IR teploměry v praxi

Cílem tohoto článku je seznámit čtenáře s praktickým měřením bezkontaktními teploměry. Objasníme nejčastější dotazy a fyzikální principy, které poslouží k lepšímu pochopení měření. Na základě informací získaných z tohoto článku budete schopni správně a bezpečně používat IR teploměry, tak, aby výsledek měření byl co nejpřesnější a jednoznačný. IR teploměr je univerzální přístroj, který je vhodný ke snímání teploty desek plošných spojů, součástek na desce a elektronických celků. Vzhledem k bezkontaktnímu měření je použití infračerveného teploměru naprosto bezpečné a vhodné pro měření částí pod napětím. Při měření není nijak ovlivněn měřený prvek, není z něj odebírána žádná energie. Použití IR teploměru je velice jednoduché a přesné za předpokladu, že dodržujeme základní pravidla pro měření. V praxi se IR teploměry hojně používají nejen v elektronice, ale také například při opravách rozvaděčů, automobilů, při měření v chemickém a potravinářském průmyslu, ve strojírenství, stavebnictví atd.

Jaký je princip měření?

Molekuly látky se pohybují (tepelný pohyb), zastaví se pouze při absolutní nule. Jelikož dochází k pohybu elektrických nábojů, každé těleso (s teplotou větší než absolutní nula) vyzařuje elektromagnetické záření. Toto záření (vlnové délky 0,7 μm~1000 μm) nese jednoznačnou informaci o teplotě tělesa. Prakticky využitelné spektrum, na které jsou citlivé IR detektory, je 0,7 μm~14 μm. Jednoduše řečeno, každé těleso vysílá infračervené záření, ze kterého můžeme získat informaci o jeho teplotě. Měřicí systém infračerveného teploměru je poměrně jednoduchý. Záření z měřeného předmětu prochází čočkou, která jej koncentruje na čidlo. Teploměr poté zpracuje signál z čidla a zobrazí údaj o teplotě na displeji.

Na jakou vzdálenost lze měřit IR teploměrem?

Jeden z nejčastějších dotazů, na který neexistuje jednoznačná odpověď. Teoreticky totiž vzdálenost není omezená, ale je třeba si uvědomit, že při měření IR teploměrem neměříme teplotu bodu, ale plochy! Čidlo totiž snímá teplotu z kuželu, jehož parametry určuje optická charakteristika (obr. 1). Je to poměr vzdálenosti k průměru měřené plochy. Například optická charakteristika 12 : 1 znamená, že z 12 m měříme teplotu plochy o průměru 1 m. Čím vyšší je první číslo (20 : 1, 30 : 1, 50 : 1), tím je kužel ostřejší a lze měřit na větší vzdálenosti. Abychom tedy věděli, co vlastně měříme, je nutné věnovat optické charakteristice pozornost. Všechny lepší přístroje jsou vybaveny laserem k zaměření středu měřené plochy. Velice snadno totiž může nastat situace, kdy je měřená plocha větší než předmět, který chceme měřit, a výslednou teplotu nám zkresluje pozadí měřeného předmětu (obr. 1). Jediným možným řešením této situace je přiblížit teploměr více k měřenému předmětu.

Obr. 1 Optická charakteristika

Co je to emisivita?

Emisivita je schopnost tělesa vyzařovat teplo a je definována jako poměr intenzity vyzařování reálného tělesa k intenzitě vyzařování absolutně černého tělesa se stejnou teplotou, jde o bezrozměrnou veličinu. Emisivita absolutně černého tělesa ε=1, reálného tělesa ε≤1. Zjednodušeně můžeme říci, že emisivita nabývá hodnot od 0 (zrcadlo) do 1 (černé matné těleso). Tabulky emisivity lze nalézt mimo jiné v návodu k teploměru a na internetu.

Obr. 2 Profesionální IR teploměr s možností připojení k PC a na stativ

Organické látky, matné nátěry a zoxidované povrchy mají emisivitu přibližně 0,95. Z toho důvodu mají některé jednodušší (a levnější) teploměry pevně nastavenu emisivitu právě na tuto hodnotu (ε=0,95). Lepší teploměry mají nastavitelnou emisivitu, což umožňuje přesnější měření na různých materiálech. Dá se říct, že teploměry s fixní emisivitou jsou vhodné pro orientační měření a teploměry s nastavitelnou emisivitou pro přesnější měření.

