Princip bezdotykového měření teploty
Úvod do problematiky
I když je bezkontaktní měření teploty velmi jednoduché - opravdu stačí "namířit na měřený objekt a na displeji odečíst teplotu" - pro dosažení správných hodnot, co nejvyšší přesnosti a pro využití všech předností, které tato technika nabízí, je potřebné znát alespoň základní principy a vlastnosti tohoto měření. Ostatně jako u každé činnosti, ve které chce člověk být úspěšný. Následující řádky se pokusí stručně shrnout danou problematiku alespoň tak, aby se nový uživatel této moderní techniky dovedl orientovat v základních pojmech a zásadách správného měření. Zájemce o důkladnější výklad odkazujeme na vynikající materiál Klause-Dietera Grunera uvedený na konci této stránky, popř. na jinou odbornou literaturu věnovanou této problematice.
Výhody používání bezdotykových teploměrů
Teplota je druhou nejčastěji měřenou fyzikální veličinou hned po měření času. Teplota hraje důležitou roli jako indikátor stavu výrobků nebo částí strojů a zařízení, ať už ve výrobě nebo při kontrole jakosti. Přesné monitorování teploty zlepšuje kvalitu výrobků a zvyšuje produktivitu. Snižují se prostoje, protože výrobní proces může probíhat bez přerušení a za optimálních podmínek.
Jaké jsou výhody bezdotykového měření teploty?
- Je rychlé (v milisekundovém rozsahu) - šetří se čas a navíc umožňuje uskutečňovat mnohem více měření.
- Umožňuje měření teploty pohybujících se objektů (rotujících součástí, výrobků na dopravnících apod).
- Může se bezpečně provádět měření na nebezpečných nebo nesnadno dostupných objektech (součásti pod elektrickým napětím, pohyblivé součásti, vzdálené objekty).
- Lze bez problémů měřit i velmi vysoké teploty (nad 1300 °C). V těchto případech není vůbec možno použít dotykových teploměrů, nebo mají velmi omezenou životnost.
- Není zde žádné ovlivnění měřeného objektu - není z něho při měření odebírána žádná energie. Například v případě špatných vodičů tepla, jako jsou plasty nebo dřevo, jsou měření ve srovnání s dotykovým měřením velmi přesná bez zkreslení měřených hodnot.
- Není zde riziko kontaminace a nejsou zde žádné mechanické účinky na povrch měřeného objektu. Nedojde tedy např. k poškrábání lakovaných povrchů a je možno měřit i měkké povrchy. Měření v potravinářství je naprosto hygienické.
Na co je třeba dbát při používání bezdotykových teploměrů
- Měřený objekt musí být pro infračervený teploměr opticky (infračerveně opticky) viditelný . Vysoké úrovně kouře nebo prachu snižují přesnost měření. Pevné překážky, jako jsou uzavřené kovové reakční nádoby, dovolují pouze povrchová měření - vnitřní teplota v nádobě nemůže být takto měřena.
- Optika čidla musí být chráněna před prachem a kondenzujícími kapalinami (výrobce pro to dodává příslušná zařízení).
- Je možno měřit pouze povrchovou teplotu, přičemž je nutno brát v úvahu různou emisivitu jednotlivých materiálů.
Shrnutí
Hlavními výhodami bezdotykových teploměrů jsou rychlost a snadnost měření, možnost měření i vzdálených nebo pohybujících se předmětů a předmětů pod napětím, neovlivňování měřeného povrchu a schopnost měřit i vysoké teploty až do 3000 °C. Pamatujte, že lze měřit pouze povrchovou teplotu.
Infračervený měřicí systém
Infračervený teploměr lze přirovnat k lidskému oku. Oční čočka představuje optiku, skrz kterou záření (proud fotonů) z měřeného objektu dopadá přes atmosféru na fotocitlivou vrstvu (oční sítnici). Zde je přeměněno na signál, který je vysílán do mozku. Následující obrázek ilustruje obdobnou funkci infračerveného měřicího systému:
Měřený objekt
Každé uskupení hmoty o teplotě nad absolutní nulu (0 K = -273,15 °C) vysílá infračervené záření, odpovídající jeho teplotě. To se nazývá charakteristické záření. Jeho příčinou je vnitřní mechanický pohyb molekul. Intenzita tohoto pohybu závisí na teplotě objektu. Protože pohyb molekul představuje přemísťování náboje, je vyzařováno elektromagnetické záření (fotonové částice). Tyto fotony se pohybují rychlostí světla a chovají se dle známých optických zákonů. Mohou být odkláněny, soustředěny čočkami nebo odráženy odraznými povrchy. Spektrum tohoto vyzařování pokrývá vlnové délky od 0,7 do 1000 µm. Z tohoto důvodu toto záření nemůže být normálně viditelné pouhým okem. Tato oblast vlnových délek leží za červenou částí viditelného světla a nazývá se proto "infra"-červená (z latiny).
