Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 19 – vyšlo 26. května, ročník 15 (2017) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

19/2017

Bezdotykové měření teplotních polí II

Jan Sova

V druhém dílu našeho miniseriálu o problematice bezdotykového měření teploty si vysvětlíme fyzikální souvislosti, které je nezbytné znát a především respektovat pro dosažení správných výsledků měření. V krátkosti se také zmíníme o rovnici termografie.

Termogram experimentálního pole Výzkumného ústavu
rostlinné výroby nasnímaný z dronu

Stanovení povrchové teploty

Při práci s termokamerou je to nejdůležitější uvědomit si, že termokamera neměří teplotu přímo, ale dle tzv. rovnice termografie, či dle zjednodušeného vztahu naměřenou teplotu stanovuje výpočtem na základě 1) naměřené intenzity tepelného záření a 2) zadaných parametrů měření (které jsou stanoveny tzv. doplňkovými měřeními nebo kvalifikovaně odhadnuty). Pro správné stanovení povrchové teploty měřeného objektu je tedy nezbytné správné nastavení parametrů měření, které z rovnice termografie vyplývají. Prakticky jde o:

Termokamery jakožto měřicí přístroje vždy umožňují nastavit emisivitu a odraženou zdánlivou teplotu. Lépe vybavené termokamery (a určitě pak ty, které by měly být určeny pro vědecko-výzkumné aplikace) pak umožňují nastavit i parametry atmosféry, tj. i atmosférickou teplotu, relativní atmosférickou vlhkost a vzdálenost. Některé termokamery pak ještě navíc umožňují korekci externích IR okének.

Nejistota stanovení jednotlivých parametrů má na výslednou nejistotu měření odlišný vliv, vždy záleží na situaci. Tj. například vliv parametrů atmosféry je tím větší, čím větší je vzdálenost mezi termokamerou a měřeným objektem. Vliv odražené zdánlivé teploty je tím větší, čím menší je emisivita, neboť tím větší je odrazivost (a naopak, pokud je emisivita blízká své maximální hodnotě 1, může být vliv odražené zdánlivé teploty prakticky zanedbatelný).

Nastavení parametrů měření u termokamery FLIR T440 [5].

Místo správného pojmu „odražená zdánlivá teplota“ se lze většinou setkat se zkráceným označením „odražená teplota“, výjimkou ale není i zcela jiné označení, tj. například „teplota pozadí“, „reflektovaná teplota“ apod.

Emisivita a odražená zdánlivá teplota

Emisivita je bezrozměrný parametr charakterizující povrch měřeného objektu z hlediska schopnosti tepelně vyzařovat. Udává poměr toku tepelného záření reálného (šedého) tělesa k tepelnému toku vyzařovanému černým tělesem dle Stefanova-Boltzmannova zákonaStefanův-Boltzmannův zákon – popisuje celkovou intenzitu vyzařovanou absolutně černým tělesem. Zákon odvodili rakouští fyzikové Josef Stefan a Ludwig Boltzmann. Dnes lze zákon snadno odvodit integrací Planckova vyzařovacího zákona přes všechny frekvence a celý prostorový úhel. Ukazuje se, že celková intenzita vyzařování prudce roste s teplotou, je úměrná její čtvrté mocnině.. V jistém smyslu je emisivita „účinností vyzařování“, maximální možná hodnota je rovna 1 (pro černé těleso). Čím je emisivita vyšší, tím více tepelného záření předmět při dané povrchové teplotě vyzáří. Emisivita není pro daný povrch konstantní a je funkcí řady dalších parametrů, především pak teploty a vlnové délky. To je třeba při měření zohlednit.

Povrchová teplota zatepleného panelového domu je přibližně homogenní. Na termogramu se však zdá, že místa s nápisem jsou až o 5 °C chladnější. Tato chyba měření je způsobena rozdílnou emisivitou barev nápisu oproti barvám zdiva [5].

