Infračervený analyzátor emisí: Princip a využití

Datem svého objevu něco před 200 lety je infračervené záření pro lidstvo stále ještě poměrně novým druhem. Objevitelem infračerveného záření v roce 1800 je britský astronom William Frederic Herschel.

K objevu infračervených paprsků mu pomohlo zjištění enormního nárůstu teploty v červeném pásmu viditelného světla při rozložení slunečního světla skleněným hranolem, které signalizovalo přítomnost pro lidské oko ještě dalšího, ale už neviditelného záření.

Infračervené záření IR (tak bylo nazváno po původním označení jako ultračervené) se z technologického hlediska dělí podle vlnového rozsahu na pásma A, B, C. Pásmo A zahrnuje rozpětí vlnových délek 0,76 - 1,4 m, střední pásmo B 1,4 - 3 m a dlouhovlnné pásmo C úsek nad 3 m (to pak přechází bez ostré hranice, přibližně v pásmu kolem 100 m, do oblasti radiových vln).

V pásmu IR-A jen málo paprsků slunečního spektra projde parami v zemském ovzduší a jen málo jsou absorbovány vodou. Pásmo IR-B se téměř úplně pohltí vodou, prochází sklem i zemskou atmosférou a u pásma IR-C, kde zdrojem mohou být i žhavené spirály nebo třeba elektricky vyhřívaná tělesa, je tento jev ještě zesílen.

Infračerveného záření z přirozených nebo umělých zdrojů se dnes využívá v řadě oborů lidské činnosti. K sušení, vytápění a ohřevu, v infračervené spektroskopii, ve vojenské technice k navádění raket nebo u přístrojů pro noční vidění, infrafotografii, optoelektronice, pyrometrii, u laserové techniky.

Čtěte také: Použití infračerveného teploměru

Na infračerveném záření je založený i obor termografie. Konec konců infračervené záření v rozsahu od 0,8 m do 30 m vyzařuje každý předmět v rozsahu teplot od -40 °C výše včetně člověka.

Elektromagnetických vln v oblasti infračerveného záření lze použít vedle ultrazvuku a elektromagnetických vln v oblasti rozhlasových pásem i pro dálkové ovládání, kde je třeba ale přiřazením různých kanálů zaručit nemožnost vzájemného rušení mezi jednotlivými oblastmi využití.

Pro šíření infračerveného záření platí obdobné podmínky jako pro šíření světla - je tedy omezené na konkrétní prostor, ohraničený neprůhlednými překážkami, ale i dosahem vysílače nebo citlivostí přijímače. Pro šíření IR signálu je možné použít i odrazů od pevných předmětů odrážejících světlo.

Patří i mezi často používané senzory pro automatizaci procesů u výrobních linek, pro počítání výrobků na dopravním pásu, kontrolu jejich rozměru či počítání otáček. Při tomto užití se senzory - v tomto případě aktivní čidla s infračerveným zdrojem - rozdělují na difuzní, kdy k detekci určité veličiny dochází přerušením toku infrapaprsků mezi vysílačem a přijímačem nebo reflexní - odrazové.

Pro hlídání a regulaci polohy - např. při měření hladin sypkých materiálů nebo měření průměru návinu - jsou vhodné i infrasenzory, pracující na bázi optického principu triangulace (takové dodává např. firma Turck a to jak v infra provedení, tak i se světelným červeným paprskem). Často se používají i infrasenzory ve smyslu závory s dosahem až několika desítek metrů a infrasenzory s optickou usměrňující soustavou pro automatické ovládání dveří vlaků, autobusů nebo i různých provedení průmyslových vrat.

Čtěte také: Ozonový analyzátor Horiba APOA-380

V některých těchto případech je možné použít i pasivních čidel infračerveného záření, které pouze detekují pohybující se předmět s odlišnou teplotou (taková provedení se uplatňují při otevírání automatických dveří, známých ze supermarketů, často bývají doplněna alespoň jednoduchým aktivním čidlem, zabraňujícím uzavření dveří, v nichž se někdo zastavil).

Na infračerveném záření jsou založené i nejrůznější bezpečnostní zábrany u strojních zařízení, kde lze použít jako zdroje infračervených paprsků jak LED diod, tak i různých typů laserů. Infračerveného záření se využívá i v oboru pyrometrie - bezdotykového měření teplot.

