laboratorium metrologii pomiary temperatury nagrzewanego wsadu

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]:
ek =
3
3 p
kT =
2
2 nc
(1)
gdzie:
k – stała Boltzmanna
T – temperatura molekuły w skali bezwzględnej
p – ciśnienie gazu
nc – 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 T1 i T2, gdzie T2>T1, ciepło
przekazywane jest samorzutnie od substancji o temperaturze wyższej do tej o niższej, czyli od
T2 do T1.
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 e&cλ ,
w oparciu o teorię kwantów opisał Planck:
⎛ T ⎞
e&c = σ ⋅ T = C 0 ⋅ ⎜
⎟
⎝ 100 ⎠
4
4
gdzie:
σ = 5,6696 ⋅ 10 −8 W / (m 2 ⋅ K 4 )
T
C 0 = 5,67W / m 2 ⋅ K 4
(
)
(2)
- stała Stefana – Boltzmana;
- temperatura bezwzględna, K;
- techniczna stała promieniowania.
Zgodnie z równaniem (2) emisja własna ciała czarnego o powierzchni F wynosi:
4
E& c = F ⋅ e&c = F ⋅ σ ⋅ T 4 = F ⋅ C 0 (T / 100 )
(3)
Natomiast emisja własna ciała rzeczywistego o emisyjności ε, wyrażona może być
równaniem:
4
E& = ε ⋅ F ⋅ e&c = ε ⋅ F ⋅ σ ⋅ T 4 = ε ⋅ F ⋅ C 0 (T / 100)
(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, Wrefl, Wobj, Watm - moc
poszczególnych źródeł promieniowania jaka dociera do kamery, Trefl, Tobj, Tatm – temperaturę
tych samych źródeł. Całkowitą moc promieniowania podczerwonego odbieranego przez
kamerę wyraża równanie:
Wtot = ε ⋅ τ ⋅ Wobj + (1 − ε ) ⋅ τ ⋅ Wref + (1 − τ ) ⋅ Watm
3
(5)
W detektorze kamery, moc Wtot 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