Infracrveni termometri su u posljednje vrijeme sveprisutni zbog svoje praktičnosti tijekom Covid-19 pandemije. Međutim, i prije toga oni su bili dio naše laboratorijske svakodnevice budući da je Metroteka ISO/IEC 17025 akreditirana za njihovo umjeravanje u području od -30 ºC do +500 ºC. Već iz tog raspona jasno je da njihova osnovna namjena nije mjerenje temperature ljudskog tijela.
“Zavodljivost” infracrvenih termometara je u njihovoj (naoko) jednostavnosti, budući da ga čovjek samo uzme u ruku, stisne gumb i temperatura predmeta u kojeg smo ga usmjerili magično se prikaže na ekranu… No, to je zapravo jako daleko od istine. Infracrveni termometri su vrsta termometra koja je najteža za ispravno korištenje i uglavnom se koriste neispravno.
TEMELJI BESKONTAKTNOG MJERENJA TEMPERATURE I INFRACRVENIH TERMOMETARA
Najsličniji instrument infracrvenom termometru, a koji posjedujemo od rođenja, je oko. Ako se zapitamo, ima li višu temperaturu crveni ili bijeli plamen, većina će nas ispravno odgovoriti da je to – bijeli plamen. To smo naučili iskustvom – procjeniti temperaturu predmeta prema njegovoj boji. Zapravo, određivanje temperature iz boje je jedna od najosnovnijih i najtemeljnijih metoda mjerenja i u astronomiji. Zvijezde se i klasificiraju prema bojama koje odgovaraju temperaturama – naše Sunce je žuta zvijezda klase G u koje spadaju zvijezde površinske temperature između 5200 i 6000 K. Čitava tablica klasifikacije zvijezda izgleda ovako (slika niže) i pamti se kao “O Be A Fine Girl Kiss Me”. Zvijezde klase “O” su najviše, a zvijezde klase “M” najniže temperature.
Na planeti Zemlji pak, iskusni radnici u čeličanama i ljevaonicama sposobni su okom procjeniti temperaturu iznad +700 ºC sa impresivnom točnošću od ±30 ºC.
Ljudsko oko inače uopće ne može vidjeti svjetlost koju predmet zrači (emitira) ako je temperatura tog predmeta niža od +500 ºC, pa često mislimo da tijela ispod +500 ºC “ne svijetle”. U stvarnosti svi predmeti emitiraju zračenje koje direktno ovisi o njihovoj temperaturi, samo je pitanje u kojem je području frekvencija to zračenje i kako ga mi možemo detektirati. Beskontaktno mjerenje temperature ključno ovisi o razumijevanju odnosa između temperature predmeta i zračenja kojeg predmet emitira.
Infracrveni termometri se ne koriste samo u čeličanama ili zbog mjerenja temperaure ljudskog tijela tijekom Covid-19 pandemije, nego npr. i u industriji i ispitivanju hrane te za mnoge druge stvari. Na temelju tih mjerenja donose se odluke, i zbog toga ne smijemo njima olako pristupiti.
Dva fundamentalna svojstva koja infracrvene (IR) termometre razlikuju od svih drugih termometara koje inače koristimo su:
- Infracrveni termometri su beskontaktni. To je za neke primjene jako dobro jer zbog toga njima možemo mjeriti temperaturu predmeta koji su udaljeni ili se kreću, i to bez ugrožavanja vlastite sigurnosti, bilo da opasnost postoji zbog visoke temperature (čeličane i ljevaonice) ili npr. zarazne bolesti.
- Signal koji mjerimo infracrvenim termometrom ne dolazi uopće iz termometra nego s površine predmeta čiju temperaturu mjerimo.
