Szybki pomiar temperatury, lecz nie zawsze dokładny
Istotą pomiaru bezkontaktowego jest pomiar temperatury z pewnej odległości od mierzonej powierzchni. Istniejące pole temperaturowe nie ulega zakłóceniu. Wykorzystano zjawisko promieniowania temperaturowego, które jest jednym z rodzajów promieniowania elektromagnetycznego. W wyniku oddziaływania ciepła cząsteczki znajdujące się na powierzchni zwiększają ruch, powodują przemieszczanie się ładunków, wywołując jednocześnie promieniowanie elektromagnetyczne. Mierzona temperatura określana jest na podstawie natężenia promieniowania wyemitowanego przez monitorowany obiekt. Strumień cieplny padający na określoną powierzchnie podlega:
- pochłanianiu A,
- odbiciu R,
- przepuszczaniu P.
Suma tych strumieni dla każdego ciała wynosi:
A+R+P=1
Jeżeli strumień jest całkowicie pochłaniany przez ciało, czyli A=1, R=0, P=0, to mamy do czynienia z ciałem doskonale czarnym. Przykładem takiego rozwiązania jest model przedstawiony na rysunku obok. Warunkiem całkowitego pochłaniania strumienia jest wielokrotne odbicie wewnątrz przedstawionego modelu.
Szybkość przekazywania ciepła Qr między źródłem promieniowania a dowolnym punktem ma postać:
Qr=εKAT4
- ε – współczynnik emisyjności powierzchni,
- K – stała Stefana – Boltzmanna,
- A- powierzchnia promieniująca,
- T – temperatura powierzchni (w Kelvinach).
Z tej zależności wynika, że emisyjność powierzchni jest bardzo istotnym czynnikiem.
Emisyjność, z wyjątkiem powierzchni metalowych, nie jest uzależniona od temperatury i długości fali. Emisyjność uzależniona jest od stanu powierzchni i jej jednorodności. Wymienione czynniki wpływają na wielkość błędów pomiarowych występujących przy bezdotykowym pomiarze temperatury. Szerzej jest to omówione w artykule Dokładność i rozdzielczość.
Doskonałym źródłem promieniowania jest ciało czarne. Jego współczynnik emisyjności wynosi 1. Wartości emisyjności dla różnych materiałów są zróżnicowane (patrz tabelka).
| Materiał | Typowa wartość ε | Materiał | Typowa wartość ε |
|---|---|---|---|
| Utlenione aluminium | 0,11 | Stal | 0,80÷0,95 |
| Miedź nieutleniona | 0,20÷0,30 | Cegła (szorstka czerwona) | 0,91÷0,94 |
| Mosiądz | 0,60 | Porcelana (szkliwiona) | 0,91÷0,94 |
| Miedź utleniona | 0,60 | Farby | 0,91÷0,94 |
| Żelazo | 0,65÷0,80 | Sadza | 0,95÷0,99 |
| Węgiel | 0,80 | Lód | 0,95÷0,99 |
| Papier | 0,90 | Woda | 0,95÷0,99 |
Źródło: P.H. Sydenham Podręcznik metrologii. Tom II Podstawy praktyczne.
Współczynnik emisyjności dla danego materiału należy uwzględnić przy wykonywaniu pomiarów.
Promieniowanie przebywając drogę wypełnioną materią wytraca część energii. Para wodna, zanieczyszczenia w postaci pyłu, dymu, dwutlenku węgla, stają się wtórnym źródłem promieniowania cieplnego. Wymienione czynniki mają wpływ na dokładność wykonywanych pomiarów. Sposoby eliminacji błędów pomiarowych przedstawiono w artykule: Dokładność i rozdzielczość.
Urządzenie służące do bezstykowego pomiary temperatury zwane pirometrem składa się z:
- Układu optycznego skupiającego promieniowanie,
- Detektora promieniowania (najczęściej czujnik fotoelektryczny),
- Układu przetwarzania sygnału pomiarowego,
- Wyświetlacza.
