ĆWICZENIE nr 4

Pomiary termowizyjne

Laboratorium wielkości nieelektrycznych

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z techniką pomiarów termowizyjnych przy użyciu skanera termowizyjnego V-20 oraz typowymi problemami podczas tego typu pomiarów.

2. Wiadomości ogólne.

Działanie urządzenia termowizyjnego opiera się na pomiarze i wizualizacji rozkładu promieniowania podczerwonego pochodzącego od badanego ciała. Istotę działania schematycznie przedstawia rys. nr 1.

Promieniowanie podczerwone emitowane przez badany obiekt (1) pada na optyczne zespoły układu akwizycji danych (2). Układ ten dokonuje podziału pola widzenia urządzenia termowizyjnego na równe części i kieruje promieniowanie pochodzące od każdego fragmentu na detektor (3). termoczuły detektor przetwarza promieniowanie na proporcjonalne sygnały elektryczne. Sygnał analogowy z dekodera jest wzmacniany i podawany na przetwornik analogowo - cyfrowy(4). Postać cyfrowa sygnału jest obrabiana w komputerze (5), gdzie na podstawie matematycznych wzorów kalkulowana jest temperatura odpowiadająca amplitudzie zarejestrowanego sygnału oraz przyporządkowywana jest odpowiednia skala barw. Następnie obraz ( termogram) jest wyświetlany na ekranie monitora (6).

Układy termowizyjne umożliwiają rejestrację rozkładu temperatur badanego obiektu i przedstawienie wyników w postaci barwnej „mapy temperatur”. każdej temperaturze przypisywana jest inna barwa, dzięki czemu widziany jest „termiczny” obraz badanego ciała.

Wyróżnia się dwie grupy urządzeń termowizyjnych:

• układy płaszczyznowe ( matrycowe, skaningowe ), przeznaczone do badań pól temperaturowych nieruchomych ciał;

• układy liniowe ( skaningowe ), przeznaczone do badań ciał będących w ruchu.

W urządzeniach z układami matrycowymi obraz badanej powierzchni powstaje na matrycy, wykonanej w postaci mozaiki detektorów. W urządzeniach z skaningowymi badana powierzchnia jest „omiatana” przez systemy luster, a promieniowanie kierowane kolejno linia po linii, na detektor przetwarzający je na sygnały elektryczne.

Urządzenia z układami matrycowymi są nazywane kamerami termowizyjnymi, przez analogię do kamer wizyjnych. Są dwie zasadnicze cechy wiążące te urządzenia: duża szybkość tworzenia obrazu i jego wysoka jakość ( rozdzielczość ), związana z użyciem dużej liczby detektorów.

Natomiast układy płaszczyznowe skaningowe oraz układy liniowe zaliczają się do grupy urządzeń zwanych skanerami termowizyjnymi. W tym przypadku obraz badanej powierzchni powstaje w znacznie dłuższym czasie, na tyle długim, że można zaobserwować powstawanie obrazu linia po linii. Często termin kamera termowizyjna jest używany ( niepoprawnie ) dla wszystkich urządzeń termowizyjnych. Na wyposażeniu laboratorium jest skaner termowizyjny.

Parametry urządzeń termowizyjnych

Poszukując odpowiedniego urządzenia z góry zakłada się jego przeznaczenie, dlatego istotne znaczenie ma zakres pomiarowy. Poniżej w tabeli 1. przedstawiono przykładowe zastosowanie urządzeń termowizyjnych i skojarzone z tymi zastosowaniami zakresy pomiarowe.

Tabela 1. Zastosowania i zakresy pomiarowe urządzeń termowizyjnych.

