Ćwiczenie	Temat ćwiczenia: Pomiary termowizyjne
Nr zespołu:	Wydział, rok, grupa:	Data:
Nazwisko i imię:	Ocena
	Teoria	Wykonanie ćwiczenia
1. Joanna Krakowiak
2. Magdalena Papka

1. Cel ćwiczenia

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

1. 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:

gdzie:

Φ - strumień energii wypromieniowywany w kierunku prostopadłym do powierzchni ciała [W/m²]

σ - stała Stefana-Boltzmanna (≈5,67•10^-8 [W/m²•K⁴])

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.

1. 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 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.

1. 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.