Zkušenosti s měřením povrchových teplot bezkontaktními teploměry

Teploty různých výrobků na jejich povrchu mají vliv na sdílení tepla s okolím (například ochlazované stěny v bytě, otopná tělesa, podlahové otopné plochy, kouřovody, potrubí atd.) a jsou při řešení technických problémů velmi důležitou veličinou. Pomocí těchto hodnot můžeme lépe odhalit například nebezpečí kondenzace par na povrchu stěn, pokles teploty mezi počátkem a koncem otopné soustavy, či usuzovat na ztráty tepla do okolí z povrchů kotlů či komínových těles, apod.
Jak ukazují zkušenosti autora, je třeba i při měření teplot bezdotykovými teploměry vážit přesnost použitých přístrojů a předvídat i možnosti vzniku chyb, daných konstrukčními vlastnostmi teploměrů a způsobem jejich použití při měření.

Recenzent: Vladimír Galád

Úvod

Bezkontaktní měření povrchových teplot je v současné době hojně rozšířená metoda měření. Jedná se o velmi rychlý a na první pohled i snadný způsob měření teploty. Bohužel, ale výrazným nedostatkem bezkontaktního měření je výrazná závislost na okrajových podmínkách měření. Článek si proto klade za úkol seznámit čtenáře s jednotlivými veličinami ovlivňujícími výsledek měření na konkrétních příkladech měření.

Teorie

Bezkontaktní měření teplot (nebo-li termografie) využívá vlnové pásmo infračerveného (IR) záření. Číselně lze toto pásmo vyjádřit v rozmezí vlnových délek l = 0,75 µm až 1 mm, což v praxi zahrnuje měření teplot v rozsahu cca od – 40 °C do + 10 000 °C. Například objekty při pokojové teplotě nejvíce emitují záření v infračerveném pásmu od 8 do 12 µm. Teorie záření je založena na celé řadě fyzikálních zákonů (Planckův, Stefan-Boltzmannův, Wienův, Kirchhoffovi zákony atd.) a jejich odvození lze nalézt v celé řadě odborných publikací. Zjednodušené schéma bezkontaktního snímání teplot je znázorněno na obr. 1.

Jak můžeme odečíst z obr. 1, aby mohl bezdotykový teploměr správně stanovit skutečnou teplotu měřeného objektu, je nutné definovat několik okrajových podmínek měření. Nejdůležitější podmínkou je správné stanovení emisivity měřeného objektu e . Dále pak teplota prostředí resp. teplota vzduchu, okolní teplota ploch obklopující měřený objekt např. střední radiační teplota. Nezanedbatelnou podmínkou je také definice prostupnosti atmosféry t (obvykle definována relativní vlhkostí a vzdáleností objektu od čočky přístroje).

Většina bezdotykových teploměrů má bohužel jen možnost nastavení emisivity měřeného povrchu. Podrobnější zadávání okrajových podmínek měření je záležitostí složitějších termovizních systémů. Pro hodnotu emisivit u různých materiálů můžeme v odborné literatuře nalézt spoustu tabulek s rozdílnými hodnotami. Například pro ocel lze nalézt hodnoty emisivit od 0,06 do 0,8. Takto velký rozptyl hodnot je způsobem povrchovou úpravou daného materiálu. Pokud bude povrch broušen, a tím i vysoce lesklý, bude emisivita nízká, oproti tomu, pokud se bude jednat o surový odlitek, kdy bude emisivita vyšší. Proto je nutné věnovat stanovení správné emisivity povrchu velkou pozornost. Jednou z metod, jak poměrně přesně a rychle stanovit emisivitu snímaného povrchu, je použití dodatečného materiálu o známé emisivitě. Jedná se většinou o speciální kalibrační samolepku se známou emisivitou. Po nalepení se změří teplota povrchu se samolepkou a poté se nastaví emisivita měřeného povrchu tak, aby snímaná teplota bezdotykovým teploměrem odpovídala teplotě samolepky. Nastavenou emisivitu lze poté použít na všech měřených objektech z téhož materiálu. Postup můžeme aplikovat také, pokud máme možnost natřít část povrchu měřeného tělesa matnou černou barvou apod.

