ФОПИ-Тепловые методы контроля.ppt
- Количество слайдов: 103
Тепловые методы получения информации
Тепловые методы получения информации основаны на различных принципах передачи тепла
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Принципы теплопередачи
Инфракрасные и тепловые методы получения информации l. Тепловая энергия передается в средах при наличии температурных градиентов тремя способами: lтеплопроводностью (преимущественно, l в твердых телах); lконвекцией (в жидких и газообразных средах); lизлучением (в газообразных средах и вакууме)
Физические основы теплопроводности Всем известно, что в отсутствии конвекционных потоков запах в воздухе распространяется очень медленно, в то время как скорость молекул газа достаточно высока (около 500 метров в секунду). Причина этого заключается в том , что распространение запаха осуществляется посредством медленного процесса диффузии. Медленность диффузии и аналогичных ей явлений Клазиус объяснил столкновениями молекул. Молекула газа не всё время движется свободно, а время от времени испытывает столкновения с другими молекулами. Свободно она пролетает короткое расстояние от одного столкновения до следующего. В результате траектория молекулы описывается ломаной линией с большим количеством звеньев. Для количественного описания явления Клазиус ввёл понятие средней длины свободного пробега, т. е. среднего расстояния, которое пролетает молекула от одного столкновения до следующего. Этот параметр имеет важное значение для описание явлений переноса - диффузии, внутреннего трения и теплопроводности.
Физические основы теплопроводности Найдём значение средней длины свободного пробега L для газа, состоящего из одинаковых молекул диаметром d. Молекулы будут сталкиваться друг с другом если расстояние между их центрами меньше d. Поэтому, мы можем рассмотреть одну молекулу с радиусом d, движущуюся в присутствии точечных частиц. Строгий расчёт средней длины свободного пробега был дан Максвеллом с учётом распределения молекул по скоростям. Максвелл получил: L =0. 707/(∏d 2 n) где n - концентрация молекул газа.
Относительная доля молекул, абсолютные скорости которых лежат в некотором узком интервале значений dv, l Вид распределения dn/ndv, описываемого данным выражением, для двух различных температур (T 2 > T 1) представлен на рис. l
Теплопроводность газа где n - концентрация молекул газа, μ-молярная масса, d 2 - эффективное сечение молекулы
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Плотность теплового потока Qcd в твердом теле между точками с различной температурой T 1 и Т 2 подчиняется закону Фурье: в интегральном выражении Qcd=-χ(T 2 -T 1)/Δx; в дифференциальном выражении Qcd=-χ(d. T/dx), где χ- коэффициент теплопроводности
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Конвекция означает перемешивание теплых и холодных слоев газа или жидкости. Охлаждение (или нагрев) поверхности тела газом или жидкостью описывается законом Ньютона: Qcv=acv(Ts-Tamb),
Инфракрасные и тепловые методы получения информации В отличие от температурных волн или тепловых полей инфракрасные волны или электромагнитное поле не передаются в среде путем конвекции (в газообразной и жидких средах) или теплопроводности (в жидкой и твердой средах)
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Инфракрасное излучение нельзя называть тепловыми волнами, так как явление нагрева при их распространении возникает при поглощении средой электромагнитных волн, а не за счет теплопроводности (в твердых средах)
Излучение нагретого чёрного тела в видимом диапазоне
Понятие радиационной энергии Солнце излучает энергию различных длин волн , включая инфракрасную (IR) Эта энергия нагревает землю ультрафиолетовая sun визуальная инфракрасная earth
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Инфракрасное излучение образуется в результате колебательных и вращательных движений атомов и молекул вещества, температура которого выше абсолютного нуля (-273 0 С). Излучение обусловлено колебаниями электрических зарядов вещества и связано с изменением энергетических уровней электронов.
