Hasičský záchranný sbor České republiky  

Přejdi na

Předcházíme rizikům


Rychlé linky: Mapa serveru Textová verze English Rozšířené vyhledávání


 

Hlavní menu

 

 

Časopis 112 ROČNÍK XVIII ČÍSLO 7/2019

V rubrice POŽÁRNÍ OCHRANA se dočtete o dopravní nehodě trolejbusu a tramvaje v Brně. Dále o rozboru požáru elektroinstalace v podzemním kabelovém žlabu. Konference Pyromeeting 2019 doprovodila veletrhy PYROS/ISET. V rubrice INTEGROVANÝ ZÁCHRANNÝ SYSTÉM se dozvíte, že ČR poskytla humanitární pomoc Řecku. Proběhla mezinárodní konference Medicína katastrof 2019. Mezinárodní výcvik pro koordinátory psychosociální pomoci při MU uspořádalo MV-GŘ HZS ČR. V rubrice OCHRANA OBYVATELSTVA A KRIZOVÉ ŘÍZENÍ informujeme o nákupu přívěsu nouzového přežití. Téma lesních požárů se stále promítá v rámci Mechanismu civilní ochrany Unie. Zástupci Centra pro výzkum katastrof z USA navštívili Institut ochrany obyvatelstva. V rubrice INFORMACE si přečtete, že Středisko bezpečnostní politiky Fakulty sociálních věd Univerzity Karlovy pořádalo konferenci „Bezpečné Česko v bezpečné Evropě“. Na Zbirožském hasičském tatrování se sešlo víc nad 2 500 návštěvníků. Titul „Mistr Evropy“ v TFA získal Michal Brousil. 

V požárně inženýrské praxi se často potýkáme s úlohou, jak instrumentálně zajistit měření nejrůznějších fyzikálních veličin, které popisují nebo kvantifikují děje probíhající při požáru. Mezi nejčastěji měřené veličiny patří sálavý tepelný tok, rychlost proudění či složení spalin, tepelný výkon nebo právě teplota prostředí nebo povrchu (například stěn) v prostředí požáru. Článek stručně pojednává o zákonitostech, které je při měření teplot použitím rozdílných technik nutné znát a zvážit, aby naměřené hodnoty nebyly zatíženy chybou kvůli použití nesprávné metody nebo jejím špatným použitím.

Teorie
Základní dělení snímačů teploty
Snímače teploty můžeme dělit podle způsobu interakce s měřeným médiem na snímače teploty kontaktní a snímače teploty bezkontaktní. Mezi bezkontaktní snímače teploty patří pyrometry a termokamery. Kontaktních snímačů teploty existuje celá řada a můžeme je dále dělit podle fyzikálního principu jejich měření. Jde především o snímače teploty dilatační, elektrické a speciální.

Tab. 1 Přehled kontaktních teploměrů

Skupina Typ teploměru Princip měření Teplotní rozsah (°C)
Dilatační teploměry Plynový Změna tlaku -5 až +500
Kapalinový Změna objemu -40 až +400
kovový Délková roztažnost 0 až +900
Elektrické teploměry Termoelektrické Termoelektrický jev -200 až + 1700
Odporové kovové Změna elektrického odporu -250 až + 1000
Odporové polovodičové Změna elektrického odporu -200 až + 400
Speciální teploměry Teploměrné barvy Změna barvy 0 až + 1350

Teplotní snímače kontaktní
Rozdělení snímačů teploty podle fyzikálního principu měření a použitelného rozsahu teplot je uvedeno v tab. 1. Pro úplnost uvádíme princip většiny běžně používaných teplotních snímačů. V dalším textu se ale zaměříme pouze na ty, které jsou v inženýrské praxi používané při požárních zkouškách.

Při těch se pro jejich jednoduchost, cenu a především velice dobrý rozsah měřených teplot nejčastěji používají snímače teploty termoelektrické, zjednodušeně řečeno termočlánky. Dále může být v některých aplikacích výhodné použití indikačních nálepek či teplocitlivých barev, a to především díky jejich ceně, snadnému odečtu naměřené teploty a jednoduchosti použití.

