background image

 
Ćwiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjności. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 
 

1

Ćwiczenie

 

MC_12

 

Temat ćwiczenia: 

 

Bezstykowy pomiar temperatury, 

wyznaczanie współczynnika 

emisyjności

 

Załącznik 1 

Teoria 

V_1.0

 

 

12.1.Teoria 
 
Zjawiska fizyczne związane z działaniem kamery termograficznej 
 

Każde  ciało  o  temperaturze  wyższej  od  zera  bezwzględnego  emituje  promieniowanie 

elektromagnetyczne (EM) przy czym zdolność emisji promieniowania zależy od jego temperatury oraz 

właściwości fizycznych i chemicznych (głównie powierzchni).  

Ponieważ  promieniowanie  cieplne  jest  rodzajem  drgań  elektromagnetycznych,  podlega  ono  tym 

samym co i one prawom ogólnym, tj. prawu odbicia, załamania, polaryzacji, pochłaniania itd. 

 Z  całkowitej  ilości  energii  promieniowania  padającej  na  ciało,  część  ulega  absorpcji  (zostaje 

pochłonięta), część zostaje odbita, część zaś przenika przez ciało.  

Na podstawie bilansu energii zachodzi związek: 

1

=

+

+

D

R

A

                                                                                                                                         (1) 

gdzie: A - absorpcyjność, R - refleksyjność, D - przepuszczalność (transmisyjność).  

Wielkości te są bezwymiarowe, są one liczbami zawartymi w granicach 0

÷

1. Ściśle biorąc, powyższy 

bilans wielkości AR, D  może zależeć od długości fali λ.  

Ze względu na wymienione współczynniki rozróżnia się następujące przypadki rzeczywistych ciał: 

•  A

λ

 = A = 1  -  ciało  doskonale  czarne, 

•  A

λ

 = A < 1  -   ciało  szare, 

•  R

λ

 = R = 1  -  ciało białe ( zwierciadlane), 

•  D

λ

 = D = 1  -  ciało diatermiczne (przezroczyste), 

•  D

λ

 = D = 0  -  ciało adiatermiczne (nieprzezroczyste), 

(dolny indeks λ oznacza zależność danej wielkości od długości fali). 

Jeżeli wymienione właściwości zależą od λ mówimy o wielkościach selektywnych lub spektralnych, to 

znaczy  istotnych  dla  pewnych  długości  lub  przedziałów  długości  fal.  Ważną  grupę  stanowią  ciała 

szare 

(np. materiały przegród budowlanych), dla  których: 

1

=

R

A

                                                                                                                                                (2) 

Wystarczy dla nich znać jedną wielkość, najczęściej A lub , A

λ

 aby wyznaczyć drugą wielkość (tutaj - 

refleksyjność R). 

Pojęcie ciała doskonale czarnego wprowadził Kirchhoff. Modelem jest otwór znajdujący się w ściance 

pustego  wewnątrz  ciała  (rys.12.1).  Ciało  doskonale  czarnych,  białych  i  przezroczystych  nie  ma  w 

przyrodzie.  

background image

 
Ćwiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjności. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 
 

2

Rys. 12.1. Model ciała doskonale czarnego 

 

W odniesieniu do ciał rzeczywistych pojęcia te stanowią jednak bardzo wygodne punkty odniesienia, 

jak pokazano na rysunku.12.2, gdzie widać, że ciało szare ma podobny przebieg egzytancji jak ciało 

doskonale czarne. W przypadku ciała rzeczywistego przebieg ten może znacznie się różnić. 

.

 

 

 

 

Rys.12.2. Przebieg egzytancji widmowej w funkcji długości fali promieniowania ciała doskonale 

czarnego, szarego i rzeczywistego. 

Polerowane  powierzchnie  metaliczne  mają  dużą  zdolność  odbijania  promieniowania  cieplnego,  w 

odróżnieniu od powierzchni szorstkich, dla których zdolność ta jest dużo mniejsza.  

•  Prawo Kirchhoffa: 

Równowaga  termiczna  dla  promieniowania  znajdującego  się  w  jakiejś  przestrzeni  o  jednakowej 

temperaturze  ma  charakter  dynamiczny,  to  znaczy  polega  na  równowadze  pomiędzy  emisją 

(zdolnością promieniowania ciała E) a

 

absorpcją (zdolnością absorpcji A) promieniowania dla każdego 

zakresu długości fali. 

Dla układu kilku ciał o różnych absorpcyjnościach można to zapisać następująco: 

)

(

T

E

A

E

A

E

A

E

c

i

i

=

=

=

2

2

1

1

,

m

1

m

W

2

                                                                           (3) 

gdzie ogólnie A

i

 = A

λ ,T)

 

oraz E

i

 = E

λ,T).

  

Słownie pierwsze sformułowanie prawa Kirchhoffa brzmi: 

 

 

background image

 
Ćwiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjności. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 
 

3

"Stosunek  emisji  ciała  do  jego  absorpcyjności  jest  zależny  tylko  od  temperatury  i  dla  danej 

temperatury stały, niezależnie od innych  właściwości ciała".  Ze  wzoru (3) wynika jednoznacznie, że 

dla T = const stosunek zdolności promieniowania E do zdolności pochłaniania energii promieniowania 

A

 jest jednakowy dla wszystkich ciał i równa się zdolności promieniowania ciała doskonale czarnego 

E

c

  (dla  którego  A  =  1).  Ponieważ  absorbowana  energia  jest  największa  dla  ciała  czarnego,  to  i  jego 

zdolność emisji jest największa. 

