Aktuální vydání

celé číslo

04

2019

Plnicí a balicí stroje, výrobní logistika a správa skladových zásob

Průmyslové počítače, PLC

celé číslo

Laboratoř bezdotykového měření teploty

Nová laboratoř bezdotykového měření teploty na VŠCHT Praha je vybavena moderní přístrojovou technikou, od ručních přenosných IČ teploměrů až po termovizní kamery. Pro kalibraci bezdotykových teploměrů jsou k dispozici kalibrační černá tělesa. Pro výuku byly připraveny čtyři typy laboratorních prací.
 

1. Úvod

 
Součástí výuky předmětu měřicí a řídicí technika, který patří mezi disciplíny dotvářející inženýrský profil absolventa technické vysoké školy, jsou také laboratorní práce. Uvedený předmět poskytuje posluchačům základní znalosti o měření, regulaci a počítačovém řízení procesů chemických a potravinářských technologií. Jedna z úloh v laboratořích je věnována bezdotykovému měření teploty, které patří k velmi často využívaným metodám v provozní praxi. Měřicí stanice používané ve výuce až do konce minulého roku byly osazeny zastaralými bezdotykovými teploměry, které neumožňovaly přímou komunikaci s počítačem, jak je to běžné u přístrojů, které se dnes v praxi využívají. V laboratořích zcela chyběly moderní termokamery, používané k měření rozložení teploty na povrchu technologických zařízení a k technické diagnostice. Absolventi VŠCHT Praha se zcela jistě v praxi setkají s touto moderní technikou, a je proto žádoucí, aby s těmito přístroji mohli pracovat již při laboratorním cvičení.
 

2. Přístrojové vybavení laboratoře

 
S podporou projektu FRVŠ byla v Ústavu fyziky a měřicí techniky vybudována nová laboratoř bezdotykového měření teploty, která je součástí posluchačských laboratoří z měřicí a řídicí techniky (obr. 1). Laboratoř je vybavena moderními bezdotykovými teploměry, termokamerami, spektrofotometrem s vláknovou optikou a kalibračními černými tělesy.
 

2.1 IČ teploměry

Pro bezdotykové měření teploty je v laboratoři k dispozici několik typů IČ teploměrů. Jsou to tři IČ teploměry s přepínatelnou optikou, jeden IČ teploměr s vestavěným digitálním fotoaparátem a jeden stabilní IČ teploměr k měření malých objektů.
 

2.1.1 IČ teploměr s přepínatelnou optikou

Přenosné IČ teploměry s přepínatelnou optikou (dva přístroje Proscan 530 [1] a jeden přístroj Optris-LS [2]) je možné používat v ručním režimu nebo se mohou připevnit ke stativu (obr. 2).
 
Základní parametry přístroje Optris-LS jsou:
  • spektrální rozsah 8 až 14 μm,
  • teplotní rozsah –30 až +900 ºC,
  • citlivost 0,1 ºC,
  • přesnost ±0,75 ºC,
  • doba odezvy 150 ms (95 %).
Přístroj je vybaven dvojitou optikou. Ve standardním režimu SF (Standard Focus) je možné měřit plochy o průměru 16 mm. Měřená plocha je označena laserem s patentově chráněným zaměřovacím křížem. Skutečná velikost a umístění snímané plochy jsou na měřeném objektu vidět nezávisle na vzdálenosti a bez paralaxy. V režimu CF (Close Focus) je možné měřit plochy o průměru 1 mm, např. elektronické součástky. V tomto režimu ukazují plošku na objektu dva zaměřovací lasery. Oba paprsky se kříží v ohniskové vzdálenosti (62 mm od předního okraje krytu) a indikují také minimální velikost měřené plochy (průměr 1 mm).
 
Základním ovládacím prvkem teploměru je aktivační tlačítko (spouštěč, trigger). Digitální LCD zobrazuje kromě aktuální měřené teploty další údaje, jako jsou nastavená emisivita, maximální, minimální a průměrná teplota během intervalu měření, stavové informace a údaje související s ukládáním naměřených hodnot do paměti. Pod displejem jsou čtyři tlačítka pro volbu pracovního režimu a nastavení hodnot. Přístroj má interní záznamník dat (data logger) s maximální kapacitou 100 protokolů o měření. IČ teploměr je možné připojit k počítači prostřednictvím rozhraní USB.
 
Ke komunikaci je určen program Optris Connect nebo IR-Connect. Program umožňuje zobrazit a zaznamenat teploty v závislosti na čase, načíst data z paměti a nastavit (setup) parametry IČ teploměru z počítače. Soubor záznamníku lze otevřít a editovat programem Microsoft Excel. Po dobu připojení přístroje k počítači je teploměr napájen z rozhraní USB.
 