Razmislimo o točki 2. Iako se na prvu to možda uopće ne čini neobično, zapravo je izuzetno neobično i problematično! Naime, kada mjerimo temperaturu našeg tijela kontaktnim termometrom (bilo digitalnim ili staklenim), signal koji na termometru očitavamo NE DOLAZI direktno s našeg tijela, nego se toplina najprije prenese s našeg tijela na termometar, temperatura termometra se izjednači s temperaturom tijela, i onda mi mjerimo temperaturu termometra, a ne temperaturu tijela. Senzor (osjetnik) koji šalje signal je integralni dio svakog kontaktnog termometra. Kod infracrvenog termometra, signal ne dolazi s termometra i ne postoji prijenos topline i izjednačavanje temperature tijela i termometra. To je problematično zato što je za pouzdano mjerenje temperature potrebno dobro poznavanje svojstava senzora. Kod kontaktnih termometara, senzor je uvijek jedan te isti (jer je dio termometra), a kod infracrvenih termometara senzor je uvijek neki drugi. Gdjegod da uperimo infracrveni termometar, to u što smo ga uperili je uvijek potpuno novi senzor koji šalje potpuno novi signal! Poznajemo li svaki od tih “senzora” dobro kao što poznajemo senzor koji je dio termometra? Naravno da ne.
Kod beskontaktnog mjerenja srećom postoje i stvari koje nam i olakšavaju život. Npr. optički sjaj (“spektralna radijancija”) predmeta uopće ne ovisi o udaljenosti, što znači da za beskontaktno mjerenje temperature nije potrebno znati udaljenost od predmeta. Zamislite da tomu nije tako!
Na početku smo rekli da čovjek može čak i golim okom mjeriti temperaturu predmeta, ali samo na temperaturama iznad +500 ºC. Srećom, na nižim frekvencijama od onih koje vidi ljudsko oko također postoji zračenje – tzv. infracrveno zračenje, i upravo u tom području dolazi najveći dio zračenja predmeta koji se nalaze oko nas. Zbog toga se beskontaktno mjerenje temperature i provodi “infracrvenim termometrima”. Kad bi većina zračenja dolazila u ultraljubičastom području proizvodili bismo “ultraljubičaste termometre”.
Razmislite o tome koje su boje predmeti oko vas dok čitate ovaj blog. Što je prava boja predmeta – da li ona koju predmet emitira ili ona koju predmet reflektira? Kad kažemo da je olovka crvena, to je samo ono što olovka reflektira, a kad kažemo da je plamen crven, to je boja koja zaista dolazi od samog plamena. Mogli bismo lirski reći da se prave boje predmeta vide najbolje u mraku. (Međutim ljudi ih mogu vidjeti tek ako je temperatura predmeta viša od +500 ºC.
Tri su osnovna optička svojstva svakog predmeta:
- emisivnost
- refleksivnost
- transmitivnost
Emisivnost opisuje koji postotak zračenja neki predmet emitira ili apsorbira, refleksivnost opisuje koji postotak zračenja predmet reflektira, a transmitivnost – koji postotak zračenja predmet jednostavno propušta. Njihov zbroj za svaki predmet je uvijek 1 (odnosno 100%).
Sigurno ste čuli i za pojam “crnog tijela”. To je tijelo koje ni najmanji djelić zračenja ne reflektira (kao npr. ogledalo) ili transmitira (kao npr. staklena čaša), nego isključivo emitira/apsorbira. Kod mjerenja infracrvenim termometrima transmisije inače gotovo da nema, nego tijela čiju temperaturu mjerimo jedan dio infracrvenog zračenja emitiraju, a drugi dio reflektiraju. No malo je i kompliciranije od toga. Optička svojstva predmeta ovise o frekvenciji zračenja! Ne možemo uopće reći općenito da je emisivnost nekog predmeta npr. 0,95 (ili 95%), nego je na nekoj frekvenciji možda 95%, a ne nekoj drugoj 50%. Npr. obična staklena čaša vidljivo zračenje transmitira, a infracrveno zračenje emitira/apsorbira. Zbog toga se čaša na suncu grije, a ne bi se grijala da infracrveno zračenje samo transmitira, kao što npr. transmitira vidljivu svjetlost.
