Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjności.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

1

Ć

wiczenie

MC_12

Temat ćwiczenia:

Bezstykowy pomiar temperatury,

wyznaczanie współczynnika emisyjności

Konspekt

V_1.0

Nr zespołu:

Wydział, rok, grupa:

Data

Ocena

Nazwisko i imię

Teoria

Wykonanie ćwiczenia

Końcowa z ćwiczenia

1.

2.

Elementy układu

:

1) zamrażarka;

2) kamera termograficzna V 20;

3) termometr cyfrowy;

4) pirometr;

5) komputer;

6) przegrody z materiałów izolacyjnych;

Dodatkowe elementy

:

6) termopary;

7) taśma klejąca;

8) stoper;

9) nożyczki.

12.1. Opis stanowiska pomiarowego

Rolę urządzenia zapewniającego konieczną, do wywołania przepływu ciepła, różnicę temperatur pełni

na stanowisku pomiarowym lodówka (zamrażarka). Schemat stanowiska do wyznaczania

współczynnika przenikania ciepła znajduje się na rysunku 12.1. Stanowisko pomiarowe składa się z:

•

lodówki, na której zamocowane są przegrody z różnych materiałów budowlanych;

•

kamery termograficznej;

•

termometru cyfrowego z zestawem termopar;

•

komputera rejestrującego dane z urządzeń pomiarowych.

Przegroda (2) z materiału, dla którego chcemy ustalić współczynnik przenikania ciepła, jest

odpowiednio umocowana na ramie lodówki (1) za pomocą pasów z rzepami. Różnica temperatur

otoczenia (T

i

) i temperatury wewnątrz lodówki (T

e

) generuje w przegrodzie przepływ ciepła (Q). Do

ustalenia współczynnika przenikania ciepła konieczne jest uzyskanie wartości temperatury

wewnętrznej (T

se

) i zewnętrznej (T

si

) ścianki przegrody. Pomiar temperatur przeprowadzany jest przy

użyciu termometru cyfrowego (4), wyposażonego w termopary, których końce są umocowane przy

pomocy taśmy samoprzylepnej do powierzchni przegrody. W celu zobrazowania dwuwymiarowego

rozkładu temperatur powierzchni przegrody przeprowadzany jest pomiar mocy promieniowania

podczerwonego tej powierzchni, przy użyciu kamery termograficznej (3). Dane uzyskane za pomocą

urządzeń pomiarowych są zapisywane przez komputer (5).

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjności.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

2

W miejsce drzwiczek tej lodówki zamocowana jest rama stanowiąca uchwyt dla badanych przegród.

Mocowanie przegród odbywa się przy użyciu odpowiednich pasów i uchwytów widocznych na

Rys.12.2.

Zastosowana kamera to model V-20 produkcji firmy Vigo (przedstawiona na Rys. 12.3.). Całość jest

transmitowana łączem szeregowym RS232 do komputera. Wyniki pomiaru są przedstawiane w postaci

kolorowego termogramu. Termograf V-20 dokonuje 57600 pomiarów temperatury podczas jednego

skanowania. Przy nastawieniu optyki na nieskończoność, uzyskujemy pełną ostrość obrazu od 2 m

przy rozdzielczości 10 mrad oraz od 4 m przy rozdzielczości 5 mrad. Podstawowe dane techniczne

urządzenia podane są poniżej:

Rys 12.1

Schemat stanowiska

pomiarowego

do

badania

współczynników

przewodzenia

ciepła

przy

użyciu

kamery

termograficznej:

1 – lodówka;

2 – przegroda z badanego

materiału;

3 – kamera termograficzna;

4 – termometr cyfrowy wraz z

termoparami;

5 – komputer.

Kamera termograficzna jest sprzężona z komputerem, na którym zainstalowane jest odpowiednie

oprogramowanie, umożliwiające wizualizację, analizę oraz obróbkę obrazów termalnych.

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjności.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

3

Rys.12.2

. Mocowanie przegrody i termopar.

Rys.12.3

. Kamera termograficzna typu V - 20

Parametry pracy kamery V-20:

- detektor: HgCdTe, chłodzony termoelektrycznie
- rozdzielczość: 240x240 pikseli,
-zakresy temperatur: zakres I: od (–15) do +25°C oraz
zakres II od (–32) do +212°C,
-rozdzielczość termiczna: 0,1 °C dla zakresu I i
1 °C dla zakresu II,
- zakres spektralny:

8-12 µm,

- dokładność pomiaru:

5%,

- kąt skanowania:

30° x 30°,

- czas tworzenia obrazu: 25 s,
- temperatura otoczenia T

o

: do 30°C.

