Testo Academy: Bezkontaktní měření teploty – 2. část

09.05.2022 Autor: Martin Dragoun Firma: TESTO, s.r.o. Časopis: 2/2022

Bezdotykové měření povrchové teploty má široké využití v oblasti průmyslu a obchodu, a to hlavně tam, kde ostatní metody měření teploty nelze použít. V minulém díle (Topin č. 1/2022)jsme se dozvěděli, co je to atmosférické okno a zopakovali si co je to emisivita, černé těleso atd. Dále se seznámíme s konstrukcí těchto přístrojů a chyb, kterých bychom se měli při bezkontaktním měření teploty vyvarovat.

Konstrukce infračerveného měřicího přístroje

Tepelné záření je soustředěno pomocí čočky (zde se jedná o Fresnelovu čočku) a přenáší se do senzoru. Ten mění záření na elektrické napětí, které je zesíleno a dále vedeno k mikroprocesoru. Procesor vypočítá ze snímaného záření a okolního záření (= teplota přístroje) teplotu měřeného objektu, přičemž zohlední stupeň emisivity. Protože se principielně jedná o optickou metodu měření, musí se čočka neustále udržovat bez prachu a v čistotě.

Obr. 1 • Konstrukce bezkontaktního teploměru

Typické stupně emisivity

Potraviny mají, jako všechny organické materiály, vysokou emisivitu a lze je relativně bez problémů měřit pomocí infračerveného měření. Většina organických látek (např. potraviny) mají stupeň emisivity cca 0,95. Proto je tato hodnota v mnoha přístrojích pevně zadaná, aby se zabránilo chybě měření způsobené (omylem) chybným nastavením emisivity.

Naproti tomu lesklé kovy mají v rozsahu 8 až 14 μm velmi nízkou emisivitu, a proto je lze měřit velmi špatně. Je třeba na měřený objekt nanést vrstvu zvyšující emisivitu jako např. barvu, olejovou vrstvu nebo pásku pro zvýšení emisivity. Další možností je měření pomocí kontaktního teploměru. Oxidy kovu nevykazují jednotné chování. Stupně emisivity jsou mezi 0,3 a 0,9 a jsou obecně silně závislé na vlnové délce. Je proto třeba zjistit emisivitu pomocí porovnávacího měření kontaktním teploměrem nebo nanést vrstvu s definovaným stupněm emisivity.

Světlé nekovy (tmavé nekovy), umělé hmoty, bílý papír, keramika, sádra, dřevo, guma, tmavé dřevo, kamení, tmavé barvy a laky atd. mají často při vlnové délce větší než 8 μm emisivitu cca 0,8. Světlé a tmavé nekovy se ve vztahu k jejich emisivitě chovají při delších vlnových délkách skoro stejně. Nehraje například žádnou roli, zda jsou barvy a laky černé, modré, červené, zelené ale také bílé. Bíle lakovaný radiátor s teplotou +40 °C až +70 °C září zrovna tak dobře jako černě lakované těleso, protože jeho tepelné záření je vyzařováno převážně při dlouhých vlnových délkách > 6 μm, tedy daleko za viditelný rozsah.

Zdroje (příčiny) kompenzace chyb u infračervených měřicích přístrojů

Při bezdotykovém měření teploty může mít na výsledek měření vedle specifických vlivů materiálů a povrchů, vliv také složení dráhy přenosu mezi měřených objektem a přístrojem. Rušivé veličiny jsou například částečky prachu a nečistot dále pak vlhkost (déšť), pára, plyny. Infračervené měření je měření povrchové teploty. Je proto třeba vždy dbát na to, aby byly povrchy čisté! Pokud se na povrchu nachází nečistoty, prach, námraza atd., je měřena pouze nejsvrchnější vrstva, a to nečistota.

Neměřte na vzduchových kapsách. Vzdálenost mezi infračerveným měřicím přístrojem a měřeným objektem je příliš velká, tzn. že místo měření je větší než měřený objekt. Přitom platí diagramy místa měření na obr. 3, které znázorňují poměr vzdálenosti měření vůči místu měření. Diagramy místa měření zobrazované v podkladech k přístroji obvykle udávají takzvané devadesáti-procentní místo měření, to znamená, že z této oblasti vychází 90 až 95 % energie přeměněné v senzoru. Díky neostrosti v zobrazení je oblast, která má vliv (i když menší) na výsledek měření, ale je přesto větší. Proto by se mělo dbát na to, aby byl měřený objekt vždy větší než místo měření udávané v podkladech, aby se zabránilo nežádoucím vlivům z okrajové oblasti. Čím větší je rozdíl teplot mezi měřeným objektem a pozadím, tím větší je vliv na výsledek měření.

Obr. 2 • Stupně emisivity různých materiálů v závislosti na vlnové délce (schématické znázornění)

Obr. 3 • Velikost místa měření je závislá na optice přístroje

K závažným chybám měření může docházet i v případě, je měřicí přístroj ještě není po změně teploty přizpůsoben nové teplotě. Přístroj je třeba pokud možno temperovat tam, kde se měření také provádí! Tím se zabrání problematice s dobou přizpůsobení (avšak: je třeba respektovat provozní teplotu přístroje!).