Termowizja i jej wykorzystanie w diagnostyce

Transkrypt

Katedra Transportu Szynowego
Politechnika Śląska
Diagnostyka Pojazdów Szynowych
Termowizja i jej wykorzystanie
w diagnostyce pojazdów
szynowych
KATEDRA TRANSPORTU SZYNOWEGO
WYDZIAŁ TRANSPORTU
POLITECHNIKA ŚLĄSKA W KATOWICACH
Dr inż. Mańka Adam
2014-12-05
Termowizja
Temperatura jest wielkością fizyczną wpływającą na
wszelkie naturalne zjawiska fizyczne oraz na wszystkie procesy
fizjologiczne, technologiczne i cieplne. Jest to również jeden z
najważniejszych parametrów we wszelkich badaniach naukowych.
W wielu przypadkach znajomość temperatury warunkuje trwałość
i bezpieczeństwo obsługi urządzeń i aparatury. Dokładny pomiar
temperatury, a niekiedy jej stałość ma zasadniczy wpływ na wyniki
badań we wszystkich dziedzinach nauki, niekiedy tak odległych od
siebie jak medycyna i astronomia, geologia i loty kosmiczne,
rolnictwo i przetwórstwo metali. Dokładny pomiar temperatury jest
konieczny dla dokładnej jej regulacji, co zasadniczo wpływa na
jakość procesów produkcyjnych.
2014-12-05
Materiały szkoleniowe Katedry Transportu Szynowego, Politechniki Śląskiej
(Powielanie, kopiowanie i cytowanie bez pisemnej zgody niedozwolone) [email protected]
2
Termowizja
Teoretycznie każdy parametr ciała zmieniający swoją wartość w
funkcji temperatury można wykorzystać jako jej miarę. Można,
więc posłużyć się zjawiskiem zmian wymiarów liniowych, gęstości,
oporności elektrycznej, naprężenia mechanicznego, barwy itp.
Praktycznie do określania temperatury znalazły zastosowanie
tylko niektóre z wyżej wymienionych własności.
2014-12-05
3
Istnieje wiele metod pomiaru temperatury różniących się
zasadą
działania,
zakresem
pomiarowym
i
typowymi
zastosowaniami. Ogólnie znane i powszechnie stosowane są
pomiary temperatury za pomocą termometrów rtęciowych,
termoelementów (zwanych pospolicie termoparami), termometrów
oporowych i manometrycznych. Wszystkie wymienione przyrządy
mają jednak szereg wad, a mianowicie: mogą być używane tylko
do wyznaczania temperatury w wąskim zakresie pomiarowym, nie
nadają się najczęściej do pomiaru temperatury ponad 1200ºC,
otrzymywany sygnał przeważnie nie może być stosowany w
układach rejestracji, sterowania lub automatyzacji procesu
technologicznego, dodatkowym utrudnieniem przy prowadzeniu
pomiarów czujnikami wymienionych typów jest konieczność
wprowadzania przyrządu do wnętrz ciała ogrzanego, co nastręcza
wielokrotnie duże trudności.
2014-12-05
4
Przyrządami pozbawionymi wymienionych wad są
pirometry i kamery termowizyjne. Są one przystosowane są do
bezstykowego pomiaru temperatury. W pirometrach i kamerach
termowizyjnych temperaturę wyznacza się w oparciu o
promieniowanie temperaturowe wysyłane przez ciało lub ośrodek
badany, zarówno w zakresie promieniowania jak i części
promieniowania podczerwonego. Pirometry i kamery termowizyjne
mają szereg zalet, które kwalifikują je do grupy przyrządów
uniwersalnych. Przede wszystkim nie wprowadzają zakłóceń w
mierzone pole temperaturowe, mogą być stosowane do
nieograniczenie wysokiej temperatury, do pomiarów płomieni i
gazów. Mają małą bezwładność cieplną, dużą dokładność, a
sygnał otrzymywany z tych urządzeń jest zazwyczaj
przystosowany do współpracy z układami rejestracji, sterowania i
automatyzacji
procesów
technologicznych.
2014-12-05
5
Termowizja (ang. thermovision) to specjalny rodzaj telewizji, która rejestruje
ciepło emitowane przez obiekty będące w jej polu widzenia, a dokładniej – emisję
promieniowania podczerwonego. U podstaw działania termowizji leży prawo StefanaBoltzmanna, które mówi, że całkowita energia wypromieniowywana przez ciało
