Termowizja – zasady ogólne, środowisko pomiarowe, budowa kamer, przykłady zastosowania

Termowizja jest bardzo uniwersalną technologią umożliwiającą obserwację i rejestrację promieniowania podczerwonego emitowanego przez przedmioty znajdujące się w otaczającym nas środowisku. Zarejestrowane przez urządzenia termograficzne wartości emitowanego promieniowania podczerwonego pozwalają na stworzenie obrazu będącego odwzorowaniem rozkładu temperatur oglądanego obiektu.

Początki termowizji

W 1800 r. angielski astronom Sir William Herschel odkrył promieniowanie podczerwone, które określił jako „niewidzialne promieniowanie”. Niestety, odkrycie to nie znalazło zastosowania przez prawie 100 lat. Podczas pierwszej wojny światowej zastosowano detektory podczerwieni do wykrywania lecących samolotów. Jak na ówczesne warunki rezultaty były bardzo dobre, ponieważ można było wykryć samolot już z odległości ok. 1,5 km.

Urządzenia termowizyjne (kamery) początkowo używane były w wojsku do wykrywania przemieszczającego się przeciwnika czy wyszukiwania celów. W miarę upływu czasu i znacznego zmniejszenia kosztów produkcji kamer termowizja trafiła do medycyny, przemysłu i budownictwa.

W latach 90. XX w. producenci kamer termowizyjnych odkryli nową kartę w historii tej technologii dzięki zaoferowaniu kompaktowych urządzeń w akceptowalnych cenach. W ten sposób wpłynęli na zwiększenie ich sprzedaży oraz sukcesywne powiększanie asortymentu kamer przeznaczonych do określonych aplikacji.

Promieniowanie podczerwone

Każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego (–273°C/0°K) emituje promieniowanie cieplne. Temperatura ciała już na poziomie kilku kelwinów pozwala na zarejestrowanie emitowanego promieniowania elektromagnetycznego w zakresie podczerwieni. Promieniowanie podczerwone jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fal pomiędzy światłem widzialnym a falami radiowymi. Powstaje ono w wyniku drgań atomów i cząsteczek, z których zbudowane jest każde ciało. Promieniowanie to ma charakter cieplny, jest ciągłe, a zakres długości jego fali mieści się od 0,780 μm do ok. 1000 μm (rys. 1).

Podstawą rozważań na temat promieniowania podczerwonego jest tzw. ciało doskonale czarne, które pochłania całość promieniowania padającego na nie, niezależnie od kąta padania, długości fali czy mocy źródła promieniowania. Dlatego można przyjąć, że emitancja (gęstość strumienia energii emitowana przez pewną powierzchnię ciała) tego źródła emisji jest proporcjonalna do jego temperatury.

Stosując pewien skrót myślowy, można powiedzieć, że promieniowanie z zakresu podczerwieni, emitowane przez ciała o temperaturze wyższej niż zero bezwzględne, jest proporcjonalne do jego temperatury. Można więc powiedzieć, że urządzenia rejestrujące promieniowanie podczerwone rejestrują temperaturę obserwowanego obiektu.

W przypadku ciał rzeczywistych pomiary promieniowania podczerwonego są znacznie bardziej skomplikowane, ponieważ każde ciało rzeczywiste (budynek, urządzenie, człowiek) oprócz zdolności do emisji promieniowania podczerwonego może również absorbować, odbijać lub przepuszczać promieniowanie podczerwone.

Emisja, absorpcja, odbijanie i transmisja promieniowania zależą przede wszystkim od faktycznej temperatury ciała oraz właściwości materiału (kolor, stopień obróbki) i warunków fizycznych otaczającego go środowiska.

Z punktu widzenia pomiarów termowizyjnych istotna jest tzw. emisyjność mierzonego obiektu. Tę wielkość wprowadzono w celu odniesienia promieniowania ciała rzeczywistego do wzorca, jakim jest ciało doskonale czarne.

Współczynnik emisyjności określa zdolność danego ciała do emitowania własnej energii z pominięciem energii odbitej i przepuszczanej i zawiera się w przedziale od 0 do 1. Z praktyki wynika, że im jest on bliższy 1 dla danego ciała, tym pomiar jest prostszy i daje dokładniejsze wyniki. Szczególnie problematyczne są powierzchnie błyszczące, metaliczne, chropowate czy zanieczyszczone.

