Měření teploty – bezkontaktní teploměry a termovizní kamery
 | |
| Měření teploty – bezkontaktní teploměry a termovizní kamery Štěpán Svoboda, TMV SS spol. s r. o. Úvod Jedním ze sledovaných parametrů ve výrobě, v diagnostice a údržbě technologie je teplota, která je jevem charakterizujícím určitý fyzikální stav měřeného objektu. Díky jejímu sledování lze regulovat výrobní procesy (např. tavení), kontrolovat provozní stavy strojů a zařízení, diagnostikovat přehřívání elektrických spojů, kabelů nebo mechanických součástí (např. převodovky) či stavebně tepelné vlastnosti budov. Podle metody se měření teploty rozlišuje na:
Tento článek je věnován měření teploty bezkontaktní metodou. Princip měření Elektromagnetické spektrum (obr. 1) je rozděleno (na základě úmluvy) podle vlnových délek do několika skupin, tzv. vlnových pásem.  Obr. 1. Elektromagnetické spektrum (1 – rentgenové záření, 2 – ultrafialové záření, 3 – viditelné záření, 4 – infračervené záření, 5 – mikrovlnné záření, 6 – rádiové záření) Přístroje pro bezkontaktní měření teplot využívají vlnové pásmo infračerveného (IČ) záření. Pásmo IČ záření začíná tam, kde končí tzv. viditelné pásmo (tmavě červená), a končí v místě, kde začíná pásmo mikrovln. Pásmo IČ záření se ještě dále dělí do několika dílčích pásem, a to na blízké IČ (0,75 až 3 µm), střední IČ (3 až 6 µm), vzdálené IČ (6 až 15 µm) a velmi vzdálené (15 až 100 µm). Z hlediska praxe jsou pro termografické systémy nejčastěji využívána pásma:
Krátkovlnné systémy se uplatňují při měření zejména vysokých teplot. Vzhledem k použitým vlnovým délkám je třeba volit detektory, které zpravidla vyžadují chlazení. Ve většině aplikací, při kterých se zjišťuje teplota nebo její rozložení, jsou pro nižší energetickou náročnost (nepotřebují chlazení), menší rozměry a hmotnost vhodné kamery s dlouhovlnnými systémy, využívající převážně nechlazený maticový detektor – mikrobolometr. Princip termovizního systému Termovizní kamera či pyrometr snímá záření nejen samotného objektu, ale také odražené záření z okolí na jeho povrch. Obě záření jsou do jisté míry zeslabována atmosférou mezi detektorem a měřeným objektem. Kromě toho je třeba vzít v úvahu záření atmosféry. Tato situace měření (obr. 2) poměrně věrně popisuje reálné podmínky (neuvažuje těžko kvantifikovatelné sluneční světlo rozptýlené v atmosféře nebo bludné záření ze zdrojů intenzivního záření mimo zorné pole – uvedené faktory lze pro jejich nepatrnost zanedbat). Z toho vyplývá, že termovizní systém vyžaduje nastavení určitých parametrů, bez kterých nelze teplotu vyhodnotit. Proto každý měřicí termovizní systém musí být také vybaven korekcí zmíněných parametrů.  Obr. 2. Schematický nákres obecného termovizního systému (1 – okolí, 2 – objekt, 3 – atmosféra, 4 – kamera/snímač) Jelikož však vlastní emitance (schopnost tělesa vyzařovat IČ záření) je u objektů různá, je pro korektní měření nutné znát parametr zvaný emisivita (poměr vlastní vyzářené energie k odražené energii). U většiny objektů je tento parametr dostatečně vysoký, ale např. u kovů je nízký (větší odražená IČ složka záření než vlastní emitovaná). V těchto případech je bezkontaktní měření teploty reálné, ale při dodržení určitých postupů či použití pomůcek (speciální nátěry a fólie se stanovenou emisivitou). Systémy pro bezkontaktní měření teploty Systémy pro bezkontaktní měření teploty se rozlišují podle použitého snímače – detektoru a podle provedení. Mezi nejjednodušší systémy, které se v současné době využívají, patří právě spektrální pyrometry. Jsou to jednobodové bezkontaktní teploměry, které měřenou úroveň záření přepočítávají podle již uvedeného vztahu na teplotu. Jelikož je u nich použit jednobodový detektor, výstupem je jedna hodnota – teplota. Tyto systémy vzhledem ke svému použití (krátké vzdálenosti) nemají korekci Tatm (v tomto případě je tento parametr zanedbatelný). Jejich výhodou je nízká cena, nevýhodou omezené možnostmi (nelze zobrazit teplotní rozložení). Uplatňují se zejména ve stacionárních aplikacích trvalého bodového sledování teploty či jako přenosné pro snadné a rychlé určení teploty konkrétních měřicích bodů (obr. 3).  