Způsob eliminace odraženého záření při termografickém měření v exteriéru

1. Úvod

Při zjišťování hodnot povrchových teplot stavebních konstrukcí pomocí infračerveného radiometrického dlouhovlnného systému (dále termokamerou) působí celá řada okolních vlivů. Jedním z nich je i odražené záření, které ovlivňuje výsledky kvantitativního termografického měření. Zde patří například záření oblohy, které často vykazuje velmi nízké teploty. Ty někdy mohou být i mimo měřicí rozsah termokamery. Z toho vyplývá, že v některých extrémních případech nelze relevantní termografická kvantitativní měření vůbec provádět. Z tohoto důvodů vzniklo v průběhu roku 2012 na Fakultě stavební VŠB-TU Ostrava technické zařízení (obr. 1), které jednoduše a spolehlivě odražené záření při měření termokamerou eliminuje. Funkčnost tohoto technického zařízení byla ověřena praktickými měřeními.

Obr. 1. Zařízení pro eliminaci vlivu odraženého záření

Pro eliminaci negativního vlivu odraženého záření při termografickém měření v exteriéru byl navržen následující postup: K měřené stěně se těsně přiloží a zafixuje výše zmíněné zařízení – a to otevřenou částí (5). Tím dojde odfiltrování nežádoucího okolního záření (např. oblohy, okolní zástavby vegetace, osob atd.), které negativně ovlivňuje výsledky měření.

Zařízení je zhotoveno z kovu tak, aby byla možná snadná manipulace. Je zde umístěn fixační prvek (3), který umožňuje jeho fixaci a aretaci. Manipulaci usnadňuje dvojice protilehlých úchytů (2). Kvůli těsnému přilnutí k povrchu obvodové zdi je po obvodě otevřené části (5) instalováno těsnění.

Po fixaci zařízení a jeho těsném přilnutí k měřenému místu otevřenou částí (5) se termokamera nasune do otvoru (4), který je umístěn na zadní uzavřené části (6).

Skutečnost, že je zde použito tohoto zařízení umožňuje vložit hodnotu zdánlivě odražené teploty rovnu hodnotě teploty venkovního vzduchu. Dochází tak k úplné eliminaci vlivu nežádoucího okolního záření např. oblohy, okolní zástavby vegetace, osob atd.), které negativně ovlivňuje výsledky měření, čímž dochází ke zvýšení přesnosti výsledného stanovení povrchových teplot na obvodové stěně. Teplotu venkovního vzduchu změříme pomocí externího teploměru, nebo pomocí teploměru, který je součástí termokamery.

Po nastavení parametrů v ovládacím prostředí termokamery je pořízen termogram předmětného místa, přičemž aktivaci, nastavení parametrů a pořízení termogramu lze provést i vzdáleně, bez ovlivňování termokamery zářením obsluhy.

2. Popis měření

Pro ověření správné funkce technického zařízení určeného pro eliminaci vlivu odraženého záření bylo provedeno měření povrchových teplot na obvodové zdi v exteriéru, a to:

1. Pomocí kontaktních teplotních čidel.
2. Pomocí termokamery bez využití výše uvedeného technického zařízení.
3. Pomocí termokamery s využitím výše uvedeného technického zařízení.

Měření povrchových teplot pomocí kontaktních teplotních čidel byla prováděna na západní fasádě Fakulty stavební na ulici Ludvíka Podéště v Ostravě v období 10/2012 až 04/2013.

V tomto příspěvku jsou prezentovány výsledky jednoho z provedených měření (ze dne 5. 3. 2013). Snímání povrchových teplot bylo provedeno kontaktním termočlánkem ALMEMO GOF120-K1 typu NiCr-Ni (obr. 2b). Povrchová teplota činila t_kont = +1,6 °C.

