Vladislav Lang
NTC Západočeská univerzita v Plzni
Abstrakt
V příspěvku jsou ve stručné formě uvedeny základní chyby, kterých je možné se dopustit při bezkontaktním měření teploty pomocí termokamery. Popsány jsou postupy jak vliv uvedených chyb omezit.
Slovo úvodem
V roce 2024 bylo téma „Chyby při měření termokamerou“ prezentováno autorem jak na konferenci LabIR EDU 2024 tak ve spolupráci s kolegou J. Šroubem na Dílnách Heuréky 2024. Aby nevznikla plagiátorská a i zbytečná duplicita, je téma „Chyby při měření termokamerou“ podrobněji rozvedeno ve sborníku z Dílen Heuréky 2024 [1], v tomto příspěvku je uvedeno jen ve stručné formě.
Chyby, kterých je možné se dopustit při měření lze rozdělit do dvou skupin. V první skupině jsou chyby způsobené neznalostí optických vlastností objektů vstupujících do měření. Ve druhé skupině jsou chyby způsobené omezeními použité termokamery a chyby způsobené jejím nastavením.
Rozbor situace měření termokamerou
Termokamera je zařízení, které zaznamenává infračervené záření vyzařované objekty a vytváří z něj obraz, který nám zobrazuje na displeji. Pro detailnějším zkoumání toho, co termokamera zobrazuje lze vyjít z obr. 1. Infračervené záření, které dopadá na detektor, je dáno součtem infračerveného záření vycházejícího z povrchu měřeného objektu, infračerveného záření, které vychází z předmětů v okolí objektu a je měřeným objektem odráženo a infračerveného záření prostředí mezi měřeným objektem a termokamerou.
Obr. 1. Schematické znázornění záření dopadajícího na detektor termokamery.
Všechny tyto uvedené zdroje infračerveného záření a jejich optické vlastnosti (odrazivost, emisivita, propustnost) se podílí a ovlivňují infračervené záření dopadající na detektor termokamery. Jejich neznalost je zdrojem menších či větších chyb při vyhodnocení získaného obrazu (termogramu).
Vliv měřeného objektu, okolních objektů a prostředí
Znalost optických vlastností objektů vstupujících do měření je základním předpokladem pro získání reálných hodnot teploty měřených povrchů.
Vliv emisivity měřeného povrchu
Emisivita je optická vlastnost materiálu, která vyjadřuje, jak efektivně materiál vyzařuje energii ve formě záření, vyjadřuje se jako poměr vyzářené energie
Obr. 2. Vliv emisivity měřeného povrchu [1].
objektem k energii vyzářené černým tělesem (BB – Black Body), které má stejnou teplotu jako objekt [1]. Emisivita může tak nabývat hodnot od 0 do 1; hodnota 0 znamená, že materiál nevyzařuje žádné záření, hodnota 1 znamená, že materiál vyzařuje jako černé těleso, tj. maximální možnou energii při dané teplotě podle Stefan-Boltzmannova zákona [1].
Znalost emisivity povrchu je nezbytný předpoklad pro správné vyhodnocení teploty měřeného objektu. Vliv emisivity je ukázán na obr. 2, kde je v nerezovém hrnku nalita téměř vařící voda, teplota povrchu by tak měla být blízká 90 °C. Je-li v termokameře nastavena emisivita na hodnotu 0,95, je vyhodnocena teplota povrchu hrnku jen 38 °C, protože skutečná hodnota emisivity nerezového hrnku je jen 0,2. Dvě obdélníkové oblasti, vytvořené nalepením elektrikářské a kancelářské izolepy na nerezový hrnek, mají už vyhodnocenou teplotu vyšší, to je způsobeno tím, že emisivita uvedených izolep je vyšší a to 0,95 respektive 0,84.
Důležité je si tedy zapamatovat, že kovy mají nízkou hodnotu emisivity a že vhodným postupem, je hodnotu emisivity povrchu kovového předmětu zvýšit například nalepením izolepy. Tabulka emisivit nejběžnějších materiálů je uvedena například v „Glosáři základních pojmů“, který je možné si stáhnout na [2].
