STREDNÁ  PRIEMYSELNÁ  ŠKOLA  J.  MURGAŠA  BANSKÁ  BYSTRICA                          Elektrotechnické  laboratóriá

Odbor:

Dátum merania:

Trieda:

Dátum odovzdania:

Skupina:

Vyučujúci: doc.RNDr.Juraj Pančík, CSc.

Laboratórium:

Klasifikácia:

Známka:

Podpis:

Meno a priezvisko žiaka:

LABORATÓRNE  CVIČENIE  č. 34 Meranie teploty s infračerveným teplomerom a odhad emisivity kovových povrchov

OBSAH:

1. Názov cvičenia a jednotlivých úloh.

2. Súpis prístrojov a pomôcok pri meraní.

3. Popis meracej metódy a schéma merania.

4. Tabuľky a grafy nameraných a vypočítaných hodnôt.

5. Vyhodnotenie merania.

1. NÁZOV CVIČENIA:

Meranie teploty s infračerveným teplomerom a odhad emisivity kovových povrchov

Úlohy      a)

Oboznámte sa s hardvérovým a softvérovým riešenia meracieho prípravku –  infračerveného bezkontaktného teplomeru s IR  snímačom MELEXIS MLX90614

b)

S infračerveným (IR) teplomerom vykonajte merania teploty povrchu kovového objektu s rôznymi nátermi. Použite referenčnú IR termokameru.

c)

Na základe vlastných meraní odhadnite emisivitu povrchu kovovej nádoby s rôznymi povrchmi a vysvetlite rôzne hodnoty nameranej teploty IR bezkontaktnou metódou.

d)

e)

2.SÚPIS POUŽITÝCH PRÍSTROJOV

Prístroj – pomôcka

Typové označenie a rozsah

Výrobca

Inventárne číslo

1.

MP c.34 Merací prípravok pre bezkontaktné meranie teploty (infračervený (IR) teplomer )

2.

Infračervený (IR) teplomer

UT300A+

Unitest, Čína

3.

Infračervená kamera

FLIR C3-X

FLIR, USA

Nedostatky pri hodnotení (zapíše vedúci merania  učiteľ):

3. Popis meracej metódy a schéma merania

Princíp bezkontaktného merania teploty.

Srdcom meracieho prípravku je vysoko presný bezkontaktný infračervený snímač teploty od spoločnosti MELEXIS – MLX90614 [1]. Na rozdiel od väčšiny snímačov teploty tento snímač meria teplotu bez fyzického dotyku. Infračervené teplomery, ako napríklad MLX90614, využívajú skutočnosť, že akýkoľvek objekt vrátane človeka, ktorého teplota je vyššia ako absolútna nula (0°K alebo -273 °C), vyžaruje (ľudským okom neviditeľné) svetlo v infračervenom spektre, ktoré je priamo úmerné jeho teplote. Vnútorne je MLX90614 dvojicou dvoch zariadení: infračerveného termočlánkového detektora (thermopile detector) a ASSP (aplikačného procesora na úpravu signálu).

Obrázok 1 Bloková schéma vnútorného zapojenia IR snímača MLX90614 [1]

 Termočlánok typu (thermopile detector) je elektronické zariadenie, ktoré premieňa tepelnú energiu na elektrickú [2] a skladá sa z niekoľkých termočlánkov zapojených zvyčajne sériovo alebo menej často paralelne. Takéto zariadenie funguje na princípe termoelektrického efektu, t. j. generuje napätie, keď sú jeho rôznorodé kovy (termočlánky) vystavené teplotnému rozdielu. Výstupné napätie tohto termočlánku je priamo úmerné infračervenému tepelnému toku Φ prechádzajúcemu cez vrstvy tepelného odporu termočlánku. Na Obrázok 1 je vnútorná bloková schéma MLX90614, ktorá zobrazuje thermopilný detektor a aj ASSP (Application Signal Condition Application Processor) [3] . Infračervené žiarenie vyžarované objektom alebo človekom sa najprv sústredí pomocou konvergentnej (konvexnej) šošovky na špeciálny infračervený detektor nazývaný Thermopile. Termočlánok sníma, koľko infračervenej energie vyžarujú objekty v jeho zornom poli (FOV), a generuje tomu úmerný elektrický signál. Napätie vytvorené termočlánkom sa zachytí 17-bitovým ADC v ASSP a potom sa spracuje pred odoslaním do mikrokontroléra.