Elektromagnetické spektrum s rozsahem od 0,7 do 14 µm užívané pro měřicí účely:
Následující diagram ukazuje vyzařování tělesa při různých teplotách. Jak je patrno, tělesa při vysokých teplotách vyzařují ještě i malé množství viditelného záření. Proto každý může vidět předměty při velmi vysokých teplotách (nad 600 °C) žhnoucí někde mezi červenou a bílou. Zkušení taviči dovedou dle barvy odhadnout dosti přesně teplotu. Od r.1930 se používaly v ocelárnách a železárnách klasické pyrometry s mizícím vláknem. Neviditelná část spektra však obsahuje až 100 000 krát více energie. Na tom staví infračervená technologie. Na diagramu je rovněž vidět, že maximum vyzařování se posunuje směrem ke stále kratším vlnovým délkám když roste teplota měřeného objektu a že křivky tělesa se při různých teplotách nepřekrývají. Vyzařovaná energie v celém vlnovém rozsahu (plocha pod každou křivkou) roste se 4. mocninou teploty. Tyto vztahy byly zjištěny v r.1879 Stefanem a Boltzmannem a ilustrují, že z vyzařovaného signálu lze jednoznačně určit teplotu.
Vyzařovací charakteristiky černého tělesa v závislosti na jeho teplotě:
Z obrázku je patrné, že ideální by bylo nastavit infračervený teploměr na co nejširší možné vlnové pásmo, aby získal co nejvíce energie (odpovídající ploše pod křivkou), neboli signálu z měřeného tělesa. Jsou však určité případy, v kterých to není vždy výhodné. Například na diagramu intenzita vyzařování při 2 µm roste mnohem více se zvyšováním teploty než při 10 µm. Čím větší je rozdíl vyzařování při určitém teplotním rozdílu, tím přesněji infračervený teploměr pracuje. Podle posunu maxima vyzařování ke kratším vlnovým délkám s rostoucí teplotou (Wienův zákon posunu) odpovídá rozsah vlnových délek měřicímu teplotnímu rozsahu pyrometru. Při nízkých teplotách infračervený teploměr pracující při 2 µm by přestával pracovat pod 600 °C a neviděl by téměř nic, neboť by bylo příliš málo vyzařované energie. Dalším důvodem pro výrobu přístrojů s různými vlnovými rozsahy jsou vlastnosti emisivity některých materiálů známých jako "ne-šedá tělesa" (např. sklo, kovy a plastové povlaky). Diagram zachycuje vyzařování ideálního, tzv. "černého tělesa". Mnoho těles však emituje při stejné teplotě méně energie. Vztah mezi skutečnou vyzařovanou energií a energií vyzařovanou černým tělesem stejné teploty je znám jako emisivita ε (epsilon) a může mít maximální hodnotu 1 (těleso v tom případě odpovídá ideálnímu černému tělesu) a minimální hodnotu 0. Tělesa s emisivitou menší než 1 se nazývají šedá tělesa. Tělesa, jejichž emisivita závisí rovněž na teplotě a vlnové délce se nazývají ne-šedá tělesa (non-gray bodies).
Kromě toho je celkové množství vyzařované energie složeno ze záření emitovaného (E), odraženého (R) a procházejícího (T) a je rovno 1, viz následující rovnici a obrázek:
E+R+T=1
Kromě záření emitovaného měřeným objektem čidlo rovněž přijímá odražené záření a může také případně přijímat záření procházející měřeným objektem.
U pevných těles není žádné procházející záření v infračerveném pásmu (T = 0). Výsledkem je, že pro emisi platí:
E = 1 - R
Ideální černé těleso má také nulovou odrazivost (R = 0), takže E = 1.
Mnoho nekovových materiálů jako je dřevo, plasty, guma, organické materiály, kámen nebo beton mají povrch, který odráží velmi málo, a proto mají vysokou emisivitu mezi 0,8 a 0,95. Naopak kovy - zvláště ty s leštěným nebo lesklým povrchem - mají emisivitu kolem 0,1. Infračervené teploměry to kompenzují nabídkou proměnných hodnot nastavení faktoru emisivity.
Charakteristické vyzařování při různých emisivitách:
Určování emisivity
Pro stanovení emisivity měřeného objektu jsou různé metody. Zaprvé můžete vyhledat emisivitu mnoha často používaných materiálů v tabulce. Tabulky emisivity také pomáhají nalézt správné pásmo vlnových délek pro daný materiál a tím zvolit správný měřicí přístroj. Zvláště v případě kovů by se hodnoty v těchto tabulkách měly používat pouze orientačně, protože povrchové podmínky (např. povrchy leštěné, zoxidované nebo zvrásněné) mohou ovlivnit emisivitu více než materiály samy o sobě. Je možné určit emisivitu konkrétního materiálu různými metodami. Pro to potřebujete pyrometr s možností nastavení emisivity.
