Témata
Reklama

Metody bezdotykového měření teploty

V minulém vydání MM Průmyslového spektra jsme vám přinesli první část dvoudílného seriálu o metodách bezdotykového měření teploty. Po základní obecné teorii a úvodním seznámení se systémem měření pyrometry následuje jejich rozdělení a popis činnosti jednotlivých typů, ale svůj prostor zde dostane i termovize.

Radiační pyrometry se označují se jako pyrometry úhrnné, celkové, integrační nebo ardometry. Využívají tepelného záření ve velké oblasti vlnových délek (teoreticky v celém rozsahu), který je omezen pouze absorpční schopností detektoru a propustností optiky pyrometru. Emisivita nečerných zářičů je silně závislá na jakosti povrchu tělesa, materiálu a teplotě. Protože korekce údaje pyrometru je velmi obtížná, používají radiační pyrometry k měření teploty pouze černé zářiče, popř. zářiče jim blízké.
Tepelné záření, vysílané měřeným objektem, se soustřeďuje optickým systémem na snímač radiačního pyrometru. Optický systém bývá sestaven z čoček nebo zrcadel. Snímačem bývá nejčastěji baterie termočlánků (až 30 měřicích spojů na ploše 4 mm2), dále bolometr (fóliový odporový teploměr) nebo termistor. Povrch snímače bývá začerněn. Přijímač záření i optika musejí být pokud možno nezávislé na vlnové délce. Tato podmínka je splněna jak pro termočlánek, tak i pro bolometr. Volba optiky se řídí měřicím rozsahem, který bývá standardně 600 až 2000 oC a 0 až 1000 oC. V rozmezí nižších teplot je lepší pracovat jen se zrcadlovou optikou s kovovým povrchem zrcadel. Vstupní okénko takového pyrometru bývá chráněno před prachem tenkou fólií z umělé hmoty, která propouští infračervené záření.
Užitím vhodných polovodičových snímačů záření lze dosáhnout vysoké citlivosti, ovšem pouze v určitém pásmu vlnových délek. Tyto přístroje se vyznačují nízkou časovou konstantou (řádově 10-2 s) na rozdíl od přístrojů s tepelnými snímači. Vzhledem k vysoké citlivosti mohou být použity i pro měření teploty těles malých rozměrů (? tělesa 1,5 mm ze vzdálenosti 150 mm).
Všechny radiační pyrometry pracují s malými chybami pouze v případech, kdy emisivita ? ®1. Tuto podmínku splňují dobře uzavřené prostory, objekty bez lesku apod. Při měření se často používají uzavřené keramické trubice, které jsou vloženy uzavřeným koncem do měřeného prostředí (např. pece). Na dno trubky se pak zaměří pyrometr. Aby pyrometr měřil teplotu zářiče správně, musí být zaručeno, že na přijímač záření dopadají jen tepelné paprsky zářiče. Zdrojem častých chyb je rušivě působící denní světlo; např. těleso ozářené sluncem nelze měřit. Měření je nezávislé na vzdálenosti přístroje od měřeného tělesa, pokud obraz tělesa kryje obrys přijímače záření. Kontrola se provádí vizuálně okulárem. Obsahuje-li atmosféra mezi objektem a radiačním pyrometrem složky absorbující infračervené záření, dochází k ovlivnění výstupního údaje.
Radiační pyrometry jsou vyráběny v provedení pro ruční měření, jako přístroje přenosné nebo pro stacionární použití. Při stacionárním použití je nutné v hutních provozech tyto pyrometry chladit vodou nebo vzduchem.
Pásmové pyrometry (fotoelektrické) - využívají určitou část spektra tepelného záření, které je v podstatě širší než u spektrálních pyrometrů, avšak užší než u pyrometrů, které využívají celkového záření. Mezi pásmové pyrometry se řadí většina dnes vyráběných pyrometrů, které využívají fotoelektrický detektor.