Obrázok 2 Zorné pole IR snímača teploty

Zorné pole (FOV).

Zorné pole (FOV, Field Of View) infračerveného teplomera je jedným z najdôležitejších parametrov, ktoré je potrebné poznať. Je určené uhlom, v ktorom je snímač citlivý na tepelné žiarenie [1]. To znamená, že snímač zistí všetky objekty v zornom poli a vráti priemernú teplotu všetkých objektov v ňom. Pre MLX90614 infračervený teplomer zorné pole je dôležité, aby meraný objekt úplne vyplnil zorné pole. V opačnom prípade môže snímač detegovať objekty, ktoré sa nemajú merať, čo má za následok nepresné merania. Infračervený teplomer MLX90614 zorné pole 90°. Zorné pole určuje aj vzťah medzi vzdialenosťou od objektu a snímanou oblasťou. Ak sa snímač nachádza v blízkosti objektu, jeho snímacia oblasť je veľmi úzka, ale so vzdialenosťou sa stále viac rozširuje.

Merací prípravok s IR snímačom.  Snímač MLX90614 sa integroval s jednodoskovým počítačom ARDUINO UNO Rev.3 prostredníctvom zbernice I2C. Softvérová  knižnica bola poskytnutá spoločnosťou ADAFRUIT Inc. (USA) [3]. Program v ARDUINO  prečítal po I2C zbernici hodnotu zmeranej teploty  a posielal ju po sériovej linke do meracieho počítača.

Obrázok 3 Fotografia nami použitého meracieho prípravku s IR snímačom snímajúcim tepelné žiarenie z povrchu šálky.

Meracia metóda : bezkontaktné meranie teploty.

V nasledovnom popíšeme merania s infračerveným (IR) teplomerom kde sme vykonali merania teploty povrchu kovového objektu s rôznymi nátermi. Infračervený teplomer je zariadenie na bezkontaktné meranie teploty pomocou snímania energie vyžiarenej povrchom meraného objektu. Je potrebné si uvedomiť a pri meraní zohľadniť, že meriame teplotu povrchu telesa, nie teplotu vo vnútri telesa. Ručné modely infračervených teplomerov  sú spravidla vybavené jedným alebo viacerými laserovými lúčmi na vyznačenie meraného miesta. Meranie prebieha vždy z plochy úmernej vzdialenosti podľa použitej optiky. 

Obrázok 4 Definícia „Distance to Spot“ pre IR teplomer [4] 

IR teplomer spravidla pracuje v infračervenej oblasti v rozmedzí 8-14 µm. Zariadenia, ktoré majú viacero snímačov napríklad v matici 16 × 16 označujeme ako termoskop alebo maticový pyrometer. Termokamera sa vyznačuje omnoho väčším rozlíšením, pokročilejšou optikou a funkciami. Pre špeciálne aplikácie sa používajú modely pracujúce na dvoch vlnových dĺžkach. V takom prípade nie je potrebné poznať emisivitu povrchu a meranie môže prebiehať aj v zahmlenom prostredí. Základnou podmienkou pre dobré meranie je vzájomná poloha teplomeru a meraného objektu a ich vzdialenosť. Snažíme sa umiestniť teplomer kolmo k meranému povrchu do takej vzdialenosti, aby bol merací bod o cca 20% menší ako objekt ktorý meriame. V anglickej literatúre sa používa označenie Field of View (zorné pole). Meraný objekt teda umiestňujeme do stredu zorného poľa teplomeru [4]. Pre naše merania sme použili pyrometer UT300A+ [5]. Veľkosť meracieho bodu sa mení podľa použitej optiky a rastie so zväčšujúcou sa vzdialenosťou. Každý prístroj ma inú optiku a objektív, preto je zvykom výrobcov umiestniť na infračervený teplomer nálepku s tabuľkou vzdialeností alebo nákresom. Tento parameter sa označuje ako Distance to Spot ratio skrátene D:S, viď. Obrázok 4. Pomer určuje aký veľký bude merací bod v určitej vzdialenosti. Pomer 1:1 znamená, že vo vzdialenosti 1 m bude priemer meracieho bodu 1 m. Pomer 10:1 znamená 2 cm veľký merací bod vo vzdialenosti 20cm.