- Ohřejte vzorek materiálu na známou teplotu, kterou můžete určit velmi přesným dotykovým teploměrem (např. termočlánkem). Potom změřte teplotu tohoto tělesa infračerveným teploměrem. Měňte jeho emisivitu, dokud naměřená teplota neodpovídá teplotě změřené dotykovým teploměrem. Zapamatujte si tuto hodnotu emisivity pro budoucí měření teploty předmětů z tohoto materiálu.
- Při relativně nízké teplotě (do 260 °C) nalepte na měřený objekt speciální plastovou samolepku se známou emisivitou. Infračerveným teploměrem změřte teplotu samolepky s touto emisivitou. Potom změřte povrchovou teplotu měřeného objektu bez samolepky a přestavte na teploměru emisivitu tak, aby teploměr ukazoval správnou teplotu. Nyní používejte emisivitu určenou touto metodou pro všechna měření na objektech z tohoto materiálu.
- Zhotovte si černé těleso s použitím vzorku z materiálu, který chcete měřit. Do vzorku materiálu vyvrtejte otvor. Hloubka vyvrtané díry by měla být přinejmenším pětinásobkem jeho průměru. Průměr musí odpovídat velikosti plochy měřené tímto teploměrem. Jestliže emisivita vnitřních stěn je větší než 0,5, emisivita dutého tělesa je nyní kolem 1 a teplota měřená v otvoru je správná teplota měřeného objektu. Když nyní namíříte infračervený teploměr na povrch měřeného objektu, měňte emisivitu přístroje dokud zobrazovaná teplota neodpovídá hodnotě změřené předtím z černého tělesa. Emisivitu určenou touto metodou můžete používat pro všechna měření na stejném materiálu.
- Jestliže je možno měřený povrch natřít, natřete jej matnou černou barvou, která má emisivitu kolem 0,95. Změřte teplotu tohoto "černého tělesa" a nastavte emisivitu, jak popsáno výše.
Stručné shrnutí
Emisivita je mírou schopnosti daného předmětu vyzařovat infračervenou energii, která nese informaci o jeho teplotě. Emisivita může nabývat hodnot od 0 (lesklé zrcadlo) do 1,0 (černé těleso). Většina organických, nabarvených nebo zoxidovaných povrchů má emisivitu blízkou hodnotě 0,95. Proto mají některé jednodušší teploměry emisivitu pevně nastavenou na tuto hodnotu. Dokonalejší přístroje disponují možností uživatelského nastavení emisivity, aby ji bylo možno lépe přizpůsobit skutečným podmínkám měření.
Jestliže potřebujete měřit lesklý předmět (zejména s teploměrem s pevně nastavenou emisivitou 0,95), ošetřete dle možnosti jeho povrch matnou černou barvou nebo vhodnou samolepicí páskou a měřte teplotu na tomto upraveném místě.
Měření kovů
Emisivita kovů závisí na vlnové délce a teplotě. Protože kovy často odrážejí dopadající záření, mívají nízkou emisivitu, která může způsobovat odchylné a nespolehlivé výsledky. V takovém případě je důležité zvolit přístroj, který měří infračervené záření při určité vlnové délce a v rozmezí určitého teplotního rozsahu, ve kterém kovy mají nejvyšší možnou emisivitu. U mnoha kovů chyba měření roste s vlnovou délkou, což znamená, že by se pro měření mělo použít co nejkratších vlnových délek. - viz následující obrázek:
Chyba měření v případě 10% chyby v nastavení emisivity závisí na vlnové délce a teplotě měřeného objektu.
Optimální vlnová délka pro vysoké teploty je u kovů kolem 0,8 až 1,0 µm, na okraji viditelného rozsahu. Možné jsou také vlnové délky 1,6, 2,2 a 3,9 µm. Dobrých výsledků je možno dosáhnout použitím poměrových pyrometrů v případech (např. zahřívacích procesech), kde se teplota mění v relativně širokém rozsahu a emisivita se mění s teplotou (více o poměrových pyrometrech viz odkaz na konci této stránky).
V materiálu uvedeném na konci stránky jsou podobným způsobem diskutovány také speciální otázky při měření teploty plastů a skla.
