Meranie IR teplomermi

Cieľom tohto článku je zoznámiť Vás s praktickým meraním bezkontaktnými teplomermi. Objasním vám najčastejšie otázky revíznych technikov a fyzikálne princípy, ktoré poslúžia k lepšiemu pochopeniu merania.

Na základe informácií získaných z tohto článku budete schopný správne a bezpečne používať IR(infra) teplomery tak, aby výsledok merania bol čo najpresnejší a jednoznačný.

Aký je princíp merania?

Molekuly látky sa pohybujú (tepelný pohyb). Zastavia sa len pri absolútnej nule 0K(−273,15°C, alebo −459,67°F.). Pretože dochádza k pohybu elektrických nábojov, tak každé teleso (s teplotou väčšou ako absolútna nula) emituje elektromagnetické žiarenie. Toto žiarenie (vlnovej dĺžky 0,7μm až 1000μm) nesie jednoznačnú informáciu o teplote telesa. Prakticky využiteľné spektrum, na ktoré sú citlivé IR detektory  je 0,7μm až 14μm.

Jednoducho povedané, každé teleso vysiela infračervené žiarenie z ktorého môžeme získať informáciu o jeho teplote. Merací systém infračerveného teplomera je pomerne jednoduchý. Žiarenie z meraného predmetu prechádza šošovkou, ktorá ho koncentruje na čidlo. Teplomer potom spracuje signál z čidla a zobrazí údaj o teplote na displeji.

Na akú vzdialenosť je možné merať IR teplomerom?

Jedna z najčastejších otázok, na ktorú neexistuje jednoznačná odpoveď. Teoreticky totiž vzdialenosť nie je obmedzená. Je však treba si uvedomiť, že pri meraní IR teplomerom nemeriame teplotu bodu ale plochy! Čidlo totiž sníma teplotu z kužeľa, jeho parametre určuje optická charakteristika (obr. 1).

Obr. 1 Optická charakteristika

Obr. 2 Profesionálny IR teplomer UT305C s možnosťou pripojenia k PC a uchytení na statív

Je to pomer vzdialenosti k priemeru meranej plochy. Napríklad optická charakteristika 12:1 znamená, že z 12m meriame teplotu plochy o priemere 1m. Čím vyššie je prvé číslo (20:1, 30:1, 50:1), tým je kužeľ ostrejší a je možné merať na väčšie vzdialenosti. Aby sme teda vedeli, čo vlastne meriame, je nutné venovať optickej charakteristike pozornosť. Všetky lepšie prístroje sú vybavené laserom k zameraniu stredu meranej plochy. Veľmi jednoducho totiž môže nastať situácia, kedy je meraná plocha väčšia ako je predmet, ktorý chceme zmerať a výslednú teplotu nám skresľuje pozadie meraného predmetu (obr. 1). Jediným možným riešením tejto situácie je priblížiť teplomer viacej k meranému predmetu.

 

Čo je to emisivita?

Emisivita je schopnosť telesa vyžarovať teplo a je definovaná ako pomer intenzity vyžarovania reálneho telesa k intenzite vyžarovania absolútne čierneho telesa s rovnakou teplotou a ide o bezrozmernú veličinu. Emisivita absolútne čierneho telesa ε = 1, reálneho telesa ε ≤ 1. Zjednodušene môžeme povedať, že emisivita nadobúda hodnôt od 0 (zrkadlo) do 1 (čierne matné teleso). Tabuľky emisivity je možné nájsť mimo iného v návode k teplomeru a na internete.

Organické látky, matné nátery a zoxidované povrchy majú emisivitu približne 0,95. Z tohto dôvodu majú niektoré jednoduchšie (a lacnejšie) teplomery pevne nastavenú emisivitu práve na túto hodnotu (ε = 0,95). Lepšie teplomery majú nastaviteľnú emisivitu, čo umožňuje presnejšie meranie na rôznych materiáloch. Dá sa povedať, že teplomery s fixnou emisivitou sú vhodné pre orientačné meranie a teplomery s nastaviteľnou emisivitou pre presnejšie meranie.

 

Ako určiť emisivitu?

Nie je určite problém nájsť emisivitu materiálu v tabuľke (v návode k prístroju, na internete a podobne), ale napríklad pri kovoch by sa mali hodnoty z tabuliek používať len orientačne. Povrchová úprava materiálov (oxidovaný povrch, zdrsnený, leštený…) totiž tiež podstatne ovplyvňujú emisivitu. Ako teda postupovať pokiaľ nepoznáme emisivitu a potrebujeme ju zistiť? Existuje niekoľko jednoduchých metód, ktoré je možné použiť k presnému určeniu emisivity.

A. Použitie lepiacej pásky, alebo náteru s definovanou emisivitou

Táto metóda sa dá s úspechom použiť u nižších teplôt. Na meraný predmet sa nalepí páska so známou emisivitou (prípadne sa časť opatrí náterom so známou emisivitou). IR teplomerom sa zmeria teplota pásky. Potom sa zmeria teplota povrchu bez pásky a na teplomery sa nastaví emisivita tak, aby ukazoval správnou teplotu.

B. Ohrev vzorky na známou teplotu

Ohrejte materiál na známou teplotu (zistíte napríklad dotykovým teplomerom), zmeriate jeho teplotu IR teplomerom a meníte emisivitu pokiaľ nebude zodpovedať teplote zmeranej kontaktným teplomerom.