W warunkach równowagi promieniowania cieplnego emisyjność ciała jest równa jego absorpcyjności 

(dla tej samej temperatury, dla identycznej długości fali) stąd: 

)

,

(

)

,

(

T

A

T

E

λ

λ

λ

λ

=

                                                                                                                               (4) 

•  Prawo Plancka: 

Prawo  to  wyraża  zależność  między  intensywnością  promieniowania  monochromatycznego,  E

λ

 

emitowanego  przez  ciało  doskonale  czarne,  jego  temperaturą  T  i  długością  fali 

λ

  emitowanego 

promieniowania: 

1

2

5

1

=

T

C

e

C

E

λ

λ

λ

,

m

1

m

W

2

                                                                                                      (5) 

gdzie:C

1

 = 2πh

2

0

c

 = 3,7418·10

-16

  [W·m

2

]oraz C

2

 = hc

0

/k = 1,4388·10

-2

  [m·K],  

gdzie: h- stała Plancka; h= 6,6256·10

-34

[J· s ];c

0

 = prędkość światła w próżni; c = 2,997925 ·10

s

m

są 

wielkościami stałymi, zaś k oznacza stałą Boltzmanna (k = 1,3806·10 

-23 

K

J

). 

Wielkość E

λ

 jest nazywana również monochromatyczną gęstością emisji (promieniowania). Wzór (5) 

przedstawia zależność E

λ

 od λ i T, a więc widmo promieniowania ciała czarnego.  

 

•  Prawo Stefana – Boltzmanna: 

Prawo  to  jest  konsekwencją  prawa  Plancka  i  mówi  o  tym,  że  całkowita  ilość  energii 

wypromieniowanej  w  ciągu  sekundy  przez  jednostkę  powierzchni  ciała  doskonale  czarnego  w 

temperaturze T wynosi: 

4

T

E

c

=

σ

   

2

m

W

,                                                                                                                              (6) 

Wielkość 

σ

  nosi  nazwę  stałej  promieniowania  ciała  czarnego  i  w  obliczeniach  technicznych 

przyjmuje się 

σ

 

= 5,67·10

-8

 

(

)

4

2

K

m

W

Prawo  Stefana  -  Boltzmanna  stosuje  się  do  wyznaczania  całkowitej  energii  promieniowania, 

obejmującej  wszystkie  długości  fal,  emitowanych  we  wszystkich  kierunkach.  Prawo  to  zostało 

opracowane  dla  ciała  doskonale  czarnego.  Okazuje  się  jednak,  że  prawo  to  może  także  być 

stosowanego  dla  ciał  szarych.  Intensywność  ich  promieniowania,  dla  T  =  const,  jest  dla  wszystkich 

background image

 
Ćwiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjności. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 
 

4

długości  fal  jednakowo  proporcjonalna  do  intensywności  promieniowania  ciała  doskonale  czarnego. 

Wtedy: 

4

T

E

c

=

σ

ε

(

)

4

2

K

m

W

,                                                                                                                    (7) 

Współczynnik  ε  nosi  nazwę  względnej  zdolności  emisyjnej,  stopnia  czarności  powierzchni  ciała 

szarego lub względnej emisyjności. 

Zmienia się w granicach  ε  1. Dla wielu, ważnych technicznie 

materiałów, wartości tego współczynnika można znaleźć w literaturze. Mając ε można łatwo obliczyć 

energię  promieniowania  emitowaną  przez  ciało  szare.  Względna  zdolność  emisyjna  dla  ciał  szarych 

jest  mniejsza  od  jedności,  ε  <  1,  natomiast  dla  ciała  doskonale  czarnego  ε  =  1.  Oznacza  to,  że  ciało 

czarne  charakteryzuje  się  tym,  że  potrafi  wysłać  przy  danej  temperaturze  maksymalną  ilość  energii. 

Wszystkie pozostałe ciała tzw. ciała szare będą emitować ze swojej powierzchni zawsze mniejszą ilość 

energii. 

Emisyjność ciał zależy od wielu czynników, wśród których najważniejszymi są temperatura, długość 

fali,  kierunek  emisji  fali,  rodzaj  ciała  (ze  względu  na  własności  elektryczne  -  dielektryk  lub 

przewodnik)  i  stan  jego  powierzchni.  Największą  emisyjność  posiadają  różne  chropowate  i  matowe 

powierzchnie,  najmniejszą  zaś  polerowane  srebro  i  złoto.  Emisyjność  powierzchni  utlenionych  jest 

znacznie większa niż czystych metali. Bardzo interesującym materiałem  jest szkło, które w pewnym 

zakresie  λ  jest  przeźroczyste.  Szkło  kwarcowe  przepuszcza  także  promieniowanie  nadfioletowe, 

natomiast szkło zawierające siarczek arsenu przepuszcza również promieniowanie podczerwone.  

W obliczeniach technicznych najczęściej przyjmuje się model ciała doskonale szarego, gdyż upraszcza 

to  znacznie  obliczenia,  a  w  szczególnych  przypadkach  trzeba  jednak  uwzględnić  zależność 

emisyjności od wymienionych czynników.  

Emisyjność  może  być  wyznaczona  jeżeli  dokonamy  jednoczesnego  pomiaru  temperatury  danego 

obiektu  metodą  radiometryczną  (np.  kamera  termograficzna)  i  stykową  (np.  termopara).  Korzystamy 

wtedy z następującego związku (bezpośrednia konsekwencja prawa Stefana Boltzmana): 

4

95

.

0

ε

=

k

p

T

T

, [K]                                                                                                                              (8) 

gdzie: T

p

 

T

k

 – temperatury tego samego punktu na badanej płaszczy

ź

nie wskazywane odpowiednio 

przez termopar

ę

 (T

p

) i kamer

ę

 termograficzn

ą

  (T

k

), 

ε

 - emisyjno

ść

 badanej powierzchni (czynnik 0.95 

wynika z ustawienia kamery na tak

ą

 emisyjno

ść

). 

•   Prawo Wiena: 

Pozwala na wyznaczenie długo

ś

ci fali dla której rozkład promieniowania osi

ą

ga maksimum. 

