Zkušenosti s měřením infračervenými termografickými kamerami

Autor popisuje podrobně vlastnosti infračervených termografických kamer. Na příkladech pak vysvětluje vliv nastavených parametrů na přesnost výsledného měření. Porovnávány jsou příklady z oblasti technických zařízení budov a staveb. Názorné je zvláště závěrečné shrnutí důležitých parametrů v závislosti na druhu měření.
Článek volně navazuje na příspěvek v čísle 6/2012 – Zkušenosti s měřením povrchových teplot bezdotykovými teploměry.

Recenzent: Michal Kabrhel

Infračervená termografická kamera (dále jen termovize) je přístroj, který snímá vyzařovanou infračervenou energii z povrchu objektu, kterou prezentuje černobíle nebo barevně, kdy stupně šedi nebo barevné odstíny odpovídají rozložení teplot na objektu [L2]. Teoretické předpoklady a okrajové podmínky pro bezkontaktní měření teplot byly popsány v předchozím článku [L1]. Na rozdíl od bezdotykového teploměru máme u termovize k dispozici tzv. termogram rozložení povrchových teplot. Z hlediska hodnocení kvality termovizních sy­stémů rozlišujeme tři základní oblasti:

• Spektrální citlivost – jedná se o minimální změnu teploty, která může být daným zařízením identifikována. Dnešní termovizní kamery standardně pracují ve vlnovém pásmu od 7,5 do 13 µm. Přičemž maximum vyzařované energie při vlnové délce 7,5 m je cca 150 °C (obr. 1). Pro měření vyšších teplot (tj. maxima vyzařované energie se posouvají do oblasti kratších vlnových délek – obr. 1) software termovize využívá pro přepočet zobrazované teploty aproximaci Stefan-Boltzmannova zákona pro konečný interval měřených teplot.

• Teplotní citlivost – určuje nejmenší změnu povrchové teploty, která bude systémem ještě vyhodnotitelná (tzv. MRTD hodnota). Současné špičkové přístroje dokážou pracovat s teplotní citlivostí až 30 mK.
• Rozlišovací schopnost – definuje kvalitu pořízeného digitálního obrazu v tomto případě termogramu.

Termogram je v podstatě digitální snímek. Digitální obrázek se skládá z jednotlivých bodů – pixelů (1 bod = 1 pixel). Většina termovizních kamer dnes využívá tzv. mikrobolometry (obr. 2).

 

Jedná se v podstatě o matici (dvojrozměrné pole, FPA – Focal Plane Array) složenou z jednotlivých miniaturních čidel – bolometrů. Množství jednotlivých prvků v matici určuje rozlišení a kvalitu digitalizace termogramu. V současnosti se používají matice o obsahu 120 x 120, 320 x 240 nebo 640 x 480 bodů neboli pixelů.

Lidské oko má celkem asi 120 miliónů pixelů, přičemž pro pocit „ostrého“ obrazu lidské oko potřebuje digitální obraz s rozlišením alespoň 5 miliónů pixelů (např. kinofilm). Nejčastější rozlišení termogramů podle typu přístroje je ovšem 320 x 240 (76 800 pixelů) nebo 640 x 480 pixelů (307 200 pixelů). Vyšší rozlišení (např. Full HD 1920 x 1080 pixelů = cca 2,1 mil. pixelů) je v současné době velmi obtížně dosažitelné. První problém je vytvoření miniaturní hardwarové platformy termovizního přístroje (mikrobolometrické matice) a druhý problém je, že pro zpracování takového množství termografických dat je nutné mít i odpovídající počítačové vybavení. Z pohledu kvality termovizního systému je vhodné při vyhodnocování termogramů rozlišit dva základní přístupy:

• termovize je použita pouze k identifikaci (vyhledávání) defektů na povrchu,
• termovize je použita k mapování a kvalitativnímu hodnocení povrchového teplotního reliéfu.