Odražená zdánlivá teplota charakterizuje tepelné záření, které se od povrchu měřeného objektu odráží. Při vysvětlení významu zdánlivé odražené teploty je třeba si vysvětlit základní souvislost mezi emisivitou a odrazivostí povrchu. Pro těleso s nepropustným povrchem je odrazivost ? povrchu rovna ρ = 1− ε, kde ε je emisivita povrchu (všechny veličiny bychom samozřejmě měli uvážit jako funkce vlnové délky, teploty atd.). Pro praxi je to velmi důležitý závěr, neboť z něho vyplývá, že čím menší je emisivita povrchu, tím větší bude vliv odražené zdánlivé teploty, což je vždy nepříjemné s ohledem na výslednou přesnost měření. V praxi je proto obvykle méně obtížné měřit povrchy s vysokou emisivitou, a proto se také snažíme volit takový spektrální rozsah termokamery, aby v něm byla emisivita měřeného povrchu, pokud je to možné, co největší.

Tepelné záření z okolí (2) dopadá na povrch předmětu (3), odtud se od odráží do termokamery (1). V detektoru kamery je toto odražené záření přičteno k tepelnému záření detektoru a vede k chybě měření.

Závislost emisivity na vlnové délce u vybraných materiálů. Emisivita je dále
závislá především na teplotě a úhlu měření [8].

Sklo je pro infračervené záření v pásmu 8–14 µm nepropustné, ale povrch hladké skleněné tabule je poměrně značně odrazivý (odrazivost 0,30 a více). Na termogramu proto zřetelně vidíme odraz tepelného záření okolních předmětů, především pak termodiagnostika, který teplotně z pozadí vystupuje. Vlastní tepelné záření skleněné tabule a odražené tepelné záření okolních předmětů dopadá na detektor záření a vytváří tak výsledný obraz – termogram [5].

Zdánlivou odraženou teplotu i emisivitu lze stanovit několika metodami, tato problematika však přesahuje rozsah tohoto bulletinu [2]. V praxi se snažíme vliv odražené zdánlivé teploty kompenzovat a „odečíst“ ji z naměřených hodnot tak, abychom získali skutečnou hodnotu intenzity tepelného záření z povrchu měřeného objektu.

Parametry atmosféry

Atmosférická teplota, relativní atmosférická vlhkost a vzdálenost mezi termokamerou a povrchem měřeného objektu se nastavují tak, aby korigovaly vliv atmosféry. Atmosféra jednak tepelné záření z měřeného povrchu utlumuje (útlum je pak závislý především na relativní vlhkosti a vzdálenosti), jednak je sama zdrojem tepelného záření (intenzita tepelného záření atmosféry je závislá především na její teplotě, ale i složení). Obecně lze říci, že vliv atmosféry je tím větší, čím vzdálenější objekty jsou měřeny.

Korekce externí optiky

Některé termokamery umožňují kompenzaci tzv. externí optiky. Tím je myšleno především infračervené okénko, které může být instalováno například do dveří rozvodné skříně a sloužit pak jako průzor, který je částečně průhledný pro infračervené záření. Při termografické kontrole pak může rozvodná skříň zůstat uzavřená, je ale třeba počítat s útlumem a vlastním vyzařováním infračerveného okénka, skrze které měření probíhá. Termokamery, které s touto možností počítají, umožňují nastavit teplotu a propustnost infračerveného okénka.

Rovnice termografie

Rovnice termografie dává do souvislosti všechny výše zmíněné faktory: tj. že záření, které dopadá na detektor termokamery je součtem 1) záření vyzářeného povrchem měřeného objektu (k tomuto údaji se chceme měřením dobrat), 2) záření odraženého od povrchu měřeného objektu (toto záření pochází z okolních předmětů a jeho vlivu se chceme zbavit) a 3) tepelného záření pocházejícího z atmosféry, která je mezi termokamerou a měřeným objektem (i toto záření musíme od výsledné hodnoty odečíst). Dále je třeba zahrnout vliv útlumu atmosféry, která utlumuje jak tepelné záření vyzářené povrchem měřeného předmětu, tak tepelné záření okolních těles tímto povrchem do termokamery odraženého. Situaci ilustruje následující obrázek.

Situace při termografickém měření [8].

Odkazy