Optika infračervených teploměrů
Optický systém infračervených teploměrů zachycuje infračervenou energii vyzařovanou z kruhové měřené plochy a soustřeďuje ji na detektor. Měřený objekt musí úplně vyplňovat tuto měřenou plochu, jinak teploměr "vidí" jiné teplotní vyzařování z pozadí, což způsobuje nepřesnost naměřených hodnot - viz obrázek:
Měřený objekt musí úplně vyplňovat měřenou plochu, jinak jsou naměřené hodnoty nesprávné.
Optické rozlišení D : S je definováno jako vztah mezi vzdáleností měřicího přístroje od měřeného objektu a průměrem měřené plochy. Čím větší je tato hodnota, tím lepší je optické rozlišení měřicího přístroje a tím menší může být měřená plocha při dané vzdálenosti - viz následující obrázek:
Optický diagram infračerveného čidla. Ve vzdálenosti 130 mm je měřená plocha o průměru 33 mm, což dává poměr D : S přibližně 4 : 1.
Laserový zaměřovač
Infračervené teploměry jsou často vybaveny laserovým zaměřovačem, který uživateli umožní zacílit na měřené místo mnohem rychleji a přesněji. Existuje několik provedení laserových zaměřovačů:
- Jednoduchý laserový paprsek s posunem z optické osy
Laserový paprsek vychází z místa mimo střed optické osy a s optickou osou tedy přesně nesouhlasí. Toto je nejjednodušší provedení, zvláště se používá pro přístroje s nízkým optickým rozlišením (pro velké měřené objekty). Laserový bod se zamíří přibližně na střed měřeného objektu, ale při malých vzdálenostech teploměru od měřeného objektu je patrná nepřesnost v zaměření.
- Koaxiální laserový paprsek
Laserový paprsek vychází ze středu optické osy a souhlasí s optickou osou přístroje. Střed měřené plochy je při jakékoliv vzdálenosti vždy přesně označen.
- Dvojitý laser
Dvojitý paprsek se dvěma zaměřovacími body se používá pro vyznačení průměru měřené plochy, zejména při větších vzdálenostech. V tomto případě uživatel nemusí odhadovat nebo předem počítat průměr měřené plochy - ta je dána kružnicí, procházející oběma viditelnými body. To uživateli usnadňuje měření a zabraňuje chybám z důvodu špatného zaměření nebo nesprávného odhadu velikosti měřené plochy.
- Kruhový laser s posunem z optické osy
Toto je nejjednodušší řešení, které vyznačí nejen umístění měřené plochy, ale také její velikost a vnější tvar. Měřená plocha je od určité minimální vzdálenosti teploměru od měřeného objektu uvnitř laserového kruhu. Výrobce vypočítá provedení laserového kruhu tak, aby byl větší než skutečné měřené místo, čímž redukuje chybu paralaxy. Proto se uživatel musí ujistit, že laserový kruh je celý vyplněn měřeným objektem, aby dosáhl správného měření. Na druhé straně to ale uživateli brání plně využít geometrického rozlišení, specifikovaného pro konkrétní přístroj, viz následující obrázek:
Kruhový zaměřovací laser s posunem vytváří kruhové označení, které je větší než skutečné měřené místo - to je od určité vzdálenosti umístěno uvnitř laserového kruhu.
- Přesné označení měřené plochy 3-bodovým koaxiálním laserem
Laserový paprsek je při projekci rozdělen na tři jasné laserové body v řadě, které uživateli umožňují jasně vyznačit rozměry měřené plochy při všech vzdálenostech a úhlech měření. Prostřední laserový bod vždy označuje střed měřené plochy, zatímco dva vnější laserové body vyznačují její průměr. Kromě toho je možno polohu vnějších bodů využít pro indikaci vzdálenosti, při které je dosaženo nejmenší možné měřené plochy. Když se vnější body seřadí např. vertikálně nebo horizontálně, je tím indikována vzdálenost, při které je dosaženo nejmenší měřené plochy:
Precizní 3-bodové koaxiální laserové zaměřování značně pomáhá vyhnout se chybám při měření. Uživatel může v plném rozsahu využít parametrů infračervené optiky.
Používání laserového označování měřené plochy je účinným vizuálním pomocníkem při přesném cílení infračervených teploměrů na měřený objekt.
Další informace
Tato stránka si klade za cíl uvést začínající uživatele této moderní měřicí techniky do problematiky bezdotykového měření teploty a vysvětlit základní pojmy. Zájemcům o důkladnější výklad a další informace doporučujeme dále uvedený vynikající materiál, popř. jinou odbornou literaturu věnovanou této problematice.
Pramen: Klaus-Dieter Gruner: "Principles of Non-Contact Temperature Measurement".
Přeložil a zpracoval: Ing.Miloš Hušek
Copyright © 2009 - 2012 Ing. Miloš Hušek - QTEST. Všechna práva vyhrazena.