doskonale czarne jest proporcjonalna do czwartej potęgi jego temperatury.
W praktyce stosuje się także, pojęcie ciała szarego. Emituje (lub absorbuje) ono mniej
energii niż ciało doskonale czarne. Zależy to bowiem od współczynnika emisyjności
(absorpcji), danej powierzchni, który jest funkcją składu chemicznego oraz stanu tejże
powierzchni. Termowizja polega więc na rejestrowaniu przez specjalną kamerę,
podczerwonej części widma emitowanego przez ciało, które następnie jest przetwarzane
na kolorową mapę temperatur. Innymi słowy system termowizyjny jest niczym innym niż
dość niezwykłym termometrem. Niezwykłym, bo umożliwia pomiar temperatury na
odległość i jednocześnie w wielu miejscach. Należy jedynie pamiętać, że bezpośrednie
porównywanie temperatur na termogramie (kolorowym obrazie rozkładu temperatur) jest
możliwe tylko dla tych samych materiałów. Jeżeli są one różne, to temperatury należy
przeliczyć.
2014-12-05
6
Termowizja
Emisyjność jest wskaźnikiem mówiącym o zdolności danego obiektu
wypromieniowania energii promienistej. Dużą wartość ε obiektu świadczy o tym, że jest
on dobrze „mierzalny” przez kamerę. Jeśli ε jest bliskie zera, to świadczy o tym, że
obiekt jest trudno „mierzalny” przez kamerę. Wiąże się to z wpływem promieniowania
otoczenie odbitego od obiektu. Wartość współczynnika emisyjności zależy od rodzaju
materiału, wykończenia jego powierzchni (polerowana, utleniona), geometrii
powierzchni, temperatury materiału [T], długości fali obserwacji [λ] – promieniowanie
krótko – i długofalowe, kąta obserwacji [α]. Istnieją też doniesienia naukowe mówiące o
tym, że dla zjawisk o dużej szybkości zmian temperatury następują również znaczące
zmiany emisyjności. Efekt ten jest powodem pogorszenia dokładności pomiaru
temperatury szybkich procesów cieplnych za pomocą za pomocą metod bezstykowych.
Ogólnie można więc zapisać, że:
τ – czas [s],
T – temperatura materiału [ºC],
λ – długość fali obserwacji [μm],
α – kąt obserwacji [rad].
2014-12-05
7
Termowizja
Promieniowanie obiektu, po przejściu przez atmosferę, pada na układy
optyczne kamery termowizyjnej. Optyka kamery jest wykonana z materiałów, które nie
są przezroczyste dla światła widzialnego. Najczęściej jest to krzem Si lub german Ge.
Dla kamer krótkofalowych – SW: 2 ÷ 5μm (SW ang. Short Wave) – lepsze parametry
posiada charakterystyka krzemowa, zaś dla długofalowych LW: 8 ÷ 14μm (LW ang. Long
Wave) – germanowa. Przy konstrukcji układów optycznych należy uwzględnić
problematykę załamania promieniowania podczerwonego na granicy dwóch ośrodków
(np. atmosfery i materiału optyki).
Każdy materiał optyki tłumi promieniowanie obiektu. Jest to poważny problem
w konstrukcji kamer termowizyjnych, tym bardziej, że często optyka składa się z dwóch
lub więcej soczewek. W celu uniknięcia strat użytecznego promieniowania obiektu,
stosuje się odpowiednio dobrane, najczęściej wielowarstwowe, powłoki antyrefleksyjne,
którymi pokrywa się soczewki. Są to bardzo cienkie powłoki o grubości rzędu 0,25μm.
Uzyskanie mniejszych strat promieniowania umożliwia zbudowanie czulszych kamer o
mniejszej wartości temperaturowej zdolności rozdzielczej.
2014-12-05
8
Termowizja
Detektor podczerwieni jest przetwornikiem energii promieniowania podczerwonego na
inną wielkość fizyczną np. prąd, napięcie, zmianę rezystancji lub pojawienie się ładunku.
Najprostszy detektor podczerwieni zastosował Herschel w swym doświadczeniu. Był to
szklany termometr rtęciowy. W literaturze można spotkać różne kryteria podziału