Obrázok 5  Meracia nádoba – snímka kamerou FLIR C3-X vo viditeľnom a infračervenom spektre

.

Meracia nádoba bola oceľová pozinkovaná plechová konzerva s objemom  3l ktorej povrch  sme natreli dvoma samovypaľovacími farbami (tzv. „striebrenka“ t.j. hliníkový prášok [6] a čierna [7]) určenými pre náter vybraných častí vykurovacích telies (každá farba pokryla 120 stupňovú výseč valcového povrchu, pričom posledná výseč povrchu konzervy zostala nenatretá – išlo o galvanizovaný oceľový plech (lesklý zinkový povrch)). Do meracej nádoby sme vliali vriacu vodu a zaznamenali sme oboma IR teplomermi (UT300A+  a náš merací prípravok so snímačom MLX90614 ) zistené hodnoty bezkontaktných teplôt. Teplota vody v nádobe bola meraná termočlánkom typu K  (viď. zrealizované meranie č.32 : Meranie teploty v priemysle). 

Meracia metóda : odhad tepelnej emisivity rôznych povrchov meranej nádoby.

Pri meraní teploty infračerveným teplomerom alebo termokamerou meriame množstvo energie ktorý vyžaruje (alebo odráža!) meraný objekt k meraciemu prístroju. Pri tomto meraní je dôležitý údaj emisivita materiálu ktorý meriame. Emisivita je bezrozmerná veličina určujúca koľko tepla nám daný materiál vyžaruje (emituje) do okolia. Princíp merania a jej vplyv ilustruje Obrázok 6. Emisivita je definovaná ako pomer intenzity vyžarovania reálneho telesa k intenzite vyžarovania absolútne čierneho telesa s rovnakou teplotou. Emisivita absolútne čierneho telesa je 1, emisivita ideálneho zrkadla je 0.

Obrázok 6 Princíp bezkontaktného merania a vplyv emisivity [8]

Ako ďalší parameter bezkontaktného merania teploty vstupuje transmisivita (0..1). Spolu s emisivitou určujeme aj parameter reflexivita (koľko tepla odráža), ich vzájomný súčet je 1. Transmisivita je údaj ako daný materiál alebo prostredie prepúšťa žiarenie v použitej vlnovej dĺžke. Pri meraní „na vzduchu“ tento parameter zväčša zanedbávame, ak meriame cez priezor, je potrebné počítať aj s hodnotou transmisivity. Obecne platí, že profesionálne zariadenia majú emisivitu prestaviteľnú od 0-1 po krokoch 0,01. Pri meraní je rozhodujúci materiál povrchovej vrstvy meraného predmetu. Pri bezkontaktnom meraní  teploty kovu ktorý je natretý nastavujeme emisivitu povrchu, v tomto prípade hodnotu emisivitu náteru a nie emisivitu ocele. Závislosť chyby bezkontaktného merania teploty  na emisivite zobrazuje nasledujúci graf na Obrázok 7 [8] [9]

Obrázok 7 Vplyv zmeny emisivity o 1% percento na výsledok bezkontaktného merania teploty [8]

Meranie emisivity môže byť veľmi náročné meranie zvlášť kvôli špeciálnemu vybaveniu [10] [11] [12]. V našom prípade sme ju mohli iba odhadnúť s využitím kontaktného merania teploty horúcej vody v meracej kovovej nádobe. Následne sme pri nastavenej emisivite = 1 opakovane bezkontaktne merali teplotu IR teplomerom a naším meracím prípravkom.  Termokamerou sme sledovali rozloženie povrchových teplôt meracej  nádoby tak,  aby sme pri bodovom bezkontaktnom meraní teploty  zaznamenali teplotu z  čo najhomogénnejšieho  rozloženia povrchových  teplôt. 

