st. kpt. prof. dr hab. Janusz RYBIŃSKI, mgr Michał BEDNAREK
Katedra Nauk Ścisłych SGSP
mł. bryg. mgr inż. Waldemar WNĘK, kpt. mgr inż. Jarosław BOCZARSKI
Zakład Technicznych Systemów Zabezpieczeń

BADANIA TRANSMISJI PROMIENIOWANIA

PODCZERWONEGO W AEROZOLU PARAFINOWYM

W artykule przedstawiono wyniki analizy wpływu rozpraszania
promieniowania na cząstkach aerozolu na obserwację za pomocą
kamer termowizyjnych.

The article presents the results of analysis concerning the effect of
scattering radiation on paraffin aerosol particles upon thermovision
camera observations.

1. Wstęp

Kamery termowizyjne dają możliwość obserwacji w warunkach zadymienia

i zamglenia. Z tego względu znalazły zastosowanie do odnajdywania ofiar pożarów
wewnętrznych. W pracy przedstawiono wyniki badań nad efektywnością rozpra-
szania promieniowania podczerwonego na cząstkach aerozolu. Jest to podstawowy
proces pogarszający warunki obserwacji. Obecność aerozolu (mgły, dymu) pogar-
sza widzialność. Działają tu dwa mechanizmy: absorpcja oraz rozpraszanie pro-
mieniowania na cząstkach aerozolu. W warunkach pożaru promieniowanie absor-
bowane jest głównie przez parę wodną i dwutlenek węgla oraz w mniejszym stop-
niu przez inne gazy: CO, NO

2

, NO, SO

2

, HCl, HCN. Absorpcja w gazach nie

odgrywa tak wielkiej roli jak rozpraszanie na cząstkach aerozolu, ponieważ pasma
spektralne kamer termowizyjnych są bardzo szerokie i tylko w nieznacznym stop-
niu pokrywają się z pasmami absorpcji wymienionych gazów.

Rozpraszanie promieniowania elektromagnetycznego na cząstkach aerozolu

spowodowane jest wieloma procesami fizycznymi. Największą rolę odgrywają
procesy opisane w teorii Rayleigha oraz teorii Miego [1, 2]. Pierwsza dotyczy
przypadku, gdy średnica cząstki aerozolu jest znacznie mniejsza od długości fali

promieniowania. Wtedy przekrój czynny na rozpraszanie jest odwrotnie proporcjo-
nalny do długości fali w czwartej potędze. Odnosi się to do rozpraszania światła
słonecznego w atmosferze zanieczyszczonej bardzo drobnymi cząstkami kurzu,
pyłkami kwiatowymi, pyłkami mineralnymi, bakteriami. W przypadku cząstek
większych, których wymiary są porównywalne z długością fali promieniowania
rozpraszanego, należy stosować teorię Miego. Przekrój czynny na rozpraszanie
zależy od własności cząstek aerozolu, takich jak rozmiar, kształt, skład chemiczny,
współczynnik załamania i pochłaniania światła. Teoria Miego uwzględnia interfe-
rencję światła rozproszonego na różnych elementach cząstki aerozolu, jest zatem
bardziej skomplikowana. Dlatego istnieją analityczne opisy rozpraszania tylko na
cząstkach sferycznych, elipsoidalnych i walcowatych. Prace teoretyczne i doświad-
czalne z wykorzystaniem lidaru nad rozpraszaniem światła w aerozolu atmosfe-
rycznym są prowadzone w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego [3

−

6].

Efektywność rozpraszania na cząstkach aerozolu zależy od wartości stosunku

ś

rednicy cząstek aerozolu do długości fali promieniowania. Średnice cząstek dymu

mają zwykle wymiary od około 0,01 do kilku mikrometrów. Wymiary te w znacz-
nej części pokrywają się z długościami fal światła (0,38 – 0,76 µm), co powoduje,
ż

e przekrój czynny na rozpraszanie jest wysoki (rozpraszanie Miego). Przy obser-

wacji z użyciem kamery termowizyjnej, pracującej w zakresie spektralnym 3

−

5 µm

(tzw. I okna atmosferycznego) lub 7–14 µm (II okna), średnice cząstek aerozolu są
znacznie mniejsze od długości fali promieniowania, więc przekrój na rozpraszanie
jest dużo mniejszy (rozpraszanie Rayleigha).

