OPIS TECHNICZNY
Termowizja (ang. thermovision) to specjalny rodzaj telewizji, która rejestruje ciepło emitowane przez obiekty będące w jej polu widzenia, a dokładniej - emisję promieniowania podczerwonego.
Termowizja polega więc na rejestrowaniu przez specjalną kamerę, podczerwonej części widma emitowanego przez ciało, które następnie jest przetwarzane na kolorową mapę temperatur. Innymi słowy system termowizyjny jest niczym innym niż dość niezwykłym termometrem. Niezwykłym, bo umożliwia pomiar temperatury na odległość i jednocześnie w wielu miejscach. Należy jedynie pamiętać, że bezpośrednie porównywanie temperatur na termogramie (kolorowym obrazie rozkładu temperatur) jest możliwe tylko dla tych samych materiałów. Jeżeli są one różne, to temperatury należy przeliczyć. Mając w pamięci współczynnik korekcyjny ß dla ciał szarych, konieczność wykonania tej czynności jest chyba bezdyskusyjna. Jasne kolory (biały, żółty, czerwony) na ekranie kamery termowizyjnej oznaczają wysoką temperaturę, a kolory ciemne - niską.
U podstaw działania termowizji leży prawo Stefana-Boltzmanna, które mówi, że całkowita energia wypromieniowywana przez ciało doskonale czarne jest proporcjonalna do czwartej potęgi jego temperatury. Opisuje je prosty wzór: E0 = c0*T4, gdzie: E0 - energia, c0 - stała Stefana-Boltzmanna 5,67*10-8 (W/m-2*°K-4) , T - temperatura.
W praktyce stosuje się także, pojęcie ciała szarego. Emituje (lub absorbuje) ono mniej energii niż ciało doskonale czarne. Zależy to bowiem od współczynnika emisyjności (absorpcji), danej powierzchni, który jest funkcją składu chemicznego oraz stanu tejże powierzchni. Tak więc współczynnik c0 zastępujemy współczynnikiem c = ß * c0, gdzie ß - współczynnik emisyjności (absorpcji). Przykładowe jego wartość wynoszą:
Blacha stalowa ocynkowana 0.23
Beton 0.62
Drewno świerkowe 0.77
Tynk wapienny 0.91
Szkło okienne 0.94
Jest oczywiste, że dla ciała doskonale czarnego ß = 1. Dla pełnej jasności wypada jeszcze dodać, że praktycznie biorąc, do temperatur rzędu 650 °C kolor powierzchni nie ma zauważalnego wpływu na emisję energii. Zwraca się uwagę na słowo "całkowita" w prawie Stefana-Boltzmanna oraz ograniczenie do 650 °C. Jest to istotne z uwagi na fakt, że większość ciał (np. żelazo) po podniesieniu ich temperatury powyżej 650 °C zaczyna emitować promieniowanie widzialne, które musi być uwzględniane w bilansie energii. Natomiast poniżej tej temperatury, w praktyce cała energia wypromieniowana przez ciało zawarta jest w niewidzialnej gołym okiem podczerwonej części widma promieniowania. Warto czasami przypomnieć sobie prawdy oczywiste - widmo światła słonecznego (białego), z uwzględnieniem głębokiej podczerwieni i nadfioletu, obejmuje fale o długościach od 10-2 do 10-8 m. Nas właśnie interesują fale najdłuższe, czyli podczerwień.