Pirometry
Pirometry są nowoczesnymi przyrządami pozwalającymi na wykonywanie szybkich pomiarów, bez konieczności dotykania badanych powierzchni. Posiadając odpowiednią wiedzę o sposobie eliminacji błędów pomiarowych można wykonywać pomiary w bardzo szerokim zakresie temperatur.
Zalety stosowania pirometru:
- bardzo szybki pomiar,
- możliwość pomiaru elementów poruszających się,
- pomiar temperatury w miejscach niebezpiecznych, np. będących pod napięciem elektrycznym,
- pomiar bardzo wysokich temperatur (powyżej 1300°C),
- brak zaburzenia pola termicznego,
- brak kontaktu mechanicznego z badanym obiektem.
Podstawowe pojęcia związane z pomiarami temperatury przy użyciu pirometrów
Rozdzielczość optyczna pirometru jest to stosunek odległości między mierzoną powierzchnią a pirometrem do średnicy kołowego „widzenia” pirometru. Przykładowo: rozdzielczość 10:1 oznacza, iż mierząc temperaturę z odległości 1m pirometr uśrednia temperaturę powierzchni kołowej o średnicy 0,1m. Zbliżając się na odległość 0,1m pirometr „widzi” powierzchnię o średnicy 1cm.
Zdolność absorpcyjna to zdolność pochłaniania promieniowania przez powierzchnię, pojęcie przeciwne do zdolności emisyjnej.
Refleksyjność (współczynnik odbicia). Powierzchnia błyszcząca, gładka metali charakteryzuje się dużą refleksyjnością. Współczynnik rośnie wraz z długością fali promieniowania i dla fal o długości powyżej 5µm praktycznie dla wszystkich metali wynosi 0,98. Omawiany współczynnik jest bardzo istotny przy pomiarach temperatury powierzchni błyszczących. W tym przypadku ustawienie właściwego współczynnika emisyjności nie jest wystarczającym warunkiem dokonania prawidłowego pomiaru. Do czujnika pirometru dotrze tylko niewielka część energii promieniowania metalu, reszta mierzonej energii będzie pochodziła od promieniowania tła. Oczywiście otoczenie (tło) ma inną temperaturę, niż badana powierzchnia metalu. Metody eliminacji błędów wynikających z współczynników odbicia przedstawiono w artykule Dokładność i rozdzielczość.
Emisyjność właściwa to emisyjność wyznaczana w kierunku normalnym dla płaskiej polerowanej i dostatecznie grubej powierzchni, tak by była nieprzezroczysta.
Emisyjność właściwa całkowita metali maleje wraz z obniżaniem się temperatury i jest na ogół mniejsza niż dla niemetali.
Emisyjność właściwa całkowita niemetali zwiększa się wraz z obniżeniem się temperatury. Należy zwrócić uwagę, że wygląd niemetali w świetle widzialnym może być podstawą do oceny ich emisyjności. Większość niemetali, otaczających na w życiu codziennym jak drewno, mur, masy plastyczne, tkaniny – w temperaturze ok. 20°C ma emisyjność całkowitą bliską jedności.
Eckersdorf K., Michalski L. Pomiary temperatury
Pirometr przeznaczony jest do punktowego pomiaru temperatury. Często potrzebny jest szczegółowy obraz rozkładu temperatury na dowolnej powierzchni. Do tego celu służy kamera termowizyjna. Dzięki termografii możliwe jest przetworzenie promieniowania podczerwonego na obraz widzialny przedstawiający profil temperaturowy badanej powierzchni. Jeżeli nałożymy na tak uzyskany obraz, obraz widzialny ze zwykłej kamery wideo mamy doskonałe narzędzie pomiarowe.
Kamera termowizyjna
Dzięki takiemu narzędziu możemy:
- zlokalizować ucieczki ciepła w źle ocieplonych budynkach,
- znaleźć potencjalne uszkodzenia w szafach rozdzielczych,
- ocenić rozkład temperatur występujących w urządzeniach technicznych.