2.1.2 IČ teploměr s digitálním fotoaparátem

Přenosný IČ teploměr Fluke 576 [3] je vybaven vestavěným digitálním fotoaparátem (obr. 3). Optika teploměru (poměr vzdálenosti a průměru měřeného terče je 60:1) umožňuje měřit menší předměty z větší vzdálenosti. Pro vyznačení měřené plochy se používá tříbodový laserový zaměřovací systém. Vestavěný fotoaparát je určen pro dokumentaci měřených míst. Získané fotografie obsahují naměřené hodnoty teploty a další informace o měření. Přístroj je přednastaven pro pořízení 26 fotografií s rozlišením 640 × 480 obrazových bodů (pixelů). Při nepříznivých světelných poměrech lze využít blesk. Přístroj poskytuje analogový výstup 1 mV/°C a digitální výstup prostřednictvím rozhraní USB.
 
Základní parametry přístroje jsou:
  • spektrální rozsah 8 až 14 μm,
  • teplotní rozsah –30 až +900 ºC,
  • citlivost 0,1 ºC
  • přesnost ±1 ºC,
  • doba odezvy 250 ms.
Na displeji IČ teploměru se zobrazuje aktuální měřená teplota a další údaje. Mohou to být: maximální, minimální a průměrná teplota, nastavená emisivita, nastavení mezních hodnot, aktivace režimu datové paměti, informace o počtu uložených fotografií, mazání dat a fotografií z paměti a nastavení aktuálního času a data. Přístroj má vstup pro termočlánkovou sondu, kterou je možné použít pro stanovení neznámé hodnoty emisivity.
 
IČ teploměr lze připojit k počítači prostřednictvím rozhraní USB. Ke komunikaci se používá program IRGraph, který umožňuje zobrazit a zaznamenat časový průběh teploty, načíst data z paměti a nastavit parametry IČ teploměru z počítače.
 

2.1.3 Stabilní IČ teploměr

Sestava stabilního IČ teploměru Optris-CT-Laser [4] je ukázána na obr. 4. Přístroj se skládá z IČ snímače s dvoupaprskovým laserovým zaměřovacím systémem a z vyhodnocovací elektronické jednotky.
 
Základní parametry přístroje jsou:
  • spektrální rozsah 8 až 14 μm,
  • teplotní rozsah –40 až +975 ºC,
  • citlivost 0,1 ºC,
  • přesnost ±1 ºC,
  • doba odezvy 120 ms (90 %).
Poměr mezi vzdáleností a průměrem měřicího terče je 75:1 a teploměr může měřit teplotu terče o průměru 0,9 mm ze vzdálenosti 70 mm. Signál ze snímače je zpracováván v elektronické vyhodnocovací jednotce, která je napájena ze stejnosměrného zdroje napětím 8 až 36 V, 160 mA. Elektronické obvody poskytují proudový nebo napěťový analogový výstup a digitální výstup prostřednictvím rozhraní USB. K místnímu nastavení přístroje lze použít programovací tlačítka. Funkce vstupních a výstupních kanálů se nastavuje prostřednictvím softwaru Compact Connect, který je rovněž určen k zobrazení měřené teploty a zpracování dat uložených do paměti.
 

2.2 Termokamery

Pro termografická měření jsou k dispozici dvě termokamery: kompaktní přenosná termokamera a stabilní termokamera vybavená optikou k měření malých objektů.
 

2.2.1 Přenosná kompaktní termokamera

Přenosná kompaktní termovizní kamera Flir T400 (obr. 5) je vybavena nechlazeným maticovým mikrobolometrickým detektorem [5]. Optika kamery pracuje se zorným polem 25 × 19º s minimální ohniskovou vzdáleností 40 cm, s rozlišením 1,36 mrad. Výměnný objektiv dovoluje měřit i na kratší vzdálenost. Zaostřování je možné jak ruční, tak i automatické.
Vestavěná digitální videokamera (1,3 Mpx) umožňuje automatické prolínání termovizního obrazu spolu s videoobrazem přímo v kameře. Dotykový LCD s rozměry 3,5", 320 × 240 obrazových bodů (pixelů) může pracovat ve třech režimech prezentace obrazu: zobrazení teploty, viditelný obraz nebo prolnutí viditelného a IČ obrazu.
 
