STANOWISKO LABORATORYJNE

Z ZASTOSOWANIEM KAMERY TERMOGRAFICZNEJ

Kraków

2

1. Wstęp

Początki zastosowania termografii sięgają lat 60 XX wieku.

Początkowo służyła ona głównie do celów wojskowych a z późniejszym czasem

znalazła zastosowanie w różnych dziedzinach życia.

Metoda badania przy użyciu termowizji polega na bezkontaktowej

ocenie rozkładu temperatury na powierzchni badanego ciała. Termowizja polega

na obserwacji i zapisie rozkładu promi

eniowania podczerwonego emitowanego

przez każde ciało, którego temperatura jest wyższa od zera bezwzględnego [1].

Moc wypromieniowywanego ciepła zależy bezpośrednio od temperatury obiektu,

dzięki czemu możemy zobaczyć obraz rozkładu temperatury przy zastos

owaniu

różnych kolorów barw przyporządkowanych do danej temperatury. Dzięki

termowizji możemy określić dokładnie temperaturę punktu lub rozkład

temperatury na badanej powierzchni. Właściwość ta ma istotne zastosowanie

przy pomiarach obszarów o dużej powierzchni lub, gdy niemożliwe jest

zmierzenie temperatury metodą bezpośrednią.

2. Promieniowanie cieplne

Każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego wynoszącego

0,0 K (-

273,15 °C), emituje promieniowanie cieplne. Emisja odbywa się

za pomocą fal elektromagnetycznych w pewnym zakresie ich długości stąd też

nazywane jest promieniowaniem podczerwonym.

Promieniowanie to powstaje w wyniku zmian stanu energetycznego molekuł

materii. Natężenie emisji zależy od temperatury ciała

–

T oraz długości

fali –

λ. [1]

3. Emisyjność

W praktyce pomiarowej promieniowanie ciał odbiega w różny sposób

od promieniowania ciała doskonale czarnego. Współczynnik emisyjności jest

to stosunek mocy promieniowania cieplnego emitowanego z powierzchni ciała

rzeczywistego – M(T), do mocy promieniowania emitowanej z takiej

11

Literatura:

[1] Grzegorz Rudkowski: Termowizja i jej zastosowanie. Wydanie 1: Warszawa

1978 Wydawnictwo Komunikacji i Łączności. 210 s.

[2] Waldemar Minkina: Pomiary termowizyjne –

przyrządy i metod

y.

Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej: Częstochowa 2004.

242 s.

ISBN 83 – 7193 – 237 – 5

[3] http://www.vigo.com.pl

10

f) Szczegóły

Wybierając opcję „Szczegóły”, wyświetlona zostanie t

abela z danymi

dotyczącymi parametrów kamery oraz rodzaju wykonywanego pomiaru. Lista

szczegółów zawiera parametry, ich wartości oraz komentarze do nich. Jeśli

znajduje się w polu komentarza określenie

-

Brak informacji, należy

to rozumieć że nie ma czujnika mierzącego dany parametr [3].

g) Uśrednianie

Opcja uśredniania danych pomiarowych pozwala nam na zmniejszenie wpływu

szumów na wyniki pomiarów [3].

h) Kalibracja obszaru

Opcję kalibracji można zastosować przy obróbce danych pomiarowych

wykonanych wc

ześniej. Zawiera ono takie dane jak: opis wybranego obszaru,

temperaturę zmierzoną przez kamerę, która może być wartością średnią,

minimalną

lub

maksymalną

w

zależności

od

zaznaczonej

opcji

w –

„Użyj temperatury”. Natomiast w polu „Temperatura rzeczywista

”

wprowadzamy znaną przez nas temperaturę dla wybranego obszaru zmierzoną

na przykład inną metodą. Następnie w oknie „Korekta” zostanie wyświetlona

wartość danych surowych dla poprawionej przez nas temperatury [3].

i) Eksport danych.

Oprogramowanie umożl

iwia nam na eksport danych w postaci graficznej lub

tekstowej.

W menu „Plik” znajduje się polecenie „Eksportuj jako Bitmapę” dzięki, któremu

możemy zapisać w formacie bmp, obraz mapy rozkładu temperatur. Obraz może

przedstawiać całą ramkę lub interesujący nas obszar. Dane pomiarowe mogą

być zapisane jako plik tekstowy w formacie txt. Umożliwia to wykorzystanie

danych pomiarowych w dalszej ich obróbce [3].

