Omezující okrajové podmínky použitelnosti u systémů bezkontaktního měření teplot – 2. část

Článek se zabývá podmínkami, za kterých je bezkontaktní měření teplot možné považovat za přesné. Text je rozdělen na dvě části. Upozorňuje na základní fyzikální závislosti spojené s bezkontaktním měřením a v druhé experimentální části provádí porovnání bezkontaktních teploměrů a termokamer. Výsledky měření jsou dokumentovány v tabulkách a grafech.

Recenzent: Michal Kabrhel

2. Vliv optických vlastností bezdotykového měření teplot na vyhodnocení měření [6]

Z pohledu optických vlastností bezdotykového systému měření teplot je nutné rozlišit použití bezkontaktního teploměru (pyrometru) a infračerveného zobrazovacího systému (termovize).

U bezdotykových teploměrů je z pohledu optických vlastností důležitá skutečná velikost snímané plochy. Bezdotykové teploměry jsou přístroje, které měří povrchovou teplotu bodově. Optický sy­stém bezdotykových teploměrů ve většině případů snímá teplotu z kruhové měřené plochy a soustřeďuje ji na detektor. Měřený objekt proto musí úplně vyplňovat tuto měřenou plochu, jinak je naměřená hodnota ovlivněna i zářením pozadí (obr. 10). Optické rozlišení je většinou definováno poměrem D : S, což je průměr měřené plochy D k vzdálenosti měřicího přístroje od měřeného objektu S. Tato hodnota je většinou uvedena přímo na těle bezdotykového teploměru. Čím vyšší bude tato hodnota, tím menší může být měřená plocha při dané vzdálenosti.

Naopak u termovizní kamery pořizujeme tzv. termogram. Termogram je informace o zobrazovacím objektu a prostředí, kterým je obklopen, který termovizní kamera zobrazuje rozložením na jednotlivé elementární plošky a v určitém časovém intervalu zobrazí jako slo­žený tepelný obraz – termogram. Kvalita termogramu (digitálně pořízeného snímku) je dána rozlišovací schopností přístroje. Každý digitální obrázek se skládá z jednotlivých bodů (1 bod = 1 pixel). To vedlo u tepelných detektorů k vytvoření tzv. mikrobolometrických detektorů. Jedná se v podstatě o matici (dvojrozměrné pole, FPA – Focal Plane Array) složenou z jednotlivých miniaturních bolometrů (obr. 11). Množství jednotlivých prvků v matici určuje rozlišení a kvalitu digitalizace termogramu. V současnosti se používají matice o obsahu 320 x 240, 640 x 480, 1024 x 768 a 1280 x 960 bodů neboli pixelů.

Digitální výstup – termogram je tedy výstup z měření termovizní kamerou. Nicméně základní otázkou zůstává, jaká je skutečná velikost 1 pixelu vůči snímanému objektu ve vazbě na potřebu vyhodnocení získaného termovizního snímku. Ačkoli je teplotní citlivost termovizních systémů řádově v setinách stupně Kelvina, u vyhodnocení termogramu nám skutečná velikost 1 snímaného pixelu určuje celkovou přesnost měření. Typickým příkladem může být snímaná obálka budovy. Např. pro termovizní kameru FLIR ThermaCAM S65 se standardním objektivem s ohniskovou vzdáleností 18 mm, by při vzdálenosti 10 m od zdi budovy byla velikost jednoho prvku detektoru 25,69 mm. Tzn., že 1 pixel získaného termogramu na fasádě domu by odpovídal velikosti čtverce o rozměru cca 26 x 26 mm. To při rozlišovací schopnosti 320 x 240 pixelů snímanému termogramu odpovídá celkové vyhodnocovací ploše o rozměrech 8,22 x 6,16 m. V případě rostoucí vzdálenosti nebo změně ohniskové vzdálenosti čočky objektivu se velikost 1 digitálně získaného pixelu termogramu může výrazně změnit. Přístroj pak může vyhodnotit v rámci jednoho pixelu více ploch o různých teplotách. Při vyhodnocení termogramu většina softwarů pracuje s přesností na pixely digitálního snímku, tzn., že ačkoli termovizní kamera indikuje v jednom pixelu různé rozložení povrchové teploty, ve vyhodnocení je software schopen identifikovat pouze jedinou teplotu ve vazbě na skutečnou plochu měřeného pixelu. Příklad této problematiky je znázorněn na obr. 12.

