Pomiar temperatury w miejscach trudnodostępnych, czy też o znacznych wartościach stanowił dla człowieka od szeregu lat poważny problem.

Wymóg wielopunktowego pomiaru powierzchni i rejestracja zachodzących zmian, często była niemożliwa, lub kłopotliwa przy użyciu dostępnej aparatury pomiarowej. Ostatnie lata zaowocowały rozwojem nowoczesnych technik z zakresu termografii i termowizji, które umożliwiają znacznie więcej niż tylko zwykły pomiar temperatury.

 

 

Rys. 1. Pochłanianie promieniowania podczerwonego w atmosferze przez parę wodną i dwutlenek węgla w funkcji długości fali wraz z zakresem spektralnym kamer długofalowych i krótkofalowych [FLIR]

 

Zasada działania kamery termowizyjnej
Ogólnie ujmując, termowizyjne pomiary temperatury polegają na pomiarze natężenia promieniowania cieplnego, które jest emitowane przez wszystkie ciała o temperaturze wyższej od temperatury 0 K (-273,15°C). W oparciu o prawo Plancka [2], znając zakres spektralny w jakim obserwuje się promieniowanie cieplne, można wyznaczyć temperaturę na powierzchni ciała emitującego promieniowanie.

 

Prawo Plancka obowiązuje dla tzw. ciała doskonale czarnego pod względem radiacyjnym. W rzeczywistości takie ciała nie występują, bo rzeczywiste powierzchnie emitują na ogół mniejszy strumień energii niż wynikałoby to z prawa Plancka. Ten efekt uwzględnia się za pomocą współczynnika emisyjności. Dla ciała doskonale czarnego, które emituje radiacyjnie maksymalny strumień energii przy danej temperaturze, współczynnik ten wynosi 1,0.

 

Równocześnie powierzchnie takie nie odbijają w ogóle padającego na nie promieniowania wyemitowanego przez inne powierzchnie, pochłaniając je w całości. Rzeczywiste ciała mają współczynnik emisyjności (emisyjność) mniejszy od 1,0. Zgodnie z prawem Kirchhoffa, emisyjność powierzchni ε jest zarazem równa absorpcyjności [2].

 

Strumień energii emitowany przez rzeczywiste powierzchnie, zwany emisją własną, jest iloczynem emisyjności i strumienia jaki emitowałoby ciało doskonale czarne. Strumień energii odbity od powierzchni stanowi różnicę pomiędzy całkowitym strumieniem padającym na tę powierzchnię, a pochłoniętym (dla ciał nieprzezroczystych). W ujęciu względnym, wielkość tę nazywa się refleksyjnością r.

 

Zjawiska te są bardzo ważne z punktu widzenia pomiarów termowizyjnych, ponieważ mają istotny wpływ na wynik pomiaru. Podczas pomiaru operator kamery musi nastawić emisyjność badanej powierzchni (dopełnienie do jedności stanowi refleksyjność), natomiast efekt wywołany odbijaniem się od badanej powierzchni promieniowania otoczenia uwzględnia się przez zadanie w kamerze radiacyjnej temperatury otoczenia [3, 4].

 

 

 

Parametry techniczne i konstrukcyjne kamer termowizyjnych
Poniżej przedstawiono najistotniejsze parametry techniczne kamer termowizyjnych wiążące się z jakością wykonanych pomiarów lub cechami otrzymanych termogramów.

 

Zakres spektralny jest to przedział długości fali promieniowania cieplnego w jakim działa detektor kamery. Przedział ten wynika z właściwości detektora podczerwieni zastosowanego w kamerze. Może być zawężony w stosunku do możliwości detektora przez zastosowanie odpowiednich filtrów. Najbardziej powszechnym zakresem spektralnym jest przedział 8÷14 μm, w którym działają kamery długofalowe (LW) oraz przedział 2÷5 μm, w którym pracują kamery krótkofalowe (SW).

W przypadku typowych zastosowań kamery jest to na ogół mniej istotny parametr, z tym że należy pamiętać, iż emisyjność ciał zależy od długości fali. Przy pomiarach termowizyjnych należy posługiwać się średnią emisyjnością pasmową dla zakresu spektralnego kamery. W przypadku metali emisyjność maleje wraz z długością fali (rys. 1).

 

Zakres pomiarowy temperatury jest podstawowym parametrem przesądzającym o przydatności kamery dla danego pomiaru. Kamery konstruowane są dla różnych zakresów pomiarowych w zależności od przeznaczenia.

Kamery dedykowane do celów naukowych, do różnych zastosowań, mają zakres od -40°C do 1500°C lub 2000°C.

