Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Teoretické základy bezdotykového měření teploty (část 2)

(dokončení z čísla 2/2014)


Bezdotykové teploměry

K označení bezdotykového teploměru se používá několik názvů: pyrometr, radiační teploměr nebo IČ teploměr. Označení pyrometr pochází z doby, kdy se bezdotykové teploměry používaly pouze k měření vysokých teplot (pyros – z řečtiny oheň). Označení radiační teploměr vychází z toho, že činnost přístroje je založena na měření energie vyzářené objektem, a konečně označení IČ teploměr je odvozeno od oblasti vlnových délek (spektra) měřeného záření. Podle oblasti spektra, která je využívána k měření, lze pyrometry rozdělit na širokopásmové (úhrnné), úzkopásmové (pásmové) a poměrové (měří ve dvou úzkých pásmech vlnových délek a používají se pro speciální účely).
 
Obecné schéma uspořádání bezdotykového teploměru je ukázáno na obr. 9. Tepelné záření vysílané měřeným objektem se v přístroji soustřeďuje optickým systémem na detektor IČ záření. Optický systém většinou funguje také jako filtr a musí propouštět záření daných vlnových délek. Optika bývá sestavena z čoček nebo zrcadel. U současných IČ teploměrů se nejčastěji používá germaniová optika. Při použití zrcadlové optiky s kovovým povrchem zrcadel je vstupní okénko teploměru tvořeno tenkou fólií z plastu, která propouští infračervené záření a chrání optický systém před prachem.
 

Širokopásmové pyrometry

Širokopásmové pyrometry pracují s vlnovými délkami v rozmezí od 0,4 až 2,5 μm do 20 μm. Detektorem nejčastěji bývá tepelný detektor, kterým může být baterie termočlánků, bolometr (fóliový odporový teploměr), termistor nebo pyroelektrický senzor. V současné době jsou jako senzory často využívány mikrobolometry. Povrch čidla bývá začerněn. Činnost detektoru záření i optiky musí být pokud možno nezávislá na vlnové délce.
 
Teplota se v přístroji vyhodnocuje podle Stefanova-Boltzmannova zákona pro šedé těleso. Je-li uvažováno, že napěťový výstupní signál U(T) je přímo úměrný zářivému toku zachyceného IČ záření Φ, na základě vztahu (8) se dostane
 
U(T) = K1Φ = K1Sσ(εT4Tod4)             (15)
 
kde
K1 je konstanta přístroje
Tod teplota okolí detektoru (K).
 
Vztah platí za předpokladu úplné transparentnosti optiky a zanedbání odraženého záření.
 

Úzkopásmové pyrometry

Úzkopásmové pyrometry pracují v relativně úzkém rozmezí vlnových délek, přičemž volba tohoto rozmezí souvisí s požadovaným účelem měření. K detekci IČ záření jsou zde využívány kvantové senzory záření. Mezi takové senzory patří fotonky, fotočlánky, fotodiody, fototranzistory a fotorezistory. Jejich předností je velmi rychlá reakce na změny teploty a možnost měřit teplotu i malých objektů. Spektrální citlivost je závislá na typu senzoru; např. selenové fotočlánky jsou citlivé v oblasti viditelného záření, křemíkové fotočlánky jsou citlivé v rozsahu 0,4 až 1,2 μm, fotoodpory PbS mezi 0,7 a 3,0 μm, senzory s InSb v rozmezí 1,6 až 7,3 μm apod. Pásmo vlnových délek, se kterými teploměr pracuje, je dáno spektrální citlivostí kvantového senzoru záření, spektrální propustností optiky, optického filtru a spektrální propustností atmosféry. Šíře pásma vlnových délek bývá od desítek nanometrů do jednotek mikrometrů.
 
Teplota se v úzkopásmových pyrometrech určuje podle Planckova zákona. Je-li uvažováno, že napěťový výstupní signál U(T) je přímo úměrný zářivému toku IČ záření emitovaného tělesem o ploše S při efektivní vlnové délce λef, s využitím (3) se dostane
 
U (T,λ) = K2TλC1λef–5 [exp(C2/Tλef–1)]–1          (16)
 
 
kde K2 je konstanta přístroje. Na pásmový pyrometr se hledí jako na kvazi monochromatický. Důvodem je, že monochromatický pyrometr nelze vyrobit a že se vždy měří v úzkém vlnovém pásmu Δλ. I v tomto případě je uvažována dokonalá propustnost optiky a zanedbáno odražené záření.
 
Vztahy (15) a (16) ukazují, že bezdotykový teploměr neměří teplotu přímo, ale elektronické obvody řízené mikroprocesorem vypočítávají teplotu na základě změřeného zářivého toku dopadajícího na detektor.
 

