Konspekt do ćwiczeń laboratoryjnych
z Optoelektroniki

(do użytku wewnętrznego)

Temat ćwiczenia:

TERMOWIZJA - ISTOTA ZJAWISKA
ORAZ PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ

Laboratorium:
AGH C1 - 216

1. Wstęp teoretyczny.

Każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego emituje promieniowanie cieplne, które jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali większych od długości fali światła widzialnego. Dopiero w temperaturach wyższych od ok. 800 K coraz większą część tego promieniowania stanowi światło widzialne.

1. Prawo Stefana-Boltzmanna

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

1.1

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

2. Prawo Wiena

Prawo Wiena - prawo opisujące promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez ciało doskonale czarne. Ze wzrostem temperatury widmo promieniowania ciała doskonale czarnego przesuwa się w stronę fal krótszych, zgodnie ze wzorem:

1.2

gdzie:

λ_max - długość fali o maksymalnej mocy promieniowania mierzona w metrach

T - temperatura ciała doskonale czarnego mierzona w kelwinach,

b - stała Wiena (2,8977685•10^-3 +/- 5,1•10^-9 [m•K])

3. Prawo Plancka

Prawo Plancka - opisuje zależność widmowej zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego od długości fali i temperatury. Jest rozszerzeniem prawa Wiena, wyrażające się zależnością 1.3 zwaną rozkładem Plancka:

1.3

gdzie:

λ- długość fali promieniowania

h - stała Plancka (6,626 0693 (11)·10^-34 [J·s])

T- temperatura ciała doskonale czarnego,

c - prędkość światła w próżni,

k - stała Boltzmana (≈1,381•10^-23 [J/K])

Rys.1. Rozkład Plancka.

4. Ciało doskonale czarne

Ciało doskonale czarne - to ciało pochłaniające całkowicie padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne, niezależnie od temperatury tego ciała, kąta padania
i widma padającego promieniowania. Współczynnik pochłaniania dla takiego ciała jest równy jedności dla dowolnej długości fali.

Ciało doskonale czarne nie istnieje w rzeczywistości, ale dobrym jego modelem jest duża wnęka z niewielkim otworem, pokryta od wewnątrz czarną substancją (np. sadzą). Powierzchnia otworu zachowuje się niemal jak ciało doskonale czarne - promieniowanie wpadające do wnęki odbija się wielokrotnie od jej ścian i jest niemal całkowicie pochłaniane, natomiast parametry promieniowania wychodzącego z jej wnętrza zależą tylko od temperatury wewnątrz wnęki.

5. Ciało szare

Ciałem szarym (doskonale szarym) nazywane jest ciało, które pochłania określoną współczynnikiem absorpcji część promieniowania padającego na to ciało bez względu na długość fali padającego promieniowania i temperaturę ciała.

Emisja ciała szarego określona jest wzorem:

1.4

gdzie:

A - zdolność absorpcyjna ciała, współczynnik niezależny od częstotliwości,

I_b(v) - ilość energii emitowanej przez ciało doskonale czarne

Ciało o zdolności absorpcyjnej równej A = 0 nazywane jest ciałem doskonale białym.

2. Pomiary za pomocą kamery termowizyjnej

Każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego jest źródłem promieniowania w paśmie podczerwieni a jego intensywność zależy od temperatury i cech powierzchni ciała. Kamery działające w podczerwieni dokonują pomiaru i zobrazowania energii podczerwonej wypromieniowywanej przez obiekt. Fakt, że promieniowanie jest funkcją temperatury powierzchni obiektu pozwala kamerze dokonać obliczenia i wyświetlenia tej temperatury.

Rys.2. Schemat pomiaru kamerą termowizyjną - rysunek poglądowy.

Promieniowanie podczerwone wysyłane przez badany obiekt (1) pada na obiektyw (2), gdzie po przejściu przez optykę otrzymuje się obraz zogniskowany na termoczułym detektorze (3) przetwarzającym promieniowanie podczerwone na proporcjonalne sygnały elektryczne. Następnie sygnał podawany jest na przetwornik analogowo-cyfrowy (4) i zostaje zamieniony na postać cyfrową, która jest dalej obrabiana w komputerze nadrzędnym (5) i ostatecznie obraz jest wyświetlany na ekranie monitora (6) w odpowiedniej skali barw: tęczy (kolory widoczne w tęczy-po rozszczepieniu światła białego), żelaza (kolory promieniowania widzialnego rozgrzewanego żelaza), stopniach szarości.