Ludzie wymyślili i wyprodukowali detektory promieniowania podczerwonego. Mają one różną konstrukcję, (zasadę działania) czułość i zastosowanie. Detektory promieniowania elektromagnetycznego możemy podzielić na dwie podstawowe grupy: detektory fotonowe i detektory termiczne. W detektorach fotonowych padające promieniowanie jest absorbowane na skutek oddziaływania fotonów z elektronami. Sygnał detektora jest wywołany zmianą rozkładu energii nośników. Detektory fotonowe wykazują selektywną zależność czułości od długości fali padającego promieniowania i w porównaniu z detektorami termicznymi charakteryzują się wyższymi wykrywalnościami i większymi szybkościami odpowiedzi. Detektory o długofalowej granicy czułości powyżej 3 µm są zwykle chłodzone do temperatury poniżej 300 °K w celu zmniejszenia termicznych procesów wzbudzania nośników. Z kolei detektory termiczne dzielą się na piroelektryczne oraz bolometry. W detektorach termicznych padające promieniowanie jest absorbowane w materiale, co powoduje podniesienie temperatury elementu fotoczułego. Sygnał wyjściowy detektora jest wywołany zmianą pewnej właściwości materiału, zależnej od temperatury. W przypadku detektorów piroelektrycznych jest to zmiana wewnętrznej polaryzacji elektrycznej, zaś w bolometrach jest to zmiana rezystancji. Generalnie czułość widmowa detektorów termicznych jest niezależna od długości fali i w większości przypadków detektory termiczne pracują w temperaturze pokojowej. Szybkość detektorów termicznych jest mała i wynosi 10-3 - 10-1 s. Jednak okazało się, że bardzo dobrą jakość obrazu termalnego można osiągnąć stosując duże matryce detektorów termicznych, zaś ich szybkość jest wystarczająca w przypadku skanowania elektronicznego z szybkością ramki TV. Fakt ten spowodował szybki rozwój tańszych kamer termowizyjnych o osiągach zbliżonych do kamer z matrycami detektorów fotonowych chłodzonych kriogenicznie (zwykle do temperatury 77 °K). Może to wydać się szokujące, ale bolometr został wynaleziony już w 1878 roku przez amerykańskiego astronoma S. Langleya. Dla zobrazowania możliwości technicznych w tej dziedzinie można wspomnieć o teleskopie Hubble, który dostarcza niewiarygodnych wprost obrazów Kosmosu widzianego w podczerwieni, oraz wojskowych satelitach szpiegowskich, dla których wykrycie z orbity zapalanej zapałki lub tlącego się papierosa to drobiazg. Warto też uświadomić sobie że każde ciało, którego temperatura jest większa od zera bezwzględnego, jest źródłem promieniowania podczerwonego!
Emisyjność jest wskaźnikiem mówiącym o zdolności danego obiektu wypromieniowania energii promienistej. Dużą wartość ε obiektu świadczy o tym, że jest on dobrze „mierzalny” przez kamerę. Jeśli ε jest bliskie zera, to świadczy o tym, że obiekt jest trudno „mierzalny” przez kamerę. Wiąże się to z wpływem promieniowania otoczenie odbitego od obiektu.
Wartość współczynnika emisyjności zależy od rodzaju materiału, wykończenia jego powierzchni (polerowana, utleniona), geometrii powierzchni, temperatury materiału [T], długości fali obserwacji [λ] - promieniowanie krótko - i długofalowe, kąta obserwacji [α]. Istnieją też doniesienia naukowe mówiące o tym, że dla zjawisk o dużej szybkości zmian temperatury następują również znaczące zmiany emisyjności. Efekt ten jest powodem pogorszenia dokładności pomiaru temperatury szybkich procesów cieplnych za pomocą metod bezstykowych.
Ogólnie można więc zapisać, że
gdzie:
τ - czas [s],
T - temperatura materiału [ºC],
λ - długość fali obserwacji [μm],
α - kąt obserwacji [rad].
Wprowadzenie do kamery termowizyjnej dokładnej wartości ε badanego obiektu ma podstawowe znaczenie dla prawidłowego pomiary jego temperatury.
Na podstawie analizy przedstawionego materiału można sformułować kilka wniosków:
• 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,
• metodami termowizyjnymi można mierzyć temperatury ciał czarnych, szarych i nieszarych (promieniujących selektywnie), które posiadają odpowiednio dużą wartość współczynnika emisyjności,
• pomiar temperatury ciał o małym ε jest trudny i niedokładny,
• termografia oparta na promieniowaniu podczerwonym (ang. Infrared - IR) stanowi podstawę współczesnego prognozowanego utrzymania ruchu (ang. Predictive Maintenance - PdM) oraz programów monitorujących warunki otoczenia,
• wybór odpowiedniej kamery termowizyjnej bądź pirometru, wymaga zrozumienia ogółu zmiennych parametrów obiektu, jak wymiary, odległość, charakterystykę promieniowania podczerwonego oraz warunki otoczenia. Niezbędne jest również uwzględnienie tych docelowych parametrów przy wyborze czułości, rozdzielczości oraz ogólnej dokładności,