Zakres temperatur [^0C]	Zastosowania do badań
-20 ÷ 400	łączników kabli, izolatorów, transformatorów, powierzchni kominów, kontrola urządzeń elektrycznych wykrywanie mostów cieplnych i miejsc ucieczki ciepła
-50 ÷ 600	obwodów drukowanych, wytłaczarek mas plastycznych, w rolnictwie, weterynarii;
-50 ÷ 1000	procesów suszenia, laminowania;
600 ÷ 2000	domieszkowania półprzewodników, pieców elektrycznych do obróbki cieplnej metali, piece do ceramiki, topienia szkła

Podane w Tabeli 1 zakresy pomiarowe temperatury dotyczą wartości granicznych - największych i najmniejszych. Oczywiście, przedstawione urządzenia umożliwiają pomiar temperatury w mniejszych przedziałach tzw. podzakresach.

Duże znaczenie ma rozdzielczość termiczna ( wyrażona w stopniach temperatury ), związana z dokładnością pomiaru, głównie ze względu na zastosowanie danego urządzenia. Jeśli anormalny stan różni się nieznacznie od normalnego stanu pracy, to wtedy stosuje się urządzenia o dużej rozdzielczości termicznej, np. przy wykrywaniu ucieczki gazu z rurociągów, w diagnostyce medycznej.

Rodzaj detektora wiąże się z określonym zakresem spektralnym, ale również z szybkością tworzenia obrazu. Należy tutaj zaznaczyć, iż główny wpływ na szybkość powstawania obrazu ma liczny typ zastosowanych detektorów. Przykładowo najmniejsza stała czasowa bolometrów wynosi ok. 1 ms, najmniejsze stałe czasowe detektorów fotoelektrycznych wynoszą ok. 1 do 2 μs.

Ważnych parametrem kamer termowizyjnych jest rozdzielczość przestrzenna sygnałowa. Określa ona rozmiar obiektów, które odwzorowuje 1 pixel, np. rozdzielczość 10 mrad oznacza zdolność rozróżniania obiektów o rozmiarach d = 3 cm z odległości l = 3 m ( przy większych odległościach rozmiary obiektów rosną proporcjonalnie ). Przedstawia to rys. 2.

W przypadku niewielkich obiektów, ale istotnie różniących się temperaturą od tła zdolność wykrycia obiektów może być zadowalająca ( choć nie może być jednak wtedy mowy o pomiarze temperatury, a jedynie o zlokalizowaniu źródła ciepła ).

Problemy w pomiarach termowizyjnych

Rzeczywiste obiekty promieniują inaczej niż ciało czarne w tej samej temperaturze. Wypromieniowany przez nie strumień cieplny jest mniejszy niż w przypadku idealnego ciała czarnego, rozkład tego strumienia może też być zależny od długości fali promieniowania.

Właściwości ciał opisuje wówczas współczynnik ε. zwany emisyjnością. Dla ciał szarych jest on jednakowy we wszystkich długościach fali, dla ciał barwnych jest funkcją długości fali ε (λ). Emisyjność jest różna dla różnych materiałów, zależy od stanu powierzchni, a także od temperatury. Przyrządy do pomiaru temperatury, które działają w oparciu o pomiar emitowanego promieniowania cieplnego ( pirometry, kamery termowizyjne ) są zwykle wyskalowane przy założeniu pewnej wartości emisyjności ( np. ε = 1 lub ε = 0,95 ).

3. Układ pomiarowy

Zasadniczym elementem układu pomiarowego jest skaner termowizyjny wraz z dodatkowym wyposażeniem ( zasilanie, wizualizacja ). Parametry techniczne skanera przedstawiono w tabeli 2. Urządzenie współpracuje z komputerem wyposażonym w oprogramowanie do sterowania pracą urządzenia, zbieraniem danych pomiarowych, ich obróbką oraz wizualizacją wyników badania pola temperatury na powierzchni badanego obiektu. Skaner komunikuje się z komputerem za pomocą łącza szeregowego RS-232 C.