Do pomiaru takich powierzchni trzeba używać kamer termowizyjnych z definiowalnym współczynnikiem emisyjności lub stosować dodatkowe zabiegi poprawiające dokładność pomiaru. Do tych zabiegów należą: naklejanie folii o ustalonym współczynniku emisyjności i dobrej przewodności cieplnej, malowanie badanego obiektu, pokrywanie cienką warstwą, np. farby lub oleju, usuwanie z otoczenia źródeł ciepła odbijanego i absorbowanego przez obiekt mierzony.

Jak już zostało powiedziane, wartość współczynnika emisyjności zależy od rodzaju ciała, jego temperatury, długości fali promieniowania. Emisyjność różnych materiałów w funkcji długości fali promieniowania podczerwonego została przedstawiona na rys. 2.

Istotne jest, że większość materiałów charakteryzuje się stałym współczynnikiem emisji w zakresie dalekiej podczerwieni. Jest to jeden z wielu powodów upowszechnienia się kamer termowizyjnych działających w tym pasmie.

Z reguły przyjmuje się średni współczynnik emisyjności, którego wartości dla różnych materiałów podano w tabeli. Znajomość średniej emisyjności obserwowanego obiektu pozwala na wprowadzenie odpowiednich nastaw w kamerze pomiarowej, a w konsekwencji na ograniczenie błędów pomiarowych. Rzetelne określenie współczynnika emisyjności ułatwia późniejsze wnioskowanie na podstawie przeprowadzonych badań, a w konsekwencji – wiarygodne wyniki.

Środowisko i warunki pomiarowe

Pomiary termowizyjne to skomplikowany proces, w którym kluczowymi elementami są wiedza i umiejętności operatora kamery termowizyjnej. Zakup nawet najbardziej wyrafinowanej kamery termowizyjnej nie zapewni niedoświadczonemu operatorowi uzyskania wiarygodnych rezultatów. Do poprawnego wykonania pomiarów, a następnie właściwej interpretacji uzyskanych wyników niezbędna jest wiedza o właściwościach cieplnych obserwowanych materiałów.

Kamera termowizyjna jest urządzeniem rejestrującym promieniowanie podczerwone z całego otaczającego środowiska. Dociera do niej promieniowanie emitowane przez obserwowany obiekt, a także bezpośrednie promieniowanie innych źródeł ciepła, takich jak słońce, maszyny oraz promieniowanie odbite od obiektów znajdujących się w obserwowanej przestrzeni.

Każdy z obiektów będących w przestrzeni między kamerą a obserwowanym obiektem emituje pewną ilość promieniowania podczerwonego, pewną absorbuje i przepuszcza, tym samym wpływając na wielkości rejestrowane przez kamerę. Atmosfera, chmury i opady również wysyłają promieniowanie podczerwone, przez co zniekształcają wyniki pomiarów. Oszacowanie zakłóceń powodowanych przez te czynniki jest bardzo trudne (rys. 3).

Z reguły większość zakłóceń występujących w środowisku można wyeliminować poprzez odpowiednią kalibrację kamery termowizyjnej i odpowiednie dobranie warunków pomiarów (np. pory nocy, brak opadów). Zdarzają się jednak sytuacje, w których sygnały zakłócające z otoczenia nie mogą być wyeliminowane. Wtedy operator powinien zmienić kierunek obserwacji, zmniejszyć dystans do obserwowanego obiektu, usunąć zakłócające źródła ciepła lub ograniczyć wpływ. Ewentualnie zmienić kamerę termowizyjną na taką, która umożliwi prawidłową obserwację.

Promieniowanie słoneczne może w sposób istotny zakłócać pomiary. Wpływ słońca jest szczególnie uciążliwy dla obiektów o niskiej emisyjności. W bliskim i średnim zakresie podczerwieni (rys. 1) wpływ promieniowania słonecznego jest ok. 15 razy większy niż w zakresie dalekiej podczerwieni.

Dlatego do pomiarów obiektów znajdujących się w wolnej przestrzeni (np. budynków) stosuje się m.in. kamery z przetwornikami pomiarowymi pracującymi w dalekiej podczerwieni.

Budowa i rodzaje kamer termowizyjnych

Kamera termowizyjna znajduje zastosowanie w większości dziedzin współczesnego życia. Badania kamerami termowizyjnymi wykorzystywane są w technice wojskowej, budownictwie, przemyśle, medycynie czy nawet ogrodnictwie. Ze względu na zastosowania urządzenia te można podzielić na: obserwacyjne i pomiarowe.

Oba typy kamer wykorzystują przetworniki pomiarowe, zwane również detektorami, będące najbardziej zaawansowanym technologicznie elementem kamery termowizyjnej.

