10. Měření emisivity a teploty povrchů bezkontaktním teploměrem
Teorie:
Všechna tělesa o teplotě vyšší než 0K vyzařují elektromagnetické záření. Čím je teplota tělesa
vyšší, tím více energie za určitou dobu vyzáří a spektrální maximum vyzařování se současně
posouvá ke kratším vlnovým délkám. Například Slunce o povrchové teplotě cca 5800 K vyzařuje
nejvíce energie ve viditelné oblasti na vlnových délkách v řádu stovek nm, Člověk o teplotě
310 K v oblasti kolem 10 µm.
Pro tzv. absolutně černé těleso, které všechno dopadající záření pohltí, popisuje vztah mezi
teplotou a spektrální hustotou vyzařování Planckův vyzařovací zákon. Z něj plynou dva důležité
důsledky.
1. Stefanův Boltzmannův zákon, který udává souvislost energie vyzářené jednotkovou
plochou tělesa za časovou jednotku W s teplotou
W = σT 4,
kde T je termodynamická teplota (v Kelvinech) a Stefanova-Boltzmannova konstanta
σ = 5, 6704 ⋅10−8 Wm -2 K -4 .
2. Wienův posunovací zákon
2898
λmax =
µ m,
T
který určuje vlnovou délku odpovídající maximální spektrální hustotě vyzařování.
Reálná tělesa ovšem větší či menší část elektromagnetického záření odrážejí, případně propouští.
Pro každou vlnovou délku platí vztah mezi spektrální pohltivostí α λ , odrazivostí ρλ a
propustností τ λ (dopadající světlo je částečně vzorkem absorbováno, částečně odraženo a
částečné jím projde)
α λ + ρλ + τ λ = 1.
Běžná tělesa záření v infračervené oblasti prakticky nepropouštějí, pak platí α λ ≐ 1 − ρλ .
Spektrální emisivita vyjadřuje, kolikrát méně povrch o určité teplotě na dané vlnové délce
vyzařuje, než kdyby bylo těleso absolutně černé. Vždy platí, že je rovna spektrální pohltivosti:
ε λ = αλ .
Pokud spektrální emisivita povrchu závisí na vlnové délce jen zanedbatelně, mluvíme prostě o
emisivitě ε a těleso označujeme jako tzv. šedé. Platí pro ně upravený Stefanův Boltzmannův
zákon ve tvaru
W = εσ T 4 .
Infračervené (IR) kamery a teploměry měří energii vyzařovanou snímaným povrchem (a ovšem i
odraženou od snímaného povrchu) v určité oblasti spektra, např. teploměr Testo 845 v rozpětí
8µm -14µm. Umožňují poměrně přesné bezkontaktní určení teploty za předpokladu, že je správně
nastavena emisivita měřeného povrchu (která současně není příliš nízká) a jsou zohledněny další
podmínky měření (např. prašnost, teplota okolí apod.). Ve stavebnictví se využívají např. při
určování tepelných ztrát budov a hledání tepelných mostů.
Emisivita se sleduje např. i u povrchových omítek. Protože zimní jasná obloha se
z termodynamického hlediska jeví jako těleso teploty až -70°C, jsou tepelné ztráty zářením
nezanedbatelné. V důsledku vysoké emisivity také může dojít zejména u zvnějšku zateplených
budov k podchlazení omítky až o 3°C vůči venkovní teplotě vzduchu, čímž na zdi dochází ke
kondenzaci vodní páry a následně růstu nevzhledných řas.
Kontaktní měření pomocí termočlánku (TE, jako u dotykové sondy k teploměru Testo) využívá
toho, že na kontaktu dvou různých kovů vzniká napětí závislé na teplotě, např. pro termočlánek
typu K (Ni-NiCr) je to asi 0,04 mV/K. Toto je snímáno a převedeno na odpovídající hodnotu
teploty. Termočlánek se musí zahřát na teplotu snímaného tělesa, po jeho přiložení je proto třeba
vyčkat několik sekund.
Při měření teploty povrchů s nízkou emisivitou se obvykle používají lepicí pásky s emisivitou
blízkou 1, které se na měřený povrch nalepí, pro dlouhodobé měření i nátěry.