Obr. 3. Bezkontaktní teploměr – pyrometr (a) a optická závislost měřené plochy (b) V průmyslových, vědeckých, ale i bezpečnostních aplikacích nalezly své uplatnění dlouhovlnné termovizní systémy s maticovým detektorem. U těchto systémů se nyní využívá rozlišení 160 × 120 nebo 320 × 240 bodů. Výsledkem není pouze jedna hodnota (jako u pyrometrů), ale obraz sestavený z těchto bodů, který je roven úrovni vyzařované IČ energie z měřeného objektu. Tak lze teplotu nejen okamžitě změřit, ale především zobrazit teplotní rozložení nebo zdroje šíření tepla. Termovizní kamery se podle uspořádání dále dělí na:
Mezi hlavní výrobce s nejdelší tradicí ve výrobě termovizních systémů patří společnost FLIR Systems (dříve AGEMA, AGA), která má více než třicetileté zkušenosti s vývojem a výrobou termovizních systémů (výroba je situována do Švédska). Ve světě se v současnosti používá více než třicet tisíc termovizních kamer FLIR. Společnost FLIR tedy zaujímá bezesporu vedoucí pozici v oboru termovizní techniky. Za dobu své existence dosáhla v IČ oblasti a IČ termografii mnoha světových prvenství a je průkopníkem v tomto odvětví.  Obr. 4. Termovizní kamera ThermaCAM E65 (a) a termogramy závady na elektrorozvodu (b) a převodovce (c) Celosvětově (ČR a SR nevyjímaje) nejrozšířenějšími termovizními systémy jsou přenosné a stacionární kamery firmy FLIR Systems. Základ těchto kamer tvoří ThermaCAM řady E (v této řadě jsou čtyři typy), které jsou určeny pro snadnou a rychlou diagnostiku měřeného objektu. Pro potřeby rychlého termovizního měření jsou tyto kamery bezkonkurenčně nejlepší volbou (výměnné objektivy pro přizpůsobení zorného pole podle měřeného objektu či aplikace, citlivost a měřený rozsah –20 až +250 °C, ovládání jednou rukou, malá hmotnost, vestavěné menu v českém jazyce, termogramy ve formátu JPEG – jsou plně vyhodnotitelné/editovatelné a navíc je možné je komukoli zprostředkovat bez nutnosti jakéhokoli speciálního programu). K tomu přispívá i fakt, že nejlevnější termovizní kamera vyráběná firmou FLIR Systems je již od 279 000 Kč. Mezi profesionální ruční termovizní kamery patří kamery ThermaCAM řady P (v této řadě jsou tři typy), určené především pro přesné a snadné měření teplot a zobrazování teplotních polí v mnoha průmyslových a vědeckých oborech. Tyto termovizní kamery mají větší rozlišení (detektor 320 × 240) a citlivost 0,08 až 0,05 °C, vestavěnou videokameru pro pořizování reálných záběrů spolu s termogramy, možnost vkládání zvukových poznámek k jednotlivým termogramům, funkci vysokorychlostního záznamu, ovládání jednou rukou, malou hmotnost, menu v českém jazyce, termogramy ve formátu JPEG. Závěr Termografie vyžaduje od uživatele termovizní techniky určité znalosti, které jsou nezbytné pro správné bezkontaktní měření teplot. Při výběru je třeba brát v úvahu kvalitu nabízených termovizních systémů, která zásadně ovlivňuje výsledek měření. Nejlepší referencí jsou v tomto případě dlouhodobě a spolehlivě provozované kamery od renomovaného výrobce, který nejen kameru dodá, ale poskytne i odborné školení a poprodejní servis. Společnost TMV SS je od roku 1991 dodavatelem termovizních kamer FLIR mj. do oblasti výroby, přenosu a distribuce elektrické energie v ČR a SR a jako součást dodávky poskytuje zdarma čtyřdenní školení ke každé zakoupené termovizní kameře a zajišťuje veškerý záruční a pozáruční servis v ČR. TMV SS spol. s r. o. nabízí kromě termovizních kamer velké množství přístrojů měřicí a diagnostické techniky pro energetiku a průmysl. Další informace mohou zájemci najít na adrese: TMV SS spol. s r. o. | |
Ke kamerám se navíc dodávají profesionální programy pro vyhodnocení termogramů, které pracují v prostředí MS Word (tedy známé programové prostředí), které jsou navíc plně lokalizovány do českého jazyka. Samozřejmostí jsou návody k obsluze v českém jazyce.