3

2

965

,

4

C

C

T

m

=

=

λ

,   [m·K]                                                                                        (9) 

gdzie C

3  

= 2,898·10

-3

 [m·K ]. 

background image

 

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjno

ś

ci. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 
 

5

Równanie (9) nosi nazw

ę

 prawa Wiena. Prawo Wiena pozwala mi

ę

dzy innymi na pomiar temperatury 

odległych  ciał.  Mierzy  si

ę

  spektralny  rozkład  emisji  i  wyznacza  maksimum,  temperatura  wynika  z 

równania (9).  

Działanie i budowa kamery termograficznej 

Z  prawa  Stefana  –  Boltzmanna  wynika, 

ż

e  mierz

ą

c  nat

ęż

enie  emitowanych  przez  dane  ciało  fal  EM 

mierzymy  po

ś

rednio  jego  temperatur

ę

.  Pomiar  temperatury  powierzchni  ciała  polega  na  pomiarze 

mocy  tego  promieniowania,  a  nast

ę

pnie  przetworzeniu  jego  energii  na  impulsy  elektryczne 

wyskalowane w jednostkach temperatury. 

Prekursorem  pomiarów  termograficznych  był  angielski  astronom  William  Herschel,  który  w  1800 

roku  odkrył  promieniowanie  podczerwone.  Przesuwaj

ą

c  termometr  w  rozszczepionym  za  pomoc

ą

 

pryzmatu 

ś

wietle  słonecznym  zaobserwował  stały  wzrost  temperatury  id

ą

c  w  kierunku  barwy 

czerwonej.  Zaobserwował  jednocze

ś

nie  wzrost  temperatury  nawet  wtedy,  gdy  termometr  znajdował 

si

ę

 poza obszarem 

ś

wiatła widzialnego. 

Pierwsze  detektory  w  kamerach  termowizyjnych  wymagały  schłodzenia  ich  podczas  pracy  do 

temperatury  około  -200°C.  Ci

ą

głe  doskonalenie  technik  termograficznego  pomiaru  temperatury 

doprowadziły  do  skonstruowania  nowych  typów  detektorów  pracuj

ą

cych  zadowalaj

ą

co  ju

ż

  w 

temperaturze -70°C. Do chłodzenia tego typu detektora wystarczaj

ą

ce było zastosowanie chłodziarek 

termoelektrycznych  wykorzystuj

ą

cych  efekt  Peltiera.  Dalsze  prace  doprowadziły  do  opracowania 

konstrukcji współczesnych detektorów działaj

ą

cych zadowalaj

ą

co w temperaturze 30°C. 

Rozwój  detektorów  promieniowania  IR  poci

ą

gn

ą

ł  za  sob

ą

  rozwój  metod  generacji  obrazu 

termograficznego. 

Współczesny detektor promieniowania IR ma posta

ć

 dwuwymiarowej stałej matrycy składaj

ą

cej si

ę

 z 

240  x  320  pojedynczych  mikro-detektorów.  Obraz  badanego  obiektu  padaj

ą

c  przez  obiektyw  na 

matryc

ę

  powoduje  wygenerowanie  w  ka

ż

dym  pojedynczym  mikrodetektorze  sygnału  elektrycznego 

stosownego  do  nat

ęż

enia  padaj

ą

cego  promieniowania.  Sygnały  te  zbierane  s

ą

  z  du

żą

  cz

ę

stotliwo

ś

ci

ą

 

przez układ odczytu i po obróbce elektronicznej słu

żą

 do utworzenia obrazu termograficznego badanej 

powierzchni. Obecnie w urz

ą

dzeniach termowizyjnych stosowane s

ą

 fotodetektory.  

Ci

ą

głe  doskonalenie  detektorów  umo

ż

liwiło  równie

ż

  prowadzenie  pomiarów  za  pomoc

ą

  jednego 

urz

ą

dzenia  w  zakresie  temperatury  od 

  40  °C  do  2000  °C.  Równocze

ś

nie  z  rozszerzaniem  zakresu 

pomiarowego temperatury poprawiana była czuło

ść

 termiczna urz

ą

dze

ń

 termograficznych.  

Przy  temperaturze  30  °C  czuło

ść

  termiczna  współczesnych  kamer  o  ogólnym  przeznaczeniu  jest  na 

poziomie  0,08  do  0,1  K.  Parametr  ten  informuje  o  tym,  jak

ą

  minimaln

ą

  ró

ż

nic

ę

,  temperatury  jest  w 

stanie wykry

ć

 detektor kamery. 

Zasada działania kamery termowizyjnej 

Termograficzne  metody  bada

ń

,  w  przeciwie

ń

stwie  do  metod  konwencjonalnych,  pozwalaj

ą

  na 

uzyskanie  dwuwymiarowego  rozkładu  temperatur  powierzchni  badanego  obiektu.  Badania 

termograficzne  cechuje,  bezinwazyjno

ść

,  co  oznacza, 

ż

e  układ  detekcyjny  urz

ą

dzenia  nie 

background image

 

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjno

ś

ci. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 
 

6

oddziaływuje na badany obiekt, termografy mog

ą

 znajdowa

ć

 si

ę

 w znacznej odległo

ś

ci od badanego 

ciała. Do zalet tej metody nale

ż

y zaliczy

ć

ż

e pomiary dokonywane s

ą

 w czasie rzeczywistym.  

Podstawowymi elementami składowymi kamery termowizyjnej s

ą

•  cz

ęść

 optyczna, 

•  detektor, 

•  blok elektroniczny. 

Cze

ść

 optyczna składa si

ę

 z układu soczewek, maj

ą

cych za zadanie skupienie promieniowania emi-

towanego z powierzchni badanego obiektu na detektorze. Materiał soczewek musi spełnia

ć

 okre

ś

lone 

wymagania, a mianowicie musi si

ę

 charakteryzowa

ć

 maksymaln

ą

 transmisyjno

ś

ci

ą

 przy minimalnych 

warto

ś

ciach absorpcyjno

ś

ci i refleksyjno

ś

ci. Idea pomiaru przedstawiona jest na Rys12.3. 

