Ćwiczenie

Temat ćwiczenia:

Pomiary termowizyjne

Nr zespołu:

Wydział, rok, grupa:

Data:

Nazwisko i
imię:

Ocena

Teoria

Wykonanie ćwiczenia

Końcowa z ćwiczenia

1. Joanna
Krakowiak

2. Magdalena
Papka

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą działania kamery termowizyjnej oraz
możliwościami pomiaru termowizyjnego.

2. Część teoretyczna

Ciało, które posiada temperaturę większą od zera bezwzględnego emituje promieniowanie
cieplne. Jest ono promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali większej niż długość
światła widzialnego.

Prawo Stefana-Boltzmanna opisuje całkowitą zdolność emisyjną ciała doskonale czarnego i
wyraża się zależnością:

4

T









gdzie:

Φ - strumień energii wypromieniowywany w kierunku prostopadłym do powierzchni ciała

[W/m

2

]

σ - stała Stefana-Boltzmanna (≈5,67•10

-8

[W/m

2

•K

4

])

T - temperatura w skali Kelvina

Ważnym pojęciem przy rozpatrywaniu zagadnień związanych ze zdolnością emisyjną jest ciało

doskonale czarne. Jest to ciało, które całkowicie pochłania padające na nie promieniowanie

elektromagnetyczne, niezależnie od temperatury ciała, kąta padania i widma promieniowania.

Współczynnik pochłaniania dla takiego ciała jest równy jedności dla dowolnej długości fali.

3. Pomiary

Ciało, którego temperatura jest wyższa od zera bezwzględnego jest źródłem promieniowania

w paśmie podczerwieni. Jego intensywność zależy od temperatury oraz cech powierzchni

ciała. Kamery, które działają w podczerwieni dokonują pomiaru i zobrazowania energii

podczerwonej wypromieniowanej przez obiekt. Aby wykonać obliczenie kamera wykorzystuje

fakt, iż promieniowanie jest funkcją temperatury powierzchni obiektu. Temperatura zostaje

wyświetlona na ekranie.

Schemat pomiaru kamerą termowizyjną

Promieniowanie podczerwone wysyłane jest przez badany obiekt i pada na obiektyw. Po

przejściu przez optykę obiektywu otrzymujemy obraz zogniskowany na termoczułym

detektorze, w który wyposażona jest kamera. Przetwarza on promieniowanie podczerwone

na proporcjonalne sygnały elektryczne. W następnym etapie sygnał podawany jest na

przetwornik analogowo cyfrowy. Zostaje zamieniony na postać cyfrową. Obraz, który

odtwarzany jest na monitorze jest wyświetlany w odpowiedniej skali barw: tęczy, gdzie kolory

widoczne są po rozszczepieniu światła białego, żelaza czy też stopniach szarości.

Obraz może zostać odwzorowany w kilku fazach. Najpierw dokonywany zostaje podział obrazu

na poszczególne fragmenty a w następnej kolejności przeprowadzana jest jego synteza.

Analiza rozkładu gęstości mocy promieniowania może być przeprowadzona dwoma

metodami:



Przeszukiwanie mechaniczno-optyczne – stosowane jest przy detektorach punktowych

oraz przy liniowej mozaice detektorów. W danej chwili analizowany zostaje mały

Przetwornik analogowo-cyfrowy

Termoczuły detektor

obiektyw

Badany obiekt

odcinek obrazu oraz pojedynczy i nieruchomy detektor. Wykorzystujemy w tej

metodzie układy ruchomych luster, które będą rzutować kolejno wszystkie fragmenty

obrazu na detektor i rejestrować sygnały odpowiadające analizowanym fragmentom.

Pełny obraz otrzymywany jest w wyniku obrotu w płaszczyźnie poziomej i pionowej.



Elektroniczne przeszukiwanie płaskiej powierzchni mozaiki detektorów – w tych

układach w danej chwili jest rejestrowany cały obraz na mozaice detektorów (jak na

kliszy fotograficznej), a przełączany jest tylko tor pomiarów do każdego elementu

mozaiki.

Systemy wyposażone w mechaniczne przeszukiwanie są dużo wolniejsze od tych

elektronicznych. Wymagają układów optycznych, które sterują lustrami. Można mimo to jako

ich zaletę podać brak trudności z uzyskaniem identycznych właściwości i charakterystyk

detekcyjnych poszczególnych detektorów w mozaice przy zastosowaniu jednego detektora.

By można było określić temperaturę badanego ciała w systemach termowizyjnych stosuje się

wewnętrzne źródła odniesienia ze sprecyzowaną określoną temperaturą i właściwościami

emisyjnymi ustalanymi w czasie kalibracji urządzenia.

4. Promieniowanie, które mierzy kamera nie tylko zależy od temperatury obiektu. Jest

funkcją jego emisyjności. Obiekt, który obserwujemy odbija promieniowanie

emitowane przez otoczenie. Aby właściwie zmierzyć temperaturę należy ocenić wpływ

różnych czynników:



Emisyjność



Odległość od obiektu



Temperaturę otoczenia



Temperaturę atmosfery



Odległość od obiektu



Względną wilgotność powietrza

Najważniejszym parametrem wydaje się być emisyjność. Jest ona wilkością, która określa w

jakim stopniu promieniowanie emitowane z obiektu różni się od promieniowania jakie byłoby

emitowane przez ten obiekt, gdyby był on tzw. Ciałem czarnym. W przeważającej wielkości

materiały obiektu oraz jego powierzchnie wykazują emisyjność równą 0,1 do 0,95. Dobrze

wypolerowane powierzchnie (lustra) wykazują emisyjność poniżej 0,1, zaś powierzchnie

pomalowane mają emisyjność znacznie wyższą. Ludzka skóra wykazuje emisyjność bliską 1.

Aby prawidłowo ocenić temperaturę obiektu musimy znać jego emisyjność. Gdy wartość ta

jest nieznana możemy to ocenić za pomocą termopary.

Kolejnym czynnikiem, który był badany w naszym doświadczeniu była temperatura otoczenia,

czyli temperatura tła. Jest ona niezbędna do uzyskania promieniowania odbitego od ciała. Jeśli

emisyjność obiektu jest stosunkowo niska, a temperatura otoczenia jest zbliżona do

temperatury otoczenia to wówczas duże znaczenie ma właściwe ustawienie wartości

temperatury otoczenia.

Na powyższych obrazach widać w jaki sposób nasłonecznienie wpływa na pomiar przez

kamerę termowizyjną. W miejscach budynku, w których obserwowane jest duże

nasłonecznienie możemy obserwować temperaturę, która wynosi ok. 15 st. C. Natomiast w

zaciemnionych miejscach budynku temperatura jest znacznie niższa - blisko 2 st. C. Możemy

również zaobserwować różnicę w rozłożeniu kolorów. Najbardziej czerwone są mocno

oświetlone przez słońce fragmenty, natomiast cała wnęka jest oznaczona kolorem niebieskim

co sugeruje niskie temperatury według załączonej do zdjęć skali.

Na powyższych wykresach przedstawiony został profil temperatury w zaznaczonych

miejscach. Można zauważyć jak zmienia się ona we wnęce (2 wykres) oraz na przestrzeni

całego elementu (wykres 1). Dzięki takiemu przestawieniu możemy odczytać nie tylko

temperaturę w jednym punkcie danego elementu ale także w całym przekroju.