Infračervený teploměr a emisivita

Infračervené teploměry jsou v poslední dekádě velmi populární. Pomyslná úroveň poměru výkonnosti a ceny byla již překročena i v očích skupiny zákazníků, která pokládá za nejdůležitější právě tento parametr.

Výrobci tuto skutečnost následně využili tak, že jsou dnes v nabídce různé specializované infra teploměry, např. infra teploměr pro měření teploty lidského těla. Různé specializace na jednu stranu umožnily dále snížit cenu těchto přístrojů, na druhé straně v přístroji zmizely funkce, které nejsou pro danou specializaci potřebné.

Proto pokud chcete zakoupit přístroj pro širší využití, je nutné se lépe seznámit s jeho parametry - mezi prvními vašimi otázkami by určitě neměla chybět věta: "Má infra teploměr nastavitelnou emisivitu?".

Infračervená radiometrie (IR) je velmi užitečný způsob měření teploty. Oproti kontaktnímu měření má přednost v rychlosti odezvy a neovlivňuje měřený předmět. Její hlavní nevýhodou je pak, že není tak přesná jako metoda kontaktní. Jedním z hlavních zdrojů nejistoty měření u této metody je emisivita měřeného povrchu.

Co je to emisivita?

Emisivita je schopnost materiálu vyzařovat jako dokonalé černé těleso. Je to poměr nebo procento výkonu dokonalého černého tělesa které by zářilo na dané teplotě. Každý materiál vyzařuje energii. Dokonalé černé těleso by mělo mít emisivitu 1,000.

Čtěte také: Analyzátory emisí

Nejlepší kalibrátor pro IR teploměry je černé těleso. Je to proto, že černá tělesa mají emisivitu blízkou 1,000.

Matematický výraz popisující spektrální výkon vyzařovaný dokonalým černým tělesem pro danou vlnovou délku je nazýván Planckův zákonem. Integrujeme-li Planckův zákon přes celé elektromagnetické spektrum, dostaneme Stefan-Boltzmannův zákon. Ten je znám jako zákon T na 4 (T4).

Pro získání výsledku v omezeném pásmu bychom museli provést integraci Planckova zákona pro takové omezené pásmo. Nejlepší způsob jak tento problém vyřešit pro vyzářenou energii černého tělesa je v daném frekvenčním pásmu numerická integrace Planckova zákona v daných mezích.

Další způsob je použítí aproximace pro Planckův zákon. První z těchto aproximací je Wienův zákon. Ten aproximuje Planckův zákon od vlnové délky 0 k délce kolem vrcholové délky na dané teplotě. Vrcholová délka je predikována Wienovým rozdělovacím zákonem. Další možná aproximace je použití Rayleigh-Jeans zákona.

Jak jsme se zmínili na počátku není nic takového v reálném světě jako dokonalé černé těleso. je například dutina. Obecně je emisivita dutin závislá na jejich geometrii a blíží se velmi 1,000. Dutiny mají emisivitu typicky 0,99, 0,999 nebo 0,9999. Dutiny jsou však nepraktické pro kalibraci IR teploměrů, zvláště pak ručních.

Čtěte také: Jak vybrat teploměr na kompost

Kalibrace IR teploměrů

Nejlepší způsob jak kalibrovat IR teploměry je použití téměř dokonalého černého tělesa. Ale takové zařízení nemusí být vždy prakticky použitelné pro kalibraci. Pro některé teploměry je vhodné použít ploché desky.

Dobrý deskový kalibrátor se vyznačuje několika důležitými vlastnostmi. Tou nejdůležitější je povrch desky a jeho emisivita. Znalost emisivity desky kalibrátoru v pásmu, ve kterém je prováděna kalibrace IR teploměrů, je nezbytná pro dobré výsledky.

Protože desky jsou vyrobeny z kovu je otázka proč nepoužít holý kov. Jsou dva důvody proč ne. Za prvé kov má velmi nízkou emisivitu, která je obvykle někde mezi 0,02 až 0,50 v závislosti na druhu kovu. Pro odstranění těchto problému s kovy jsou desky kalibrátorů lakovány.

Je třeba dbát pečlivě o znalost emisivity daného deskového kalibrátoru. Například, je-li emisivita povrchu kalibrátoru 0,93, a je předpokládáno, že je 0,95. Emisivity je velkým podílníkem na nejistotě připoužití kalibrátorů s plochou deskou.