2. Zakres i cel badań

W celu zbadania wpływu rozpraszania promieniowania w aerozolu na po-

gorszenie warunków obserwacji zbudowano stanowisko pomiarowe, w skład któ-
rego weszły: komora dymowa, urządzenie do wytwarzania aerozolu, system KµK
do wyznaczania wielkości cząstek aerozolu, tory pomiarowe transmisji promie-
niowania w trzech zakresach spektralnych, wzorcowy promiennik podczerwieni i
kamery termowizyjne pracujące w zakresie I oraz II okna atmosferycznego. Wy-
konano pomiary transmisji promieniowania w komorze dymowej równolegle w
trzech zakresach spektralnych. Aerozol był wytwarzany przez odparowanie parafi-
ny. Długości średnic oraz stężenie cząstek aerozolu mierzono za pomocą systemu
pomiarowego KµK, służącego do pomiaru efektywnych średnic cząstek aerozolu
metodą fotoelektryczną. Na podstawie wyników pomiarów wyznaczono wartości
parametrów stosowanych w profilaktyce pożarowej: stężenie objętościowe, gęstość
masową i gęstość optyczną dymu. Wyznaczono wartości gęstości optycznej dymu
w zakresach spektralnych I i II okna atmosferycznego, odpowiadające dopuszczal-
nym wartościom gęstości optycznej dymu w świetle widzialnym, które umożliwia-
ją ewakuację ludzi z zadymionych pomieszczeń. Celem tych badań jest wykazanie
stopnia przewagi obserwacji w podczerwieni, gdy obiekty znajdują się

w dymie. Badania mają określić stopień przydatności kamer termowizyjnych do
poszukiwania ludzi oraz źródeł pożaru, znajdujących się w zadymionych pomiesz-
czeniach, a także określić optymalne wartości parametrów technicznych, którymi
powinny się charakteryzować kamery przeznaczone do tego celu.

3. Stanowisko badawcze

Zaprojektowano i wykonano stanowisko pomiarowe do badania transmisji

promieniowania podczerwonego i widzialnego w dymie, dzięki dofinansowaniu
przez Komitet Badań Naukowych. Stanowisko umożliwiało pomiar transmisji
promieniowania w zakresie widzialnym oraz w podczerwieni, w pasmach spektral-
nych pracy kamer termowizyjnych. Schemat stanowiska przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Blokowy schemat podzespołów stanowiska pomiarowego do badania transmisji

promieniowania podczerwonego i widzialnego w dymie

W skład stanowiska wchodzą: źródła promieniowania, modulator mecha-

niczny, trzy tory pomiarowe, konwerter (czterokanałowy przetwornik analogowo-
-cyfrowy z procesorem komunikacyjnym), program komputerowy dla komputerów
klasy PC, pracujący w środowisku Windows. Źródłem promieniowania podczer-
wonego jest „ciało czarne” typu Raytek, a światła

−

żarówka z zasilaczem. Bezpo-

ś

rednio przed źródłami promieniowania umieszczono tarcze modulatorów mecha-

nicznych. Tarcze zostały precyzyjnie wycięte przy zastosowaniu techniki lasero-
wej. Do obrotu modulatorów zastosowano silniki krokowe sterowane komputerem,
aby poprawić jakość detekcji. Modulowane wiązki promieniowania wchodzą do
trzech torów pomiarowych, w których dokonuje się pomiaru natężenia promienio-
wania w zakresach spektralnych pracy kamer termowizyjnych i zakresie widzial-
nym. Pierwszy tor pomiarowy zawiera detektor (termopara radiacyjna) z filtrem