Základní parametry termokamery:
  • optické rozlišení 320 × 240 bodů,
  • spektrální rozsah 7,5 až 13 μm,
  • teplotní rozsah –20 až +1 200 ºC,
  • citlivost 0,06 ºC,
  • přesnost ±2 ºC.
Termogramy, digitální snímky a další soubory je možné z termokamery přenést do počítače buď přímo propojením termokamery s počítačem pomocí kabelu USB, nebo s využitím karty SD. Na vyjímatelnou kartu SD lze uložit 1 000 obrázků ve formátu JPG. Pro vyhodnocení termogramů jsou k dispozici dva programy, a sice jednodušší Flir QuickReport a pokročilejší Flir Reporter. Při vyhodnocování termogramů je možné využívat měřicí nástroje (měřicí bod, oblast, profil), přidávat textové komentáře a nastavovat parametry objektu (emisivita, tzv. odražená teplota, teplota a vlhkost okolní atmosféry, vzdálenost měřeného objektu). Data získaná termokamerou lze jednoduše exportovat do excelu.
 

2.2.2 Stabilní termokamera

Termokamera Optris-PI (obr. 6) je malá stabilní IČ kamera napájená a komunikující s počítačem přes rozhraní USB 2.0 [6]. Termokamera je vybavena maticovým detektorem typu FPA s nechlazenými mikrobolometry.
 
Základní parametry termokamery jsou:
  • optické rozlišení 160 × 120 bodů,
  • spektrální rozsah 7,5 až 13 μm,
  • měřicí rozsah –20 až +900 °C,
  • citlivost 0,08 °C,
  • přesnost ±2 ºC.
Kamera je vybavena speciálním objektivem 31° × 23°, f = 10 mm, který umožňuje měřit povrchovou teplotu malých objektů (řádově v jednotkách milimetrů); obnovovací frekvence je 100 Hz. Ostrost snímku zobrazeného na monitoru počítače se upravuje otáčením vnějšího kroužku čočky. Termokameru je možné připevnit buď ke stativu, nebo na vhodnou nosnou konzolu.
 
Výsledky měření jsou prezentovány pomocí standardizované barevné škály jako termografický snímek na monitoru počítače. Pro vyhodnocení termogramů a videosekvencí je k dispozici program Optris PI-Connect. Tento software poskytuje konkrétní kalibrační údaje pro daný přístroj a umožňuje zobrazit teplotní snímek (termogram) v reálném čase. Program nabízí využití široké palety měřicích funkcí na termogramu, ukládání termogramů a radiometrického videosignálu, podrobnou radiometrickou analýzu a následné zpracování infračervených snímků nebo videozáznamů. Dále umožňuje dálkové ovládání termokamery a nastavení jejích parametrů.
 

2.3 Kalibrační pracoviště

Kalibrační pracoviště pro kontrolu správnosti měření a pro kalibraci IČ teploměrů je vybaveno třemi kalibračními černými tělesy (obr. 7) od firmy Isotech – Isothermal Technology Ltd. [7].
 
Černé těleso Hyperion-R, model 982, umožňuje kalibrovat IČ teploměry v rozsahu od –10 do +80 °C. Zařízení využívá Peltierovy články jak pro zahřívání, tak i pro chlazení kovového měřicího bloku. Parametry: emisivita větší než 0,995, rozměry dutiny: průměr 50 mm, hloubka 150 mm, stabilita teploty ±0,1 °C, rozlišení teplotního indikátoru 0,01 °C.
 
Černé těleso Gemini-R, model 976, je primární zdroj k IČ teploměrům pro měření středních teplot, který pracuje v teplotním rozsahu +50 až +550 °C. Parametry: emisivita větší než 0,995 (změřeno 0,998), rozměry dutiny: průměr 65 mm, hloubka 160 mm, stabilita teploty ±0,1 °C, rozlišení indikátoru 0,1 °C.
 
Obě černá tělesa, Hyperion-R i Gemini-R, jsou vybavena komunikačním rozhraním RS-232 s řídicím softwarem. Součástí kalibračního zařízení je i přesný odporový teploměr, který měří teplotu v dutině černého tělesa; její hodnotu ukazuje digitální indikátor.
 
Černé těleso Pegasus-R, model 970, je kalibrační zdroj infračerveného záření odpovídající teplotám od +150 do +1 200 °C. Vložka černého tělesa s emisivitou 0,995 je vyrobena z inconelu. K měření teploty je určen přesný termočlánek typu R s elektronickým indikátorem teploty.
 
Nově vzniklé kalibrační pracoviště umožňuje kalibrovat IČ teploměry v rozsazích od –10 do +1 200 °C. Kalibrační stanice může být využívána ke kontrole správnosti měření všech bezdotykových teploměrů, s nimiž studenti v laboratoři pracují.
 

