chyba teploty 6.8. V´
yznam popis˚
u os je
stejn´
y, jako v pˇredchoz´ım mˇeˇren´ı.
∆kH%L
150
Vyrez z obrazu
100
Cely obraz
50
-40
-20
20
40
60
DTAB HKL
Obr´azek 6.7: Graf δk = f ce(∆TAB ) - Pˇr´ım´a metoda
Hodnocen´ı
Pˇri mˇeˇren´ı nepˇr´ımou metodou se vyskytly pot´ıˇze v podobˇe pouˇzit´ı star´eho reflektoru
z´aˇren´ı z hlin´ıkov´e f´olie, protoˇze hlin´ık zoxidoval a ztratil reflexivitu, t´ım se zvˇetˇsila chyba
ˇ REN
ˇ ´I A
KAPITOLA 6. ME
43
∆TH%L
8
6
Vyrez z obrazu
4
Cely obraz
2
-40
-20
20
40
60
DTAB HKL
Obr´azek 6.8: Graf δT = f ce(∆TAB ) - Pˇr´ım´a metoda
mˇeˇren´ı. Proto je d˚
uleˇzit´e, aby pˇred kaˇzd´
ym pouˇzit´ım t´eto metody, byla pouˇzita nov´a
hlin´ıkov´a f´olie. Rozd´ıly pˇri pouˇzit´ı star´e a nov´e f´olie jsou patrn´e z graf˚
u 6.5 a 6.6. Tˇret´ı
pouˇzit´
y materi´al, potravinov´
y obal se neosvˇedˇcil v˚
ubec, pˇredevˇs´ım proto, ˇze vykazoval
znaˇcnou z´avislost zd´anliv´e odr´aˇzej´ıc´ı teploty na teplotˇe vlastn´ı, coˇz pˇri vyˇsˇs´ı teplotˇe okol´ı
zp˚
usobuje znaˇcn´e chyby.
Vˇsechny pouˇzit´e reflektory vykazuj´ı podobn´e trendy, pˇri rostouc´ım rozd´ılu teplot
ve smyslu, ˇze z´aˇriˇc B (mˇeˇren´
y objekt) je teplejˇs´ı, neˇz z´aˇriˇc A kles´a v´
yznam korekce
a roste jej´ı chyba. Podle normy je tato korekce nutn´a pouze do rozd´ılu teplot menˇs´ım
neˇz 20 K a mˇeˇren´ı potvrzuje takov´e tvrzen´ı, v opaˇcn´em pˇr´ıpadˇe naopak jej´ı v´
yznam
roste. Z namˇeˇren´
ych hodnot tak´e vypl´
yv´a, ˇze odchylka korekce se u nov´e hlin´ıkov´e f´olie
pohybuje v pr˚
umˇeru na 46% a naopak u star´e f´olie je tato hodnota 82%.
Mˇeˇren´ı pˇr´ımou metodou je n´aroˇcnˇejˇs´ı neˇz mˇeˇren´ı nepˇr´ımou metodou, protoˇze je nutn´e
ˇ kameru v pr˚
pˇremist’ovat ICT
ubˇehu mˇeˇren´ı. D´ale norma neuv´ad´ı, jak´
y obraz m´a b´
yt pˇri
mˇeˇren´ı zahrnut, napˇr´ıklad jestli se m´a uvaˇzovat pouze ˇca´st se zdrojem z´aˇren´ı nebo cel´a
sc´ena. Proto byly pˇri mˇeˇren´ı zaznamen´av´any pr˚
umˇern´e teploty obou oblast´ı a korekce
prob´ıhala tak´e pomoc´ı tˇechto dvou soubor˚
u dat. V´
ysledky a u
´ˇcinnost tˇechto korekc´ı jsou
zobrazeny v grafech 6.7 a 6.8. Pr˚
umˇern´a odchylka korekce pˇri pouˇzit´ı v´
yˇrezu obrazu,
kter´
y zab´ır´a pouze zdroj parazitn´ıho z´aˇren´ı je 87% a pro cel´
y obraz je tato odchylka
pouze 23%. Je tedy zˇrejm´e, ˇze se pˇri mˇeˇren´ı mus´ı zd´anliv´e odraˇzen´e teploty ve druh´em
kroku (obr´azek 6.3) mus´ı uvaˇzovat cel´
y z´abˇer kamery a ne pouze jeho v´
yˇrez.
Porovn´an´ım v´
ysledn´
ych korekc´ı s nejmenˇs´ı chybou dostaneme n´asleduj´ıc´ı grafy 6.9
a 6.10. Z graf˚
u je patrn´e, ˇze pˇr´ım´a metoda mˇeˇren´ı zd´anliv´e odraˇzen´e teploty je u
´ˇcinnˇejˇs´ı
ˇ REN
ˇ ´I A
KAPITOLA 6. ME
44
pˇri pouˇzit´ı jej´ıch v´
ysledk˚
u pro korekci t´eto chyby.
