TERMOWIZYJNE BADANIA OPRAW OŚWIETLENIOWYCH

Transkrypt

1 KONRAD DOMKE Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej TERMOWIZYJNE BADANIA OPRAW OŚWIETLENIOWYCH Streszczenie - W pracy rozpatrzono możliwości pomiaru temperatury obiektów z pomocą kamery termowizyjnej. Przedstawiono teoretyczne podstawy działania kamer termowizyjnych wraz z opisem czynników zewnętrznych zakłócających pomiar. Zaprezentowano wyniki badań termicznych opraw oświetlenia drogowego i wewnętrznego ze wskazaniem błędów wynikających z nieprawidłowego określenia warunków zewnętrznych, w których dokonuje się pomiaru. WPROWADZENIE Kamera termowizyjna, pozwalająca rejestrować obrazy powstające na skutek promieniowania cieplnego różnorodnych obiektów, staje się coraz powszechniej używanym przyrządem rejestrującym oraz, wobec wyposażenia współczesnych kamer w funkcję pomiaru temperatury, także przyrządem pomiarowym. Dzięki czułym przetwornikom (matryce CCD) współczesne kamery termowizyjne charakteryzują się bardzo dużą rozdzielczością temperaturową na poziomie kilkudziesięciu mk, co niestety nie przekłada się na dokładność pomiaru temperatury powierzchni osiągającej w idealnych warunkach co najwyżej ok. 2%. [1] W warunkach rzeczywistych, przy niezbyt poprawnych nastawach wynikających z nieznajomości warunków w których dokonuje się pomiaru, błędy mogą być nawet dziesięciokrotnie wyższe. 1. ANALIZA TEORETYCZNA Kamera termowizyjna przetwarza na sygnał użyteczny s promieniowanie wnikające poprzez obiektyw kamery i padające na matrycę. Składa się ono z promieniowania własnego osłabionego przez wpływ osfery pomiędzy

2 obiektem a kamerą M ob, sumarycznego promieniowania generowanego przez jego otoczenie osłabionego przez wpływ osfery pomiędzy obiektem a kamerą M ot, oraz promieniowania własnego osfery M ot. Przedstawia to rys.1, można to opisać wzorem: s A( M ob M ot M ) (1) gdzie: M ob ob M (2) ob cc M (1 ) M M (3) ot ob ot śr ot ot bezp M (1 ) M (4) Przy czym M ob i M to emitancje ( egzytancje) własne obiektu traktowanego jako ciało doskonale czarne i osfery wynikające z sumowania opisywanej prawem Plancka monochromatycznej emitancji powierzchni ciała doskonale czarnego [4,5]: 5 c2 M ob cc mob cc, d c1 1 d T e ob (5) 0 0 Natomiast emitancja otoczenia składa się z sumy promieniowania ciał otaczających obiekt, które po odbiciu od powierzchni obiektu trafia do obiektywu kamery i bezpośredniego promieniowania otoczenia trafiającego do kamery po osłabieniu przez osferę. 1 T 3, 3 T ob, ob T 1, 1 T 2, 2 Rys.1 Promieniowanie rejestrowane przez kamerę termowizyjną w warunkach rzeczywistych Informację o temperaturze obiektu T ob zawiera tylko promieniowanie własne obiektu M ob.-cc =f(t ob, ob ) [1,4,5]. Kamera reaguje przy tym tylko na część promieniowania własnego leżącego w zakresie jej czułości. Zwykle to

3 promieniowanie podczerwone z zakresu (2-5) m, (8-14) m lub (6,5-20)m [3]. Ponieważ z (1) (4) wynika, że s A M ob s A T M M ob, ob ot 1 ob M otm ] M [ ot śr ot bez 1 (6) to dla poprawnego wyznaczenia temperatury obiektu należy znać wartości: emisyjności obiektu, ob M przenikalności osfery pomiędzy kamerą a obiektem, jest ona funkcją temperatury i wilgotności osfery oraz odległości pomiędzy kamerą a obiektem, emitancji osfery będącą funkcją m.in. jej temperatury i wilgotności, M ot bez emitancji otoczenia, będącą średnią wartością emitancji ciał otaczających obiekt i kamerę, ot emisyjności otoczenia (wartość średnią), składającą się z emisyjności ciał otaczających obiekt i kamerę, Wiele z tych wielkości (np. emisyjność obiektu, temperatura otoczenia, osfery, wilgotność względna, odległość między obiektem a kamerą) można nastawić przed wykonaniem pomiarów. Uzyskanie deklarowanej przez producentów kamer dokładności pomiaru jest możliwe tylko w przypadku przyjęcia poprawnych wartości tych nastaw, a jest to praktyce niezwykle trudne do uzyskania. Na popełniany błąd pomiaru temperatury poza błędem wynikającym z niedokładności technicznej kamery największy i często trudny do oszacowania wpływ mają: źle przyjęta wartość emisyjności obiektu ob co wynikać może z: nieznajomości prawdziwej wartości emisyjności obiektu w przypadku powierzchni izotermicznych, niemożności uwzględnienia zależności emisyjności od temperatury powierzchni nieizotermicznej, niemożności uwzględnienia różnic w wartościach emisyjności różnych lokalnych powierzchni podlegających pomiarowi temperatury w ramach jednego obrazu termograficznego: Za typowe materiały stosowane na obudowy sprzętu oświetleniowego można przyjąć stopy aluminium oraz tworzywo sztuczne. Przykładowe zmiany wartości emisyjności utlenionego aluminium (jeśli powierzchnia nie jest malowana), może zawierać się w przedziale 0,05 0,2, silnie utlenionego do 0,9, a w przypadku naniesienia powłok malarskich lub anodowania 0,16 0,97 [2].

