Kamery termowizyjne

Wstęp

Wykorzystanie zdjęć termowizyjnych staje się coraz bardziej popularne i stale zyskuje nowe pola zastosowań. W niektórych dziedzinach wykonywanie badań termowizyjnych jest już powszechne, a nawet uznawane za niezbędne.

Zasada działania

Każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego jest źródłem promieniowania w paśmie podczerwieni, a jego intensywność zależy od temperatury i cech powierzchni ciała. Aparatura termowizyjna jest odmianą telewizji wrażliwej na fragment zakresu promieniowania podczerwonego. Tworzenie obrazu polega na rejestracji przez kamerę promieniowania emitowanego przez obserwowany obiekt, a następnie przetworzeniu na kolorową mapę temperatur. System termowizyjny jest więc rodzajem niezwykłego termometru, który pozwala mierzyć temperaturę na odległość w wielu miejscach jednocześnie.

Zastosowania - nieinwazyjne wykrywanie:

• Badanie stanu instalacji elektrycznej w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej, oraz zakładach produkcyjnych,

• Wykrywanie nieszczelności wysokociśnieniowych instalacji gazowych,

• Wskazywanie miejsc uchodzenia ciepła w budynkach,

• Ocena zawilgocenia ścian budynków,

• Sprawdzanie spójności betonu i wykrywanie pęknięć,

• Określanie rozkładu ciepła i wykrywanie ewentualnych wycieków wody w ogrzewaniu podłogowym,

• Wykrywanie przecieków w dachu,

• Badanie stanu generatorów elektrycznych,

• Diagnostyka kominów przemysłowych,

• Badanie stacji GPZ, transformatorów i baterii kondensatorów,

• Badanie napowietrznych linii elektrycznych,

• Badanie silników elektrycznych i stanu łożysk tocznych,

• Ocena izolacji ścian magazynów chłodniczych,

• Wykrywanie strat ciepła i wycieków w procesach chemicznych

• Obserwacja procesów chemicznych,

• Ocena wydajności i wykrywanie uszkodzeń wymienników ciepła,

• Ocena stanu izolacji pieców hutniczych,

• Określanie położenia strefy wypału w piecach i reaktorach chemicznych,

• Badanie rozchodzenie się strefy płomienia podczas eksplozji,

• Diagnostyka zawieszenia i opon pojazdów samochodowych,

• Badania układów hamulcowych i silnika dla oceny wydajności oraz jakości chłodzenia,

• Badanie działania ogrzewania tylnej szyby w laboratoriach,

• Badanie urządzeń elektronicznych i wykrywanie ewentualnych uszkodzeń,

• Badanie kontuzji kręgosłupa i stawów,

• Wykrywanie chorób, np. raka piersi, artretyzmu itd.,

• Wykrywanie uszkodzeń rurociągów, wycieków, miejsc powstawania pęknięć zmęczeniowych,

• Badanie środowiska, wykrywanie zanieczyszczeń w powietrzu i wodzie,

• Badanie stanu linii wysokiego napięcia,

• Akcje ratownicze,

• Zastosowania wojskowe

Szczególnym zastosowaniem badań termowizyjnych jest diagnostyka izolacyjności cieplnej budynków zarówno przed, jak i po termorenowacji. Można zatem mówić o wprowadzeniu do procesu budowlanego całkiem nowego etapu: powykonawczej diagnostyki cieplnej obiektu. Na podstawie zdjęć termowizyjnych bez inwazyjnie dokonuje się jakościowej oceny izolacji, w tym występowania mostków cieplnych, czyli miejsc, których właściwości termoizolacyjne są gorsze niż pozostałej części przegrody i gdzie ma miejsce wzmożona ucieczka ciepła z wnętrza budynku.

Instalacje rurowe

Prawdziwym polem do popisu dla kamery termowizyjnej jest wykrywanie wilgoci w budynkach. Obecność wody w porach materiału budowlanego powoduje pogorszenie jego właściwości izolacyjnych, zdolności do wypromieniowania ciepła, a więc i temperatury na powierzchni. Dzięki temu na obrazie termowizyjnym można łatwo rozróżnić obszary zawilgoceń, określać ich zasięg a nawet wskazywać źródła wilgoci. Takie badanie jest szczególnie przydatne przy diagnostyce zawilgoceń w płaskich stropodachach i lokalizacji miejsc przecieków. Niezastąpioną rolę pełnią kamery termowizyjne w lokalizacji przebiegu ukrytej w ścianie instalacji wodnej czy grzewczej, planowaniu otworów w istniejącej instalacji ogrzewania podłogowego, sprawdzaniu drożności oraz poszukiwaniu ukrytych elementów konstrukcji takich jak zamurowane przejścia, otwory itp.

