Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 18 – vyšlo 19. května, ročník 15 (2017) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

18/2017

Bezdotykové měření teplotních polí I

Jan Sova

V miniseriálu čtyř článků Vám představíme problematiku bezdotykového měření teploty za pomoci specializovaných měřicích přístrojů – tzv. termokamer. První díl série, který právě čtete, je zaměřen na stručné vysvětlení fyzikální problematiky. Další tři díly seriálu budou zaměřeny na vysvětlení principu měření a konstrukce termokamer jakožto měřicích přístrojů. Samozřejmě nebude chybět krátká diskuze vhodnosti jednotlivých modelů pro dané aplikační využití.

Termokamery pro vědecko-výzkumné aplikace. Zdroj: FLIR [3].

Černé těleso – idealizované těleso, které absorbuje veškeré záření na něho dopadající. Těleso je v termodynamické rovnováze, takže je nakonec veškerá absorbovaná energie opět vyzářena, ale pouze povrchem. Střední volná dráha fotonů je natolik malá ve srovnání s rozměry tělesa, že foton z vnitřku tělesa nemůže uniknout. Na vyzařování se podílejí jen fotony v těsném okolí povrchu. Černé těleso vyzařuje spojité spektrum záření (záření černého tělesa). Maximum vyzařování je na vlnové délce, která souvisí s teplotou povrchu. Čím vyšší je teplota, tím těleso vyzařuje na kratších vlnových délkách. Planckův vyzařovací zákon – závislost intenzity vyzařování absolutně černého tělesa na vlnové délce či frekvenci. Zákon odvodil Max Planck v roce 1900 za předpokladu, že vyzařovaná energie není spojitá, ale mění se po kvantech. Planckův vyzařovací zákon stál u zrodu kvantové teorie. Wienův posunovací zákon – zákon ukazující, že vlnová délka maxima vyzařování černého tělesa je nepřímo úměrná teplotě. Čím teplejší těleso je, tím kratší vlnové délky vyzařuje. Zákon odvodil německý fyzik Wilhelm Wien. Dnes ho lze snadno nalézt jako maximum v  Planckově vyzařovacím zákonu. Stefanův-Boltzmannův zákon – popisuje celkovou intenzitu vyzařovanou absolutně černým tělesem. Zákon odvodili rakouští fyzikové Josef Stefan a Ludwig Boltzmann. Dnes lze zákon snadno odvodit integrací Planckova vyzařovacího zákona přes všechny frekvence a celý prostorový úhel. Ukazuje se, že celková intenzita vyzařování prudce roste s teplotou, je úměrná její čtvrté mocnině.

Úvod

Termokamery jsou přístroje, které se dnes běžně používají k bezdotykovému měření teploty prakticky ve všech odvětvích průmyslu a vědecko-technického výzkumu, a to od těžkého kovozpracujícího průmyslu po lékařský a mikrobiologický výzkum. Termokamera jako měřicí přístroj zaznamenává intenzitu tepelného záření vyzařovaného z povrchu měřených objektů. Na základě naměřené intenzity vyzařování a uživatelem zadaných parametrů je pak termokamera schopna stanovit výpočtem rozložení povrchové teploty. Vzniká tak 2D signál – obraz, v němž jednotlivé pixely odpovídají povrchové teplotě (skutečné či tzv. zdánlivé, a to podle toho, zda byly správně zadány paramety měření). Tento 2D signál, který je výstupem měření termokamerou, se nazývá termogram [2]. Termogram si můžeme představit jako obdobu digitálního snímku, kdy ale jednotlivé pixely nenesou informaci o naměřeném jasu, nýbrž o povrchové teplotě snímaných objektů.

Ukázka termogramu desky plošných spojů (DPS). Jednotlivé pixely (při správném nastavení parametrů měření a za splnění dalších podmínek) odpovídají povrchové teplotě. Termokamery se velice často právě při vývoji DPS používají k optimalizaci jejich návrhu. Zdroj: FLIR.

Technický obor, který se zabývá problematikou bezdotykového měření teploty a případně i následného využití získaných údajů (například pro účely nedestruktivního testování) se nazývá termografie. Abychom si mohli podrobněji vysvětlit problematiku bezdotykového měření teploty, je třeba osvětlit fyzikální souvislosti týkající se tepelného záření těles. Tepelné záření (někdy též nazývané sálání) je vedle „vedení“ a „proudění“ jedním ze tří způsobů přenosu tepla mezi tělesy.

K bezdotykovému měření teploty se používají také jednodušší přístroje, které se označují jako tzv. „pyrometry“ [6]. Ty slouží k bodovému měření teploty, vše ostatní je prakticky beze změny, jen konstrukce je samozřejmě poplatná účelu. Tyto přístroje jsou v současné době intenzivně využívány v průmyslu, metrologii, ale i ve výzkumu.