Vliv odraženého záření z okolních objektů
Vliv odraženého záření z okolních objektů je ukázán na úloze stanovení teploty plotýnek elektrického vařiče. Na elektrickém dvouplotýnkovém vařiči jsou umístěny dva ocelové plechy, jedna z plotýnek byla zapnuta, druhá ne. Po chvíli se termokamerou změřila teplota obou plotýnek, získaný termogram je ukázán na obr. 3. Teplota plotýnek je ověřena klepnutím vajíček, přestože se ke smažení vajíček jeví připravená levá plotýnka, neboť pravá plotýnka má podle měření pokojovou teplotu, je po nalití vajíček na plotýnky pozorováno, že na levé plotýnce se nic neděje, kdežto na pravé studené plotýnce se vajíčko začíná okamžitě smažit [1].
V tomto experimentu se uplatňují dva vlivy, první je výše zmíněná nízká hodnota emisivity kovů, kdy povrchová teplota zahřívaného plechu se jeví stejně jako v předchozí úloze výrazně nižší, než je skutečná. Druhý vliv je přítomnost objektu s vysokou teplotou, což je v tomto případě zapnutá plotýnka druhého vařiče, v okolí měřeného objektu, jehož záření se od studeného plechu velmi dobře odráží, neboť kovy mají vysokou hodnotu odrazivosti. Video z pokusu je dostupné na [3].
Obr. 3. Vliv odražené teploty [1].
Při každém měření termokamerou, zejména kovových povrchů je vhodné si prohlédnout okolí měřeného objektu, zda se v něm nenachází intenzivní zdroj infračerveného záření.
Vliv prostředí
Vliv prostředí zahrnuje zejména vliv propustnosti a teploty prostředí nacházejícího se mezi měřeným objektem a termokamerou. Významný je zejména obsah vodní páry, neboť voda je pro infračervené spektrum termokamer nepropustná. Ve většině případů, kdy měření probíhá ve třídě, však není nutné efekt propustnosti prostředí uvažovat.
Vliv termokamery a jejího nastavení
Výše uvedené vlivy jsou čistě fyzikální podstaty, vlivy, které jsou následně uvedeny, se týkají vlivu použité termokamery a jejího nastavení.
Vliv velikosti objektu v zorném poli
Při měření zejména malých objektů, je vhodné fyzicky termokameru přiblížit k objektu tak, aby objekt zaujímal co největší část měřené scény. V opačném případě, kdy objekt zaujímá jen několik pixelů, bude vyhodnocená teplota i významně rozdílná od skutečné a to tak, že pro objekt s teplotou vyšší než je teplota okolí bude vyhodnocená teplota nižší, pro objekt s teplotou nižší než je teplota okolí bude vyhodnocená teplota vyšší.
Vliv pohybu objektu
Při měření scény, kde se rychle mění teplota objektů, např. vlivem působení laseru, nebo i jen periodickým zakrýváním části objektu mající vyšší teplotu objektem s teplotou nižší (aktivita tření dvou dřevěných špalíků za účelem rozdělání ohně), se při nízké vzorkovací frekvenci termokamery většinou naměří teplota teplejšího objektu/jeho části nižší, než je jeho teplota skutečná, zároveň obraz může být stejně jako u klasické kamery rozmazaný.
Vliv rekalibrace termokamery (FFC)
Rekalibrace termokamery (FFC – Flat Field Correction) je proces, který slouží k homogenizaci čipu termokamery a ke korekci měřené teploty, jak se tento proces projeví na měřených teplotách je ukázáno na obr. 4. Červená šipka propojuje termogram před s termogramem ihned po rekalibraci. Vyhodnocována byla maximální teplota na obličeji člověka, tj. u koutku oka. Použita byla termokamera TIMI EDU [1].