Oprogramowanie dla kamery termograficznej – program TERMOGRAF jest oprogramowaniem

wizualizacyjm i posiada duże możliwości obróbki termogramów poprzez: zmianę palety barw, zmianę

zakresu obrazowanych temperatur (zoom termiczny), automatyczne wyszukiwanie najcieplejszego i

najzimniejszego punktu, możliwość zaznaczenia regionu zainteresowania, w którym możemy

odszukać punkty i wyświetlić ich wartość, istnieje również możliwość wyeksportowania danych

termograficznych z zaznaczonego obszaru do innych programów obróbki danych, co pozwala na

wykorzystywanie dodatkowych możliwości analizy i obróbki danych. Oprócz możliwości

Pasy z rzepami

przytrzymujące badaną

przegrodę

Przegroda z płyty

gipsowo-kartonowej

T

se1

T

se2

Warstwa izolacyjna

styropianu

Płytka do pomiaru

strumienia ciepła

T

se

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjności.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

4

analizowania i obróbki termogramów oprogramowanie umożliwia również ich automatyczną

archiwizację. Obraz interfejsu użytkownika został przedstawiony na Rys.12.4.

Rys12.4

. Obraz interfejsu użytkownika oprogramowania termografu dla obrazu termalnego przegrody

gipsowej wraz z wykresem przebiegu temperatury uzyskanej z termogramu.

Kolejnym elementem wyposażenia stanowiska jest termometr cyfrowy Rys.12.5a) oraz cztery

termopary (termometr jednocześnie mierzy temperaturę z dwóch termopar). Termometr posiada opcje,

dzięki której możliwe jest wyświetlanie różnicy temperatur pokazywanych przez dwie sondy

pomiarowe. Zapamiętuje również maksymalną oraz minimalną zarejestrowaną temperaturę.

Rys. 12.5.a) Termometr cyfrowy używany w ćwiczeniu;
b) pulpit manipulacyjny termometru

Błąd (niepewność) pomiaru temperatury za pomocą termopar w niniejszym stanowisku przyjmujemy

jako

∆

T =

0.3 C.

OPCJONALNA
PALETA BARW

ZOOM
TERMICZNY

TEMPERATURA
MINIMALNA

Objaśnienia klawiszy:

θ

θ

θ

θ

-włączanie i wyłącznie urządzenia

Rel/Hold

– nacisnąć krótko wskazania T1-T2;

Hold -

zmrożenie danych

nacisnąć przez przycisk przez 2 s - wskazania 0,0

Timer

- ustawienie czasu pomiaru

Channel -

przełącznik trybu pracy T

1

lub T

2

lub różnicy T

1

-T

2

C/F

-

przełączenie trybu wyświetlania T z

o

C na F

Rec -

zapis

θ

θ

θ

θ

Rec

Rel

Hold

C/F

Timer

10) T

1

10) T

2

a)

b)

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjności.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

5

11./12. Wykonanie ćwiczenia

Bezstykowego pomiaru temperatury będziemy dokonywać pirometrem RAYTEK MX2 – Rys. 12.7.

Rys. 12.7 Pirometr Raytek MX2

•

zakres mierzonych temperatur od (–30°C) do +900°C;

•

dokładność ±0,75 lub ±1°C;

•

czas odpowiedzi 250ms;

•

wskaźnik z kółeczkiem z 16-tu punktów laserowych

•

odległość/średnica kółeczka 60:1

•

ustawiana emisyjności

•

zasilanie 2 baterie AA.

Instrukcje i więcej informacji na temat używanego w ćwiczeniu sprzętu pomiarowego znajdziesz na

stronie platformy e-lerningowej.

1 Rec

2 ma

xmax

2 min

AVG

3 Hold

3 Rel

4 Bat

7

OO.OO.OO

9

OO.OO.OO

5

o

C F

6 T

1

- T

2

8
K
J
T
R
S
E

11

OO.OO.OO

6 Channe

l

Objaśnienia:

1) Rec

-tryb rejestracji; 2) max/min zapamiętane wart.T; 3) Hold/Relative–zamrożenie/ wyzerowanie

4) Bat

- wskaźnik baterii; 5) tryb pracy

o

C F; 6)

wskaźnik kanału pracy T

1

lub T

2

lub różnica T

1

-T

2

6)

Channel- przełączanie trybu pracy –temperatura T

1

lub T

2

lub różnica T

1

-T

2

; 7) wyświetlacz

główny T

1

lub T

2

lub różnicy T

1

-T

2;

8

) wskaźnik typu termopary; 9) wyświetlacz pomocniczy T

1

lub T

2

lub różnicy T

1

-T

2

; 10) gniazdo termopar T

1

-T

2;

11

) zegar czasu względnego

10 T

1

10 T

2

Rys. 12. 6

. Wyświetlacz

termometru cyfrowego

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjności.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

6

WYKONANIE ĆWICZENIA

A. Zapoznanie się z obsługą kamery termograficznej

Uruchomienie stanowiska

:

Uwaga:

kamera będzie ustawiona na statywie, podłączona do komputera, zamrażarka włączona i

założona zostanie przegroda.