Tab. 2 Přehled používaných termoelektrických snímačů

Typ termočlánku

Značení konektoru

Použitá slitina

Teplotní rozsah (°C)

K

žlutá

NiCr­‑NiAl

-180 +1300

J

černá

Fe­‑CuNi

-180 +800

T

modrá

Cu­‑CuNi

-250 +400

E

béžová

NiCr­‑CuNi

-40 +900

R

tmavě zelená

PtRh13-Pt

-50 + 1700

S

světle zelená

PtRh10-Pt

-50 +1750

B

šedá

PtRh30-PtRh6

0 +1820

Termoelektrické snímače teploty
Měřicí princip termoelektrických snímačů teploty využívá tzv. Seebeckova jevu, který spočívá v přeměně tepelné energie na energii elektrickou. Termoelektrický článek jsou dva vodiče vyrobené z různých materiálů, které jsou na obou koncích vodivě spojeny. V případě, že mezi opačnými konci termoelektrického článku vznikne rozdíl teplot, vzniká termoelektrické napětí, které je úměrné právě rozdílu teplot.

Obr. 1 Schema termočlánkuObr. 1 Schema termočlánku
Koeficient úměrnosti nazýváme Seebeckovým koeficientem. Ten závisí na materiálech, ze kterých je termoelektrický článek vyroben. Dvojice materiálů pro výrobu termoelektrických článků jsou normalizovány a jejich přehled je v tab. 2. Každá dvojice materiálů je charakteristická svou závislostí vznikajícího termoelektrického napětí na rozdílu teplot. Tuto závislost nazýváme charakteristikou termočlánku.

Díky svému rozsahu jsou při požárních zkouškách používány nejčastěji termočlánky typu K. Znalost typu termočlánku je nesmírně důležitá při použití moderních datalogerů či jiných vyhodnocovacích zařízení uzpůsobených pro měření teplot termoelektrickými články. Tyto přístroje mají zpravidla charakteristiku jednotlivých typů termočlánků uloženou v paměti a pro správné vyhodnocení je nutné mít nastaven vhodný typ termočlánku. Z tohoto důvodu bývají konektory termočlánků barevně odlišeny.

Pro správnou funkci termočlánku je dále nutné, aby měřicí spoj termočlánku měl co nejlepší kontakt s měřeným médiem, byla známa teplota referenčního spoje termočlánku a aby byly vodiče mezi měřeným a referenčním spojem řádně izolovány.

Z hlediska konstrukce termočlánku rozeznáváme tři provedení měřicího spoje. Jde o měřicí spoj otevřený, izolovaný a uzemněný (obr. 2).

Otevřený (exposed) měřicí spoj má nespornou výhodu v nízké tzv. časové konstantě neboli rychle dochází k přestupu tepla mezi termočlánkem a měřeným médiem. Jeho použití je tak výhodné při studiu dějů, při kterých dochází k rychlým změnám teploty. Jeho velkou nevýhodou je absence elektrické izolace na měřicím konci termočlánku a absence ochrany proti vnějším vlivům. Při vodivém spojení dvou a více termočlánků dochází k rušení jednotlivých snímačů mezi sebou. To může nastat nejen při instalaci termočlánků na elektricky vodivém materiálu, ale v podmínkách požárních zkoušek především při kontaktu vodního proudu s měřicími spoji termočlánků.

Měřicí spoj uzemněný (grounded) odstraňuje nevýhodu spočívající v chybějící ochraně proti vnějším vlivům. Kvůli vodivému propojení pláště termočlánku je zachována nízká časová konstanta, nicméně za cenu absence elektrické izolace konce termočlánku.

Izolovaný (ungrounded) měřicí konec spočívá v elektrické izolaci vlastního měřicího konce termočlánku od jeho pláště. Tento druh termočlánku lze použít i tam, kde je nutné měřit elektricky vodivé médium, cenou za to je však vysoká časová konstanta. V závislosti na průměru termočlánku může dosažení měřené teploty trvat i několik vteřin. Pro měření silně dynamických jevů tak není toto provedení měřicího konce vhodné.

Izolace termočlánku je výrobci nabízena v mnoha variantách podle předpokládaného použití. Různé materiály vykazují pochopitelně různou odolnost proti působení vnějších chemických vlivů, působení vlhkosti či zvýšeným teplotám. Obecně lze říci, že čím vyšší je tepelná odolnost izolace termočlánku, tím nižší je její odolnost proti působení vlhkosti. Při požárních zkouškách se zpravidla setkáváme s prostředím, které je vystaveno působení vysokých teplot a následně je do prostoru dodáno velké množství vody. Řešením této situace může být použití termočlánků, které jsou uloženy v plášti. Z hlediska izolace jde o nejlepší řešení, je však kompenzováno vyšší cenou a také vyšší časovou konstantou, jak bylo popsáno.