V prvním případě není rozlišovací schopnost přístroje důležitá, neboť IČ systém hledá pouze možné chyby na měřeném povrchu – tzv. defektoskopie. Typickým příkladem je hledání tepelných mostů a různé další poruchy u obálek budov. Na obr. 3 můžeme zřetelně definovat oblasti výrazných tepelných mostů vnější obálky bytového domu. Z pohledu defektů není zajímavá hodnota absolutní teploty povrchu fasády domu, ale zobrazení oblastí, kde můžou nastat potenciální problémy.

Druhý přístup je používán spíše pro experimentální a vědecké účely, kdy je nutné systematicky hodnotit teplotní reliéf snímaného povrchu. V technice prostředí využíváme kvalitativní hodnocení povrchového teplotního reliéfu např. při zjišťování tepelně-technických a provozních charakteristik otopných ploch (obr. 4 a 5), vizualizaci konvektivních proudů vzduchu, hydrauliky solárních kolektorů, verifikaci dat získaných ze simulačních softwarů a jiných dalších aplikacích.

Obr. 4 • Náběh článkového litinového otopného tělesa Kalor 10/500/70, napojení jednostranné shora-dolů;
a) čas T = 2 min, t_p = 26,7 °C,
b) čas T = 4 min, t_p = 36,2 °C,
c) čas T = 8 min, t_p = 53,7 °C,
d) čas T = 12 min, t_p = 62,7 °C,
e) čas T = 25 min, t_p = 65,9 °C

V tomto případě je důležitá nejen kvalita IČ termovizního systému, ale také softwarová vybavenost pro možnost další práce se získanými daty resp. termogramy. Software je v tomto případě nástroj ke zjišťování detailních informací z termogramů. Současné programy nabízejí základní vyhodnocovací nástroje v podobě práce s vybranými body, křivkami, plochami, definice a hledání izoterem, vytvoření časového záznamu definované veličiny, možnost výpočtu teplotního reliéfu pro jiné okrajové podmínky měření, prolnutí termogramu s vizuálním snímkem objektu, sloučení jednotlivých termogramů do jednoho snímku apod. Jednoduchým příkladem exportu dat je převod posuzovaných veličin do jednoduchého tabulkového procesoru (např. MS Excel). Takové vyhodnocení, v tomto případě změny tepelného výkonu v čase po otevření vstupní armatury pro článkové otopné těleso, dle termogramů na obr. 4 je znázorněno na obr. 5.

Posouzení vlivu okrajových podmínek měření na výsledek měření

Následující příklady jsou sestaveny tak, aby čtenáři poskytly jednoznačný přehled o vlivu okrajových podmínek na výsledek měření. Základní okrajové podmínky jsou emisivita, zdánlivě odrážená teplota, teplota okolí, vlhkost vzduchu a vzdálenost termovize od měřeného objektu. Měření byla prováděna jak v exteriéru, tak interiéru a na základě zjištění byl sestaven přehled vlivu jednotlivých okrajových podmínek na výsledek měření.

Obr. 6 ukazuje změny termogramů v případě chybného zadání vzdálenosti termovizní kamery od měřené fasády domu (obr. 6a), nebo chybného zadání relativní vlhkosti vzduchu (obr. 6b). Na první pohled se vizuálně oba termogramy na obr. 6 nijak neliší. Daleko přesnější údaje pro porovnání poskytuje tabulka 1. V tabulce 1 je znázorněno, jakou chybu může uživatel udělat chybným zadáním okrajových podmínek týkajících se vzdálenosti měřicího přístroje a relativní vlhkosti vzduchu. Jak se ukazuje, výsledky měření v případě změny zadání relativní vlhkosti jsou srovnatelné s celkovou přesností měřicího přístroje. Oproti tomu chybné zadání vzdálenosti termovizní kamery od měřicí plochy generuje ve výsledku nejistotu měření vyšší než je přesnost přístroje.