Ukupna energija koju neki predmet zrači po jedinici svoje površine je:
Ovdje je bitno samo da primjetite da ukupna energija ovisi o 4. potenciji temperature. Dakle, kada se temperatura predmeta poveća 2x, ukupna energija koju on emitira poveća se 16x!!! Infracrveni termometri pak ne mjere ukupno zračenje, nego zračenje u malom djeliću infracrvenog spektra. A u tom području su stvari još daleko dramatičnije, i taj djelić zračenja može rasti i sa 12. potencijom temperature. To znači da ako se temperatura predmeta poveća 2x, ukupna energija u infracrvenom djeliću spektra može se povećati preko 4000x!!!!! To je za beskontaktno mjerenje temperature infracrvenim termometrima istovremeno i jako dobro i jako loše. Jako dobro je što za malu promjenu temperature imamo veliku promjenu signala, odnosno osjetljivost “senzora” je fantastična. Međutim, sjetimo se da kod infracrvenog termometra senzor uopće nije dio samog termometra, nego svaki put neka druga površina čiju temperaturu mjerimo. Znamo li svaki puta točno kakva je to površina i kakva je njena emisivnost u području frekvencija na kojima naš termometar mjeri? Ne, naravno.
Podatak o tome kolika je emisivnost predmeta čiju temperaturu mjerimo je jako važna jer nam govori koliki dio zračenja predmet emitira. Zamislimo da imamo dva predmeta, A i B, i oni po jedinici svoje površine emitiraju jednaku energiju (zračenje). Znači li to da je njihova temperatura jednaka? Uopće ne! Ako predmet A ima emisivnost 50%, predmet B emisivnost od 90%, a oba predmeta u detektor infracrvenog termometar šalju jednaku količinu zračenja, znači da predmet A ima višu temperaturu! Zato jer on “daje samo 50% od sebe” i tih 50% je dovoljno da bude jednako ovom drugom koji “daje 90% od sebe”.
Na koncu, da bismo beskontaktno izmjerili temperaturu nekog stvarnog predmeta, moramo odrediti 3 stvari:
1. Emisivnost površine (senzora)
2. Spektralnu radijanciju površine, tj. zračenje u ograničenom području infracrvenih valnih duljina
3. Temperaturu samog detektora koji se nalazi unutar infracrvenog termometra i koji također emitira svoje vlastito zračenje, naravno (!)
EMISIVNOST
Krenimo od emisivnosti, i pogledajmo kakva je emisivnost (y-os) nikl-krom legure (tzv. inconel) ovisno o valnoj duljini u infracrvenom području (x-os)…
Užas! Ne samo da emisivnost ovisi o valnoj duljini (npr. za neobrađeni, as-received inconel, emisivnost pada s porastom valne duljine), nego emisivnost ovisi o obradi površine, i to puno više. To znači da mi uopće ne možemo reći da neki materijal (npr. aluminij) na nekoj valnoj duljini ima neku emisivnost, jer ona kritično ovisi o hrapavosti površine aluminija. A bez informacije o emisivnosti mjerenje infracrvenim termometrom nije moguće. (Popularno mišljenje je da ono što vidimo kao crno ima veliku emisivnost, a ono što vidimo kao ogledalo ima malu emisivnost. To jest istina, ali ne u infracrvenom području u kojem radi infracrveni termometar, nego u vidljivom području u kojem rade naše oči. Naše oči su potpuno beskorisne ako nas interesira emisivnost predmeta u infracrvenom području. Na kraju krajeva, rekli smo da staklena čaša transmitira (mala emisivnost) u vidljivom području, a apsorbira/emitira (velika emisivnost) u infracrvenom.)
