merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 1 Merjenje temperature s termovizijskimi kamerami

Transcript

1 merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 1 Merjenje temperature s termovizijskimi kamerami

2 merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 2 Uvod Termovizija je postopek, ki omogoča brezdotikalno zaznavanje temperatur opazovanih objektov. Medtem ko je vidna slika predvsem rezultat razlik v odbojnosti teles in je za njen nastanek nujno potrebna osvetlitev, je toplotna slika predvsem posledica lastnega toplotnega sevanja objektov in razlik v emisivnosti njihovih površin. Razvoj termovizijskih kamer gre v smeri uporabe mikroprocesorsko podprtih merilnih sistemov, ki omogoča natančno, večtočkovno kalibracijo in kompleksnejšo temperaturno kompenzacijo temperaturnih vplivov okolice. Razvoj računalniško podprtih sistemov za analizo in razpoznavanje slik omogoča vse kompleksnejše metode nadzora in kontrole procesov. Z razvojem nehlajenih zaznaval kot so mikrobolometri, postajajo kamere manj zahtevne za vzdrževanje in uporabo in zato vedno dostopnejše. Kljub računalniško podprti kalibraciji in analizi merilnih signalov je potrebno upoštevati omejitve uporabljenega fizikalnega principa, ki v osnovi določajo uporabnost termovizijskega sistema v realnih pogojih. V nadaljevanju so predstavljeni najpomembnejši dejavniki, ki vplivajo na meritve.

3 merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 3 Shema prenosa sevalne energije merjenca do zaznavala in ostalih vplivnih veličin okolice ZUNANJI VIRI ABSORBCIJA ABSORBCIJA ABSORBCIJA SIPANJE V ATMOSFERI SEVANJE OHIŠJA SIPANJE NA OPTIKI SIPANJE V ATMOSFERI SEVANJE ATMOSFERE SEVANJE ATMOSFERE ODBOJ NA OZADJU ODBOJ NA OZADJU OPTIKA ODBOJ NA OZADJU SEVANJE OZADJA SEVANJE OZADJA SEVANJE OZADJA ODBOJ NA MERJENCU ODBOJ NA MERJENCU ODBOJ NA MERJENCU SENZOR MERJENEC SEVANJE MERJENCA SEVANJE MERJENCA SEVANJE MERJENCA MEDIJ - ATMOSFERA OZADJE NOTRANJE OHIŠJE ZAZNAVALA

4 merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 4 Vplivne spremenljivke zaznavalo in njegova karakteristika oz. prenosna funkcija ΔΦ/Δu termična stabilizacija notranje okolice zaznavala prepustnost okna in filtra na hermetično zaprtem FPA modulu (Focal Plane Array - SENZOR) prepustnost optike - objektiv prepustnost atmosfere medij o zmanjšana spektralna prepustnost absorbcija atmosferskih plinov o zmanjšana spektralna prepustnost absorbcija vodne pare o zmanjšana prepustnost atmosfere zaradi sipanja na aerosolu parametri objekta o emisivnost površine o geometrija (velikost in oblika) objekta parametri okolice o temperatura o razmerje velikosti merjenega objekta in okolice

5 merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 5 Sevanje črnega telesa Vsi objekti s temperaturo površine nad absolutno ničlo sevajo elektromagnetno valovanje. Črno telo je definirano kot idealno telo, ki je neprosojno in absorbira vse vpadno sevanje. Spektralno gostoto sevalnega črnega telesa toka popisuje Planckova enačba P 2πhc λ 3 ( λ )črno telo = exp 1 5 hc λkt 1 h...planckova konstanta = Js k...boltzmannova konstanta = JK 1 c...hitrost svetlobe v vakuumu = m s 1 T...absolutna temperatura λ...valovna dolžina σ.štefanova konstanta W/m 2 K 4 T.temodinamska temperatura K Celotno gostoto sevalnega toka, ki ga izseva črno telo dobimo z integracijo enačbe preko vseh valovnih dolžin. Zapisano v obliki Stefan-Boltzmanovega zakona: P Pčrno telo = σt 2 πhc hc črno telo = λ exp 1 5 λkt 0 dλ