4. Tabuľky a grafy nameraných a vypočítaných hodnôt.

	TEPLOTA VODY	POVRCH MATNÁ ČIERNA
MERANIE	TEPLOTA VODY merané s MP c.2 [°C]	ROZDIEL TEPLOT KONTATNÉ – BEZKONTAKTNĚ MP c.2-IR UT300A+	ROZDIEL TEPLOT KONTATNÉ – BEZKONTAKTNĚ MP c.2-MP c.3
1	90,9	3,1	6,6
2	90	6,4	12,31
3	88,25	5,55	12
4	69,4	1,5	4,79
POVRCH MATNÁ ČIERNA
TEPLOTA MERANA IR TEPLOMEROM IR UT300A+ [°C]	EMSIVITA VYPOCITANA Z MERANI S IR TEPLOMEROM ε	TEPLOTA MERANA MP č.3  [°C]	EMSIVITA VYPOCITANA Z MERANI S IR PRIPRAVKOM ε
87,8	0,97	84,3	0,93
83,6	0,93	77,69	0,86
82,7	0,94	76,25	0,86
67,9	0,98	64,61	0,93
POVRCH MATNÁ STRIEBORNÁ
TEPLOTA MERANA IR TEPLOMEROM IR UT300A+ [°C]	EMSIVITA VYPOCITANA Z MERANI S IR TEPLOMEROM ε	TEPLOTA MERANA MP č.3  [°C]	EMSIVITA VYPOCITANA Z MERANI S IR PRIPRAVKOM ε
51,1	0,58	52,79	0,63
52	0,62	49,87	0,64
51,8	0,63	51,65	0,68
44,4	0,65	48,89	0,76
POVRCH GALVANIZOVANY OCEĽOVÝ PLECH
TEPLOTA MERANA IR TEPLOMEROM IR UT300A+ [°C]	EMSIVITA VYPOCITANA Z MERANI S IR TEPLOMEROM ε	TEPLOTA MERANA MP č.3  [°C]	EMSIVITA VYPOCITANA Z MERANI S IR PRIPRAVKOM ε
28,8	0,33	32,4	0,38
30	0,36	29,4	0,38
30,8	0,37	31,35	0,41
28,8	0,42	35,85	0,55

5. Vyhodnotenie merania

• Gradient prestupu tepla z horúcej vody cez steny meracej nádoby vytvára homogénne tepelné pole na povrchu vhodné pre meranie bezkontaktným spôsobom. 
• Voda sa v meracej nádobe rýchlo ochladzuje čo môže ovplyvniť opakovateľnosť meraní.
• Hodnoty teplôt povrchu získané  meracím prípravkom s IR snímačom a IR teplomerom sú si blízke pre všetky tri vyhodnocované povrchy (galvanizovaná oceľ (0,30), čierny (0,95) a „striebrenkový“ (0,60) náter povrchu).
• Získané hodnoty emisivity vyhodnocovaných povrchov sú reálne a zodpovedajú viacerým dostupným tabuľkám emisivít upravených či modifikovaných povrchov kovov ( [13] [14] [15] [16])
• Tabuľky emisivít povrchov mnohých materiálov sú viazané na určité teploty, ktoré sú zvyčajne vyššie ako teploty používané nami
• Teplo pri ochladzovaní elektrických komponentov sa odvádza vedením, prúdením a radiáciou [11] . Na základe našich meraní by chladič polovodičového prvku by mal mať povrch s vysokou emisivitou, aby tak umožnil radiačnej zložke tepla čo najlepší odvod energie.  
• Predpokladáme, že varné platne sporákov sa natierajú na čierno (napr. grafitom či samovypaľovacími farbami [7]) aby efektívnejšie prenášali teplo do nádob vďaka vyššej hodnote emisivity a naopak emisivita dymovodov sa znižuje striebrenkovým náterom [6] aby zbytočne nevyhrievali miestnosti, kde sa varí. Satelity a helmy požiarnikov majú pozlátený povrch s veľmi nízkou emisivitou  aby ich radiačné teplo z okolia neprehrievalo absorpciou tepelného žiarenia. Efekt znižovania tepelných strát vyžarovaním majú aj „zlaté fólie“ používané záchranármi.