Obszar zastosowań kamer termowizyjnych nieustannie się rozszerza i dawno już wykroczył poza zakres związany bezpośrednio z problemami termoizolacji, zyskując uznanie również w diagnostyce medycznej, badaniach ekologicznych, elektronice, kontroli jakości, czy wreszcie w ratownictwie górskim.

Podstawy teoretyczne termowizji

Badania termowizyjne opierają się na znanym zjawisku fizycznym polegającym na emitowaniu fal elektromagnetycznych przez każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego. Promieniowanie to, nazywane jest ze względu na długość fali, promieniowaniem podczerwonym, a ze względu na właściwości, promieniowaniem cieplnym. Intensywność promieniowania cieplnego jest proporcjonalna do temperatury ciała. Mierząc promieniowanie podczerwone wysyłane przez dane ciało mierzymy więc pośrednio także jego temperaturę. Dla ciała doskonale czarnego powiązanie temperatury z natężeniem promieniowania podczerwonego przedstawia się następująco:

gdzie:
E0 - natężenie promieniowania cieplnego [W/m2],
C0 - stała promieniowania ciała doskonale czarnego równa 5.77 [W/(m2 ?K4)],
T - temperatura bezwzględna powierzchni [K].
Zgodnie z prawem Kirchoffa, współczynnik promieniowania powierzchni ciała szarego C [W/(m2 ?K4)] możemy określić następująco:


gdzie:
e - współczynnik absorpcji - emisyjność [-],
C0 - j.w.

Współczynnik promieniowania powierzchni określa ilość ciepła wypromieniowanego z 1 m2 powierzchni ciała w ciągu 1 h do próżni przy absolutnej temperaturze promieniującej powierzchni 100 K. Emisyjność e jest stosunkiem natężenia promieniowania pochłanianego przez powierzchnię ciała szarego do natężenia promieniowania padającego. Emisyjność dla ciała doskonale czarnego byłaby jednością, a dla ciał szarych zależy od ich składu chemicznego oraz sposobu wykończenia powierzchni. Dla przykładu, blacha stalowa ocynkowana posiada e równe 0.23, beton 0.62, drewno świerkowe 0.77, tynk wapienny 0.91, a szkło okienne 0.94 [49]. Należy dodać, że oprócz pokryć metalicznych do temperatury 500*C kolor powierzchni nie ma wpływu na natężenie promieniowania cieplnego. Kamera termowizyjna jest to urządzenie mierzące natężenie promieniowania podczerwonego. Natężenie promieniowania przeliczone jest (przy założonej emisyjności e) na wartości temperatur i przedstawiane w postaci wizualnej, odcieniami szarości lub kolorami. System termowizyjny pozwala zmierzyć temperaturę w sposób bezdotykowy i w wielu punktach jednocześnie. Należy jednak pamiętać, że porównywać temperatury na termogramie, możemy bezpośrednio tylko w obrębie jednego materiału. Dla materiałów o różnych emisyjnościach temperatury należy przeliczyć. Zastosowanie emisyjności tynku wapiennego, dla stali ocynkowanej prowadzi do zawyżenia temperatury tego ostatniego o 41.4%. Dla drewna świerkowego błąd wyniósłby 4.2%, co jest już do zaakceptowania. Występowanie różnorodnych materiałów nie uniemożliwia przeprowadzenia badań, lecz wymaga wnikliwszej analizy. Badanie termowizyjne budynku mające na celu sprawdzenie właściwości termoizolacyjnych przegród opiera się na zależności:

gdzie:
Je - temperatura zewnętrznej powierzchni przegrody [*C],
te - temperatura powietrza zewnętrznego [*C],
ti - temperatura powietrza wewnętrznego [*C],
k - współczynnik przenikania ciepła przegrody [W/(m2*K)],
Re - opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni przegrody [m2*K/W].

Jak widać temperatura zewnętrzna ściany zależy od jej charakterystyki cieplnej, temperatur otoczenia po obu stronach przegrody i oporu przejmowania ciepła (związanego z intensywnością ruchu powietrza). Wzór ten dotyczy ustalonego przepływu ciepła, który występuje przy warunkach stacjonarnych (temperatury i opory przejmowania ciepła - stałe w czasie). Warunki takie nie są w rzeczywistości spełnione i na temperaturę powierzchni ciała wpływa zjawisko bezwładności cieplnej. Do określenia przepływu ciepła nieustalonego konieczne jest uwzględnienie pojemności cieplnej ciała, temperatury i oporu przejmowania ciepła w funkcji czasu. Rozwiązanie równania rządzącego nieustalonym przepływem ciepła jest dość skomplikowane. Dla uzyskania wartości doświadczalnej współczynnika przenikania ciepła stwarzamy w warunkach laboratoryjnych warunki ustalone - niezmienne w czasie.