 

Rys.12.3

. Pole widzenia oraz chwilowe pole widzenia 

 

Pole  widzenia  FOV  (Field  of  View)  jest  definiowane  jako  zbiór  tych  punktów,  znajduj

ą

cych  si

ę

  na 

powierzchni badanego obiektu, z których emitowane fale elektromagnetyczne skupiane s

ą

 przez układ 

optyczny  kamery.  Z  kolei  chwilowe  pole  widzenia  IFOV  (Interim  Field  of  View)  jest  to  element 

powierzchni  obiektu,  którego  promieniowanie  zostaje  skupione  na  detektorze,  dzi

ę

ki  czemu  istnieje 

mo

ż

liwo

ść

  utworzenia  podstawowego  elementu  obrazu  termalnego  –  piksela  tego  obrazu.  Zmiana 

IFOV odbywa si

ę

 dzi

ę

ki układowi skanuj

ą

cemu (układ ruchomych zwierciadeł) powoduj

ą

cemu, 

ż

e w 

danej chwili jest badane kolejne chwilowe pole widzenia 

Detektory  skanuj

ą

ce  ukazuj

ą

  ró

ż

nice  mocy  promieniowania  odbieranego  z  poszczególnych  punktów 

powierzchni  obiektu  bada

ń

,  w  wyniku,  czego  obraz  termalny  jest  dwuwymiarowym  rozkładem 

temperatury  powierzchni  tego  obiektu.  Rozmiar  chwilowego  pola  widzenia  IFOV  radiometru 

skanuj

ą

cego nazywany jest czasem rozdzielczo

ś

ci

ą

 jego obrazu. 

Istniej

ą

  równie

ż

  przyrz

ą

dy  w  których  układ  skanuj

ą

cy  jest  zast

ą

piony  przez  matryc

ę

  detektorów,  z 

której  ka

ż

dy  detektor  odbiera  promieniowanie  z  przypisanego  sobie  elementu  chwilowego  pola 

widzenia. 

background image

 

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjno

ś

ci. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 
 

7

Detektory mo

ż

emy podzieli

ć

 na dwie zasadnicze grupy, mianowicie detektory termiczne i fotonowe. 

O  detektorach  termicznych  mówimy,  gdy  odbierane  promieniowanie  wywołuje  zmiany  termiczne 

wraz, z którymi nast

ę

puje mierzalna zmiana jakiej

ś

 charakterystycznej własno

ś

ci tych detektorów np. 

oporno

ś

ci.  Detektory  fotonowe  reaguj

ą

  bezpo

ś

rednio  na  fotony  promieniowania,  które  wzbudzaj

ą

 

elektrony detektora podczas wewn

ę

trznego procesu fotoelektrycznego. 

Mianem  czuło

ś

ci  temperaturowej  okre

ś

la  si

ę

  najmniejsz

ą

  ró

ż

nic

ę

  temperatur,  obiektu  powoduj

ą

c

ą

 

emisj

ę

 promieniowania wywołuj

ą

c

ą

 sygnał wyj

ś

ciowy detektora równy jego szumowi. 

 

Przepływ ciepła przez przegrod

ę

 

Przepływ  ciepła,  zwany  równie

ż

  wymian

ą

  ciepła  jest  zjawiskiem  wyst

ę

puj

ą

cym  powszechnie  w 

przyrodzie,  zachodzi  wsz

ę

dzie  tam,  gdzie  wyst

ę

puj

ą

  ró

ż

nice  temperatury.  Z  punktu  widzenia 

fizycznych  mechanizmów  wyró

ż

nia  si

ę

  trzy  sposoby  przepływu  ciepła: 

przewodzenie,  konwekcję  i 

promieniowanie cieplne.  

Przewodzenie  ciepła. 

Ilo

ść

  przewodzonego  ciepła  (w  jednostce  czasu  i  przez  pole  przekroju 

poprzecznego  normalne  do  kierunku  rozchodzenia  si

ę

  ciepła)  q  jest  proporcjonalna  do  spadku 

temperatury T,. Mo

ż

na to zapisa

ć

 nast

ę

puj

ą

co: 

T

grad

q

=

λ

      





s

m

J

1

2

 

                                                                               

(10) 

Równanie to nosi nazw

ę

 prawa Fouriera, za

ś

 współczynnik proporcjonalno

ś

ci 

λ

 b

ę

d

ą

cy wła

ś

ciwo

ś

ci

ą

 

fizyczn

ą

  ciała  nazywamy  współczynnikiem  przewodzenia  ciepła,  niekiedy  wprost  –  przewodno

ś

ci

ą

 

ciepln

ą

 – uwaga: nie myli

ć

 z długo

ś

ci

ą

 fali z równa

ń

 1-9 , który mo

ż

e by

ć

 zale

ż

ny od temperatury T 

(ewentualnie  tak

ż

e  od  ci

ś

nienia).  Znak  minus  w  równaniu  (10)  okre

ś

la  kierunek  przepływu  ciepła  – 

przeciwny  do  gradientu  temperatury.  Wymiar  współczynnika 

λ

  natomiast  wynika  z  równania  (10)  i 

wynosi: [

λ

]  = [W/(m K)]. 

Cech

ą

 szczególn

ą

 przewodzenia jest przekazywanie energii (ciepła) wewn

ą

trz ciała stałego (lub płynu) 

bez  ruchu  makroskopowego  cz

ą

stek  tego  ciała.  Przewodno

ść

  cieplna  ró

ż

nych  ciał,  czyli  w  istocie 

zdolno

ść

  przekazywania  energii  wewn

ę

trznej,  której  miar

ą

  jest  współczynnik 

λ

,  nie  jest  wielko

ś

ci

ą

 

stał

ą

  .  Zale

ż

y  ona  od  rodzaju  ciała,  jego  struktury,  g

ę

sto

ś

ci,  ci

ś

nienia,  temperatury,  niekiedy  od 

wilgotno

ś

ci a tak

ż

e od innych czynników. 