Zasilacz

Procesor

RS

232c

P

rz

et

w

o

rn

ik

A

C

P

ro

m

ie

n

n

ik

na zakres spektralny 8–14

µ

m oraz germanowy układ optyczny umożliwiający

obserwację od 1,5 m do

∞

. Drugi tor pomiarowy zawiera detektor (termopara ra-

diacyjna) z filtrem na zakres spektralny 3–5

µ

m oraz taki sam germanowy układ

optyczny. Trzeci tor pomiarowy zawiera detektor fotoelektryczny z soczewką dla
zakresu spektralnego zbliżonego do spektrum widzenia oka. Wszystkie tory pomia-
rowe zawierają również przedwzmacniacz dający na wyjściu napięcie kilku woltów.
Konwerter składa się z dwóch zasadniczych części:
1.

Czterokanałowego przetwornika AC

−

podzespołu odpowiedzialnego za kon-

wersje sygnałów analogowych docierających z detektorów na sygnał cyfrowy i
przekazywanych do procesora komunikacyjnego. Przetwornik dokonuje kon-
wersji na sygnał cyfrowy z czterech wejść jednocześnie z rozdzielczością 12
bitów, co przy zakresie wejściowym 0 ÷ 5V daje rozdzielczość 1,2 mV.

2.

Procesora, który steruje pracą przetwornika AC, a odebrane dane cyfrowe for-
matuje do postaci ramek i przesyła za pomocą magistrali w standardzie
RS 232c do komputera PC, gdzie podlegają dalszej obróbce.

Rys. 2. Widok stanowiska pomiarowego do badania transmisji promieniowania

podczerwonego i widzialnego w dymie

Program komputerowy steruje detekcją promieniowania, filtruje sygnały z de-

tektorów, rejestruje i przetwarza otrzymane wyniki. W efekcie wyraźnie zmniejsza
zakłócenia. Program umożliwia: wizualizację odczytów, rejestrację odczytów
w funkcji czasu, archiwizowanie odczytów, operacje obliczeniowe na wynikach
odczytów. Po wprowadzeniu parametrów określających warunki eksperymentu,

program komputerowy umożliwia przedstawienie wyników pomiaru w postaci
wykresów gęstości optycznej dymu, równolegle dla wszystkich torów pomiaro-
wych, co daje możliwość porównywania stopnia tłumienia sygnałów spowodowa-
nego obecnością aerozolu, w różnych kanałach, w tej samej chwili. Funkcje do-
stępne w programie:
1.

Wizualne zobrazowanie w formie wykresu liniowego wszystkich lub wybrane-
go odczytu z detektora.

2.

Zapis na twardym dysku przebiegu odczytu w funkcji czasu.

3.

Odczyt z twardego dysku wybranego przebiegu.

4.

Ustawianie parametru częstotliwości próbkowania konwertera.

5.

Opcja kalibracji punktu odniesienia (dla obliczeń matematycznych).

6.

Obliczenia wyników obrazowane dodatkowym wykresem.

7.

Filtrowanie zniekształconego sygnału z detektorów.

4. Wyznaczane parametry dymu

Dym charakteryzują następujące parametry [7

−

9]: stężenie liczbowe dy-

mu, stężenie masowe dymu, optyczna gęstość dymu, właściwa optyczna gęstość
dymu, współczynnik osłabienia kontrastu. Stężenie liczbowe dymu

N

c

wyraża

liczbę cząsteczek dymu w jednostce objętości aerozolu dymowego:

V

N

c

N

=

gdzie: N – liczba cząstek dymu, V – objętość aerozolu.

Stężenie masowe dymu c

m

jest stosunkiem masy fazy rozproszonej m (masy

cząstek dymu) do objętości aerozolu dymowego:

V

m

c

m

=

Znając średnią wartość średnicy cząstek aerozolu, stężenie masowe dymu

można obliczyć z zależności:

V

6

N

d

2

c

ś

r

3

m

πρ

=

gdzie:
d

ś

r

– średnia wartość średnicy cząstek aerozolu dla rozkładu objętościowego,

ρ

−

gęstość materiału rozproszonego.