∆kH%L
100
80
Neprima metoda
60
40
Prima metoda
20
-40
20
-20
40
60
DTAB HKL
Obr´azek 6.9: Porovn´an´ı chyby korekce pˇr´ım´e metody (korekce cel´
ym obrazem) a nepˇr´ım´e metody (korekce Al reflektorem-nov´
ym)
∆TH%L
0.8
Neprima metoda
0.6
0.4
Prima metoda
0.2
-40
-20
20
40
60
DTAB HKL
Obr´azek 6.10: Porovn´an´ı chyby teploty pˇri pouˇzit´ı pˇr´ım´e metody (korekce
cel´
ym obrazem) a nepˇr´ım´e metody (korekce Al reflektoremnov´
ym)
6.3
Mˇ
eˇ
ren´ı emisivity
ˇ kamerou dosahujeme vysok´e pˇresnosti a citlivosti
Mˇeˇren´ım povrchov´e teploty ICT
na zmˇeny teploty. Pˇresnost je, mimo jin´e, limitov´ana pˇresnost´ı urˇcen´ı emisivity povrchu
ˇ REN
ˇ ´I A
KAPITOLA 6. ME
45
mˇeˇren´eho tˇelesa. Jej´ı znalost je jednou ze z´akladn´ıch podm´ınek spr´avn´eho mˇeˇren´ı. V´ıce
o vlivech na pˇresnost mˇeˇren´ı je uvedeno v kapitole 4. V tomto mˇeˇren´ı byl vyuˇzit experiment´aln´ı pˇr´ıpravek z pˇredchoz´ıch kapitol. Pouˇzity se n´asleduj´ıc´ı povrchov´e u
´pravy:
N´astˇrik tepelnˇe odoln´
ym sprejem, nalepen´ı izolaˇcn´ı p´asky, n´astˇriky tˇrech barev bˇeˇzn´eho
spreje (ˇcern´a, zelen´a, ˇcerven´a).
6.3.1
Teorie
Moˇznost´ı, jak mˇeˇrit emisivitu, je nˇekolik. Mezi ty z´akladn´ı patˇr´ı mˇeˇren´ı emisivity
pomoc´ı dotykov´eho teplomˇeru (kontaktn´ı metoda), upraven´ım mˇeˇren´eho povrchu tak.
abychom znali jeho emisivitu (n´alepka, n´astˇrik sprejem - metoda vyuˇz´ıvaj´ıc´ı materi´alu
s referenˇcn´ı emisivitou).
ˇ kamera,
Potˇrebn´a technika a podm´ınky u vˇsech druh˚
u mˇeˇren´ı bude n´asleduj´ıc´ı: ICT
kter´a je zkalibrovan´a pro dan´e podm´ınky mˇeˇren´ı (podle relativn´ı vlhkosti okol´ı, teploty
ˇ kamerou a hodnotou zd´anliv´e odraˇzen´e
okol´ı, vzd´alenosti mezi mˇeˇren´
ym objektem a ICT
teploty) a je u n´ı moˇzn´e mˇenit hodnotu emisivity ε. D´ale mus´ı b´
yt teplota mˇeˇren´eho
objektu alespoˇ
n o 20 ◦ C vyˇsˇs´ı nebo menˇs´ı od zd´anliv´e odraˇzen´e teploty zmˇeˇren´e podle
postupu v kapitole 6.2. U jednotliv´
ych metod budou pˇrips´any pom˚
ucky potˇrebn´e k urˇcen´ı
emisivity tˇemito metodami.
Kontaktn´ı metoda
U t´eto metody je spolu s v´
yˇse vypsan´
ymi zaˇr´ızen´ımi nutn´
y dotykov´
y teplomˇer. Emisivita je urˇcena podle teploty namˇeˇren´e teplomˇerem, jej´ı pˇresnost je, mimo jin´e, limitov´ana pˇresnost´ı mˇeˇren´ı teploty pouˇzit´eho teplomˇeru - m˚
uˇze b´
yt namˇeˇrena niˇzˇs´ı teplota
neˇz skuteˇcn´a. V extr´emn´ıch pˇr´ıpadech je moˇzn´e, aby v´
ysledn´a emisivita byla vyˇsˇs´ı neˇz 1.
Proto je nutn´e na pˇresnost t´eto metody pohl´ıˇzet s ohledem na kvalitu dotykov´eho teplomˇeru.
ˇ kameˇre bod nebo
Pˇri splnˇen´ı podm´ınek, kter´e jsou pops´any v´
yˇse, se nastav´ı na ICT
oblast mˇeˇren´ı, kde se bude zjiˇst’ovat emisivita. Ovˇsem z hlediska vlastnost´ı detektoru je
mˇeˇren´ı pr˚
umˇern´e teploty v mal´e oblasti pˇresnˇejˇs´ı neˇz mˇeˇren´ı pouh´eho bodu. Se zamˇeˇrenou
kamerou se po celou dobu nijak nemanipuluje, aby nedoˇslo ke zmˇenˇe mˇeˇr´ıc´ıch podm´ınek.
ˇ kamera, a pot´e
Nejdˇr´ıve se zmˇeˇr´ı teplota v oblasti nebo v bodˇe, na kter´
y je zamˇeˇrena ICT
ˇ kameˇre, tak aby teplota mˇeˇren´a ICT
ˇ kamerou byla s tepse upravuje emisivita v ICT
lotou namˇeˇrenou dotykov´
ym teplomˇerem shodn´a. Norma d´ale doporuˇcuje, pro zv´
yˇsen´ı
ˇ REN
ˇ ´I A
KAPITOLA 6. ME
46
pˇresnosti, mˇeˇren´ı alespoˇ
n tˇrikr´at opakovat a z v´
ysledk˚
u spoˇc´ıtat pr˚
umˇer.
Referenˇ
cn´ı metoda
Mimo v´
yˇse sepsanou techniku je potˇreba upravit povrch mˇeˇren´eho objektu barvou
nebo n´alepkou se zn´amou vysokou emisivitou. Pˇri pouˇzit´ı t´eto metody je nebezpeˇc´ı, ˇze
u
´pravou povrchu m˚
uˇze doj´ıt ke zmˇenˇe povrchov´e teploty upraven´e ˇc´asti objektu, takˇze
v´
ysledn´e mˇeˇren´ı bude zat´ıˇzeno systematickou chybou. Proto je nutn´e, aby povrchov´a
u
´prava takov´
y vliv nemˇela.