Электромагнитный спектр Инфракрасная энергия только одна из видов энергии 2. Ее спектр находится за красным цветом 1. wavelength x-ray 0. 4 UV Ультрафиолетовое излучение 0. 7 visible Видимое излучение near IR 3 - 5 SW 8 - 12 LW Инфракрасное излучение microwave
Источники видимого и инфракрасного излучения 1. 2. 3. 4. Все объекты излучают инфракрасную энергию Количество энергии растет с ростом температуры Очень горячие объекты видны глазом Ø Представьте себе красную спираль плитки! IR системы измеряют только IR энергию
Излученная энергия - функция температуры Общая энергия растет с ростом температуры Интенсивность радиации Температура 1000° Температура 600° Температура 120° x-ray UV visible near IR sw lw microwave
Понятие инфракрасного излучения Ближнее инфракрасное излучение по своим свойствам похоже на видимое, за исключением того, что оно не видно человеческим глазом Видимое излучение воздействует на глаз Ø Инфракрасное излучение воздействует на кожу Ø Инфракрасные системы аналогичны коже Ø sun visible sun infrared
Инфракрасные и тепловые методы получения информации l Достоинствами инфракрасных методов получения информации являются: lдистанционность (для ИК-систем: тепловизоров, тепловых дефектоскопов), lвысокая производительность испытаний; l возможность контроля при одно- и двустороннем подходе к изделию; lтеоретическая возможность контроля любых материалов;
Модель абсолютно чёрного тела l Абсолютно чёрных тел в природе не существует, поэтому в физике для экспериментов используется модель. Она представляет из себя замкнутую полость с небольшим отверстием. Свет, попадающий внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Но при нагревании этой полости у неё появится собственное видимое излучение.
Спички и цветок на куске теплоизолирующего аэрогеля над горелкой
Первый закон излучения Вина В 1893 году Вильгельм Вин, исходя из представлений классической термодинамики, вывел следующую формулу: , где: uν — плотность энергии излучения ν — частота излучения T — температура излучающего тела f — функция, зависящая только от частоты и температуры. Вид этой функции невозможно установить, исходя только из термодинамических соображений. Первая формула Вина справедлива для всех частот. Любая более конкретная формула (например, закон Планка) должна удовлетворять первой формуле Вина.
Второй закон излучения Вина В 1896 году Вин на основе дополнительных предположений вывел второй закон: где uν — плотность энергии излучения ν — частота излучения T — температура излучающего тела C 1, C 2 — константы. Опыт показывает, что вторая формула Вина справедлива лишь в пределе высоких частот (малых длин волн). Она является частным конкретным случаем первого закона Вина. Позже Макс Планк показал, что второй закон Вина следует из закона Планка для больших энергий квантов, а также нашёл постоянные C 1 и C 2. С учётом этого, второй закон Вина можно записать в виде: где uν — плотность энергии излучения ν — частота излучения T — температура излучающего тела h — постоянная Планка k — постоянная Больцмана c — скорость света в вакууме
Формула Планка электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых связана с частотой излучения выражением: По сути это было «рождение» фотона. Коэффициент пропорциональности впоследствии назвали постоянной Планка, = 1. 054 · 10− 34 Дж·с.
Закон Планка Зависимость мощности излучения чёрного тела от длины волны Интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка: где I(ν)dν — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне частот от ν до ν + dν. Эквивалентно, , где u(λ)dλ — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне длин волн от λ до λ + dλ.
Зависимость мощности излучения чёрного тела от длины волны
Инфракрасные и тепловые методы получения информации В интегральном выражении плотность радиационного излучения описывается законом Стефана – Больцмана, который для теплообмена между двумя телами с температурами T 1 и Т 2 (Т 1>Т 2) имеет следующий вид: Qrd = σFg. Fε(Т 4 1 - Т 4 2)
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Различают: 1)пассивные тепловые методы получения информации ; 2) активные тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации При использовании тепловых методов дефектоскопия производится на основании разницы в величине теплообмена между соприкасающимися частицами вещества
Инфракрасные и тепловые методы получения информации В тепловых методах отсутствует принципиальная разница в способе создания температурного перепада - охлаждением или нагревом исследуемого участка, однако, чаще используется нагрев, как более легко создаваемый и измеряемый
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Регистрирующие устройства температурных полей делятся на контактные и бесконтактные
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Контактные датчики разделяются на две большие группы: 1) термометры (жидкостные, манометрические, термоэлектрические (термопары), термометры сопротивления (термисторы); 2) термоиндикаторы (термоиндикаторные краски, жидкие кристаллы, люминофоры).
l Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей среды.