Měření povrchové teploty na základě elektromagnetického záření od 0,4 m do 25 m mezi tělesem a měřicím přístrojem nebo senzorem pokrývá rozsah od -40 do + 10 000 °C, z toho oblast od 0,4 do 0,78 m spadá do viditelného spektra, od 0,78 do 1 m do blízkého infračerveného spektra, od 1 do 3 m do krátkovlnného, od 3 do 5 m do středovlnného a od 5 do 25 m do dlouhovlnného spektra.

Mezi výhody takového bezdotykového měření teplot patří i možnost měřit pohybující se tělesa, možnost měřit rychlé změny, možnost kombinace pyrometru i se záznamníkem obrazu i času.

A na principu termografie lze snímat a zobrazovat i teplotní pole celých povrchů těles, objektů i územních celků. Je v současné době oblíbenou a stále zdokonalovanou technikou, která převádí dopadající nebo vyzařované infračervené záření povrchu na obrazový signál.

Čtěte také: Environmental Particulate Air Monitor EPAM-5000

Ten se zobrazuje na monitoru v řadě barevných odstínů, z nichž každý znamená určitý teplotní rozsah. Na základě vyhodnocování teplotních polí lze tak získat řadu cenných informací o nejrůznějších jevech a jejich průběhu, které nějakým způsobem souvisejí i se změnou teploty.

Přitom se využívá buď vyzařování infračervených paprsků přímo z povrchu samotného sledovaného objektu nebo z povrchu objektu, kterému je tepelná energie dodávána z nějakého ještě dalšího vnějšího zdroje. Tím mohou být zábleskové lampy, halogenové výbojky, infrazářiče nebo i laser.

Snímací kamery mohou být buď na principu tepelných snímačů, kde dochází při absorpci fotonů k oteplení citlivé části senzoru a pohlcená energie se vyhodnocuje nepřímo přes senzory teploty nebo v provedení jako kvantové snímače s vyhodnocením infračerveného záření cestou fotoelektrického jevu v polovodičích.

V tom směru je možné spatřovat etapy vývoje od systémů s pyroelektrickým rozkladem elektrodou (pyrovidikony) až po kamery obdoby CCD. U pyrovidikonu je funkce založena na pyroelektrickém jevu dielektrických krystalů, kde při dopadu IR záření dochází k polarizaci, která je funkcí změny teploty.

U kvantových senzorů infračerveného záření se využívá fyzikálních jevů, vznikajících při přímé interakci dopadajících fotonů na strukturu senzoru. Firma Amber, která patří v oboru termografie k předním světovým firmám, používá tady jako citlivý materiál vůči fotonům v infračervené části spektra při vlnové délce 1 až 5 m Indium-Antimonid InSb, který je podstatně citlivější než předchozí PtSi což dovoluje i značně menší a tedy i levnější provedení objektivů.

Polovodičové CCD snímače pro infračervené záření - se vžitým označením FPAs - Focal Plane Arrays mají obvykle proti CCD kamerám pro snímání na denním světle menší počet pixelů a jiný materiál čipu, vhodný pro detekci IR záření.

Přesto, že princip bolometru, který využívá odporových senzorů teploty, je znám už delší dobu (roku 1878 jeho princip objevil Samuel Langley), teprve v nedávné době prostřednictvím firmy Amber se dostaly na trh ruční nechlazené kamery nové generace s detektorem 320 x 240 pixelů a s rozlišovací schopností 0,07 °C v provedení pro detekci IR v rozsahu 8 až 12 m nebo i 2 až 16 m.

Jak už z naznačeného rozsahu pixelů vyplývá, a vývoj jde neustále dále, dovoluje současná technologie stavby kamer zhotovit velký počet malých detekčních prvků, takže výsledné elektrooptické vlastnosti jsou u nových kamer o řád i více vyšší než u pyrovidikonů a docílí se i vyššího stupně rozlišení teplotního pole termografického záznamu.

Ten se dále zpracuje, většinou s pomocí počítačového programu a počítačem se mu mohou přiřadit i různé jiné barvy, které lépe odpovídají potřebám vyhodnocení zadaného úkolu u uživatele. Pomocí termografie lze zabránit mnoha závadám, ke kterým by mohlo u různých zařízení v provozu dojít.

Termografická technika (od svého počátku v roce 1965, kdy pod názvem termovize se tato technika prostřednictvím švédské firmy AGA Infrared Systems dostala do povědomí civilního sektoru) je dnes už při dostatečném vybavení infračervenými kamerami s vysokou rozlišovací schopností a rychlostí nepostradatelným pomocníkem v různých nejen průmyslových odvětvích.