Na układ optyczny skanera składa się system soczewek i ruchomych luster ( warto obejrzeć ich pracę). Promieniowanie pochodzące z badanej powierzchni jest przy ich pomocy kierowane na detektor fotowoltaniczny (HgCdTe) generujący sygnał elektryczny proporcjonalny do gęstości strumienia mocy promienistej z każdego kolejno skanowanego elementu powierzchni.

Tabela 2. Charakterystyka skanera V-20

Zakresy pomiarowe	Zakres I: (15 ÷ 85 )^0C Zakres II: (15 ÷ 120 )^0C
Rozdzielczość termiczna	Podzakres I: 0,1 ^0C Podzakres II: 0,2 ^0C
Dokładność pomiaru	5% lub 5 ^0C
Zakres odległości dla pełnej ostrości	0,4 m do ∞, regulowana elektronicznie
Liczba linii	240
Liczba punktów w linii	240
Czas skanowania	25 s
Detektor	HgCdTe chłodzony termoelektrycznie
Rozdzielczość przestrzenna sygnałowa	5 mrad

Urządzenie jest fabrycznie skalibrowane dla Ciała Doskonale Czarnego ( CDC ). W pliku konfiguracyjnym nr ser60_00.cfg jest zapisana ( między innymi ) funkcja kalibracyjna przyporządkowująca wartość temperatury wartości sygnału pochodzącego z fragmentu badanego ciała ( dla każdego z dwóch zakresów pomiarowych ). Skaner współpracuje z programem Termograf 1.96

Zasadnicze funkcje programu to:

• zbieranie danych - skanowanie badanej powierzchni,

• przetwarzanie ich na termiczny obraz powierzchni,

• obróbka matematyczna ( np. uśrednianie, wyszukiwanie ekstremalnych wielkości itp.),

• eksport danych w różnych formatach ( EXEL, ^*.bmp).

.

4. Przebieg pomiaru

• Przygotować urządzenie do pracy ( połączyć układ, uruchomić program).

PRZYGOTOWANIE URZĄZENIA DO PRACY-instrukcja

Uwaga: Wszystkie poniższe czynności wykonywać przy wyłączonym komputerze!

1. Podłączyć zasilacz do termografu (gniazdo ŁADOWANIE AKUMULATORA).

2. Podłączyć zasilacz do sieci.

3. Podłączyć termograf do komputera (mniejsza wtyczka przewodu w białej izolacji w gnieździe RS232 na obudowie termografu, większa w gnieździe wolnego portu.

4. Włączyć zasilanie termografu.

5. Włączyć zasilanie komputera.

1. Uruchomienie urządzenia

Uruchomić program Termograf 1.96 w katalogu Vigo System. Pojawi się okno dialogowe wyboru pliku konfiguracji. Wybrać plik konfiguracyjny nr_ser_60­­_00.cfg.

Po wczytaniu pliku konfiguracji pojawi się główne okno programu.

Z menu głównego wybrać opcję Ustawienia - Port szeregowy i zadeklarować port, na który jest przyłączony termograf oraz wydać polecenie Testuj. Po pomyślnym testowaniu układ jest gotowy do pracy.

2. Podstawowe funkcje przydatne przy analizie danych pomiarowych

Te możliwości będą pokazane przy wykorzystaniu archiwalnych danych. Wczytać plik seans.1out (kliknąć ikonę OTWÓRZ) z katalogu Skany termowizyjne. Po przeczytaniu metryczki i potwierdzeniu Ok. zapoznać się z funkcjami opisanymi poniżej.

• Wybór palety barw, zmiana krańcowych wartości podzakresu

Przy odwzorowaniu temperatury powierzchni używa się różnych kolorów dla poszczególnych wartości temperatury. Zestaw barw zależy od indywidualnych upodobań. Można dokonać wyboru palety barw.

Ciemnoniebieski pasek opisuje aktualnie używany podzakres wartości temperatury mieszczący się w jednym z dwu zakresów pomiarowych. Liczby na jego krańcach odpowiadają jego minimalnej i maksymalnej wartości. Do wyboru jednego z dwóch zakresów pomiarowych służy przycisk Zmień - pokaże się wtedy odpowiednie okienko, w którym można dokonać odpowiednich deklaracji.