Obr. 4. Ukázka vlivu rekalibrace termokamery [1].
Na počátku se čip termokamery ohřívá a rekalibrace proto probíhá po kratší době, postupně, jak se ustaluje teplota čipu, prodlužuje se doba mezi jednotlivými rekalibracemi a i změna teploty v rámci jedné rekalibrace není tak výrazná. O ustálení teploty čipu je možné hovořit až po minimálně 10 minutách [1]. Rekalibrace zajišťuje správné fungování termokamery. Pokud je potřebujeme měřit přesně, je vhodné po zapnutí nebo změně teploty prostředí, ve kterém termokamera je, minimálně 15 minut nechat termokameru temperovat.
Vliv fixace stupnice a vliv pozadí
Většina termokamer má v základním stavu nastavenou dynamickou teplotní stupnici, tj. rozsah stupnice je dán okamžitou nejvyšší a nejnižší teplotou ve snímané scéně. Nevýhoda tohoto nastavení se projeví v okamžiku, když je potřeba sledovat malé rozdíly teploty v čase nebo prostoru ve scéně a zároveň součástí scény je objekt s výrazně nižší/vyšší teplotou než sledovaný objekt. Uvedené je ukázáno na obr. 5., na levém termogramu jsou velmi dobře rozpoznatelné teplotní rozdíly částí obličeje, což se o pravém termogramu, kde je rozsah stupnice výrazně větší v důsledku zářivky u horní hrany, říci nedá.
Ponaučení z uvedeného je, že pokud je to možné, je vhodné volit scénu sklonem či pohybem kamery tak, aby byl stále vidět objekt zájmu, ale ne objekty s výrazně vyšší či nižší teplotou, případně fixně nastavit minimum a maximum teplotní stupnice [1].
Obr. 5. Ukázka vlivu fixace stupnice a vlivu pozadí
Závěr
Nejvýznamnější vliv na vyhodnocení teploty při měření termokamerou má emisivita měřeného objektu, u většiny běžných materiálů kolem nás a včetně nás je vysoká, problém nastává u kovů, zde je vhodné, povrch nastříkat či natřít barvou nebo alespoň na něj nalepit izolepu a teplotu objektu vyhodnocovat z takto upravené plochy. Vliv propustnosti atmosféry v interiéru školy lze zanedbat [1].
Měřený objekt by měl co nejvíce vyplňovat zorné pole termokamery, při měření rychlých dějů většinou vyhodnotíme teplotu nižší než skutečnou, je-li ve snímané scéně objekt s výrazně vyšší nebo nižší teplotou než náš objekt zájmu, snažíme se úhlem pohledu termokamery tento rušivý objekt nemít ve scéně, případně se pevně nastaví rozsah teplotní stupnice, aby bylo možné sledovat i malé změny v teplotě měřeného objektu [1].
Vyhodnocuje-li se minimální nebo maximální teplota měřeného objektu, je vhodné použít plošnou analýzu s vyhodnocením minimální/maximální teploty v ní. Bodovou analýzou se nám většinou nepodaří najít minimum/maximum ve snímané scéně [1].
Je-li požadavek měřit přesně, je nutné nechat termokameru alespoň 15 minut v zapnutém stavu temperovat v daném prostředí [1].
Literatura
[1] Lang, V., Šroub J.: Chyby při měření termokamerou [cit. 30. 2. 2025] Sborník dílen Heuréky 2024. Ed.: Věra Koudelková, MFF UK, Praha 2025, ISBN 978-80-7378-524-6. Dostupné online: https://kdf.mff.cuni.cz/heureka/ke-stazeni/sborniky-dilen-heureky/sborniky/SbornikDilenHeureky2024.pdf
[2] Glosář základních pojmů. [cit. 29. 11. 2024]. Dostupné online https://edu.labir.cz/obsah/glosar/ .[3] Video pokusu Smažení Vajíček [cit. 30. 11. 2024]. Dostupné online https://edu.labir.cz/experiment/smazeni-vajicek/