1. Nakierować kamerę na przegrodę.

2. Włączyć komputer i uruchomić program TERMOGRAF (na pulpicie),

wybrać plik konfiguracyjny:

config nr_ser 61_00.cfg

3. Zapoznać się ze skróconą instrukcją obsługi programu (w załączniku 1 niniejszej instrukcji , pełna

instrukcja znajduje się na stanowisku pomiarowym.

4. Utworzyć nowy katalog na pulpicie, nazwa katalogu tworzona wg klucza: data (miesiąc dzień),

grupa, zespół, dwie pierwsze litery nazwisk wykonujących (poszczególne dane oddzielone dolnym

podkreśleniem).

Przykład:

ć

wiczenie jest wykonywane 17 lutego przez osoby Kowalski i Piekarski z grupy 2, zespół 5 to nazwa

katalogu: 0217_2_5_kopi

Do tego katalogu proszę zapisywać wszelkie wyniki pomiarów!

5. Włączyć kamerę, nawiązanie połączenia sygnalizowane jest pojawieniem się komunikatu

„GOTÓW”

6. Odczekać ok. 5 min do pojawienia się obrazu, następnie odczekać jeszcze ok. 5-10 min do

ustabilizowania się warunków pracy kamery.

7. Wykonać skanowanie powierzchni – zapisać termogram nr 0 – pod nazwą: przegroda_00

8. Przetestować możliwości programu:

a)`zaznaczyć markery na termogramie;

b) odczytać temperatury minimalne i maksymalne,

c) zmienić zakres pomiaru i wykonać czynności z podpunktów a –b,

d) sporządzić wykres liniowy d= f(T) i in.

9. Wykonać skanowanie powierzchni i zapisać termogram nr 1 – pod nazwą: przegroda_01

10. Na badanym termogramie nr 1:

a) znaleźć miejsca o najwyższej i najniższej temperaturze,

b) za pomocą markerów odczytać temperaturę w kilku wybranych punktach,

c) wykonać wykres temperatury dla prostej poziomej przecinającej termogram

11. Zapisać termogram nr 1 w postaci mapy bitowej i macierzy liczbowej i wydruku PDF.

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjności.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

7

B. Pomiar bezstykowy temperatury i określenie emisyjności.

12. Skontrolować położenie termopar mierzących T

e

, T

i

, T

se

, T

si

, oraz T

si1

i T

si2

na powierzchniach

zewnętrznych przegrody.(Rys.12.2) (sprawdzić czy są dobrze dociśnięte do badanych powierzchni,

ewentualnie poprawić docisk lub przykleić nowym kawałkiem taśmy).

14. Odczytać nr przegrody i jej grubość z naklejki i wpisać dane do Tab.12.1.

15. Przy wyłączonym termometrze cyfrowym przyłączyć dwa wtyki dwóch termopar do gniazd 10 T

1

i 10 T

2

termometru cyfrowego przedstawionego na Rys.12.5a) w sposób przedstawiony na

Rys.12.5a)

16. Włączyć termometr cyfrowy (patrz Rys.12.5a) i obserwować zmiany temperatury, a po jej

ustabilizowaniu:

a) odczytać wartość temperatury

T

i

, T

e

-

i wyniki zapisać w Tab.12.1 .Wyłączyć termometr.

17. Przyłączyć wtyki dwóch kolejnych termopar do dwóch gniazd termometru (przełączanie termopar

odbywa się poprzez wyjęcie dwóch wtyczek termopar z dwóch gniazd miernika i włożenie dwóch

nowych wtyczek do gniazd – UWAGA ! zachować prawidłową polaryzację termopar).

Włączyć termometr.

a) Odczytać wartości temperatur

T

si

, T

se

wyświetlone na wyświetlaczu termometru i zanotować

w Tab.12.1.

b) zanotować w Tab.12.1. temperatury T

si1

i T

si2.