Jedná se o měření vchodových dvěří budovy, kdy cílem bylo zjištění případných tepelných mostů. S použitou termovizní kamerou ThermaCAM S65 ve vzdálenosti 2 m od fasády by byla velikost 1 pixelu digitálně získaného termogramu čtverec o rozměru 5,1 mm. V případě pořízení termogramu ze vzdálenosti např. 10 m by velikost 1 pixelu byla již cca 2,6 cm. Tato skutečnost může představovat závažný problém ve vyhodnocení měření, protože pokud si představíme termovizní snímek např. celého panelového domu po zateplení (rozměrově řádově desítky metrů), který je pořízen v kvalitě např. 1280 x 960 pixelů a z důvodů ohniskové vzdálenosti čočky je současně celý dům měřen ze vzdálenosti 30 m a více, je možné vypočítat velikost jednoho pixelu termogramu v řádově desítkách centimetrů. Z pohledu vyhledávání defektů, v tomto případě ­tepelných mostů, je reálná velikost 1 pixelu termogramu většinou dostačující a termogram ještě částečně může identifikovat na panelovém domě potenciální tepelné úniky. Nicméně na základě velikosti 1 pixelu při takovém nastavení měřicí situace nelze kvalitativně hodnotit průběh povrchové teploty v jednotlivých pozicích termogramu (detaily oken, ostění, rohů atd.).

2.1 Vyhodnocení experimentu optických vlastností přístrojů bezkontaktního měření teplot

Experimentální ověření optických vlastností bezdotykových teploměrů spočívalo v použití tzv. černého tělesa. Jednalo se černé těleso BB500 (obr. 13), které disponuje kalibrační plochou o průměru 57 mm s definovanou emisivitou povrchu e_č = 0,95.

Tento přístroj disponuje měřicím rozsahem nastavení povrchové teploty kalibrační plochy v rozmezí od 50 do 500 °C s přesností pro měřicí rozsah od 50 °C do 100 °C => ± 0,1 °C, od 101 °C do 350 °C => ± 0,2 °C a od 351 °C do 500 °C => ± 0,4 °C. Princip experimentu spočíval v tom, že na černém tělesu byla nastavena kalibrační teplota od 50 °C v teplotním kroku 50 K postupně až do 450 °C. Použitý měřicí přístroj (bezdotykový teploměr nebo termovizní kamera) byl pak postupně umisťován ve vzdálenosti od 100 mm až do 2,5 m (tab. 3) a byla vyhodnoco­vána skutečná naměřená teplota bezdotykového přístroje. Změřená teplota přístroje pak byla vyhodnocena k nastavené kalibrační teplotě na černém tělese BB500. Všechny měřené přístroje byly polohovány ve směru normály od kalibrační plochy černého tělesa.

V tab. 3 je shrnutí poměru D : S pro použité měřicí bezdotykové teploměry, kde červeně jsou vyznačeny hodnoty, které překračují měřenou plochou kalibrační plochu černého tělesa (tj. jsou větší než 57 mm). V těchto vzdálenostech je totiž předpoklad, že bezdotykový teploměr snímá již nejen kalibrační plochu, ale také povrch okolí (např. obálky černého tělesa, zdi za měřicí tratí atd.). Dále uváděné výsledky pak obsahují i experimentální měření termovizními kamerami pro stejné podmínky (kalibrační teplota, měřicí vzdálenost).

Výsledky jsou prezentovány nejprve jako grafický průběh indikované teploty v závislosti na vzdálenosti od kalibračního tělesa (obr. 15 a 16), a také jako grafické vyjádření relativního pásma přesnosti měření daného přístroje (toleranční pole přístroje) opět v závislosti na vzdálenosti od kalibračního tělesa (obr. 17 až 19). Ke grafům na obr. 15 a 16 je shodná legenda zobrazená na obr. 14.