Přesnost měření

IČ teploměry jsou kalibrovány pro měření teploty černého tělesa. Měřený objekt se svými vlastnostmi jen málokdy přibližuje černému tělesu, a proto je údaj bezdotykového teploměru všeobecně nižší než skutečná teplota. Nenastaví-li se při měření správně hodnota emisivity, bude přístroj ukazovat teplotu jinou, než je skutečná teplota povrchu sledovaného objektu. Důležitým úkonem, který souvisí s měřením teploty bezdotykovým teploměrem, je tedy určení emisivity měřeného povrchu a zadání hodnoty tohoto korekčního faktoru do přístroje.
 
Výsledek měření je nezávislý na vzdálenosti přístroje od sledovaného tělesa, jestliže obraz tělesa kryje obrys přijímače záření. Kontrola se provádí např. podle indikace laserového zaměřovače.
 
I přes korekci emisivity mohou u bezdotykových teploměrů vznikat další chyby, jejichž hlavní zdroje jsou schematicky znázorněny na obr. 10.
 
Aby IČ teploměr udával teplotu objektu správně, mělo by být zaručeno, že na přijímač záření dopadá jen záření vyzařované objektem. Významným zdrojem rušení může být odraz záření pocházejícího např. z horkých objektů v okolí; korekce se provádí zadáním tzv. zdánlivé odražené teploty (tato problematika je podrobněji rozebrána v části věnované termokamerám). V případě transparentního objektu bude rušivě působit i zdroj IČ záření, který se nachází za měřeným objektem. Obsahuje-li atmosféra mezi objektem a teploměrem složky absorbující IČ záření (např. CO2, vodní pára, popř. další plyny a páry), výstupní údaj teploměru je ovlivňován. U pásmových pyrometrů se lze rušivé absorpci záření přítomnými plyny vyhnout vhodnou volbou vlnové délky, na které se měří. Tepelné záření rovněž absorbují a naměřenou teplotu snižují např. propustné okno, dým, prachové částice atd.
 
Při měření bezdotykovým teploměrem je třeba mít vždy na zřeteli, že IČ teploměr měří teplotu povrchu objektu. K měření vnitřní teploty je zapotřebí použít vhodný kontaktní teploměr. Aby se předešlo chybným výsledkům měření, je rovněž nezbytná pravidelná kontrola a případná kalibrace bezdotykového teploměru, k níž jsou využívána kalibrační černá tělesa.
 

Termokamery

Termokamera pracuje na principu bezdotykového měření teploty, a princip funkce je tedy stejný jako u IČ teploměru. Zásadní rozdíl je v tom, že zatímco IČ teploměr měří teplotu v jednom bodě (přesněji určuje průměrnou teplotu v určité oblasti), termokamera určuje rozložení teploty (teplotní pole) na povrchu větších až velkých částí, popř. i celých objektů. Původní systémy byly velmi složité a pracovaly s rozkladem obrazu do jednotlivých bodů. Většina současných typů termokamer, činných v rozmezí vlnových délek od 8 do 14 μm, pracuje bez rozkladu obrazu a využívá tzv. maticové (mozaikové) detektory. Zatímco v IČ teploměru je použit jeden senzor IČ záření, v termokameře je instalován maticový detektor obsahující velký počet jednotlivých senzorů tepelného záření (obr. 11).
 

Maticový detektor

Maticový detektor, který je základním prvkem termokamery, je tvořen dvourozměrnou maticí infračervených senzorů. Jako senzory se podobně jako u IČ teploměrů používají:
  • tepelné senzory, u nichž IČ záření vyvolá změnu teploty, která se poté vyhodnocuje; takovým senzorem je mikrobolometr (miniaturní odporový teploměr), který mění elektrický odpor v závislosti na intenzitě dopadajícího záření; detekční systémy s tepelnými senzory není třeba chladit,
  • kvantové fotonové senzory (fotodiody a fotoodpory), které poskytují po dopadu IČ záření elektrický signál (změna napětí či elektrické vodivosti); kvantové detektory jsou většinou citlivější než detektory tepelné, ale většinou je třeba je chladit, k čemuž se používá Peltierův nebo Stirlingův chladič (miniaturní heliový kompresorový agregát); z tohoto důvodu jde o systémy podstatně dražší.

     

Důležitým rozdílem mezi tepelnými a fotonovými senzory je jejich rozdílná spektrální citlivost. Zatímco tepelné senzory jsou širokopásmové, fotonové jsou úzkopásmové a jsou schopny detekovat záření jen v malém rozsahu vlnových délek.
 
