Uvod u IC termografiju

Transcription

1 Uvod u IC termografiju Prof. Dr. sc. Lovre Krstulović-Opara Katedra za konstrukcije Fakultet elektrotehnike strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Splitu 1

2 Spektar zračenja crnog tijela Planckova spektralna raspodjela energije ultraljubičasto vidljivo infracrveno Intenz zitet zračenja Temperatura površine sunca 5780 K Valna duljina 2

3 Optički vidljivo - IC vidljivo??? 3

4 Povijest termografije Sir William Herschel ( ) -Astronom i kompozitor - otkrio IC zračenje i planet Uran 4

5 Sir John Frederick William Herschel - sin ( ) - astronom, kemičar, matematičar - eksperimentalni fotograf/izumitelj - ispitivao ultravioletno svjetlo - monokristal NaCl koristio kao leću na metalnoj ploči premazanoj uljem 5

6 Povijest termografije Samuel Pierpont Langley (1834, 1906) - Astronom, fizičar, izumitelj Langleyov bolometar iz Korišten za proučavanje sunčevog zračenja Sastavni dijelovi: -Wheatstone-ov most - baterija i galvanometar - dvije tanke metalne trake Sunčevo zračenje 6

7 Početak: vojna primjena 7

8 Detektori Detektor s rotirajućim prizmama AGA FSB Zagreb 8

9 Leće i detektori Germanij 9

10 Detektori Focal Point Array detektor Toplinski detektori: mikrobolometri (promjena otpora) Feroelektrični i piroelektrični (promjena kapaciteta) -uglavnom LW kamere - održavana temperatura: Peltierov hladnjak ili elektro stabilizirai (FLIR P serija) - osjetljivost oko 50 mk Fotonski detektori: -uglavnom MW kamere - osjetljivost mk - visoka frekvencija akvizicije - hlañeni: - termosica s tekućim N2 (-100 C) - Stirlingov motor (-200 C) - Joule-Thomsonovo hladilo 10

11 Pregled digitalnih kamera CEDIP INFRARED SILVER 420M FLIR SC 5000 radna temperature senzora: -200 C frekvencija akvizicije slike: do 150 Hz mjerna osjetljivost: 0.02 K rezolucija piksela spektralni raspon: µm (srednji val MW) 100 slika u sekundi pri punoj rezoluciji 11

12 Osnovni pojmovi Toplina je energija [J=Ws]! Količina topline u predmetu je ukupna kinetička energija čestica koje tvore predmet. Bumerang nebula 1 K Centaurus konstelacija Etna 12

13 Osnovni pojmovi Temperatura je mjera prosječne brzine molekula i atoma koji tvore tvari. Toplina opisuje koliko toplinske energije postoji pri zadanoj temperaturi i masi. Više mase viši sadržaj energije. 100 C 100 C + = 100 C 100 J 100 J + = 200 J 13

14 Kuda je nestala energija? E p =m g h h E k =m v 2 /2 E k = E p =0 14

15 Osnovni pojmovi Zbroj ukupnih sadržaja energije u zatvorenom sustavu je konstantan. Toplina će spontano teći s toplijeg na hladnije tijelo, pri čemu se ona prenosi sa jednog mjesta na drugo. 30 C 1. zakon termodinamike: 2. zakon termodinamike: toplina spontano prelazi s mjesta više, na mjesto niže temperature sve do izjednačavanja temperatura. Q 90 C 50 C 50 C 15

16 Mehanizmi prijenosa topline Provoñenje (kondukcija): Furierov zakon voñenja topline: k=λ [W/mK] toplinska provodljivost Toplinska provodljivost λ=k [W/mK] bakar 385 T 1 Q čelik 50,2 beton 2 mineralna vuna 0,046 T 2 L A staklo 0,8 voda 0,6 zrak 0,025 16

17 Mehanizmi prijenosa topline Konvekcija (miješanje, komešanje): - prirodna - prisilna 17

18 Newtonow zakon hlañenja Furierov zakon voñenja topline: Newtonow zakon hlañenja: T 1 =T pov1 T zrak1 h [W/m 2 K] plošni koeficijent prijelaza topline strujanjem T 2 =T pov2 T zrak2 L A Q h [W/mK] mirnizrak 3,5-35 lagano puhanje jako puhanje mirna voda lagano miješanje vode kipuća voda u cijevima kipuća voda na ravnoj metalnoj površini Kondenzacija pare Kako najbrže rashladiti kavu mlijekom? 18

19 Mehanizmi prijenosa topline Zračenje (radijacija): Planckov zakon: c brzina svijetla h Planckova konstanta k Boltzmanova konstanta Wienov zakon: Stefan Boltzmanov zakon: σ=5, [W/m 2 K 4