Ale své cenné služby poskytuje i v celé řadě jiných odvětví a oborů, jako je energetika, doprava, stavebnictví nebo třeba i medicína. Samotný povrch lidského těla je zdrojem infračerveného záření s intenzitou asi 100 mW/cm2.

Tato hodnota závisí ovšem na celé řadě faktorů, probíhajícím metabolismu nebo činnosti člověka a je odlišná na různých částech těla. Termografie se uplatňuje např. v neurologii a pracovním lékařství (příkladem může být termogram degenerativních změn na přechodu šlach v kost - tzv. tenisový loket) či třeba v onkologii při diagnostice kožních nádorů a nádorů v blízkosti povrchu těla nebo při onemocnění štítné žlázy.

Může termografie barevným zobrazením rozložení teplotních polí prokázat řadu užitečných služeb. Jde např. o nedestruktivní defektoskopii, kontrolu různých strojních dílů a mechanismů (např. ložisek), kontrolu elektrických rozvodů, systémů vytápění, nebo třeba kontrolu různých tepelných izolací.

Ve stavebnictví umožňuje termografie užitečnou kontrolu obvodových plášťů staveb z hlediska úniků tepla. V poslední době se termografie využívá i ke snímání tepelných obrazů zemského povrchu ve vybraných lokalitách.

Ve strojírenství patří termografii např. i 100% kontrola lopatek turbín, kde se kontrolují buď jednotlivé lopatky ještě před jejich osazením do oběžných kol (taková je praxe např. ve firmě Siemens s technologií vyvinutou u firmy Thermosensorik GmbH Erlangen) nebo lopatky až po montáži do oběžného kola.

Sledují se nejen možné materiálové vady v podobě třeba okem neviditelných trhlinek, ale zároveň i tloušťka a přilnavost keramických vrstev, tloušťka stěny lopatky a průchodnost vzduchových kanálků, potřebných pro chlazení lopatek. Při nejčastěji používané impulsní metodě termografie je sledovaný objekt ozářený krátkým impulsem a současný termografický záznam přes infrakameru dovoluje sledovat tepelné pole povrchové vrstvy při vzestupu teploty i při následném chladnutí přenosem tepelné energie na vnitřní vrstvy.

Při homogenním materiálu je proces ochlazování povrchu plynulý, rozdílný je při výskytu materiálových vad, ať nehomogenit materiálu, pórovitosti keramické vrstvy, její přilnavosti nebo trhlinek či vnitřních dutin. V oboru termografie je už u nás činných několik firem, které jednak mohou dodat vhodná zařízení, ale případně mohou nabídnout i své prováděcí služby.

Zajímavé je užití infračerveného záření, vedle rtg a UV záření, i v restaurátorském průzkumu uměleckých či historických děl, které může často pomoci při odkrývání různých pozdních zásahů do těchto děl. Využívá se rozdílné pohltivosti, propustnosti a odrazivosti infračerveného záření u některých látek, které se ve viditelném světle jeví jako totožné.

To umožňuje rozlišit v infračerveném světle některé pigmenty, lazury, přelakované nebo přemalované vrstvy na obrazech, zviditelnit vybledlé malby, vyšetřit pravost podpisů a signatur autorů uměleckých děl. Řada barev se chová odlišně v IR záření než za běžného světla a třeba uhlíkaté pigmenty s amorfní strukturou je možné prostřednictvím infračerveného záření identifikovat i pod nánosem jiných barevných vrstev.

Infračerveného záření lze využít ale i v celé řadě jiných oborů. Příkladem mohou být analyzátory plynů, které využívají odlišného absorbování tohoto záření u různých anorganických i organických plynů a par. Infrazáření se osvědčuje i pro přesná kontinuální měření tuhých emisí a prachu v kouřovodech různých spaloven.

U tohoto provedení vysílá dioda modulovaný paprsek infračerveného záření na protilehlý odrážeč. Paprsek prochází tam i zpět měřeným prostorem a po dopadu na přijímací diodu se z jeho stavu vyhodnocuje stupeň znečištění prostoru. Často se využívá podstaty infračerveného záření u různých bezpečnostních systémů, jak identifikačních, tak i ochranných u různých strojních mechanismů.

Trochu jiného charakteru, i když se stejným konečným záměrem docílení bezpečnosti, je i kontrolní systém zvýšené teploty a možného přehřátí ložisek kol nebo brzdových systémů u železničních vagónů, který jako reakci na havárii rychlovlaku ICE v minulých letech u Eschede vyvinula pobočka koncernu Diehl - AEG Infrarotmodule GmbH spolu s firmou GE Harris.