Gęstość optyczna dymu D zdefiniowana jest przez zależność:

I

I

log

L

1

D

0

=

gdzie:
L – długość drogi optycznej,
I

0

−

natężenie światła padającego,

I

−

natężenie światła po przejściu drogi optycznej.

Gęstość optyczna dymu jest związana z ilością cząstek dymu w jednostce objętości
n oraz promieniem pojedynczej cząstki r zależnością:

n

r

D

⋅

⋅

⋅

=

2

π

α

Współczynnik proporcjonalności

α

jest funkcją długości fali światła.

5. Wyniki pomiarów transmisji

Wykonano pomiary gęstości optycznej dymu w trzech zakresach spektral-

nych: widzialnym, I i II okna atmosferycznego. Do pomiarów użyto zespołu detek-
cyjnego wykonanego w II etapie realizacji tematu badawczego. Źródłem promie-
niowania dla zakresów podczerwieni był promiennik firmy Ratek typu BB4000, a
dla zakresu widzialnego

−

żarówka. Promieniowanie było modulowane modulato-

rem mechanicznym i rejestrowane za pomocą termopar radiacyjnych oraz fotodio-
dy
z odpowiednimi filtrami optycznymi. Otrzymane wartości optycznej gęstości dymu
przedstawiono w tabeli 1. Tabela zawiera graniczne wartości gęstości dymu umoż-
liwiające bezpieczną ewakuację.

Tabela 1.

Gęstość optyczna dymu D [m

–1

]

Zakres spektralny

Lp.

0,4

−

0,8

µ

m

3 – 5

µ

m

8 – 11

µ

m

1

0,09

0,010

0,0015

2

0,17

0,015

0,0025

3

0,30

0,023

0,0035

4

1,50

0,075

0,0120

Dopuszczalna gęstość optyczna dymu, umożliwiająca bezpieczną ewakuację

wynosi: 0,17 – 0,30 m

–1

w budynku znanym, co odpowiada widzialności 3 – 5 m

przy oświetleniu 100 lx oraz 0,09 m

–1

w budynku nieznanym, co odpowiada wi-

dzialności 10 – 20 m [8].

Na rys. 3. przedstawiono procentowy udział masy cząstek badanego aerozolu

w zależności od efektywnej długości średnicy cząstki. Z wykresu widać, że mak-
simum rozkładu przypada na efektywną długość średnicy równą około 6

µ

m. Obli-

czone na tej podstawie stężenie masowe dymu wynosi c

m

≈

0,4 g/m

3

.

Wykonano również pomiary transmisji w aerozolu parafinowym na zmodyfi-

kowanym stanowisku badawczym z równoczesnym pomiarem rozkładu wielkości
ś

rednic cząstek aerozolu, przy wykorzystaniu systemu pomiarowego K

µ

K. Mie-

rzono gęstość optyczną dymu równocześnie w trzech zakresach spektralnych:
0,4 - 0,8

µ

m, 3 – 5

µ

m i 7 – 14

µ

m podczas zadymiania komory dymowej,

a następnie jej oddymiania. Równocześnie z obszaru drogi optycznej torów pomia-
rowych zasysano aerozol do komory pomiarowej Systemu K

µ

K i mierzono rozkła-

dy wymiarów średnic cząstek aerozolu. Zmiany gęstości optycznej aerozolu pod-
czas zadymiania a następnie oddymiania przedstawiono na rys. 4. i 5.

