Aktuální vydání

celé číslo

08

2020

Mozaika novinek a informací

Restart ekonomiky

celé číslo

Základy bezkontaktního měření teploty

Prostřednictvím našich očí vidíme svět ve viditelném světle. Viditelné světlo však tvo­ří pouze malou část z celého spektra záření, jehož většina je lidským očím neviditelná. V neviditelném záření je ale obsaženo mno­ho informací.

 

Měření teploty v infračerveném spektru

Každý objekt s teplotou nad absolutní nulou (–273,15 °C = 0 K) vyzařuje ze své­ho povrchu elektromagnetické záření, jehož intenzita je úměrná čtvrté mocnině jeho ter­modynamické teploty (Stefanův-Boltzman­nův zákon). Podle Wienova posunovacího zákona ale jen velmi horké předměty vyza­řují maximum energie ve viditelném spekt­ru; s klesající teplotou se maximum intenzi­ty posouvá k infračervenému záření. Proto se k měření běžných teplot používají infra­červené teploměry.
 
Vstupní objektiv infračerveného teplo­měru zaostřuje paprsky z měřeného objektu na detekční prvek, jenž generuje elektrický signál úměrný intenzitě dopadajícího záření. Signál je zesílen a dále digitálně zpracován a přeměněn na výstupní signál úměrný tep­lotě objektu. Naměřená hodnota může být zobrazena na displeji nebo přenesena jako analogový výstupní signál do řídicího sys­tému (obr. 1).
 
Infračervené záření pokrývá jen velmi ma­lou část celého rozsahu elektromagnetického spektra (obr. 2): začíná na hranici ­viditelné­ho světla (0,78 µm) a končí na vlnové délce přibližně 1 000 µm. Pro infračervené měření teploty je důležité rozmezí vlnových délek od 0,7 do 14 µm, protože u větších vlnových dé­lek, tj. u chladnějších těles, je vyzářená ener­gie tak malá, že běžné detektory nejsou dosta­tečně citlivé pro její vyhodnocení.
 

Absolutně černé těleso

Absolutně černé těleso je ideální objekt, který pohlcuje veškeré příchozí záření. Záro­veň je to ideální zářič: ze všech těles vyzařuje při určité teplotě maximální možné množství energie. Absolutně černé těleso je také vše­směrový zářič: intenzita záření je ve všech směrech stejná. Je podkladem pro pochopení fyzikálních základů bezkontaktního měření teploty.
 
Absolutně černé těleso je však jen ideální objekt. V praxi se mu blíží např. Slunce. V la­boratoři lze černé těleso přibliž­ně nahradit dutým tělesem s vel­mi malým otvorem. Přístroj s vlastnostmi blížícími se absolutně černému tělesu se pod názvem černé těleso používá v metrologii pro kalibraci infračervených teploměrů.
 
Reálná tělesa vysílají při dané teplotě méně záření než absolutně černé těleso. Po­měr intenzity vyzařování reálného objektu a absolutně černého tělesa se nazývá emisivita (ε). Její hodnota se pohy­buje mezi 0 (ideální zrca­dlo) a 1 (absolutně černé těleso). Reflexivita (ρ) je naopak poměr intenzity záření, které na předmět dopadne, k odraženému záření. Součet emisivity a reflexivity je téměř ro­ven jedné. To, co zbývá, je transmisivita (t) jako poměr intenzity záření, které vstupuje do prostře­dí, a intenzity záření, kte­ré z něj vystupuje – při měření teploty infračer­veným teploměrem na vzduchu lze transmi­sivitu prostředí zanedbat. Platí:
 
ε + ρ + t = 1
 
Hodnota emisivity má při měření teploty pomocí infračerveného záření zásadní vliv. Její určení však není nijak jednoduché. Emi­sivita závisí na druhu materiálu, kvalitě po­vrchu, vlnové délce a často též na úhlu, pod nímž člověk měřený předmět pozoruje. Mnoho objektů z nekovových materiálů vykazuje velkou a relativně konstantní emisivitu, ne­závislou na jejich povrchu, a to i při velkých vlnových délkách. Naopak kovové materiály obecně vykazují malou emisivitu, která silně závisí na druhu povrchu a která klesá se zvětšující se vlnovou délkou. Proto větši­na výrobců infračervených teploměrů nabízí speciální přístroje pracující s určitou vlno­vou délkou vhodnou k měření teploty kon­krétních materiálů.
 

Výhody bezkontaktního měření teploty

Bezkontaktní měření teploty je často jedi­nou schůdnou volbou pro měření teploty po­hybujících objektů, objektů velmi horkých a objektů v nebezpečných prostředích. Další předností ve srovnání s dotykovými odporo­vými nebo termočlánkovými snímači je vel­mi rychlá odezva. Měření neovlivňuje měřený objekt, je to měření nedestruktivní, teploměr se měřeným médiem nijak neopotřebovává a měřit lze po velmi dlouhou dobu i v nepříz­nivých podmínkách.
 

Kam pro další informace

Více informací o bezkontaktním měření tep­loty infračervenými snímači a celém sortimen­tu společnosti Micro-Epsilon zájemci najdou na www.micro-epsilon.cz/temperature-sensors.
(MICRO-EPSILON Czech Republic, spol. s r. o.)
 
Obr. 1. Schéma infračerveného teploměru
Obr. 2. Elektromagnetické spektrum s oblastí infračerveného spektra používaného pyrometry