Dalším faktorem, který je nutné vzít v úvahu u bezdotykových teploměrů, je skutečná velikost snímané plochy. 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. 2.

Optické rozlišení je většinou definováno poměrem D:S, což je průměr měřené plochy D k vzdálenosti měřicího přístroje od měřeného objektu S. Čím menší bude tato hodnota, tím lepší je optické rozlišení měřicího přístroje, a tím menší může být měřená plocha při dané vzdálenosti.

Experimenty

Porovnávací měření byla provedena se třemi různými pyrometry (tab. 1).

Všechny tři pyrometry vyhodnocují měřenou teplotu v pásmu vlnových délek od 8 µm do 14 µm a umožňují nezávislé nastavení emisivity snímaného povrchu s přesností na setiny. Nejistota měření (přesnost) je dána vlnovým pásmem, ve kterém bezkontaktní teploměr vyhodnocuje emitující záření. Proto většina bezdotykových teploměrů vykazuje největší přesnost v pásmu od 20 do 100 °C. Měřicí rozsah a výrobcem udávaná přesnost je uvedena v tab. 1. Optické vlastnosti použitých pyrometrů je možné odečíst z obr. 3.

Měření byla provedena pro typické případy použití pyrometrů v tepelné technice. Rozsah měřených teplot byl od 20 °C do 500 °C. Měřicí situace jsou znázorněny na obr. 4. Měření byla doplněna o současné snímání jednotlivé měřicí situace termovizní kamerou ThermaCAM S 65 a dotykovým teploměrem s čidlem Ahlborn FTA 109PH.

Obr. 4 • Schéma měřicí situace: a) obvodová zeď s vnitřní omítkou a bílým malířským nátěrem (e = 0,93); b) deskové otopné těleso typ 10–500x1000 se standardní povrchovou úpravou RAL 9010 (e = 0,94); c) nerezový kouřovod plynového kotle o průměru 150 mm (e = 0,14); d) povrchová teplota spalinové trubky tmavého plynového zářiče o průměru 100 mm (e = 0,90)

Vyhodnocení

Měřicí situace dle obr. 4a znázorňuje snímání povrchové teploty vnitřní zdi se standardní vápenocementovou omítkou a bílým malířským nátěrem. Emi­sivita snímaného povrchu byla stanovena e = 0,93. Měření probíhalo na stativu v konstantní výšce H = 1 m pro všechny přístroje. Jak vyplývá z hodnot uvedených v tabulce 2, rozdíly ­naměřených hodnot jednotlivými přístroji jsou pro toto měření minimální. Rozměr měřené plochy je navíc dostatečně veliký, aby minimalizoval nejistotu měření způsobenou nesprávným ­zaměřením měřené zdi.

U deskového otopného tělesa typ 10–500x1000 napojeného jednostranně shora dolů (obr. 4b) byla měřena povrchová teplota horní rozvodné komory uprostřed tělesa. Výška horní rozvodné komory měřeného otopného tělesa je cca 30 mm. Měření bylo provedeno pro tzv. studený stav, kdy jsou přívodní armatury uzavřeny a teplota vody v otopném tělese je rovna teplotě okolí. A dále bylo otopné těleso měřeno při ustáleném stavu pro teplotu přívodní vody tw1 = 55 °C a 75 °C, vždy při konstantním hmotnostním průtoku otopné vody. Pro srovnání dosažených hodnot je možné tabulku 3 porovnat s hodnotami uvedenými na obr. 5.