2.4 Spektrofotometr

UV/VIS/NIR spektrometr HR2000+ s optickými vlákny a kolimační optikou od firmy Ocean Optics (obr. 8) je připojitelný na port USB počítače [8]. Jeho funkce je založena na rozkladu světla na optické mřížce. Jako detektor je použit nechlazený lineární CCD senzor s 2 048 snímacími prvky Sony ILX511B. Množství naakumulovaného náboje se vyčítá pomocí čtrnáctibitového AD převodníku. Spektrální rozsah spektrometru je 200 až 1 100 nm.
 
Firma Ocean Optics ke svým spektrofotometrům dodává software Spectrasuite, který umožňuje automatizované ovládání spektrometru a vyčítání dat. Program obsahuje funkce umožňující tento spektrometr použít také pro snadné měření absorpce, reflexe a transmise.
 

3. Laboratorní úlohy

 
V současné době jsou pro výuku připraveny čtyři laboratorní práce.
 

3.1 Bezdotykové měření teploty

Uspořádání laboratorní aparatury je na obr. 9. Studenti proměřují rozložení teploty na temperované desce, která může být ohřívána nebo ochlazována třemi Peltierovými články. Studenti nejprve zkontrolují správnost měření IČ teploměrem za použití černého tělesa. Potom proměří IČ teploměrem rozložení teploty na povrchu temperované desky. Naměřené hodnoty přenesou pro zpracování do počítače. S využitím termokamery získají termogramy a snímky objektu ve viditelné oblasti. Pomocí softwaru k termokameře [9] vyhodnotí rozložení teploty na desce a porovnají výsledky získané při měření IČ teploměrem.
 
Na obr. 9 je vidět zaměření jednoho IČ teploměru na dutinu kalibračního černého tělesa při kontrole správnosti měření a jiný IČ teploměr je používán k měření rozložení teploty na temperované desce. Na obr. 10 je ukázáno měření termokamerou. Příklad vyhodnocení termogramu temperované desky je na obr. 11.
 

3.2 Bezdotykové měření teploty spektrofotometrem

Nově koncipovaná laboratorní úloha umožní studentům experimentálně ověřit platnost Planckova zákona a Wienova posunovacího zákona, které spolu se Stefanovým-Boltzmanovým zákonem tvoří teoretický základ bezdotykového měření teploty.
 
Pomocí spektrometru s měřicím rozsahem 200 až 1 100 nm mají studenti možnost v reálném čase pozorovat závislost změny emisního spektra černého tělesa Pegsus-R na teplotě (obr. 12).
 
Pro demonstraci změny polohy maxima emisního spektra je v úloze použita jako zdroj záření žárovka s wolframovým vláknem.
 

3.3 Termografie a termodiagnostika

S termokamerami pracují studenti pod odborným vedením vyučujícího pedagoga. Získané snímky samostatně zpracovávají a vyhodnocují. Termokamerou proměří rozložení teploty na objektech, které jsou voleny podle studijního oboru studenta. Předmětem termografické studie může být laboratorní reaktor, tepelný výměník, čerpadlo s motorem, různé typy vytápěcích zařízení nebo chladičů, laboratorní pec, destilační a rektifikační aparatura a další. Pro studenty z Fakulty potravinářské a biochemické technologie může být termografie využita ke sledování procesu zmrazování a rozmrazování potravin, sledování teploty pokrmů ohřívaných v mikrovlnné troubě, vyhodnocení teplotního profilu při technologickém zpracování masných produktů apod.
 
Při diagnostických měřeních mohou posluchači proměřovat rozložení teploty na různých zařízeních. Může to být např. diagnostika sušárny, chladicího či mrazicího boxu, laboratorního termostatu, laboratorního reaktoru, diagnostika ložiska míchadla, topného systému, potrubního vedení, diagnostika elektrických obvodů, elektronických obvodů apod.
 

3.4 Bezdotykové měření teploty malých objektů

K proměřování povrchové teploty malých objektů a velmi jemných struktur, jakými jsou např. různé elektronické součástky a zejména vyhřívaná čidla chemických senzorů, využívají studenti stabilní bezdotykový teploměr Optris CT-Laser s přesným dvoupaprskovým laserovým zaměřovačem a termokameru Optris-PI. Například teplota chemického senzoru je jedním z nejdůležitějších parametrů, který ovlivňuje jeho vlastnosti, a obr. 13 ukazuje termokameru zaměřenou na pelistorový senzor. Na obr. 14 je termogram rozložení teploty na povrchu pelistorového senzoru.
 

4. Použití ve výuce

 
Pro výuku v laboratoři bezdotykového měření teploty byl vypracován učební text, který je určen pro přípravu studentů na laboratorní cvičení, a byly vytvořeny návody k provedení jednotlivých laboratorních prací. Učební texty a návody jsou umístěny na internetu [10].
 