Kamery do konkretnego zastosowania, np. do diagnostyki budynków, mają mniejsze zakresy, przykładowo od -20°C do 350°C. Całkowity zakres pomiarowy kamery jest na ogół dzielony na kilka zachodzących na siebie podzakresów.

 

47-fot2

 

47-fot2a

Rys. 2. Detektor mikrobolometryczny (nie chłodzony) starszej i nowszej generacji [FLIR]

 

 

47-fot3

Rys. 3. Poglądowy schemat detektora bolometrycznego/fotonowego: bolometer ogrzewany jest przez
promieniowanie wskutek czego zmienia się oporność materiału VOx występująca zmiana oporności
mierzona jest przez układ CMOS [FLIR]

 

 

47-fot4

 

 

47-fot4a

 

47-fot4b

Rys. 4. Widok powierzchni przykładowych detektorów

 

 

Typ detektora i sposób skanowania obrazu decyduje o głównych cechach konstrukcyjnych kamery. Detektor kamery jest najbardziej zaawansowaną technologicznie częścią kamery. W najogólniejszym przypadku detektory dzieli się na detektory termiczne (piroelektryczne, bolometryczne) i fotonowe (półprzewodnikowe – fotoprzewodzące lub fotowoltaiczne) [6, 7].

 

Starsze typy kamer (jeszcze ciągle w użyciu) posiadały detektor punktowy lub liniowy i precyzyjny mechaniczny układ skanujący, który składał się z wirującego zwierciadełka umieszczonego w wykonującym wahadłowe ruchy zawieszeniu.

 

Dzięki skojarzeniu tych ruchów, od zwierciadełka odbijała się wiązka promieniowania otrzymana z układu optycznego, która następnie oświetlała detektor rejestrujący natężenie promieniowania. Rozwiązanie to zostało zastąpione przez detektory typu matrycowego FPA, w których detektor w postaci nieruchomej płytki jest pokryty wielką liczbą odizolowanych od siebie pojedynczych detektorów – pikseli.

 

Elektroniczny układ skanujący umożliwia bardzo szybki odczyt wskazań każdego pojedynczego detektora. W efekcie otrzymuje się macierz wartości temperatury.

Detektory FPA budowane są jako bolometryczne i fotonowe.

 

Bardzo ważnym parametrem jest wielkość matrycy detektora wyrażona za pomocą liczby pikseli. W kamerach termowizyjnych wyższej klasy używane są detektory o rozmiarze matrycy 640x480 lub 640x512 pikseli. Kamery średniej klasy posiadają detektory o wymiarze rzędu 320x240, a kamery powszechnego użytku mają detektory o przykładowych wymiarach 240x180, 180x180, 180x120.

 

47-fot5

Rys. 5. Rozdzielczość przestrzenna (kąt widzenia) FOV oraz rozdzielczość IFOV: FOV pole widzenia, HFOV poziome pole widzenia, VFOV pionowe pole widzenia, IFOV pole widzenia pojedynczego detektora

 

 

Temperatura pracy detektora wiąże się nieodłącznie z typem detektora. Detektory fotonowe w przeważającej większości wymagają schłodzenia do niskiej temperatury rzędu 77 K (-196°C) [6, 7].

 

Obecnie do schładzania detektorów wykorzystywane są mikroziębiarki sprężarkowe Stirlinga. Detektory chłodzone uzyskują lepszą czułość niż detektory niechłodzone.

Należy jednak pamiętać, że mechaniczny układ chłodziarki ma ograniczoną trwałość wynoszącą do 10 tysięcy godzin pracy. Detektory fotonowe mają jednak bardzo małą bezwładność cieplną i dzięki temu umożliwiają osiąganie wysokich szybkości odczytu kolejnych obrazów, nawet do 30 kHz. Kamery takie nadają się do badania bardzo szybkich procesów, przykładowo zapłonów lub wybuchów.

 

Detektory termiczne nie wymagają schładzania do niskiej temperatury (i to jest ich niezwykle ważną zaletą), a jedynie zapewnienia stabilnej temperatury pracy zbliżonej do temperatury otoczenia. Do stabilizacji temperatury wykorzystuje się chłodnice Peltiera nie zawierające żadnych ruchomych mechanicznych części.

Dzięki temu układy te cechują się wysoką niezawodnością i dużą trwałością. Detektory te są jednak wolniejsze w działaniu w porównaniu z fotonowymi. Najwyższe znane prędkości odczytu obrazów z kamery termowizyjnej posiadającej detektor bolometryczny są rzędu 60 Hz.

