LABORATORIUM METROLOGII POMIARY TEMPERATURY NAGRZEWANEGO WSADU Cel ćwiczenia: zapoznanie z metodyką pomiarów temperatury nagrzewanego wsadu stalowego 1
POJĘCIE TEMPERATURY Z definicji, która jest oparta na teorii kinetyczno-molekularnej budowy materii wynika, że temperatura to wielkość fizyczna, która charakteryzuje się średnią energią kinetyczną ruchu postępowego molekuł gazu doskonałego, o czym informuje nas poniższy wzór [1]: 3 3 p ek = kt = (1) 2 2 nc gdzie: k stała Boltzmanna T temperatura molekuły w skali bezwzględnej p ciśnienie gazu n c koncentracja molekuł Ze wzoru (1) wynika, że pomiar temperatury dowolnej substancji można sprowadzić do pomiaru średniej energii kinetycznej molekuł gazu doskonałego, który jest w stanie równowagi termodynamicznej z badaną substancją. W praktyce jednak, ze względu na trudności w takim pomiarze, mierzy się wielkość proporcjonalną do energii kinetycznej molekuł, na przykład ciśnienie gazu. Z punktu widzenia termodynamiki, temperatura, to wielkość fizyczna która decyduje o kierunku przekazywania ciepła. Na tej podstawie można podać kolejną definicję temperatury, odnoszącą się do przyrostu energii jaki następuje w rezultacie działań termicznych: w następstwie kontaktu dwóch substancji o temperaturach T 1 i T 2, gdzie T 2 >T 1, ciepło przekazywane jest samorzutnie od substancji o temperaturze wyższej do tej o niższej, czyli od T 2 do T 1. Maxwell z kolei stwierdził, że temperatury dwóch substancji są sobie równe wtedy, kiedy między nimi w przypadku bezpośredniego styku, nie występuje przekazywanie ciepła. Zgodnie z tym sformułowaniem, stany termiczne substancji można uporządkować w szeregu o coraz wyższej temperaturze. METODY POMIARU TEMPERATURY W zależności od rodzaju wymiany ciepła między ciałem, którego temperaturę mierzymy, a czujnikiem temperatury metody jej pomiaru dzielimy na stykowe i bezstykowe. W metodach stykowych czujnik przyrządu styka się z ciałem, którego temperaturę mierzymy, w bezstykowych, jak sama nazwa mówi, wymiana ciepła między powierzchnią ciała odbywa się przez promieniowanie albo sygnały z czujnika temperatury przekazywane są do przyrządu pomiarowego. W zależności od przyjętej metody, pomiaru temperatury możemy dokonać za pomocą różnych przyrządów. Można tu wyróżnić: pomiary za pomocą termoelementów za pomocą czujników rezystancyjnych pomiary za pomocą pirometrów i kamer termowizyjnych. Pirometry i kamery termowizyjne są to przyrządy do bezstykowego pomiaru temperatury, wykorzystujące promieniowanie cieplne. Ponieważ pomiar tego typu odbywa się w sposób bezstykowy, istniejące pole temperatury nie zostaje w żaden sposób zakłócone. Jest to jedna z podstawowych zalet tego rodzaju pomiarów. 2
TERMOWIZYJNY POMIAR TEMPERATURY Każde ciało którego temperatura jest wyższa od zera bezwzględnego, w wyniku pobudzenia termicznego cząstek materii emituje promieniowanie cieplne w postaci fali elektromagnetycznej o długości fali w zakresie λ 0,1 100μm. Natężenie promieniowania cieplnego zależy od własności fizycznych i chemicznych ciała oraz od temperatury jego powierzchni. Na emisję danego ciała nie wpływa natomiast obecność i emisja innych ciał. Opis zjawisk fizycznych wymaga zazwyczaj wprowadzenia szeregu założeń