Teplota okolního prostředí (v tomto případě venkovního vzduchu) má vliv na absolutní vyčíslení teploty. Rozdíly teplotního reliéfu na termogramech opět zůstanou stejné, ale změní se absolutní naměřená teplota. Příklad ukazuje obr. 7.

V tabulce 2 je ilustrativně znázorněno, o kolik procent došlo k výchylce při změně okrajových podmínek v porovnání se správně zadanými okrajovými hodnotami. Při změně teploty okolního prostředí (vzduchu) směrem k záporným hodnotám jsou rozdíly srovnatelné s přesností přístroje. Naopak při špatně zadané teplotě okolí směrem k plusovým údajům je chyba měření vyšší. V tomto případě je to dáno tím, že teplota vzduchu je vyšší než povrchové teploty měřených ploch (obr. 7) a proto je podíl signálu reprezentující teplotu okolního prostředí na výsledném zobrazení termogramu vyšší.

Jak bylo v předchozích kapitolách popsáno, emisivita je nejdůležitější okrajovou podmínkou. Pro porovnání můžeme emisivitu jako okrajovou podmínku vyhodnotit na termogramech budovy lehké konstrukce (obr. 8). Na následujících termogramech je vidět rozložení teplotního reliéfu při správném zadání okrajových podmínek (obr. 8).

Obr. 8 • Termogram pláště budovy se správně zadanými okrajovými podmínkami (e = 0,84)

Dále jak se změní rozložení teplot při změně emisivity o 5 % (obr. 9a) a jak při změně o 50 % (obr. 9b). Pracovní bod SP01 byl zvolen čistě náhodně a slouží pouze pro porovnání změn teploty.

Při změně emisivity o +5 % došlo k poklesu naměřené teploty v bodě SP01 o 18,5 %. Při změně emisivity o –50 % došlo k nárůstu naměřené teploty o 300 %. Je patrné, že pokud snížíme emisivitu, vzroste teplota měřeného objektu. Toto vyplývá z Kirchoffova zákona o vlastnostech těles. Ve své podstatě jde o zákon zachování energie pro záření. Vyjadřuje vztah mezi celkovou intenzitou vyzařování dopadající na plochu tělesa a tokem tělesem pohlceným, tokem tělesem odraženým a tokem tělesem prošlým. Pokud tedy záměrně snížíme emisivitu, znamená to, že těleso má pro přístroj vyšší odrazivost, a tím i vyšší zdánlivou teplotu.

Emisivita o vysoké hodnotě (0,75 až 1) může vykazovat při jejím chybném nastavení o 5 % nepřesnost měření až v řádech desítkách procent (tabulka 3). Pro měření budov s nízkou hodnotou emisivity povrchu obálky je změna 5 % z hodnoty emisivity velmi malá (např. z hodnoty 0,2 je to pouze 0,01). Což bude znamenat daleko menší chybu pro vyhodnocení než ve výše uvedeném příkladu. Nicméně při měření obálek budov je nutné si uvědomit, co přesně měříme. Nemůžeme pro jednu hodnotu emisivity měřit celou obálku budovy, jelikož každý materiál má emisivitu různou. Při měření je proto vhodné přesně vymezit plochu, kterou budeme měřit a následně určit její emisivitu.

Zdánlivě odrážející se teplota (teplota odražená) vyjadřuje vliv, který má teplota okolních objektů na výsledný termogram. Při měření v exteriéru je teplota odražená tvořena především teplotou pozadí – tj. oblohy. Tato teplota je závislá na aktuálních meteorologických podmínkách. Na teplotu odraženou však mohou mít vliv ještě také okolní budovy, a to v případě, že je jejich teplota vyšší než teplota měřeného objektu.

Již při prvním pohledu na obr. 10 je jasně patrná změna teplotního reliéfu v případě rozdílného zadání teploty pozadí.