Systemy termowizyjne - dane techniczne

Kamera termowizyjna  rejestruje zwykle promieniowanie podczerwone w paśmie 2-5,6 mm zgodnie z zadanym poziomem i zakresem temperatury lub dobiera parametry te automatycznie. Kamera umożliwia cyfrową rejestrację obrazów np. na specjalnej karcie PCMCIA, której zawartość następnie może być za pomocą specjalnego czytnika przeniesiona do pamięci komputera. Zapisane termogramy są następnie tam poddawane interpretacji i obróbce cyfrowej specjalnym pakietem programów. Efektem tej obróbki są barwne obrazy (termogramy) otrzymywane na monitorze komputera z wartościami temperatur przyporządkowanymi poszczególnym barwom. Obrazy termowizyjne sporządzone w formie barwnych wydruków komputerowych tworzą integralną część dokumentacji badawczej.

 

Zestawienie podstawowych typów kamer  oraz niektórych elementów wyposażenia dodatkowego

Opis
						SC 2000	PM 595	PM 575	570 ELITE	PM 525
Jakość obrazu	Czułość termiczna	0,1 w 30 C	+	+	+	+	-
				0,3 w 30 C	-	-	-	-	+
		Powiększenie elektroniczne	ciągłe 1-4	+	+	+	+	-
	Prezentacja obrazu	Zobrazowanie	Okular wysokiej rozdzielczości	+	+	+	-	-
				Okular standardowy	-	-	-	+	+
		Wyjście video	14 bitowy port szeregowy	+	op	op	op	-
		Ręczne dostrojenie	Poziom/Czułość	+	+	+	+	+
		Automatyczne dostrojenie	Poziom	+	+	+	+	+
				Poziom & Czułość	+	+	+	+	+
				Auto Paleta	+	+	-	-	-
				Ciągłe Poziom, Poziom & Czułość	+	+	-	+	-
	Pomiar	Dokładność	+/- 2 % zakresu	+	+	+	+	+
		Zakres pomiarowy	-40 C do + 500 C, dwa podzakresy	+	+	-	-	-
				-20 C do + 500 C, dwa podzakresy	-	-	-	+	-
				-20 C do + 350 C, jeden podzakres	-	-	-	-	+
				-20 C do + 350 C, dwa podzakresy	-	-	+	+	-
				do + 1000 C	-	-	op	-	op
				do + 1500 C	op	op	-	op	-
				do + 2000 C	op	op	-	op	-
			Funkcje	1 punkt przesuwny	-	-	-	+	-
				3 punkty przesuwne	+	+	+	-	-
				1 punkt stały	-	-	-	-	+
				Punkt, Auto Max/Min	+	+	-	+	-
				Izoterma: pomiędzy/powyżej/poniżej	+	+	+	+	-
				Izoterma dwu poziomowa	+	+	-	-	-
				Izoterma półprzezroczysta	+	+	-	+	-
				Obszar ( kwadrat / koło )	+	+	-	+	-
				Profil poziomy/pionowy	+	+	+	+	-

 