upraszczających. W przypadku zjawisk dotyczących promieniowania cieplnego, dla lepszego ich zrozumienia wprowadzono pojęcie ciała doskonale czarnego, które w skrócie nazywa się ciałem czarnym. Ciało czarne to obiekt, który niezależnie od długości fali pochłania całe padające na nie promieniowanie. Spektralną gęstość emisji własnej ciała czarnego w oparciu o teorię kwantów opisał Planck: e&, cλ 4 4 T e& c = σ T = C0 (2) 100 gdzie: 2 4 ( m ) 8 σ = 5,6696 10 W / K - stała Stefana Boltzmana; T - temperatura bezwzględna, K; C = 5,67W 2 4 m K - techniczna stała promieniowania. 0 / ( ) Zgodnie z równaniem (2) emisja własna ciała czarnego o powierzchni F wynosi: ( T /100) 4 & 4 c = F e& c = F σ T = F C0 (3) E Natomiast emisja własna ciała rzeczywistego o emisyjności ε, wyrażona może być równaniem: 4 E = ε F ec = ε F σ T = ε F 0 ( T /100) 4 & & C (4) Równania (2) (4) są podstawowymi zależnościami opisującymi emisję promieniowania cieplnego. Promieniowanie to w zakresie długości fali od 0,38 do 0,78μm jest promieniowaniem widzialnym, czyli światłem, natomiast w zakresie od 0,78 do 1000μm leży w paśmie podczerwieni. Dział techniki zajmujący się wykrywaniem, rejestracją, przetwarzaniem oraz wizualizacją niewidzialnego promieniowania podczerwonego nazywany jest termowizją. Podstawowy schemat ilustrujący sytuację przy pomiarze termowizyjnym przedstawia rysunek 1. Obiekty oznaczone numerami dotyczą: 1 - otoczenia, 2 badanego ciała, 3 atmosfery, 4 kamery termowizyjnej, gdzie poszczególne symbole oznaczają: ε - emisyjność badanego obiektu, τ - transmitancję atmosfery, W refl, W obj, W atm - moc poszczególnych źródeł promieniowania jaka dociera do kamery, T refl, T obj, T atm temperaturę tych samych źródeł. Całkowitą moc promieniowania podczerwonego odbieranego przez kamerę wyraża równanie: W tot obj ( ε ) τ Wref + ( ) Watm = ε τ W + 1 1 τ (5) 3
W detektorze kamery, moc W tot zamieniana jest na napięcie prądu, które po odpowiedniej kalibracji przyrządu rejestrowane jest jako mapa temperatur badanego obiektu. Jak widać z rysunku 1, do kamery termowizyjnej nie dociera jedynie emisja własna obserwowanego obiektu, ale jego jasność oraz promieniowanie otoczenia. Wymienione strumienie są ponadto tłumione przez medium występujące na drodze pomiaru. Powoduje to, że uzyskanie dokładnych wyników pomiaru temperatury z pomocą kamery termowizyjnej wymaga kompensacji wpływu zakłócających pomiar źródeł promieniowania. W większości nowoczesnych kamer, częściowa kompensacja zakłóceń dokonywana jest automatycznie przez samą kamerę. Wymaga to jednak wprowadzenia przez użytkownika następujących danych: emisyjności badanego obiektu, temperatury otoczenia, odległości od badanego obiektu względnej wilgotności atmosfery. Określenie dokładnych wartości wymienionych powyżej parametrów jest najczęściej bardzo trudne. Jednak w pewnych przypadkach, znajomość prawidłowych wartości tych parametrów nie ma istotnego wpływu na dokładność pomiarów. Z sytuacją taką mamy do czynienia kiedy w otoczeniu badanego obiektu nie ma wysokotemperaturowych źródeł ciepła oraz gdy temperatura badanego obiektu jest znacznie wyższa od temperatury otoczenia, a emisyjność badanego obiektu wynosi co najmniej 0,9. Rys.1. Schemat