Při nastavení emisivity na přístroji na hodnotu 1 tento při bezkontaktním měření udává zdánlivou
hodnotu TZ, jakou by muselo mít černé těleso, aby vyzařovalo zachycený výkon, W = σ TZ4 . Ten
je dán zejména zářením samotného tělesa W1 = εσ T 4 . Pokud určujeme teplotu tělesa s velmi
nízkou emisivitou a současně tedy i vysokou odrazivostí, jehož teplota je blízká teplotě okolních
těles, není zanedbatelný ani odraz tepelného záření okolních těles. Pomineme-li vliv úhlu odrazu,
bude W2 = (1 − ε ) ε 0σ T04 , kde ε0 a T0 označují emisivitu a teplotu okolních těles a
(1 − ε )
odpovídá
odrazivosti
našeho
tělesa.
Celkově
tedy
σ T = W = W1 + W2 = εσ T + (1 − ε ) ε 0σ T , neboli
4
Z
4
Z
4
0
ε=
TZ4 − ε 0T04
.
T 4 − ε 0T04
Úkol:
1. Seznamte se s funkcí teploměru Testo 845, nastavením emisivity a režimu současného
kontaktního i bezkontaktního měření. V režimu měření na velké vzdálenosti a
s emisivitou nastavenou na odpovídající hodnotu změřte teplotu stropu a obvodové zdi
v několika výškách. V režimu na blízko změřte teplotu v různých výškách radiátoru.
2. Určete emisivitu vyhřáté plastové desky současným kontaktním i bezkontaktním měřením
tak, že upravujete nastavení emisivity na přístroji, až dosáhnete shody.
3. Určete emisivitu černě lakované strany desky metodou popsanou v bodu 2. Stejně tak
určete emisivitu lesklé strany desky.
4. Určete emisivitu lesklé strany kovové desky současným kontaktním a bezkontaktním
měřením s emisivitou nastavenou na hodnotu 1 (jako by se jednalo o absolutně černé
těleso) výpočtem podle výše uvedeného vzorce.
5. Za předpokladu, že emisivita plastové desky je i pro teploty mírně pod bodem mrazu
stejná, jako jste nalezli v bodě 4, simulujte dlouhodobé měření teploty řízené
prostřednictvím PC a diskutujte výsledek.
Pomůcky:
1. teploměr testo 845,
2. povrchová sonda TE typu K, s pružným páskem,
3. PC a Comfort Software,
4. topná komora Leybold,
5. teplotní sonda k topné komoře s regulátorem teploty Leybold,
6. transformátor k topné komoře Leybold,
7. vzorky – desky 15cm × 15 cm, lesklý plech, černě lakovaný plech, plastová deska,
8. stojan na teploměr Testo a držák vzorku.
Postup:
Na začátku hodiny dejte nahřát plastovou desku. Teplotu v komoře nastavte na regulátoru na
58°C - při přepínači v poloze SET; pak jej přepněte do polohy MEASURE, abyste mohli sledovat
skutečnou teplotu v komoře. Pozor, aby v ní byla vložena teplotní sonda, jinak dojte k přehřátí a
zničení komory! Vložte plastovou desku a zakryjte ji pěnovou izolační deskou. Nechte systém
temperovat a mezitím se věnujte úkolu č. 1.
Po celou dobu měření dbejte na to, aby laserový zaměřovač nesvítil nikomu do očí!
Ad 1) Seznamte se s funkcemi teploměru Testo 845 dle přiloženého návodu. Emisivitu nastavte
na hodnotu vhodnou pro měření stropu a zdi dle tabulky a uložte (volbou menu, nastavení
hodnoty šipkami ▲ a▼, uložení symbolem diskety , menu). Optiku přepněte do režimu měření
na dálku a změřte alespoň 2 body na stropě a 3 body v různých výškách venkovní zdi. V režimu
na blízko změřte alespoň 3 body v různých výškách radiátoru. Údaje zapište do tabulky.
Ad 2) K teploměru připojte trafo a dotykovou teplotní sondu. Emisivitu nastavte na výchozí
hodnotu 1 a uložte. Přepněte do režimu současného kontaktního a bezkontaktního měření šipkou
▼(pozor, v případě vypnutí přístroje musíte nastavení zopakovat). Je-li již plastová deska
dostatečně vyhřátá (ověřte rukou, případně ji můžete i otočit), měřte současně teplotu ve dvou
bodech, v jednom kontaktně (sondu je třeba přiložit a vyčkat cca 10 s, než se teplota ustálí) a
v druhém bezkontaktně tak, aby tyto body ležely ve stejné výšce a symetricky vůči svislé ose
desky. Po uvolnění spínače je teploměr v režimu HOLD.
Zapište obě hodnoty do tabulky a měňte hodnotu emisivity na přístroji tak, aby se teplota
udávaná pro měření v IČ režimu co nejvíce přiblížila teplotě určené termočlánkem (po změně
nastavení emisivity přístroj automaticky přepočte údaj z IČ měření, není třeba měřit znovu).
Výsledky průběžně zapisujte. Po dosažení přijatelné shody (rozdíl teplot by měl být menší než 1
°C) zapište zjištěnou hodnotu emisivity do tabulky.
Celé měření pak proveďte znova s tím, že zaměníte polohu bodů snímaných kontaktně a
bezkontaktně.
Ad 3) Do vyhřívané komory umístěte kovovou desku černě lakovanou stranou ven, zakryjte a
nechte ji několik minut temperovat. Poté sundejte izolaci a postupujte analogicky bodu 2.
Pak desku otočte a opakujte totéž měření pro lesklou stranu desky.
Ad 4) Nastavte emisivitu na přístroji na hodnotu 1 a uložte. Tuto hodnotu nyní nebudete měnit.
Postupem popsaným v prvním odstavci k 2. úkolu změřte teplotu desky kontaktně a
bezkontaktně, výsledky zapište. Snímané body zaměňte a znovu změřte. Pak zvolte další dvojici
bodů, až realizujete 10 měření (pro 5 dvojic bodů). Pro každé měření vypočtěte emisivitu dle
udaného vzorce a určete její střední hodnotu (v případě vzorového protokolu stanovte i interval
spolehlivosti měření). Výsledek srovnejte s hodnotou získanou pokusně v bodě 3 a s hodnotou
udávanou v tabulkách. Zvažte možné zdroje chyb měření.
Ad 5) Odpojte napájení a dotykovou sondu, přepněte do režimu na blízko.
• Teploměr připojte k PC a umístěte do stojanu (kabel provlečte držákem).
• Spusťte Comfort Software.
• Na liště vlevo zvolte testo 845.
• Zvolte Řízení přístroje a nechte jej synchronizovat, v případě potřeby (např. zobrazí-li se
na displeji ----) jej nechte resetovat do továrního nastavení.
• Zvolte Řízení měření a nastavte snímání po 20-30 s.
• Na přístroji nastavte emisivitu na hodnotu zjištěnou pro plastovou desku.
• Ujistěte se, že ikona Online Start je aktivní (zelená).
• Z mrazničky vytáhněte plastovou desku, rychle ji upevněte do stojanu, zaměřte a spusťte
měření pomocí ikony Online Start.
• Po 15 minutách (máte-li dost času, můžete měřit i déle) ukončete měření pomocí Online
Stop. Do tabulky zaznamenejte nárůst teploty jako funkci času v delších, např.
minutových, intervalech.
• Klikněte na ikonu testo vlevo nahoře a exportujte zprávu do pdf. Pokud zpracováváte toto
měření jako vzorové, zprávu si stáhněte na flash disk a vytištěnou přiložte k protokolu.
Určete směrnici tečny funkce t(τ) v časech po 3, 8 a 13 minutách od začátku měření a
v závěru diskutujte její souvislost s aktuální teplotou t.
V této části jste se seznámili s postupem dlouhodobého měření (pro účely laboratorního cvičení
zkráceného) a vytvořením protokolu. Současně jste si ověřili, jak probíhá vyrovnávání teploty
podchlazeného tělesa s okolím.
Download

10. Měření emisivity a teploty povrchů bezkontaktním teploměrem