Titanov dioksid, prah na slici, a koji se koristi kao baza u proizvodnji boja, ima emisivnost otprilike 95% (0,95). Zbog toga sve boje, od crne do bijele, u području u kojem rade današnji infracrveni termometri imaju emisivnost oko 95%. Drvo, koža i organske tvari također imaju emisivnost oko 95%, a to je u čitavoj problematici infracrvenog mjerenja temperature – izuzetno sretna okolnost.
Emisivnost neke površine također ovisi o kutu gledanja i to također na komplicirane načine. Graf ovisnosti emisivnosti o kutu, za volfram i aluminij, pokazuje da ona čak raste s povećanjem kuta prije nego što padne na nulu pod 90º. Tablice u literaturi uvijek navode emisivnost za okomito mjerenje i zato infracrvenim termometrima uvijek moramo mjeriti okomito na površinu.
Dosad smo se već vjerujem uvjerili da je emisivnost “neuhvatljiva” i da ovisi o puno faktora. No postoji li način da je izmjerimo, budući da nam je ona ključna za točno mjerenje temperature? Jest, postoje dva načina. Prvi je da istovremeno mjerimo temperaturu neke površine i kontaktnim termometrom i infracrvenim termometrom, te podešavamo postavku emisivnosti na infracrvenom termometru sve dok i kontaktni i infracrveni termometar ne pokazuju istu vrijednost. Drugi način je da na površinu čiju temperaturu mjerimo nanesemo sloj boje čiju emisivnost dobro poznajemo i izmjerimo temperaturu tog sloja boje. Nakon toga malo pomaknemo infracrveni termometar na neobojani dio površine i podešavamo emisivnost na termometru sve dok ne dobijemo istu vrijednost temperature kakvu smo izmjerili na obojanom području s poznatom emisivnosti. Dakle, postoje načini, ali oni nisu praktični u svakodnevici, osim u slučaju kada infracrveni termometar koristimo za mjerenje temperature uvijek jedne te iste vrste predmeta (npr. tankova s gorivom u rafineriji i sl.)
DRUGI ZNAČAJNI PROBLEMI BESKONTAKTNOG MJERENJA TEMPERATURE
Jednom kada smo riješili pitanje kolika je emisivnost površine koju mjerimo, možemo se suočiti i sa sljedećim problemom, a to je emisija i refleksija okolnih predmeta. IR termometar ne može znati otkud dolazi zračenje koje pada na njegov detektor i dolazi li od predmeta čiju temperaturu želimo izmjeriti ili od okoline. Najefikasnije rješenje je eliminirati izvore neželjenog zračenja, pogotovo predmete na višim temperaturama (npr. ograditi ih zastorima). Ali što je s mjerenjem na otvorenom, gdje je Sunce najveći izvor zračenja? Pa jednostavno – maknite Sunce. Možda to ne možete odmah učiniti, ali ako dovoljno dugo čekate, Sunce će se maknuti samo – garantiramo! ?
Sljedeći problem je apsorpcija u atmosferi između površine i IR termometra budući da zrak nije vakuum. Najveći problem u zraku predstavljaju vodena para i ugljični dioksid (CO2). Ako je zrak između termometra i površine čiju temperaturu mjerimo na višoj temperaturi od samo površine, termometar će pokazivati višu temperaturu od temperature površine, dok ako je zrak na nižoj temperaturi, termometar će pokazivati premalo. U situacijama sa visokim temperaturama i visokim koncentracijama vodene pare i ugljičnog dioksida možemo imati pogrešku od 10 ºC i više. Naravno, što je veća udaljenost termometra od površine, pogreška je veća, jer je više neželjenih molekula u prostoru između termometra i površine.
Raspršenje na česticama (npr. prašine) na putu od površine do IR termometra djeluje na naše mjerenje na čak tri načina – a) skreće zračenje s površine tako da ono nikad ne padne na naš detektor nego ode tko zna gdje, b) skreće zračenje drugih predmeta tako da ono padne na naš detektor, a to ne želimo, i na koncu – c) same čestice (dima, vodene pare, silikata, metala, čađe itd.) emitiraju svoje vlastito zračenje i “bacaju” ga na naš detektor.