Przetworniki pomiarowe

Detektory w kamerach termowizyjnych mogą mieć różną budowę. Mogą występować w postaci pojedynczej, linijkowej czy w postaci matrycy składającej się z pewnej liczby pojedynczych detektorów – pikseli (np. 160×120 czy 320×240 pikseli).

Przetworniki promieniowania podczerwonego pracują w oparciu o kilka rodzajów zjawisk fizycznych, a mianowicie:

• bolometryczne – zmienia się rezystancja R detektora w funkcji temperatury,
• termoelektryczne – zmienia się siła termoelektryczna stosu termoelektrod w funkcji temperatury,
• fotoemisyjne – promieniowanie podczerwone wywołuje zmianę prądu detektora.

Zastosowanie różnego rodzaju przetworników pomiarowych pozwala na dokonanie innego podziału kamer na takie, które:

• mają możliwość właściwej pracy w pasmie dobrego przepuszczania promieniowania podczerwonego przez atmosferę, o długości fali od 3 do 5 μm (bliska i średnia podczerwień),
• mają możliwość pracy w mniej przyjaznym środowisku pomiarowym o długości fali od 7 do 15 μm (daleka podczerwień).

Znakomitą większość sprzedawanych kamer stanowią kamery działające w dalekiej podczerwieni, z przetwornikami pomiarowymi rejestrującymi promieniowanie o długości fali w zakresie od ok. 7 do 15 μm. Z punktu widzenia pomiarów termowizyjnych najbardziej istotne dla użytkownika są parametry, które pozwalają na prawidłowe wykonanie żądanych pomiarów. Są to przede wszystkim:

• wymiary przetwornika (np. 320×240 pikseli),
• rozdzielczość temperaturowa (np. 0,08°C),
• częstotliwość odświeżania przetwornika (np. 9 Hz).

Rozdzielczość przetwornika jest bardzo istotnym parametrem w przypadku obserwacji obiektów oddalonych lub obiektów o małych gabarytach; jest to parametr szczególnie istotny w przypadku obserwacji elementów budynków. Równie istotna podczas obserwacji budynków jest rozdzielczość temperaturowa – do większości analiz budynków wystarczający jest poziom 0,1°C.

Kolejnym istotnym parametrem jest częstotliwość odświeżania obrazu, która decyduje o jakości zarejestrowanego obrazu, szczególnie w przypadku obiektów w ruchu. Większość oferowanych obecnie kamer wyposażona jest w przetworniki działające z częstotliwością odświeżania 7 lub 9 Hz.

Obiektywy i układy optyczne

Podstawowym zadaniem obiektywu kamery termowizyjnej i towarzyszących mu elementów optycznych jest skupianie promieniowania podczerwonego emitowanego przez obserwowany obiekt na przetworniku pomiarowym (detektorze). Kolejną funkcją obiektywu jest poprawienie stosunku sygnału użytecznego do szumu (sygnału zakłócającego), co realizowane jest przez odpowiednie dobranie przepuszczalności widmowej.

Zabieg ten sprowadza się do zapewnienia bardzo dobrej transparentności obiektywu w zakresie roboczych długości fali (sygnału użytecznego) i słabej przepuszczalności promieniowania spoza tego zakresu (szumu). Dlatego obiektywy kamer termowizyjnych pokrywa się specjalnymi powłokami antyrefleksyjnymi i instaluje się w nich filtry pasmowe.

Poza tymi ukrytymi dla użytkownika właściwościami optyki termograficznej istnieje wiele parametrów istotnych w codziennej pracy. Najistotniejszym jest ogniskowa obiektywu, która w połączeniu z określonym przetwornikiem pomiarowym daje możliwość dobrej jakości obserwacji obiektów w bezpośrednim otoczeniu operatora lub w dużym dystansie.

Proste kamery służące do oceny urządzeń wewnątrz budynków wyposażane są z reguły w obiektywy o małej ogniskowej lub nawet szerokokątne, które dają większą przestrzeń obserwacyjną, ale w krótkim dystansie od operatora. Urządzenia służące ocenie budynków czy budynków wysokościowych muszą być wyposażone w teleobiektywy pozwalające na prawidłową obserwację znacznie oddalonych elementów budynku.

Oprogramowanie i możliwości raportowania

Istotnym elementem poprawiającym możliwości i jakość pracy z urządzeniami termograficznymi jest oprogramowanie, opcjonalne lub dostarczane razem ze sprzętem pomiarowym.