Emisivita se může měnit s časem, to znamená , že nátěr povrchu desky musí být vyzrálý a stabilizovaný. Emisivita se také mění s vlnovou délkou a teplotou.

Čtěte také: Jak najít teploměr ovzduší v BMW

Jinak řečeno materiály mají spektrálně závislou emisivitu. Jak teplota roste, energie emitovaná povrchem se posouvá od vyšších vlnových délek k nižším, jak je předpovězeno Wienovím distribučním zákonem. To způsobí, že jak roste teplota efektivní emisivita teploměru se posouvá od horního konce pásma k dolnímu.

Dalším vlivem emisivity je teplota pozadí. Má-li matný povrch emisivitu 0,95, znamená to, že 5 % energie je odraženo, jak určuje Kirchoffův zákon. Těchto 5 % je závislých na teplotě povrchu nasměrovaného k měřenému povrchu.

Vzrůstá také s poklesem emisivity. Podíváme-li se na extrémní příklad pak by měl dokonalý reflektor emisivitu 0,000 a odrážel by 100 % pozadí. Emisivita je jedním z největších zdrojů chyb při radiometrickém měření.

Znalost emisivity měřeného povrchu je velmi důležitou součástí jakéhokoliv IR měření. Stejně tak je důležitá znalost teploty pozadí a vlivu emisivity předmětů v pozadí.

Praktické měření IR teploměrem

IR teploměr je univerzální přístroj, který je vhodný ke snímání teploty desek plošných spojů, součástek na desce a elektronických celků. Vzhledem k bezkontaktnímu měření je použití infračerveného teploměru naprosto bezpečné a vhodné pro měření částí pod napětím. Při měření není nijak ovlivněn měřený prvek, není z něj odebírána žádná energie.

Použití IR teploměru je velice jednoduché a přesné za předpokladu, že dodržujeme základní pravidla pro měření. V praxi se IR teploměry hojně používají nejen v elektronice, ale také například při opravách rozvaděčů, automobilů, při měření v chemickém a potravinářském průmyslu, ve strojírenství, stavebnictví atd.

Molekuly látky se pohybují (tepelný pohyb), zastaví se pouze při absolutní nule. Jelikož dochází k pohybu elektrických nábojů, každé těleso (s teplotou větší než absolutní nula) vyzařuje elektromagnetické záření. Toto záření (vlnové délky 0,7 μm~1000 μm) nese jednoznačnou informaci o teplotě tělesa. Prakticky využitelné spektrum, na které jsou citlivé IR detektory, je 0,7 μm~14 μm. Jednoduše řečeno, každé těleso vysílá infračervené záření, ze kterého můžeme získat informaci o jeho teplotě.

Záření z měřeného předmětu prochází čočkou, která jej koncentruje na čidlo. Teploměr poté zpracuje signál z čidla a zobrazí údaj o teplotě na displeji.

Na jakou vzdálenost lze měřit IR teploměrem?

Teoreticky totiž vzdálenost není omezená, ale je třeba si uvědomit, že při měření IR teploměrem neměříme teplotu bodu, ale plochy! Čidlo totiž snímá teplotu z kuželu, jehož parametry určuje optická charakteristika. Je to poměr vzdálenosti k průměru měřené plochy. Například optická charakteristika 12 : 1 znamená, že z 12 m měříme teplotu plochy o průměru 1 m. Čím vyšší je první číslo (20 : 1, 30 : 1, 50 : 1), tím je kužel ostřejší a lze měřit na větší vzdálenosti.

Abychom tedy věděli, co vlastně měříme, je nutné věnovat optické charakteristice pozornost. Všechny lepší přístroje jsou vybaveny laserem k zaměření středu měřené plochy.

Velice snadno totiž může nastat situace, kdy je měřená plocha větší než předmět, který chceme měřit, a výslednou teplotu nám zkresluje pozadí měřeného předmětu. Jediným možným řešením této situace je přiblížit teploměr více k měřenému předmětu.

Emisivita je schopnost tělesa vyzařovat teplo a je definována jako poměr intenzity vyzařování reálného tělesa k intenzitě vyzařování absolutně černého tělesa se stejnou teplotou, jde o bezrozměrnou veličinu. Emisivita absolutně černého tělesa ε=1, reálného tělesa ε≤1. Zjednodušeně můžeme říci, že emisivita nabývá hodnot od 0 (zrcadlo) do 1 (černé matné těleso).