Z tabulky 4 je pak vidět, že teplota odražená má poměrně vysoký vliv na výsledek měření. Z pohledu posuzovaného bodu SP01 je patrné, že vyšší hodnoty zdánlivě odrážející se teploty v zadání termogramu vedou k výraznému poklesu zobrazované hodnoty. Opačný trend je zřejmý v případě zadávání nižších hodnot odrážející se teploty, tj. nižší hodnota odrážející se teploty vede k vyšším povrchovým teplotám sledovaného objektu.

Nemalou chybu při vyhodnocení termogramů je možné udělat na základě zanedbání směrové závislosti vyzařování. Z pohledu fyzikálního se jedná o Lambertův zákon. Lambertův zákon říká, že maximum vyzařované energie obecného povrchu leží vždy ve směru normály k této ploše. Pro praktickou ukázku tohoto problému je možné provést rozbor obr. 3 při úpravě palety zobrazovaných barev a vytyčení dvou přímek (obr. 11).

Termogram (obr. 11) zobrazuje výraznou diferenci povrchové teploty mezi jižní a západní fasádou domu. Ve skutečnosti, v případě stejného materiálu obvodových stěn, by měl být průběh teploty obou vynesených přímek L01 a L02 (obr. 12) přibližně vyrovnaný, a to na obou navzájem kolmých stěnách. Na severozápadní fasádě domu, kdy z pohledu umístění kamery je normála plochy fasády domu snímána pod úhlem cca 130°, dochází k výraznému poklesu snímaných teplot cca o 50 %. Přičemž hodnota kritického úhlu snímání je u termovizních kamer obvykle cca 50°.

Definice propustnosti atmosféry, tj. útlumu elektromagnetického záření, je při bezdotykovém měření také velmi důležitá. V případě exteriéru je z tohoto pohledu nejdůležitější definice relativní vlhkosti a vzdálenosti od měřeného povrchu. Pokud půjde o měření v běžných podmínkách, pak vliv propustnosti atmosféry bude minimální. Ovšem pokud půjde o měření např. při mlze, zvýšené koncentraci prachových částic apod., pak při zanedbání součinitele propustnosti atmosféry bude do měření zahrnuta výrazná nejistota řádově ve stovkách procent. Tak jako vlhkost (resp. molekuly vody) má výrazný vliv na výsledek měření, tak i prachové částice působí v podstatě jako pevná překážka, které pohlcují elektromagnetické záření.

Předchozí popsané měřicí situace zobrazovaly termogramy pořízené při měření v exteriéru. Ovšem při měření v interiéru je nutné přihlédnout k trochu odlišným problémům. Při měření v interiéru je velice důležitá odrážená zdánlivá teplota. Při měření v interiéru je tato teplota závislá na teplotě okolních předmětů nacházejících se v místnosti (např. teplota osvětlení, lokálních zdrojů tepla, povrchu stěn místnosti atd.). Pro vnitřní prostředí obytných budov lze za odráženou zdánlivou teplotu dosadit např. střední radiační teplotu. Střední radiační teplota je myšlená společná teplota všech okolních ploch, při níž by byl sáláním sdílený tok tepla mezi povrchem předmětu v místnosti a okolními plochami stejný, jako ve skutečnosti. Tato teplota byla zavedena k usnadnění výpočtů v technice prostředí budov a k posouzení sálavého účinku všech okolních ploch jedinou veličinou. Pokud není v interiéru nějaký výrazný zdroj tepelného záření, tj. předměty s vysokou povrchovou teplotou (např. světlý nebo tmavý plynový zářič, krby, vařiče, trouby apod.), lze pro měření stavebních prvků domu za odraženou zdánlivou teplotu dosadit s dostatečnou přesností teplotu vzduchu v místnosti. Obecně lze říci, že čím má měřený povrch nižší emisivitu, a tím i vysokou odrazivost, podíl odráženého tepelného toku se zvyšuje a tím i roste podíl „zdánlivě odrážející se teploty“ na výsledku měření. Jednodušší metodou jak stanovit tuto teplotu v interiéru je při nastavení emisivity v přístroji na hodnotu e = 1. Objektiv přístroje pak nastavíme pro pohled ve směru normály od měřeného předmětu (tj. měříme to, co se do námi měřené plochy zdánlivě odráží). Z termogramu pak vyhodnotíme průměrnou teplotu získaného obrazu a tuto hodnotu můžeme použít pro zadání zdánlivě odrážející se teploty.