Mˇeˇren´ı prob´ıh´a podobnˇe jako v pˇredchoz´ım pˇr´ıpadˇe. Kamera se zaostˇr´ı na oblast
mˇeˇren´eho objektu, vykompenzuje se zd´anliv´a odraˇzen´a teplota a ostatn´ı parametry prostˇred´ı. Povrch v bezprostˇredn´ı bl´ızkosti vybran´e oblasti nebo pˇr´ımo jej´ı ˇca´st, se uprav´ı jedn´ım
ˇ kamery se zamˇeˇr´ı na toto m´ısto. V softz v´
yˇse popsan´
ych zp˚
usob˚
u a mˇeˇr´ıc´ı oblast ICT
waru kamery se nastav´ı zn´am´a emisivita povrchu a po ust´alen´ı teploty upraven´e ˇc´asti
objektu se odeˇcte teplota. Pot´e se mˇeˇr´ıc´ı oblast zmˇen´ı na neupravenou ˇca´st povrchu,
bl´ızkou upraven´emu povrchu nebo se u
´prava odstran´ı. D´ale se emisivita mˇen´ı tak, aby
teplota zmˇeˇren´a v pˇredchoz´ım kroku byla shodn´a s teplotou odeˇctenou nyn´ı. Norma opˇet
doporuˇcuje prov´est mˇeˇren´ı alespoˇ
n tˇrikr´at a z hodnot spoˇc´ıtat pr˚
umˇer, kv˚
uli zv´
yˇsen´ı
pˇresnosti.
Dalˇ
s´ı moˇ
znosti mˇ
eˇ
ren´ı
V t´eto pr´aci nebyly dalˇs´ı moˇznosti mˇeˇren´ı emisivity vyuˇzity, ale pro u
´plnost budou
nˇekter´e zm´ınˇeny.
• Pˇri mˇeˇren´ı tˇeles, kter´e jsou dostateˇcnˇe velk´e, je moˇzn´e vytvoˇrit model ˇcern´eho tˇelesa
pˇr´ımo v jejich povrchu. Jedn´a se o vrt do hloubky ˇsesti n´asobku jeho pr˚
umˇeru. Je
nutn´e, aby masa materi´alu byla takov´a, ˇze tato u
´prava v´
yraznˇe neovlivn´ı rozloˇzen´ı
teploty v jeho okol´ı a vnitˇrn´ı povrch vrtu bude m´ıt homogenn´ı teplotu. Takov´
y
model m´a emisivitu 0, 99 a d´ale se pˇri mˇeˇren´ı postupuje obdobnˇe jako pˇri pouˇzit´ı
referenˇcn´ı metody. Nev´
yhodou tohoto postupu je nevratn´e poˇskozen´ı povrchu zkouman´eho tˇelesa.
• Pˇresnˇe lze mˇeˇrit emisivitu pomoc´ı pˇr´ıstroje, kter´
y pouˇz´ıv´a dvou laser˚
u o r˚
uzn´e
vlnov´e d´elce. Anal´
yzou intenzity odraˇzen´eho z´aˇren´ı (zn´ame intenzitu dopadaj´ıc´ıho
z´aˇren´ı) m˚
uˇzeme pomoc´ı Kirchhoffova a Planckova z´akona dopoˇc´ıtat emisivitu mˇeˇren´eho povrchu.
ˇ REN
ˇ ´I A
KAPITOLA 6. ME
47
• Literatura se tak´e zmiˇ
nuje o moˇznosti mˇeˇren´ı emisivity jako funkce tepeln´eho toku
proch´azej´ıc´ıho destiˇckou z mˇeˇren´eho materi´alu. Anglicky se naz´
yv´a HEAT FLUX”
BASED EMISSIVITY MEASUREMENT“ a podrobnˇe je pops´ana v [11].
6.3.2
Namˇ
eˇ
ren´
e hodnoty
Mˇeˇren´ı prob´ıhalo ve dvou f´az´ıch a byla pouˇzita pouze dotykov´a metoda, protoˇze
nebyl nalezen vhodn´
y materi´al pro referenˇcn´ı metodu. Nejprve byl namˇeˇren n´astˇrik
ˇza´ruvzdorn´
ym sprejem a polepen´ı izolaˇcn´ı p´askou:
Izolaˇ
cn´ı p´
aska
T (◦ C)
ε−
ε+
ˇ aruvzdorn´
Z´
yˇ
cern´
y sprej
T (◦ C)
ε−
ε+
34,4
0,94 0,95
34,7
0,93
0,94
38,3
0,96 0,98
38,7
0,95
0,97
44,6
0,95 0,96
44,7
0,95
0,96
50,8
0,94 0,95
51,6
0,92
0,93
57,1
0,96 0,97
57,6
0,95
0,96
61,7
0,96 0,97
62,2
0,96
0,97
65,8
0,96 0,97
66,8
0,95
0,96
72,9
0,95 0,96
73,4
0,93
0,94
79,1
0,95 0,96
80,1
0,93
0,94
83,4
0,97 0,98
85,9
0,94
0,95
90,7
0,97 0,98
93,2
0,94
0,94
Tabulka 6.1: Tabulka namˇeˇren´
ych hodnot, povrchov´a u
´prava: sprej ˇcern´
y
(ˇz´aruvzdorn´
y), izolaˇcn´ı p´aska (b´ıl´a)
