st. kpt. prof. dr hab. Janusz RYBIC
SKI, mgr Michał BEDNAREK
Katedra Nauk Ścisłych SGSP
mł. bryg. mgr in\
. Waldemar WN
K, kpt. mgr in\
. Jarosław BOCZARSKI
Zakład Technicznych Systemów Zabezpieczeń
BADANIA TRANSMISJI PROMIENIOWANIA
PODCZERWONEGO W AEROZOLU PARAFINOWYM
W artykule przedstawiono wyniki analizy wpływu rozpraszania
promieniowania na czÄ…stkach aerozolu na obserwacjÄ™ za pomocÄ…
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 dajÄ… mo\
liwość obserwacji w warunkach zadymienia
i zamglenia. Z tego względu znalazły zastosowanie do odnajdywania ofiar po\
arów
wewnętrznych. W pracy przedstawiono wyniki badań nad efektywnością rozpra-
szania promieniowania podczerwonego na czÄ…stkach 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 czÄ…stkach aerozolu. W warunkach po\
aru promieniowanie absor-
bowane jest głównie przez parę wodną i dwutlenek węgla oraz w mniejszym stop-
niu przez inne gazy: CO, NO2, NO, SO2, HCl, HCN. Absorpcja w gazach nie
odgrywa tak wielkiej roli jak rozpraszanie na czÄ…stkach aerozolu, poniewa\
pasma
spektralne kamer termowizyjnych sÄ… bardzo szerokie i tylko w nieznacznym stop-
niu pokrywają się z pasmami absorpcji wymienionych gazów.
Rozpraszanie promieniowania elektromagnetycznego na czÄ…stkach 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, nale\
y stosować teorię Miego. Przekrój czynny na rozpraszanie
zale\
y od własności cząstek aerozolu, takich jak rozmiar, kształt, skład chemiczny,
współczynnik załamania i pochłaniania światła. Teoria Miego uwzględnia interfe-
rencję światła rozproszonego na ró\
nych elementach czÄ…stki aerozolu, jest zatem
bardziej skomplikowana. Dlatego istniejÄ… 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 sÄ… prowadzone w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego [3 - 6].
Efektywność rozpraszania na cząstkach aerozolu zale\
y od wartości stosunku
średnicy 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 pokrywajÄ… siÄ™ z dÅ‚ugoÅ›ciami fal Å›wiatÅ‚a (0,38  0,76 µm), co powoduje,
\
e przekrój czynny na rozpraszanie jest wysoki (rozpraszanie Miego). Przy obser-
wacji z u\
yciem kamery termowizyjnej, pracujÄ…cej w zakresie spektralnym 3-5 µm
(tzw. I okna atmosferycznego) lub 7 14 µm (II okna), Å›rednice czÄ…stek aerozolu sÄ…
znacznie mniejsze od długości fali promieniowania, więc przekrój na rozpraszanie
jest du\
o 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 weszÅ‚y: komora dymowa, urzÄ…dzenie 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 pracujÄ…ce 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 stę\
enie czÄ…stek aerozolu mierzono za pomocÄ… systemu
pomiarowego KµK, sÅ‚u\
ącego do pomiaru efektywnych średnic cząstek aerozolu
metodą fotoelektryczną. Na podstawie wyników pomiarów wyznaczono wartości
parametrów stosowanych w profilaktyce po\
arowej: stÄ™\
enie objętościowe, gęstość
masową i gęstość optyczną dymu. Wyznaczono wartości gęstości optycznej dymu
w zakresach spektralnych I i II okna atmosferycznego, odpowiadajÄ…ce dopuszczal-
nym wartościom gęstości optycznej dymu w świetle widzialnym, które umo\
liwia-
ją ewakuację ludzi z zadymionych pomieszczeń. Celem tych badań jest wykazanie
stopnia przewagi obserwacji w podczerwieni, gdy obiekty znajdujÄ… siÄ™
w dymie. Badania mają określić stopień przydatności kamer termowizyjnych do
poszukiwania ludzi oraz z
ródeł po\
aru, znajdujÄ…cych siÄ™ w zadymionych pomiesz-
czeniach, a tak\
e 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 umo\
liwiało pomiar transmisji
promieniowania w zakresie widzialnym oraz w podczerwieni, w pasmach spektral-
nych pracy kamer termowizyjnych. Schemat stanowiska przedstawiono na rys. 1.
