Infračervená radiometrie (IR) je velmi užitečný způsob měření teploty. Oproti kontaktnímu měření má přednost v rychlosti odezvy a neovlivňuje měřený předmět. Emisivita povrchu je jedním z hlavních zdrojů nejistoty při radiometrickém měření a její správná znalost je nezbytná pro spolehlivé výsledky.
Co je emisivita a proč je důležitá pro kalibraci?
Emisivita je schopnost materiálu vyzařovat jako dokonalé černé těleso a vyjadřuje poměr výkonu vyzařovaného dokonalým černým tělesem k výkonu na stejné teplotě. Nejlepší kalibrátor IR teploměrů je černé těleso, protože jeho emisivita je blízká 1,000. Matematický výraz popisující spektrální výkon vyzařovaný dokonalým černým tělesem pro danou vlnovou délku je Planckův zákon, jeho integrací získáme Stefan-Boltzmannův zákon. Pro měření v omezeném pásmu pro praktické IR teploměry je nutná početná numerická integrace Planckova zákona nebo vhodné aproximace, jako Wienův zákon či Rayleigh-Jeansova aproximace.
Ve skutečnosti žádné těleso není dokonalé černé těleso; například dutiny (válec, koule, jehlan či jejich kombinace) mají emisivitu blížící se 1,000, ale často nižší (typicky 0,99, 0,999 nebo 0,9999). Dutiny jsou však nepraktické pro kalibraci IR teploměrů, zvláště pro ruční měření. Důležitá je také skutečnost, že emisivita se mění s teplotou, geometrií dutin a s povrchovou povrchovou úpravou. Emisivita povrchu navíc ovlivňuje i odrazivost pozadí a prostředí, což může při měření vyvolat chyby.
Emisivita plochých desek a kalibrace IR teploměrů
Pro kalibraci IR teploměrů je často využíván deskový kalibrátor, jehož nejdůležitější vlastností je povrch desky a jeho emisivita. Znalost emisivity desky kalibrátoru v pásmu, ve kterém je kalibrace prováděna, je nezbytná pro dobré výsledky. Desky jsou z kovu a kvůli nízké emisivitě bývají lakovány, aby se dosáhlo vhodné emisivity pro dané pásmo.
Emisivita desky kalibrátoru se ale nemusí v průběhu času a s teplotou měnit stejně, a proto dochází k nejistotám. Obr. 4 ukazuje chybu způsobenou změnou emisivity: například pokud emisivita povrchu kalibrátoru je 0,93 a předpokládá se 0,95, vzniká chyba. Materiály mají spektrálně závislou emisivitu a lze je nalézt v různých tabulkách, ale ty často ukazují jen orientační hodnoty, nikoliv celou pravdu.
Emisivita také roste s teplotou: jak teplota roste, energie emitovaná povrchem se posouvá k nižším vlnovým délkám podle Wienova zákona. To způsobí posun efektivní emisivity teploměru v rámci měřeného pásma. Důležité je rovněž vzít v úvahu vliv teploty pozadí: pokud má povrch emitter 0,95 emisivity a snažíme se měřit proti pozadí, které vytváří odražené teplo, dochází k Dalšímu vlivu emisivity na výsledky měření.
Vliv emisivity na praktické zasklení a energetickou účinnost
Nízkoemisivní skla (Low-E) pomáhají udržet tepelnou pohodu, snižují tepelné ztráty v topném období a mohou umožnit pasivní vytápění. Rozdíl mezi dvoj- a trojskly s Low-E se promítá do polohy a vrstvy, která je uvnitř dutiny IGU (insulated glass unit). Nízké emisivity znamenají snížení tepelného toku přes sklo; nátěry jsou často umístěny uvnitř dutiny IGU a jsou citlivé na vlhkost.
Nízkoemisní skla mohou propouštět vysokou část viditelného světla a zároveň redukovat UV záření, což chrání nábytek a podlahy. Konkrétně mohou filtrací UV paprsků omezit blednutí barev až do 50 %, čímž prodlužují životnost interiérového prostoru. Vliv výběru skla závisí na klimatu, orientaci a velikosti oken; lze kombinovat s laminovaným sklem pro lepší zvukovou izolaci a bezpečnost.
Okna s nízkoemisními nátěry a zasklením s dvojitou či trojitým IGU mohou výrazně snížit U-hodnotu, která popisuje přenos energie skrze zasklení. Například dvojité zasklení se standardním plaveným sklem má U = 2,7 W/m2K, zatímco s nízkoemisním tepelně izolačním sklem lze dosáhnout kolem U = 1,0 W/m2K. Pro ČR a EU jsou odhady energetických úspor a snížení emisí CO2 ve spojení s výměnou zasklení a rozvojem Low-E skel významné - až desítky milionů tun CO2 ročně do roku 2020, přičemž největší potenciál je ve středomořských a jižních státech.
Vztah emisivity, teploty a prostředí v praxi
Emisivita povrchu závisí na materiálu i na povrchové úpravě; čistý a lesklý kov má nízkou emisivitu, zatímco zdrsněný a oxidovaný kovový povrch má vysokou emisivitu. Znalost emisivity je zásadní pro přesné bezdotykové měření teploty i pro výpočty tepelného přenosu. Teoreticky, všechny objekty nad nulou vyzařují tepelné záření a emisivita určuje, jak efektivně daný povrch vyzařuje ve srovnání s dokonalým černým tělesem.
Vrstvy a konstrukce skel s Low-E nátěry musí být umístěny v určitém prostoru dutiny IGU a musí být chráněny proti vlhkosti. Přestože je oblast skla a emisivity široce zkoumána, vždy je důležité zohlednit specifické klimatické a provozní podmínky objektu a vybrat sklo, které nejlépe vyhovuje potřebám v dané situaci.
Přehled praktických údajů a příkladů
Na ilustračním příkladu rodinného domu s izolací lze odhadnout roční úspory tepla v řádu několika desítek až stovek gigadaktorů energie v závislosti na typu zasklení a kvalitě izolace. Tabulky uvádějí snížení úniku tepla po zateplení pro okna, dveře, stěny, stropy a podlahy, a roční úspory energie v GJ a emisích CO2.
Pro praktickou orientaci lze použít jednoduchý nástroj, který pomůže vybrat nejvhodnější sklo pro okna podle emisivity a dalších parametrů. Vizuální a numerické grafy ukazují dopadyLow-E skel na tepelnou izolaci a energetické úspory v EU 27 a ČR.
Souhrn souvisejích pojmů a definic
Emisivita je bezrozměrná veličina definovaná jako poměr intenzity vyzařování reálného tělesa k intenzitě černého tělesa při stejné teplotě a vlnové délce. Emisivita povrchu závisí na materiálu a povrchové topografii a je klíčovým parametrem pro termografii a výpočty radiativního tepelného toku. Termografie využívá emisivity k získání teploty povrchu prostřednictvím IR kamer.