Współczynnik przewodzenia ciepła dla gazów, przy umiarkowanych ci

ś

nieniach, le

ż

y w granicach od 

0,005  do  0,6  [W/(m·K)].  Dla  cieczy  współczynnik  - 

λ

  na  ogół  nie  przekracza  granic  od  0,07  do  0,7 

W/(m·K)  (najwy

ż

sze  warto

ś

ci  ma  woda).  Stosunkowo  niskie  warto

ś

ci 

λ

,  dla  płynów,  z  wyj

ą

tkiem 

ciekłych  metali,  wynikaj

ą

  z  mechanizmu  przewodzenia  ciepła,  który  polega  na  zdarzeniach 

chaotycznie  poruszaj

ą

cych  si

ę

  cz

ą

stek  oraz  ich  dyfuzji.  Zgodnie  z  teori

ą

  kinetyczn

ą

  gazów 

współczynnik  przewodzenia  ciepła  jest  proporcjonalny  do 

ś

redniej  pr

ę

dko

ś

ci  cz

ą

stek  i  do 

ś

redniej 

background image

 

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjno

ś

ci. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 
 

8

drogi  swobodnej  pomi

ę

dzy  kolejnymi  zderzeniami,  z  tego  powodu 

λ

 

z  reguły  zwi

ę

ksza  si

ę

  ze 

wzrostem temperatury. 

Ciekłe metale niskotopliwe wykazuj

ą

 współczynnik 

λ

 od ok. 8 [W/(m·K)] (rt

ęć

 dla T= 10°C) do ok. 80 

[W/(m·K)] np. ciekły sód dla T= 204°C. 

W  ciałach  stałych  wyst

ę

puj

ą

  dwa  zasadnicze  mechanizmy  przewodzenia  ciepła:  ruch  swobodnych 

elektronów,  które  zachowuj

ą

  si

ę

  jak  jednoatomowy  gaz  doskonały  oraz  drgania  atomów  w  sieci 

krystalicznej wokół ich stanów równowagi. W czystych metalach decyduje ruch elektronów i dlatego 

najwi

ę

ksz

ą

  przewodno

ść

  ciepln

ą

  wykazuj

ą

  najlepsze  przewodniki  elektryczno

ś

ci:  srebro  -

  λ

  =  420 

[W/(m·K)]  i  mied

ź

  - 

λ

  =  395  [W/(m·K)]  (dla  T=  20°C).  Ze  wzrostem  temperatury  współczynnik 

λ

czystych  metali,  z  wyj

ą

tkiem  aluminium,  spada.  Najwi

ę

ksze  warto

ś

ci  przewodno

ś

ci  cieplnej 

obserwuje  si

ę

  dla  kryształów  czystych  metali  w  pobli

ż

u  temperatury  zera  bezwzgl

ę

dnego, 

współczynnik 

λ

, przekracza wówczas 10 000 [W/(m·K)]. 

W  dielektrykach,  gdzie  decyduj

ą

  drgania  atomów,  współczynnik  przewodzenia  ciepła  jest  znacznie 

ni

ż

szy,  np.  dla  materiałów  budowlanych  zawarty  jest  w  granicach  od  0,02  [W/(m·K)]  do  ok.  3,0 

[W/(m·K)].  Materiały  o  najmniejszej  przewodno

ś

ci  cieplnej  (

λ

 

<  0,25  [W/(m·K)]  u

ż

ywane  s

ą

  w 

charakterze izolacji cieplnej. 

Konwekcja

 charakteryzuje si

ę

 tym, 

ż

e wyst

ę

puje równocze

ś

nie ruch makroskopowy cz

ą

stek o

ś

rodka. 

Z  ruchem  ciepła  przez  konwekcj

ę

  mamy  do  czynienia  wówczas,  gdy  w  kierunku  strumienia  ciepła, 

tzn. w kierunku gradientu temperatury, wyst

ę

puje makroskopowe przemieszczenie si

ę

 cz

ą

steczek tego 

płynu, w którym ciepło jest przenoszone. Poniewa

ż

 ten rodzaj ruchu ciepła jest charakterystyczny dla 

cieczy  i  gazów,  mo

ż

na  wi

ę

c  powiedzie

ć

ż

e  ruch  ciepła  przez  konwekcj

ę

  jest  takim  przypadkiem 

przenoszenia  energii  wewn

ą

trz  płynu,  w  którym  ruch  cz

ą

steczek  płynu  wywiera  istotny  wpływ  na 

wielko

ść

 strumienia ciepła i w rezultacie na pole temperatur. 

Konwekcja

 

odnosi  si

ę

  tak

ż

e  do  takiego  przypadku  przenoszenia  energii,  który  wyst

ę

puje  pomi

ę

dzy 

powierzchni

ą

  przegrody  i  pozostaj

ą

cym  z  ni

ą

  w  kontakcie  ruchomym  płynem,  gdy  maj

ą

  one 

(przegroda i płyn) ró

ż

ne temperatury. Podstawowe prawo dla konwekcji zostało sformułowane jeszcze 

przez Newtona, we współczesnym zapisie ma ono posta

ć

 równania: 

)

(

si

i

T

T

q

=

α

,     [W/m

2

]                                                                                                           (11) 

gdzie 

α

 

jest współczynnikiem wnikania lub przejmowania ciepła [W/m

2

]

K

, T

si

 - 

temperatur

ą

 

ś

cianki, 

a  T

i

  -  temperatur

ą

  płynu  (np.  powietrza).  Wyznaczenie  tego  współczynnika  jest  jednym  z 

najtrudniejszych zagadnie

ń

 teorii wymiany ciepła. 

Trzeci

ą

  postaci

ą

  przepływu  ciepła  jest 

promieniowanie.