W ramach wybranego zakresu można jednakże zmienić przyporządkowanie barw poszczególnym temperaturom przesuwając aktualny podzakres względem palety. Do tego celu należy użyć myszy - umieścić jej kursor w polu ciemnoniebieskiego paska i przesunąć w górę lub w dół.

• Przeglądanie danych

PLIKI, z którymi aktualnie pracujemy można je przejrzeć na różny sposób:

• Pojedynczo (wykorzystując opcje menu głównego Przeglądanie .. lub odpowiednie przyciski);

• sekwencję obrazów wykorzystując możliwość animacji (najpierw ustawić skan o wybranym numerze, następnie wcisnąć przycisk Włączenie/ wyłączeniu animacji).

Ciekawą właściwością jest, że zadeklarowanie nowej palety barw lub zakresu pomiarowego powoduje odpowiednie zmiany w wyświetlanych skanach.

• Wyróżnione wartości temperatury, markery, wykres

Zarówno podczas skanowania jak i przeglądania plików możemy wyświetlać minimalną, maksymalną i średnią wartość temperatury w linii, w której jest ustawiony kursor lub, która podlega aktualnie skanowaniu. Zapewniamy to przez wybranie w menu głównym przeglądanie- Pokazuj minimum, Pokazuj maksimum, Pokazuj średnią lub za pomocą przycisków). Równocześnie ikonki w postaci małych termometrów czerwonego i niebieskiego wskazują położenia punktów o najwyższej i najniższej temperaturze.

Na dole znajduje się pasek stanu, na którym podczas skanowania wyświetla się informacja o tym, jaką część badanej powierzchni już zeskanowano, jakie są współrzędne aktualnego położenia kursora i jaka jest w tym miejscu temperatura, która linia jest aktualnie skanowana.

Ciekawą i pożyteczną możliwością jest opcja wykresu. Podczas skanowania jest kreślony przebieg temperatury skanowanej linii o współrzędnej Y. Opcję wykresu można włączyć za pomocą przycisku lub z głównego menu Przeglądanie-Rysuj wykres.

Przesuwanie kursora w polu wykresu powoduje zmianę współrzędnej X punktu, pojawia się odpowiadająca jej wartości pionowa linia, równocześnie wyświetla się wartość temperatury w punkcie o współrzędnych (X, Y).

W trakcie skanowania, a także przeglądania plików archiwalnych możliwe jest znaczenie punktów, których przebieg temperatury nas szczególnie interesuje przy pomocy tzw. markerów. W tym celu należy ustawić kursor myszki w wybranym punkcie (w linii poniżej obrazu wyświetlają się współrzędne tego punktu), wcisnąć prawy przycisk myszy i z menu podręcznego wybrać zaznacz marker.

Podczas skanowania, a także podczas przeglądania z lewej strony będą wyświetlać się wartości temperatury w zaznaczonych punktach. Markery można też włączyć wykorzystując w menu głównym Przeglądanie - Zaznaczenie markerów.

3. Skanowanie

Po wciśnięciu przycisku NOWY następuje próba nawiązania połączenia mierzy komputerem a termografem. Jeżeli zakończy się ona pomyślnie, to pokazuje się odpowiednie okienko. O zatwierdzeniu komunikatu (przyciskiem Ok.) pokaże się następne okienko z pytaniem o nazwie pliku, w którym chcemy zapisywać dane z seansu pomiarowego. Należy taka nazwę podać.

Naciśniecie przycisku START powoduje rozpoczęcie skanowania (można także wybrać z menu głównego Skanowanie - Start). Teraz linia po linii powstaje „termiczny obraz badanego obiektu. Jego wygląd będzie zależał od chwilowych wartości temperatury w poszczególnych punktach, ale także i od wybranej palety barw oraz zakresu pomiarowego.