Tepelné záření

Vystavíme-li své tělo slunečnímu záření, cítíme intenzivně jeho tepelné účinky a dokonce i se zavázanýma očima jsme schopni poměrně přesně určit polohu SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.. Stejné pocity v nás vyvolává například záření nahřátých kamen. Vnímáme, že záření kamen je stejně „tepelné“, jako to sluneční. Tělesa všech skupenství s teplotou vyšší, než je absolutní nula, vyzařuji elektromagnetické záření, které má původ v tepelných (termických) pohybech nabitých částic, z nichž jsou tato tělesa složena. Vzhledem k tomu, že příčinou zářeni je teplo, nazýváme jej tepelným zářením (anglicky thermal radiation).

Pro bezdotykové měření teploty je důležitý poznatek, že intenzita vyzařování tepelného záření z povrchu těles roste s jejich povrchovou teplotou, je však závislá na materiálových vlastnostech. Fyzikální zákony, které tuto problematiku popisují, jsou známy jako Stefanův-Boltzmannův zákonStefanův-Boltzmannův zákon – popisuje celkovou intenzitu vyzařovanou absolutně černým tělesem. Zákon odvodili rakouští fyzikové Josef Stefan a Ludwig Boltzmann. Dnes lze zákon snadno odvodit integrací Planckova vyzařovacího zákona přes všechny frekvence a celý prostorový úhel. Ukazuje se, že celková intenzita vyzařování prudce roste s teplotou, je úměrná její čtvrté mocnině., Wienův posunovací zákonWienův posunovací zákon – zákon ukazující, že vlnová délka maxima vyzařování černého tělesa je nepřímo úměrná teplotě. Čím teplejší těleso je, tím kratší vlnové délky vyzařuje. Zákon odvodil německý fyzik Wilhelm Wien. Dnes ho lze snadno nalézt jako maximum v  Planckově vyzařovacím zákonu. a konečně zákon, ze kterého oba právě zmíněné zákony plynou, se nazývá Planckův vyzařovací zákonPlanckův vyzařovací zákon – závislost intenzity vyzařování absolutně černého tělesa na vlnové délce či frekvenci. Zákon odvodil Max Planck v roce 1900 za předpokladu, že vyzařovaná energie není spojitá, ale mění se po kvantech. Planckův vyzařovací zákon stál u zrodu kvantové teorie.. Skutečnost, že intenzita vyzařování tepelného záření z povrchů těles roste se čtvrtou mocninou povrchové teploty těles, lze využít právě při bezdotykovém měření teploty. A také se využívá, jen je v praxi situace komplikovanější a je třeba znát ještě další parametry měření a pracovat s tzv. rovnicí termografie, která zohledňuje i vliv okolních těles a atmosféry.

Historie poznání infračerveného záření

Historie poznání tepelného záření je velice zajímavá nejen z historického hlediska, ale pomáhá osvětlit jak fyzikální zákonitosti, tak základní principy termografie.

V roce 1800 William Herschel objevil „temné záření“ při rozkladu světla hranolem. Opakoval známý experiment, kdy při dopadu světelných paprsků na optický hranol dochází k lomu a v důsledku toho také k rozkladu na barevné spektrum, situaci lépe ilustruje obrázek. Již před Herschelovým pozorováním byla dobře známa skutečnost, že promítáme-li na stůl barevné spektrum a posouváme po něm kádinku s vodou, do níž je ponořený teploměr, naměříme tím vyšší teplotu, čím blíže budeme červené části spektra [4].

Herschelův převratný objev byl ale v tom, že posunul kádinku s teploměrem dokonce za červené spektrum. K jeho překvapení (a k neuvěření všem ostatním), zde naměřil ještě vyšší teplotu než v červené části spektra! Tento jev byl bezpochyby převratný, neboť najednou bylo zřejmé, že zjevně existuje záření, které není vidět, ale má schopnost přenášet teplo! Tehdy ale ještě nikdo nevěděl, že existuje něco jako tepelné záření. A nikdo také nevěděl, že sluneční světlo je vlastně tepelné záření se spektrem vyzařování, která dalece překračuje „pouhé“ spektrum viditelného světla. Ultrafialové záření pak bylo objeveno v roce 1901. Pojmy „ultrafialové“ a „infračervené“ záření byly zavedeny až mnohem později.

William Herschel objevil „temné záření“ při rozkladu světla hranolem. Opakoval známý experiment, kdy při dopadu světelných paprsků na optický hranol dochází k lomu a v důsledku toho také k rozkladu na barevné spektrum. Zdroj: Caltech [7].