Opis
						SC 2000	PM 595	PM 575	570 ELITE	PM 545
Pomiar	Filtr optyczny	Wbudowany filtr atmosferyczny	+	+	+	+	+
		Ustawienia emisyjności	ręcznie wpisywana wartość	+	+	+	+	-
				Wybierana z listy materiałowej	+	+	+	-	-
	Rejestracja cyfrowa		Karta PCMCIA typ II lub III	> 100 Mbyte Flash ( 600 obrazów )	+	+	+	+	-
				10 Mbyte Flash ( 60 obrazów )	-	-	-	-	op
			Format pliku	.img - pełna dynamika 14-bitowa	+	+	+	+	op
				8 bitowa BMP	+	+	+	-	+
			Funkcje	Stop klatka	+	+	+	+	+
				Nagrywanie pojedynczego obrazu	+	+	+	+	+
				Nagrywanie ciągłe	+	+	-	+	-
				Nagrywanie z interwałem czasowym	+	+	-	+	-
		Dodatkowe informacje	30 sek. komentarz głosowy rejestrowany	+	+	+	+	-
		rejestrowane z termogramem	z każdym termogramem	-	-	-	-	-
				Komentarz tekstowy wybrany z	+	+	-	-	-
				z przygotowanej listy	-	-	-	-	-
	Optyka		Pole widzenia / min ogniskowa	7 stopni / 5 m	op	op	op	op	op
				12 stopni / 2 m	op	op	op	op	op
				45 stopni / 0,3 m	op	op	op	op	op
				80 stopni / 0,2 m	op	op	op	op	op
	Funkcje set-up		Izoterma	wybór koloru izotermy	+	+	+	+	-
				dwu kolorowa izoterma ( wł./wył. )	+	+	-	-	-
				Półprzezroczysta izoterma wł./wył. )	+	+	-	-	-
			Barwna skala termogramu	wybór jednej z 8 skal	+	+	+	+	+
				Wybór indywidualnie przygotowanej palety	+	+	-	-	-
		Kolor przekroczonego zakresu	Wł. / Wył.	+	+	+	+	-
		Informacje o nastawach	zredukowane	+	+	+	+	+
				Rozszerzone	+	+	+	+	-
		Nastawy lokalne	Język, Jednostki, Format czasu	+	+	+	+	+
		Data i czas	Nastwne	+	+	+	+	+
		Tylko obraz	Wł. / Wył.	+	+	+	+	+
		Skala	Wł. / Wył.	+	+	+	+	+

 

I Seria TVS - 2000 Mk II

Kamery chłodzone sprężonym argonem :

1. TVS - 2100 Mk II ( -40 ~ 950^oC )

2. TVS - 2200 Mk II ( -40 ~ 2000^oC )

Kamery chłodzone systemem Stirlinga:

1. TVS - 2100 Mk II ST ( -20 ~ 950^oC )

2. TVS - 2200 Mk II ST ( -20 ~ 2000^oC )

3. TVS - 2300 Mk II ST ( -20 ~ 300^oC )

Kamera chłodzona systemem Stirlinga - długofalowa:

TVS - 2000 Mk II LW ( -40 ~ 300^oC )

możliwość rozszerzenia zakresu pomiarowego do -40 ~ 1000^oC

Wyposażenie dodatkowe kamer:

• Pamięć RAM dla 514 termogramów

• Mikser Video

• teleobiektyw 2x

• Obiektyw szerokokątny 2x, 3x, 4x

• Filtr płomieniowy i in.

 

II Seria TVS 100

TVS - 110 ( -10 ~ 300^oC )

TVS - 120 ( -10 ~ 950^oC )

Wyposażenie dodatkowe kamer:

• Obiektyw szerokokątny 2x

• Teleobiektyw 2x

• Statyw

• Mikser Video

• Akumulator

• Zasilacz sieciowy/ładowarka

• Kufer transportowy

 

Model IR 525

Parametry techniczne

Detektor	120 elementowa, niechtodzona mozaika liniowa
Przetwarzanie	Przetwornik A/C 16 bitowy
Kąt widzenia	17,2° horyzontalnie i 17,2° wertykalnie
Soczewka	germanowa 20mm, F/0.7, ogniskowa 10" do °°
Zakres widmowy	8-12^1-0
NETD	<0,1°C@30°C
Dokładność	2°C tub 2% całej skali
Zakres pomiarowy	0..350°C (możliwe inne zakresy)
Temperatura pracy	0..40°C
Zasilanie	Bateria NP.-98, 3AH
Czas skanowania	<1,5s
Czas pracy baterii	ok. 60 min
Zapis termogramów	144 obrazy na karcie Flash ATA 4MB
Interfejs	RS232,300..115kB
Wyświetlacz	4" kolorowy LCD z aktywną matrycą
Wyjście video	Wybieralne PAL/NTSC
Funkcje	hot spot, histogram, recall
Setup	Temperatura tła, emisyjność, paleta kolorów, auto-skala, czas, data, prędkość transmisji
Wymiary	240x100x130mm bez obiektywu
Masa	2 kg z obiektywem i baterią
Akcesoria standardowe	Bateria 3AH, ładowarka, kabel video, pasek, instrukcja obsługi, oprogramowanie IR SnapYiew pod Win-dows, walizka, karta Flash ATA 4MB
Opcje	Oprogramowanie l R SnapYiew Pro z zestawem komunikacyjnym, obiektyw 35°, zasilacz AC, osłona przeciwsłoneczna, statyw, pasek z bateriami

Model TI35

Literatura:
-„Przegląd Pożarniczy”
-„Internet”

---