6 Spekter črnega telesa pri različnih temperaturah merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 6

7 merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 7 Sevanje sivega telesa Vpadni sevalni tok se na površini telesa lahko absorbira, odbije refleksija ali medij sevanje prevaja prepustnost. W vpadna ( λ) W + β ( λ) W τ ( λ)w = α + ali krajše α ( λ) + β ( λ) + τ ( λ) = 1 α(λ)..absorbtivnost β(λ)..reflektivnost τ(λ)..prepustnost vpadno sevanje W odbito sevanje βw absorbirano sevanje αw sevanje prehaja skozi telo τw

8 merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 8 Sivo : črno telo Idealno črno telo je definirano kot telo, pri katerem se vse vpadno sevanje v celem spektru absorbira. Torej: α = 1 in β = 0, τ = 0 Emisivnost je definirana z izrazom Monotono naraščajoča in padajoča razlika W ( λ, T ) ε ( λ, T ) = W ( λ, T ) in sevalni tok sivo telo črno telo sevalni tok P(λ) črno telo P sivo telo = εσt 4 sivo telo valovna doližna λ

9 merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 9 Sevanje realnih teles 1 O sevanju sivega telesa lahko govorimo, kadar je razmerje med gostoto sevalnega toka črnega telesa in realnega telesa konstantno pri vseh valovnih dolžinah emisivnost je neodvisna od valovne dolžine. V realnosti je emisivnost teles večinoma konstantna le na določenih intervalih valovnih dolžin. Taka telesa so selektivna sevala. sevalni tok P(λ) črno telo selektivno sevalo valovna doližna λ

10 merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 10 Sevanje realnih teles 2 Za telesa, ki so izrazita selektivna sevala, je potrebno določiti emisivnost za vsak interval valovnih dolžin posebej. Infra rdeči del spektra razdeljen na tri območja: µm kratkovalovni IR spekter µm srednjevalovni IR spekter µm dolgovalovni IR spekter µm ekstremno dolgovalovni IR spekter V praksi so za izrazito selektivna sevala emisivnosti podane za vsako območje posebej. Predvsem so za uporabo pomembne vrednosti emisivnosti v intervalih atmosferskih oken, v katerih so možne meritve: (3.6-5µm in 8-13µm)

11 merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 11 Slabljenje v atmosferi Pri prehodu infra rdečega sevanja skozi različne medije pride do interakcije sevanja z delci, ki sestavljajo medij. Pri širjenju skozi atmosfero se sevanje oslabi zaradi absorpcije in sipanja na molekulah, aerosolih, dimu, prahu, dežju in snegu. Ker se vpliv medija eksponencialno stopnjuje z dolžino poti skozi medij, je poznavanje mehanizmov slabljenja sevanja še posebej pomembno pri meritvah temperature objektov na večjih razdaljah. Glavna mehanizma slabljenja sevanja sta absorbcija in sipanje. Princip absorbcije Pri prehodu sevanja skozi atmosfero prihaja do trkov med fotoni in delci - molekulami, ki sestavljajo medij. Efekt je odvisen od zgradbe in velikosti molekul. V interakciji z določenimi molekulami sodelujejo le fotoni z določeno energijo, ki lahko vzbudijo atom oziroma molekulo. Od celotnega spektra sevanja, se pri prehodu skozi medij absorbira le sevanje v območju ozkih intervalov. Princip sipanja Pri potovanju sevanja mimo večjih delcev, ne pride do absorbcije ampak do spremembe smeri žarkov, pride do lomljenja in uklona žarkov. Po nekaj zaporednih lomih se žarek delno razprši in intenziteta v vpadni smeri se zmanjša. Na sipanje sevanja najmočneje vplivajo delci s premerom enakega velikostnega reda kot valovna dolžina sevanja.

