Kako izbrati infrardeči termometer?
Bojan TEŽAK
Izvleček: Ročni infrardeči termometer je najpogosteje uporabljan brezkontaktni merilnik temperature. Na prvi pogled enostavna uporaba pa je na žalost pripeljala tudi do nekritičnega merjenja in posledično nepravilnih rezultatov, ki pri uporabnikih vzbujajo dvom o uporabnosti IR-termometrov za resne meritve. Merilec se mora zato zavedati vsaj nekaj osnovnih fizikalnih omejitev merjenja, ki so sicer ze dolgo znane, vendar pri vsakodnevnem merjenju pogosto neupoštevane. Razvoj tehnologije je poleg ročnih infrardečih termometrov prinesel tudi široko paleto stacionarnih IR-termometrov za zahtevnejšo uporabo, ki vse bolj zamenjujejo klasične kontaktne termometre. Prispevek opisuje ključne parametre, na katere moramo biti pozorni pri izbiri pravega IR-termometra za našo aplikacijo.
Ključne besede: IR-termometer, infrardeče merjenje temperature
■ 1 Uvod
Poleg treh velikih zmot [1] o infrardečih termometrih (v nadaljevanju IR-termometri) je zelo razširjena še ena, za merilca prav tako usodna zmota. To je neupoštevanje emisivnosti oziroma sposobnosti sevanja merjene površine. Ob nedavni predstavitvi IR-termometrov pri neki stranki sem že na začetku naletel na odklonilen odnos. Po njihovih izkušnjah so se izkazali za popolnoma neuporabne. Njihova izkušnja je namreč sledeča. Trgovec jim je pred časom prodal najnovejši ročni IR-termometer, ki je, po trgovčevem mnenju, tako dodelan, da lahko vsakdo hitro, enostavno in zanesljivo meri temperaturo česarkoli. Vse, kar je potrebno vedeti, je: nameri, sproži in odčitaj. Ponosni vzdrževalec, novi
Slika 1. Izkušnje nas učijo, da temperature kuhalne plošče ne preverjamo z dlanjo
lastnik IR-termometra, je pridobitev z navdušenjem predstavil sodelavcem. Kako enostaven in hiter je postopek meritve, je demonstriral tako, da je termometer usmeril proti kovinskemu rezervoarju, v katerem je običajno razgreta tekočina. Termometer je pokazal, da je temperatura kotla na sobni temperaturi, torej nevarnosti za dotik ni. S popolnim zaupanjem v zanesljiv rezultat meritve z natanč-
Slika 2. Poln pivski sod na polnilni liniji
Bojan Težak, univ. dipl. inž., Terming termografija, d. o. o., Ljubljana
nim in dragim IR-termometrom, je na kotel, ki je običajno na precej visoki temperaturi, pritisnil svojo dlan. Lah-
ko si predstavljate njegovo začudenje, ko se mu je dlan zaradi vročine prilepila na kotel. Od takrat naprej leži IR-termometer v predalu, IR-metodo merjenja temperature pa so zavrgli kot nezanesljivo in neuporabno.
■ 2 Primera nekritičnega merjenja
Nikomur ne pade na pamet, da bi z dlanjo preverjal temperaturo električne kuhalne plošče (slika 1). Preverjanje temperature plošče z IR-termometrom je dokaj zanesljivo merjenje tudi za našega nesrečnega merilca. Ker ima plošča visoko emisiv-nost, bo s svojim novim IR-ter-mometrom izmeril pravo temperaturo. IR-termometri imajo običajno tovarniško predna-stavljeno visoko vrednost za emisivnost, ponavadi na 95 %. Pri nekaterih cenejših IR-termome-trih te vrednosti uporabnik celo ne more spreminjati.
izmerjeni odzivi instrumenta glede na normirani izvor sevanja (slika 4, slika 5). Normirani izvor sevanja je tako imenovano realno črno telo. Za praktično uporabo je realno črno telo povsem zadosten približek teoretičnemu črnemu telesu, ki predstavlja idealni izvor sevanja. Za idealno črno telo velja, da pri vsaki temperaturi seva največ možne energije.
Slika 3. Temperaturni profil vzdolž linije na sliki 2. Emi-sivnost je nastavljena na 90 %.
Kaj je bilo torej narobe, da se je merilec opekel? Slika 2 prikazuje toplotno sliko (termogram), posneto z IR-kamero, in pripadajočo fotografijo polnega pivskega soda na polnilni liniji v pivovarni.
