Teplota je mírou termální energie obsažené v jakémkoli objektu. Teplota kteréhokoliv objektu se dá změřit množstvím metod a prostředků a je definován teplotní stupnici. Teplota nám ve své podstatě říká, kterým směrem poteče tepelný tok mezi dvěma objekty.

Existují 3 základní typy přenosů tepla: vedení (kondukce), proudění (konvekce) a záření (radiace). Všechno teplo je přenášeno jedním z těchto tří typů přenosů, obvykle ale kombinací dvou nebo všech tří typů přenosů. Infračervená termografie je pochopitelně nejblíže radiačnímu přenosu tepla, ale důležité je důležité pochopit všechny tři typy, abychom mohli lépe chápat význam IR termogramů.

Teplota se vyjadřuje v absolutních nebo relativních jednotkách. Máme dvě absolutní stupnice, nazývané "Kelvin" (metrický systém) a "Rankine" (Anglický systém). Tomu odpovídají relativní stupnice: "Celsius" popř. "centigrade" (metrický systém) a "Fahrenheit" (Anglický systém) . Absolutní nula je teplota při které nemají molekuly látek žádný pohyb. Říkáme "nula Kelvina" nebo "nula Rankies" (0 K nebo 0 R). Relativní teploty se vyjadřují jako "stupeň Celsia" nebo "stupeň Fahrenheita" (°C nebo °F). Číselné vztahy mezi jednotlivými jednotkami jsou následující:

TCelsius = 5/9( TFahrenheit - 32)
TFahrenheit = 9/5(TCelsius + 32)
TKelvin = TCelsius + 273,16
TRankies = TFahrenheit + 459,7

Absolutní nula je rovna -273,16°C nebo -459,7°F. Konverze hodnot změn teplot, značené též "delta" (Δ) mezi anglickým a metrickým systémem je jednoduchý 9/5 (1,8):

Δ TFahrenheit (nebo Rankies) = 1.8 Δ TCelsius (nebo Kelvin]

Přenos tepla vedením

Tento typ přenosu tepla se neuplatňuje pouze u pevných těles, ale také u kapalin a plynů. Jde vlastně o přenos vibrací (kmitání) atomů pevných těles nebo srážky molekul plynů, čímž dochází k pohybu energie od teplejší molekuly směrem k e studenější. Jako ilustrace pro tento typ přenosu tepla si uveďme takovýto příklad:

Sledujme co se děje, když odporový drát vložíme do keramické ploténky vařiče.. Tepelná energie daná vzorečkem I2.R (I je proud, R je odpor drátu) vznikající průchodem proudu, se nám předává do keramické ploténky, přičemž se ohřívá ploténka a ochlazuje odporový drát.

obr1.gif
Obrázek 1: Tři typy přenosu tepla

Fourierův zákon toku tepla vedením má následující matematické vyjádření:

Q/A = k. (ΔT) / L

Kde Q je tok tepla na jednotku plochy A přes desku pevného materiálu tloušťky L o tepelné vodivosti k s tepelným spádem ΔT = T1 - T2. Grafické zobrazení viz obr. 1 nahoře. V lidské podobě to znamená, že rychlost přenosu tepla poste se zvětšujícím se rozdílem teplot a zvětšováním tepelné vodivosti a klesá s rostoucí tloušťkou desky. Všeobecně je tepelná vodivost u kovů vyšší a u nekovových a porézních materiálů (jako např. cihla) nižší.

Přenos tepla prouděním

Přenos tepla prouděním se uplatňuje u pohybujících se skupenství a je většinou vždy u přenosu tepla mezi pevným a kapalným (plynným) skupenstvím.volné proudění se uplatňuje pokud přenos tepla způsobuje změnu hustoty kapaliny a teplejší část stoupá vzhůru jako výsledek vzrůstajícího vztlaku. Nucené proudění se uplatňuje i tehdy, kdy vnější zdroj, jako např. ventilátor chlazení, uvádí kapalinu (plyn) do pohybu. Pro ilustraci si můžeme představit tepelné proudění na povrchu výměníku tepla a vzduchem, který je hnán ventilátorem směrem k výměníku. Tepelná energie na povrchu výměníku se přenáší do vzduchu a dochází tak k ochlazování povrchu výměníku a oteplování vzduchu.