Tab. 3 • Měření povrchové teploty deskového otopného tělesa 10–500x1000 (obr. 4c, H = 1 m, L = 3 m, ve studeném stavu, pro teplotu vstupní vody tw1 = 55 °C a 75 °C)

Tab. 4 • Měření povrchové teploty nerezového kouřovodu plynového kotle (obr. 4c, H = 1,2 m, měřeno na povrchu kalibrační samolepky s emisivitou e = 0,95, o velikosti 4 x 1,5 cm)

Jak ukazuje tab. 3 ve vzdálenosti do 1 m od měřeného předmětu jsou rozdíly mezi naměřenými teplotami v rozmezí nejistoty měření jednotlivých přístrojů. Ve vzdálenosti 2 m od deskového otopného tělesa, je u všech pyrometrů zaznamenám výrazný pokles indikované teploty. To je způsobeno tím, že ve vzdálenosti 2 m jsou již rozměry snímané plochy cca 50 mm (Minolta a Testo), resp. 125 mm (Voltcraft). S ohledem na velikost měřené plochy (výška horní rozvodné komory deskového otopného tělesa je cca 30 mm) je zřejmé, že takto naměřená povrchová teplota je výrazně ovlivněna i teplotou pozadí otopného tělesa a okolních ploch (teplotou stěny za otopným tělesem, vodními kanálky otopného tělesa a deskami mezi vodními kanálky). V případě pyrometru Voltcraft, který má největší hodnotu optického rozlišení (obr. 3) je tento rozdíl nejvýraznější. Za povšimnutí také stojí údaj uváděný měřením dotykovým teploměrem. Z hodnot v tab. 3 vyplývá, že s rostoucí teplotou měřeného povrchu odvádí dotyková sonda (obecně platí nezávisle na konstrukci sondy) stále více tepla z měřeného místa a proto se odchylka naměřených hodnot s rostoucí teplotou u dotykových čidel zvyšuje.

K podobným závěrům stran vlivu vzdálenosti pyrometru od měřeného objektu a vlivu dotykového teploměru na měřenou teplotu, můžeme dospět i u měření povrchové teploty nerezového kouřovodu. V tomto případě je, ale nutné přihlédnout ještě k několika dalším faktorům. První problém souvisí s tzv. Lambertovým směrovým zákonem. Lambertův zákon říká, že maximum sálavého toku, leží vždy ve směru normály k ploše zdroje. Což dokazuje termogram na obr. 6, kdy snímaný kouřovod tvoří válcová plocha. Uprostřed kouřovodu je termovizí indikována výrazně vyšší teplota po výšce kouřovodu (červená barva). Naopak na zbytku povrchu kouřovodu je indikována výrazně nižší teplota (zelená barva).

Výrazný vliv na výsledné zobrazení termogramu má tedy vlastní geometrie zobrazeného předmětu, v tomto případě zakřivení válcové plochy kouřovodu, a proto je vhodné měření provádět vždy kolmo na měřenou plochu.

Druhou chybou je, že u takto vysoce lesklých povrchů s nízkou emisivitou (e  = 0,14) má výrazný vliv také odrazivost, respektive vysoký lesk předmětu. Na obr. 6a bychom tak mohli odečíst mimo osu kouřovodu teplotu povrchu cca 40 až 45 °C (zelená barva). Důvod je nutné hledat nejen ve směrovosti vyzařování (viz předchozí text), ale také ve vysokém lesku měřeného povrchu. V podstatě se dá říci, že takto lesklé povrchy se vůči bezdotykovému snímání teplot chovají jako zrcadla a odráží teplotu okolí měřeného povrchu (viz červená barva termogramu dle obr. 6a na okrajích kouřovodu, zobrazující světla v kotelně a vedení neizolované potrubní sítě).

Lepších výsledků měření u takto lesklých povrchů dosáhneme vždy při po­užití kalibrační samolepky s definovanou emisivitou (e = 0,95). Nicméně je nutné si uvědomit nastavení emisivit (obr. 6a a 6b). V případě nastavení emisivity pro kouřovod, tj. e = 0,14, je teplota samolepky na povrchu kouřovodu cca 190 °C. V případě správného nastavení emisivity samolepky e = 0,95, je teplota samolepky na povrchu kouřovodu 74,3 °C, což odpovídá i teplotě povrchu kouřovodu podle termogramu dle na obr. 6a, pro nastavenou emisivitu celého povrchu kouřovodu e = 0,14.