3

samej powierzchni ciała czarnego

–

Mo(T), znajdującego się w tej samej

temperaturze.

( )

( )

T

M

T

M

o

=

ε

Emisyjność zawiera się w granicach 0 < ε < 1 i zależy ona od takich czynników

jak [1]: rodzaj materiału, temperatury, długości fali promieniowanej, jakości

i stanu powierzchni, wartości kąta obserwacji [2]

4. Elementy kamery

Rys. 1 Budowa zewnętrzna kamery [3]

Z tyłu kamery znajduje się panel z elementami służącymi

do zasilania oraz

połączenia z komputerem (rys 2).Opis elementów przedstawiono w formie tabeli

nr 2.

Rys. 2 Panel z tyłu kamery z elementami

do zasilania, sygnalizacji i złączy [3]

Nr Funkcja

1 Uchwyt do przenoszenia kamery

2

Klapka zabezpieczająca układ optyczny

3

Okno z układem optycznym

4

Dioda sygnalizująca stan kamery.

5 Statyw kamery

Tabela 1 Główne elementy kamery

1

2

3

4

5

1

2

5

3

6

7

4

8

Tabela 2 Oznaczenia elementów kamery [3]

Nr Funkcja
1

Gniazd

o niskiego napięcia zasilającego kamerę.

2

Dioda sygnalizująca stan baterii akumulatorowej.

3

Dioda sygnalizująca włączenie kamery.

4

Przycisk włączający i wyłączający kamerę.

5

Podłączenie zewnętrznego czujnika temperatury.

6

Złącze komunikacyjne U

SB.

7

Złącze komunikacyjne szeregowe

- RS232.

8

Gniazdo zasilania z sieci ~240V.

4

5. Wykonywanie pomiarów

Pierwszym etapem przygotowania ur

ządzenia w celu dokonania pomiaru

jest nawiązanie połączenia z kamerą po wybraniu z menu głównego opcji

–

„Urządzenia” i polecenie

–

„Okno komunikacji z kamerą”. Później należy

odczekać chwilę aby detektor osiągnął odpowiednią temperaturę. Następnie

należy utworzyć plik, do którego będą przesyłane dane pomiarowe.

Czynność tą należy wykonać poprzez wybranie z menu głównego

– „Plik”,

polecenie –

„Nowy”. W oknie komunikacji z kamerą należy określić

parametry skanowania (rys. 3).

W miejscu gdzie znajduje się grupa skanowanie, możemy wybrać polecenie

skanera liniowego.

Wykonany pomiar będzie linią poziomą o wybranym

numerze,

z przedziału od 0 do 239. Jeżeli

wybierzemy przycisk –

„Cały”, pomiar odbędzie się

za

pomocą

skanera

dwuwymiarowego

o

całkowitym dostępnym obs

zarze. Punkty X0, Y0,

X1,

Y1

określają

współrzędne

obszaru

skanowania. Dzięki opcji „Zakres”, możemy

wybrać

odpowiedni

zakres

pomiarowy.

Oprogramowanie

posiada

dwa

zakresy

temperaturowe

tj.

Pierwszy

znajduje

się

w

granicach

od

15

do

101°C

natomiast

drugi

od

0 do 601°C. Należy określić odległość kamery od

badanego obiektu za pomocą suwaka

–

„Odległość” w przedziale od 40 cm

do nieskończoności.

W części parametry czasowe ustalamy ilość wykonywanych pomiarów.

Zaznaczenie pola – „Jeden skan” spowoduje wykonanie tylko jednego

pomiaru. Natomiast dzięki opcji

-

„Wiele skanów” możemy wykonać

interesującą nas ilość pomiarów po zaznaczeniu pola „ilość skanów”.

Jeśli nie zaznaczymy tego pomiary będą robione dotąd, aż sami

nie

przerwiemy tej operacji. Również istnieje możliwość określenia odstępu

czasowego pomiędzy skanowaniami za pomocą polecenia

–

„Odstęp”.

W grupie –

„Wyjście” wybieramy plik uprzednio utworzony i otwarty,

do którego będą wysyłane dane podczas wykonywani

a pomiarów.

