Tento materiál pochází ze staršího archivu rvp.cz a už není součástí aktuální nabídky. Uchováváme ho, aby na něj dál vedly původní odkazy.
Odborný článek
Experimentování s termovizní kamerou
5,0 (1 hodnocení)
Článek, který je primárně určen pro učitele, případně žáky s hlubším zájmem o fyziku, stručně shrnuje fyzikální princip termovizního zobrazování. Součástí článku je návrh čtyř žákovských aktivit, které ilustrují využití termovizních kamer při výuce termiky badatelským způsobem.
První část tohoto textu se věnuje fyzikálním základům termografie, jejímu využití v praxi i ve vzdělávání a úskalím při použití termovizních kamer ve výuce. Druhá část pak obsahuje pracovní listy pro žáky, které se věnují čtyřem konkrétním konceptuálním oblastem.
Článek byl zpracován pro nově formulovaný či upravený výstup v souvislosti s ICT revizemi RVP ZV.
1. Co je to termografie?
Každé těleso vysílá do svého okolí elektromagnetické záření – ať jde o Slunce, zahřátá kamna, lidské tělo nebo kostku ledu. Základní vlastnosti tohoto záření, jako jsou například jeho vlnová délka a intenzita, jsou zásadně ovlivněny teplotou vyzařujícího tělesa. Právě tuto skutečnost využívá termografie – metoda, jejímž cílem je na základě analýzy záření vysílaného předmětem stanovit jeho povrchovou teplotu. Zdůrazněme, že jde skutečně o teplotu na povrchu – termografie nedává přímou informaci o teplotních poměrech uvnitř tělesa.
Typickým výstupem termografického měření je tzv. termogram – ve své podstatě fotografie, která pomocí barevné škály ukazuje povrchové rozložení teploty (obr. 1).
Obr. 1: Jednoduchý termogram
2. Fyzika, která je pro termografii důležitá
Při snaze matematicky popsat vyzařování reálných předmětů se využívá model absolutně černého tělesa (dále: AČT). Jde o idealizované těleso, které veškeré záření dopadající na jeho povrch pohlcuje, a to bez ohledu na vlnovou délku záření. Současně je takové těleso schopné stejné množství energie prostřednictvím záření vysílat – je tedy vlastně ideálním zářičem.
Reálná tělesa se od modelu AČT v obou uvedených aspektech liší:
Reálné těleso nikdy veškeré dopadající záření zcela nepohltí – část záření se vždy odráží, případně může nějaká část procházet skrz těleso.
Reálné těleso vždy vyzařuje méně energie, než by vyzařovalo AČT o stejné teplotě.
Míru toho, nakolik se reálné těleso blíží AČT, vyjadřuje na škále 0 až 1 veličina nazývaná emisivita a jde o vlastnost povrchu tělesa. Je-li emisivita blízká 1, těleso má téměř vlastnosti AČT a v termografických měřeních můžeme očekávat velmi spolehlivé výsledky. Naopak pro termografii jsou problematické povrchy s emisivitou blízkou 0, kterým se budeme věnovat v kapitole 5.
Situace může být ještě složitější, pokud se emisivita mění pro různé vlnové délky záření – jinými slovy, na některých vlnových délkách se může vyzařování předmětu blížit vyzařování AČT více než na jiných. Pro mnoho běžně snímaných předmětů lze naštěstí tuto závislost zanedbat a emisivitu povrchu považovat za stálou – v takovém případě se hovoří o tzv. šedých tělesech.
3. Jaký druh záření termokamery měří?
Vlastní matematické vyjádření toho, na čem závisí intenzita vyzařování daným povrchem, je poměrně komplikované a je podrobněji popsáno v [1]. Přesto jsme schopni některé jednoduché číselné odhady udělat – mezi ně patří i výpočet vlnové délky, na které by těleso mělo vyzařovat maximálně. Pro AČT i pro šedé těleso platí vztah
kde je teplota povrchu tělesa v kelvinech, vlnová délka, na které těleso vyzařuje s nejvyšší intenzitou, a konstanta. Na základě tohoto vztahu můžeme odhadnout, na jaké teplotě maximálně vyzařují předměty o pokojové teplotě (cca 300 K):
To je důvod, proč jsou termokamery obvykle citlivé na vlnové délky 8 µm až 14 µm – tento rozsah odpovídá teplotám, které se kolem nás běžně vyskytují (konkrétně asi −60 °C až 100 °C).
Celé rozmezí vlnových délek 8–14 µm spadá do infračervené části spektra, což je důvod, proč se někdy o termografii hovoří jako o vidění v infračervené oblasti. Je ale důležité si uvědomit, že mezi okem a termokamerou je velký rozdíl nejen z hlediska přijímaných vlnových délek. Jak ilustruje obr. 2, zatímco oko zpracovává zejména odražené záření (například během dne vidíme předměty proto, že odrážejí sluneční záření), termokamera detekuje záření přímo vycházející z těles a odražené záření jí naopak práci komplikuje (viz kapitola 5).
Obrázek 2: Mechanismus chodu paprsků při běžném vidění a při termografickém měření
4. Využití termovizních kamer v praxi
Vzhledem k tomu, že měření teploty pomocí termokamer je bezkontaktní, přináší řadu výhod a použití v rozličných oborech lidské činnosti:
Stavebnictví: Na stavbách slouží ke zkoumání tepelných vlastností konstrukcí – těsnost oken, tepelné úniky střechou budovy, detekce vlhkých zdí, tepelné mosty, revize elektrických rozvodů atd.