12 merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 12 Absorpcija v atmosferi prepustnost τ [%] kratkovalovno atmosfersko okno dolgovalovno atmosfersko okno vlaovna dolžina λ [μm] absorbcija na molekulah

13 merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 13 Tehnična izvedba zaznavala 1 Celotna matrika detektorjev je nameščena na podlagi v obliki čipa FPA focal plane array. Zaradi zmanjšanja toplotnega prestopa z okolico je zaznavalni del čipa hermetično zaprt v vakuumski celici z germanijevim oknom skozi katero vstopa sevanje merjenca. Zaznavalni elementi so pritrjeni na substrat z dvema nožicama, ki omogočata odjem signala (meritev upornosti) in zagotavljata čim manjšo energijsko izmenjavo s podlago. Za radiometrične meritve mora biti cela okolica zaznavala termično stabilizirana. S tem je zagotovljena korekcija signala zaradi toplotnega sevanja okolice zaznavala.

14 merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 14 Tehnična izvedba zaznavala 2 Postopek nastanka termične slike se začne z meritvijo spremembe upornosti mikrobolometrskih zaznaval. Zaznavala se med seboj rahlo razlikujejo, zato je vsako zaznavalo posebej umerjeno. Tako umerjanje poteka v tovarni, kjer kamero usmerijo v homogeno črno telo z natančno določeno temperaturo. Postopek se ponovi pri različnih temperaturah. Na podlagi rezultatov meritev se izračunajo karakteristike vsakega posameznega zaznavalnega elementa. Rezultat umerjanja je groba korekcijska matrika, ki je shranjena v merilnem inštrumentu. Pri vsakem zajemu slike ( pri vsaki meritvi) se odčitane vrednosti popravijo v skladu s koeficienti v korekcijski matriki. Nastala slika že ima izgled termične slike, vendar izmerjene vrednosti še ne ustrezajo temperaturam objekta. Celotno zaznavalo je nameščeno na termično stabilizirano osnovo z eno stopenjskim hladilnikom / grelnikom. Temperatura osnove zaznavala mora biti ves čas enaka tisti pri kateri je bila narejeno primarno umerjanje to je cca 35 C za mikrobolometrske sisteme. Za kompenzacijo vpliva segrevanja in sevanja ohišja kamere in optike, je nameščenih več temperaturnih zaznaval, poleg tega pa kamera pri vsaki večji temperaturni spremembi izvede še notranjo kalibracijo.

15 merjenje energetskih strojev in naprav termovizija 15 Tehnična izvedba zaznavala 3 Za natančno meritev mora uporabnik vnesti še podatke o okolici in objektu: - oddaljenosti objekta - emisivnosti objekta - srednja temperatura okolice - temperatura atmosfere - vlažnost atmosfere Na podlagi teh podatkov izračuna algoritem v kameri korekcijo nivoja oz. premik ničle (offset) in korekcijo ojačanja (gain). Če so vsi parametri znotraj območij za katera je bila kamera kalibrirana, mora izmerjeni rezultat ustrezati temperaturi objekta. Kadar se temperatura ohišja in notranjosti kamere spremeni do te mere, da zanesljiv izračun korekcije ni mogoč, izvede kamera notranjo kalibracijo. Takrat se med zaznavalo in objektiv pomakne črna zaslonka z znano temperaturo in emisivnostjo. Ker je znano, kakšna bi morala biti termična slika takega objekta in kakšno sliko da zaznavalo je možno narediti novo korekcijo nivoja in ojačanja.