V druh´e f´azi byly zmˇeˇreny n´astˇriky spreji o stejn´em sloˇzen´ı, ale r˚
uzn´
ych barv´ach:
ˇ REN
ˇ ´I A
KAPITOLA 6. ME
48
ˇ
Cern´
a barva
Zelen´
a barva
ˇ
Cerven´
a barva
T (◦ C)
ε−
ε+
T (◦ C)
ε−
ε+
T (◦ C)
ε−
ε+
28,5
0,83
0,85
28,5
0,69
0,73
28,5
0,69
0,71
33,5
0,9
0,92
33,5
0,81
0,83
33,5
0,73
0,74
37,8
0,91
0,92
37,8
0,83
0,84
37,8
0,83
0,84
41,5
0,92
0,93
41,5
0,85
0,86
41,5
0,85
0,87
45,3
0,94
0,95
45,3
0,87
0,88
45,3
0,87
0,88
50,6
0,94
0,95
50,6
0,87
0,88
50,6
0,87
0,88
57,6
0,94
0,95
57,6
0,87
0,88
57,3
0,88
0,89
64,2
0,94
0,95
64,6
0,87
0,88
64,1
0,87
0,88
70,5
0,94
0,95
70,5
0,87
0,88
70
0,88
0,89
78,7
0,94
0,95
78,7
0,87
0,88
78
0,87
0,88
86,3
0,94
0,95
85,6
0,9
0,9
86
0,88
0,89
Tabulka 6.2: Tabulka namˇeˇren´
ych hodnot, povrchov´a u
´prava: sprej (bˇeˇzn´
y
- ˇcern´
y, ˇcerven´
y matn´
y, zelen´
y leskl´
y)
6.3.3
Vyhodnocen´ı
Pˇri tomto mˇeˇren´ı je d˚
uleˇzit´e pˇresnˇe odeˇc´ıst teplotu povrchu a zajistit, aby v okol´ı
nebyly ˇza´dn´e tepeln´e zdroje nebo je alespoˇ
n po dobu mˇeˇren´ı zast´ınit. Mˇeˇren´ı mj. ovlivn´ı
pˇr´ıtomn´e osoby, proto je d˚
uleˇzit´e pohybovat se v pr˚
ubˇehu mˇeˇren´ı tak, aby se tˇelesn´e teplo
ˇ kamery.
neodr´aˇzelo od zkouman´eho objektu do ICT
Z grafu 6.11 je patrn´e, ˇze pˇri n´ızk´
ych teplot´ach mˇeˇren´eho tˇelesa (teplota tˇelesa nen´ı
o 20 K vyˇsˇs´ı neˇz okoln´ı prostˇred´ı) je u povrch˚
u s niˇzˇs´ı emisivitou (ε < 0, 9) vysok´
y vliv
zd´anliv´e odraˇzen´e teploty, a tak se emisivita jev´ı menˇs´ı neˇz ve skuteˇcnosti.
6.4
Vliv rozostˇ
ren´ı kamery na pr˚
umˇ
ernou teplotu
Spr´avn´e zaostˇren´ı mˇeˇren´eho objektu je podobnˇe d˚
uleˇzit´e jako u fotografie. Nav´ıc pˇri
ˇ kamerou je motivac´ı jeho kontrola nebo prevence
mˇeˇren´ı povrchov´e teploty objektu ICT
poruch, proto je nutn´e do sn´ımku zahrnout maximum informac´ı. Pˇri spr´avn´em zaostˇren´ı
objektu, nebo jeho sn´ıman´e ˇca´sti, je d˚
uleˇzit´e, aby obraz, prom´ıtaj´ıc´ı se pˇres optick´
y syst´em
ˇ REN
ˇ ´I A
KAPITOLA 6. ME
49
¶H1L
0.95
Cerna zaruvzdorna
0.90
Izolacni paska
0.85
Cerna
Zelena
0.80
Cervena
0.75
40
50
60
70
80
90
TH C L
Obr´azek 6.11: Pr˚
ubˇeh emisivit r˚
uzn´
ych barev povrchu v z´avislosti na jejich
teplotˇe
zobrazoval na senzoru z´aˇren´ı ostr´
y“. Pokud je zaostˇren´ı chybn´e, m˚
uˇze b´
yt zaostˇreno pˇred
”
nebo za objekt, obraz na senzoru neodpov´ıd´a skuteˇcnosti a je rozmazan´
y. V takov´em
pˇr´ıpadˇe se z´aˇren´ı z jednoho bodu nespojuje v rovinˇe detektoru, ale je rozpt´
yleno po vˇetˇs´ı
ploˇse, takˇze se ztr´ac´ı informace o intenzitˇe z´aˇren´ı tohoto bodu. T´ım p´adem je moˇzn´e, ˇze
ˇ kamery v˚
pˇri sn´ım´an´ı objektu se zmˇeny teplotn´ıho pole na obraze ICT
ubec neprojev´ı nebo
jen v mal´e m´ıˇre. Toto bude m´ıt tak´e vliv na mˇeˇren´ı pr˚
umˇern´e teploty ve vybran´e oblasti,
nezaostˇren´
y obraz se nebude spr´avnˇe prom´ıtat na detektor z´aˇren´ı a oblast mˇeˇren´ı nebude
moˇzn´e spr´avnˇe vymezit, takˇze odeˇcet pr˚
umˇern´e teploty v mˇeˇren´e oblasti bude nepˇresn´
y.
