Termografické měření povrchové teploty a emisivity u lesklých materiálů pomocí metody čtyř bodů

Úvod

Praktické zjištění emisivity a povrchové teploty u materiálů pomocí infračervené termografie se v současné době provádí tak, že se jejich povrch opatří materiálem se známou hodnotou emisivity (například samolepicí fólií, event. barevným nástřikem ve spreji) – viz [1]. Povrchovou teplotu pak zjistíme pouze v místě aplikace zmíněného materiálu se známou emisivitou (Sp1 viz Obr. 1.).

Obr. 1. Znázornění principu praktického zjišťování povrchové teploty a emisivity měřeného materiálu

Hodnotu emisivity měřeného materiálu následně určíme na základě teploty zjištěné v místě aplikace výše uvedeného materiálu tak, že do termografického systému postupně zadáváme různé hodnoty emisivity tak dlouho, až se zde hodnota povrchové teploty (Sp2) rovná hodnotě povrchové teploty (Sp1) zjištěné v místě aplikace materiálu se známou hodnotou emisivity (viz Obr. 1.).

Toto je však poměrně problematické u lesklých materiálů. To proto, že na pořízeném termogramu měřené plochy lesklého materiálu se nám infračervené záření okolních objektů odráží. Tento problém nastává také v případě zjišťování hodnoty emisivity prováděného za použití kontaktního teploměru tak, jak je uvedeno v [1]. Uvedený problém je možno vyřešit níže popsanou metodou čtyř bodů.

Problematika přesnosti u současného způsobu zjišťování povrchových teplot

Hodnota povrchové teploty zjištěná v místě materiálu se známou hodnotou emisivity je však zatížena určitou nepřesností, která je dána tím, že tento materiál má ve většině případů jinou emisivitu než materiál lesklý. Následkem toho a působením zdánlivě odražené teploty (oblohy, okolních budov či vegetace) zde dochází k rozdílnému ochlazování (resp. ohřívání) v důsledku sdílení tepla sáláním mezi měřenými body a okolím. To pak způsobuje rozdílné povrchové teploty v obou uvedených místech. Rozdíl zjištěných povrchových teplot je tím větší, čím větší je rozdíl hodnot emisivity obou materiálů. Vliv hraje také velikost zdánlivě odražené teploty.

V případě vyšší hodnoty zdánlivě odražené teploty než je teplota měřeného povrchu se sdílení tepla sáláním projeví u materiálu s nižší emisivitou nižší povrchovou teplotou a naopak – u materiálu s vyšší emisivitou vyšší povrchovou teplotou.

Nepřesné určení povrchových teplot zapříčiněné rozdílnými hodnotami emisivity obou materiálů se projevuje také při praktických termografických měřeních v exteriéru. Tyto nepřesnosti je však možno eliminovat při měření pomocí čtyř bodů.

Princip určení povrchové teploty u lesklých materiálů pomocí čtyř bodů

Při termografickém určování povrchové teploty a hodnoty emisivity u lesklých materiálů pomocí čtyř bodů postupujeme takto – viz následující praktické měření:

1. Pořídíme termografický snímek oblohy a okolních objektů (např., které se nám na měřeném lesklém materiálu odrážejí (tzv. přímá metoda určování zdánlivě odražené teploty) – viz [1]. Na tomto termogramu vybereme čtyři referenční body s rozdílnou teplotou – např. v místě oblohy, okolní zástavby či vegetace (Obr. 2.). Pro přesnější stanovení měřených hodnot je výhodné vybrat dva okolní zdroje tepla s vyšší povrchovou teplotou a dva okolní zdroje tepla s nižší povrchovou teplotou než je předpokládaná teplota měřeného objektu.
2. Následně provedeme měření na lesklém povrchu. Termokamerou zaostříme odraz tak, aby odpovídal zrcadlově termogramu okolí pro určení odražené teploty přímou metodou (viz bod 1.). Na tomto termogramu vybereme čtyři totožné zrcadlově obrácené referenční body (Obr. 3. až Obr. 6.). Základní podmínkou pro použití této metody je schopnost zaostřit odrazy infračerveného záření na měřeném povrchu. To je možno za předpokladu, že měřený povrch je dostatečně hladký a lesklý (například sklo, leštěný plech z jakéhokoliv kovu apod.). Pokud tomu tak není, nelze pomocí termografického systému ostře zaměřit příslušné body, což má za následek nepřesnost v určení emisivity měřeného povrchu. Dále musí mít povrch na ploše, ve které jsou zvoleny čtyři body, stejnou hodnotu emisivity a stejnou povrchovou teplotu.
3. V termografickém systému pak u čtyř měřených bodů simulujeme výsledky měření povrchových teplot v závislosti na různých hodnotách odražené teploty a emisivity povrchu. Ty hodnoty povrchových teplot, které termografický systém vyhodnotil jako stejné, nebo přibližně stejné s určitou přesností, jsou konečnou povrchovou teplotou lesklého materiálu. Tomu pak odpovídá příslušná emisivita (Tabulka 2. a Tabulka 3. resp. Graf 1.).