  Prawa  promieniowania  opisano  dokładniej 

powy

ż

ej. W prawie wszystkich napotykanych praktycznych przypadkach wyst

ę

puj

ą

cy przepływ ciepła 

jest z reguły sum

ą

 wszystkich trzech form przepływu ciepła. Z drugiej strony analiza ka

ż

dego procesu 

przepływu  ciepła  wymaga  drobiazgowego  rozdzielenia  go  na  powy

ż

sze  formy  składowe,  opisywane 

odr

ę

bnymi prawami fizycznymi.  

background image

 

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjno

ś

ci. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 
 

9

Je

ż

eli przepływ ciepła zachodzi w obiekcie całkowicie izolowanym od otoczenia i innych obiektów, to 

z  upływem  czasu  mi

ę

dzy  poszczególnymi  cz

ęś

ciami  tego  obiektu  ustala  si

ę

  równowaga  cieplna,  a 

przepływ  ciepła  ustaje.  Warunkiem  takiego  stanu  jest  brak  jakichkolwiek  ró

ż

nic  temperatur.  Aby  w 

takim  obiekcie  zaistniał  przepływ  ciepła,  musi  w  nim  wyst

ą

pi

ć

  jego 

ź

ródło  powoduj

ą

ce  ró

ż

nice 

temperatur. 

Ź

ródłem ciepła w rzeczywisto

ś

ci jest miejsce lub urz

ą

dzenie, w którym inne formy energii 

(elektryczna,  mechaniczna  lub  chemiczna)  zostaj

ą

  zamienione  w  ciepło  (energi

ę

  jakiego

ś

  zbioru 

molekuł), które z tego miejsca przepływa do innych punktów obiekt. 

 Je

ż

eli 

4

T

E

c

=

σ

ε

(

)

4

2

K

m

W

 (7) to 

A

Q

=ε⋅σ⋅T

4  

( )

2

m

W

                                                                  (12) 

Ruch  ciepła  mi

ę

dzy  dwoma  o

ś

rodkami  gazowymi  lub  ciekłymi  rozdzielonymi  przegrod

ą

  z  ciała 

stałego nazywamy 

przenikaniem ciepła

 

Rys. 12.4

Przepływ ciepła przez przegrod

ę

 budowlana 

 

gdzie:

  R

i,,

  R

e  -

opory  przejmowania  ciepła  przez  przy

ś

cienne 

strugi powietrza wewn

ą

trz R

i

 i na zewn

ą

trz R

e

 pomieszczenia 

R-

 opór cieplny warstwy przegrody (

ś

ciany), 

Ti,  Te

-  to  temperatury  powietrza  wewn

ą

trz  i  na  zewn

ą

trz 

pomieszczenia, 

Tsi, Tse 

- temperatury przegrody wewn

ę

trznej i zewn

ę

trznej 

 

 

 

 

 

 

Cz

ę

stym  przypadkiem  jest  kontakt  cieplny  dwóch  płynów  o  temperaturach  T

i

  i  T

a

 

za  po

ś

rednictwem 

przegrody  (

ś

cianki)  o  okre

ś

lonych  własno

ś

ciach  (kształt,  rozmiary,  wła

ś

ciwo

ś

ci  fizyczne  itp.). 

Wówczas stosuje si

ę

 równanie Pecleta: 

 

)

(

e

i

T

T

U

q

=

2

m

W

                                                                                                                    (13) 

w  którym 

współczynnik  przenikania

  ciepła  U 

(

)

⋅ K

m

W

2

.ujmuje  wszystkie  wymienione  zjawiska. 

Zale

ż

nie  od  charakteru  urz

ą

dzenia  celem  mo

ż

e  by

ć

  zmniejszenie  tego  współczynnika  (zapobiegnie 

stratom ciepła przez stosowanie izolacji cieplnej) lub jego zwi

ę

kszenie (np. w wymiennikach ciepła).  

 

T

e

 

background image

 

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjno

ś

ci. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 
 

10

Na  rysunku  12.4.  przedstawiona  jest  sytuacja  przegrody  budowlanej  (

ś

ciany).  W  celu  obliczenia 

współczynnika  U  nale

ż

y  wyznaczy

ć

  opory  ciepła  zwi

ą

zane  ze  wszystkimi  opisywanymi  powy

ż

ej 

mechanizmami przekazywania ciepła. Wyró

ż

niamy tutaj: 

• opory  przejmowania  ciepła  przez  przy

ś

cienne  strugi  powietrza  (zarówno  wewn

ą

trz  R

i- 

jak  i  na 

zewn

ą

trz R

e

 pomieszczenia) scharakteryzowane odpowiednio przez wielko

ś

ci R

i-

 i R

e

,

 

(

)

W

K

m

2

 

• opór cieplny warstwy przegrody (

ś

ciany), scharakteryzowany przez 

(

)

W

K

m

2

  

Zgodnie z rysunkiem 12.4. Ti, Ta- to temperatury  powietrza wewn

ą

trz i na zewn

ą

trz pomieszczenia, 

Tsi,  Tse 

-  temperatury  przegrody  wewn

ę

trznej  i  zewn

ę

trznej.  Współczynnik  U  dany  jest  wtedy 

wzorem: 

e

i

R

R

R

U

+

+

=

1

,

(

)

⋅ K

m

W

2

                                                                                                         (14) 

 
Bardzo  du

ż

y  problem  (zgodnie  z  powiedzianym  wcze

ś

niej)  sprawia  okre

ś

lenie  współczynników  R

i

  i 

R

e

.  W  ogólno

ś

ci  zale

żą

  one  od  wielu  czynników:  ró

ż

nicy  temperatur  pomi

ę

dzy  płynem  a 

ś

ciank

ą

wielko

ś

ci i struktury opływanej powierzchni, pr

ę

dko

ś

ci wiatru itp. Normy budowlane rozwi

ą

zuj

ą

 ten 

problem narzucaj

ą

c konkretne warto

ś

ci R

i

 = 0.13 [(m

2

K)/W]  i R

e

 =0.04 [(m

2

K)/W] jako u

ś

rednione, 

najcz

ęś

ciej  wyst

ę

puj

ą

ce  w  typowych  sytuacjach  (dla  R

e

 

podawana  jest  tabelaryczna  zale

ż

no

ść

  od 

pr

ę

dko

ś

ci wiatru). 