Důležité momenty
1830	Italský fyzik Macedonio Melloni objevil propustnost krystalů NaCl pro infračervené záření (pro technicky nejzajímavější část spektra).
1859	Německý fyzik Gustav Kirchhoff přichází s obecnou teorií emise a absorbce (schopnost látky emitovat záření je rovna schopnosti záření pohlcovat).
1884	Rakouští fyzikové Josef Stefan a Ludwig Boltzmann zformulovali zákon o celkovém vyzařování černého tělesa (Stefanův-Boltzmannův zákonStefanův-Boltzmannův zákon – popisuje celkovou intenzitu vyzařovanou absolutně černým tělesem. Zákon odvodili rakouští fyzikové Josef Stefan a Ludwig Boltzmann. Dnes lze zákon snadno odvodit integrací Planckova vyzařovacího zákona přes všechny frekvence a celý prostorový úhel. Ukazuje se, že celková intenzita vyzařování prudce roste s teplotou, je úměrná její čtvrté mocnině.). V té době již bylo zřejmé, že existuje tepelné záření těles a tento zákon přináší do problematiky důležitý kvantitativní vztah.
1893	Německý fyzik Wilhelm Wien empiricky odvodil zákon o posunu maxima vyzařování s teplotou (Wienův posunovací zákonWienův posunovací zákon – zákon ukazující, že vlnová délka maxima vyzařování černého tělesa je nepřímo úměrná teplotě. Čím teplejší těleso je, tím kratší vlnové délky vyzařuje. Zákon odvodil německý fyzik Wilhelm Wien. Dnes ho lze snadno nalézt jako maximum v  Planckově vyzařovacím zákonu.). Za tento zákon obdržel Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1911.
1900	V roce 1899 přišel německý fyzik Max Planck s myšlenkou, že emise a absorpce zářivé energie se může dít jen po celistvých násobcích kvanta energie. V roce 1900, sto let po objevení infračerveného záření, formuluje Planck vyzařovací zákon (Planckův vyzařovací zákonPlanckův vyzařovací zákon – závislost intenzity vyzařování absolutně černého tělesa na vlnové délce či frekvenci. Zákon odvodil Max Planck v roce 1900 za předpokladu, že vyzařovaná energie není spojitá, ale mění se po kvantech. Planckův vyzařovací zákon stál u zrodu kvantové teorie.). Nobelovu cenu obdržel v roce 1918.
1905	Německý fyzik Albert Einstein vysvětlil fotoelektrický jevFotoelektrický jev – vyrážení elektronů z povrchu některých látek (zejména kovů) světlem. Při tomto jevu se projevují částicové vlastnosti světla, jednotlivý foton musí mít energii vyšší než je výstupní práce nutná k vytržení elektronu z atomu. Jev poprvé objevil Heinrich Hertz v roce 1887 a vysvětlil Albert Einstein v roce 1905.. Ukázal, že Planckova kvanta jsou reálná a elektromagnetické záření prostřednictvím těchto kvant (fotonů) vytrhává elektrony z povrchu látky. Za vysvětlení fotoelektrického jevu získal Einstein Nobelovu cenu za fyziku v roce 1921.
1880	První pyrometryPyrometr – přístroj k bezdotykovému měření povrchové teploty. Určuje teplotu měřeného tělesa z tepelného záření. Měří se jím převážně teploty v rozsahu −50 °C až +3500 °C. byly konstruovány již desítky let před formulací Stefanova-Boltzmannova zákona. Zajímavý je například bolometrický pyrometr, který navrhl a zkonstruoval americký astronom Samuel Pierpont Langley v roce 1880. K jeho konstrukci byly použity dva tenké platinové plátky zapojené jako dvě větve Wheatstonova můstkuWheatstonův můstek – elektrický obvod určený k měření odporu vytvořením rovnováhy mezi dvěma větvemi obvodu, z nichž jedna obsahuje neznámý odpor. Metodu měření vynalezl Samuel Hunter Christie v roce 1833 a vylepšil ji a zpopularizoval sir Charles Wheatstone v roce 1843.. Langley pokračoval ve vývoji svého detektoru a po 20 letech se mu podařilo zvýšit citlivost čtyřistakrát.

Féryho pyrometr z roku 1901. Navržený přístroj používal na svou dobu netradiční optickou soustavu – jednalo se v podstatě o Newtonův dalekohled s tepelným termoelektrickým detektorem umístěným v ohnisku. Výstupní elektrický signál byl měřen přesným galvanometrem. Zdroj: Cambridge [8].

Odkazy