Provedení pásmového pyrometru je závislé na mnoha okolnostech (na rozmezí měřené teploty, na vlastnostech měřeného objektu, na atmosféře, která je mezi objektem a pyrometrem). Pásma vhodných vlnových délek, se kterými pyrometr pracuje, závisí na citlivosti detektoru, záření a optice použitých filtrů. Detektory se volí takové, aby jejich citlivost ležela mimo absorpční pásmo vyskytujícího se plynu. Jako detektor se používá fotonka, fotočlánek, fotodioda, fototranzistor a fotoodpor. Selenové fotočlánky jsou citlivé v oblasti viditelného záření, křemíkové fotočlánky v rozsahu 0,6 až 1,1 ?m, germaninové diody mezi 0,4 a 1,8 ?m, fotoodpory mezi 0,5 a 3,6 ?m apod. K jejich výhodám patří rychlá reakce a malé rozměry snímané plochy měřeného objektu (měření teploty malých objektů).
Přenosné pyrometry jsou kompaktní přístroje s jednoduchým ovládáním. Stabilní pyrometry se skládají ze dvou propojených částí - snímací a vyhodnocovací. Snímací je u měřeného objektu, vyhodnocovací může být v jiném prostoru než měřený objekt.
Energie vyzařovaná povrchem měřeného objektu prochází optickým systémem a dopadá na detektor, který má požadovanou spektrální charakteristiku. Optický systém mívá pevnou ohniskovou vzdálenost (fixfokus). Ohnisková vzdálenost objektivu určuje velikost snímané plochy, kterou detektor na měřeném objektu vidí (lze zaměřit pomocí hledáčku), a tím se definuje zorné pole přístroje. Některé pásmové pyrometry mají vestavěné zdroje laserového záření, které usnadňují zaměření tím, že na měřeném objektu vizuálně vyznačí snímanou plochu. Fotoelektrický detektor převádí tepelné záření na elektrické napětí, proud nebo odpor. Výstupní signál je zpracován v elektronické jednotce pyrometru.
Signál se v A/D převodníku digitalizuje a zpracovává mikroprocesorem, který podle vloženého programu zajišťuje různé korekce a matematické úpravy měřených dat a jejich ukládání do paměti. Většina pásmových pyrometrů má displej, na kterém je možno číst naměřené hodnoty v požadovaných jednotkách (stupně Celsia atd.) nebo min. a max. hodnoty teploty v jistém časovém intervalu, jejich rozdíl a průměrné hodnoty. Současně je nutno upozornit, že pásmové pyrometry jsou kalibrovány na teploty absolutně černého tělesa, proto je potřeba brát v úvahu skutečnou hodnotu emisivity měřeného tělesa, která je při měření zjišťována. To se provádí pomocí korekce emisivity při měření pyrometrem.
Pásmová emisivita u skutečných objektů velmi silně kolísá, a proto je odhad chyby pouze přibližný. Hlavní pole použití pásmových pyrometrů je tam, kde se mezi měřeným objektem a pyrometrem náhodně vyskytuje plyn nebo vodní pára v oblasti infračerveného záření, jako např. CO2, vodní pára apod.
Ke zpracování signálu se u současně vyráběných přístrojů využívá moderních elektronických obvodů řízených mikroprocesorem. Do paměti se ukládají údaje o maximální a minimální měřené teplotě, střední hodnota teploty a údaj o rychlosti změny teploty. Na displeji je k dispozici měřený údaj i hlášení o poruchových stavech. Velikost emisivity se zadává prostřednictvím obslužné klávesnice.
Reklama
Reklama
Reklama

