Termovizní sledování objektů

02.01.2012 | 128× přečteno

U starších budov lze zjistit, které konstrukce nebo konstrukční detaily jsou příčinou zvýšených tepelných ztrát.

Termovizní snímky mohou být velmi dobrým podkladem pro projekt rekonstrukce a zateplení staršího domu. U novostaveb zjistíme skutečný tepelně-technický stav budovy, kterýnemusí vždy odpovídat stavebně-technické dokumentaci. Kamera tak odhalí například i nedostatky, které vznikly nekvalitně provedenou prácí při realizaci stavby a protokol o termoviznímměření může sloužit jako podklad pro reklamaci stavebních prací. Termovizníměření může být použito například také pro kontrolu funkčnosti podlahového vytápění.

Základní informace:

Termovizní snímkování (měření) obvodových plášťů budov se běžně provádí za účelem zjištění celkovéhoteplotního obrazu s lokalizací míst sesníženou tepelně izolační schopností (tepelné mosty).

Termokamerapracuje na principu infračerveného záření na jehož základě a zadanýchokrajových podmínek se získává povrchová teplota snímaného místa. Termoviznísystém zaznamenává infračervené záření bezkontaktním měřicím systémem a převádího na elektronické signály pomocí citlivého infračerveného detektoru.

Co je výstupem provedeného měřeni?

Výstupem provedeného měření je zpracovaný protokol o provedeném měření, ve kterém jsouzejména termosnímky jednotlivých fasád budovy s naznačenými místy s horšímitepelně-technickými vlastnostmi. Vedle termosnímku je vždy zároveňv protokolu pro lepší přehlednost zobrazena fotografie snímaného místa (fasády, konstrukčního detailu apod.). Dále jsou v protokolu uvedenypodmínky měření a celkové vyhodnocení měření.

Kdy je vhodné období pro termovizní snímkování?

Pro snímkování termokamerou jsou nejvhodnější chladná rána, nejlépe v období říjen až březen, kdy je značný rozdíl mezi teplotami exteriéru a interiéru ( min. 10°C) a zároveň není ještě příliš slunečního svitu, které by ovlivňovalo prováděné měření. Měření nelzeprovádět při mlze, hustém dešti nebo padajícím sněhu, z důvodu nepropustnosti infračervené záření.

Dalšívyužití termovizního snímkování

Možnost využití termovize je předevšímv odvětvích průmyslu, kde se pracuje s teplem (teplárenství) a nebo tam, kdepři poruchách ve výrobě dochází k zahřátí. Pomocí termovizního měření lzejednak snadno a rychle odhalit místa úniku tepla pro účely snížení tepelnýchztrát, a jednak diagnostikovat místa možných závad, poruch a havárií ve výrobě. Dále lze termoviznísnímkování využít i pro jiné účely jako např. úniky chladu z mrazírenskýchboxů atd.

Termovizní měření může velmi dobřesloužit také pro kontrolu elektrických zařízení a rozvodů během provozu - nenítedy nutná odstávka. Jeho využití je především pro prevenci možných závadelektrozařízení, které by jinak nebyly včas odhaleny.

Snímací zařízení - termokamery:

IR senzor - Bolometr

V dnešních kvalitních termokamerách se používají téměř výhradně IR senzory ve formě čipů - tztv. bolometry. Zde Vám předkládám popis funkce bolometru:

Bolometry (z řeckého bole: paprsek) jsou senzory pro bezdotykové měření teploty (thermometers) pracující na principu pyrometrie, tzn. měření celkového vyzářeného tepelného výkonu prostřednictvím infračerveného záření. Tvoří tak alternativu k ostatním senzorům pro bezdotykové měření teploty, infratermočlánky, pyroelektrické senzory a fotonové snímače. Častěji se však bolometry vyskytují v podobě integrovaných obvodů obsahující uspořádání několika desítek, stovek nebo i tisíců bolometrů do matice, obecně označované jako mikrobolometry (viz. obrázek vedle). Využívají se nejčastěji pro potřeby termovize, tzn. infračerveného snímání obrazu předmětů s následnou možností měření nebo detekce jejich teploty.

Vlastnosti bolometrů & mikrobolometrů

Jsou rychlé - krátká časová konstanta (až 1 ms)
Velká citlivost
Spektrální citlivost 1.6 až 5000 um
Velký pracovní teplotní rozsah senzorů (-40°C až 100 °C)
Lze bez problémů měřit vysoký rozsah teplot měřeného objektu (i nad 1500 °C).
Malé rozměry (u mikrobolometrů jen desítky um)
Není zde žádné ovlivnění měřeného objektu
U mikrobolometrů velký počet snímačů ( i přes 80 tisíc) na malé ploše => infračervené snímaní obrazu s rozlišením až 320x240 pixelů
Vysoká cena
U některých typů je nutné chlazení

Použití bolometrů & mikrobolometrů

Detekce ohně a plamenů
Monitorování tepelného zatížení součástek, objektů - termovize s rozlišením až 320 x 240 pixelů (viz. obrázky)
Detekce výbuchu
Bezdotykové měření teploty
Spektrometrie
Monitorování teploty procesů
Měření teploty pohyblivých předmětů
Astronomie
Infračervené kamery a dalekohledy
Zabezpečovací technika

Obr. 1. Příklady obrázků získané infračervenými kamerami používající mikrobolometry

Co je to bolometr ?