6. Informačné zdroje

[1]	MELEXIS, „MLX90614 family Datasheet Single and Dual Zone Infra Red Thermometer in TO-39,“ [Online]. Available: https://www.melexis.com/-/media/files/documents/datasheets/mlx90614-datasheet-melexis.pdf. [Cit. 16 12 2023].
[2]	Wikipedia, „Thermopile,“ [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Thermopile.
[3]	„Interface MLX90614 Non-contact Infrared Temperature Sensor with Arduino,“ [Online]. Available: https://lastminuteengineers.com/mlx90614-ir-temperature-sensor-arduino-tutorial/. [Cit. 16 12 2023].
[4]	T. ELSO.SK, „Infračervený teplomer / Pyrometer bezkontaktný teplomer, infrared thermometer,“ [Online]. Available: https://www.elso.sk/sk/blog/technologie/ako-merat-infracervenym-teplomerom. [Cit. 19 12 2023].
[5]	UNI-T, „UT300A+ dartasheet,“ [Online]. Available: https://www.2mtechnologies.sg/images/pdf/products/uni-t/thermometer/ut300a.pdf. [Cit. 16 12 2023].
[6]	A. s. 0910. [Online]. Available: https://www.natri.sk/tovar/farba-aluksyl-0910-strieborna-80g. [Cit. 16 12 2023].
[7]	A. v. f. c. 0199. [Online]. Available: https://colormania.sk/aluksyl-farba-na-vysoke-teploty&plu=23811.
[8]	T. ELSO.SK, „Emisivita,“ [Online]. Available: https://www.elso.sk/sk/blog/technologie/emisivita. [Cit. 16 12 2023].
[9]	V. Francois-Xavier, „Emisivita – dEfinícia a vplyv na bEzkontaktné mEraniE tEploty,“ 4 3 2016. [Online]. Available: https://www.linkedin.com/pulse/emisivita-defin%C3%ADcia-vplyv-na-bezkontaktn%C3%A9-meranie-francois-xavier/. [Cit. 16 12 2023].
[10]	„Meranie stupňa emisivity ( E ),“ [Online]. Available: http://termokamery.net/index.php?route=product/category&path=61_68. [Cit. 16 12 2023].
[11]	J. Gančev, „Emisivita a její vliv na odvod tepla,“ Vysoké učení technické v Brně, Brno, 2016.
[12]	„Měření hustoty tepelného toku, emisivita materiálů,“ [Online]. Available: https://www.fbi.vsb.cz/export/sites/fbi/030/.content/galerie-souboru/studijni-materialy/TechnickaMereni/Uloha5TepelnyTok.pdf. [Cit. 16 12 2016].
[13]	ELSO.SK, „Tabuľka emisivít,“ [Online]. Available: https://www.elso.sk/sk/blog/technologie/tabulka-emisivity-materialov. [Cit. 16 12 2023].
[14]	P. E. KOVŮ. [Online]. Available: https://eu.fme.vutbr.cz/file/vomm/2001.htm. [Cit. 16 12 2023].
[15]	FLUKE, „Emissivity values of,“ [Online]. Available: https://dam-assets.fluke.com/s3fs-public/3038318_6251_ENG_C_W.PDF.
[16]	„Hodnoty emisivity běžných materiálů,“ [Online]. Available: https://www.fbi.vsb.cz/export/sites/fbi/030/.content/galerie-souboru/studijni-materialy/TechnickaMereni/5_EmisivitaBeznychMaterialu.pdf. [Cit. 16 12 2023].