Ve středu obrázku 1 máme schéma, které nám popisuje situaci přenosu tepla z pevné desky na pohybující se kapalinu (plyn). U přenosu tepla prouděním se přenos tepla děje dvojím způsobem. Přímé vedení tepla kapalinou (plynem) a pohybem vlastní kapaliny (plynu). Newtonovo pravidlo pro chlazení nám definuje koeficient přenosu tepla prouděním h, který kombinuje oba dva mechanizmy:

h = ( Q/A ) / (TS - TN)

Přítomnost desky způsobuje volnou rychlost kapaliny V , která klesá u povrchu desky na nulu a mění se proměnné vzdálenosti nazvané hraniční vrstva. Tloušťka hraniční vrstvy nepřímo úměrně závisí na volné rychlosti kapaliny a je větší pro volné proudění a menší pro proudění nucené, Rychlost proudění tepla závisí na tloušťce hraniční vrstvy a tepelném rozdílu TS a TN , kde první je teplota povrchu a druhá teplota volné kapaliny (plynu) mimo prostor hraniční vrstvy.

Přenos tepla prouděním na jednotku plochy si můžeme vyjádřit upraveným Newtonovým pravidlem:

Q / A = h . ΔT

Přirozené vysvětlení této formulky nám říká, že rychlost tepelného toku roste s rostoucím rozdílem teplot a s rostoucím koeficientem přenosu tepla. Vzrůstající rychlost kapaliny (plynu) má za následek rostoucí koeficient přenosu.

Přenos tepla radiací

Přenos tepla radiací se od předcházejících dvou liší v několika aspektech:

  • může procházet vakuem,
  • uskutečňuje se elektromagnetickou emisí a absorpcí,
  • probíhá rychlostí světla a chová se jako světlo,
  • zatímco přenos tepla vedení nebo proudění mezi dvěma body je lineárně závislé na rozdílu teplot mezi těmito dvěma body, pak energie vyzařovaná z povrchu je úměrná čtvrté mocnině své absolutní teploty. Tepelná radiační energie přenášená mezi dvěma povrchy je úměrná třetí mocnině tepelného rozdílu mezi oběma povrchy.

Pro ilustraci přenosu tepla radiací si musíme uvedeme příklad montáže výkonového odporu vedle diody na desce obvodů. Množství tepelné energie vytvořené výkonovým odporem se vyzáří z povrchu odporu a určitá část je absorbována povrchem diody. Dioda se tímto ohřívá a odpor ochlazuje.

Tepelná infračervená radiace opouštějící povrch tělesa se nazývá radiační excitance nebo radiosita. Ta může být emitována z povrchu, odražená od povrchu nebo může procházet povrchem, tak jak je zobrazena dole na obrázku 1. Celková exicitance je rovna součtu jednotlivých komponent tj. části emitované We, odražené Wr a části procházející Wt . Teplota povrchu je ovšem závislá pouze na jedné komponentě a to na emitované We.

Měření tepelné infračervené radiace tvoří základ bezkontaktního měření teploty a infračervené (IR) termografie. Poloha oblasti infračerveného záření v oblasti celého elektromagnetického spektra je zobrazena na obrázku 2.

obr2.gif
Obrázek 2: Světelná a infračervená část elektromagnetického spektra

Podobně jako světelná energie je tepelná radiace záležitostí fotonů v elektromagnetickém spektru. Zatímco přenos energie světla se děje ve viditelné oblasti spektra od 0,4µm do 0,75µm, přenos tepla radiací zabírá oblast spektra mezi 0,75µm a asi 100µm, ačkoliv většina praktických měření se provádí v okolí 20µm. (?m jsou mikrometry nebo "mikrony". Mikron je miliontina metru a jednotka pro měření vlnové délky radiační energie).