• przyrządy te muszą dostarczać dokładnych danych dotyczących temperatury w różnym otoczeniu. Jeśli wskazania byłyby nieprawidłowe na gorących albo zimnych podzespołach, wówczas nie nadawałby się on do niczego i można by go było po prostu wyrzucić,
• aparatura do bezstykowych pomiarów temperatury jest coraz bardziej ceniona w szerokich zastosowaniach przemysłowych. Osiągane efekty metrologiczne jak i ekonomiczne czynią tą aparaturę niezastąpioną w wielu dziedzinach - również poza przemysłem,
• wskaźnik temperatury oraz jej zmian w czasie, w przypadku obiektów elektrycznych i mechanicznych w służy jako podstawa każdego sprawozdania dotyczącego istniejących warunków oraz zalecanych działań,
• rozdzielczość to element decydujący o dokładności pomiaru. Określa się ją jako obiekt o najmniejszym dostrzegalnym rozmiarze, którego temperaturę kamera jest w stanie zmierzyć w rzetelny i dokładny sposób. Im bardziej operator oddala się od obiektu, tym mniejszy się on wydaje i tym trudniejsze jest dokonanie dokładnego pomiaru. Innymi słowy, rozdzielczość oznacza zdolność kamery do dokonania dokładnego pomiaru temperatury obiektu o pewnych wymiarach, dostrzeganego z określonej odległości. Stosunek maksymalnej odległości, przy jakiej kamera jest w stanie dokonać dokładnego pomiaru minimalnej wielkości plamki, do samej wielkości plamki, nazywa się stosunkiem maksymalnej odległości wielkości plamki lub po prostu stosunkiem wielkości plamki. W kamerach posiadających wymienne obiektywy można zmieniać stosunek wielkości plamki dzięki zmianie optyki układu,
• układ optyczny kamery przenosi obraz jej pola widzenia na detektor ogniskowej matrycy (ang. Focal Plane Array - FPA). Detektor FPA zamienia ten obraz na sygnał elektryczny, który następnie przekształcany jest w kamerze przez elektroniczne układy analizy i przetwarzania, na obraz termograficzny. W praktyce jest tak, że im większy rzutowany obraz danego obiektu, tym dokładniejszy może być pomiar. Dlatego właśnie niezbędne stało się stosowanie obiektywów o długiej ogniskowej (teleobiektywów) w celu powiększenia odległych obiektów. Natomiast obiektywy szerokokątne stosuje się przy obiektach znajdujących się blisko bądź też w celu szybkiego objęcia większego pola widzenia,
• jeśli ta sama kamera ma być stosowana do kontroli urządzeń znajdujących się w różnych odległościach, wówczas niezbędne jest zastosowanie różnych obiektywów po to, by ustawić ostrość dla obydwu celów. Dlatego właśnie zdolność do zmiany obiektywów staje się niezbędnym wymogiem,
• warunkiem pełnej satysfakcji i opłacalności zastosowania pirometru lub kamery termowizyjnej jest ich prawidłowy dobór. Istnieją publikacje mówiące o parametrach pirometrów jak: zakres pomiarowy, współczynnik odległościowy, typ celownika itp., jednak często nawet doświadczony użytkownik zwiedziony hasłami reklamowymi np. "automatycznie eliminuje emisyjność", rozczarowuje się co do efektów uzyskanych za pomocą wybranego urządzenia.
• zasadniczą przestrogą jest, aby nie kusić losu decyzja zakupu pirometru „uniwersalnego", który z zasady nie nadaje się do jakichkolwiek wiarygodnych pomiarów powodując więcej kłopotów niż pożytku i po krótkim okresie użytkowania trafia „na półkę" utwierdzając - często mylne - przekonanie, że pirometrem tego nie można zmierzyć.
• zakup złej kamery może się okazać stratą pieniędzy, a nawet narazić na szwank rzetelność i bezpieczeństwo przedsiębiorstwa.
Na podstawie powyższych wniosków nie można jednak sformułować szerszych uogólnień, które przykładowo będą ważne także w przyszłości. Wynika to z ciągłego doskonalenia przyrządów do bezstykowego pomiaru temperatury. Nawet jeśli pewne stwierdzenia przy dzisiejszym stanie techniki są prawdziwe, to ze względu na ogromny postęp technologii, w przyszłości mogą się całkowicie zmienić.
• Przyszłości rozwoju kamer termowizyjnych należy oczekiwać w zakresie stosowania dwu- lub wielopasmowych detektorów podczerwieni o lepszej temperaturowej zdolności rozdzielczej oraz o większej ilości pikseli w matrycy, czyli o lepszej przestrzennej zdolności rozdzielczej,
• w zakresie wykorzystania kamer termowizyjnych do celów naukowych można oczekiwać poprawienia ich temperaturowej zdolności rozdzielczej oraz szersze wykorzystanie chłodzonych detektorów kwantowych,
• można się spodziewać dalszego rozwoju metod nieinwazyjnej termodiagnostyki jako techniki alternatywnej dla rentgenografii, ultrasonografii czy tomografii komputerowej.