4 Stosowane tworzywa sztuczne mogą mieć emisyjność z przedziału 0,3 0,95. Natomiast fakt zależności emisyjności T od temperatury nie wprowadza znaczących błędów bo zwykle zmiany T) przy zmianach temperatury w zakresie o C są niewielkie. niewłaściwy kąt obserwacji obiektu, co zgodnie z prawem cosinusów skutkuje zmniejszeniem ilości promieniowania rejestrowanym przez kamerę, a także może także przyczynić się do wyboru niewłaściwej wartości emisyjności powierzchni obiektu, szczególnie wtedy gdy znana jest tylko wartość emisyjności w kierunku normalnym : n, ob Szczególnie znaczne błędy popełnia się przy pomiarze temperatury silnie zakrzywionych powierzchni (np. małych walcy) kamerą z jednego tylko kierunku (patrz rys. 9 i 10). Emisyjność kierunkowa zwykle różni się od emisyjności w kierunku normalnym do badanej powierzchni. Zilustrowano to na rys. 2. Przy pomiarach temperatury powierzchni zarówno dielektryka jak i metalu pod kątem do ok. (50 60) o, nie ma to większego znaczenia. Dla większych kątów obserwacji w przypadku dielektryków emisyjność kierunkowa radykalnie zmniejsza się, dla metali rośnie. a b c Rys.2 Emisyjność kierunkowa: a) dielektryków, b) metali, c) szkła [1] niewłaściwe określenie współczynnika przenikalności osfery, którego wartość wyznaczana jest na podstawie deklarowanych wartości odległości kamery od obiektu, wilgotności względnej i temperatury osfery. Zmiany spowodowane tymi czynnikami ilustruje rys. 3.

5 Współczynnik przenikalności osfery Rys. 3 Zmiany współczynnika przenikalności osfery dla różnych wilgotności względnych RH i T = 293K dla = 8 m [1] Błędy popełniane z tego powodu są istotne tylko przy odległościach liczonych co najmniej w setkach metrów. Ma to miejsce w przypadku termowizji satelitarnej, lotniczej lub pomiarów naziemnych dotyczących oddalonych obiektów. Praktycznie nie mają znaczenia w pomiarach w laboratorium, w przemyśle przy odległościach kamera obiekt rzędu metrów. Błędy pochodzące od niewłaściwych nastaw parametrów radiacyjnych gwałtownie narastają gdy spada wartość promieniowania własnego obiektu Mob w stosunku do promieniowania otoczenia M ot i promieniowania osfery M. Szczególnie istotne jest promieniowanie własne M ot bez i odbite otoczenia M ot śr, a zdarza się tak gdy temperatura obiektu jest porównywalna ze średnią temperaturą otoczenia Tob T ot śr lub od niej niższa Tob T ot śr. Sytuacja taka często występuje przy termowizyjnych pomiarach pracujących opraw oświetleniowych. Pomiar temperatury nie najcieplejszych powierzchni jest wówczas znacząco utrudniony. Podobnie skrajnie niekorzystną sytuacją jest pomiar temperatury w sytuacji gdy emisyjność obiektu jest dużo niższa od emisyjności otoczenia ob ot śr. Ma to miejsce np. przy próbach pomiaru temperatury odbłyśnika (zwykle o niskiej emisyjności) znajdującego się z reguły w pobliżu cieplejszego źródła światła. Osobnym zagadnieniem jest pomiar temperatury powierzchni świecących. W tym przypadku do obiektywu kamery trafia promieniowanie własne (temperaturowe) powierzchni ob M (wzór (2)) i promieniowanie emitowane M św ob z badanej powierzchni pochodzące z przemiany elektroświetlnej. Jeśli źródłem światła są przemiany nie inkadescentne (nie temperaturowe) tak jak np. w świetlówkach bądź diodach LED, widmo emitowanego promieniowania leży poza zakresem czułości kamery termowizyjnej i przekazywany przez obiektyw kamery sygnał s zależny jest tylko od promieniowania własnego M ob badanej powierzchni. Tym samym pomiar temperatury rury świecącej świetlówki,