Princip bolometrického detektoru infračerveného záření je znám od 80. let 19. století a princip činnosti je jednoduchý, dá se říct, že je vzdáleně podobný kovovým odporovým senzorům teploty. Elektrický odpor bolometru se zde také mění v závislosti na jeho teplotě, která však závisí na množství absorbovaného dopadajícího infračerveného záření. Množství dopadajícího záření může být tedy určeno ze změň odporu bolometru. Aby však byla změna teploty bolometru úměrná pouze absorbovanému infračervenému záření, musí být vlastní bolometr tepelně izolován od svého okolí.

Obr. 2. Princip použití bolometru jako proměnného prvku odporového děliče

Obr. 3. Provedení jednoduchého bolometru

Struktura jednoduchého bolometru je na obrázku 3. Infračervené záření dopadá na absorpční vrstvu senzoru tvořenou zlatou fólií, která pohlcuje až 95% záření. To ohřívá teplotně vodivý povrch i nosník. Na spodní straně nosníku je napařený meandr odporové dráhy, jejíž odpor se mění lineárně s teplotou. Na obrázku 4. je příklad dnes běžnější realizace v integrovaných bolometrech, tzn. na hliníkovém substrátu (desce) odizolované oxidem hliníku Al2O3, jsou na tepelně vodivé podložce z bismutu napařené odporové dráhy z kysličníků MgO, MnO, NiO, TiO2 (tzv. termistorové bolometry) nebo chalkogenidové sklo Tl2SeAs2Te3 (tzv. vrstvové bolometry). V případě jednoduchých bolometrů jsou obvykle použity čtyři (R1 až R4) vzájemně propojené do klasického Wheatstonova můstku, z nichž se některé používají jako kompenzační nebo referenční (zastíněném proti záření).

Obr. 4. Struktura integrovaného můstku z bolometrů

Stručný princip mikrobolometru

Mikrobolometr (někdy též mikrobolometrové pole - microbolometer array) se od jednoduchého bolometru liší počtem odporových plošek na jednom senzoru. Obvykle jde o čtvercovou strukturu (dvourozměrné pole) pokrytých právě teplotně citlivým odporovým materiálem ve formě plošek, který absorbují infračervené záření (IR radiation) - viz. obrázek 5. Celý mikrobolometrický senzor je pak vyroben jako monolitický křemíkový obvod.

Obr. 5. Příklad struktury mikrobolometru

Na obrázku 6. pak je detailní pohled na strukturu jedné plošky, která sama funguje jako klasický bolometr popsaný o kapitolu výše. Jak je patrné z obrázku, jako odporový materiál plošky veliké řádově desítek um a tlusté desetiny um se v současné době využívá oxid vanadičitý nebo nitrid křemíku. Ploška je z důvodu tepelné izolace od křemíkového substrátu vyvýšena o 2.5 um pomocí "nožiček", které zároveň tvoří i přívodní kontakty. Izolant tvoří vzduch. Někdy bývá substrát pod a kolem plošky opatřen reflexní vrstvou, která neabsorbované záření odrazí zpět. Tím se zvyšuje účinnost. K vzájemnému propojení jednotlivých mikrobolometrů slouží propojovací síť obvykle hliníkových vodičů (X-metal, Y-metal). Dále je zde pod každou ploškou implementovaný spínací tranzistor (Monolitic Bipolar Transistor), který umožňuje adresovat jednotlivé mikrobolometry řídící logikou a tak z každého postupně přečíst změnu velikosti odporu, resp. změnu úbytku napětí, způsobeného ohřevem z dopadajícího infračerveného záření. Některé mikrobolometrické snímače se umisťují na Peltierův element pro udržování konstantní teploty až v rozmezí +/-0,1 °C, čímž lze minimalizovat změny vlastností snímače s teplotou a tak zpřesnit měření.

Obr. 6. Detailní pohled na strukuru jedné plošky mikrobolometru

Řídící logika senzoru je podobná té, která se využívá ve známých CCD obrazových snímačích nebo dynamických pamětech DRAM, kde se také postupně adresují a čtou jednotlivé elementy po řádcích (row) - viz. obrázek 7. Navíc však moderní mikrobolometry obsahují již na chipu přímo integrované signálové obvody pro analogovou nebo digitální úpravu signálu včetně například standardizovaného video signálu na jednom z výstupů obvodu.