Pro určení povrchové teploty termokamerou bez využití zmíněného technického zařízení bylo zapotřebí stanovit emisivitu měřeného povrchu fasády. Za tímto účelem byl proveden lokální postřik černým sprejem (obr. 2b), který má výrobcem deklarovanou emisivitu 0,96, a který byl pak dále využíván jako etalon. Za účelem stanovení povrchových teplot pomocí termokamery podle bodu 2. bylo provedeno měření zdánlivé odražené teploty. To proto, aby byla zjištěna míra jejího vlivu na výsledné hodnoty povrchových teplot na obvodové zdi v exteriéru. Měření zdánlivé odražené teploty bylo provedeno:

1. Nepřímo
2. Přímo

Pro určení zdánlivé odražené teploty atmosféry nepřímou metodou byla osazena na fasádě aluminiová lepicí páska, která působí jako reflexní vrstva. Na této reflexní vrstvě byly náhodně zvoleny tři referenční teplotní body (obr. 2a) a následně po stanovení teplot v těchto bodech byla z nich vypočtena průměrná hodnota zdánlivé odražené teploty atmosféry t_odr = −22,2 °C, která byla dále použita pro určení správné hodnoty povrchové teploty zjištěné termokamerou t_ir = +2,2 °C (obr. 3a).

Obr. 2. a) Termogram se znázorněním tři referenčních teplotních bodů (nepřímá metoda), b) Osazení kontaktního teplotního čidla na fasádě

Obr. 3. a) Termogram se znázorněním výsledné povrchové teploty (nepřímá metoda), b) Místo měření

Přímá metoda stanovení zdánlivé odražené teploty atmosféry spočívá v jejím měření při zacílením termokamery na okolní objekty a na oblohu se zohledněním úhlu dopadu zjišťovaného záření na snímaný objekt. Při praktickém měření byly taktéž zvoleny tři referenční body, jejichž hodnoty teplot byly zprůměrovány pro zjištění optimální hodnoty zdánlivé odražené teploty atmosféry přímou metodou, která činí t_odr = −34,0 °C (obr. 4a). Takto zjištěná povrchová teplota pak vykazovala hodnotu t_ir = +2,7 °C (obr. 5a).

Obr. 4. a) Termogram se znázorněním tři referenčnchích teplotních bodů (přímá metoda), b) Pohled na oblohu a okolní objekty v místě měření

Obr. 5. a) Termogram se znázorněním výsledné povrchové teploty (přímá metoda), b) Místo měření

Následně bylo k povrchu zdi přiloženo technické zařízení (obr. 1. a 7.) za účelem eliminace vlivu zdánlivé odražené teploty. Výsledky měření jsou patrné z obr. 6. Při použití tohoto technického zařízení byla použita jako hodnota zdánlivé odražené teploty teplota okolního vzduchu t_odr = +3,8 °C. To proto, že technické zařízení zcela eliminuje vlivy odraženého záření oblohy a okolních objektů (například budovy, vegetace). Takto zjištěná povrchová teplota pak vykazovala hodnotu t_ir = +1,6 °C.

Obr. 6. Diagnostická měření v terénu

Obr. 7: Princip funkce zařízení pro eliminaci vlivu odraženého záření

3. Závěr

Přesnost zobrazování hodnot zjištěných infračerveným radiometrickým dlouhovlnným systémem je výrazně ovlivněna přesností stanovení odražené teploty, která má na měření zásadní vliv. Existuje několik způsobů jak tuto odraženou teplotu určit. Bohužel, přesnost určení zdánlivé odražené teploty závisí na mnoha okolnostech, na lidském faktoru a zkušenostech obsluhy termokamery.

Z porovnání hodnot povrchové teploty změřené pomocí kontaktních povrchových čidel a zjištěné termokamerou s využitím technického zařízení určeného pro eliminaci vlivu odraženého záření plyne, že tyto jsou stejné (viz tab. 1), což potvrzuje správnou funkci výše uvedeného technického zařízení. Tato skutečnost má výrazný dopad na praktická zjišťování povrchových teplot stavebních konstrukcí.