Ukázku záměny střední radiační teploty za teplotu vzduchu lze vidět na obrázku 13.

Jedná se o měření vnitřní povrchové teploty stěn montované lehké konstrukce výrobní haly (exteriér téže budovy představují termogramy na obrázcích 8 a 9). Jak je vidět změna odražené zdánlivé teploty s klesající teplotou povrchu měřeného objektu nabývá na významu. Což je logické, protože pokud bude povrchová teplota měřeného objektu nižší než teplota okolních předmětů odrážejících se na měřeném povrchu, bude chyba ve vyhodnocení vyšší (tabulka 5).

Tab. 5 • Změny zadání teploty vzduchu t_L a střední radiační teploty t_g dle zadání obr. 13 (hodnoty v závorkách uvádějí relativní odchylku od skutečné naměřené hodnoty)

Pozn.: Výrazné tepelné mosty v oblasti venkovních vjezdových vrat a venkovního jihozápadního rohu budovy, jsou způsobeny špatným řešením napojení železobetonových pilířů haly na obvodovou konstrukci haly a betonovou podlahu. Tato situace se opakovala po celém obvodu haly. V zimním období docházelo k výrazné kondenzaci vlhkosti na vnitřní straně stěn v kritických místech. Při poklesu venkovní teploty pod –5 °C docházelo dokonce k tvorbě námrazy na vnitřních stěnách haly.

Samostatnou kapitolou měření v interiéru jsou zařízení o vysoké teplotě (např. plynové zářiče, kouřovody, krby, apod.). Zde je vliv většiny okrajových podmínek na výsledek měření v podstatě zanedbatelný. Jedinou významnou okrajovou podmínkou je emisivita měřeného povrchu. Ilustrativně bylo provedeno vyhodnocení termogramů u dvou samostatných zdrojů tepla, kdy byla provedena odchylka nastavení emisivity o –5 % v porovnání se skutečnou hodnotou. První zařízení je světlý plynový zářič.

Jak je z termogramů (obr. 14) a tabulky 6 patrné, při měření takto vysokých teplot je chyba při zadání odražené zdánlivé teploty v podstatě nulová. Při měření takto vysokých teplot zůstává jedinou důležitou okrajovou podmínkou měření správná hodnota emisivity. Ostatní okrajové podmínky mají na celkovou nejistotu měření velmi nízký vliv.

V druhém případě bylo měřeno parní otopné těleso. Zde byli povrchové teploty pod hranicí 100 °C. Experiment prokázal, že pokud se povrchová teplota měřeného objektu blíží odrážené zdánlivé teplotě, její podíl na chybě měření roste. Nicméně význam emisivity měřeného povrchu je jak pro případ měření velmi vysokých teplot, tak i nižších teplot nejdůležitější (tabulka 7).

Doporučení pro měření bezkontaktními přístroji

Měření ve venkovním prostředí je nutno si dopředu naplánovat. Musí být známo v jakém prostředí a co konkrétně bude měřeno. Stejně tak musí být zvolena vhodná doba a okolní podmínky pro měření. Nejvyšší vliv na nepřesnost měření má emisivita, úhel snímání a odražená zdánlivá teplota (resp. teplota oblohy). Bude se tedy jednat o parametry s nejvyšší prioritou. Zbylé okrajové podmínky mají podstatně menší váhu. Přesto je důležité je brát v potaz. Na okrajové podmínky, jakými jsou teplota okolí nebo vzdálenost, je nutné nahlížet v souvislostech. Teplota okolí je důležitá pro vznik dostatečného teplotního rozdílu uvnitř a vně budovy. Vzdálenost zase z hlediska útlumu elektromagnetického záření, ale také s ohledem na velikost snímané plochy i na skutečnou velikost 1 digitálního pixelu získaného termogramu. Samozřejmě platí přímá úměra, že pokud navyšujeme vzdálenost mezi termovizí a měřeným objektem, zvyšujeme i velikost 1 pixelu termogramu vztaže­ného na skutečné rozměry měřeného objektu.