Je nutné zmínit, že termočlánek je v principu poměrové měřidlo. Vznikající termoelektrické napětí je úměrné rozdílu teplot obou konců. Pro správné vyhodnocení teploty měřené na horkém konci je bezpodmínečně nutné znát teplotu referenčního spoje. V dnešní době se používají datalogery, které jsou schopny studený spoj samy kompenzovat. Nejčastěji se používá způsob, při kterém je měřena teplota studeného spoje jiným způsobem, například přesným snímačem pt100, a následně je softwarově vyhodnocena konečná teplota měřicího konce termočlánku. Vše probíhá automaticky, bez nutnosti zásahu uživatele. Přesto je třeba mít na paměti nutnost kompenzace a zajistit, aby celá sestava konektoru a datalogeru nebyla vystavena prudkým změnám teploty, což by mohlo vést k ovlivnění přesnosti měření.

Speciální snímače teploty
Pro použití při požárních zkouškách může být někdy výhodné pouze použití jednoduchých indikátorů; jde o různé teplocitlivé samolepky, barvy či laky, které při dosažení určité teploty mění svoji barvu, a to buď nevratně, nebo vratně.

Teplotní snímače bezkontaktní
Bezkontaktní snímače teploty využívají skutečnosti, že každý objekt, který má vyšší teplotu, než je absolutní nula, vyzařuje určité množství elektromagnetického záření v určité vlnové délce. Komplexní popis problematiky je obsáhlejší, než je možné v článku tohoto rozsahu postihnout, nicméně lze říci, že množství vyzářené energie je dáno vztahem, kde M je intenzita vyzařování (W.m-2), je Stephan­ Boltzmanova konstanta (5,67.10-8 W.m-2.K-4) a T je termodynamická teplota (K). Tento vztah je platný pro fyzikální model, tzv. dokonale černé těleso, které při dané teplotě vyzáří maximální množství energie a zároveň pohltí veškerou energii, která na něj ve formě elektromagnetického záření dopadá.
Obr. 2 Různá provedení měřicího konce termočlánkuObr. 2 Různá provedení měřicího konce termočlánku
Skutečná tělesa však vyzáří i pohltí menší množství energie než dokonale černé těleso. Korekční faktor tohoto jevu nazýváme emisivita.
Bezkontaktní měřidla teploty vyhodnocují množství dopadajícího elektromagnetického záření na vnitřní senzor měřidla. Pro správné vyhodnocení teploty je bezpodmínečně nutné správné nastavení emisivity objektu. Tato veličina je charakteristická pro různé materiály a může velmi zkreslit konečný výsledek měření. Hodnoty emisivity lze nalézt v nejrůznějších literárních zdrojích.

Při měření je také nutné vzít v úvahu zorné pole použitého měřidla. V závislosti na parametrech použitého měřidla se mění velikost měřené plochy v závislosti na vzdálenosti. Tento jev je třeba vzít v úvahu zejména v případě členitých objektů či objektů skládajících se z různých materiálů. Optické vlastnosti pyrometru jsou popsány poměrem D:S (distance:spot). Jde o poměr vzdálenosti měřeného objektu k průměru měřicího bodu. Na obr. 3 je vysvětlení poměru D:S pro pyrometr značky FLUKE. Poměr 12:1 říká, že pokud budeme měřit objekt ve vzdálenosti 12 metrů, průměr měřicího bodu je jeden metr. Rozsah poměru D:S se pro různé typy liší. Na trhu jsou pyrometry s rozsahem D:S od 1:1 až k nejdražším výrobkům s poměrem D:S 60:1.

Přesnost měření dále ovlivňují další zářivé zdroje než jen právě měřený objekt. Například v případě, kdy měříme teplotu objektu a nedaleko je jiný zdroj záření (například probíhající požár), může být naše měření zkresleno. Parametr, který slouží k potlačení tohoto jevu, se nazývá odražená teplota a pro její stanovení se používá několik technik, jejichž vysvětlení přesahuje rozsah tohoto článku. Například společnost FLIR jejich vysvětlení věnuje sekci v uživatelském manuálu jejich výrobků.

Pyrometry
Někdy nazývané také jako IR teploměry jsou měřicí zařízení, která vyhodnocují tepelné záření tělesa v jednom bodu a jejich výstupem je zpravidla číslicový výstup na displeji. Je nutné vzít v úvahu, že podle zorného pole konkrétně použitého teploměru je měřena průměrná teplota daného tělesa. V případě, že v zorném poli není celý měřený objekt, zatěžujeme měření chybou.

Termokamery
Termokamera je složena z maticového systému mikrobolometrů (senzorů dopadajícího záření), čím hustší je maticová síť mikrobolometrů, tím vyšší rozlišení výsledného termogramu získáme. Analogicky jako u pyrometrů je třeba znát optické vlastnosti použitého objektivu termokamery. Pokud by měřený objekt byl menší, než je zorné pole pokryté jedním senzorem termokamery, pak opět zatížíme měření chybou.