16 IR sevanje element zaznavala slika iz nekompenziranih izmerjenih vrednosti + A/D pretvotba "ČRNO" TELO Z ZNANO TEMPERATURO IN EMISIVNOSTJO groba korekcijska matrika izračun nivoja (offset) + kalibracijska zaslonka v kameri se spusti vsakič, ko se temp. notranjosti kamere spremeni za 0.01K izračun ojačenja (gain) korekcija vpliva: emisivnosti in refleksije ozadja atmosfere in konc. vodne pare prepustnosti uporabljene optike C C umerjena in obdelana slika

17 Diagnostika hladilnih stolpov s termovizijo Temperatura hladilne vode ki se vrača v kondenzator TE značilno vpliva na izkoristek TE!!!

18 Prostorsko in časovno spreminjanje temperaturnega polja prepustnost τ [%] kratkovalovno atmosfersko okno dolgovalovno atmosfersko okno vlaovna dolžina λ [μm] absorbcija na molekulah Ker so velikosti kapljic v izstopajočem zračnem toku stolpa velikostnega razreda 5-8 μm ne predststavljajo oviro IR svetlobi opazovano področje je transparentno za opazovanje temperature na površini izločevalnikov kapljic

19 Sektorska merilna mesta - površine Temperaturno polje nad eliminatorji kapljic Koordinatni sistem stolpa in postavitev termokamere

20 Opis termovizijske metode diagnostike temperaturnega polja na eliminatorjih kaplic

21 Zaščita IR kamere pred ambijentnimi pogoji 100% vlažnost

22 Sektorsko zajemanje IR slikovnih vzorcev po kotu α in δ Sektorski posnetek dela temperaturnega polja na površini eliminatorjev

23 Rezultati meritev blok 4 TEŠ T povp = 31,1 C S = 1,1 C

24 Primerjava z drugimi stolpi Temperaturno polje hladilnega stolpa bloka 1-2 T povp = 30,5 C S = 9,8 C Temperaturno polje hladilnega stolpa bloka 3 T povp = 36,2 C S = 4,4 C

25 Rezultati meritev na stolpu bloka 3 TEŠ

26 TERMOVIZIJA ROTIRAJOČEGA DIFUZORJA Na primeru rotirajočega difuzorja, ki je bil predstavljen pri LDA merilni metodi je bilo postavljeno vprašanje temperature na notranji površini difuzorja z in brez rotacije.

27 Kvalitativni rezultati pri nespremenjenem Re številu Porazdelitev T v primeru brez rotacije Porazdelitev T v primeru z rotacijo f=52 Hz

28 Kvantitativni rezultati Porazdelitev T v primeru brez rotacije Re=konst Porazdelitev T v primeru z rotacijo f=52,8 Hz

29 Termovizija kavitacijskih pojavov Uporaba IR metode pri kavitaciji v vodi je omejena, ker voda ni prosojna za IR svetlobo. V navedenem primeru je uporabljena kot metoda detekcije temperaturnega polja na silicijevemu steklu. Kavitacija je generirana z ultra-zvočnim valovanjem

30 Časovno zaporedje temperaturnega polja neposredno na površini stekla, kot posledica kolapsa kavitacijskega oblaka ob steni steka A Razvidna je intenziteta in časovno variabilna struktura temperaturnega polja povzročenega z kvitacijo ob steni opazovanega okna

31 Časovni potek lokalne temperature v točki A v časovnem intervalu t kot posledica kavitacijskega kolapsa Fenomenološki popis hitrosti širjenja temperaturnega vala v opazovani ravnini na površini silicijevega stekla

32 Razvoj metode merjenja temperature v kupolnih pečeh Gas output Input raw materials Gas temperature Raw material temperature Heating zone Reduction zone Oxidation zone Melting zone C Porazdelitev temperaturnega profila po globini kupolne peči je izrednega pomena za napoved poteka kemičnih reakcij in za vodenje procesa proizvodnje kamene volne

33 Obstoječa metoda Predlog nove metode Hladilni zrak vstop IR slika Hladilni zrak izstop 5,5m 250 Distance from the nozzle cm Porušitev T sonde? Tarča Temperature o C