Linijski temperaturni profil prikazuje temperaturno porazdelitev vzolž linije pri nastavljeni emisivnosti 90 %.
Popolnoma nelogično je, da je toplo pivo samo nekje na sredini soda, kot to prikazuje temperaturni linijski profil. Očitno je, da IR-meri-tvam ne moremo in ne smemo slepo verjeti.
■ 3 Emisivnost [2]
IR-termometer in IR-kamera sprejemata elektromagnetno valovanje, ki prihaja iz smeri merjenca. Merjenec oziroma objekt z višjo temperaturo seva več energije glede na objekt, ki ima nižjo temperaturo. IR-termo-meter, tako kot IR-kamera, sprejeto energijo elektromagnetnega valovanja pretvori v električni signal in vrednost signala primerja s podatki v elektronskem spominu ter z upoštevanjem drugih parametrov in nastavitev na instrumentu izračuna temperaturo merjenca. Podatki v spominu IR-termometra so
Odziv IR-termometra na sevanje realnega črnega telesa pri določeni temperaturi je integral Planckovega zakona sevanja oziroma Stefan-Bol-tzmanova enačba v omejenem pasu
valovnih dolžin (\,A2), (slika 5). Certifikat o kalibraciji za vsak instrument posebej navaja odstopanja temperature glede na referenčno temperaturo realnega črnega telesa.
3.1 Kaj mora vedeti merilec?
V praksi je malo površin, ki bi jih lahko primerjali z realnim črnim telesom. Tega bi se moral zavedati vsak merilec, ki nekritično uporablja IR-termometer. Slika 6 ponazarja lastnosti realnega objekta. Del elektromagnetnega sevanja, ki pade na objekt, gre skozi objekt, del se absorbira, del pa se odbije.
Slika 4. Umerjanje IR-termometra na izvor sevanja, kije realno črno telo
Slika 5. Odziv IR-termometra na referenčni izvor sevanja pri različnih temperaturah
Slika 6. Lastnosti realnega objekta Po zakonu o ohranitvi energije je:
a + p + T = 1 (1)
a absorpcija p refleksija T prepustnost
Za neprozorne objekte je t = 0 (slika 7).
kot večina ročnih IR-termometrov, deluje v območju valovnih dolžin 8 do14 /um. Na grafu (slika 8) je prikazano, da je sposobnost sevanja kovinske površine v tem valovnem območju zelo majhna, pod 10 %. Tudi zelo vroča površina je sposobna izsevati samo 10 % energije, ki bi jo izsevalo idealno črno telo na isti temperaturi. Naš merilec se je
Slika 7. Lastnosti neprozornega obje
Ostaneta samo absorpcija in refleksija:
a + p = 1 (2)
Po Kirchohovem zakonu, ki pravi, da je dober absorber tudi dober sevalec, sledi, da je a = s . V zgornji enačbi lahko namesto a zapišemo s in dobimo:
s + p = 1 (3)
Ta enostavni zapis je najpomembnejša enačba, ki jo mora imeti vsak merilec stalno pred očmi. Z drugimi besedami: visokorefleksne površine imajo zelo nizko emisivnost in obratno.
Vrnimo se k našemu nesrečnemu merilcu. Njegov instrument, tako
opekel zato, ker je nekritično verjel termometru, ki je zaradi visoke refleksije kotla v resnici izmeril temperaturo okolice in ne temperature kotla.
Površino, katere emisivnost je odvisna od valovne dolžine, imenujemo selektivni sevalec ali tudi nesivo telo. Kovinske površine so tipičen primer selektivnih sevalcev. K sliki 7 je potrebno dodati še nekaj zelo pomembnega. Vsi našteti faktorji, absorpcija (emisivnost), refleksija in transmisija, so valovno odvisni. Za točno meritev moramo poznati njihove vrednosti pri valovni dolžini, pri kateri meri IR-termometer.
V tabelah, ki jih dobite v navodilih za uporabo instrumenta ali jih najdete
na svetovnem spletu, so navedene tipične vrednosti za emisivnosti določenih materialov. Potrebno je biti pozoren, za katero valovno območje velja navedena vrednost. Emisivnost ni lastnost materiala, ampak njegove površine. Odvisna je od površinske strukture (obdelava, gladkost) in temperature. V splošnem emisiv-nost kovinskih površin s temperaturo narašča, nekovinskih pa pada.
■ 4 Kako IR-termometer določi temperaturo merjenca?
