Testo Academy: Termografie – 1. část

měření a regulace

Termografie je nedestruktivní metoda pro měření a testování, která je založená na zachycování infračerveného, pro lidské oko neviditelného, záření. Každý objekt s teplotou vyšší než absolutní nula (0 Kelvinů = –273,15 °C) vydává právě toto záření. Jak zjistil fyzik Max Planck již v roce 1900, existuje souvislost mezi teplotou tělesa a intenzitou jím vyzařovaného infračerveného záření.

Termokamera měří ve svém zorném poli dlouhovlnné infračervené záření. Z toho dopočítává teplotu měřeného objektu. Výpočet probíhá s ohledem na stupeň emisivity (e) povrchu měřeného objektu a kompenzace odražené teploty (RTC = Reflected Temperature Compensation). Obě tyto hodnoty jsou manuálně nastavitelnými veličinami. Každý pixel detektoru představuje teplotní bod, který je na displeji zobrazen v barevném provedení.

Termografie (měření teploty pomocí termokamery) je pasivní, bezdotyková měřicí metoda. Vytváří se obraz rozložení teploty na povrchu měřeného objektu. Pomocí termokamery nelze měřit vnitřní teplotu objektu ani teplotu objektů v pozadí.

Emisivita, Reflexe, Prostup

Záření vstupující do termokamery se skládá z více složek – vyzářené, odražené a přenesené složky infračerveného záření, které vychází z objektů v zorném poli termokamery.

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.

Emisivita

Emisivita (e) je měřítkem schopnosti materiálu pohlcovat a tedy i vyzařovat infračervené záření:

• je závislá na charakteru povrchu materiálu a, u některých materiálů, také na teplotě měřeného tě­lesa,
• emisivitu je možné v termokameře nastavit ma­nuálně.

Maximální emisivita: e = 1 (100 %) (černé těleso) Případ e = 1 je ideálním stavem a ve skutečnosti nikdy nenastane. Reálná tělesa:  e < 1, neboť reálná tělesa záření zároveň odrážejí a eventuálně přenášejí. Mnoho nekovových materiálů (např. PVC, beton, organické látky) mají vysokou, na teplotě nezávislou emisivitu ( e » 0,8–0,95) v dlouhovlnném spektru infračerveného záření. Kovy, především s hladkými povrchy, mají nízkou, teplotně závislou emisivitu.

Reflexe (RTC)

Reflexe (r) je konstanta, specifická pro každý mate­riál, která udává schopnost tělesa odrážet záření:

• je závislá na charakteru povrchu materiálu a u některých materiálů, také na teplotě měřeného tělesa.

Lambertův zářič
Lambertův zářič je objekt, který ideálně rozptyluje dopadající záření, to znamená, že dopadající záření je odráženo do všech směrů stejně. Na Lambertově zářiči je možné pomocí termokamery měřit teplotu odraženého záření. V praxi se objekty s těmito vlastnostmi nevyskytují.

Zpravidla odráží hladký, lesklý povrch záření mnohem lépe než hrubý a matný povrch stejného materiálu. Teplotu odraženého záření je možné v termokameře manuálně nastavit. RTC odpovídá v mnoha měřicích úlohách teplotě okolí. Tu je možné změřit ručním teploměrem. RTC je možné také zjistit pomocí Lambertova zářiče. Úhel odrazu odraženého infračerveného záření je stejný jako úhel dopadu.

Prostup – transmise (t)

Stupeň přenosu (t) je měřítkem schopnosti materiálu propouštět infračervené záření:

• je závislá na druhu a tloušťce materiálu.

Naprostá většina materiálů není pro dlouhovlnné infračervené záření průchozí, a proto se při nastavení v termokameře nijak nezohledňuje.

Kirchhoffův zákon záření

Infračervené záření, pohlcené termokamerou sestává z:

• záření vyslaného měřeným objektem,
• odrazem záření ostatních těles v okolí,
• prostupu záření tělesem.

Součet těchto složek je vždy roven 1 (100 %):

e + r + t = 1

Neboť prostup v praxi nehraje žádnou roli, součinitel prostupu t ve vzorci zanedbáme, zjednoduší se tedy na:

e + r = 1  

Pro termografii to znamená, čím je nižší emisivita:

• tím je vyšší podíl odraženého záření,
• tím obtížnější je přesné měření teploty,
• tím důležitější je přesné nastavení kompenzace odražené teploty (RTC).

Souvislost mezi emisí a reflexí

1. Měřené objekty s vysokou emisivitou (e ³ 0,8):

• mají nízkou odraznost (r): r = 1 – e,,
• teplotu je možné velice dobře měřit pomocí termokamery.

2. Měřené objekty se střední emisivitou (0,8 < e < 0,6):

• mají střední odraznost (r): r = 1 – e,,
• teplotu takového objektu je možné dobře měřit pomocí termokamery (je ale nutné precizní ­nastavení emisivity a kompenzace odražené teploty).

3. Měřené objekty s nízkou emisivitou (e £ 0,6)

• mají vysokou odraznost (r): r = 1 – e,,
• měření tohoto objektu je pomocí termokamery možné, ale naměřené hodnoty je potřeba posuzovat kriticky,
• je nezbytné správně nastavit kompenzaci odraženého záření, neboť to má velký vliv na výpočet teploty.

Zvláště v případě velkých teplotních rozdílů mezi měřeným objektem a jeho okolím je správné nastavení emisivity extrémně důležité.

Příklad

1. Pokud je teplota měřeného objektu vyšší než teplota okolí (viz otopné těleso na obrázku).
   – Příliš vysoko nastavená emisivita způsobí, že je hodnota teploty příliš nízká (viz termokamera 2).
   – Příliš nízko nastavená emisivita způsobí, že je hodnota teploty příliš vysoká (viz termokamera 1).
2. Pokud je teplota měřeného objektu nižší než teplota okolí (viz dveře na obrázku):
   – Čím je větší rozdíl mezi teplotou měřeného objektu od teploty okolí a čím menší je emisivita, tím větší bude chyba měření. Tato chyba se při chybně nastavené emisivitě ještě zvyšuje.

Shrnutí

Pomocí termokamery je možné měřit pouze teplotu povrchu, nelze měřit vnitřní teplotu ani tělesa v pozadí. Mnoho, pro lidské oko průhledných materiálů, jako například sklo, není transmisivních (prostupných) pro dlouhovlnné infračervené záření. K několika málo prostupným materiálům patří například tenké plastové fólie a germanium, materiál ze kterého jsou vyrobeny čočky a ochranná skla termokamer. Pokud elementy, které leží pod povrchem, tento povrch tepelně ovlivňují kondukcí, je možné často pomocí termokamery rozpoznat strukturu těchto objektů. Stále ale měříme povrchovou teplotu, takže přesné určení teploty těchto elementů není možné.

Kontrolní otázka:

• Jakou emisivitu má černé těleso? 

Zdroj: Praktické příručky testo