Odwzorowanie obrazu odbywa się w kilku fazach. Należy najpierw dokonać podziału obrazu na poszczególne fragmenty i dopiero potem przeprowadzić jego syntezę, po przetworzeniu sygnału z detektora. W zależności od sposobu realizacji analizy i syntezy obrazu wyróżnia się różne typy omawianych urządzeń.

Analiza rozkładu gęstości mocy promieniowania w obrazie obserwowanego przedmiotu otrzymanym w płaszczyźnie detektora może być przeprowadzona następującymi sposobami:

- przeszukiwanie mechaniczno - optyczne - stosowane przy detektorach punktowych oraz liniowej mozaice detektorów. Polega ono na tym, że w danej chwili czasu analizowany jest mały wycinek obrazu przez pojedynczy i nieruchomy detektor. Należy zatem poprzez układy ruchomych luster rzutować kolejno wszystkie fragmenty obrazu na detektor i rejestrować sygnały odpowiadające analizowanym fragmentom. W wyniku obrotu w płaszczyźnie pionowej i poziomej luster otrzymujemy pełny obraz. W przypadku linijki detektorów wymagane jest skanowanie tylko w jednej płaszczyźnie, co przyspiesza proces otrzymania gotowego obrazu.

- elektroniczne przeszukiwanie płaskiej powierzchniowej mozaiki detektorów - w takich układach rejestrowany jest w danej chwili cały obraz na mozaice detektorów (jak na kliszy fotograficznej), a przełączany jest tylko tor pomiarowy do każdego elementu mozaiki.

Systemy z mechanicznym przeszukiwaniem są dużo wolniejsze od elektronicznego przeszukiwania. Wymagają skomplikowanych układów optycznych i sterujących lustrami. Posiadają jednak podstawową zaletę: przy zastosowaniu jednego detektora nie występują trudności z uzyskaniem identycznych właściwości i charakterystyk detekcyjnych poszczególnych detektorów w mozaice.

Aby z należytą dokładnością określić temperaturę badanego ciała w systemach termowizyjnych stosuje się wewnętrzne źródła odniesienia, z precyzyjnie określoną temperaturą i właściwościami emisyjnymi ustalanymi w czasie kalibracji urządzenia.

Sygnał analogowy z dekodera jest wzmacniany i podawany na przetwornik analogowo-cyfrowy. Postać cyfrowa jest obrabiana w jednostce centralnej, gdzie na podstawie matematycznych wzorów kalkulowana jest temperatura odpowiadająca amplitudzie zarejestrowanego sygnału oraz przyporządkowywana jest odpowiednia skala barw. Bogate oprogramowanie dodatkowe pozwala na przeprowadzenie wielu specjalistycznych analiz rozkładu temperatury czy też rozkładu współczynnika emisyjności na badanej powierzchni.

2.1. Podstawy termografii i pomiarów termowizyjnych

Promieniowanie mierzone przez kamerę nie zależy jedynie od temperatury obiektu, lecz jest także funkcją jego emisyjności. Obserwowany obiekt odbija również promieniowanie emitowane przez otoczenie. Promieniowanie pochodzące z obiektu oraz promieniowanie odbite może również ulegać wpływowi pochłaniania atmosfery.

Aby móc dokładnie zmierzyć temperaturę, konieczne jest skompensowanie wpływu różnych źródeł promieniowania. Konieczna jest więc znajomość następujących parametrów:

• Emisyjność

• Temperatura otoczenia

• Temperatura atmosfery

• Odległość od obiektu

• Względna wilgotność powietrza

2.2. Emisyjność

Najważniejszym parametrem obiektu, którego dokładną wartość należy wprowadzić do systemu jest emisyjność (emissivity). Emisyjność, mówiąc w uproszczeniu, jest wielkością określającą w jakim stopniu promieniowanie emitowane z obiektu różni się od promieniowania jakie byłoby emitowane przez ten obiekt, gdyby był on tzw. „ciałem czarnym”.