Obr. 15 • Výsledky měření použitých přístrojů při teplotě černého tělesa t_č = 50 °C

Obr. 16 • Výsledky měření použitých přístrojů při teplotě černého tělesa t_č = 450 °C

Obr. 17 • Toleranční pole měření bezdotykového teploměru Proscan 530 úzké pásmo záběru (D : S = 36 : 1) při teplotě černého tělesa t_č = 50 °C

Obr. 18 • Toleranční pole měření bezdotykového teploměru Proscan 530 v úzkém pásmu záběru(D : S = 36 : 1) při teplotě černého tělesa t_č = 450 °C

Obr. 19 • Toleranční pole měření bezdotykového teploměru IAN 271160 při teplotě černého tělesa t_č = 50 °C

Z grafu na obr. 15 i obr. 16 vykazují přístroje IAN 271160 (tmavě zelená křivka v grafech) a Proscan 530 v tzv. širokém pásmu snímání (hnědá barva křivky v grafech) s rostoucí vzdáleností od kalibračního tělesa vyšší chybu měření než ostatní přístroje. U přístroje Proscan 530 v širokém pásmu snímání s hodnotou D : S rovnou 4 : 1 tento výsledek očekávaný. V celém záběru přístroje Proscan 530 je kromě kalibračního tělesa obsažena i teplota povrchu okolních ploch (měřicího stolu, okolních zdí, podlahy atd.). Proscan 530 v širokém pásmu snímání má velikost snímané plochy ve vzdálenosti 2,5 m cca 650 mm. Naopak u bezdotykového teploměru IAN 271160 (výrobce poměr D : S = 12 : 1) výsledky experimentu ukazují, že tento přístroj je naprosto nevhodný pro měření teplot bezkontaktním způsobem. Přístroj je sice z pohledu ceny nejlevnější bezdotykový teploměr z použitých pyrometrů (cca 500 Kč), ale protože neumožňuje žádná nastavení okrajových podmínek měření, a to ani emisivity snímaného povrchu je přístroj IAN 271160 zcela nevyhovující zařízení a experiment toto tvrzení jednoznačně prokázal.

Dalším přístrojem, který vykazoval výraznější odchylky při měření, je kamera Flir S65 (žlutá a oranžová křivka v grafech). Tato kamera má z pohledu uživatele celkem již cca 4 500 provozních hodin a při poslední kalibraci byly zjištěny nevratné odchylky na detektoru. Kalibrační protokol ukazoval, že tato odchylka je lineární s rostoucí teplotou a vzdáleností. To potvrdil i výše popsaný experiment (obr. 15 a obr. 16), kde křivky týkající se termovizní ­kamery Flir S65 vykazují lineární odchylku od měřené hodnoty teploty kalibračního tělesa. Nicméně obecně lze z experimentu konstatovat, že bezkontaktní teploměry jsou s rostoucí vzdáleností od měřeného objektu méně přesné než termokamery, což byl z pohledu teoretického popisu principu vyhodnocování pyrometrů očekávaný závěr. Termo­kamera Flir T460 je nejpřesnější zařízení, které bylo použito. Jako nejlepší z bezkontaktních teploměrů se ukázal v tomto testu pyrometr Testo QuickTemp 860-T2.

Tento test prokázal, že bezdotykové teploměry při měření vysokých teplot (obecně při teplotách vyšších jak 100 °C) mají vyšší odchylku od skutečné povrchové teploty měřeného tělesa. Je to dané tím, že krom emisivity nelze dále definovat další okrajové podmínky měření, které mají na výsledky nezanedbatelný vliv. Zajímavé je, že ačkoli relativní nejistota přístroje IAN 271160 je dle výrobce deklarována v toleranci ±1,5 % z měřené hodnoty. Tento přístroj v žádném z provedených testů nebyl v tolerančním pásmu dle výrobce přístroje (obr. 19 a obr. 20). To znovu ukazuje na naprosto nevyhovující přístroj, který svými výsledky zcela nevyhovuje standardům pro bezkontaktní měření teplot.