20 Mehanizmi prijenosa topline Planckov zakon predstavlja raspodjelu zračenja. Stefan-Boltzmanov zakon (integral) predstavlja ukupno zračenje pri odreñenoj temperaturi. I [W/m 2 ] intenzitet zračenja (snaga po pov.) α + ρ + = 1 I Kirchoffov zakon: sposobnost tijela da apsorbira energiju jednaka je sposobnosti da emitira vlastitu energiju kao zračenje α = ε ε + ρ + = 1 20

21 Osnove termografije crno tijelo Literatura: M. Andrassy, I. Boras, S. Švaić, Osnove termografije s primjenom, Kigen, Zagreb,

22 Crno tijelo - kalibracija 22

23 Kalibracija IC kamera 23

24 Kalibracija kamere 24

25 Crno tijelo - Spitzer teleskop - NASA Space Infrared Telescope Facility, SIRTF 25

26 Valne duljine spektra - astronomija 26

27 Propusnost atmosfere na infracrveno zračenje Vidljivi spektar 0,39 0,75 µm Near infrared 0,7 1µm SW kratki val 1 3µm MW srednji val SW kratki val 3 5µm LW Dugi val 8 14µm 27

28 Emisivnost α + ρ + = 1 α = ε ε + ρ + = 1 28

29 Emisivnost Koeficijent emisivnosti ε ljudska koža 0,98 izolir-traka 0,95 cigla 0,93 porculan 0,92 žbuka 0,9 beton 0,9 0,97 drvo 0,8 0,9 Al anodiziran 0,6 0,97 Al poliran 0,04-0,06 zlato 0,018 0,022 29

30 Svjetloća površine α Gpr Ec=σ E=σ T 4 ε 4 Tatm τatm α Gref Boltzmannova konstanta σ=5,667 W/(m 2 K 4 ) Ec vlastita emisija crnog tijela E vlastita emisija realnog tijela ε emisijski faktor τatm - atmosferska propusnost Kamera vidi prividno zračenje površine! Razlučivost kamere 0,02 K Preciznost??? K 30

31 Reflektirana prividna temperatura Reflektirana prividna temperatura Pozadinska reflektirana temperatura Background temperature Ambijent temperature T refl, T back, T ambj Bitno, pri očitanju reflektirane prividne temperature: - postaviti ε=1 i udaljenost=0 - kamera pod kutom snimanja 31

32 Kut leće 38 leća 20 leća 12 leća 9 leća 32

33 Prostorna rezolucija IFOV - instantaneous field of view prostorna rezolucija IFOV je projekcija jednog piksela kroz leću Npr. 24 leća na 320 piksela 0,075 0,0013 rad 1,3 mrad 1,3 mm na 1 m udaljenosti 33

34 IFOV, MFOV, SSR, NETD Teorijski treba 2x2 piksela Zbog ograničenja optike realno 3x3 do 5x5 piskela MFOV Measured Field of View IFOV 1,3 mrad MFOV 3x1,3=3,5 mrad SSR Spot size ratio MFOV 3,5 mrad 3,5 mm na 1m 3,5mm : 1000 mm 286: 1 SSR 286 :1 dobro se vidi 1m objekt na 286 m udaljenosti ili 1 cm na 286 cm ili Preporuka kod izbora kamere: čim veći SRR i čim kraća udaljenost fokusiranja!!! NETD Noise Equivalent Temperature Difference toplinska rezolucija ili senzitivnost bitno da proizvoñač navede pri kojoj je temperaturi mjerenja, npr. pri 30 često no name proizvoñači ne navedu temperaturu pa se obično radilo o 50 C ili više Accuracy: pouzdanost mjerenja odstupanje od stvarne mjerene temperature (±2% ili ±2 C ) Ne miješati sa preciznošću: ponovljivost uzastopnih mjerenja. 34

35 Rezolucija - broj piksela 160x x x480 FLIR i60 180x180 piksela ,- kn FLIR T x240 piksela ,- kn 35

36 Temperaturna osjetljivost kamere Referentna slika (temp. raspon 26 C do 37 C) Usporedba (temp. raspon 33 C do 37 C) Senz. 0.1 C (160x120) Senz C (320x240) Senz C (640x480) Manje šuma

37 Na što se nakon snimanja ne može više utjecati F O R D FOkus temperature Range temperaturni raspon Distance 37

38 Fokus 38

39 Fokus 39

40 Kut kamere Kut 0 refleksija kamere i termografiste Kut prema 90 smanjuje se temperatura radi manje emisije energije s površine (smanjenje ε) 40

41 Palete boja Paleta B&W Paleta Hot metal Paleta ROYGIBV Paleta Cycle Paleta Iron bow 256 Paleta Rainbow Paleta Lockin Paleta Steel Uz termogram obavezno treba biti i skala!!! Paleta Hot metal Za velike temperaturne gradijente koristi palete s manje boja i obrnuto 41

42 Razina- raspon Razina level (uz konstantan raspon od 50 C) 42 [ 50 C ] [ 20 C ] [ 50 C ] Raspon span [ 50 C ]

43 Izoterma Izoterma predstavlja istu razinu prividnih temperatura!!! 43