6 soczewki czy obudowy diody elektroluminescencyjnej nie jest zakłócany świeceniem takiej lampy. Natomiast w przypadku gdy źródło promieniowania świetlnego ma charakter temperaturowy (np. żarówka, lampa halogenowa) lub przemiana elektroświetlna zachodzi w stosunkowo wysokich temperaturach (wyładowcze lampy sodowe wysokoprężne) i widmo promieniowania lampy ma istotną składową podczerwoną leżącą w zakresie czułości kamery, wiarygodny pomiar temperatury powierzchni emitujących, odbijających lub przepuszczających (np. bańki żarówki lub elementy lampy sodowej wysokoprężnej, ksenonowej, odbłyśniki) jest praktycznie niemożliwy. Wynika to z faktu niemożności rozdzielenia promieniowania własnego (temperaturowego) M ob i promieniowania źródła światła M św ob emitowanego w zakresie czułości kamery. 2. ZAKRES BADAŃ TERMICZNYCH I UKŁAD POMIAROWY Badaniu poddano oprawę oświetlenia drogowego z ledowymi źródłami światła (rys. 5a) oraz oprawę wnętrzową z tubami LED jako źródłami światła (rys. 5b). Moc: 258W Nap. zasilania: V Max. prąd: 1,2A cos : 0,97 Diodowe źródła światła Moc: 2x30W Nap. zasilania: V Max. prąd: 0,27A cos : 0,94 Diodowe źródła światła w tubie a) b) Rys. 5 Badane oprawy oświetlenia: a) zewnętrznego (drogowego) b) wewnętrznego i ich parametry znamionowe

7 W pierwszej oprawie obudowa najczęściej aluminiowa pełni funkcję radiatora, przez który odprowadzane jest ciepło generowanie w diodach. Ze względu na zainstalowaną moc odprowadzanie generowanego w tego typu oprawie ciepła jest niezwykle istotne. Natomiast w oprawach wnętrzowych z diodami umieszczonymi w szklanych tubach, przy występujących w takich przypadkach niskich mocach źródeł światła zagrożenie temperaturowe jest nieznaczne i dotyczyć może praktycznie tylko trzonków rur. W oprawach tego typu nie stosuje się radiatorów rozpraszających ciepło, sama konstrukcja oprawy i sposób jej montażu powinny zapewnić wystarczające warunki chłodzenia. Dla opisanych opraw zmierzono rzeczywistą zewnętrzną temperaturę obudowy pełniącej funkcję radiatora oraz temperaturę rury i trzonka przy zdjętym kloszu za pomocą termoelementu NiCr-NiAl 2 mm i miernika Center 303, a także stosując kamerę termowizyjną FLIR 440, w warunkach laboratoryjnych, przy braku zapylenia i temperaturze otoczenia ok. 22 o C. 3. WYNIKI POMIARÓW Dla oprawy drogowej (rys. 5a) z diodowymi źródłami światła przy różnych nastawach emisyjności badanej powierzchni radiatora, różnych odległościach kamery od badanej powierzchni uzyskane wyniki zawiera tab. 1. Rzeczywista temperatura w tym samym punkcie, zmierzona termoelementem metodą stykową, wyniosła 63 o C. Tab. 1 Wskazania kamery termowizyjnej w zależności od nastawy emisyjności powierzchni radiatora i jej odległości od obiektywu nastawa emisyjności Temperatura obudowy/radiatora oprawy T [ o C] odległość pomiaru nastawiona 1m nastawiona 3m rzeczywista 1m rzeczywista 1,5m 0, , , , ,6 89,1 89,2 0,7 79,5 79,9 0,8 72,2 73,2 0,9 66,7 67,2 1,0 61,2 61,4

8 Termogramy odpowiadające skrajnym pomiarom oprawy drogowej przedstawiono na rys. 6. Rys. 6 Termogramy przy różnych nastawach emisyjności badanej powierzchni zewnętrznej radiatora oprawy zewnętrznej z diodowymi źródłami światła Obliczony w tym przypadku błąd względny przedstawia rys.7a. Z rys. 7b wynika, że w badanym przypadku poprawna wartość emisyjności oprawy to 0,96. błąd d 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0-20,0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 nastawa emisyjności błąd d 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0,7 0,8 0,9 1-5,0 nastawa emisyjności a) dla całego zakresu nastaw emisyjności b) dla zakresu nastaw emisyjności 0,65-1,0 Rys. 7 Błąd względny przy różnych nastawach emisyjności oprawy Podobnie wyznaczona na podstawie termogramu różnica temperatury 2 punktów obudowy oprawy (radiatora) leż ących na linii Li1 zmienia się w zależności od nastawy emisyjności. Przy rzeczywistej różnicy temperatury d=6,3 o C uzyskane pomiarów kamerą wyniki zawarte SA w przedziale 6,0-11,6 o C. Błąd względny pomiaru przedstawia rys. 8b.