Obr. 20 • Toleranční pole měření bezdotykového teploměru IAN 271160 při teplotě černého tělesa t_č = 450 °C

Naopak u termovizní kamery Flir T460 obr. 21 a obr. 22 ukazují dodržení pásma relativní nejistoty měření jak v oblasti nízkých, tak i vysokých teplot, a to v celém pásmu měřených vzdáleností.

Obr. 21 • Toleranční pole měření termovizní kamery FLIR T460 při teplotě černého tělesa t_č = 50 °C

Obr. 22 • Toleranční pole měření termovizní kamery FLIR T460 při teplotě černého tělesa t_č = 50 °C

Celkově lze konstatovat, že u bezkontaktních teploměrů se zvětšující se vzdáleností S roste i chyba měření. Závislost teploty a vzdálenosti S je pak taková, že čím jsme od měřeného tělesa dále, tím nižší teplotu na přístroji naměříme s ohledem na optické vlastnosti přístroje. U termovizních kamer je výhodou, že nasnímaný termogram lze zpětně vyhodnocovat v počítači, kde je možné nastavit jednotlivé okrajové podmínky a výsledek měření tím kalibrovat. Proto musí platit, že termovizní kamery jsou obecně přesnější než bezkontaktní teploměry, a to i bez ohledu na vzdálenost od měřeného objektu.

Závěr

Bezkontaktní měření povrchové teploty se rychle prosazuje v různých odvětvích, a to nejen v průmyslu. Měření je v zásadě rychlé a nijak neovlivňuje měřicí místo. Ovšem z pohledu okrajových podmínek, a s tím související i přípravy takového měření, je bezkontaktní měření teploty velmi složitá disciplína. V první řadě je nutné vědět, s jakou přesností se dané měření může uskutečnit, což nemusí nutně korelovat s úrovní přesnosti použitých přístrojů.

Je nutné nastavení základních okrajových podmínek, jako jsou emisivita měřeného povrchu, korekce na propustnost a relativní vlhkost okolního prostředí, zdánlivě odrážející teplota, vzdálenost měřicího přístroje od měřeného povrchu atd.

Dále je také nutné si uvědomit i základní fyzikální podstatu měření a z ní vyplývající závislost na úhlu snímání měřeného povrchu nebo například optické vlastnosti použitého systému.

Literatura

1. VAVŘIČKA, R.: Bezkontaktní způsoby měření teploty – Sešit projektanta č. 11. Praha: STP, 2014. 65 s. ISBN 978-80-02-02515-3.
2. VAVŘIČKA, R. – PUHL, D.: Nejistota měření a kritický úhel snímání při bezkontaktním měření povrchové teploty. In: VVI, 2017, roč. 26, č. 2, s. 95–101. ISSN 1210-1389.
3. PUHL, D.: Bezkontaktní měření teploty. Praha 2015. ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí, 86 s. [Bakalářská práce 7-TZSI-2015].
4. VAVŘIČKA, R.: Měření vysokých povrchových teplot bezkontaktním způsobem. In: VVI, 2014, roč. 23, č. 4, s. 176–179. ISSN 1210-1389.
5. ZELINGR, J.: Využití termovize v technice prostředí budov. Praha 2017. ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí, 46 s. [Bakalářská práce 8 – TZSI – 2017].
6. KADLEC, K.: Bezdotykové měření teploty [online]. Elektronické pomůcky. VŠCHT Praha, 2012. [cit. 14. 10. 2013]. Dostupné z: tresen.vscht. cz/ufmt/cs/component/.../doc.../668- bmt-pripravalabv7h.html

---

Constraining boundary conditions of usability for non-contact temperature measurement systems

The article deals with the conditions under which non-contact temperature measurements can be considered accurate.

The text is divided into two parts, whereas the first part brings forward basic physical dependences associated with non-contact measurement and in its second experimental part it compares contactless thermometers and thermal imaging cameras. Afterwards the measurement results are documented in tables and graphs.

Keywords: non-contact measurement, temperature measurement, thermal imaging camera