Rys. 3. Procentowy udział masy cząstek aerozolu w zależności od efektywnej długości

ś

rednicy cząstki

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

1

134 267 400 533 666 799 932 1065 1198 1331 1464 1597 1730 1863 1996 2129 2262 2395

Rys. 4. Zależność gęstości optycznej dymu [m

-1

] od czasu [s] zadymiania i oddymiania

w zakresie spektralnym 0,4 – 0,8

µ

m

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

1

131 261 391 521 651 781 911 1041 1171 1301 1431 1561 1691 1821 1951 2081 2211 2341

3-5 um

8-14 um

Rys. 5. Zależność gęstości optycznej dymu [m

-1

] od czasu [s] zadymiania i oddymiania

w dwóch zakresach podczerwieni: I okna atmosferycznego (3 – 5

µ

m)

i II okna atmosferycznego (7 – 14

µ

m)

6. Dyskusja wyników i wnioski

Z przeprowadzonych badań wynika, że aerozol wytwarzany z parafiny nie

stanowi istotnej przeszkody dla obserwacji za pomocą kamer termowizyjnych.
Dotyczy to zarówno zaawansowanej technicznie kamery obserwacyjnej typu Ray-
theon Palmir Pro, jak i kamery zaprojektowanej specjalnie do działań taktycznych
straży pożarnej typu Talisman. Kamery te pracują w zakresie 7 – 14

µ

m.

W początkowej fazie zadymiania następował jednakowy wzrost gęstości

optycznej dymu w obu zakresach spektralnych podczerwieni. Gęstość optyczna
dymu w tych zakresach podczerwieni była około 30 razy mniejsza niż w zakresie
widzialnym. Rozkład ilościowy cząstek aerozolu w funkcji efektywnej długości
ś

rednicy cząstki, wykonany po czasie około 5 min od rozpoczęcia zadymiania,

przedstawiono na rys. 6. Z rozkładu widać, że w aerozolu dominują cząstki o nie-
wielkich średnicach, poniżej 1

µ

m. Wynika stąd, że taki aerozol powinien mieć

silne własności rozpraszania światła widzialnego, którego długości fal wynoszą od
0,38 do 0,76

µ

m, natomiast niewielkie w odniesieniu do promieniowania w zakre-

sie średniej podczerwieni, zarówno dla I, jak i II okna atmosferycznego. To

dokładnie potwierdza wyniki otrzymane z pomiarów transmisji promieniowania
w trzech zakresach spektralnych.

Rys. 6. Procentowy udział ilości cząstek aerozolu w zależności od efektywnej długości

ś

rednicy cząstki (5 minut od rozpoczęcia zadymiania)

Badane kamery rejestrują promieniowanie w zakresie spektralnym 7 – 14 µm.

Pochłaniane promieniowanie w aerozolu wytworzonym z parafiny jest niewiele
większe niż w powietrzu. Tłumienie wiązki promieniowania spowodowane jest
zatem głównie rozpraszaniem na cząstkach aerozolu, których średnice są porów-
nywalne z długością fali światła. Z przeprowadzonych pomiarów wynika, że gę-
stość optyczna dymu w zakresie pracy tych kamer jest nawet dwa rzędy wielkości
mniejsza niż dla zakresu widzialnego. Sytuacja może być mniej korzystna w przy-
padku dymów, z którymi spotykamy się w pożarach. Podczas spalania powstają
gazy, których pasma pochłaniania leżą w zakresie spektralnym pracy kamer ter-
mowizyjnych, co może pogorszyć widzialność w podczerwieni. Następne badania
będą wykonywane w dymie powstającym przy spalaniu różnych materiałów.

Po upływie kilkunastu minut od rozpoczęcia zadymiania następuje wyraźne

zróżnicowanie gęstości optycznej aerozolu w pasmach spektralnych 3 – 5

µ

m

i 7 – 14

µ

m. Transmisja w paśmie 3 – 5

µ

m jest o około 25% mniejsza od trans-

misji w paśmie 7 – 14

µ

m. Można to wyjaśnić, obserwując zmiany w rozkładach

ś

rednic cząstek aerozolu (rys. 7. i 8.), wykonanych w późniejszym czasie ok. 30

min i 35 min.

Rys. 7. Procentowy udział ilości cząstek aerozolu w zależności od efektywnej długości

ś

rednicy cząstki (30 minut od rozpoczęcia zadymiania)

Rys. 8. Procentowy udział ilości cząstek aerozolu w zależności od efektywnej długości

ś

rednicy cząstki (35 minut od rozpoczęcia zadymiania)

W pierwszej fazie zadymiania średnice cząstek aerozolu są niewielkie. W mia-

rę upływu czasu następuje koagulacja – cząstki łączą się ze sobą. W efekcie mak-
simum rozkładu przesuwa się w stronę większych średnic.