Współczynniki  te  zwi

ą

zane  s

ą

  z  współczynnikiem  wnikania  (lub  przejmowania  ciepła) 

α

 

zdefiniowanym w prawie Newtona , zgodnie z nast

ę

puj

ą

cym wzorem: 

 

α

=

α

=

W

K

m

1

R

W

K

m

;

1

R

2

e

e

2

i

i

,                                                                                (15) 

gdzie: 

α

i

α

to odpowiednio współczynnikiem wnikania ciepła do wewn

ę

trznej 

α

i

 i z zewn

ę

trznej 

α

warstwy przegrody ; α[W/m

2

K] (11), 

 
Wielko

ść

 charakteryzuj

ą

ca opór cieplny materiału 

ś

ciany dana jest wzorem: 

λ

d

=

W

K

m

2

                                                                                                                                 (16) 

gdzie: 

λ

 – 

współczynnik przewodzenia ciepła (zob. równanie 10)[ W/(m K)], 

 

– grubo

ść

 przegrody[ m]. 

Materiały  budowlane  s

ą

  przewa

ż

nie  porowate,  przy  czym  pory  wypełnione  powietrzem  lub  innym 

gazem  mog

ę

  spełnia

ć

  rol

ę

  izolatora,  pod  warunkiem, 

ż

e  nie  s

ą

  zbyt  du

ż

e  i 

ż

e  nie  wyst

ę

puje  w  nich 

konwekcja.  Z  tego  powodu  im  mniejsza  g

ę

sto

ść

  obj

ę

to

ś

ciowa  (stosunek  masy  do  obj

ę

to

ś

ci  razem  z 

porami),  tym  przewodno

ść

  cieplna  materiału  jest  mniejsza.  Efekt  ten  zanika  przy  wysokich 

temperaturach (np. w piecach przemysłowych), gdy

ż

 niweluje go cz

ęś

ciowo promieniowanie cieplne. 

background image

 

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjno

ś

ci. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 
 

11

Istotnym  czynnikiem  wpływaj

ą

cym  na  przewodno

ść

  ciepln

ą

  materiałów  porowatych  jest  ich 

wilgotno

ść

.  Przewodno

ść

  cieplna  materiału  wilgotnego  mo

ż

e  by

ć

  znacznie  wi

ę

ksza  ni

ż

  materiału 

suchego lub wody, na przykład dla:  

•  suchej cegły 

λ

 = 0,35 [W/(m·K)],  

•  wody 

λ

 = 0,60 [W/(m·K)],  

•  ale dla wilgotnej cegły 

λ

 

 1,0 [W/(m·K)]. 

Dla materiałów włóknistych (np. drewno) lub krystalicznych charakterystyczna jest anizotropowo

ść

 - 

przewodno

ść

 cieplna jest zale

ż

na od kierunku. To samo dotyczy niektórych materiałów budowlanych, 

np. pustaków, płyt zbrojonych, cegły dziurawki itp.  

W  obliczeniach  technicznych  najcz

ęś

ciej  przyjmuje  si

ę

  z  tablic  lub  wykresów  stał

ą

,  u

ś

rednion

ą

 

warto

ść

 współczynnika 

λ

, pami

ę

taj

ą

c o tym, 

ż

e dane literaturowe maj

ą

 tylko orientacyjny charakter.  

Podsumowuj

ą

c, wszystkie ciała mo

ż

emy podzieli

ć

 ze wzgl

ę

du na zdolno

ść

 przewodzenia na trzy 

grupy: 
 

1. 

Dobre przewodniki ciepła (metale). Współczynniki przewodzenia ciepła dla tych ciał zmieniaj

ą

 

si

ę

  od  kilkudziesi

ę

ciu  do  kilkuset  [W/(m·K)].  Przewodnictwo  cieplne  metali  maleje  wraz  ze 

wzrostem temperatury.  

2. 

Ciała  o 

ś

rednim  przewodnictwie  cieplnym  (materiały  budowlane,  ogniotrwałe  i  ciecze). 

Warto

ś

ci  liczbowe  współczynników 

λ

  dla  tych  ciał  zmieniaj

ą

  si

ę

  od  0,3  do  kilkudziesi

ę

ciu 

[W/(m·K)].

 

3. 

Ciała o złym 

przewodnictwie

 cieplnym, dla których 

λ

 < 0,3 [W/(m·K)]. S

ą

 to tzw. materiały 

izolacyjne. 

 

Badanie przenikania ciepła 

Termograficzne badania temperatury budynków s

ą

 przeprowadzane w celu okre

ś

lenia wielko

ś

ci oporu 

cieplnego  izolacji  termicznej  budynku.  Za  pomoc

ą

  pomiarów  termograficznych  mo

ż

liwe  jest 

oszacowanie

  tej  wielko

ś

ci,  na  podstawie  temperatury  zewn

ę

trznej  badanego  obiektu.  Pomiar 

wykonuje si

ę

 przyjmuj

ą

c stacjonarne warunki jednowymiarowego przewodzenia ciepła, oznacza to, 

ż

wahania temperatur zewn

ę

trznych musz

ą

 by

ć

 minimalne. Na powierzchni zewn

ę

trznej 

ś

ciany zakłada 

si

ę

 równo

ść

 g

ę

sto

ś

ci strumieni ciepła  q

= q

i

gdzie

współczynnik wnikania 

α

  

[W/m

2

]

K

 

(11), 

 

),

(

e

se

e

e

T

T

q

=

α

    [W/m

2

 ] 

 

                                                    (17) 

jest strumieniem przenikaj

ą

cym z zewn

ę

trznej powierzchni 

ś

ciany do otoczenia, a natomiast: 

R

T

T

q

i

se

i

i

1

1

+

=

α

,  [W/m

2

 ] 

                                                        (18) 

background image

 

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjno

ś

ci. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 
 

12

jest strumieniem przenikaj

ą

cym przez wewn

ę

trzn

ą

 powierzchni

ę

 przegrody. 