V infračervených termokamerách se v současné době nejčastěji používají mikrobolometrické maticové detektory. Výjimkou jsou speciální, avšak velmi drahé termokamery pro výzkumné účely, v nichž se pro zvýšení citlivosti a rychlosti měření používají fotonové detektory a někdy také i rozklad obrazu. Rozlišení maticového detektoru je dáno počtem prvků (senzorů, obrazových bodů, popř. pixelů) v matici. Matice detektorů pro méně výkonné termokamery obsahují např. 100 × 100 prvků, detektory běžných termokamer 320 × 240 (tj. 76 800) prvků a termokamery vyšší kvality pracují s rozlišením např. 640 × 480 (i více) obrazových bodů.
 

Konstrukce termokamery

Vstupní optická část termokamery se velmi podobá digitálnímu fotoaparátu. Objektiv termokamery však musí propouštět IČ záření, a proto je vyroben z germania. Objektiv promítá dopadající teplené záření na maticový detektor, na kterém se vytváří „infračervený obraz“ povrchu měřeného objektu. Moderní mikrobolometrické detektory obsahují již na čipu potřebné signálové obvody pro analogovou nebo digitální úpravu signálu. Řídicí logika zajišťuje postupné čtení signálu z jednotlivých prvků. Signály z jednotlivých senzorů maticového detektoru, které odpovídají zářivému toku IČ záření jednotlivých měřených bodů, jsou zpracovány v elektronických obvodech, jejichž výstupem je nakonec viditelný barevný obraz – termogram – na monitoru termokamery (obr. 12). Hlavními komponentami infračervené termokamery jsou germaniová optika, maticový detektor s předzesilovačem (se stabilizovanou teplotou nebo chlazený), elektronické obvody řízené mikroprocesorem pro zpracování signálů a obrazů, pomocné senzory a akční členy pro řízení termokamery a uživatelské rozhraní s ovládacími prvky, monitorem a rozhraním pro komunikaci s PC.
 
Teplota maticového detektoru je udržována na konstantní hodnotě (obvykle 30 °C) obvodem s Peltierovým článkem. Uvedené blokové schéma termokamery je zjednodušené a nezahrnuje všechny prvky a funkce využívané v moderních termokamerách. Například lze v průběhu práce s termokamerou slyšet zvuk „cvaknutí“ uvnitř termokamery a na displeji se objeví nápis Kalibrace. Nejde však o teplotní kalibraci termokamery, ale o mikroprocesorem řízenou korekci převodních charakteristik jednotlivých mikrobolometrů (funkce Non-Uniformity Correction – NUC). Tato korekce se dělá proto, že při ozáření detektoru není rozložení teploty na jeho povrchu zcela homogenní. Systém vkládá před detektor na krátký okamžik clonku simulující homogenní zářič s velkou emisivitou a poté nastavuje převodní charakteristiky jednotlivých senzorů na stejnou hodnotu.
 

Termografické měření

Termokamera je moderní měřicí přístroj, který je ve většině případů schopen kvantitativně měřit povrchovou teplotu objektů. Pro správné používání této techniky je zapotřebí znát technické vlastnosti termokamery, vlivy působící na výstupní signál z detektoru a způsoby, jak získat z termogramu užitečné informace. Faktorů, které mohou ovlivnit výsledek měření a interpretaci termogramů, je velmi mnoho. Při termografickém měření snímá termokamera, podobně jako IČ teploměr, záření nejen samotného objektu, ale také záření z okolí, které se odráží z povrchu objektu do kamery. Obě záření jsou do jisté míry zeslabována atmosférou mezi termokamerou a měřeným objektem. Kromě toho je třeba vzít v úvahu i záření atmosféry.
 
Celková situace je schematicky znázorněna na obr. 13, kde jednotlivé složky zářivého toku přijaté detektorem termokamery jsou následující (za předpokladu úplné transparentnosti optiky termokamery a zanedbatelného zářivého toku optických komponent [6]):
  • zářivý tok z objektu Φobj zeslabený průchodem atmosférou: ετ Φobj (teplota objektu je Tobj),
  • odražený zářivý tok z okolních zdrojů Φodr zeslabený průchodem atmosférou: (1 – ε)τΦodr, kde (1 – ε) vyjadřuje odrazivost objektu (předpokládá se, že záření přicházející z okolí představuje záření z povrchů v myšlené polokouli, které mají emisivitu εodr = 1 a stejnou teplotu Todr; tzv. zdánlivá odražená teplota Todr je zdánlivá teplota jiných objektů, jejichž záření se odráží od povrchu měřeného objektu do kamery),
  • zářivý tok emitovaný atmosférou je dán vzorcem: (1 – τ) Φatm, kde (1 – τ) vyjadřuje emisivitu atmosféry s teplotou Tatm a propustností τ.