 

Układ optyczny kamery to obiektyw podstawowy kamery wraz z ewentual-nie dodatkowymi obiektywami, wąsko- i szerokokątnymi, a także obiektywami mikroskopowymi. Podstawowy kąt widzenia kamery w poziomie jest zawarty najczęściej w przedziale 20÷25°.

Zaś w pionie wynosi najczęściej około 75% kąta widzenia w poziomie. Istnieje możliwość zmiany kąta widzenia za pomocą dodatkowych obiektywów, typowe wielkości to m.in.: 6÷7°, 12°, 45°,75°, 90°.

Kąt widzenia obiektywu (oznaczany jako FOV, Field of View) decyduje o wielkości obszaru widzianego przez kamerę. Z odległości 10 m, przy kącie widzenia obiektywu równym 24°, widziana w kamerze szerokość obiektu wynosi 4,2 m, natomiast w przypadku zastosowania obiektywu 45° wymiar ten zwiększy się do około 8,3 m.

 

Rozdzielczość kątowa kamery (oznaczana jako IFOV lub spatial resolution) jest to kąt, w obszarze którego zbierane jest promieniowanie wychodzące z badanego obiektu i padające na pojedynczy piksel matrycy.

Wartość tego kąta otrzymuje się przez podzielenie kąta widzenia kamery (FOV) przez liczbę pikseli matrycy dla przyjętego kierunku. Kąt ten podawany jest najczęściej w mRad (miliradiany) i jego typowe wartości dla kamer średniej klasy zawierają się w przedziale 1÷1,3 mRad.

Znajomość tego parametru umożliwia szybkie wyznaczenie wymiaru obszaru, z którego pada promieniowanie na pojedynczy piksel, ponieważ jest to iloczyn tego kąta i odległości kamery od obiektu. Zarazem jest to teoretycznie najmniejszy geometrycznie obiekt, który może być zauważony przez kamerę.

 

Możliwości i zakres nastawiania parametrów
pomiaru
 takich jak: emisyjność obiektu (maksymalnie 0,01÷1,00), wilgotności względnej powietrza, temperatury powietrza, odległości kamery od badanego obiektu są istotne ponieważ wpływają one na wynik pomiaru. Może się tak zdarzyć, że sama kamera nie posiada możliwości nastawienia wszystkich wymienionych parametrów, a można je dopiero zadać w oprogramowaniu używanym do opracowywania wyników pomiarów.

 

47-fot6

Rys. 6. Widok przykładowych obiektywów

 

 

47-fot7

Rys. 7. Zależność emisyjności blachy stalowej po walcowaniu od długości fali promieniowania podczerwonego [5]

 

 

Możliwość instalacji dodatkowych obiektywów

o różnych kątach widzenia bardzo poszerza zakres wykorzystania kamery. Przy diagnostyce dużych obiektów jak budynki, rurociągi, chłodnie lub przy inspekcjach termowizyjnych wewnątrz budynków, gdzie ze względu na brak miejsca nie można odsunąć się na większą odległość od obiektu, bardzo przydatny będzie dodatkowy obiektyw szerokokątny.

 

Przy diagnostyce małych obiektów lub obiektów, do których nie można podchodzić zbyt blisko z powodu zagrożenia jak izolatory wysokonapięciowe czy dociskowe połączenia elektryczne posiadające na ogół małe wymiary, przydatnym obiektywem będzie obiektyw o wąskim kącie widzenia.

 

Poniżej wymieniono dodatkowe cechy techniczne kamer mające wpływ na użytkowanie urządzenia i dokładność pomiaru:

- Pojemność nośnika do zapisu obrazów termowizyjnych i możliwość zapisu komentarzy głosowych – bardzo przydatna funkcja przy wykonywaniu pomiarów diagnostycznych w terenie, umożliwia dopisanie na trwale wszelkich spostrzeżeń wykonanych na miejscu do każdego termogramu. Istotny jest tu również maksymalny czas zapisu. Czasy te zawierają się na ogół w przedziale 30÷60 s.

- Możliwość równoczesnego wykonywania zdjęć fotograficznych badanego obiektu za pomocą wewnętrznego aparatu fotograficznego i zapisanie ich razem z termogramami pod podobną nazwą – ułatwia to później opracowywanie wyników pomiarów.

Zdjęcia widzialne można wykonywać zewnętrznym aparatem jednak później trzeba je dopasować do wykonanych termogramów. Współczesne oprogramowanie kamer o uniwersalnym przeznaczeniu ma także możliwość umieszczenia termogramu na zdjęciu widzialnym wykonanym aparatem o większym kącie widzenia niż kamera termowizyjna.