RS
Procesor
232c
Zasilacz
Rys. 1. Blokowy schemat podzespołów stanowiska pomiarowego do badania transmisji
promieniowania podczerwonego i widzialnego w dymie
W skład stanowiska wchodzą: z
ródła 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. y
ródłem promieniowania podczer-
wonego jest  ciało czarne typu Raytek, a światła - \
arówka z zasilaczem. Bezpo-
średnio przed z
ródłami 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 natę\
enia promienio-
wania w zakresach spektralnych pracy kamer termowizyjnych i zakresie widzial-
nym. Pierwszy tor pomiarowy zawiera detektor (termopara radiacyjna) z filtrem
Promiennik
Przetwornik AC
na zakres spektralny 8 14 µm oraz germanowy ukÅ‚ad optyczny umo\
liwiajÄ…cy
obserwacjÄ™ od 1,5 m do ". Drugi tor pomiarowy zawiera detektor (termopara ra-
diacyjna) z filtrem na zakres spektralny 3 5 µm oraz taki sam germanowy ukÅ‚ad
optyczny. Trzeci tor pomiarowy zawiera detektor fotoelektryczny z soczewkÄ… dla
zakresu spektralnego zbli\
onego do spektrum widzenia oka. Wszystkie tory pomia-
rowe zawierają równie\
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 wejÅ›ciowym 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 wyraz
nie zmniejsza
zakłócenia. Program umo\
liwia: wizualizację odczytów, rejestrację odczytów
w funkcji czasu, archiwizowanie odczytów, operacje obliczeniowe na wynikach
odczytów. Po wprowadzeniu parametrów określających warunki eksperymentu,
program komputerowy umo\
liwia przedstawienie wyników pomiaru w postaci
wykresów gęstości optycznej dymu, równolegle dla wszystkich torów pomiaro-
wych, co daje mo\
liwość porównywania stopnia tłumienia sygnałów spowodowa-
nego obecnością aerozolu, w ró\
nych 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]: stę\
enie liczbowe dy-
mu, stÄ™\
enie masowe dymu, optyczna gęstość dymu, właściwa optyczna gęstość
dymu, współczynnik osłabienia kontrastu. Stę\
enie liczbowe dymu cN wyra\
a
liczbę cząsteczek dymu w jednostce objętości aerozolu dymowego:
N
cN =
V
gdzie: N  liczba cząstek dymu, V  objętość aerozolu.
StÄ™\
enie masowe dymu cm jest stosunkiem masy fazy rozproszonej m (masy
cząstek dymu) do objętości aerozolu dymowego:
m
cm =
V
Znając średnią wartość średnicy cząstek aerozolu, stę\
enie masowe dymu
mo\
na obliczyć z zale\
ności:
3
2Ä„Ád N
śr
cm =
6V
gdzie:
dśr  średnia wartość średnicy cząstek aerozolu dla rozkładu objętościowego,
Á - gÄ™stość materiaÅ‚u rozproszonego.
Gęstość optyczna dymu D zdefiniowana jest przez zale\
ność:
1 I0
D = log
L I
gdzie:
L  długość drogi optycznej,
I0 - natÄ™\
enie światła padającego,
I - natÄ™\
enie światła po przejściu drogi optycznej.
Gęstość optyczna dymu jest związana z ilością cząstek dymu w jednostce objętości
n oraz promieniem pojedynczej czÄ…stki r zale\
nością:
2
D = Ä… Å"Ä„ Å" r Å" n
Współczynnik proporcjonalności ą 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 u\
yto zespołu detek-
cyjnego wykonanego w II etapie realizacji tematu badawczego. y
ródłem promie-
niowania dla zakresów podczerwieni był promiennik firmy Ratek typu BB4000, a
dla zakresu widzialnego - \
arówka. Promieniowanie było modulowane modulato-
rem mechanicznym i rejestrowane za pomocÄ… termopar radiacyjnych oraz fotodio-
dy
z odpowiednimi filtrami optycznymi. Otrzymane wartości optycznej gęstości dymu
przedstawiono w tabeli 1. Tabela zawiera graniczne wartości gęstości dymu umo\
-
liwiajÄ…ce bezpiecznÄ… ewakuacjÄ™.
Tabela 1.
Gęstość optyczna dymu D [m 1]
Zakres spektralny
Lp.
0,4 - 0,8 µm 3  5 µm 8  11 µm
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, umo\
liwiajÄ…ca bezpiecznÄ… ewakuacjÄ™
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 zale\
ności od efektywnej długości średnicy cząstki. Z wykresu widać, \
e mak-
simum rozkÅ‚adu przypada na efektywnÄ… dÅ‚ugość Å›rednicy równÄ… okoÅ‚o 6 µm. Obli-
czone na tej podstawie stÄ™\
enie masowe dymu wynosi cm H" 0,4 g/m3.
Wykonano równie\
pomiary transmisji w aerozolu parafinowym na zmodyfi-
kowanym stanowisku badawczym z równoczesnym pomiarem rozkładu wielkości
Å›rednic czÄ…stek aerozolu, przy wykorzystaniu systemu pomiarowego KµK. Mie-
rzono gęstość optyczną dymu równocześnie w trzech zakresach spektralnych:
0,4 - 0,8 µm, 3  5 µm i 7  14 µm podczas zadymiania komory dymowej,
a następnie jej oddymiania. Równocześnie z obszaru drogi optycznej torów pomia-
rowych zasysano aerozol do komory pomiarowej Systemu KµK i mierzono rozkÅ‚a-
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 zale\
ności od efektywnej długości
średnicy cząstki
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
1 134 267 400 533 666 799 932 1065 1198 1331 1464 1597 1730 1863 1996 2129 2262 2395
Rys. 4. Zale\
ność gęstości optycznej dymu [m-1] od czasu [s] zadymiania i oddymiania
w zakresie spektralnym 0,4  0,8 µm
0,012
3-5 um
0,01
8-14 um
0,008
0,006
0,004
0,002
0
1 131 261 391 521 651 781 911 1041 1171 1301 1431 1561 1691 1821 1951 2081 2211 2341
Rys. 5. Zale\
ność gęstości optycznej dymu [m-1] od czasu [s] zadymiania i oddymiania
w dwóch zakresach podczerwieni: I okna atmosferycznego (3  5 µm)
i II okna atmosferycznego (7  14 µm)
6. Dyskusja wyników i wnioski
Z przeprowadzonych badań wynika, \
e aerozol wytwarzany z parafiny nie
stanowi istotnej przeszkody dla obserwacji za pomocÄ… kamer termowizyjnych.
