Sugárzáson, alapuló hőmérséklet mérés.

Átírás

1 Sugárzáson, alapuló hőmérséklet mérés. Ha egy anyaggal energiát közlünk, belső energiája megnövekszik, molekuláinak és atomjainak mozgásállapota megváltozik: pl. a molekulákban az atomok egymás körüli forgása( rotációja), az atomok rezgése ( vibrációja ), az atomokon belül az elektronok pályája változik, a molekulák,ill. atomok energiaszintje magasabb lesz. Ezek a szintek csak meghatározott értékűek lehetnek,annak megfelelően,hogy a részecskék csak meghatározott energiamennyiséget tudnak felvenni. Ha az energiaközlés megszűnik, vagy egy egyensúlyi szint alá csökken, a testek kisebb energiaszintre törekszenek visszajutni. Ennek során fotonokat bocsájtanak ki, elektromágneses hullámokat emittálnak. Különféle testek különbözően sugároznak. A kisugárzott elektromágneses hullám színképét folytonosnak nevezzük, ha sugárzás spektrális intenzitásának sűrűsége, hullámhosszának folytonos függvénye, és széles hullámhossz-tartományban különbözik a nullától. Ilyen sugárzást mutatnak az izzó testek és a folyadékok.

2 Az izzó gázok atomjai vonalas színképet mutatnak, ahol a sugárzás spektrális intenzitássűrűsége csak kis hullámhossz-tartományban különbözik a nullától: ebben egy-egy színképvonal látható. Izzó szilárd testek és folyadékok sugárzásának alaptörvényei.( hősugárzás) A testek, a felületre eső, egységnyi mennyiségű fény vagy hősugárzás α részét elnyelik, τ részét magukon átbocsájtják,ρ részét visszaverik: α+τ+ρ=1 Azt a testet, amely a felületére érkező minden sugárzást elnyel, fekete testnek nevezzük. Ilyen test a valóságban nem létezik.

3 Hullámhossz 1000km 100km 10km 100m 10m 1m 10cm 1cm 1mm 100µm 10µm 1µm 100nm 10nm 1nm 0,1nm 0,01nm 0,001nm 0,0001nm 0,00001nm hanghullámok rádióhullámok mikrohullámok Hullámtartomány infravörös sugárzás (hősugárzás) látható fény ultraibolya sugárzás röntgensugárzás gammasugárzás

4 A méréstechnikában alkalmazott infravörös tartományok: 0,8µm..2µm ultrarövid-hullámú hősugárzás 2µm 6 µm rövidhullámú infravörös sugárzás 6 µm..20 µm hosszúhullámú infravörös sugárzás ( atmoszférikus ablak tartomány, a levegő jól vezeti ezt a hullámhosszt, szabadban nagy távolságról való mérésre alkalmas) Ahhoz, hogy a test hőmérsékletére következtetni lehessen, a testhőmérséklet és a leadott sugárzás közötti összefüggést ismerni kell. Az ideális sugárzóra( abszolút feketetest) a Plankféle sugárzási törvény:

5 A sugárzás intenzitása: fekete testre c M = 1 W/cm 2 µ m λ c λ 5 exp 2 1 λt 16 2 c = 3,74*10 W* m 1 2 c = 1,44*10 K* m 2 λ - a sugárzás hullámhossza[µm] T- hőmérséklet [ K ]

6 A Stefan-Boltzmann törvény: 4 M *T λ =σ Ahol a Stefan-Bolzman állandó: σ= 5,67*10 W *m *K Az ábrán látható, hogy a hőmérséklet növekedésével a sugárzás intenzitása nő, és a maximális intenzitásokhoz tartozó hullámhosszak balra, az egyre kisebb értékek felé tolódnak el.

7 A grafikon megmutatja a fekete test által, egy-egy adott hőmérsékleten kibocsátott hősugárzás intenzitását, valamint azt a hullámhosszat, amelyen a sugárzás intenzitása a legnagyobb. Ezt a jelenséget a Wien-féle eltolódási törvény írja le, amely a Planck törvény differenciálásából vezethető le λ = 2896 µ m*k max *T A nem fekete test ε sugárzás kibocsátó képessége (emissziós tényező) a hullámhossz-tartománytól függetlenül mindig kisebb mint 1. A sugárzás erősségét az ε tényező változásának ismeretében a fekete testből számítjuk:

8 ( λ, T) ε( λ T) M ( λ T) M,, ε = λ Az ε emissziós tényezőt kísérleti úton határozzák meg. Néhány anyag emissziós tényezője: Anyag Hőmérséklet [ C ] emisszióst. ε Acél fényes 100 0,08 ömledék 0,28 oxidált 200 0,79 Alumínium fényes 25 0,022 oxidált 200 0,11 Platina fényes 25 0, , ,152 Szilikatégla ,80

9 A sugárzásmérésen alapuló hőmérséklet érzékelők. Néhány fő csoportot lehet megkülönböztetni, így: - pirométerek:- az összes sugarat mérők - a sugarak egy részét mérők ( látható hullámhossz-intervallum) - bolométerek: infrasugárzás tartományban mérő egyszerűbb hőmérsékletmérő eszközök - termográfok: hőtérképet készítő, bonyolult berendezések

10 Eltűnő szálas optikai pirométer Csak az emberi szem által látott sugarakat méri, a teljes tartomány korrekcióval határozható meg. A szál nincs izzítva jó melegebb

11 A műszerben elhelyezett feszültségmérő tengelyére hőmérséklet kijelzőt helyeztek, amelyről a T mért hőmérséklet nagysága olvasható le. Ebből a valódi hőmérséklet: T valódi = T 4 mért ε A mérőeszköz a gyakorlatban használatos, az eredményt nomogram segítségével egyszerűen lehet feldolgozni.