detektorów. Podzielono je na detektory termiczne i fotonowe. Pryncypalnie odmienny
(raczej z punktu widzenia użytkownika) podział detektorów to:
• chłodzone i niechłodzone,
• pracujące w temperaturze otoczenia.
Do 1997 roku wszystkie produkowane kamery termowizyjne były wyposażone w
detektory chłodzone do temperatury od – 70ºC (rzadko,) do – 200ºC (najczęściej).
Detektory w kamerach termowizyjnych mogą też być pojedyncze, linijkowe lub
budowane w postaci matryc (ang. FPA - Focal Plane Array – rys. poniżej) , składających
sic np. z 320 x 240 pojedynczych detektorów (pikseli).
2014-12-05
9
Termowizja
Przykładowe detektory matrycowe FPA
2014-12-05
10
Termowizja
W związku z faktem, ze wyróżnia się dwa pasma dobrego przepuszczania
promieniowania atmosfery, tj. krótkofalowe SW 2 ÷ 5μm oraz długofalowe LW 8 ÷ 14μm,
wytworzył sic także naturalny podział detektorów i kamer termowizyjnych na
krótkofalowe i długofalowe.
Historycznie było inaczej! Najpierw, około 40 lat temu, opracowano detektory InSb (2,5 ÷
5,6 μm), które długo ,,królowały” w konstrukcji kamer. Potem prace, głównie nad
detektorem HgCdTe, doprowadziły do ,,opanowania” przedziału 8 ÷ 14μm, co pokryło sic
z istniejącymi oknami atmosferycznymi, prowadząc do podziału SW, LW. Przy doborze
detektorów do kamer należy zapewnić, aby w tych pasmach charakteryzowały się
maksymalną wykrywa1nością. Technologia produkcji detektorów podczerwieni należy
obecnie do najbardziej dynamicznie rozwijających sic dziedzin wiedzy. Dlatego
corocznie pojawiają, się setki publikacji przeg1ądowych, oryginalnych patentów na ten
temat.
2014-12-05
11
Termowizja
Wśród detektorów termicznych można wyróżnić:
Detektory bolometryczne – są to rezystory o bardzo malej pojemności cieplnej i dużym ujemnym współczynniku
temperaturowym zmian rezystancji. Pod wpływem mierzonego promieniowania zmieniają, swoje rezystancje.
Bolometry metaliczne, wykonywane z cienkich folii lub z naparowanych warstw niklu, bizmutu lub antymonu, są
stosowane do chwili obecnej. Ich cecha charakterystyczną jest to, że mogą pracować w temperaturze pokojowej.
Budowane są, też detektory bolometryczne półprzewodnikowe, nadprzewodzące oraz ferroelektryczne.
Detektory termoelektryczne – są zbudowane na bazie termostosu (układ szeregowo połączonych
termoelementów). Złącze pomiarowe jest połączone z elementem fotoczułym, na który pada promieniowanie
podczerwone. Pod wpływem zaabsorbowanego promieniowania wzrasta temperatura powierzchni aktywnej od T
do T+ ΔT, powodując nagrzanie złącza. Różnica temperatur złączy powoduje powstanie siły termoelektrycznej.
Detektory piroelektryczne – są zbudowane z półprzewodników, w których może wystąpić tzw. ,,zjawisko
piroelektryczne”. Cechą odróżniającą je od innych typów detektorów termicznych jest to, że są czułe na szybkości
zmian temperatury, a nie na jej wzrost. Dlatego w kamerach termowizyjnych na1eży zastosować specjalne
przesłony wibrujące z częstotliwością 25(30) lub 50(60) Hz. Powodują one, ze porównywany jest poziom
promieniowania padającego na dwa sąsiednie detektory (piksele). Jeżeli występuje różnica natężenia
promieniowania, wówczas generowany jest sygnał pozwalający na zobrazowanie występujących różnic. Jeżeli
różnica nie występuje, wówczas brak jest także reakcji detektora. Ta cecha powoduje, że niekiedy
wykorzystywane są one również jako czujniki (detektory) ruchu. Detektory te występują jako niechłodzone w
kamerach obserwacyjnych.
2014-12-05
12
Termowizja
Wśród detektorów fotonowych można wyróżnić:
Detektory fotoprzewodzące – (zwane fotorezystorami) są to detektory z tzw. wewnętrzną emisją fotoe1ektryczną. Padające
