Uvod u IC termografiju

Prof. Dr. sc. Lovre Krstulović-Opara

1

Katedra za konstrukcijeFakultet elektrotehnike strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Splitu

www.fesb.hr/kk

Spektar zračenja crnog tijela

vidljivoultraljubičasto infracrveno

Inte

nzi

tet z

račen

jaPlanckova spektralna raspodjela energije

Temperatura površine sunca 5780 K

2

Valna duljina

Inte

nzi

tet z

ra

Optički vidljivo - IC vidljivo ???

3

Povijest termografije

Sir William Herschel (1738-1822)-Astronom i kompozitor- otkrio IC zračenje i planet Uran

4

Sir John Frederick William Herschel - sin (1792-1871)

- astronom, kemičar, matematičar- eksperimentalni fotograf/izumitelj- ispitivao ultravioletno svjetlo- monokristal NaCl koristio kao leću na metalnoj ploči

5

premazanoj uljem

Povijest termografije

Langleyov bolometar iz 1878

Samuel Pierpont Langley(1834, 1906)- Astronom, fizičar, izumitelj

6

-Korišten za proučavanje sunčevog zračenjaSastavni dijelovi:

-Wheatstone-ov most- baterija i galvanometar- dvije tanke metalne trake

Sunčevo zračenje

Početak: vojna primjena

7

Detektori

8

Detektor s rotirajućim prizmamaAGA – FSB Zagreb

Leće i detektori

9

Germanij

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

10

Fotonski detektori:-uglavnom MW kamere- osjetljivost 15-20 mK - visoka frekvencija akvizicije- hlañeni:

-“termosica” s tekućim N2 (-100°C)- Stirlingov motor (-200°C)- Joule-Thomsonovo hladilo

Pregled digitalnih kamera

11

CEDIP INFRARED – SILVER 420M

FLIR SC 5000

• radna temperature senzora: -200°C• frekvencija akvizicije slike: do 150 Hz• mjerna osjetljivost: 0.02 K• rezolucija 320×256 piksela• spektralni raspon: 3.6÷5.1 µm (srednji val MW )• 100 slika u sekundi pri punoj rezoluciji

Osnovni pojmovi

Bumerang nebula1 K

Centaurus konstelacija

Toplina je energija [J=Ws]!

Količina topline u predmetu je ukupna kinetička energija čestica koje tvore predmet.

12

Centaurus konstelacija

Etna

Osnovni pojmovi

Temperatura je mjeraprosječne brzine molekula i atoma koji tvore tvari.

+ =100°C 100°C

Toplina opisuje koliko toplinske energije postoji pri zadanoj temperaturii masi. Više mase � viši sadržaj energije.

13

+ =100°C 100°C100°C

+ =100 J 100 J200 J

Kuda je nestala energija?

Ep=m·g·h

Ek=m·v2/2

14

hEk=m·v2/2

Ek= Ep=0

Osnovni pojmovi

15

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.

1. zakon termodinamike:

2. zakon termodinamike: toplina spontano prelazi s mjesta više, na mjesto nižetemperature sve do izjednačavanja temperatura.

30°C90°C

Q50°C

50°C

Mehanizmi prijenosa topline

Provoñenje (kondukcija):

16

k=λ [W/mK] – toplinska provodljivostFurierov zakon voñenja topline:

T1

T2

L

A

Toplinska provodljivostλ=k [W/mK]

bakar 385

čelik 50,2

beton 2

mineralna vuna 0,046

staklo 0,8

voda 0,6

zrak 0,025

Q

Mehanizmi prijenosa topline

Konvekcija (miješanje, komešanje):

- prirodna

17

- prisilna

Newtonow zakon hlañenja

h [W/m2K] – plošni koeficijent prijelaza topline strujanjem

Furierov zakon voñenja topline:

T1=Tpov1

Newtonowzakon hlañenja:

Tzrak1

18

L

AT2=Tpov2

Tzrak2

Qh [W/mK]

mirni zrak 3,5 - 35

lagano puhanje 25 - 70

jako puhanje 60 - 300

mirna voda 580 - 2300

lagano miješanje vode 2300 - 4700

kipuća voda u cijevima 4700 - 7000

kipuća voda na ravnoj metalnoj površini 3500 - 5800

Kondenzacija pare 10000 - 12000

Kako najbrže rashladiti kavu mlijekom?

Mehanizmi prijenosa topline

Zračenje (radijacija):

c – brzina svijetlaPlanckov zakon:

c – brzina svijetlah – Planckova konstantak – Boltzmanova konstanta

Wienov zakon:

Stefan – Boltzmanov zakon:

σ=5,67 10-8 [W/m2K4

Mehanizmi prijenosa topline

I [W/m2]– intenzitet zračenja (snaga po pov.)