Obr. 7. Příklad blokového schéma řídící logiky integrovaného mikrobolometru s maticí 160x128 (detail)

Na následujícím obrázku 8. je reálná fotografie jedné plošky a výřez čtvrtiny chipu mikrobolometrového pole 320x240 pixelů. Tomu dominuje matice snímačů s bloky řídící logiky po stranách okolo matice. Z pohledu současných možností velikostí mikrobolometrických obrazových infračervených snímačů je možné implementovat na jeden křemíkový substrát více jak 300 tisíc plošek mikrobolometrů a vytvořit rozlišení 640x480 pixelů. Rozlišení 320x240 pixelů jsou už běžná. Vyrábí se však, z důvodu nižší ceny, například i rozlišení 160x120. Jinak na ceny kompletních termovizních systémů obvykle má větší vliv zaostřovací optika než samotný senzor. Ovšem čím větší je senzor, tím větší a dražší je i optika.

Obr. 8. Fotografie reálného provedení mikrobolometru (vlevo - detail jedné plošky, vpravo - čtvrtina chipu mikrobolometru)

Mikrobolometry ULIS (Uncooled Infrared Detectors)

Jako praktický příklad mikrobolometrických senzorů jsem vybral výrobky francouzské firmy ULIS. Všechny senzory jsou nechlazené infračervené detektory s přímým TV výstupem s rozlišením 320 x 240 nebo 384 x 288 pixelů. Struktura mikrobolometrů je založená na rezistivním amorfním křemíku, který je plně slučitelný s technologií CMOS a není jej nutné chladit.

Silicon Infrared Detector - UL 01 12 1 / UL 01 01 1

Vlastnosti:

Formát pole (rozlišení): 320x240, 45 um vzdálenost pixelů (mikrobolometrů na chipu)
Materiál: Resistive amorphous silicon
Časová konstanta: 4 ms
Spektrální rozsah: 2 až 16 um
NETD: 85 mK (f/1, 300 K, 60 Hz)
Dynamický teplotní rozsah měřeného objektu: až 1500°C
Převodní konstanta: 6 mV/K
Pracovní teplotní rozsah senzoru: - 40°C až + 80°C
Chyba opakovatelnosti měření: < 1.6%
Rozměry: 37.5 x 37.5 x 12.5 mm bez vývodů
Spotřeba: < 200 mW
Analogový video výstup na pinech

Silicon Infrared Detector - UL 03 04 1

Vlastnosti:

Formát pole (rozlišení): přepínatelný mezi 384 x 288 a 320x240 pixelů, 35 um vzdálenost pixelů (mikrobolometrů na chipu)
Materiál: Resistive amorphous silicon
Časová konstanta: 7 ms
Spektrální rozsah: 8 až 14um
NETD: 85 mK (f/1, 300 K, 60 Hz)
Dynamický teplotní rozsah měřeného objektu: až 1500°C
Převodní konstanta: 7 mV/K
Pracovní teplotní rozsah senzoru: - 40°C až + 80°C
Chyba opakovatelnosti měření: < 1.5%
Rozměry: 32 x 23.5 x 7.4 mm bez vývodů
Spotřeba: < 200 mW
Analogový video výstup na pinech

ZDROJ:www.termokamera.cz, www.abfacility.com

Související články

15.05. - Ledoví muži teplárny nepřekvapili, obnovily vytápění

14.05. - Topolánek: Politika úspor energií jde v EU špatným směrem

09.05. - Křišťálové komíny za Projekty desetiletí získaly Praha, Třebíč a Děčín

03.05. - Šetřit na topení a elektřině jde i bez peněz, splácí se až z úspor

03.05. - Univerzální zateplení šikmých střech

27.04. - Zvyšuje se zájem o šedý polystyren

24.04. - Teplárny brání ministerstvo i ekologové

19.04. - Státní fond bydlení chce mít ročně na zateplování domů 2 mld. Kč

19.04. - Prodej tepelných čerpadel loni vzrostl asi o pětinu na 8000

17.04. - Teplo podraží o tisíce korun ročně

16.04. - V Ostravě kontrolují lokální topeniště

16.04. - Jde-li o izolaci, není nad přírodní materiály...

06.04. - Pozvánka na seminář Nízkoenergetické bydlení

06.04. - Kotlíková dotace bude v budoucnu nižší, jen 40.000 korun

04.04. - Pracovní skupina pro MSK dala zelenou další kotlíkové dotaci

Poslední diskuse k článku - 0 příspěvků celkem

přidej nový příspěvek

Zatím žádný příspěvek
můžete na tento článek reagovat jako první...

EnviWeb s.r.o. neručí a nenese zodpovědnost za obsah diskusních příspěvků, diskuse nemoderuje ani nerediguje. Diskusní příspěvky vyjadřují názor jejich autorů. EnviWeb s.r.o. si vyhrazuje právo odstraňovat diskusní příspěvky, a to zejména takové, které odporují dobrým mravům, porušují platné zákony ČR, poškozují dobré jméno serveru nebo obsahují neplacenou reklamu. Diskuse NEJSOU určeny pro dotazy na autory článků nebo redaktory EnviWebu.