     

 
Lze tedy sestavit rovnici pro výpočet celkového zářivého toku Φcelk dopadajícího na detektor termokamery
 
Φcelk = ετΦobj + (1 – ε)τΦodr + (1 – τ)Φatm               (17)
 
Po zjednodušení spočívajícím v zanedbání vyzařování atmosféry a detektoru termokamery se dostane vztah
 
Φcelk = ετΦobj + (1 – ε)τΦodr           (18)
 
Výraz ετΦobj ve vztahu (18) reprezentuje zářivý tok z objektu, jehož povrchovou teplotu je třeba určit, zatímco výraz (1 – ε)τΦodr představuje parazitní zářivý tok dopadající na detektor, jehož vliv je třeba korigovat.
 
Je-li uvažováno, že termokamera používá tepelné senzory, které přijímají záření v širokém spektru vlnových délek, lze na základě vztahů (8) a (17) odvodit vztah pro výpočet teploty povrchu měřeného objektu, podle kterého mikroprocesor termokamery vypočítává teplotu pro jednotlivé detekční prvky maticového detektoru.
 
Pro úplný výpočet však musí uživatel termokamery zadat parametry měření: emisivitu objektu ε, zdánlivou odraženou teplotu Todr, teplotu atmosféry Tatm a propustnost atmosféry τ (místo propustnosti atmosféry se obvykle zadává relativní vlhkost a vzdálenost kamery od objektu). Parametry měření jsou u termokamery předem nastaveny na určité hodnoty, takže pro správné určení měřené teploty je nutné hodnoty těchto parametrů korigovat podle skutečné situace. Každá měřicí (radiometrická) termokamera tudíž musí být vybavena možností korekce hodnot těchto parametrů.
 
Důležité je zejména správné nastavení emisivity, protože jakákoliv změna emisivity měřeného objektu nebo pozadí vyžaduje korekci naměřené radiační energie pro všechny pixely detektoru kamery. Správné nastavení emisivity má významný vliv na správnost měření. Význam přesné korekce roste s klesající emisivitou objektu (rostoucí odrazivostí).
 
Správným nastavením zdánlivé odražené teploty se koriguje tepelné záření z okolí, které se odráží od měřeného objektu a dopadá na detektor termokamery. Vliv zdánlivé odražené teploty je tím větší, čím větší je odrazivost povrchu. Naopak, čím větší je emisivita, tím je vliv zdánlivé odražené teploty menší. Přesná termografická měření vyžadují pokud možno přesnou znalost parametru Todr. Pro stanovení zdánlivé odražené teploty existuje několik metod, které bývají popsány např. v manuálech k termokamerám. Při velkých hodnotách emisivity (0,95 a více) postačí Todr stanovit přibližně (např. odhadem a na základě zkušeností).  
 

Shrnutí

V článku jsou uvedeny teoretické poznatky využívané při bezdotykovém měření teploty a vztahy, na jejichž základě mikroprocesorem řízené obvody IČ teploměru nebo termokamery vypočítávají teplotu povrchu měřeného objektu. Je diskutován vliv nastavení korekčních parametrů na správnost měření.
 
Termokamery stejně jako IČ teploměry mají mnoho vlastností a parametrů, které ovlivňují jejich použitelnost pro daný účel a cenu. Charakteristickými parametry termokamer a IČ teploměrů, jejich technickým provedením a možnostmi použití a hlavními zásadami vyhodnocování termogramů se podrobně zabývá článek [7], doprovázející průzkum trhu termokamer v časopise Automa č. 2/2014.

 
Literatura:
[1] KREIDL, M.: Měření teploty – senzory a měřicí obvody. Praha: BEN Praha, 2005.
[2] Bezdotykové měření teploty. In: Zpravodaj pro měření a regulaci č. 1. [on-line] Newport Omega, 2005. <www.omegaeng.cz/literature/PDF/techinfo_1.pdf> [cit. listopad 2013].
[3] Flir T-series. Publ. No. 1558795. Flir, June 2008.
[4] Pyrometer Handbook – Non-Contact Thermometry. IMPAC Infrared GmbH, 2004. <www.contika.dk/Download/litteratur/teori.pdf> [cit. prosinec 2013].
[5] VOLLMER, M. – MÖLLMANN, K. P.: Infrared Thermal Imaging. Wiley-VCH, 2010.
[6] MINKINA, W. – DUDZIK, S.: Infrared Thermography. Wiley & Sons, 2009.
[7] SOVA, J. – KOVÁŘ, J.: Termokamery a pyrometry. In: časopis Automa, 2014 (roč. 20), č. 2, s. 16–22.
doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.,
Ústav fyziky a měřicí techniky
VŠCHT Praha
 
 
Obr. 9. Blokové schéma bezdotykového teploměru
Obr. 10. Hlavní zdroje chyb při bezdotykovém měření teploty
Obr. 11. Detekční systémy IČ teploměru a termokamery
Obr. 12. Blokové schéma termokamery (podle [5], upraveno)
Obr. 13. Situace při termografickém měření (význam symbolů: viz text; podle [3], upraveno)