Jak určit emisivitu?

Není určitě problém nalézt emisivitu materiálu v tabulce (v návodu k přístroji, na internetu…), ale například u kovů by se měly hodnoty z tabulek používat pouze orientačně. Povrchová úprava materiálu (oxidovaný povrch, zdrsněný, leštěný…) totiž také podstatně ovlivňuje emisivitu. Jak tedy postupovat, když neznáme emisivitu a potřebujeme ji zjistit? Existuje několik jednoduchých metod, které lze použít k přesnému určení emisivity.

A) Použití lepicí pásky nebo nátěru s definovanou emisivitou Tato metoda se dá s úspěchem použít u nižších teplot. Na měřený předmět se nalepí páska se známou emisivitou (případně se část opatří nátěrem se známou emisivitou). IR teploměrem se změří teplota pásky. Poté se změří teplota povrchu bez pásky a na teploměru se nastaví emisivita tak, aby ukazoval správnou teplotu.

B) Ohřev vzorku na známou teplotu Ohřejte materiál na známou teplotu (zjistíte např. dotykovým teploměrem), změřte jeho teplotu IR teploměrem a měňte emisivitu, dokud nebude odpovídat teplotě změřené kontaktním teploměrem.

C) Zhotovení černého tělesa z měřeného materiálu K použití této metody je zapotřebí velké množství materiálu, což je její největší nevýhoda. Spočívá v tom, že do materiálu vyvrtáme otvor, jehož hloubka bude 6× větší než jeho průměr. Průměr musí odpovídat velikosti měřené plochy. Za předpokladu, že je emisivita vnitřních stěn aspoň 0,5, jsme vytvořili těleso s emisivitou téměř 1 a teplota měřená v otvoru je správná hodnota. Dál se postupuje již klasicky: změří se teplota povrchu (mimo otvor) a emisivita se nastaví tak, aby teplota odpovídala správné hodnotě. Tato metoda se dá s úspěchem použít i u vysokých teplot.

Výhoda všech tří metod je v tom, že takto získanou hodnotu emisivity můžeme v budoucnu použít při všech dalších měřeních daného materiálu.

Jaký je teplotní rozsah měření?

Teplotní rozsahy jednotlivých přístrojů na trhu jsou různé a souvisí se spektrální citlivostí použitého senzoru a materiálem, ze kterého je zhotovena optika přístroje. Například čidla s citlivostí v oblasti 8–14 μm se používají při měření nižších teplot (do cca 1000 °C), pro větší teploty se používá menších vlnových délek.

Další vlastnosti IR teploměrů

Při rozhodování o nákupu IR teploměru je nutné vzít v potaz i další parametry, které však již nemají zásadní vliv na přesnost měření. Jedná se například o možnost připojení teploměru na stativ, podsvětlení displeje, možnost přenosu dat do PC, max/min mód, dif/avg mód, data hold, data logging, možnost připojení kontaktního termočlánku atd.

Je vždy na rozhodnutí zákazníka, zda danou funkci využije či nikoliv a pro který přístroj se rozhodne. Já osobně bych vždy volil přístroje s nastavitelnou emisivitou, co největší optickou charakteristikou, záměrným laserem a možností uchycení na stativ.

Výhody IR teploměrů

+ bezpečnost (měření teploty částí pod napětím, rotujících a pohybujících se částí)

+ rychlost (v řádu milisekund)

+ rozsah teplot větší než u kontaktních teploměrů

+ přesnost (při správném použití)

+ neovlivňuje měřený objekt, neodebírá z něj žádnou energii

+ bezkontaktní měření = není možnost kontaminace potravin/chemikálií, nebo poškození měřeného povrchu.

Nevýhody IR teploměrů

– Nutnost znalosti základních principů (optická charakteristika, emisivita)

– měří pouze povrchovou teplotu

– zkresluje, pokud je v ovzduší velké množství kouře/prachu nebo vodní páry

– problematické měření látek s nízkou emisivitou.