12 Összsugárzó pirométer elvi felépítése Az összes sugarat mérő pirométer érzékelője hőelem, ill. hőelem oszlop, a hőtartalom teljes spektrumát méri. hőelem oszlop blende tárgy tárgylencse szemlencse feszültségmérő

13 Két NiCr-Ko pár hőelemmel hőelempárral ellátott ellátott összsugárzó pirométer NiCr Méréshatár: C 0 konstantán Pt lemez, 1,4.4mm átmérőjű, Pt korommal bevonva A legpontosabb hőmérsékletmérő.

14 Bolométerek. A bolométerek eredetileg vékony ellenállás-huzalból készült hőmérséklet érzékelők voltak. A mikroelektronika fejlődésével ezek az eszközök polikristályos szilícium technológiára épülnek, a detektor félvezető ellenállás, a megfelelő elektronikai környezettel..

15 fényellenállások mérendő test U 1 U 2 tárgylencse üvegszál indiumfoszfát szűrő λ>1µm A mérendő testről érkező infravörös hullámokat az indiumfoszfát szűrő megszűri, a λ 1µm hullámokat visszaveri, az ennél nagyobbakat az U 1 feszültséget biztosító fényellenállásra vetíti. A két feszültségből adódó különbség a test, ill. annak kijelölt foltjára jellemző hőmérséklettel arányos.

16 A ma elterjedt,egyszerű hő pisztolyok érzékelője, amelyek lézeres kijelöléssel, a mérendő tárgy egy kijelölt foltjának hőmérsékletét képesek megmérni, kijelezni, feldolgozni. Az a, b, c ábrán egy-egy tokozott érzékelő látható. A jobboldali ábrákon a mikrobolométer elektronmikrosz - kópos felvételét látjuk, amely a mátrix detektoros termokamerák érzékelője.

17 Termográfiai hőkamerák Hőmérsékletmérő kamerák Sötétbenlátó készülékek Szkenner Nagyfelbontású letapogató 1970 Focal Plane Array Mátrixelrendezésű érzékelő IR képcső Tűzoltóság 1940 Szkenner Katonai,nagy felbontású letapogató 1960 Focal Plane Array Mátrix elrendezésű érzékelő hűtött HotSpot felügyelet1994 hűtés nélkül Ipari hordozható 1998 hűtött Katonai beépített 1985 hűtés nélkül Katonai kézi kamera 1995

18 Letapogató hőkamerák A letapogató (szkennelő) kamerák egy egyelemű (pont-) detektort használnak az infravörös sugárzás átalakítására, és a mérendő tárgyat mechanikus rendszerrel tapogatják le. E képalkotó módszer nagy sebességű detektort és nagy precizitású mechanikai komponenseket igényel. Nagy előnye az összes többi módszerrel szemben, hogy minden egyes képpont számára a jelet egyetlenegy - nagyon precízen beállított és korrigált érzékenységi görbével rendelkező - pontdetektor alakítja át. Mivel így a hőkép minden pontjáról tökéletesen egyforma feltételekkel jönnek létre a később kiértékelendő villamos adatok, igen jó kép homogenitás érhető el. (Az egyforma hőmérsékletű pontok között kijelzett eltérés minimális vagy nincs.)

19 detektor függőleges eltérítő tükör lencsék forgó tükör tárgy mérésfelület Letapogató /szkenner/ hőkamera elvi sugármenete.

20 Mátrixdetektoros termográf. Ilyen detektorok használatánál nincs szükség mechanikai kitérítő egységekre, ezért a kamera mechanikailag egyszerűbb, kisebb méretű és könnyebb. tárgy objektív detektor

21 Bár a mátrixdetektoros hőkamera optikai sugármenete meglepően egyszerű, azonban a részleteket tekintve több gond is adódik: az egyik fő probléma az, hogy a hőkép minden egyes képpontját egy-egy egyedi érzékelő alakítja át, ezek karakterisztikája nagyon hasonlíthat a szomszédos eleméhez, de mégis mérhetően különbözik attól. Az egyezőség hiányának kompenzálása komoly mennyiségű valós idejű számításalapú jelfeldolgozást (korrekciót) igényel. Ezért a mátrixdetektorral készült első hőkamerákat hőmérsékletmérési funkciók nélkül ajánlották. A kameragyártók csak később integrálták ezt a technológiát a készülékekbe, előbb csak egy - a kép közepén lévő -mérőponttal, később az összes képpontra kiterjesztve. A legtöbb mátrixdetektoros kamera a rövidhullámú tartományban dolgozik, és leginkább a különösen nagy teljesítményű InSb, CdHgT valamint az igen olcsó PtSi alapú detektorokat alkalmazzák

22 Lakóház hőtérképe

23 Lakószoba belső hőtérképe, láthatók a hőhidak.

24 Padlófűtés helyének feltérképezése

25 A kép bal oldalán infravörös tartományú kamerával, a jobb oldalon, látható sugárzású kamerával felvett képet látunk.

26

27

28

29

30

31

32

33