Nejprve je nutné zjistit okrajové podmínky měření. Při měření v exteriéru jsou to nejprve meteorologické podmínky. Další parametry, které je nutné zahrnout do vyhodnocování:

• úhel snímání – úhel mezi objektivem a snímanou plochou,
• rozlišení IČT kamery – vzdálenost přístroje a velikost snímané plochy,
• rychlost proudění vzduchu – může např. ochlazovat konstrukci budovy,
• vnitřní zdroje tepla – mohou mít za následek lokální ohřev místa pláště budovy.

Jednotlivé parametry s ohledem na vhodnost měření v exteriéru a jejich očekávaný vliv na celkovou nejistotu měření jsou uvedeny na obr. 16.

Měření ve vnitřním prostředí má tu výhodu, že není tolik závislé na venkovním počasí. V případě, že bychom chtěli provádět měření netěsnosti obálky budovy z vnitřní části, je nutné dodržet pouze teplotní rozdíl mezi teplotou uvnitř budovy a venkovní teplotou. Obecně platí čím větší teplotní gra­dient, tím lepší čitelnost termogramu. Zásadní omezení měření v interiéru je podcenění emisivity měřeného povrchu, možnost vysoké prašnosti prostředí a při měření nižších teplot objektů i vliv odražené zdánlivé teploty. Vliv těchto parametrů na očekávanou přesnost měření v interiéru je zobrazen na obr. 17.

Závěr

Nejdůležitější okrajovou podmínkou pro měření bezkontaktními přístroji je samozřejmě emisivita. Z hlediska očekávaného výsledku resp. přesnosti měření musí uživatel předem vědět, jaká tělesa budou měřena a především jejich měřený rozsah teplot. Je rozdíl, pokud měříme těleso o vysoké teplotě (v řádech stovek stupňů Celsia) anebo těleso o nižší teplotě. Nesmí být ani opomenuta přesnost termovizní kamery daná výrobcem. Většinou se pohybuje mezi ±2 % z naměřené teploty. U těles s vysokou teplotou může nepřesnost 2 % znamenat rozdíl několika desítek stupňů. Velikost vlivu na nejistotu měření (obr. 16 a 17) byla určena na základě závěrů z měření realizovaných za posledních 8 let, kde byly postupně rozebírány jednotlivé vlivy těchto okrajových podmínek. Na druhou stranu je ale nutné zdůraznit, že každé měření může být natolik specifické, že vliv různých okrajových podmínek se může lišit.

Literatura

1. VAVŘIČKA, R.: Zkušenosti s měřením povrchových teplot bezdotykovými teploměry. Topenářství instalace, 2012, roč. 46, č. 6, s. 24–27. ISSN 1211-0906.
2. KADLEC, K.: Bezdotykové měření teploty [online]. Elektronické pomůcky. VŠCHT Praha, 2012. [cit. 14. 10. 2013]. Dostupné z: http://tresen.vscht.cz/ufmt/
3. ČSN ISO 18434-1 Monitorování stavu a ­diagnostika strojů – Termografie – Část 1: Všeobecné postupy. ČNI 2009.

---

Experiences with measurement using infrared cameras

The article focuses on practical experience with measurement using IR cameras. The author describes the setting of camera parameters and their influence on result accuracy. Examples for buildings and building equipment’s are shown.

Keywords: infrared camera, thermographic camera, thermography