Z integriranjem Planckovega zakona sevanja po vseh valovnih dolžinah dobimo Stefan-Boltzmannov zakon, ki pravi, da je celotna energija, ki jo oddaja telo, proporcionalna četrti potenci absolutne temperature merjenca. Temu primeren je tudi odziv detektorja na vpadno sevanje [3]:
U « sTobj 4 (4)
U detektorjev odziv s faktor emisivnosti Tobj temperatura objekta
V realnih razmerah moramo za ne-prozorne objekte upoštevati, da je emisivnost merjene površine manjša od 1, kar pomeni, da je deloma refleksna. Termometer zato sprejema tudi sevanje, ki izvira iz nekega drugega izvora in se od merjene površine reflektira. Zaradi poenostavitve pravimo, da je ta motilni izvor na temperaturi okolice oziroma ambienta Tamb . Tudi termometer ima svojo temperaturo Tter, ki jo je potrebno upoštevati in ni nujno enaka Tamb .
U = C (sTobj 4 + (1 - s)Tamb 4 - Tter 4) (5)
C specifična konstanta
termometra (1 - s) faktor refleksije p Tamb temperatura reflektiranega izvora
Tter temperatura termometra
Ker IR-termometri ne merijo v celotnem spektru valovnih dolžin,
Valovna dolžina [o]
Slika 8. Emisivnost jekla v odvisnosti od valovne dolžine
integral Planckovega zakona ali Stefan-Boltzmanova enačba ne vsebuje več potence 4, ampak, odvisno od izbranega valovnega območja, neko drugo vrednost n.
U « sTobj" (6)
n potenca, ki je odvisna od valovnega območja integriranja Planakove enačbe n = /(/,/).V širokem o b-močju med 1 i/ 14jm znaša n med 2 in 17, v kratkovalovnem območju med 1 in 2,3 /jm pa med 15 in 17.
Dejanski odziv termometra je tako:
U = C(sTobjn + (1 - e)Tamb" - Ttern) (7)
in izmerjena temperatura objekta je proporcionalna:
Tobj =
U - CTambn +CsTambM +CTtern
Cs
(8)
Vrednostiza a so zapisane v spominu IR-termometra in so določen e pri umerjanju termometra na tefe-renčno čmo telo.
Kot bomo videli v nadaljevanju, imata faktor emisivnotti e in potenca n pomembno vlogo prri izbiri IR-termometra.
■ 5 Zaključek
Na prvi pogled enostavno merjenje z IR-termom etrom postane nočna mora takoj, ko se srečamo z merjenjem temperature visokorefleksnih površin. Podatki o emisivnostih, navedeni v raznih tabelah, so zgolj orientacijske narave. Emisivnost merjene površine moramo zato določiti sam i. Če je to mogoče, poskusimo povečati emisivnost z visokoemi-sivnimi nalepkami ali z barvanjem, sicer je meritev praktično nemogoča. Pri merjenju visokih temperatur nalepke ali barvanje ne pridejo v poštev. V tem primeru izberemo IR--termometer, ki meri pri krajših valovnih dolžinah, da talno naredimo manjšo napako. To pa je že tema, o kateri bo govor v nadaljevanju.
Viri
[1]	Težak, B.: Meritev temperature z infrardečim termometrom, Vzdrževalec avgust 2007, št. 118, str.: 16 - 18. http://www. terming.si/_lanki.html
[2]	Težak, B., Lovrec, D.: Uporaba IR-termografije v fluidni tehniki, Zbornik prispevkov Strokovne konference Fluidna tehnika 2005, str.: 231-253.
[3]	OptrisGmbH:Application article AA-Metal-E2011-09-A.
How to choose an in frared thermomete r?
Abstractj Handheld infeared thermometer is one of the most frequently used non--rontacts thermometer. At first glance easy to use unfortunately also led to uncritical measurement and consequently incorrect results which agitate uner'r doubt on the use-fulnern of IR the rm ometers for serious measurements. Measurer should therefore be aware of at least some fundamental physical limits of measurement, which are already long been known but for everyday measure ment often disreaarded. Development of technology in addition to handheld infrared thermometers also brought a wide range of stationary infrared thermometers for demanding users, who increasingly replace con-ventiona l contact thermometers. This paper describes thee key parameters on which we must pay attention when choosing the right IR thermometer for our application.
Keywordsj infrared thermometer, infrared temperature measurement.

sirolnistuo.com
križih stroj ni kov