W celu określenia współczynnik emisji powierzchni miedzianej pokrytej czarną farbą zestawiono stanowisko pomiarowe, którego głównym elementem jest grzejnik elektryczny, ogrzewający badana powierzchnię. Grzejnik zasilano z autotransformatora, który nastawiono na różne wartości napięcia, w wyniku czego możliwe było uzyskanie różnych wartości temperatury płytki. W centralnej części elementu znajdowała się termopara połączona z miernikiem temperatury pracującym w zakresie od -500C do +2000C. powierzchnie obserwowano kamerą termowizyjną. Odległość próbki od kamery wynosiła 0,4m.
Strumień cieplny docierający do detektora kamery wyznacza się z zależności Stefana-Boltzmana przyjmując, że Tr jest temperaturą rzeczywistą badanego obiektu, a Td detektora kamery:
(1)
Gdzie:
F- powierzchnia detektora,m2;
ε- współczynnik emisji;
σ- stała Stefana-Boltzmana, σ=(5,67032±0,00071)*10-8 [W*m-2*K-4]
Kamera wykonuje przeliczenia temperatury obserwowanego obiektu na jego temperaturę rzeczywistą przyjmując domyślnie wartość współczynnika emisji ε=1. W takim przypadku strumień ciepła określa się jako:
(2)
gdzie Tk jest temperaturą wskazana prze z kamerę.
Przy założeniu, że obserwowany obiekt jest ciałem doskonale czarnym obliczona wartość temperatury będzie niższa niż rzeczywista, jednak do detektora dotrze strumień ciepła wyznaczony zgodnie z (1). W związku z tym niezbędna jest korekta wartości ε, którą z kombinacji równania (1) i (2) określa się jako:
(3)
Jako, że najczęściej temperatura detektora jest dużo niższa niż badanego ciała- dla kamer z chłodzonymi detektorami Td wynosi od 70 do 200 K- może być ona pominięta. Wówczas współczynnik emisji określa się jako:
(4)
W celu określenia średniej wartości współczynnika emisji dla danej temperatury rzeczywistej próbki Tr należy odczytać z termogramu temperaturę Tk i posłużyć się
wzorem (4).
W doświadczeniu przeprowadzono dwie serie pomiarowe. Wyniki pomiarów temperatury centralnego punktu płytki, gdzie umiejscowiono termoparę - Tr i temperatury rejestrowanej przez kamerę termowizyjną Tk przedstawia tabela 1.
Tabela 1. Zestawienie danych pomiarowych.
PRÓBKA NR 1 |
|
PRÓBKA NR 2 |
||||||||
Tr[0C] |
Tr [K] |
Tk[0C] |
Tk [K] |
ε |
|
Tr[0C] |
Tr[K] |
Tk[0C] |
Tk[K] |
ε |
72,2 |
345,2 |
69,06 |
342,06 |
0,964 |
|
59,5 |
332,5 |
55,29 |
328,29 |
0,950 |
77 |
350 |
73,71 |
346,71 |
0,963 |
|
69,5 |
342,5 |
66,55 |
339,55 |
0,966 |
89,1 |
362,1 |
85,19 |
358,19 |
0,958 |
|
79,2 |
352,2 |
76,07 |
349,07 |
0,965 |
99,1 |
372,1 |
93,7 |
366,7 |
0,943 |
|
89,9 |
362,9 |
86,32 |
359,32 |
0,961 |
111,2 |
384,2 |
106,64 |
379,64 |
0,953 |
|
100,3 |
373,3 |
96,19 |
369,19 |
0,957 |
120 |
393 |
115,99 |
388,99 |
0,960 |
|
111 |
384 |
106,91 |
379,91 |
0,958 |
130,1 |
403,1 |
125,88 |
398,88 |
0,959 |
|
118 |
391 |
114,22 |
387,22 |
0,962 |
137,1 |
410,1 |
133,05 |
406,05 |
0,961 |
|
127,6 |
400,6 |
123,96 |
396,96 |
0,964 |
145,2 |
418,2 |
141,41 |
414,41 |
0,964 |
|
135,2 |
408,2 |
131,35 |
404,35 |
0,963 |
150 |
423 |
147,13 |
420,13 |
0,973 |
|
146,6 |
419,6 |
143,36 |
416,36 |
0,969 |
Średnio: |
0,960 |
|
152,4 |
0,980 |
0,980 |
0,980 |
0,980 |
|||
|
|
|
Średnio: |
0,963 |
Wnioski:
Z powyższego wykresu zauważam, iż obie krzywych obrazujące zależność współczynnika emisji dla dwóch próbek w zależności od temperatury rzeczywistej są bardzo zbliżone do siebie. Również po obliczeniu średniego współczynnika emisji widać, iż wartości są prawie równe. Różnica tych współczynników dla próbki 1 i 2 wynosi zaledwie 0,003.