Z obr´azk˚
u je patrn´e, ˇze vliv na mˇeˇren´ı pr˚
umˇern´e teploty urˇcit´e oblasti m´a rozostˇren´ı
pouze, je-li tato oblast ohraniˇcen´a, napˇr´ıklad povrchem s jinou emisivitou, tvarem pˇredmˇetu nebo povrchy s rozd´ılnou teplotou. Pˇri sn´ım´an´ı vˇetˇs´ı plochy s t´emˇeˇr homogenn´ı teplotou, je vliv ˇspatn´eho ostˇren´ı neznateln´
y. Naopak pˇri mˇeˇren´ı ohraniˇcen´e oblasti je vliv
rozostˇren´ı znaˇcn´
y, jak je vidˇet na hodnot´ach pr˚
umˇern´e teploty v mˇeˇren´e oblasti (obr´azek
6.12).
ˇ REN
ˇ ´I A
KAPITOLA 6. ME
Obr´azek 6.12: Porovn´an´ı r˚
uznˇe zaostˇren´
ych termogram˚
u, ve sloupci A jsou
zaostˇren´e obrazy, B zaostˇreno pˇred objekt a C zaostˇreno za
objekt
50
Kapitola 7
Mˇ
eˇ
ren´ı B
C´ılem t´eto kapitoly bylo stanovit emisivitu venkovn´ıch nadzemn´ıch vodiˇc˚
u. Ty je
moˇzn´e rozdˇelit na dvˇe z´akladn´ı skupiny: izolovan´e a neizolovan´e. Izolovan´e vodiˇce nach´azej´ı
vyuˇzit´ı pˇredevˇs´ım v oblastech, kde je vyˇsˇs´ı riziko styku vodiˇce s neˇziv´
ymi ˇca´stmi nebo
mezi sebou, napˇr´ıklad kv˚
uli podrostu nebo okoln´ım konstrukc´ım. Toto ˇreˇsen´ı je bˇeˇzn´e
zejm´ena u napˇet’ov´e hladiny n´ızk´eho napˇet´ı. Pro vyˇsˇs´ı napˇet’ov´e hladiny se u nadzemn´ıch
veden´ı nepouˇz´ıvaj´ı. Neizolovan´e vodiˇce se pouˇz´ıvaj´ı od hladiny n´ızk´eho napˇet´ı aˇz po napˇet´ı
zvl´aˇstˇe vysok´e.
7.1
Pouˇ
zit´
e pˇ
r´ıstroje
Pˇri mˇeˇren´ı byly pouˇzity n´asleduj´ıc´ı pˇr´ıstroje:
• dotykov´
y teplomˇer TESTO 905-T2,
• d´alkomˇer BOSCH DLE 70 Professional,
• vlhkomˇer a teplomˇer EXTECH instruments FLIR M0297,
ˇ kamera FLIR T335,
• ICT
• laboratorn´ı zdroj Manson SDP2603.
51
ˇ REN
ˇ ´I B
KAPITOLA 7. ME
7.2
52
Popis experimentu
Pro mˇeˇren´ı bylo nutn´e vzorky vodiˇc˚
u zahˇr´ıvat na takovou teplotu, aby se sn´ıˇzil vliv
zd´anliv´e odraˇzen´e teploty, to znamen´a na teplotu alespoˇ
n o 20 ◦ C vyˇsˇs´ı. Protoˇze se jednalo o vzorky s vysokou elektrickou vodivost´ı a velk´em pr˚
uˇrezu, nebylo vhodn´e je zahˇr´ıvat
pˇr´ım´
ym pr˚
uchodem proudu, proto byl zvolen nepˇr´ım´
y ohˇrev. Na vzorek (vodiˇc) byl navinut topn´
y vodiˇc, jedn´a se odporov´
y dr´at z konstantanu izolovan´
y silikonovou buˇz´ırkou1 ,
pˇripojen´
y na zdroj stejnosmˇern´eho napˇet´ı. D´elka dr´atu byla volena, podle pr˚
uˇrezu vodiˇce,
mezi 1 m nebo 2 m.
Topn´e vinut´ı bylo rozprostˇren´e po d´elce vzorku kromˇe stˇredn´ı ˇc´asti, ve kter´e byl
ponech´an 5 cm ˇsirok´
y prostor pro mˇeˇren´ı.
Obr´azek 7.1: Sch´ema zapojen´ı
Pˇri mˇeˇren´ı byly pouˇzity tˇri vzorky vodiˇc˚
u:
ˇ e republice nejˇcastˇeji pouˇz´ıvan´
AlFe lano je v Cesk´
ym typem nadzemn´ıho vodiˇce. Jedn´a
se o jednoduch´
y koncept, u kter´eho je nosn´a ˇc´ast (Fe lano) opleteno vodivou ˇca´st´ı
(Al lano).
AAAC lano je nˇekter´
ych zem´ıch (napˇr. Francie) standardnˇe pouˇz´ıvan´e, ale vˇetˇsinou se
vyuˇz´ıv´a pro speci´aln´ı aplikace. Celohlin´ıkov´e lano (anglick´
y n´azev: All Aluminium
1
v´
yhodnou vlastnost´ı silikonu je jeho st´alost i pˇri provozn´ıch teplot´ach nad 200 ◦ C (kr´atkodobˇe aˇz
◦
320 C)
ˇ REN
ˇ ´I B
KAPITOLA 7. ME
53
Alloy Conductor), nejedn´a se o ˇcist´
y hlin´ık, ale z jeho slitiny (ˇcast´
ymi pˇr´ımˇesemi
b´
yv´a kˇrem´ık a magnesium), jeho v´
yhodou je n´ızk´a hmotnost pˇri zachov´an´ı srovnateln´
ych elektrick´
ych vlastnost´ı jako u AlFe lan.