18. Wykonać pomiary temperatury za pomocą pirometru kierując go prostopadle do mierzonej

powierzchni i tak aby mierzony obszar był jak najmniejszy (pirometr w odległości 1,15m od

mierzonego punktu)

19. Wykonać termogram za pomocą kamery termograficznej zgodnie z opisem czynności

manipulacyjnych zawartych w pkt. A 1-11.Wykonać termogram składający się przynajmniej z 10

pojedynczych skanów. Na termogramie odczytać wartość temperatury odpowiadającej położeniu

termopary mierzącej temperaturę T

si

poprzez oznaczenie tych punktów markerami.

Otrzymane w wyniku pliki w postaci mapy bitowej, macierzy liczbowej i wydruku PDF skopiuj dla

siebie w celu sporządzenia sprawozdania.

Uwaga:

Jeżeli będzie taka potrzeba wymiana przegrody powinna się odbywać tak szybko jak to

możliwe! Jedna osoba powinna stać z przygotowaną przegrodą, a druga osoba odkleja termopary z

poprzedniej przegrody, zdejmuje przegrodę, po założeniu nowej przegrody przykleja taśmą termoparę

wpierw do ścianki od strony wnętrza zamrażarki, zamyka zamrażarkę i nakleja termoparę zewnętrzną.

Kawałki taśmy powinny być przygotowane wcześniej.

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjności.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

8

II Wyniki pomiarów i obliczenia

Tab.12.1. Pomiary temperatury za pomocą pirometru i termopar:

Przegroda nr......,

Materiał przegrody:....................................................Grubość d ...........[cm]

Materiał izolacji:........................................................Grubość d ...........[cm]

Pomiar termoparą

Pomiar pirometrem

Ti

[

0

C]

Tsi

[

0

C]

Tse

[

0

C]

Te

[

0

C]

T

se1

[

0

C]

T

se2

[

0

C]

T

se1

[

0

C]

T

se2

[

0

C]

Pomiar termoparą

Pomiar pirometrem

Wartości uśrednione

Ti

[

0

C]

Tsi

[

0

C]

Tse

[

0

C]

Te

[

0

C]

T

se1

[

0

C]

T

se2

[

0

C]

T

se1

[

0

C]

T

se2

[

0

C]

III Opracowanie wyników

Pomiary kamerą termograficzną traktowane są raczej jako jakościowe. Ze względu na brak ścisłej

teorii opisującej wiele aspektów przewodzenia ciepła (zwłaszcza przejmowanie ciepła z przegrody do

otaczającego powietrza) czy też niemożność ścisłego kontrolowania parametrów otoczenia (ruch

powietrza, rozproszone, niestabilne, promieniowanie od słońca, osób czy innych źródeł ciepła) wyniki

traktujemy jako szacunkowe. Należy je porównać z tablicowymi i w ten sposób oszacować dokładność

naszej metody.

A. Zapoznanie się z obsługą kamery termograficznej

1) Opracować otrzymane termogramy:

a) posumować wykonane prawidłowo termogramy celem uzyskania lepszej rozdzielczości,

b) określić miejsca o najwyższej i najniższej temperaturze,

c) wyeksportować otrzymany plik w postaci:

pliku graficznego (.BMP), raportu w postaci wydruku PDF, macierzy liczbowej ostatniego skanu.

d) narysować wykres rozkładu temperatury dla lini w której znajdowały się markery określające

temperatury T

se

.

e) opisać i wytłumaczyć obserwowany rozkład temperatury.

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjności.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

9

B. Określenie emisyjności

Temperaturę T

k

wziąć z pomiaru pirometrem temperatur T

se

Tab.12.1

Temperaturę Tp- wziąć z z pomiaru termoparą temperatur T

se

Tab.12.1

Skorzystać ze wzoru nr 1 i obliczyć współczynniki emisyjności dla wszystkich możliwych

przypadków.

4

95

.

0

ε

⋅

=

k

p

T

T

,

[K] (1)

gdzie: T

p

i T

k

– temperatury tego samego punktu na badanej płaszczy

ź

nie wskazywane odpowiednio

przez termopar

ę

(T

p

) i pirometrem (T

k

) [K],

ε

- emisyjno

ść

badanej powierzchni (czynnik 0.95 wynika z ustawienia pirometru na tak

ą

emisyjno

ść

).

Tab.12.2.Obliczenie wartości współczynników emisyjności

Lp

Kolejne

obliczane

punkty T

sex

Temperatura

Tp [°C]

Temperatura

T

k

[°C]

Temperatura

T

p

[K]

Temperatura

T

k

[K]

Emisyjność

ε

ε

ε

ε

(wzór 1)

1

T

se1-1

2

T

se1-2

3

T

se1-3

4

T

se1-4

5

T

se1śr

6

T

se2-1

7

T

se2-2

8

T

se2-3

9

T

se2-4

10

T

se2śr