promieniowanie podczerwone powoduje zmianę rezystancji fotorezystora. Zmiany przewodnictwa są mierzone na kontaktach
elektrycznych dołączonych do płytki detektora. Zwykle jest stosowana poprzeczna geometria fotorezystorów, gdy padające
promieniowanie jest prostopadłe do kierunku prądu po1aryzującego. Mierzony sygnał stanowi zmianę napięcia na rezystorze
obciążenia włączonego w szereg z detektorem. W przypadku detektorów o dużej rezystancji preferowany jest obwód
stałonapięciowy, a sygnał pomiarowy stanowi prąd w obwodzie detektora.
Detektory fotoemisyjne – są to detektory z tzw. zewnętrzną emisją fotowoltaiczną. Zjawisko fotoemisji polega na emisji elektronów
z materiału na zewnątrz (z fotokatody do wolnej przestrzeni) w wyniku wybicia go przez padający foton. Foton jest absorbowany w
materiale fotokatody osadzonym na podłożu. Często materiał podłoża jest przezroczysty dla padającego promieniowania.
Detektory na studniach kwantowych – (QWIP Quantum Well Infrared Photodetector - studniowe fotonowe detektory podczerwieni)
opracowała Firma AT&T na początku lat 90. Strukturę stanowią cienkie warstwy A1GaAs oraz GaAs. W celu zapewnienia
optymalnych parametrów pracy wymagają schłodzenia do temperatury –203ºC (–70K) za pomocą chłodziarki Stirlinga zabudowanej
w naczyniu Dewara, czyli wymagają nieco większego schłodzenia niż typowe detektory chłodzone: –196ºC (–77K). Obecnie są to
najczulsze detektory o temperaturowej zdo1ności rozdzielczej 20÷40mK, dlatego stosowane są głównie do badań naukowych.
Największa wykrywa1ność widmową mają. w paśmie długofalowym (LW) 8÷9μm o bardzo wąskiej szerokości, tj. 1μm. Ich cechą
charakterystyczną jest stosunkowo wysoka jednorodność poszczególnych elementów (pikseli) matrycy.
2014-12-05
13
Termowizja
Wyróżnia się dwa pasma dobrego przepuszczania promieniowania atmosfery, tj. krótkofalowe SW 2 ÷ 5µm oraz
długofalowe LW 8 ÷ 14 µm. Wytworzył się także naturalny podział detektorów i kamer termowizyjnych na
krótkofalowe i długofalowe.
Przy doborze detektorów do kamer należy zapewnić, aby w tych pasmach charakteryzowały się maksymalne
czułością. Inny podział, wynikający z rodzaju zastosowanych detektorów, to kamery z detektorami: chłodzonymi
(w których zastosowano chłodziarki) i niechłodzonymi, pracującymi w temperaturze otoczenia. Do 1997 roku
wszystkie produkowane kamery termowizyjne były wyposażone w detektory chłodzone do temperatury od –70°C
(rzadko) do –200°C (najczęściej). Ponadto na rynku spotyka się kamery pomiarowe, wzorcowane u producenta,
służące do pomiaru temperatury, oraz kamery obserwacyjne, pokazujące tylko barwny rozkład temperatury
obszaru. Kamery obserwacyjne są tańsze od pomiarowych, dlatego stosowane są często, np. przez straż
graniczną do nocnych obserwacji granic.
Detektory w kamerach termowizyjnych mogą być pojedyncze, linijkowe lub też budowane w postaci matryc (ang.
FPA - Focal Plane Array), składających się np. z 320x240 pojedynczych detektorów (pikseli).
2014-12-05
14
Termowizja
Materiał został opracowany na podstawie monografii:
- Minkin W.: „Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody” Wydawnictwo Politechniki
Częstochowskiej, Częstochowa 2004;
- http://www.termowizja.biz
2014-12-05
15
Termowizja
-
2014-12-05
16

Termowizja i jej wykorzystanie w diagnostyce

Transkrypt

Podobne dokumenty

drogi szynowe_niest_I

informator

Technik elektroenergetyk transportu szynowego

kierunek BUDOWNICTWO KARTA CHA

Krajacz na nożycach - H. Cegielski

Produkty wykrywalne przez detektory metali