Termovize

Termovize je infračervený systém přenosu záznamu pomocí televizního signálu, umožňující zobrazení rozdělení teplot povrchu pozorovaného objektu. Termovizní systém pracuje velmi rychle, teplotní pole je snímáno speciální termovizní kamerou a zobrazuje se na obrazovce speciálního monitoru ve velikosti celého sledovaného objektu, což umožňuje lépe sledovat souvislosti pozorovaných jevů, případně zkoumat dynamický vývoj teplotního pole na celém objektu. Monitory termovizních systémů zobrazí teplotní pole měřeného povrchu na obrazovce pomocí termogramu, tj. plochou s různým stupněm šedi - od černé do bílé, popř. barevně. Jednotlivým rozmezím teplot jsou přiřazovány různé barvy. Po stranách obrazu jsou pak stupnice umožňující identifikaci konkrétních teplot v obraze. Při určování teplot je nutné znát a respektovat emisivitu objektu v daném místě, podobně jako u pyrometrů. U černobílých termovizních systémů je režim barevného zobrazení teplotního pole nahrazen možností zobrazení jedné nebo dvou vybraných izoterem. Termogram lze pozorovat, filmovat, popř. zaznamenat na magnetofon.
Základním funkčním prvkem termovize je detektor infračerveného záření. V současné době se používají detektory kvantové a pyroelektrické. Kvantové detektory při dopadu infračerveného záření zvyšují svoji elektrickou vodivost. Jsou selektivní a vyžadují chlazení na nízkou teplotu. Nejčastěji se používá antimonit india (InSb) chlazený kapalným dusíkem, a to u kamer s rozkladem obrazu. Pyroelektrické detektory se při dopadu infračerveného záření ohřívají a vzniká v nich elektrický náboj. Jsou neselektivní a nevyžadují chlazení, ovšem pracují při běžné teplotě.
Dalším důležitým prvkem je snímací systém, který může být dvojího druhu - s postupným rozkladem obrazu a přímo zobrazující. Snímací systémy s postupným rozkladem obrazu jsou používány více. Pracují s opticko-mechanickým nebo elektrickým rozkladem obrazu a kvantovým detektorem. Mezi jejich výhody patří zejména: možnost pozorování termogramu i při denním světle; volba kontrastu termogramu ve velkých mezích, stejně jako teplotní rozsah, barevná reprodukce obrazu a možnost záznamu termogramu.
Přímo zobrazující systémy používají velkoplošné pyroelektrické detektory. Na povrchu detektoru se vytváří nábojový obraz úměrný dopadajícímu záření. Jejich použití je omezeno nižší přesností. Termovize patří mezi nákladná, ale velmi užitečná zařízení pro měření teploty v různých oborech lidské činnosti
Tento příspěvek vznikl na TU v Liberci s podporou grantu MŠMT ČR č. 242100002
Prof. Ing. Iva Nová, CSc.
Ing. Bc. Stanislava Krýslová
Ing. Bc. Zdeňka Krýslová
Reklama
Vydání #12
Kód článku: 41278
Datum: 15. 12. 2004
Rubrika: Výroba / Měření
Autor:
Firmy
Související články
Kontrola rotačních součástek v sériové výrobě

Hřídelové a kotoučové součástky patří k nejrozšířenějším ve strojírenství. S nástupem elektromobility jejich podíl zřejmě ještě poroste. Sériová výroba běžně pracuje v sekundovém taktu, a stejně tak rychlá musí být nově i kontrolní technika. Stoprocentní kontrola se již stává samozřejmostí.

Plováčkové průtokoměry na olej

Výrobou přístrojů pro polní instrumentaci se dlouhodobě a úspěšně zabývá celosvětově působící společnost Kobold Messring. Do jejího hlavního programu patří průtokoměry, teploměry, hladinoměry a tlakoměry.

Jak dokonale měřit průtok

Pro měření průtoků v průmyslových závodech nebo pro testování složení protékající tekutiny dnes existuje řada snímačů průtoku a průtokoměrů, které lze použít v nejrůznějších pracovních prostředích. Mnohé z nich pocházejí z dílny společnosti Kobold Messring GmbH.

Související články
Optický CMM skener

Firma Creaform letos v dubnu představila nový model 3D skeneru MetraScan 3D, který díky svým inovacím a parametrům nastavuje nový standard v oblasti metrologie a laserového 3D skenování.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Střípky ze svátku metrologie

Ještě před letošním svátkem metrologů, jenž se slaví 20. května, se konala tradiční metrologická událost světového rozsahu – veletrh Control v německém Stuttgartu.