AlFe vodiˇ
c je odliˇsn´
y od pˇredchoz´ıch vzork˚
u pˇredevˇs´ım t´ım, ˇze se nejedn´a o lano. Tento
vodiˇc se pouˇz´ıv´a na hladinˇe vysok´eho napˇet´ı, patˇr´ı do skupiny vodiˇc˚
u s vysokou pro◦
vozn´ı teplotou (v´ıce neˇz 150 C) a je vlastnˇe alternativou k veden´ı na vyˇsˇs´ı napˇet’ov´e
hladinˇe. Jeho nev´
yhodou jsou Jouleovy ztr´aty, kter´e rostou s teplotou, ˇcili s teplotou rostou tak´e provozn´ı n´aklady. Vodiˇc se skl´ad´a z ocelov´e trubky, nosn´a ˇca´st
(pˇreb´ır´a veˇsker´e mechanick´e nam´ah´an´ı), na kter´e je navinut hlin´ıkov´
y vodiˇc (tvoˇr´ı
hladk´
y povrch - jednotliv´e dr´aty do sebe zapadaj´ı).
ˇ kamera byla zamˇeˇrena na vzorek tak, aby
Uspoˇr´ad´an´ı mˇeˇren´ı bylo takov´eto: ICT
stˇredn´ı ˇc´ast vzorku s prostorem pro mˇeˇren´ı byla ve stˇredu z´abˇeru. D´ale byla zvolena oblast
mˇeˇren´ı teploty, kter´a pokr´
yv´a stˇred vzorku. Emisivita byla zjiˇstˇena pomoc´ı kontaktn´ı
metody popsan´e v kapitole 6.3.1.
Pˇri mˇeˇren´ı se teplota odeˇc´ıtala dotykov´
ym teplomˇerem a bezprostˇrednˇe pot´e byl
uloˇzen termogram vzorku. Po mˇeˇren´ı bylo moˇzn´e vyhodnotit termogramy v programu
FLIR QuickReport, kde je moˇzn´e dodateˇcnˇe mˇenit parametry mˇeˇren´ı, mimo jin´e tak´e
emisivitu. Nastavov´an´ım jej´ı hodnoty se pˇrepoˇc´ıt´av´a pr˚
umˇern´a teplota v mˇeˇren´e oblasti
a pˇri spr´avn´em nastaven´ı emisivity se shoduje s teplotou zaznamenanou pomoc´ı dotykov´eho teplomˇeru.
Obr´azek 7.2: Termogram zahˇr´at´eho vodiˇce, emisivita nastavena na 1
ˇ REN
ˇ ´I B
KAPITOLA 7. ME
7.3
54
Namˇ
eˇ
ren´
e hodnoty
AAAC-lano
Al-Fe lano
Al-Fe vodiˇ
c
T (◦ C)
ε(1)
T (◦ C)
ε(1)
T (◦ C)
ε(1)
118,9
0,18
113
0,24
117,4
0,095
108,9
0,2
111,5
0,248
129
0,083
93,2
0,225
106,2
0,28
117,1
0,091
84,5
0,217
100,8
0,26
111,7
0,096
76,5
0,21
94,5
0,27
98,5
0,106
69,4
0,212
89
0,27
89,9
0,11
63,4
0,198
82,9
0,273
80
0,11
56,1
0,193
77,6
0,305
72,8
0,101
46
0,15
71,7
0,265
61,2
0,095
40,4
0,09
68,7
0,255
55,3
0,06
62,6
0,245
49,9
0,035
56,7
0,234
45,1
0,01
48,4
0,225
40,8
0,001
44,2
0,175
39,8
0,135
Tabulka 7.1: Tabulka namˇeˇren´
ych hodnot
7.4
Vyhodnocen´ı
Emisivity jednotliv´
ych vodiˇc˚
u jsou silnˇe z´avisl´e na teplotˇe, ale tvar v´
ysledn´
ych kˇrivek
je u vˇsech vodiˇc˚
u podobn´
y. Jejich posun na ose y je zp˚
usoben povrchov´
ym uspoˇra´d´an´ım
vodiˇce. Mal´e mezery mezi jednotliv´
ymi dr´aty na povrchu vodiˇce se do urˇcit´e m´ıry chovaj´ı
jako ˇcern´e tˇeleso, a tak zvyˇsuj´ı emisivitu hlin´ıku, kter´a je jinak velice n´ızk´a. Proto je
emisivita AlFe lana nejvyˇsˇs´ı a emisivita AlFe vodiˇce s hladk´
ym povrchem nejniˇzˇs´ı.
Bˇehem mˇeˇren´ı bylo d˚
uleˇzit´e zajistit minim´aln´ı vliv okoln´ıch tepeln´
ych zdroj˚
u, protoˇze
emisivita hlin´ıku je n´ızk´a, a to zvyˇsuje vliv zd´anliv´e odraˇzen´e teploty.
ˇ REN
ˇ ´I B
KAPITOLA 7. ME
55
¶H1L
0.30
0.25
0.20
AAAC lano
0.15
AlFe lano
0.10
AlFe vodic
0.05
60
80
100
120
TH C L
Obr´azek 7.3: Emisivita jednotliv´
ych vodiˇc˚
u v z´avislosti na teplotˇe
Kapitola 8
Z´
avˇ
er
Bezdotykov´e mˇeˇren´ı teploty je zaloˇzeno na skuteˇcnosti, ˇze vˇsechna tˇelesa s teplotou
ˇ kavyˇsˇs´ı neˇz absolutn´ı nula (−273, 15 ◦ C) jsou zdrojem elektromagnetick´eho z´aˇren´ı. ICT
ˇ z´aˇren´ı v oblastech atmosf´erick´
mery sn´ımaj´ı IC
ych oken, coˇz jsou intervaly vlnov´
ych d´elek,
ve kter´
ych je minim´aln´ı u
´tlum z´aˇren´ı zp˚
usoben´
y atmosf´erou. Bˇeˇznˇe se pouˇz´ıvaj´ı dvˇe atmosf´erick´a okna, kter´a jsou v intervalech vlnov´
ych d´elek λ = 3, 5 µm aˇz 5 µm a λ = 8 µm
aˇz 14 µm. Ze zmˇeˇren´e energie z´aˇren´ı v dan´
ych rozsaz´ıch vlnov´
ych d´elek lze urˇcit teplotu
povrchu, ze kter´eho z´aˇren´ı poch´az´ı.