Można stąd wysnuć wniosek, że w początkowej fazie nie ma znaczenia,

w którym oknie atmosferycznym pracuje kamera termowizyjna – nie wpływa to na
jakość obserwacji. Natomiast w następnych fazach zadymiania może to mieć zna-
czenie. Kamera pracująca w zakresie spektralnym II okna atmosferycznego może
mieć znaczną przewagę. Nawet przy bardzo silnym zadymieniu, gdy widzialność
spada do 0,5 m kamery te dawały bardzo dobry obraz. Cząstki dymu generowane-
go podczas pożaru zawierają sadzę absorbującą promieniowanie, co wpływa na
pogorszenie warunków obserwacji.

S U M M A R Y

Janusz RYBIŃSKI, Michał BEDNAREK
Waldemar WNĘK, Jarosław BOCZARSKI

TESTS OF INFRARED RADIATION TRANSMISION

IN PARAFFIN AEROSOL

The article presents the designed and built measuring stand for researches on com-
parison of scattering of light and infrared radiation in the spectral ranges of
thermovision cameras. It also shows results of smoke basie parameters measure-
ments in such spectral ranges as: 0,4 – 0,8

µ

m, 3 – 5 m, 7 – 14 m. The following

values were measured: diameters of aerosol particles, smoke mass concentration
and optical density of smoke.

PIŚMIENNICTWO

1.

R. M. Measure: Laser Remote Sensing Fundamentals and Applications.
Krieger Publishing Company, Florida 199, par. 2.8.

2.

C. H. Van de Hulst: Light Scattering by Small Particles. John Wiley and Sons,
New York 1957, rozdz. 9.

3.

K. Ernst, G. Karasiński, A. Pietruczuk, T. Stacewicz: Retrieving the atmos-
pheric aerosol size distribution by means of multiwavelenght lidar. Instytut Fi-
zyki Doświadczalnej UW, Warszawa.

4.

K. Ernst, S. Chudzyński, G. Karasiński, A. Pietruczuk, T. Stacewicz: Multi-
wavelenght lidar for determination of the atmospheric aerosol size distribution.
Instytut Fizyki Doświadczalnej UW, Warszawa.

5.

S. Chudzyński, A. Czyżewski, K. Ernst, G. Karasiński, K. Kolacz, A. Pietru-
czuk, W. Skubiszak, T. Stacewicz, K. Stelmaszczyk, A. Szymański: Multi-

wavelenght lidar for measurements of atmospheric aerosol. Optics and Lasers
in Engineering

2002, nr 37.

6.

S. Chudzyński, A. Czyżewski, K. Ernst, G. Karasiński, A. Pietruczuk, W. Sku-
biszak, T. Stacewicz, K. Stelmaszczyk: Badania atmosfery przy użyciu lidaru.
Materiały XXXVI Zjazdu Fizyków Polskich, Toruń 2001.

7.

J. Wolanin: Podstawy rozwoju pożarów. SGSP, Warszawa 1986.

8.

B. Mizieliński: Systemy oddymiania budynków. WNT, Warszawa 1999.

9.

Z. Sychta: Badania nad dymotwórczością materiałów i zadymień pomieszczeń
na statku morskim. Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej Nr 299, Szcze-
cin 1985.

10.

J. Rybiński, M. Bednarek: Transmisja promieniowania w aerozolu w zakresie
spektralnym pracy kamer termowizyjnych. Materiały konferencyjne V Krajo-
wej Konferencji nt.: „Termografia i termometria w podczerwieni”, Ustroń
2002.

11.

J. Rybiński, M. Bednarek: Wpływ zadymienia na obserwację za pomocą kame-
ry termowizyjnej. „Zeszyty Naukowe SGSP” 2002, nr 28.