Definice a vliv emisivity při bezkontaktním měření teploty

Při bezkontaktním měření teploty se infračervené nebo tepelné záření vyzařované měřeným objektem detekuje pyrometrem. Pyrometr vypočítá teplotu z přijatého záření podle Planckovy rovnice záření. Úroveň záření je do značné míry závislá na emisivitě měřeného objektu. Co však emisivita vlastně znamená a jak ovlivňuje praktická měření? Jak lze emisivitu určit a na čem závisí? K jakým chybám může dojít při nesprávně stanovené emisivitě a jak lze minimalizovat chyby měření? Těmito a dalšími otázkami se zabývá následující článek.

Úroveň infračerveného/tepelného záření závisí nejen na teplotě, ale také na samotném měřeném objektu. Schopnost měřicího objektu vyzařovat tepelné záření, které absorboval (pohltil), se popisuje emisivitou. Ideální nebo takzvaný "zářič černého tělesa" vyzařuje veškeré záření, které pohltil. Skutečný zářič vyzařuje méně záření než "zářič černého tělesa" při stejné teplotě. Emisivita ε je poměr infračerveného záření skutečného měřeného objektu Φr k záření "zářiče černého tělesa" Φs.

ε = Φr / Φs

Emisivita je tedy bezrozměrná fyzikální veličina v rozsahu 0 až 1 nebo 0 až 100 %.

Záření, které dopadá na měřený objekt z okolí, se odráží ve větší či menší míře v závislosti na stupni odrazu měřeného objektu. Tepelné záření se řídí stejnými zákony vyzařování jako viditelné světlo. V případě průhledných objektů (sklo, fólie) může tepelné záření přicházet také z vnitřku měřeného objektu a z pozadí. Propustnost udává procento záření procházejícího objektem. Celkové záření ΦΣ zjištěné pyrometrem je tvořeno následujícím způsobem.

ΦΣ = ε * ΦO + ρ * ΦU + τ * ΦH

ε = emisivita
ρ = odrazivost
τ = propustnost
ΦO = záření objektu
ΦU = záření okolí
ΦH = záření pozadí

Koeficienty záření jsou propojeny vzorcem:

1 = ε + ρ + τ

U neprůhledných objektů se složka přenosu vynechává.

1 = ε + ρ

Emisivita měřeného objektu je do značné míry závislá na materiálu nebo povrchu materiálu. Nekovové a neprůhledné předměty obvykle dobře vyzařují teplo s emisivitou > 80 %. U kovů se emisivita může pohybovat mezi 5 a 90 %. Čím je kov lesklejší, tím je emisivita nižší.

Kromě toho se emisivita může měnit v závislosti na vlnové délce. Tato vlastnost je zvláště výrazná u kovů. Zářivý výkon kovů se zvyšuje s kratší vlnovou délkou. Při výběru se proto doporučuje použít krátkovlnný pyrometr.

Průhledné předměty, jako je sklo, plast nebo plyny, mají specifické rozsahy vlnových délek, ve kterých mají dobré vyzařovací vlastnosti. Pro měření teploty těchto materiálů je třeba zvolit pyrometry se speciálními senzory a filtry, které jsou citlivé na tuto vlnovou délku.

Chování kovů a skla při vyzařování se rovněž mění v závislosti na teplotě. Oxidace povrchu kovů a změna z pevného skupenství na kapalné způsobuje výraznou změnu emisivity.

Emisivita kovů se zvyšuje s rostoucí teplotou. U skla se s rostoucí teplotou zvyšuje hloubka záběru pyrometru, a tím i podíl záření z vnitřní plochy.

V praxi může docházet k vnějšímu záření z prostředí. Klasickým příkladem je měření studeného plechu uvnitř horké topné pece. Kromě záření z objektu pyrometr detekuje také záření od stěny pece, které se odráží od plechu. Čím více se teplota objektu blíží teplotě pece, tím menší je chyba měření.