9 a) termogram oprawy z linią pomiaru Li1 błąd d 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0-10,0 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 nastawa emisyjności b) błąd względny t dla Li1 przy różnych nastawach emisyjności Rys. 8 Pomiar różnicy temperatury dla różnych punktów oprawy W przypadku pomiaru kamerą termowizyjna temperatury powierzchni rury z diodami wewnątrz przy jej trzonku wyniki przedstawia tab. 2, a obraz termowizyjny rys. 9. Rzeczywista temperatura, mierzona termoelementem, wynosiła t1=30,8 o C dla szklanej rury przy trzonku. Tab. 2 Wskazania kamery termowizyjnej w zależności od nastawy emisyjności powierzchni nastawa emisyjności Temperatura [ o C] Miejsce pomiaru oprawy wewnętrznej Rura/szkło przy Trzonek trzonku 0,2 93,7 111,2 0,3 70,0 83,4 0,4 57,1 68,3 0,50 48,2 58,2 0,60 42,6 51,2 0,65 40,2 48,2 0,70 37,8 45,7 0,75 36,5 44,1 0,80 34,4 42,3 0,85 33,1 40,2 0,90 31,6 38,3 0,95 30,6 37,0 1,00 29,5 35,6

10 Li2 a) b) Rys. 9 Termogram badanej oprawy wewnętrznej dla nastawy emisyjności =0,8 z zaznaczonymi miejscami pomiarowymi: a) cała oprawa punkt Sp1, b) obszar trzonka linia Li2 Rozkład temperatury trzonka rury wykonanej z duraluminium materiału o dużej przewodności cieplnej jest prawie jednorodny i wynosi t 2 =39,1 o C. Wyniki uzyskane przy nieruchomej kamerze mierzącej z bliskiej odległości temperaturę wypukłej powierzchni trzonka o dużej krzywiźnie ( rys. 10) przedstawiono na rys. 11. n n Rys. 10 Warunki pomiaru kamerą termowizyjną małych wypukłych powierzchni n

11 39 37 Temperatura [oc] Kąt obserwacji powierzchni Rys. 11 Rozkład temperatury wzdłuż linii Li2 (patrz rys. 9b) mierzonej kamerą (linia ciągła) i rzeczywistej (linia przerywana) na trzonku rury 4. WNIOSKI 0 1. Poprawny pomiar temperatury powierzchni obiektu kamerą termowizyjną jest możliwy tylko w przypadku zgodności nastaw parametrów pomiaru z rzeczywistymi wartościami charakteryzującymi mierzony obiekt oraz przy prostopadłym nakierowaniu linii obserwacji/pomiaru na badaną powierzchnię. 2. Przy nieprzestrzeganiu powyższych zaleceń błędy przy pomiarze temperatury mogą ponad dziesięciokrotnie przekraczać deklarowaną przez producenta czułość termiczną kamery. 3. Przy typowych pomiarach najistotniejszym jest właściwy dobór nastawy emisyjności badanej powierzchni oraz prostopadłe do niej usytuowanie kamery. LITERATURA [1] Więcek B., De Mey G.: Termowizja w podczerwieni podstawy i zastosowania, Warszawa, wyd. PAK, 2011 [2] Sala A.: Radiant Properties of Materials, Warszawa, PWN, 1986 [3] Flir Instrukcja obsługi. Seria T4xx. Publ. No. T559772, rev pl-pl [4] Hering M.: Termokinetyka dla elektryków. Warszawa: WNT, 1980 [5] Modest M. F. Radiative heat transfer, ed. II, Academic Press, N. York, Oxford, Tokyo, 2003

12 THERMOVISION RESEARCH OF LUMINAIRES SUMMARY The study examined possible to measure the temperature of objects using a thermal imaging camera. The paper presents the theoretical basics of infrared cameras and a description of the external factors disturbing the measurement. The results of thermal studies of road and internal lighting luminaires points errors due to incorrect definition of the external environment factors in which the measurement was made. Keywords: thermography, thermal imaging camera, errors in thermography temperature measurement