C. Zhotovenie čierneho telesa z meraného materiálu

K použitiu tejto metódy je potrebné veľké množstvo materiálu. To je jeho najväčšia nevýhoda. Postup je taký, že do materiálu vyvŕtame otvor, ktorého hĺbka bude 6x väčšia ako jeho priemer. Priemer musí zodpovedať veľkosti meranej plochy. Za predpokladu, že je emisivita vnútorných stien aspoň 0,5, tak sme vytvorili teleso s emisivitou takmer 1 a teplota meraná v otvore je správna hodnota. Ďalej sa postupuje už klasicky. Zmeria sa teplota povrchu (mimo otvor) a emisivita sa nastaví tak, aby teplota zodpovedala správnej hodnote. Táto metóda sa dá s úspechom použiť aj u vysokých teplôt.

Výhoda všetkých troch metód je v tom, že takto získanú hodnotu emisivity môžeme v budúcnosti použiť pri všetkých ďalších meraniach daného materiálu.

 

Aký je teplotný rozsah merania?

Teplotné rozsahy jednotlivých prístrojov dostupných na trhu sú rôzne a súvisia so spektrálnou citlivosťou použitého senzoru a s materiálom, z ktorého je zhotovená optika prístroja. Napríklad čidlá s citlivosťou v oblasti 8–14μm sa používajú pri meraní nižších teplôt (do cca 1000°C). Pre väčšie teploty sa používa menších vlnových dĺžok.

 

Ďalšie vlastnosti IR teplomerov

Pri rozhodovaní o nákupe IR teplomera je nutné vziať v úvahu aj ďalšie parametre, ktoré však už nemajú zásadný vplyv na presnosť merania. Jedná sa napríklad o možnosť pripojenia teplomeru na statív, podsvietenie displeja, možnosť prenosu dát do PC, max/min mód, dif/avg mód, data hold, data logging, možnosť pripojenia kontaktného termočlánku a tak ďalej.

Je vždy na rozhodnutí zákazníka, pre ktorý prístroj sa rozhodne a či danú funkciu využije, alebo nie. Ja osobne by som vždy volil prístroje s nastaviteľnou emisivitou, čo najväčšiu optickú charakteristiku, laserom so zameraním a možnosťou uchytenia na statív.

 

Výhody IR teplomerov
+ bezpečnosť (meranie teploty častí pod napätím, rotujúcich a pohybujúcich sa častí)
+ rýchlosť (v ráde milisekúnd)
+ rozsah teplôt je väčší ako pri kontaktných teplomerov
+ presnosť (pri správnom použití)
+ neovplyvňuje meraný objekt, neodoberá v, alebo z neho žiadnu energiu
+ bezkontaktné meranie = nie je možnosť kontaminácie potravín/chemikálií, alebo poškodenie meraného povrchu

Nevýhody IR teplomerov
– nutnosť znalosti základných princípov (optická charakteristika, emisivita)
– meria len povrchovú teplotu
– skresľuje, pokiaľ je v ovzduší veľké množstvo dymu/prachu, alebo vodnej pary
– problematické meranie látok s nízkou emisivitou

 

Prehľad emisivity materiálov:

materiál emisivita
asfalt 0,90 – 0,98
azbest 0,96
betón drsný 0,94
cement 0,85
cín 0,09
drevo – prírodné 0,90 – 0,95
glazúra 0,90
grafit 0,85
grafit – prášok 0,96
guma 0,94
hliník – anodizovaný 0,77
hliník – vyleštený 0,05
hliník – zaoxidovaný 0,25
horčík (magnézium) 0,12
chróm 0,15
izolačná páska – plastová 0,95
keramika 0,95
kobalt 0,18
korundová keramika 0,40
koža 0,75 – 0,80
ľad 0,96 – 0,98
lak 0,80 – 0,95
lak matný 0,97
liatina 0,20
liatina – zaoxidovaná 0,60 – 0,90
meď – lesklá 0,07
meď – zaoxidovaná 0,65
meď – zaoxidovaná čierna 0,88
mosadz 0,10
mosadz – zaoxidovaná 0,61
nikel 0,15
odev (čierny) 0,98
olej – hrubý film 0,82
olovo 0,16
olovo – zaoxidované 0,63
papier 0,90
papier – matný 0,94
piesok 0,90
plast – akryl 0,94
plast – polypropylén 0,97
platina 0,10
pokožka – ľudská koža 0,98
porcelán – glazovaný 0,92
sadra 0,85 – 0,95
sklo 0,92
sklo, matné 0,96
sneh 0,85
striebro 0,03
štrk 0,95
tehla 0,93
tehla – kamenina 0,75
textil 0,95
titán 0,30
uhlie 0,90
uhlie drevené (prášok) 0,96
uhoľný prach 0,96
vápenec 0,98
voda 0,98
volfrám 0,13
zemina 0,92 – 0,98
zinok 0,05
zinok – zaoxidovaný 0,11
zlato 0,02
železo / oceľ – hrdzavé 0,7
železo / oceľ – zaoxidované 0,85
železo a oceľ 0,18

2 thoughts on “Meranie IR teplomermi

  1. Ďakjem, super článok!
    Aj keď meriam teplotu stien, okien a pod po zateplení domu – ako amatér, článok mi rozšíril obzor.
    Riadim sa heslom: „Čo sa za mlada naučíš, v starobe zabudneš“ (mám 80 r.) Zdravím.

Pridaj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená. Vyžadované polia sú označené *

Táto webová stránka používa Akismet na redukciu spamu. Získajte viac informácií o tom, ako sú vaše údaje z komentárov spracovávané.