Výhodou tohoto způsobu je skutečnost, že v důsledku detekce odraženého infračerveného záření dojde k eliminaci nepřesností v určení povrchových teplot, která je zapříčiněna rozdílnými hodnotami emisivity etalonu a měřené plochy.

Pro zjednodušení celého procesu by bylo vhodné jeho algoritmus vložit do termografického systému.

Pro měření povrchové teploty a hodnoty emisivity lesklého materiálu bylo určeno izolační dvojsklo. Snímání povrchových teplot bylo provedeno kontaktním termočlánkem ALMEMO NiCr-Ni (K) - ZA 9020 FS.

Popis měření

V termografickém systému je třeba zadat hodnotu vzdálenosti měřených čtyř bodů. A to nejen na termografickém snímku okolních objektů, které se na měřeném lesklém materiálu odrážejí, ale také na termografickém snímku lesklého povrchu. Je třeba si uvědomit, že měřena není plocha lesklého povrchu, která je vzdálena od termokamery pouze cca 1 m, ale mnohem vzdálenější odraz (Obr. 3. až Obr. 6.). Při tomto měření byla v termografickém systému nastavena hodnota vzdálenosti na všech termogramech 100 m.

Obr. 2. a) Termogram se znázorněním čtyř referenčních bodů odražené teploty, b) Pohled na oblohu a okolní objekty v místě měření

Obr. 3. Termogram se znázorněním čtyř referenčních teplotních bodů odražených na lesklém materiálu s nastavenou odraženou teplotou θ_odr,4 = +4,6 °C

Obr. 4. Termogram se znázorněním čtyř referenčních teplotních bodů odražených na lesklém materiálu s nastavenou odraženou teplotou θ_odr,4 = +0,3 °C

Obr. 5. Termogram se znázorněním čtyř referenčních teplotních bodů odražených na lesklém materiálu s nastavenou odraženou teplotou θ_odr,4 = −7,5 °C

Obr. 6. Termogram se znázorněním čtyř referenčních teplotních bodů odražených na lesklém materiálu s nastavenou odraženou teplotou θ_odr,4 = −5,0 °C

Graf 1. Grafické znázornění výsledků měření povrchové teploty v závislosti na různých hodnotách odražené teploty a emisivity povrchu

Z porovnání hodnot povrchové teploty změřené pomocí kontaktního povrchového čidla, která činila θ_kont = +4,9 °C (viz Tabulka 1.) a povrchové teploty zjištěné termokamerou metodou čtyř bodů, kde θ_ir,4 = +3,8 °C (Tabulka 3., resp. Graf 1.) plyne, že se liší o 1,1 °C, což potvrzuje správnost uvedeného postupu. Tento rozdíl mezi určenou povrchovou teplotou pomocí kontaktního čidla θ_kont = +4,9 °C a povrchovou teplotou zjištěnou termokamerou metodou čtyř bodů θ_ir,4 = +3,8 °C je způsoben zřejmě rozdílnou hodnotou emisivity samolepicí hliníkové pásky, fixující teplotní čidlo k povrchu lesklého materiálu a hodnotou emisivity povrchu lesklého materiálu. Rozdíl zjištěných povrchových teplot je tím větší, čím větší je rozdíl hodnot emisivity obou materiálů. Velký vliv na výslednou povrchovou teplotu pak má velikost průměrné zdánlivě odražené teploty. Hodnota emisivity určená termokamerou metodou čtyř bodů činila ε₄ = 0,89 (Tabulka 3., resp. Graf 1.).

Závěr

Výhodou výše uvedené metody čtyř bodů je skutečnost, že v důsledku detekce odraženého infračerveného záření dojde k eliminaci nepřesností v určení povrchových teplot, která je zapříčiněna rozdílnými hodnotami emisivity etalonu a měřené plochy. Celý tento proces termografického zjišťování povrchové teploty a emisivity u lesklých materiálů je poměrně pracný. Proto by bylo vhodné rozšířit příslušné programy v termografických systémech o algoritmy umožňující propojení termogramu okolí s termogramem odrazu. Na základě vhodně zvolených čtyř bodů okolí a odrazu by pak termografické systémy vyhodnotily povrchové teploty v závislosti na různých hodnotách odražené teploty a emisivity povrchu. Ty hodnoty povrchových teplot, které by algoritmus vyhodnotil jako stejné (s určitou přesností), by byly skutečnými povrchovými teplotami měřeného lesklého materiálu. Totéž platí o hodnotách emisivity měřeného povrchu.

Literatura

• [1] ČSN ISO 18434-1:2008 Condition monitoring and diagnostics of machines – Thermography – Part 1: General procedures, This standard is the Czech version of the International Standard ISO 18434-1:2008 (ČSN ISO 18434-1 Monitorování stavu a diagnostika strojů – Termografie – Část 1: Všeobecné postupy, Praha: ČNI, 2009).