Dotyczy to zarówno zaawansowanej technicznie kamery obserwacyjnej typu Ray-
theon Palmir Pro, jak i kamery zaprojektowanej specjalnie do działań taktycznych
stra\
y po\
arnej typu Talisman. Kamery te pracujÄ… w zakresie 7  14 µm.
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 ni\
w zakresie
widzialnym. Rozkład ilościowy cząstek aerozolu w funkcji efektywnej długości
średnicy cząstki, wykonany po czasie około 5 min od rozpoczęcia zadymiania,
przedstawiono na rys. 6. Z rozkładu widać, \
e w aerozolu dominujÄ… czÄ…stki o nie-
wielkich średnicach, poni\
ej 1 µm. Wynika stÄ…d, \
e taki aerozol powinien mieć
silne własności rozpraszania światła widzialnego, którego długości fal wynoszą od
0,38 do 0,76 µm, 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 zale\
ności od efektywnej długości
średnicy cząstki (5 minut od rozpoczęcia zadymiania)
Badane kamery rejestrujÄ… promieniowanie w zakresie spektralnym 7  14 µm.
Pochłaniane promieniowanie w aerozolu wytworzonym z parafiny jest niewiele
większe ni\
w powietrzu. TÅ‚umienie wiÄ…zki promieniowania spowodowane jest
zatem głównie rozpraszaniem na cząstkach aerozolu, których średnice są porów-
nywalne z długością fali światła. Z przeprowadzonych pomiarów wynika, \
e gÄ™-
stość optyczna dymu w zakresie pracy tych kamer jest nawet dwa rzędy wielkości
mniejsza ni\
dla zakresu widzialnego. Sytuacja mo\
e być mniej korzystna w przy-
padku dymów, z którymi spotykamy się w po\
arach. Podczas spalania powstajÄ…
gazy, których pasma pochłaniania le\
Ä… w zakresie spektralnym pracy kamer ter-
mowizyjnych, co mo\
e pogorszyć widzialność w podczerwieni. Następne badania
będą wykonywane w dymie powstającym przy spalaniu ró\
nych materiałów.
Po upływie kilkunastu minut od rozpoczęcia zadymiania następuje wyraz
ne
zró\
nicowanie gÄ™stoÅ›ci optycznej aerozolu w pasmach spektralnych 3  5 µm
i 7  14 µm. Transmisja w paÅ›mie 3  5 µm jest o okoÅ‚o 25% mniejsza od trans-
misji w paÅ›mie 7  14 µm. Mo\
na to wyjaśnić, obserwując zmiany w rozkładach
średnic cząstek aerozolu (rys. 7. i 8.), wykonanych w póz
niejszym czasie ok. 30
min i 35 min.
Rys. 7. Procentowy udział ilości cząstek aerozolu w zale\
ności od efektywnej długości
średnicy cząstki (30 minut od rozpoczęcia zadymiania)
Rys. 8. Procentowy udział ilości cząstek aerozolu w zale\
ności od efektywnej długości
średnicy 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.
Mo\
na stąd wysnuć wniosek, \
e w poczÄ…tkowej fazie nie ma znaczenia,
w którym oknie atmosferycznym pracuje kamera termowizyjna  nie wpływa to na
jakość obserwacji. Natomiast w następnych fazach zadymiania mo\
e to mieć zna-
czenie. Kamera pracujÄ…ca w zakresie spektralnym II okna atmosferycznego mo\
e
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 po\
aru zawierają sadzę absorbującą promieniowanie, co wpływa na
pogorszenie warunków obserwacji.
S U M M A R Y
Janusz RYBIC
SKI, Michał BEDNAREK
Waldemar WN
K, 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 µm, 3  5 m, 7  14 m. The following
values were measured: diameters of aerosol particles, smoke mass concentration
and optical density of smoke.
PIÅšMIENNICTWO
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. Czy\
ewski, 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. Czy\
ewski, K. Ernst, G. Karasiński, A. Pietruczuk, W. Sku-
biszak, T. Stacewicz, K. Stelmaszczyk: Badania atmosfery przy u\
yciu lidaru.
Materiały XXXVI Zjazdu Fizyków Polskich, Toruń 2001.
7. J. Wolanin: Podstawy rozwoju po\
arów. 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.