Expimer - expresní zařízení pro rychlé stanovení materiálových vlastností

Expimer, prezentovaná instrumentovaná měřicí soustava pro stanovení mechanických vlastností materiálů indentační metodou, může být alternativním způsobem, jak rychle definovat materiálové vlastnosti. Celý proces spočívá v tom, že na základě parametrů získaných v průběhu makroprocesu automatizovaného vtlačovaní indentoru kulového tvaru (ABI) do povrchu materiálu bez porušení konstrukce, lze rychle zjistit požadované materiálové vlastnosti. Tato metoda je jedinečná vzhledem k jednoduchosti, rychlosti vyhodnocení, manipulovatelnosti a užitečnosti pro stanovení mechanických vlastnosti materiálů během jejich vývoje, výroby a zejména v pracovních podmínkách provozu.

Multisenzorová souhra - měřicí stroje s pevným portálem

Po mnoho let se souřadnicové měřicí stroje společnosti Werth Messtechnik GmbH osvědčují při měření s více snímači umístěnými na dvou nezávislých osách. Nebezpečí kolize mezi snímačem a obrobkem se tak podstatně sníží, protože senzory, které nejsou používány, jsou zasunuty.

Měření a korekce chyb obráběcího stroje ve výrobním procesu

Vlivem kolísání teplot ztrácejí obráběcí stroje svoji přesnost. Již rozdíl několika málo stupňů vede k nedodržení požadovaných výrobních tolerancí. Pro zvládnutí tepelné roztažnosti částí stroje se dosud používají nákladná klimatizační zařízení. Fraunhofer Institut – IPT jde nyní jinou cestou: nová měřicí technika zjišťuje deformaci stroje a koriguje chyby přímo během jeho práce.

Měřicí technika na Control 2015

Letošního stuttgartského mezinárodního veletrhu Control 2015, zaměřeného na problematiku kvality, se účastnilo na 917 vystavovatelů. Jejich setkání s návštěvníky dokumentovalo novinkami a inovovanými technologiemi současnou úroveň dané oblasti, ale bylo inspirativní také pro další rozvoj oboru.

Sondy pod lupou

Pro koupi jakéhokoliv produktu platí jednoduché pravidlo: Hledáme produkt s nejlepším poměrem výkon/cena. Zatímco srovnání cen je triviální matematickou záležitostí, porovnat výkon produktu, respektive jeho přidanou hodnotu, bývá někdy složité.

Komplexní hodnocení jakosti povrchu

Význam stavu povrchů ve strojírenské praxi je znám již mnoho let. Z tohoto důvodu vznikly pro jejich popis, snímání a hodnocení obecně platná pravidla a metodiky, které se promítly do příslušných norem s obecně známými parametry drsnosti povrchu (Ra, Rz apod.). Pohled na drsnost bývá ovšem ve většině těchto případů pouze profilový - v jedné řezové rovině -, což způsobuje nemožnost objektivního podchycení všech jeho vlastností ve všech směrech (tj. v ploše). Proto vznikají způsoby komplexnějšího snímání - převážně optického v podobě 3D skenů -, ke kterým je nutné odpovídajícím přístupem vytvořit další parametry a metodiky pro jejich objektivní hodnocení.

Přesné měření libovolného materiálu nebo povrchu

Společnost Keyence uvedla na trh řadu konfokálních snímačů polohy CL-3000 pro vysoce přesné měření na jakémkoliv materiálu nebo povrchu. Tyto vysoce kompaktní koaxiální laserové snímače polohy pomáhají s takovými úkoly, jako je zlepšování kvality, prevence dodávek nevyhovujících dílů a zvyšování objemu výroby.

Měření v rámci celého výrobního řetězce

Na cestě k aplikaci konceptu Průmyslu 4.0 se měřicí a kontrolní technologie čím dál víc používají jako řídící nástroj ve výrobě. V rámci plnění této nové role ale potřebují pružněji a rychleji zachytit kvalitativní údaje na různých místech: v měřicí laboratoři, v těsné blízkosti výrobní linky, stejně tak jako přímo v ní.

Měřicí technologie pro Průmysl 4.0 v Nitře

Průmysl 4.0 závisí na propojení systémů schopných spolu komunikovat, schopných získávat, vyhodnocovat a sdílet data a na takto zpracované informace reagovat v reálném čase. Údaje z měření jsou nezbytné pro shromažďování informací, které mají být použity při inteligentním rozhodování za účelem zabránit nežádoucím procesním změnám.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit