Termovize v boji proti požárům 1. díl

Připravili jsme pro vás sérii článků s názvem „Termovize v boji proti požárům“, jejíž první článek s tématem „princip infračerveného vyzařování“ právě čtete. Následovat budou tři články s tématy: termovizní kamery a jejich konstrukce (s důrazem na termovizní kamery používané při požárním zásahu), prevence požárů pomocí termovize, a využití termovizních kamer při požárním zásahu.

Posledních deset let se rozšiřuje množství aplikací termovizních systémů, což je dáno jejich klesající cenou a zlepšujícím se mechanickým provedení, tj. především zmenšujícími se rozměry a zvyšující se mechanickou odolností. Díky této skutečnosti nachází termovizní systémy stále širší uplatnění v technické i netechnické praxi. Jedna z oblastí, kde začínají být termovizní kamery stále častěji používané je boj proti požárům. Zde se termovizní kamery uplatňují především při hašení požárů, detekci hořlavých plynů, ohledávání spálenišť, ale i v rámci prevence vzniku požárů.

V reakci na tuto skutečnost jsme pro vás připravili sérii článků s názvem „Termovize v boji proti požárům“, jejíž první článek s tématem „princip infračerveného vyzařování“ právě čtete. Následovat budou tři články s tématy: termovizní kamery a jejich konstrukce (s důrazem na termovizní kamery používané při požárním zásahu), prevence požárů pomocí termovize, a využití termovizních kamer při požárním zásahu.

V prvním díle se věnujeme fyzikálním zákonům, neboť pro účelné nasazení termovizních systémů a interpretaci výsledků měření (nejen) v oblasti boje proti požárům je důležitá alespoň orientační znalost fyzikálních zákonů. Bez této znalosti by mohl mít uživatel termovizního systému buď neoprávněné očekávání o tom, co tento systém dokáže (například „vidět“ skrze stěny), nebo naopak by jej mohl nedocenit a z některých užitečných aplikací vyloučit. Tyto znalosti jsou také důležité pro správné nastavení termovizní kamery a zvolení vhodného typu pro danou aplikaci.

Bezkontaktní měření povrchové teploty

Bezkontaktní měření povrchové teploty je měření teploty, kdy se pomocí teploměru (či obecněji senzoru) fyzicky nedotýkáme měřeného objektu, ale teplotu určujeme na základě vyzařování tohoto objektu, nejčastěji v infračervené nebo viditelné části spektra. O povaze tohoto vyzařování a jeho souvislosti s povrchovou teplotou objektu se zmíníme dále v souvislosti s Planckovým vyzařovacím zákonem.

Princip měření je založen na objevu, který kolem roku 1800 učinil William Herschel. Ten v Anglii experimentoval se slunečním světlem a pozoroval Slunce přes různě barevná skla. Všiml si, že tepelný vjem není vždy stejný. V důsledku toho provedl experiment s použitím skleněných hranolů, rozkládající sluneční světlo na spektrum, a teploměru. S ním testoval jednotlivé barevné části, aby zjistil, které nesou největší množství tepla. Při pokusu posunul teploměr až za konec červené složky světla a očekával, že tepelný efekt vymizí. Navzdory předpokladům, teplota vzrostla ještě více než v kterémkoliv z předchozích případů. Tato „neviditelná“ složka světla byla pojmenována infračervená (tj. pod červenou).

Tento objev byl dále rozpracováván a postupně byly postulovány další fyzikální zákony: Kirchhoffův zákon termální radiace, Stefanův-Boltzmannův zákon, Wienův posunovací zákon a Planckův vyzařovací zákon, který předchozí dva fyzikální zákony shrnuje a podstatně rozšiřuje o nové ideje. Za zmínku stojí, že právě tyto zákony a experimenty vedly ke vzniku oblasti, kterou dnes nazýváme kvantová fyzika.

Spektrum elektromagnetického záření sahá od rádiových vln, infračerveného záření a viditelného světla po ultrafialové záření, rentgen a radiaci

Pro pochopení principu termovize je třeba se seznámit s Planckovo vyzařovacím zákonem a dále s několika základními pojmy. Tomu se budeme věnovat ve zbytku článku. Vzhledem k maximálnímu možnému rozsahu necháme řadu pojmů a skutečností na vlastní zájem čtenáře. Zde nám jde pouze o vysvětlení základního principu.

Planckův vyzařovací zákon

Termální vyzařování je vlastnost každého objektu a je důsledkem termálního pohybu mikroskopických molekul a atomů, z kterých se tyto objekty skládají. Vlastnosti vyzařování se (v ideálním případě a tj. u tzv. černých těles) mění pouze v závislosti na povrchové teplotě objektů. Na následujícím obrázku jsou vyznačeny spektrální intenzity vyzařování pro různé teploty v Kelvinech. Z průběhů je patrné, že s rostoucí teplotou klesá vlnová délka, na níž se objeví maximum vyzařování tělesa.

Planckův vyzařovací zákon v této podobě platí pouze pro tzv. absolutně černá tělesa, což je fyzikální abstrakce, která se v přírodě prakticky nevyskytuje. Avšak s drobnými úpravami jsme schopni s tímto zákonem popisovat vyzařování řady reálných objektů.

Základní pojmy

Termovize – systém pro bezkontaktní měření povrchové teploty objektů a její vizualizaci ve formě obrazu.

Termogram – Výstup termovizního systému. Termogram si lze představit jako klasickou fotografii, přičemž barva objektů na termogramu neodpovídá barevnosti objektů, ale jejich (zdánlivé) povrchové teplotě.

Termovizní kamera – kamera, která se od klasické kamery liší záznamem obrazu v infračervené části spektra (ve formě termogramů). Konkrétní příklad termovizního systému.

Emisivita – Emisivita je pojem, který se v souvislosti s termovizí velmi často vyskytuje. Emisivita je bezrozměrná veličina, charakterizující schopnost tělesa emitovat infračervené záření. Je definována jako poměr intenzity vyzařování reálného tělesa k intenzitě vyzařování absolutně černého tělesa o stejné teplotě. Čím nižší je emisivita tělesa, tím hůře dané těleso vyzařuje ve srovnání s absolutně černým tělesem při stejné teplotě. Maximální hodnota emisivity je 1.

Tepelný odraz – tepelné záření se stejně jako světlo může odrazit na rozhraní dvou objektů. Tedy i pro infračervené záření existují „zrcadla“, tj. lesklé plochy, od nichž se záření odráží a může vyvolat různé klamy.

Spektrální pohltivost prostředí – infračervené záření je podobně jako světlo pohlcováno (a tedy utlumováno) okolním prostředím (tělesy, atmosférou, plyny apod.). Obecně je pohltivost funkcí vlnové délky a tak například některé látky, které jsou pro světlo nepropustné, jsou pro infračervené záření propustné a naopak.

Závěr

Pokud bychom princip termovize měli shrnout do několika slov, pak lze říci: všechna tělesa v závislosti na své povrchové teplotě vyzařují elektromagnetické záření. Spektrální výkonová hustota (tj. intenzita vyzařování v závislosti na vlnové délce) tohoto záření je (při jistém zjednodušení) závislá právě jen na povrchové teplotě. Tedy pokud budeme měřit spektrální intenzitu vyzařování daného tělesa, jsme (za určitých okolností) schopni určit jeho povrchovou teplotu.

Odhad teploty tělesa na základě jeho „barvy“ je běžnou součásti našeho života a víme, že pokud železná tyč „rudě žne“, pak není dobré se ji dotýkat, protože je velmi teplá. Zde si při odhadu teploty vystačíme s vyzařováním tělesa ve viditelném spektru. Termovizní systémy jsou schopny určit mnohem nižší teploty předmětů, protože měří vyzařování ve viditelném spektru. Infračervené záření velmi podobné vlastnosti jako viditelné světlo, setkáváme se i zde s odrazem, lomem, pohlcování, průhledností apod.

Autor: Ing. Jan Sova, http://www.termogram.cz