Термометр цифровой
Термометр Галилея Стеклянные жидкостные термометры
Механический термометр l Термометры этого типа действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла
Принцип работы электрических термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды. l Электрические термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры). l
Наиболее точными и стабильными во времени являются термометры сопротивления на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику. Наибольшее распространение получили PT 100(сопротивление при 0°С — 100Ω) PT 1000(сопротивление при 0°С — 1000Ω) (IEC 751). Зависимость от температуры почти линейна и подчиняется квадратичному закону при положительной температуре и уравнению 4 степени при отрицательных(соответствующие константы весьма малы, и в первом приближении эту зависимость можно считать линейной). Температурный диапазон − 200 — +800 °C. Отсюда, RT сопротивление при T °C, R 0 сопротивление при 0 °C, и константы (для платинового сопротивления)
Домашняя метеостанция
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Бесконтактные датчики: l ИК - радиометры (пирометры); l и тепловизоры
Переносной пирометр инфракрасного излучения l Пирометр — прибор для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света.
Инфракрасные и тепловые методы получения информации В методе теплового контроля можно выделить три основных направления развития: l тепловая дефектоскопия; l тепловая дефектометрия; l тепловая томография l
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Процедура теплового контроля включает в себя две операции: l тепловое воздействие на контролируемый объект; l регистрация его отклика на воздействие l
Инфракрасные и тепловые методы получения информации l. Метод нагрева-охлаждения изделия в среде с постоянной температурой
Инфракрасные и тепловые методы получения информации l. Односторонний контроль l. Двухстороний контроль
Инфракрасные и тепловые методы получения информации l. Тепловой зондовый метод
Инфракрасные и тепловые методы получения информации l. Метод теплового импульса
Инфракрасные и тепловые методы получения информации l. Оборудование для реализации инфракрасных методов получения информации
l Тепловизор - это оптико-электронная система, предназначенная для получения видимого изображения объектов, испускающих невидимое тепловое (инфракрасное) излучение.
Infra. Tec / Jenoptic профессиональная портативная тепловизионная камера Vario. CAM™ КРАТКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ l l l Спектральный диапазон (8. . . 13) µм Диапазон измерения температур (40. . . 1200)°C, дополнительно > 2000 °C Температурное разрешение при 30 °C Лучше чем 100 м. K Тип детектора - патентованный неохлаждаемый микроболометр, 50/60 Гц Увеличение до 4, 2 раза, электронное Масса в снаряжённом состоянии примерно 2. 2 кг
Infra. Tec / Jenoptic термографическая система VARIOSCAN™ КРАТКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ l l l Диапазон измеряемых температур (-40. . . 1200)°C Температурное разрешение при 30 °C +/- 0, 03 К Увеличение до 6 раз, электроннооптическое Разрешение 360 Х 240 точек Диапазон рабочих температур от 10 до +40°С
Raytek® высококачественный тепловизор с функцией измерения температуры Thermo. View Ti 30 КРАТКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ • Разрешение 160 x 120 точек • Температурный диапазон от 0 до 250°С • Спектральный диапазон 7 -14 микрон • Лазерный прицел • Сохранение и вызов до 100 снимков и данных • Удобный USB разъём/зарядное устройство • Маленький вес - 1 кг • Запись изображения • Создание отчетов
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации l Первые тепловизоры созданы в 30 -х гг. 20 в. Принцип действия тепловизора основан на преобразовании инфракрасного излучения в электрический сигнал, который усиливается и воспроизводится на экране индикатора.