Dobrej jakości oprogramowanie daje możliwość rozległej analizy zarejestrowanych obrazów termograficznych, pozwala na zauważenie prawidłowości, które były niemożliwe do wychwycenia na małym wyświetlaczu kamery. Inną ważną cechą oprogramowania jest możliwość automatycznego generowania raportów czy nawet automatycznej wstępnej analizy zdjęć termograficznych.

Użytkownik kamery termowizyjnej posiadający odpowiednie oprogramowanie oszczędza czas i ma możliwość poprawy jakości rezultatów wykonanych pomiarów termowizyjnych.

Przykłady zastosowań termowizji

Przemysłowe badania termograficzne pomimo stosunkowo krótkiej historii i wojskowego rodowodu bardzo szybko znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach życia. Jednak ze względu na dość wysoką cenę urządzeń pomiarowych głównymi obszarami zastosowań są dziedziny, w których istotne jest życie ludzkie lub potencjalnie wysoki koszt awarii. Takimi dziedzinami są:

• technika wojskowa,
• pożarnictwo,
• medycyna,
• utrzymanie ruchu w instalacjach przemysłowych,
• szeroko rozumiane budownictwo.

Omówienie możliwych sposobów wykorzystania w którejkolwiek z tych dziedzin wymagałoby bardzo obszernego opisu, dlatego autor sygnalizacyjnie przedstawia kilka termogramów będących rezultatem wykonanych pomiarów.

Obiekty budowlane W przypadku analizy budynków technika termograficzna pozwala na znaczne ograniczenie kosztów eksploatacji obiektów poprzez wykrywanie i późniejszą naprawę niewidocznych gołym okiem wad wykonawczych w budynkach. Na fot. 1 przedstawiono zarejestrowaną wadę warstwy izolacyjnej poddasza, będącą przyczyną znacznych strat ciepła.

Instalacje wewnątrz budynków Podczas wykonywania zdjęć termograficznych instalacji wewnątrz budynków istotna jest analiza faktycznie rejestrowanych temperatur i warunków pracy mierzonej instalacji, a nie kolorów prezentowanych na wyświetlaczu kamery. Na fot. 2 i 3 przedstawiono ten sam punkt strony niskiego napięcia transformatora SN/nn.

Termogramy różnią się skalą temperatur. Należy zwrócić uwagę na różną temperaturę każdej z 3 faz transformatora. Różnica ta wynika z różnego obciążenia na poszczególnych fazach. Dokonany pomiar potwierdza prawidłowość pracy transformatora, chociaż informuje o różnym obciążeniu faz (środkowa faza).

Podsumowanie

Pomiary termowizyjne to skomplikowana dziedzina metrologii wymagająca dużej wiedzy z zakresu techniki materiałowej, cieplnej, umiejętności właściwej oceny warunków środowiskowych, a także praktyki pod okiem doświadczonych specjalistów. Jednakże opanowanie tej techniki daje możliwość zobaczenia zjawisk, których nie widać gołym okiem.

Podsumowując, warto podkreślić wagę techniki termowizyjnej, pozwalającej na wykrycie miejsc, przez które dochodzi do strat energii (np. mostków cieplnych) oraz ich wyeliminowanie.

Literatura

1. Serwis internetowy: www.IRHouse.pl.
2. „Pomiary termowizyjne w praktyce”, praca zbiorowa pod red. H. Madura, PAK, Warszawa 2004.
3. W. Minkina, P. Rutkowski, W. Wild, „Podstawy pomiarów termowizyjnych; część I – Istota termowizji i historia jej rozwoju; część II – Współczesne rozwiązania systemów termowizyjnych, błędy metody”, „Pomiary, Automatyka, Kontrola”, nr 46/2000.
4. K. Chrzanowski, Z. Jankiewicz, „Model błędów metody pomiaru temperatury za pomocą kamer termowizyjnych”, „Metrologia i Systemy Pomiarowe”, Warszawa 4(1997), Nr 1–2, s. 53–62.
5. T. Wiśniewski, T.S. Wiśniewski, „Wymiana ciepła”, WNT, Warszawa 1997.
6. Katalogi i prospekty firmy FLUKE Inc.
7. Dokumentacja techniczna kamery termowizyjnej firmy FLUKE – TI45.
8. Katalogi i prospekty firmy FLIR Systems.
9. Katalogi i prospekty firmy dbVIB Inc.
10. Dokumentacja techniczna kamery termowizyjnej firmy dbVIB – S40.

MAJ 2008

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!