Rys. 3 Ustawienia
parametrów pomiarowych

9

c) Linia Trendu

Opcja „Linia Trendu” znajduje się w menu „Dodatki” i można ją stosować

dla zdefiniowanego obszaru lub całej ramki. Następnie zostanie otwarte okno

w którym wybieramy interesujące nas rekordy, przy czym należy wybrać

minimum

dwa pomiary. Wykres linii trendu przedstawia wartości temperatur:

maksymalna (czerwona), średnia (zielona), i minimalna (niebieska) [3].

d) Tabela danych

Kolejną opcją dostępną w menu „Dodatki” jest „Tabela danych” . Punkty

pomiarowe przedstawione są w postaci tabeli i zawierają dane zapisane

w systemie dziesiętnym, szesnastkowym oraz jako wyliczoną już temperaturę.

Sposób wyświetlania danych uzyskujemy poprzez przełączanie za pomocą

zakładek, które znajdują się na dole okna tabeli [3].

e) Korekta

Uży

cie tej opcji pozwala nam na wprowadzenie pewnej poprawki

do wykonanych pomiarów . Możemy zmienić temperaturę wszystkich punktów

pomiarowych o interesują nas wartość lub zmienić dane surowe powstałe

podczas przetwarzania analogowo-cyfrowego. Wprowadzenie korekty odbywa

się

za

pomocą

suwaka

lub

wprowadzenia

wartości

z klawiatury. Należy zwrócić uwagę, że stosując korekcję temperatury zmienia

się parametry kalibracyjne danego rekordu a dane surowe pozostają

niezmienne. Natomiast przy korekcji danych surowyc

h nie zmienia się

parametrów kalibracyjnych lecz tylko dane znajdujące się w danym

rekordzie [3].

Rys. 9 Okno narzędziowe do korekty pomiaru

8

Rys. 8 Okno narzędziowe

– Filtry

7. Analiza danych pomiarowych

Oprogr

amowanie współpracujące z kamerą posiada bogatą ofertę dotyczącą

analizy danych pomiarowych. Ułatwia nam w określeniu dokładniej temperatury

badanego obiektu oraz przeprowadzenie ewentualnej korekty pomiaru.

a) Wykres linii

Opcja Pokaż Linię dostępna jest

tylko dla zdefiniowanego obszaru typu linia

i funkcja ta znajduje się w menu głównym „Dodatki”. Program przed

wyświetleniem linii przelicza dane pomiarowe za pomocą filtru temperaturowego.

Wykres przedstawia przebieg temperatury dla punktów pomiarowych

należących

do zdefiniowanej linii [3].

b) Histogram

Funkcja „Histogram” dostępna jest w menu głównym „Dodatki”. Opcję tą

możemy zastosować dla całej ramki jak i zdefiniowanego przez nas obszaru jeśli

jest aktywny. Histogram przedstawia rozkład temperatury w postaci słupków jako

zależność ilości punktów pomiarowych od temperatury. Każdy słupek mieści się

w określonym przedziale temperatur. Barwy użyte do przedstawienia wyników

są takie same jak wybrana aktualnie paleta kolorów. Oprogramowanie przed

wyświetleniem histogramu przelicza dane pomiarowe za pomocą filtru

temperaturowego [3].

Opcja –

„Wygładź” umożliwia nam wygładzenie

krawędzi prezentowanej mapy temperatur przy

dużym powiększeniu.

Program posiada 7 filtrów zdefiniowanych oraz 3 do

samodzielnego ustawienia w opcji „Edytuj filtry” [3].

5

Po ustawieniu powyższych parametrów możemy przystąpić do pomiarów.

Pasek znajdujący się na dole okna komunikacji z kamerą służy

do sterowania pomiarami (rys. 4).

Rys. 4

Przyciski sterujące komunikacją z kamerą i pomiarami

Przyciski „Połącz” i „Rozłącz” , służą do nawiązywania i zrywania połączenia

kamery z komputerem. Jeśli wszystko jest dobrze podłączone oraz

zainstalowane oprogramowanie działa poprawnie kamera jest got

owa

do pracy. Naciśnięcie przycisku „Podgląd” spowoduje wykonanie

skanowania pełnego obszaru w najniższej rozdzielczości, niezależnie

od osobistych ustawień parametrów pomiaru. Przycisk

– „Start” powoduje

rozpoczęcie

wykonywania

pomiarów

według

bieżących

ustawień

skanowania. Za pomocą opcji

–

„Przerwij” możemy natychmiast zakończyć

wykonywania pomiarów a dotychczas zebrane dane nie zostaną

utracone [3].