U měření povrchové teploty tmavého plynového zářiče se jedná o měření vysokých teplot. Výsledek měření je tak ovlivněn nejen optickými vlastnostmi pyrometru, geometrií měřeného povrchu, ale také přesností přístroje v daném rozsahu teplot. Obvykle výrobci udávají přesnost měření pro dané rozsahy v % z naměřené hodnoty (tab. 1). To znamená, že s rostoucí teplotou měřeného povrchu roste také nejistota měření.

Nezanedbatelný problém měření vysokých teplot je také emisivita, která není v celém spektru konstantní, ale je závislá na vlnové délce vyzařování, resp. právě na teplotě snímaného objektu. V kombinaci s nevhodnými optickými vlastnostmi přístroje, špatně nastavenou emisivitou atd., může být tak celková nejistota měření u teplot nad 200 °C až 100 %. Porovnání nabízí tabulka 5 a obr. 7. Jak můžeme odečíst změřené teploty na ventilátorové trubce, které se pohybují pod 200 °C, jsou naměřené teploty jak pro termovizi, tak pro bezdotykové teploměry, v dobré shodě. Naopak pro teploty na hořákové trubce (cca 500 °C) jsou naměřené hodnoty bezdotykovými teploměry výrazně nižší ve srovnání s naměřeným termogramem (obr. 7).

Obr. 7 • Termogram měřeného tmavého plynového zářiče (t₁ = 494,8 °C, t₂ = 467,2 °C, t₃ =176,6 °C, t₄ = 175,2 °C)

Závěr

Cílem příspěvku bylo přiblížit čtenáři problematiku bezkontaktního měření teplot. Byly vybrány čtyři typické příklady měření v tepelné technice. Jednalo se o zeď, otopné těleso, kouřovod plynového kotle a hořákové a ventilátorové trubky tmavého plynového zářiče. Základním problémem z hlediska přesnosti měření u bezdotykových teploměrů je jejich použitelnost pro dané aplikace. Při výběru vhodného přístroje je nutné vzít v úvahu okrajové podmínky, které nejvíce ovlivňují měření. První je optické rozlišení přístroje (D:S hodnota), které se projeví skutečnou měřenou velikostí snímaného povrchu v závislosti na vzdálenosti mezi bezkontaktním teploměrem a měřenou plochou. Druhá je pak možnost nastavení emisivity snímaného předmětu. A třetí je rozsah vlnových délek, ve kterém přístroj pracuje. Zejména pro měření vysokých teplot (cca od 200 °C) je vhodné použít přístroj, který pracuje na kratším vlnovém pásmu infračerveného spektra.

Bezkontaktní měření teplot umožňuje uživateli velmi rychlou a přesnou metodu měření povrchových teplot, navíc použitelnou prakticky v jakémkoli prostředí. Na druhou stranu je ale nutné si uvědomit, že sebelepší přístroj je pouze jen tak přesný, jaká je odborná způsobilost uživatele.

Literatura

[1] VAVŘIČKA, R.: Bezdotykové měření teploty. Topenářství instalace, 2006, roč. 40, č. 6, s. 40–42. ISSN 1211-0906.
[2] VAVŘIČKA, R.: Využití termovize v praxi. VVI, 2008, roč. 17, č. 5, s. 255–257. ISSN 1210-1389.
[3] Firemní podklady – FLIR Systems Inc.

---

Experience with measurement of surface temperature with non-contact thermometers

Non-contact temperature measurement has become a common part of the measurements in the field of building services systems. Non-contact thermometers measuring accuracy is dependent on various conditions and thermometers can be also different. Author compares the three types of non-contact thermometers.

Keywords: non-contact measurement, thermometer