Przed rozpoczęciem skanowania należy koniecznie ustawić ostrość (patrz pkt 5.).

Zatrzymanie skanowania następuje przyciskiem STOP lub z menu głównego Skanowanie - STOP.

4. Ustawienie ostrości

Po wciśnięciu przycisku ustawiania ostrości należy podać odległość między skanerem a obiektem w metrach.

5. Kalibracja

Skaner V-20 jest fabrycznie wykalibrowany dla ciała Doskonale Czarnego (CDC). oznacza to, ze w pliku konfiguracyjnym nr­­_ser­_­60­­0.cfg.została zapisana jednoznaczna zależność wartości temperatury od wartości sygnału emitowanego z powierzchni CDC w tej temperaturze. Jest ona dostępna po wykonaniu pierwszego skanu, po zatrzymaniu skanowania. Należy wybrać Ustawienia-Kalibracja.

Pomiar temperatury powierzchni nie posiadającej właściwości CDC jest obarczony błędem zależnym od wartości emisyjności i od temperatury tej powierzchni. możliwe jest wykalibrowanie urządzenia dla rzeczywistego ciała pod warunkiem, ze znamy jego prawdziwą temperaturę w punktach powierzchni.

UWAGA: Wynik tej czynności powinien być przechowywany w pliku konfiguracyjnym innym niż fabryczny i wczytywanym tylko przy pomiarach tej właśnie powierzchni.

6. Obliczenia współczynników emisyjności

Korektę wskazań przyrządu uwzględniająca właściwości emisyjne badanej powierzchni można wprowadzić wtedy, gdy są znane rzeczywiste wartości temperatury powierzchni i zdjęty skan tej powierzchni. Taka sytuacja np. ma miejsce wtedy, gdy badane urządzenie ostygło Az do stanu cieplne ustalonego, tj. ma temperaturę otaczającego powietrza, której wartość jest znana.

Po wykonaniu pierwszego skanu należy zatrzymać skanowanie i wybrać Ustawienia-współczynniki emisyjności-Aktualizuj z bieżącego skanu.

Zgodnie z poleceniem należy podać rzeczywistą temperaturę obiektów i polecić Obliczaj. Na tej podstawie będzie utworzona tablica wartości emisyjności dla każdego elementu obrazu badanej powierzchni. Te wartości mogą być użyte w dalszej analizie zebranych skanów.

• Z katalogu Skany termowizyjne znajdującego się na pulpicie wczytać archiwalny plik seans1.out zawierający wyniki badań powierzchni pieca sylitowego. Zapoznać się z takimi funkcjami jak:

• zmiana palety barw,

• zmiana krańcowych wartości podzakresu,

• animacja,

• wykres,

• wartości maksymalne, minimalne i średnie,

• markery

• Zamknąć plik seans1.out.

• Przygotować układ do skanowania. Na pulpicie utworzono folder Skany termowizyjne, w którym należy zapisywać wyniki swoich badań deklarując plik nazwany nazwiskiem lidera grupy wykonującej badania. Przed wykonaniem pierwszego skanu powierzchni nierozgrzanego jeszcze pieca ustawić ostrość skanowania przez podanie właściwej odległości między skanem a piecem.

• Wykonać pierwszy skan. Zatrzymać skanowanie. Zapoznać się z funkcją kalibracji. Zapoznać się z funkcją Ustawienia →Aktualizuj z bieżącego skanu. Zapisać tablicę emisyjności.

• Wykonać skanowanie temperatury powierzchni przy ustalonej wartości mocy zasilającej piec (ok. 100 skanów ). Po zakończeniu zachować je w pliku.

5. Sprawozdanie.

Sprawozdanie powinno zawierać:

• Schematy układów pomiarowych.

• Wyniki pomiarów w postaci wybranego skanu.

• Wnioski z przeprowadzonych pomiarów

---