6. Okna narzędziowe

a) Paleta

Okno to umożliwia nam wybór palety kolorów za pomocą których

przedstawi

ane są wyniki pomiarów w formie rozkładu temperatury danego

obiektu. Wyboru rodzaju palety dokonujemy za pomocą przycisków „<<” lub

„>>”, natomiast numer wybranej palety jest wyświetlany pomiędzy tymi

znakami. Obok znajduje się przycisk oznaczony literą „A”, za pomocą

którego automatycznie jest dopasowywany podzakres do zmierzonej

temperatury. W głównej części okna wyświetlane są palety barw wraz

z temperaturami odpowiednio im przyporządkowanym. Lewa kolumna

przedstawia podzakres temperatury, natomiast w prawej palecie pokazany

jest cały zakres pomiarowy z zaznaczonym wewnątrz podzakresem.

Temperaturę podzakresu możemy wpisać bezpośrednio z klawiatury w lewej

kolumnie, klikając myszką w miejscu końcowych temperatur wyświetlonych

na czerwono lub w prawej

kolumnie klikając na znaczniki temperatur.

6

Rys. 5 Paleta barw

b) Parametry widoku

Okno to umożliwia nam sterowanie obrazem jego położeniem oraz rozmiarem.

Należy dodać, że tylko jest ono dostępne dla dokonywania pomiarów skanerem

dwuwymiarowym. Lewy suwak służy do procentowej zmiany rozmiaru obrazu.

Natomiast suwaki znajdujące się z prawej strony i pod obszarem wyświetlania

możemy używać do zmiany położenia mapy temperaturowej. Przyciski

znajdujące się na dole okna narzędziowego sterują wielkością oraz położeniem

obrazu. Przycisk „1:1” powoduje wyświetlenie mapy w taki sposób aby 1

pikselowi obrazu przypadał jeden punkt pomiarowy. Naciśnięcie przycisku

„Centruj” spowoduje umieszczenie obrazuw środku obszaru wyświetlania.

Przycisk –

„Cały” dopasuje rozmiar i położenie mapy do rozmiaru wyświetlanego

okna [3].

Natomiast jeśli lewym przyciskiem myszki naciśniemy

w

kolumnie

podzakresu

wówczas

będzie

miał

on temperaturę taką samą jak cały zakres pomiarowy.

W prawej kolumnie zakresu możemy zmieniać początek

i koniec podzakresu za pomocą suwaków w kształcie

trójkątów zaś cały podzakres możemy przesuwać

naciskając lewy przycisk myszki wewnątrz palety [3].

Rys. 6 Okno z parametrami

widoku

7

c) Obszary

Menu narzędziowe

– „Obszary” pomaga nam w wyselekcjonowaniu

interesującego nas pola. Wybrana strefa zawiera dane takie jak: ilość

punktów l

eżących w danym obszarze, emisyjność, temperatura maksymalna,

minimalna oraz ich współrzędne a także temperatura średnia i otoczenia.

Niektóre z tych parametrów można zmienić za pomocą opcji

– „Edytuj”.

Obszary są wyświetlone w postaci listy przedstawion

ej na rys. 7,

na początku jej znajduje się zawsze pole „Cała Ramka”, która przedstawia

cały obszar pomiaru. Przy każdym obszarze znajduje się okienko służące do

aktywowania interesującego nas obszaru i wówczas na mapie rozkładu

temperatur zostaną wyświetlone jego krawędzie. Funkcja

-

„Odznacz” służy

do wyłączenia wszelkich aktywnych obszarów. Za pomocą opcji Dodaj

możemy utworzyć nowy obszar, wybierając rodzaj oraz lokalizację punktów

charakterystycznych pola. Polecenie -

„Usuń” spowoduje skasowanie z li

sty

danego obszaru a jeśli chcemy usunąć wszystkie obszary możemy

to wykonać za pomocą przycisku „Wyczyść”. Rodzaje dostępnych obszarów

w programie: punkt, linia, prostokąt, kwadrat, elipsa, koło, łamana [3].

Rys. 7 Okno narzędziowe

- Obszary

d) Filtry

Menu „Filtry” widoczne na rys. 8 pozwala nam na prezentację pomiarów

za pomocą zdefiniowanych układów filtracyjnych, które mają różne

właściwości. „Filtr Wyświetlania” umożliwia prezentację obrazu temperatur

po uprzednim przeliczeniu

według wybranego modelu macierzowego

dostępnego z listy. „Filtr Temperatury” przelicza punkty pomiarowe przy

zastosowaniu macierzy dostępnej w liście.