St

ą

d wynika nast

ę

puj

ą

ca równo

ść

)

(

1

1

e

se

e

se

i

i

T

T

T

T

R

=

+

α

α

  

                                                        

(19) 

Korzystaj

ą

c z równa

ń

 13-15 współczynnik przenikania ciepła U b

ę

dzie dany wzorem: 

e

i

e

se

e

T

T

T

T

R

U

=

)

(

1

,      

[W/(m

2

⋅K)] 

                                                           (20) 

lub: 

e

i

si

i

i

T

T

T

T

R

U

=

)

(

1

, [W/(m

2

⋅K)]                                                                                    (21) 

Wzór  20  stosujemy  gdy  pomiar  termograficzny  wykonujemy  z  zewn

ą

trz  a  wzór  21  gdy  pomiar 

wykonujemy od wewn

ą

trz pomieszczenia. 

Schemat układu pomiarowego rozkładu temperatury na zewn

ę

trznej powierzchni 

ś

ciany budynku jest 

przedstawiony na Rys.12.5. 

 

Rys.12.5

. Schemat  pomiaru temperatury 

ś

cian budynku. 

 

Nale

ż

y  zdawa

ć

  sobie  spraw

ę

ż

e  ustalenie  aktualnej  temperatury  obiektu  obci

ąż

one  jest  bł

ę

dem 

pomiarowym  i  bł

ę

dem  okre

ś

lenia  emisyjno

ś

ci.  Nie  da  si

ę

  całkowicie  wyeliminowa

ć

  działania 

czynników  takich  jak  promieniowanie  dyfuzyjne  z  innych  obiektów  lub  otoczenia  oraz  wpływu 

warunków  atmosferycznych.  Mo

ż

liwo

ść

  uniezale

ż

nienia  wyników  pomiarów  od  wpływu  klimatu 

zewn

ę

trznego, w tym opadów i wiatru, daje obrazowanie wykonywane z wn

ę

trza pomieszczenia. 

Pole  widzenia    kamery  termowizyjnej  przy  obrazowaniu  wewn

ę

trznym  obejmuje  jednak  niewielk

ą

 

powierzchni

ę

 w przeciwie

ń

stwie do obrazowania zewn

ę

trznego, przy którym otrzymujemy termogram 

obejmuj

ą

cy du

żą

 płaszczyzn

ę

 

ś

cian budynku. 

background image

 

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjno

ś

ci. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 
 

13

 

Tab.12.1

. Tabela współczynnika emisyjno

ś

ci ró

ż

nych materiałów. 

 

Materiał 

Temperatura [

0

C] 

ε 

ε 

ε 

ε  

Aluminium polerowane 

50 - 100 

0.04 - 0.06 

Aluminium z chropowat

ą

 powierzchni

ą

 

20 - 50 

0.06 - 0.07 

Aluminium silnie utlenione 

50 - 500 

0.2 - 0.3 

Azbestowa bibuła 

40 - 400 

0.93 - 0.95 

Blacha cynkowa 

50 

0.20 

Blacha ocynkowana błyszcz

ą

ca 

30 

0.23 

Blacha stalowa niklowana 

20 

0.11 

Blacha stalowa walcowana 

50 

0.56 

Br

ą

z chropowaty 

50 - 150 

0.55 

Br

ą

z polerowany 

50 

0.1 

Chrom polerowany 

50 

0.1 

Cegła czerwona porowata 

20 

0.88 - 0.93 

Gips 

20 

0.8 - 0.9 

Lakier emaliowany 

20 

0.85 - 0.95 

Lód kryształ 

-10 

0.98 

Mied

ź

 polerowana 

50 - 100 

0.02 

Mied

ź

 utleniona 

50 

0.6 - 0.7 

Papier biały 

20 

0.7 - 0.9 

Papier czarny matowy 

20 

0.94 

Sadza 

20 - 400 

0.95 - 0.97 

Porcelana glazurowana 

20 

0.92 

Srebro czyste polerowane 

200 

0.02 

Warstwa wody na powierzchni metalowej 

20 

0.98 

Woda (warstwa o grubo

ś

ci wi

ę

kszej ni

ż

 0.1 mm) 

0 - 100 

0.95 - 0.98 

Skóra ludzka 

30 

0.98 - 1.0 

 

background image

 

Ć

wiczenie MC_12. Bezstykowy pomiar temperatury, wyznaczanie współczynnika emisyjno

ś

ci. 

Wydział Paliw i Energii  Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie 
 

14

 

 
Tab.12.2.

Warto

ś

ci współczynników przewodzenia dla ró

ż

nych ciał stałych 

 

Materiał 

Współczynnik przewodzenia  ciepła 

λ

 [W/(m·K)] w T=20

o

Współczynnik przewodzenia  ciepła 

λ

 [W/(m·K)] w T=300

o

Aluminium 

230 

230 

Beton 

0,8-1,4 

 

Wełna azbestowa 

0,156 

 

Ż

elazo 

80 

56 

Drewno 

0,14-0,21 

 

Płyta gipsowa 

0,42 

 

Szkło 

1,0-1,3 

 

Granit 

2,9 

 

Wata szklana 

0,042 

0,097 

Korek 

0,036 

 

Cegła 

0,35-0,6 

0,58 

Piasek 

0,33-1,13 

 

Powietrze 

0,023 

 

Woda 

0,6 

0,065 

Płyta  
gipsowo – kartonowa 

0,230 

 

Pleksiglas 

0,180 

 

Papier 

0,250 

 

Tektura 

0,140 

 

Linoleum 

0,186 

 

Tynk lub gład

ź

 

cementowa 

1,000 

 

Tynk wapienny 

0,700 

 

Pianka poliuretanowa 

0,035 

 

Płyta z wełny 

mineralnej 

0,040 

 

Styropian 

0,040