Pˇri bezdotykov´em mˇeˇren´ı teploty se v praxi setk´av´ame nejˇcastˇeji s tˇemito tˇremi zdroji
nejistot: 1) nejistota stanoven´ı emisivity, 2) vlastn´ı vyzaˇrov´an´ı a u
´tlum atmosf´ery, 3)
vyzaˇrov´an´ı okoln´ıch tˇeles, kter´e se odr´aˇz´ı od povrchu mˇeˇren´eho objektu (tzv. zd´anliv´a
odraˇzen´a teplota). V pr´aci je pops´ano, jak lze korigovat vliv tˇechto zdroj˚
u nejistot.
Emisivita je z´avisl´a na mnoha faktorech. Proto je pro pˇresn´e mˇeˇren´ı vhodn´e, na m´ısto
pouˇzit´ı tabulkov´
ych hodnot, jej´ı stanoven´ı pro konkr´etn´ı situaci. Napˇr´ıklad jednou z metod popsan´
ych v t´eto pr´aci. S vlivem atmosf´ery se lze vyrovnat mˇeˇren´ım jej´ı teploty
ˇ kamerou a mˇeˇren´
a relativn´ı vlhkosti za souˇcasn´eho urˇcen´ı vzd´alenosti mezi ICT
ym objektem, ze kter´e se urˇcuje mohutnost (tlouˇst’ka) atmosf´ery mezi tˇemito objekty. V pr´aci
jsou tak´e pops´any metody, kter´e pom´ahaj´ı korigovat vliv z´aˇren´ı okoln´ıch tˇeles (jejichˇz
tepeln´e z´aˇren´ı se odr´aˇz´ı od povrchu mˇeˇren´eho objektu) stanoven´ım zd´anliv´e odraˇzen´e
teploty.
V r´amci diplomov´e pr´ace bylo navrˇzeno experiment´aln´ı uspoˇr´ad´an´ı pro mˇeˇren´ı zd´anliv´e
odraˇzen´e teploty s pouˇzit´ım topidel (nastaviteln´e zdroje tepeln´eho z´aˇren´ı) vlastn´ı konˇ kamerou s citlivost´ı
strukce. Teplotn´ı stabilita topidel byla ovˇeˇrena kalibrovanou ICT
0, 05 K a pohybovala se v rozsahu ±0, 15 K. Pˇri mˇeˇren´ı zd´anliv´e odraˇzen´e teploty se poˇ
stupovalo podle normy CSN
ISO 18434-1 [6], kter´a popisuje dvˇe moˇzn´e metody (pˇr´ım´a
56
´ ER
ˇ
KAPITOLA 8. ZAV
57
a nepˇr´ım´a metoda). Obˇe byly experiment´alnˇe ovˇeˇreny.
ˇ kamerou, kter´a
Nepˇr´ım´a metoda mˇeˇren´ı m´a v´
yhodu v nen´aroˇcnosti manipulace s ICT
je v pr˚
ubˇehu mˇeˇren´ı um´ıstˇena v jedn´e pozici. Nev´
yhodou je n´ızk´a schopnost korigovat chybu mˇeˇren´ı, kter´e je nav´ıc z´avisl´a na volbˇe vhodn´eho reflektoru. Tato metoda
ˇ kameru
sniˇzovala chybu mˇeˇren´ı v pr˚
umˇeru o 54%. Pˇri pouˇzit´ı pˇr´ım´e metody je nutn´e ICT
pˇremist’ovat, aby bylo moˇzn´e zmˇeˇrit teplotu ostatn´ıch zdroj˚
u z´aˇren´ı. Norma neˇr´ık´a jakou
ˇca´st obrazu je nutn´e pouˇz´ıt a neuvaˇzuje vliv pouˇzit´eho objektivu, pro spr´avn´e urˇcen´ı jej´ı
velikosti. Nejvˇetˇs´ıho sn´ıˇzen´ı chyby bylo dosaˇzeno (v pr˚
umˇeru o 77%), kdyˇz za mˇeˇrenou
ˇ kamerou a zd´anliv´a odraˇzen´a teplota byla
oblast byl zvolen cel´
y obraz sn´ıman´
y ICT
stanovena jako pr˚
umˇern´a teplota t´eto oblasti.
Pro mˇeˇren´ı emisivity vodiˇc˚
u jsme se omezili na neizolovan´e vodiˇce venkovn´ıho veden´ı,
z nichˇz jsme vybrali tˇri vzorky. Kaˇzd´
y vzorek byl opatˇren topn´
ym dr´atem, kter´
y zajistil
ohˇrev vzorku aˇz na 120 ◦ C. T´ım se zajistil dostateˇcn´
y odstup od teploty okol´ı, aby se
minimalizoval vliv jeho tepeln´eho z´aˇren´ı. Na vzorku byla vyhrazena oblast na kterou se
ˇ kamera, kter´a zahrnovala jak plochy hlin´ıkov´
zamˇeˇrila ICT
ych dr´at˚
u, tak i mezery mezi
nimi. Ty se v urˇcit´em smyslu chovaly jako modely ˇcern´eho tˇelesa a vykazovaly vysokou
emisivitu. V´
ysledn´a, tj. zpr˚
umˇerovan´a, emisivita je tedy ovlivnˇena tepeln´
ym z´aˇren´ım
z mezer mezi jednotliv´
ymi vodiˇci lana a nen´ı stejn´a jako emisivita materi´alu z nichˇz jsou
vodiˇce vyrobeny. Z namˇeˇren´
ych hodnot vypl´
yv´a, ˇze emisivita vzork˚
u je teplotnˇe z´avisl´a.