Všechny povrchy těles, které jsou teplejší než absolutní nula, vysílají energii v infračerveném spektru. Velmi teplá tělesa ve spektru viditelného světla. Topná tělesa elektrických kamen s teplotou 800°K žhnou tmavě rudě a jak vychládají tak ztrácejí viditelnou červenou barvu, ale teplo vyzařují radiací. Energie vyzařovaná radiací je cítit rukama, pokud je dáte do blízkosti kamen, ale sálání je neviditelné, protože z červeného spektra došlo k posunu do oblasti infračervené. IR tepelné obrazy měří a zobrazují na displeji obrazy z této infračervené oblasti spektra.

Pro popis zákonitostí vyzařované energie z povrchu těles máme dva klíčové zákony. Pro teplo vyzařované z povrchu těles Stephan-Boltzmannův zákon:

W = δ . ε . T4

kde:
W = radiační tok jednotkou plochy (watt/cm2),
ε = emisivita (jednotka pro černé těleso)
δ = Stephan-Boltzmannova konstanta = 5,673 x 10-12 watt cm-2 K-4
T = absolutní teplota tělesa (°K)

Pro hodnotu vlnové délky s maximální radiací λm (v µm) na povrchu tělesa platí Wienův zákon:

λm = b / T

kde:
λm = vlnová délka s maximální hodnotou radiace (µm)
b = Wienova konstanta = 2897 (µm °K)

Z hlediska charakteristiky IR radiace rozlišujeme tři typy povrchů těles : černého tělesa, šedého a našedlého (tzv. reálného nebo spektrálního tělesa). Černé těleso definujeme jako teoretický povrch, který má jednotkovou emisivitu v celém rozsahu vlnových délek a absorbuje všechnu radiační energii, která na něj dopadá. Emisivita reálného tělesa je definována jako poměr radiačních energií emitovaných z povrchu daného tělesa a tělesa černého při stejné teplotě. Ačkoliv černé těleso je pouze teorie v praxi neexistuje, povrchy mnohých těles jsou šedá, což znamená že emisivita tělesa je téměř konstantní s vlnovou délkou. Obrázek 3 nám zobrazuje rozložení spektrální energie černého, šedého a nešedého tělesa při téže teplotě 300°K.

Jak již bylo ukázáno na obrázku 1 dole, má celková excitace dostupná měřícímu přístroji z povrchu tělesa tři komponenty : emitovanou energii (We), odraženou energii (Wr) od prostředí a dalších odrazových předmětů a energii procházející (Wt) skrz povrch tělesa a emitovanou dalšími tělesy. Pokud máme vyzařující černé těleso, pak má emisivitu = 1 a neodráží ani jim neprochází žádná energie. Pokud máme vyzařující těleso šedé, pak se spektrální rozložení podobá rozložení tělesa černého, ale protože emisivita je menší než jedna, může také energii odrážet nebo propouštět. Pro emitující nešedé těleso také platí, že energie je odrážena a přenášená. Vzhledem k tomu, že souvislost mezi teplotou povrchu tělesa a vyzařovanou energií má pouze komponenta We, začíná být jasné, že nejdůležitější krok. který uděláme při IR měření teploty, je eliminace nebo kompenzace zbylých dvou komponent.

obr3.gif
Obrázek 3: Spektrální rozložení tří typů emitorů na 300 °K

Infračervená radiace ze zkoumaného tělesa prochází na své cestě k infračervenému přístroji různými medii. Pokud je tímto mediem vakuum, pak neztrácí žádnou energii. V praxi ale u většiny měření je tímto médiem vzduch. Pro krátké vzdálenosti, např. několik metrů, lze vliv vzduchu zanedbat. Pokud tato vzdálenost naroste, pak je pochopitelně zdrojem chyb. Máme dva spektrální intervaly, které jsou relativně prosté ztrát z absorpce. Jde o tzv. atmosférická "okna" v pásmu 3-5µm a v pásmu 8-14µm. Většina přístrojů, pracujících v oblasti infračerveného spektra pracuje proto v těchto "oknech". Termokamera pracuje při snímání obrázků v okně 8-14µm.