- Z funkcjonalnego punktu widzenia istotny jest czas pracy kamery na zestawie akumulatorów i możliwość łatwej wymiany rozładowanego akumulatorka. Jest to ważne podczas inspekcji termowizyjnej w terenie, kiedy trzeba zabrać ze sobą zapas naładowanych akumulatorków. Należy wziąć pod uwagę, że przy niskiej temperaturze otoczenia czas pracy kamery na jednym akumulatorze ulega skróceniu.

- Kolejną przydatną cechą jest posiadanie gniazda wyjściowego z kamery termowizyjnej do ciągłego nagrywania filmów na kamerze wideo. W diagnostyce jakościowej obiektów wygodnym sposobem jest wykonanie filmu składającego się z naprzemiennych odcinków: film z kamery termowizyjnej i film z kamery wideo.

- Niektóre modele kamer wyposażane są w system GPS służący do określenia współrzędnych geograficznych dla każdego wykonanego termogramu. Jest to przydatna funkcja w przypadku diagnostyki obiektów w otwartej rozległej przestrzeni, jak przykładowo sieci rurociągów ciepłowniczych czy inne obiekty.

- Możliwości zdalnego sterowania pracą kamery, poczynając od wykonywania pojedynczych zapisów obrazu za pomocą sygnału analogowego do zaawansowanego sterowania wszystkimi funkcjami kamery za pomocą komputera, są przydatne przy potrzebie czasowej synchronizacji pomiaru termowizyjnego z innymi pomiarami. Jest to istotne w badaniach naukowych różnych procesów.

- Maksymalna szybkość rejestracji pojedynczych  obrazów – ważne w termografii dynamicznej [1] i dotyczy kamer przeznaczonych do badań naukowych oraz bardziej zaawansowanych zastosowań techniki pomiarów termowizyjnych.

 

Uwagi końcowe
Podczas pomiarów wysokich wartości temperatury należy pamiętać, aby wybrać odpowiedni zakres temperatury. Po wybraniu zakresu dla wysokiej temperatury następuje najczęściej uaktywnienie odpowiedniego filtra wewnątrz kamery, osłabiającego nadmierne promieniowanie. Podczas pomiarów należy zachować ostrożność, aby nie skierować przypadkowo obiektywu przenoszonej kamery na źródło intensywnego promieniowania (przykładowo słonecznego) mogącego uszkodzić jej detektor.

 

Tadeusz Kruczek

Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska

 

LITERATURA

[1] BIAŁECKI R., KRUCZEK T., ADAMCZYK W.: Determination of thermal conductivity by means of laser pulse excitation and infrared camera measurement of temperature distribu-tions. 15-th Workshop on Photoaco-ustics and Thermal Wave Methods. Szczyrk, 2010.

[2] KOSTOWSKI E.: Promieniowanie cieplne. PWN. Warszawa, 1993.

[3] KRUCZEK T.: Wyznaczanie radiacyjnej temperatury otoczenia przy pomiarach termowizyjnych w otwartej przestrzeni. PAK. Nr 11. 2009. ss.882–885.

[4] KRUCZEK T.: Analiza wpływu czynników zewnętrznych na wyniki termowizyjnego pomiaru temperatury. Mat. V Krajowa Konferencja – Termografia i Termometria w Podczerwieni. Ustroń, 2002. ss.327–332.

[5] KRUCZEK T., RUDNICKI Z., SACHAJDAK A.: Measurements of the spectral emissivity of steel in a gaseous reduction atmosphere. Proc. of Int. Conf. – Radiative Transfer. Antalya, 2001. ss.5–7.

[6] Praca zbiorowa (red. MADURA H.): Pomiary termowizyjne w praktyce. Agenda Wyd. PAK. Warszawa, 2004.

[7] ROGALSKI A.: Multispectral infrared detector arrays. Mat. VIII Konferencja Krajowa Termografia i Termometria w Podczerwieni. Ustroń, 2009. ss.43–60.

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym

 

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

więcej informacj: Świat Szkła 10/2011

 

 

 

 

 

 

 

  • Logo - alu
  • Logo aw
  • Logo - fenzi
  • Logo - glass serwis
  • Logo - lisec
  • Logo - mc diam
  • Logo - polflam
  • Logo - saint gobain
  • Logo termo
  • Logo - swiss
  • Logo - guardian
  • Logo - forel
  • vitrintec wall solutions logo

Copyright © Świat Szkła - Wszelkie prawa zastrzeżone.