Kriminalistika: Hledání pohřešovaných osob, pěstíren marihuany, prokazování nelegálních odběrů elektrické energie (díky zahřátí zdi kolem vodičů, kterými nelegální odběr probíhá) atd.
Ochrana přírody: Monitoring požárů, vyhledávání skrytých ohnisek požárů v nepřístupném terénu nebo v kořenovém systému stromů, kterým se může oheň šířit pod zemí na velké vzdálenosti.
Ochrana zdraví: Bezkontaktní měření teploty osob v rámci prevence epidemií, v nemocnicích, na letištích apod.
Obrázek 3: Využití termografie – vlevo monitorování požárů v Austrálii (prosinec 2019), vpravo při letištních kontrolách v době pandemie COVID-19 (duben 2020, převzato z [2])
V posledních letech se termokamery stávají díky klesajícím cenám stále dostupnější také pro školy a roste jejich využití ve vzdělávání. Při nákupu termokamery je možné zvolit v zásadě dva přístupy:
Pořízení ruční kamery: Kamera pracuje jako samostatné zařízení. Výhodou je obvykle kvalitnější termografický záznam, nevýhodou vyšší cena (v řádu nižších desítek tisíc korun). Mezi přední prodejce patří firmy FLIR, Fluke, Testo a další.
Pořízení kamery ke smartphonu: Kamera má podobu redukce, která se připojuje k tabletu nebo smartphonu. Výhodou je nižší cena (do 10 000 Kč) a možnost termografické snímky snadno sdílet či promítat, nevýhodou je u některých modelů méně kvalitní záznam a typicky kratší výdrž baterie. Na trhu jsou zastoupeny např. modely FLIR One Pro nebo Seek Thermal Compact.
5. Na co si dát pozor při termografických měřeních ve výuce
Termografická měření bývají ovlivněna mnoha parametry – vzdáleností měřeného předmětu od kamery, úhlem, pod kterým povrch předmětu snímáme, zahříváním samotného čipu termokamery apod. Zcela zásadní vliv na správnost získaných údajů má však emisivita.
Jak už bylo zmíněno v kapitole 2, termografická měření jsou problematická u povrchů, které mají velmi nízkou emisivitu – představme si třeba materiál s emisivitou 0,10. Povrch takového materiálu vysílá jen velmi málo záření – 10× méně, než kolik by vysílal jako AČT, tj. 10× méně, než by termokamera „očekávala“. Takovými povrchy jsou typicky kovy, které jsou navíc často lesklé, tj. odrážejí okolní záření. Jinými slovy, termokamera v jejich případě mnohem více vyhodnocuje záření, které se od kovu odrazilo, než záření, které samotný kov vydává (a kterého je navíc vzhledem k nízké emisivitě velmi málo). Obr. 4 ukazuje, k jak pozoruhodným výsledkům můžeme dojít, pokud nevezmeme nízkou emisivitu kovových povrchů v potaz.
Obrázek 4. Termogram kovové nádoby s horkou vodou uvnitř. V místě, kde je nalepena papírová samolepka, ukazuje termokamera reálnou teplotu nádoby. V místech, kde je snímán lesklý kov, je teplota zdánlivě o 25 °C nižší. Tato oblast má ovšem výrazně nižší emisivitu a vysílá tedy méně záření, než by termokamera „očekávala“ – získaný údaj je tedy všude mimo samolepku nereálný.
Některé termovizní kamery sice umožňují ručně změnit přednastavenou hodnotu emisivity (obvykle 0,95) a přizpůsobit se tak měřenému povrchu, nicméně pro emisivitu nižší než cca 0,30 jsou taková měření stejně principiálně nepřesná kvůli odraženému okolnímu záření. Doporučuji proto se zcela vyhnout měření teploty lesklých kovových povrchů a skel. Pokud s takovými povrchy přesto chcete pracovat, opatřete je před měřením černým matným nátěrem. Tento zásah emisivitu povrchu zvýší na úroveň blízkou 1, což pak umožňuje použití termovizní kamery bez jakýchkoliv zásahů do jejího nastavení.
6. Pracovní listy k aktivitám pro žáky
Následují pracovní listy navržené pro experimentování žáků ve dvou- až čtyřčlenných skupinkách. Předpokládá se, že každá skupinka má k dispozici jednu termovizní kameru. Do vynechaných míst, která mají žáci během experimentování vyplnit, jsou červenou kurzívou vepsány vzorové autorské odpovědi.
Úkoly, které žáci na stanovištích plní, vznikly spojením nebo drobnou úpravou krátkých samostatných experimentů, jež jsou publikovány v elektronické Sbírce fyzikálních pokusů [3]. V této sbírce jsou velmi detailně popsány provedení každého pokusu, jeho vzorový průběh i výsledek a relevantní technické a metodické poznámky užitečné pro realizaci pokusu. Proto jsou v záhlaví každé aktivity vypsány číselné kódy, jejichž zadáním do pole „Zobraz pokus“ na webové stránce [3] lze přejít přímo na daný experiment.
Obr. 1: Jednoduchý termogram