Praktické poznatky z provedených měření
Termoelektrické snímače teploty
Při použití termoelektrických snímačů teploty při provádění požární zkoušky je nutné zvážit několik faktorů.
Jak rychlé děje budeme pozorovat? Bude se jednat o dynamický děj nebo spíše ustálený? Je nutné postihnout rychlé teplotní změny nebo nebude studovaný děj tak dynamický, aby znemožnil použití snímačů o delší časové konstantě?

Jaké budou podmínky v místě zkoušky? Je nutné chránit použitý termočlánkový snímač proti okolním vlivům? Bude se v průběhu měření pracovat s vodou? Bude se zkouška provádět opakovaně? Jaké bude měřené médium? Jde o vzduch, spaliny nebo elektricky vodivé či nevodivé předměty? Všechny tyto otázky je nutné vzít v potaz při výběru vhodné izolace a zakončení termočlánku.

Jakým způsobem budou data vyhodnocována a zaznamenávána? Jaká frekvence záznamu dat je pro studium děje potřebná? Je záznamový dataloger kompatibilní s použitým typem termočlánkového snímače? Je dataloger vybaven nějakým způsobem kompenzace studeného spoje? Jsou splněny všechny podmínky, aby kompenzace studeného spoje správně fungovala? Jsou připojovací konektory chráněny proti zkratu (například mechanickým působením nebo působením vlhkosti)? Je použito kompenzační vedení stejného typu jako použitý termočlánek?

Všechny tyto otázky je nutné si položit při přípravě na měření, tak aby konečný naměřený výsledek dosahoval požadované kvality a přesnosti.
Obr. 3 Manuál FLUKE 63 - zorné poleObr. 3 Manuál FLUKE 63 - zorné pole
Pyrometry
Jaká je vzdálenost měřeného předmětu a jaké jsou optické vlastnosti použitého měřidla? Dokážeme při měření zaměřit celý objekt? Jaká je emisivita měřeného objektu? Vyskytují se v okolí měřeného předmětu jiné zdroje elektromagnetického záření, jejichž vliv by bylo třeba kompenzovat?

Termokamery
Mimo parametry, které jsou obdobné jako u pyrometrů, je třeba při vyhodnocování termogramu vzít v potaz: Mají objekty na sledovaném termogramu obdobnou emi­si­vitu? Je pozorovaný výrazný teplotní rozdíl skutečný, nebo jde o objekty s velmi výrazně odlišnou emisivitou? Je lokálně pozorovaný teplotní nárůst skutečný, nebo jde o odraz některého jiného výrazného zdroje elektromagnetického záření?

Závěr
Při přípravě na měření je třeba pečlivě zvážit, jaké děje chceme studovat, a podle toho zvolit správnou instrumentaci měření. Nelze použít univerzální přístup, měření je nutné navrhnout vždy s ohledem na požadované výstupy měření.

Jednotky požární ochrany a požární inženýři jsou v praxi často vybavení některým v textu zmíněným měřidlem. Je důležité připomenout fakt, že i při nejjednodušších aplikacích může neznalost základních principů a možností měřidla vést k chybné interpretaci naměřených hodnot. Je proto potřeba se seznámit s manuálem konkrétního měřidla a znát jeho aplikační limity, které nemohou být při praktickém měření překročeny. Zpravidla stačí dodržení několika jednoduchých pravidel a výsledky měření jsou pak uspokojivě přesné.


Použitá a doporučená literatura
[1] KADLEC, Karel, Miloš KMÍNEK a Pavel KADLEC. Měření a řízení chemických, potravinářských a biotechnologických procesů. Ostrava: Key Publishing, 2017. Monografie (Key Publishing). ISBN isbn978-80-7418-284-6.
[2] https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/41/Thermocouple_circuit_Ktype_including_voltmeter_temperature.svg/1920 px­­­­ Thermocouple_circuit_Ktype_including_voltmeter_temperature.svg.png
[3] https://www.phidgets.com/docs/images/7/76/Thermocouple.jpg
[4] https://dam­ assets.fluke.com/s3fs­ public/flukeig/articles/news­ temperature/infrared_thermometer_distancetospot_ratio_250px.jpg


kpt. Ing. Václav VYSTRČIL,  kpt. Ing. Lucie HASALOVÁ, Ph.D.,Technický ústav požární ochrany, foto archiv Technického ústavu požární ochrany

vytisknout  e-mailem