Testo Academy - Bezkontaktní měření teploty – 1. část

09.03.2022 Autor: Martin Dragoun Firma: TESTO, s.r.o. Časopis: 1/2022

Bezdotykové měření povrchové teploty je možné již zhruba od roku 1960, avšak pro široké využití v oblasti průmyslu a obchodu byly překážkou drahé senzory a vyhodnocovací přístroje. Díky novým výrobním technologiím a klesajícím cenám komponentů se podařilo této technologii v 90. letech prosadit. To ukázkově dokazuje například mnohonásobné použití infračervených spínačů v oblasti elektroinstalací. Dnes jsou tedy možné malé, cenově dostupné, ruční teploměry pro bezdotykové měření, které nestojí více než senzory ve srovnatelných přístrojích v 70. letech.

Bezdotykové teploměry najdou využití především tam, kde ostatní metody měření (např. dotykové teploměry) nelze použít nebo pouze omezeně. Například to mohou být součásti pod napětím, hrubé povrchy, objekty s nízkou tepelnou vodivostí a rotující součásti strojů nebo balené potraviny, u nichž by vpichem sondy došlo k poškození obalu.

Obr. 1 • Elektromagnetické vlnové spektrum

Atmosférické okno

Co jsou atmosférická okna a proč se v těchto oblastech provádí měření? V oblasti takzvaných atmosférických oken je mezi měřeným objektem a měřicím přístrojem jen velmi malá absorpce nebo emise (elektromagnetického) záření způsobená složkami vzduchu. Proto především při vzdálenostech k měřenému objektu menších než 1 m nedochází k vlivům způsobovaným složkami, které se obvykle ve vzduchu vyskytují. Měření nízkých a záporných teplot je možné pouze v rozsahu od 8 do 14 μm, protože k vytvoření použitelného signálu je k vyhodnocení třeba široké energetické pásmo.

1. atmosférické okno
2 μm – 2,5 μm
2. atmosférické okno
3,5 μm – 4,2 μm
3.atmosférické okno
8 μm – 14 μm

Z každodenního života je známá skutečnost, že všechna tělesa vysílají v závislosti na jejich teplotě elektromagnetické vlny, nazývané záření. Elektromagnetické záření se vždy řídí stejnými základními přírodními zákony, avšak člověkem je vnímáno rozdílně.

Vjemy jsou světlo nebo teplo, ostatní oblasti, jako např. rentgenové záření, nejsou vnímány vůbec nebo pomocí jejich působení (ultrafialové záření vede ke spálení pokožky sluncem). Elektromagnetické vlnové spektrum záření má rozsah cca 1023. Obecně řečeno je označována jako světlo pouze viditelná část elektromagnetického záření (VIS = viditelný). Tato část zaujímá oblast vlnové délky od 380 nm (fialová) do 750 nm (červená). Hranice této oblasti jsou definovány citlivostí lidského oka. V krátkovlnné oblasti se připojuje ultrafialové záření (UV).

V dlouhovlnné oblasti téměř hraničí s viditelným světlem infračervené záření (NIR). Sahá od 750 nm do 2,5 μm. Jako další následuje spektrální rozsah středního infračerveného záření (MIR nebo pouze IR). To zahrnuje oblast od 2,5 μm do 25 μm. Oblast vzdáleného infračerveného záření (FIR) zahrnuje oblast vlnové délky 25 μm až cca 3 mm.

Při šíření záření se přenáší energie, která dovoluje, za pomoci detekce tohoto záření, měřit bezdotykově tep-lotu tělesa. Vyzářená energie a její charakteristická vlnová délka je závislá v prvé řadě na teplotě vyzařujícího tělesa. V ideálním případě přijme měřený objekt veškeré infračervené záření z okolí a zároveň vyzařuje maximum záření odpovídající jeho teplotě. V takovém případě se mluví o takzvaném „černém tělese“. V pří-rodě se takové chování téměř nevyskytuje, dochází také k částečnému odražení záření. Proto je pro docílení spolehlivých výsledků měření v praxi zapotřebí přesně definovat toto vyzařování, odrážení energie nebo eliminovat tento vliv vhodnými opatřeními. Je to možné provést pomocí referenčního měření kontaktním teploměrem nebo záměrnou změnou měřené plochy tak, aby tato byla pro infračervenou měřicí techniku snadno měřitelná; lze použít barevný nátěr, lepidlo, potažení plastem nebo papírové nálepky. Zda a jaká opatření mají následovat, rozhodne nakonec měřený objekt a jeho prostředí. Pomoc při posuzování nabízí roztřídění příkladů aplikací podle vzhledu měřených objektů a jejich povrchů.

Černé těleso

Objekt, který absorbuje všechnu energii z dopadajícího infračerveného záření, převede ji ve vlastní infračervené záření a 100 % této energie opět vyzáří. Nedochází zde k žádné reflexi nebo prostupu záření. V praxi se objekty s těmito vlastnostmi nevyskytují.

Vyzařování (Emise), Odraz (Reflexe), Prostup (Transmise)

Jak již známe, každé těleso, jehož teplota je vyšší než absolutní nula (0 Kelvin = –273,15 °C) vysílá elektromagnetické záření. Záření snímané měřicí hlavou se skládá z vyzařování měřeného tělesa, z cizího vyzařování odrazem na měřené těleso a z prostupu skrz měřené těleso. Součet tohoto záření je vyhodnocován přístrojem. Protože přístroj jednotlivé podíly záření nezná, musí mu být zadáno, jak je velká část vyzařování měřeného tělesa.

Obr. 2 • Těleso – měřený objekt

Měřený objekt

Měřený objekt stojí primárně v popředí při každé aplikaci. Úkol spočívá v tom, přesně a precizně změřit teplotu. Pevná tělesa, kapaliny nebo plyny, každý měřený objekt se infračervenému senzoru jeví individuálně a specificky. To vychází ze specifických vlastností materiálu a povrchu. Mnoho organických produktů a kapalin se tak dá měřit bez zvláštních opatření. Naproti tomu kovy, především s lesklým povrchem, vyžadují zvláštní posuzování. Je-li stupeň odrazu a stupeň prostupu roven 0, tak máme ideální měřené těleso, tak zvaný „černý zářič“, jehož vyzařovaná energie se dá vypočítat pomocí Planckova zákona o vyzařování. Takové ideální těleso má emisivitu ε = 1.

Obr. 3 • Reálné těleso

Černý zářič (ideální zářič)

Absorbuje a emituje 100 % záření. Stupeň emisivity ε = 1. Ve skutečnosti se takové ideální podmínky nevyskytují. Prostup a odraz vždy provázejí měření jako rušivé veličiny.

Šedý zářič (ε menší 1)

Většina těles vyskytujících s v přírodě je označována jako „šedé zářiče“. Vykazují stejnou charakteristiku jako černé zářiče. Pouze intenzita vyzařování je menší. To se koriguje nastavením stupně emisivity.

Barevný zářič

Barevné zářiče jsou materiály, u nichž je stupeň emisi-vity závislý na vlnové délce, a tím na teplotě. To znamená, že takové těleso má např. při +200 °C jinou emisivitu než při +600 °C. To platí pro většinu kovových materiálů. Zde je třeba respektovat, že stupeň emisivity ε se stanovuje při měřené teplotě.