Infračervené kontrolní zařízení je tady vestavěné do speciálního pražce, odkud automaticky bezdotykově kontroluje tepelné zatížení těchto dílů u všech projíždějících vlaků.

Analyzátory spalin a monitorování emisí

Dlouhodobá imisní data získaná v oblastech zasažených znečištěním z velkých průmyslových zdrojů, vykazují v průběhu topné sezóny pozoruhodné změny, které ukazují na nezanedbatelný podíl malých spalovacích zařízení na zhoršené kvalitě ovzduší.

Obyvatelé v takto znečištěných oblastech často kladou vinu za zhoršenou kvalitu ovzduší jen velkým znečišťovatelům a nepřipouštějí si, že také oni sami se nemalým dílem na daném znečištění mohou podílet.

Spalování tuhých paliv je vždy doprovázeno produkcí znečišťujících látek a obecným cílem by mělo být jejich množství snížit na přijatelnou úroveň.

Každé spalovací zařízení určené k vytápění prochází certifikací v autorizované zkušebně, která ověřuje jeho základní tepelné, technické a bezpečnostní parametry, mezi které patří také úroveň produkovaných škodlivin.

Přenosné analyzátory spalin jsou většinou vhodné pro rychlé stanovení koncentrací základních škodlivin ve spalinách (nastavení kvality spalování na již instalovaných zařízeních, kontroly spalovacích zařízení u podnikatelů …). Pracují na principu elektrochemických převodníků.

Nevýhodou těchto zařízení je nedokonalá úprava vzorku spalin před jeho analýzou - malý nebo žádný filtr tuhých částic, nedostatečně vychlazený vzorek spalin (nedochází k odloučení vlhkosti ze vzorku), špatná kontrola množství odsávaného vzorku spalin. To vše přispívá k omezené životnosti elektrochemických článků (hlavně při měření spalin ze spalovacích zařízení na tuhá paliva), které je nutno pravidelně obměňovat.

Přístroje je nutno zasílat cca 1krát ročně na servis, aby byla zaručena správná funkce. Výhodou těchto přístrojů je již zmiňovaná mobilita, nenáročnost na obsluhu, rychlé vyhodnocení měřených údajů a také relativně nízká cena (ve srovnání s kvalitnějšími analyzátory).

Na trhu jsou k dispozici komplexní přístroje, které umožňují měřit a vypočítávat i doplňující veličiny jako jsou teplota spalin, tah komína, teplota okolí, účinnost, atd. Přístroje mají rovněž možnost okamžitého tisku zjednodušeného protokolu. Přístroje jsou schopny analyzovat CO, CO2, O2, SO2, NO (většinou se jedná pouze o jednorozsahové přístroje).

Stacionární analyzátory spalin jsou využívány na zkušebnách kotlů a při monitorování větších zdrojů znečištění (spalovny, teplárny, elektrárny…). Disponují kvalitní úpravou a dopravou vzorku spalin - chladnička vzorku, kyselinové a prachové filtry, hlídání průtoku vzorku.

Základní složky spalin jsou měřeny na principu absorpce IR záření ve vzorku spalin (CO, CO2, NO, SO2). Koncentrace O2 ve spalinách je pak stanovena paramagnetickým principem. Výhodou je pak otevřenost celého systému, kdy není problém přidat moduly pro měření dalších složek spalin např. uhlovodíky (plamenoionizační princip měření), atd.

Před měřením je možno analyzátory kalibrovat pomocí etalonových plynů. K analyzátorům je většinou připojené vytápěné vedení vzorku spalin a vytápěná odběrová sonda (keramický filtr pro odloučení prachu). Přístroje jsou náročnější na obsluhu.

Zatímco měření koncentrace plynných škodlivin je za dodržení určitých podmínek v podstatě bezproblémovou záležitostí, stanovení koncentrace prachu ve spalinách je složitější. Jedná se zejména o to, že v měřicím úseku za kotlem jsou podmínky pro reprezentativní stanovení prachu nevhodné.

Spaliny vycházející ze spalovacího zařízení jsou za měřicím úsekem ředěny přisáváním okolního vzduchu a jsou vedeny k odběrovému místu.

tags: #analyzátor #emisí #infra #princip

Oblíbené příspěvky:

• Aktivity v ochraně přírody na Vysočině
• Výhody a nevýhody ekologického zemědělství
• Emise Kralupy: Kde a kdy?
• Vášeň v přírodě bez starostí
• Testování ekologických lahví: Která je nejlepší?