Termowizja jest metodą badawczą polegającą na zdalnej i bezdotykowej ocenie rozkładu temperatury na powierzchni badanego ciała. Metoda ta jest oparta na obserwacji i zapisie rozkładu promieniowania podczerwonego wysyłanego przez każde ciało, którego temperatura jest wyższa od zera absolutnego wynoszącego 0,0 K (–273,15°C), i przekształceniu tego promieniowania na światło widzialne. Tworzenie obrazu polega na rejestracji przez kamerę promieniowania emitowanego przez obserwowany obiekt, a następnie przetworzeniu na kolorową mapę temperatur. Moc promieniowania ciała zależy od jego temperatury, dlatego miejsca cieplejsze wydają się jaśniejsze na obrazie widzialnym. Zapisany w ten sposób obraz nazywany jest termogramem (fot. 1).
Historia termowizji
W drugiej połowie XIX w. odkryto i opisano, że promieniowanie cieplne i inne fale elektromagnetyczne, np. światło widzialne lub fale radiowe, mają podobny charakter. W konsekwencji powstały prawa stworzone przez Kirchhoffa, Wiena, Plancka, Stefana- -Boltzmanna. Promieniowanie podczerwone jest częścią spektrum elektromagnetycznego i rozpościera się w długofalowej części spektrum widzialnego od światła czerwonego o długości fali ok. 760 nm do fal o długości 1 mm. W technicznych pomiarach temperatur główną rolę odgrywa zakres fal o długości ok. 20 μm. Spektralne zestawienie wysyłanego promieniowania zależy od temperatury obiektu. Przykładowe ciało o temperaturze powyżej 500°C wysyła także promieniowanie w zakresie widzialnym. Ponadto stwierdzono, że dla każdej długości fali intensywność promieniowania rośnie wraz ze wzrostem temperatury.
Prawo promieniowania Plancka opisuje podstawowe zależności bezkontaktowych pomiarów temperatury. Na jego podstawie wyprowadzono wiele innych zależności, np. prawo Stefana-Boltzmanna:
Ciała odznaczają się różnymi właściwościami promieniowania (tabela). Aby wykorzystać w praktyce opisane zjawiska promieniowania cieplnego ciał, konieczne było uproszczenie tej różnorodności i sprowadzenie jej do postaci modelu ciała o idealnych właściwościach promieniowania. Model tego ciała jest nazywany w fizyce ciałem doskonale czarnym. Każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego jest źródłem promieniowania w pasmie podczerwieni, a jego intensywność zależy od temperatury i cech powierzchni ciała (emisyjność). Praktyczne wykorzystanie promieniowania podczerwonego można datować na połowę XX w. Pierwsze wykorzystanie wiązało się z wojskiem, dla którego zbudowano wskaźniki podczerwone. W latach 60. pojawiły się pierwsze urządzenia termowizyjne do zastosowań cywilnych.
Wpływ warunków zewnętrznych na wykonywanie pomiarów termowizyjnych
Ponieważ termografia w podczerwieni jest metodą bezdotykową, promieniowanie podczerwone musi przebyć drogę od obiektu do urządzenia pomiarowego przez pewne medium, którego optyczne właściwości podczerwone mogą wpływać na otrzymany wynik. W większości wypadków jest nim powietrze, ale w praktyce spotyka się także inne materiały, np. przepuszczające promieniowanie podczerwone okna. Szczególnie zawarta w powietrzu para wodna lub dwutlenek węgla mogą zmniejszać jego zdolność przepuszczania promieniowania podczerwonego. Przepuszczalność (transmisyjność) powietrza zależy w bardzo dużym stopniu od długości fali (rys. 1). Obszary o wysokim tłumieniu przenikają się z obszarami o dużej przepuszczalności, tzw. oknami atmo sferycznymi. W zakresie (8–14) μm długofalowe okno atmosferyczne jest równomierne nawet na dużą odległość, w zakresie (3...5) μm występuje krótkofalowe okno atmosferyczne, w którym odchyłki pomiarowe związane z atmosferą są obserwowane już przy odległości pomiarowej wynoszącej 10 m. Duże zniekształcenia pomiarów pojawiają się również wtedy, gdy wieje wiatr. Przy jednocześnie podwyższonej wilgotności może on doprowadzić do zafałszowania pomiarów i w konsekwencji do wadliwych wniosków.
Ciało doskonale czarne jest fizycznym modelem promiennika. Praktyczne obiekty pomiarowe często mniej lub bardziej odbiegają od tego modelu i dlatego przy pomiarach staje się konieczne uwzględnienie tej odchyłki. Dlatego wprowadzono pojęcie współczynnika emisyjności jako wartości określającej możliwości wysyłania promieniowania podczerwonego przez dane ciało. Przyjęto, że ciało doskonale czarne ma współczynnik emisyjności o wartości 1, który jest niezależny od długości fali. W przeciwieństwie do tego współczynnik emisyjności rzeczywistych obiektów pomiarowych w mniejszym lub większym stopniu zależy od długości fali. Poza tym możliwy jest wpływ następujących rodzajów zjawisk: zestawienie materiałów, utlenienie otoczenia, zadymienie otoczenia, kąt do powierzchni normalnej, temperatura oraz stopień polaryzacji. Duża liczba tworzyw niemetalicznych odznacza się – szczególnie w długofalowym zakresie spektralnym – niezależnością od właściwości otoczenia ich współczynnika emisyjności, który jest wysoki i ma relatywnie stałą wartość. Należą do nich np. ludzka skóra lub często stosowane mineralne powłoki budowlane i malarskie (rys. 2). Metale mają zazwyczaj mały współczynnik emisyjności, silnie zależny od cech otoczenia i zmniejszający się wraz ze wzrostem długości fal (rys. 3).
.jpg)