Pˇri n´ızk´
ych teplot´ach byl tak´e patrn´
y vliv tepeln´eho z´aˇren´ı okoln´ıch objekt˚
u.
Literatura
[1] MINKINA, Waldemar a Sebastian DUDZIK. Infrared thermography: errors and uncertainties Hoboken, NJ: J. Wiley, c2009, 192 s. ISBN 978-047-0747-186.
¨
[2] VOLLMER, Michael a Klaus-Peter MOLLMANN.
Infrared thermal imaging: fundamentals, research and applications. Weinheim: Wiley-VCH, c2010, 593 s. ISBN
35-274-0717-0
[3] M.A.MICHEJEV. Z´aklady sd´ılan´ı tepla. Praha: Pr˚
umyslov´e vydavatelstv´ı, 1952.
[4] KIESSLING, Friedrich. Overhead power lines: planning, design, construction. New
York: Springer, 2003, 759 s. ISBN 35-400-0297-9.
[5] SMETANA, Jaroslav Ing. Emisivita: pot´ıˇz pˇresn´eho radiometrick´eho mˇeˇren´ı.
Metrologie [online]. 2009, roˇc. 2009(ˇc. 3), 2 [cit. 2012-02-07]. Dostupn´e z:
http://www.blue-panther.cz/emisivita
ˇ
[6] CSN
ISO 18434-1. Monitorov´
an´ı stavu a diagnostika stroj˚
u: Termografie. Prvn´ı
´ rad pro technickou normalizaci, metrologii a st´atn´ı zkuˇsebnictv´ı,
vyd´an´ı. Praha: Uˇ
2009
ˇ A,
´ Ludmila a Ing. STRAKA, Milan. Elek[7] Ing. PAUL, Miroslav, Ing. PETRSOV
ˇ e Vysok´e Uˇcen´ı technick´e v Praze,
trotepeln´a technika: cviˇcen´ı. dotisk. Praha: Cesk´
1989.
ˇ CKA,
ˇ
[8] Ing. VAVRI
Roman. Bezdotykov´e mˇeˇren´ı teploty. [online]. 2007, s. 6 [cit. 201204-30]. Dostupn´e z: http://utp.fs.cvut.cz/vz/clanky/104.pdf
[9] Ing. KRUMPHANZL, Jiˇr´ı. Optimalizace z´aˇriv´eho pˇrenosu tepla v elektrotepeln´e techˇ
nice. Praha, 2005. Disertaˇcn´ı pr´ace. CVUT
v Praze. Vedouc´ı pr´ace Doc. Dr. Ing. Jan
Kyncl.
58
LITERATURA
59
[10] R. WESTERVELT. JASON. Imaging Infrared Detectors II [online]. [cit. 2012-05-03].
Dostupn´e z: http://www.fas.org/irp/agency/dod/jason/iird.pdf
[11] S. MOGHADDAM, J. LAWLER, C. MCCAFFERY, AND J. KIM. Heat Flux-Based
Emissivity Measurement. In: AIP conference proceedings. 2005, s. 6.
[12] KWONG-KIT CHOI AND JHABVALA, M.D. AND FORRAI, D.P. AND WACZYNSKI, A. AND SUN, J. AND JONES, R. Electromagnetic Modeling of Quantum
Well Infrared Photodetectors. In: IEEE Journal of Quantum Electronics. The United
States: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2011, s. 10.
[13] Kirchhoff ’s law and Spectral lines. [online]. [cit. 2012-05-09]. Dostupn´e z:
http://crab0.astr.nthu.edu.tw/~hchang/ga1/ch05-03.htm
[14] Infrared window. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-2012 [cit. 2012-05-09]. Dostupn´e z:
http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_window
´ CEK,
ˇ
[15] Princip termografick´eho mˇeˇren´ı. VOJA
Anton´ın. [online]. [cit. 2012-0510]. Dostupn´e z: http://www.termokamera.cz/index.php?option=com_content&
task=view&id=4&Itemid=9
[16] About Electro-optic Sensor Design. [online]. [cit. 2012-05-10]. Dostupn´e z:
http://www.eosd.com.au/
Pˇ
r´ıloha A
Obsah pˇ
riloˇ
zen´
eho CD
• DP LaTeX: zdrojov´
y k´od diplomov´e pr´ace
• Model: zdrojov´
y k´od v´
ypoˇct˚
u pouˇzit´
ych k modelov´an´ı topidla
• Dokumentace: dokumentace pouˇzit´
ych konstrukˇcn´ıch ˇca´st´ı topidla (OZ 1458,
tranzistor TIP120 a termistor KTY81)
• Termostat: soubory desky ploˇsn´eho spoje termostatu
• Teorie: vyobrazen´ı z´akladn´ıch fyzik´aln´ıch z´akon˚
u pouˇzit´
ych v t´eto pr´aci
• Namˇ
eˇ
ren´
a data: data z mˇeˇren´ı ve form´atu .xlsx a jejich zpracov´an´ı v programu
Wolfram Mathematica
I
Download

práce je dostupná online