Инфракрасные и тепловые методы получения информации l В 70 -х гг. созданы тепловизоры, в которых тепловое изображение переводится в видимое непосредственно на экране, покрытом светочувствительным веществом (люминофоры, жидкие кристаллы, полупроводниковые пленки). Тепловизоры используются для определения местоположения и формы объектов, находящихся в темноте или в оптически непрозрачных средах. Применяются в дефектоскопии, навигации, а также в медицине.
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Принцип действия Вследствие того, что тела нагреты неравномерно (например, температура автомобиля с работающим двигателем будет выше температуры автомобиля с двигателем выключенным), складывается некая картина распределения ИК-излучения. Действие всех тепловизионных систем основано на фиксировании температурной разницы объект/фон и на преобразовании полученной информации в изображение, видимое глазом. Современные тепловизионные приборы способны обнаруживать температурный контраст, равный 0, 05 -0, 1 К.
Инфракрасные и тепловые методы получения информации l В то время как оптические приборы ночного видения, работающих на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП), улавливают излучение с длиной волны ~ 1 -2 мкм, что лишь немногим выше чувствительности человеческого глаза, основные рабочие диапазоны тепловизионной аппаратуры охватывают следующие области длин волн: 8 -14 мкм – область далекого ИК-излучения и 3 -5, 5 мкм – среднего ИК. Именно в этих областях приземные слои атмосферы прозрачны для ИК-излучения, а излучательная способность наблюдаемых объектов с температурой от -50 до +500 С максимальна.
Инфракрасные и тепловые методы получения информации l Таким образом, тепловизионные приборы способны обеспечивать большую дальность видения в любое время суток, через любую прозрачную для ИК-изучения маскировку и даже при несколько пониженной прозрачности атмосферы: при тумане, дожде, снегопаде, пыли и дыме. (Следует оговориться, что пары воды и углекислый газ весьма интенсивно поглощают волны ИКспектра, и это заметно отражается на чувствительности приборов. )
Инфракрасные и тепловые методы получения информации l Фоточувствительным элементом современного тепловизионного прибора является фокально-плоскостная двумерная многоэлементная матрица фотоприемников (FPA), изготовленная на основе полупроводников – примесных кремния и германия.
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Недостаток Основным и главным недостатком тепловизора является большая цена. 90% стоимости прибора составляет его основные элементы: матрица и объектив. Матрицы весьма сложны в производстве, и, соответственно, это все упирается в большие деньги. С объективами ситуация сложнее: их нельзя сделать из стекла, потому что этот материал не пропускает ИКизлучение. По этой причине для создания объективов применяются редкие и дорогие материалы.
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Применение тепловизоров Планово-предупредительное обслуживание промышленного Контроль технологических процессов оборудования Научные исследования Медицина
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Конкретные примеры применения тепловых методов получения информации Электрические приборы
Масляный радиатор
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Фаза "З"
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Применение тепловых методов получения информации Промышленность
Печь реформинга Постоянный контроль состояния огнеупорной футеровки
Реактор 3400 С Температура нагрева поверхности данного реактора не должна превышать 260 град. С.
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
UV Method of Diagnostics
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Применение тепловых методов получения информации Строительство
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Применение тепловых методов получения информации Медицина
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Применение тепловых методов получения информации Ветеринария
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Применение тепловых методов получения информации Скрытое таможенное наблюдение
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации
Инфракрасные и тепловые методы получения информации Применение тепловых методов получения информации Контроль документов
Розетки, расположенные на первой странице ПТС в видимом свете (а), в вертикально падающем инфракрасном освещении (б) и при косопадающем инфракрасном освещении (в) а б в
Фрагмент второй страницы ПТС в видимом свете (а) и инфракрасном свете (б) а б
Фрагмент документа в видимом свете «а» и при освещении инфракрасными лучами «б» а б
Фрагменты защиты шенгенской визы: а – фрагмент, при обычном освещении; б – тот же фрагмент в инфракрасных лучах б а а
Инфракрасные и тепловые методы получения информации На этом всё! Дальше сами.