K měření skutečné teploty objektu se používají vodou chlazené pozorovací trubice. Ty se používají k odstínění rušivého záření od stěn pece. Průměr trubice by měl být alespoň šestinásobkem měřicí vzdálenosti od objektu, aby se vytvořil dostatečně velký stín.

Informace o emisivitě různých látek naleznete v literatuře nebo v návodu k obsluze. Tyto informace je však třeba brát s rezervou. Je důležité vědět, pro jakou vlnovou délku a teplotu uvedená hodnota platí. Kromě toho se jedná o hodnoty, které platí za ideálních podmínek měření.

V reálných podmínkách může být záření detekované pyrometrem také výsledkem okolního záření odraženého nebo prošlého objektem. Pokud by byl pyrometr nastaven na idealizovanou literární hodnotu, zobrazoval by příliš vysokou teplotu.

Aby se zobrazovala správná teplota, musí být emisivita na pyrometru nastavena na vyšší hodnotu. Tomu se říká umělé zvýšení emisivity. Skutečnou emisivitu, kterou je třeba nastavit, lze určit srovnávacím měřením s kontaktním teploměrem. Chyba měření pak samozřejmě závisí také na přesnosti kontaktního měření.

Alternativně lze na měřený objekt při teplotách do cca 250 °C nalepit nálepku s definovanou emisivitou.

Nejprve se určí skutečná teplota na nálepce (obr. 2). Poté se provede srovnávací měření přímo vedle nálepky a na pyrometru se nastaví emisivita tak, aby se opět zobrazovala předchozí naměřená hodnota. Protože vliv emisivity roste s teplotou, mělo by se toto porovnávací měření provádět při vyšších teplotách.

Při vysokých teplotách objektu nebo nepřístupných měřených objektů, např. ve vakuové peci, se doporučuje porovnávací měření pyrometrem s velmi krátkou vlnovou délkou, protože s kratší vlnovou délkou měření se z fyzikálních důvodů snižuje chyba měření.

K tomuto účelu se ideálně hodí pyrometr pro porovnání intenzity (obr. 3). Princip měření těchto přístrojů je založen na optickém porovnávání barev při vlnové délce 0,67 μm. Princip měření navíc funguje nezávisle na velikosti měřeného objektu.

Vliv změn emisivity nebo nesprávného nastavení pyrometru je znázorněn na obrázku 4.

Před několika lety se na trhu objevily pyrometry, které měří záření ve dvou vlnových délkách současně. Kvocient těchto dvou záření je úměrný teplotě. Pokud se záření přijímané oběma měřicími kanály změní v důsledku změny emisivity, kvocient, a tedy i teplota, zůstává stále konstantní. To však platí pouze v případě, že změna emisivity je pro oba kanály stejná. V praxi není změna kovů konstantní. Kvocientové pyrometry pak mohou vykazovat dokonce podstatně větší chyby měření než jednokanálové pyrometry. Varujeme proto před často uváděným "měřením nezávislým na emisivitě" u poměrových pyrometrů.

Poměrový pyrometr má metrologické výhody, pokud je například zářivá energie obou kanálů oslabena ve stejné míře znečištěnými pozorovacími skly nebo prachem v zorném poli. Teplota se přesto zobrazuje správně.

V kritických podmínkách měření se doporučuje analyzovat obě spektrální hodnoty teploty a kvocient teploty paralelně. V závislosti na výsledku lze pyrometr nastavit na lepší způsob měření.

Při výběru pyrometru je třeba věnovat velkou pozornost nejistotě měření uvedené v brožuře. Při bezdotykovém měření teploty však chyba měření, která vzniká, v podstatě závisí na metrologických vlastnostech měřeného objektu a okolních podmínkách. Chyba měření specifická pro přístroj má pouze zanedbatelný vliv. Proto je třeba výše popsané korelace zohlednit jak při výběru pyrometru, tak při určování místa měření.