pomiaru temperatury przy użyciu kamery termowizyjnej [1]. CHARAKTERYSTYKA KAMERY TERMOWIZYJNEJ Do bezstykowego pomiaru temperatury podczas zajęć laboratoryjnych wykorzystana będzie kamera termowizyjna ThermaCAM P65 przedstawiona na rysunku 2. Kamera ta wyposażona jest w detektor nie chłodzony microbolometeryczny z matrycą 320 240 pikseli typu Focal Plane Array (FPA) o zakresie widmowym 7,5-13 μm. Pole widzenia z obiektywem 35mm wynosi 24 18 /0,3 m. Kamera posiada zoom elektroniczny 2, 4 oraz 8 krotny. Kamera rejestruje kolorowy obraz video o rozdzielczości 640 x 480 pikseli. Wyposażona jest w automatyczną lub ręczną regulację ostrości oraz cyfrową redukcję szumów. Zakres mierzonej temperatury wynosi od -40 C do 2000 C z dokładnością do ± 2 % odczytu lub ± 2 C. 4
Rys. 2. Widok ogólny kamery termowizyjnej ThermaCAM P65. Poprawny pomiar temperatury, wymaga wprowadzenia do wewnętrznego programu kamery następujących ustawień: korekcji transmisji atmosferycznej w sposób automatyczny na podstawie wprowadzonej odległości, temperatury atmosfery i wilgotności względnej, korekcji transmisji optycznej w sposób automatyczny na podstawie sygnałów z czujników wewnętrznych, korekcji emisyjności wpisanie wartości od 0,1 do 1,0 lub wybranie z listy materiałów, korekcji odbić temperatury tła w sposób automatyczny na podstawie wprowadzonej temperatury tła, korekcji optyki - w sposób automatyczny na podstawie wprowadzonej transmisji optyki. Zarejestrowane pliki termowizyjne zapisywane są w standardzie JPEG z 14-bitowymi danymi radiometrycznymi, w wewnętrznej pamięci RAM kamery lub na karcie pamięci typu FLASH. Do obróbki i analizy termogramów zarejestrowanych kamerą ThermaCam P65 służy specjalistyczne oprogramowanie nazwane przez producenta ThermaCam Reporter. Do podstawowych funkcji tego oprogramowania należą [8]: korekta wpływu emisyjności obiektu, promieniowania atmosfery i otoczenia; zobrazowanie pół temperatury za pomocą różnych palet barwnych; wyznaczanie obszarów izotermicznych; wyznaczanie histogramów; wyznaczanie temperatury minimalnej, średniej i maksymalnej dla dowolnych podobszarów termogramu; analiza profilowa rozkładu temperatury w dowolnym kierunku. 5
PRZEBIEG ĆWICZENIA Podczas zajęć laboratoryjnych wykonywane będą pomiary temperatury wybranych wsadu metalowego nagrzewanego w piecu komorowym. Do pomiarów wykorzystane zostaną termoelementy, pirometr radiacyjny Maraton oraz kamera termowizyjna ThermaCAM P65. Podczas pomiarów temperatury pirometrem radiacyjnym studenci zapoznani zostaną z zagadnieniem wpływu emisyjności na dokładności bezstykowego pomiaru temperatury. Ponadto zapoznani zastaną z możliwościami pomiaru emisyjności za pomocą pirometru. W przypadku pomiarów kamerą termowizyjną, kluczowym zagadnieniem będzie nauka umiejętności prawidłowych regulacji kamery w celu kompensacji poszczególnych źródeł promieniowania cieplnego. Ponadto studenci zapoznani zostaną z obsługą oprogramowania komputerowego będącego na wyposażeniu kamery. PYTANIA I ZAGADNIENIA NA ZALICZENIE Co to jest temperatura? Skale temperatury? Metody pomiaru temperatury. Emisja promieniowania cieplnego. Zasadza działania termoelementu. Zasada działania przyrządów do bezstykowego pomiaru temperatury. 6