Organické látky, matné nátěry a zoxidované povrchy mají emisivitu přibližně 0,95. Z toho důvodu mají některé jednodušší (a levnější) teploměry pevně nastavenu emisivitu právě na tuto hodnotu (ε=0,95). Lepší teploměry mají nastavitelnou emisivitu, což umožňuje přesnější měření na různých materiálech.

Dá se říct, že teploměry s fixní emisivitou jsou vhodné pro orientační měření a teploměry s nastavitelnou emisivitou pro přesnější měření.

Jak určit emisivitu?

Není určitě problém nalézt emisivitu materiálu v tabulce (v návodu k přístroji, na internetu…), ale například u kovů by se měly hodnoty z tabulek používat pouze orientačně. Povrchová úprava materiálu (oxidovaný povrch, zdrsněný, leštěný…) totiž také podstatně ovlivňuje emisivitu.

Jak tedy postupovat, když neznáme emisivitu a potřebujeme ji zjistit? Existuje několik jednoduchých metod, které lze použít k přesnému určení emisivity:

1. Použití lepicí pásky nebo nátěru s definovanou emisivitou: Na měřený předmět se nalepí páska se známou emisivitou (případně se část opatří nátěrem se známou emisivitou). IR teploměrem se změří teplota pásky. Poté se změří teplota povrchu bez pásky a na teploměru se nastaví emisivita tak, aby ukazoval správnou teplotu.
2. Ohřev vzorku na známou teplotu: Ohřejte materiál na známou teplotu (zjistíte např. dotykovým teploměrem), změřte jeho teplotu IR teploměrem a měňte emisivitu, dokud nebude odpovídat teplotě změřené kontaktním teploměrem.
3. Zhotovení černého tělesa z měřeného materiálu: Do materiálu vyvrtáme otvor, jehož hloubka bude 6× větší než jeho průměr. Průměr musí odpovídat velikosti měřené plochy. Za předpokladu, že je emisivita vnitřních stěn aspoň 0,5, jsme vytvořili těleso s emisivitou téměř 1 a teplota měřená v otvoru je správná hodnota. Dál se postupuje již klasicky: změří se teplota povrchu (mimo otvor) a emisivita se nastaví tak, aby teplota odpovídala správné hodnotě.

Výhoda všech tří metod je v tom, že takto získanou hodnotu emisivity můžeme v budoucnu použít při všech dalších měřeních daného materiálu.

Teplotní rozsahy jednotlivých přístrojů na trhu jsou různé a souvisí se spektrální citlivostí použitého senzoru a materiálem, ze kterého je zhotovena optika přístroje. Například čidla s citlivostí v oblasti 8-14 μm se používají při měření nižších teplot (do cca 1000 °C), pro větší teploty se používá menších vlnových délek.

Při rozhodování o nákupu IR teploměru je nutné vzít v potaz i další parametry, které však již nemají zásadní vliv na přesnost měření. Jedná se například o možnost připojení teploměru na stativ, podsvětlení displeje, možnost přenosu dat do PC, max/min mód, dif/avg mód, data hold, data logging, možnost připojení kontaktního termočlánku atd.

Já osobně bych vždy volil přístroje s nastavitelnou emisivitou, co největší optickou charakteristikou, záměrným laserem a možností uchycení na stativ.

Výhody a nevýhody IR teploměrů

• Výhody:
  • bezpečnost (měření teploty částí pod napětím, rotujících a pohybujících se částí)
  • rychlost (v řádu milisekund)
  • rozsah teplot větší než u kontaktních teploměrů
  • přesnost (při správném použití)
  • neovlivňuje měřený objekt, neodebírá z něj žádnou energii
  • bezkontaktní měření = není možnost kontaminace potravin/chemikálií, nebo poškození měřeného povrchu
• Nevýhody:
  • nutnost znalosti základních principů (optická charakteristika, emisivita)
  • měří pouze povrchovou teplotu
  • zkresluje, pokud je v ovzduší velké množství kouře/prachu nebo vodní páry
  • problematické měření látek s nízkou emisivitou

tags: #infračervený #teploměr #emisivita

Oblíbené příspěvky:

• Emise a chyby v elektronice
• Udržitelná volba pro tašky
• Jak třídit obaly od jídla?
• Co je pochod v přírodě?
• Prvky v elementárním stavu