Termokamera.cz

Všechny předměty s teplotou větší než je absolutní nula, tj. všechny tělesy ve známém vesmíru, vyzařují energii ve formě elektromagnetického záření. Toto záření nazýváme tepelným zářením, abychom jej odlišili od elektromagnetického záření, které je generováno z jiných příčin.

Protože intenzita elektromagnetického záření je závislá na povrchové teplotě objektu, který toto záření vydává, lze změřením intenzity záření stanovit povrchovou teplotu objektu. A právě toto je princip bezdotykového měření teploty, na kterém funguje i měření termokamerou. Protože je zdrojem tohoto elektromagnetického záření termický pohyb částic, z nichž je objekt složen, nazýváme toto záření „tepelným zářením“, abychom jej odlišili od ostatního elektromagnetického záření, které vzniká z jiných příčin.

Tepelné záření těles popisuje tzv. Planckův vyzařovací zákon formulovaný v roce 1900 Maxem Plankcem. Intenzita vyzařování roste se čtvrtou mocnitou povrchové teploty tělesa.

Stefanův-Boltzmannův zákon

Vše kolem nás tedy vyzařuje tepelné záření. Dokonce i předměty, které považujeme za velmi studené (např. kostka ledu) vyzařují spoustu energie ve formě tepelného záření. Pokud známe emisivitu předmětu, který je zdrojem záření a známe jeho teplotu v Kelvinech a velikost povrchu v metrech čtverečních můžeme spočítat vyzářený výkon ve Watech pomocí Stefanova-Boltzmannova zákona.

Pokud budeme chtít spočítat, kolik energie ve formě tepelného záření vyzáří kostka ledu, dosadíme do uvedeného vztahu. Uvažujme (pro zjednodušení) efektnivní emisivitu kostky ledu 0,9 a teplotu 273 K (tj. cca 0 °C). Po dosažení do uvedeného vztahu zjistíme, že na metr čtvereční povrchu vyzáří led záření o výkonu 283 W! Má-li naše kostka povrch 6 cm2. Vyzáří ze svého povrchu záření o velikosti 0,170 W.

Vyzařuje i led vyzařuje poměrně velké množství energie ve formě tepelného záření, jak jsme spočítali výše. Zde je infračervené záření ledu zaznamenáno termokamerou. Podařilo se i poměrně přesně stanovit teplotu, tj. -0.1 °C při emisivitě 0.97 (teplota tající vody je dle definice 0.01 °C).

Wienův posunovací zákon

Se změnou povrchové teploty objektu se nemění jen intenzita vyzařování, jak říká výše zmíněny Stefanův-Boltzmannův zákon, ale také spektrální rozložení vyzařovaného vykonu. S rostoucí teplotou se maximální intezita vyzařování posouvá směrem ke kratším vlnovým délkám podle tzv. Wienova posunovacího zákona.

Výše zmíněný zákon si lze příblížit následující úvahou: při zahřívání ocelové tyče nejprve při nízkých teplotách žádné záření nepozorujem. Tyč sice elektromagnetické záření vyzařuje, ale téměř výhradně v infrařervené oblasti (a záření je pak pozorovatelné termokamerou). Pokud budeme tyč dále ohřívat, bude se maximum vyzařování posouvat směrem ke kratším vlnovým délkám, až při teplotě přibližně 525 °C (tzv. Drapertův bod) začne vyzařovat i viditelné světlo.

Planckův vyzařovací zákon

Wienův posunovací zákon, ani Stefanův-Boltzmannův zákon nedávají plnou informaci o tepelném záření těles. Stefanův-Boltzmannův zákon říká pouze celkovou vyzářenou energii, nikoli rozložení této energie do jednotlivých vlnových délek. Wienův posunovací zákon naproti tomu říká pouze vlnovou délku, kde těleso vyzařuje maximum záření, neříká nic o intenzitě vyzařování mimo toto maximum.

Tepelné záření těles popsal plně až Max Planck v roce 1900, když formuloval tvz. Plankcův vyzařovací zákon. Ten je obecnější než dva výše popsané zákony (které mu také historicky předcházely) a stanovuje, kolik energie vyzáří na jednotlivých vlnových délkách.

Pro černé těleso (tj. těleso s emisivitou rovnou jedné) je tato spektrální závislost funkcí pouze povrchové teploty, jak ukazuje následující graf vyzařování pro černé těleso s různou povrchovou teplotou.

Emisivita

Když hovoříme o tepelném záření, musíme se zmínit o emisivitě. Emisivitu lze chápat jako efektivitu vyzařování (jako účinní). Nejvyšší emisivita je u tzv. čeného tělesa, což je těleso, které pohlcuje veškeré na něj dopadající záření. U reálného tělesa je emisivita vždy menší než jedna. V praxi to znamená, že takové těleso při stejné povrchové teplotě jako má černé těleso, vyzáří méně tepelného záření!

Velikost emisivity měřeného povrchu podstatným způsobem ovlivňuje výsledek měření termokamerou. Je-li nastavena nesprávně, mohou být výsledky měření zavádějící. Zde na snímku je povrchu, jehož povrchová teplota je konstantní, ale vlivem odlišné emisivity nasprejovaného nápisu je jeho povrh zdánlivě chladnější.

Považujeme-li emisivitu za konstantní, tj. nezávislou na vlnové délce, hovoříme pak o tzv. šedém tělese. Ve skutečnosti je ale emisivita vždy závislá na vlnové délce a všechny reálné předměty jsou tzv. selektivní zářiče. Rozdíl mezi vyzařováním selektivního zářiče, černého tělesa a šedého tělesa ilustruje následující graf.

Další informace jako závislost emisivity na dalších okolnostech, vliv emisivity na výslednou přesnost měření, postup pro stanovení emisivity apod. se můžete dozvědět na některém ze školení v Centru termografie.