Již od letního semestru 2009/10 se studenti bakalářských i magisterských programů v laboratoři seznamují s moderními technickými prostředky pro bezdotykové měření teploty, pro termografii a termodiagnostiku. Pro laboratorní práci bezdotykové měření teploty jsou v laboratoři k dispozici tři měřicí stanice. S touto laboratorní úlohou se seznámí všichni posluchači, kteří se účastní laboratorních prací měřicí a řídicí techniky. Náročnější a specializované práce budou zařazeny do výuky v magisterském studiu v oboru inženýrská informatika a řízení procesů.
 

5. Souhrn a závěr

 
V rámci laboratoří měřicí a řídicí techniky v ústavu fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha byla vybudována nová laboratoř bezdotykového měření teploty. Laboratoř je vybavena moderní přístrojovou technikou pro bezdotykové měření teploty (čtyři přenosné a jeden stabilní IČ teploměr, přenosná a stabilní termokamera, spektrofotometr s optickými vlákny a tři kalibrační černá tělesa, která pokrývají teplotní rozsah od –10 do +1 200 °C). Pro posluchačské laboratoře byly připraveny čtyři laboratorní práce (bezdotykové měření teploty, bezdotykové měření teploty spektrofotometrem, termografie a termodiagnostika, bezdotykové měření teploty malých objektů). Učební texty a návody k laboratorním pracím jsou k dispozici na internetu.
 
Poděkování:
Práce vznikla při řešení úkolů podporovaných projektem FRVŠ č. 379/2009 a Výzkumným záměrem č. MSM 6046137306.
 
Literatura:
[1] DOSTMANN PROSCAN: Manuál k přístroji Proscan 530. MEPDFI-MA-2007-04-A. Wertheim-Reicholzheim, Dostmann electronic GmbH, 2007.
[2] OPTRIS-LS: Manuál k přístroji Optris-LS. E 2006-01-A. Berlin, Optris GmbH Berlin, 2006.
[3] FLUKE 576: Manuál k IČ-teploměru Fluke 576. Fluke Corporation, March 2005.
[4] OPTRIS-CT: Manuál k IČ-teploměru Optris-CT-Laser. E2008-05-A. Berlin, Optris GmbH Berlin, 2008.
[5] FLIR T400: Manuál k termokamerám FLIR T-series. Publ. No. 1558795, June 2008.
[6] OPTRIS-PI: Manuál k termokameře OPTRIS-PI E2009-06-A. Berlin, Optris GmbH Berlin, 2009.
[7] ISOTECH: Temperature Calibration Equipment & Services. Edition 1:4109. Isothermal Technology Limited, Southport, England, 2009.
[8] OCEAN OPTICS: Manuál k UV/VIS/NIR spektrofotometru Ocean Optics HR2000+. Dostupné na http://www.oceanoptics.com/technical/hr2000+.pdf. Publ. 2008, cit. 22. 6. 2010.
[10] FLIR QUICKREPORT: Manuál k programu FLIR QuickReport, v.1.2. Publ. 1558625, September 2008.
[11] KADLEC, K.: Laboratoř bezdotykového měření teploty. Dostupné na http://www.vscht.cz/ufmt/kadleck.html. Bez data publikace a revize, cit. 23. 6. 2010.
 
doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.,
Ing. Dušan Kopecký, Ph.D.,
Ing. Přemysl Fitl,
ústav fyziky a měřicí techniky, VŠCHT Praha
 
Obr. 1. Pohled do laboratoře bezdotykového měření teploty
Obr. 2. Přenosný IČ teploměr Optris-LS
Obr. 3. Přenosný IČ teploměr Fluke 576
Obr. 4. Sestava stabilního IČ teploměru Optris-CT-Laser
Obr. 5. Přenosná kompaktní termovizní kamera Flir T400
Obr. 6. Termokamera Optris-PI
Obr. 7. Kalibrační pracoviště pro kontrolu správnosti měření a pro kalibraci IČ teploměrů
Obr. 8. UV/VIS/NIR spektrometr HR2000+
Obr. 9. Uspořádání laboratorní aparatury úlohy bezdotykového měření teploty
Obr. 10. Měření termokamerou
Obr. 11. Vyhodnocení termogramu
Obr. 12. Práce se spektrofotometrem: ověřování základních fyzikálních zákonů pro bezdotykové měření teploty
Obr. 13. Termokamera zaměřená na pelistorový senzor
Obr. 14. Termogram rozložení teploty na povrchu pelistorového senzoru