Planckov zakon predstavlja raspodjeluzračenja.

Stefan-Boltzmanov zakon (integral) predstavlja ukupno zračenje pri odreñenoj temperaturi.

20

�·I

α + ρ + � = 1

Kirchoffov zakon: sposobnost tijela da apsorbira energiju jednaka je sposobnosti da emitira vlastitu energiju kao zračenje

α = ε

ε + ρ + � = 1

Osnove termografije – crno tijelo

21

Literatura: M. Andrassy, I. Boras, S. Švaić, Osnove termografije s primjenom, Kigen, Zagreb, 2008

Crno tijelo - kalibracija

22

Kalibracija IC kamera

23

Kalibracija kamere

24

Crno tijelo - Spitzer teleskop - NASA

Space Infrared Telescope Facility, SIRTF

25

Valne duljine spektra - astronomija

26

Propusnost atmosfere na infracrveno zračenje

SWkratki val3 ÷ 5µm

LWDugi val8 ÷ 14µm

MWsrednji val

SWkratki val1 ÷ 3µm

Nea

rin

fra

red

0,7

÷1µ

m

Vid

ljivi

sp

ekta

r0

,39

÷0

,75

µm

27

Emisivnost

�

�

α + ρ + � = 1α = ε

ε + ρ + � = 1

28

Emisivnost

29

Koeficijent emisivnostiε

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

Svjetloća površine

Tatm

τatm

α ·

Gp

r Ec=σ ·T4E=σ ·T4·ε

30

α ·

Gre

f

Boltzmannova konstanta σ=5,667 W/(m2K4)Ec – vlastita emisija crnog tijela

Razlučivost kamere – 0,02 K

Preciznost – ??? K

E – vlastita emisija realnog tijelaε – emisijski faktor

τatm - atmosferska propusnost

Kamera “vidi” prividno zračenje površine!

Reflektirana prividna temperatura

Reflektirana prividna temperaturaPozadinska reflektirana temperaturaBackground temperatureAmbijent temperatureTrefl, Tback, Tambj

31

Bitno, pri očitanju reflektirane prividne temperature: - postaviti ε=1 i udaljenost=0- kamera pod kutom snimanja

Kut leće

32

9° leća12° leća20° leća38° leća

Prostorna rezolucija

IFOV - instantaneous field of view – prostorna rezolucija

33

IFOV je projekcija jednog piksela kroz lećuNpr. 24° leća na 320 piksela� 0,075°� 0,0013 rad � 1,3 mrad� 1,3 mm na 1 m udaljenosti

IFOV, MFOV, SSR, NETD

Teorijski treba 2x2 piksela

MFOV – Measured Field of ViewIFOV 1,3 mrad� MFOV 3x1,3=3,5 mrad

SSR– Spot sizeratio

Zbog ograničenja optike � realno 3x3 do 5x5 piskela

34

SSR– Spot sizeratioMFOV 3,5 mrad� 3,5 mm na 1m � 3,5mm : 1000 mm � 286: 1SSR 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: pouzdanostmjerenja– odstupanje od stvarne mjerene temperature (±2% ili ±2°C )

Ne miješati sa preciznošću: ponovljivost uzastopnih mjerenja.

Rezolucija - broj piksela

160x120

35

320x240

640x480FLIR i60 180x180 piksela

65.780,- knFLIR T425 320x240 piksela

159.334,- kn

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. 0.07°C (320x240) Senz. 0.05°C (640x480)

Manje šuma

Na što se nakon snimanja ne može više utjecati

FORD

FOkus

temperature Range – temperaturni raspon

Distance

37

Fokus

38

Fokus

39

Kut kamere

Kut 0°→ refleksija kamere i termografiste

40

Kut prema 90°→ smanjuje se temperatura radi manje emisije energije s površine (smanjenje ε)

Palete boja

Paleta B&W Paleta Hot metalPaleta ROYGIBV Paleta Cycle

Paleta Ironbow256

Paleta Rainbow Paleta Lockin Paleta Steel

41

Paleta Hot metal

Uz termogram obavezno treba biti i skala!!!

Za velike temperaturne gradijente koristi palete s manje boja i obrnuto

Razina- raspon

Razina –level (uz konstantan raspon od 50°C)

[

50

°C

]

[

50

°C

]

42

Raspon – span

[ 2

0°C

]

[

5

0°C

]

Izoterma

43

Izoterma predstavlja istu razinu prividnih temperatura!!!