Temperatura okoline je također problem jer infracrveni termometar zapravo nema načina da mjeri apsolutno zračenje koje na njega pada, nego u stvarnosti mjeri samo razliku između zračenja koje na njega pada i svog vlastitog zračenja. (Njegovo vlastito zračenje je na neki način “nula” u odnosu na koju IR termometar može detektirati vanjsko zračenje i on svoj vlastito zračenje dovodi u vezu s temperaturom.) Zbog toga je jako važno da svaki IR termometar bude barem sat vremena u prostoriji gdje će se mjerenja provoditi i ne smije ga se neprestano nositi iz toplog u hladno i obratno.
I na kraju, sjetite se da smo kod osnovnih principa rada infracrvenih termometara rekli da je signal izuzetno nelinearan (temperatura se promjeni malo, a zračenje puno). Zbog toga u infracrvenom termometru mora postojati linearizacija signala, a ona uvijek može biti samo aproksimativna i više ili manje kvalitetna. Pogreške samo zbog nesavršene linearizacije mogu iznositi i nekoliko stupnjeva Celzijusa.
AKO VAS NISMO OBESHRABRILI…
Ukoliko ste nakon svega što ste pročitali ipak odlučili hrabro kupiti i koristiti infracrvene termometre (ili kamere), na što je dobro obratiti pažnju?
1. Najvažnije – ako ikako možete odaberite IR termometar koji ima mogućnost podešavanja emisivnosti. Medicinski IR termometri i oni jako jeftini često neće imati tu mogućnost jer su namijenjeni isključivo za mjerenje temperature ljudskog tijela ili organskih tvari i fiksirani su na emisivnost od 95%.
2. Termometar može i ne mora imati laserski pokazivač. (Usprkos popularnom mišljenju, on nema nikakve veze sa samim mjerenjem i zato nije ispravno govoriti da je riječ o laserskim termometrima). Laserski pokazivač je ipak jako koristan jer označava površinu čiju temperaturu mjerimo. Imajte na umu da kod jako jeftinih termometara on često pokazuje na krivo mjesto i zbog toga je ne samo beskoristan nego i gore od toga – unosi pogrešku. Najbolje je kada termometar ima više, npr. 2 ili 3 laserska pokazivača jer nam na taj način termometar daje informaciju i kada je na idealnoj udaljenosti od mete, ali naravno – takvi termometri su i skuplji.
3. Termometar može i ne mora imati optički fokus na određenoj udaljenosti od sebe (npr. 10 cm, 30 cm i sl.) i tada ga je najbolje koristiti točno na toj udaljenosti od površine čiju temperaturu mjerimo. Jeftiniji termometri obično nemaju fokus na određenoj udaljenosti nego se trebaju koristiti na minimalnoj udaljenosti od predmeta. Ako možete, birajte one sa fokusom na nekoj udaljenosti.
4. Tvorničke specifikacije IR termometara su još nepouzdanije nego kod kontaktnih termometara i zato je neovisno umjeravanje u akreditiranom laboratoriju izuzetno važno. Mala pogreška u proizvodnji pojedinog komada može dovesti do ogromnih pogrešaka u mjerenju.
5. I naposlijetku, kod medicinskih IR termometara imajte na umu da su gotovo sigurno podešeni tako da ne uopće ne pokazuju temperaturu površine (npr. vašeg čela), nego korigiraju izmjerenu vrijednost i umjetno je uvećaju kako bi pokazivala vašu, nešto veću unutrašnju temperaturu koja je referentna u medicini. To znači da takav termometar ne možete usmjeriti na ništa drugo osim na ljudsko čelo?
ŽELITE ZNATI VIŠE?
U Metroteci ćemo 15.10. održati edukaciju o termometrima, a osim navedenog datuma uvijek nam se možete javiti za organizaciju raznih in house ili jedan na jedan edukacija.