Zazwyczaj, materiały obiektu i jego obrobione powierzchnie wykazują emisyjność
z przedziału od 0,1 do 0,95. Bardzo dobrze wypolerowane (lustrzane) powierzchnie mają emisyjności poniżej 0,1, zaś powierzchnie oksydowane lub pomalowane mają emisyjność znacznie wyższą. Farba olejna, niezależnie od jej barwy w widzialnym zakresie widma ma w podczerwieni emisyjność powyżej 0,9. Ludzka skóra ma emisyjność bliską 1. Nieoksydowane metale są przykładem niemal całkowitej nieprzezroczystości i wysokiego współczynnika odbicia, który niemal nie zmienia się z długością fali. W konsekwencji, emisyjność metali jest bardzo niska i zwiększa się jedynie ze wzrostem temperatury. W wypadku niemetali, emisyjność jest na ogół bardzo wysoka i zmniejsza się z temperaturą.

W celu wyznaczenia temperatury obiektu (object temperature) niezbędna jest znajomość jego emisyjności. Jeżeli jednak parametr ten nie jest znany, a temperatura obiektu jest znacznie niższa lub wyższa od temperatury otoczenia, wówczas możliwe jest wyznaczenie wartości emisyjności.

Jednym ze sposobów jest pomiar temperatury obiektu przy pomocy termopary.

2.3. Temperatura otoczenia

Temperatura otoczenia (Ambient temperature) niezbędna do kompensacji promieniowania odbitego od ciała. W niektórych kamerach jest ona nazywana również temperaturą tła (Background temperature).

Jeżeli emisyjność obiektu jest niska, zaś jego temperatura zbliżona do temperatury otoczenia wówczas duże znaczenie ma właściwe ustawienie wartości temperatury otoczenia
i jej kompensacja.

2.4. Temperatura atmosfery, wilgotność, odległość.

Temperatura atmosfery (atmospheric temperature), wilgotność (humidity) i odległość (distance) są parametrami niezbędnymi do skorygowania faktu, że promieniowanie na drodze od obiektu do kamery jest pochłaniane przez atmosferę oraz tego, że transmisja atmosfery spada z odległością.

Jeżeli w powietrzu panuje bardzo duża wilgotność, odległość jest bardzo duża zaś temperatura obiektu jest zbliżona do temperatury atmosfery wówczas wprowadzenie właściwych wartości tych parametrów będzie miało duże znaczenie dla poprawnego skompensowania wpływu atmosfery.

Odległość jest rozumiana jako dystans pomiędzy obiektem a czołem obiektywu kamery Transmisja jest w dużym stopniu zależna od względnej wilgotności powietrza. Aby skompensować to zjawisko należy ustawić właściwą wartość względnej wilgotności powietrza. Zazwyczaj, przy małych odległościach i normalnej wilgotności powietrza, względną wilgotność powietrza można ustawić na 50% (wartość domyślna).

2.5. Zastosowania pomiaru termowizyjnego

Do najczęstszych zastosowań należy zaliczyć:

1. analiza wad technologicznych w budownictwie

2. lokalizacja rur z ciepłą wodą, nieszczelności itp.

3. wyszukiwanie zwiększonej rezystancji dla rozdzielni wszystkich napięć, transformatorów, szafek elektrycznych, uszkodzonych bezpieczników, linii wysokiego napięcia, złączy elektrycznych

4. analiza stanu przewodów doprowadzających gazy, wanien szklarskich
   i elektrolitycznych, wadliwie pracujących urządzeń mechanicznych

5. wewnętrznych samozapłonów hałd węglowych

6. wyszukiwanie ognisk pożarów leśnych

7. analiza medyczna (np. wykrywanie ognisk zapalnych chorób m.in. wirusa grypy)

8. i wiele innych

3. Przebieg ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą działania kamery termowizyjnej oraz możliwościami pomiaru termowizyjnego. Każda grupa laboratoryjna ma za zadanie przeprowadzić kilka pomiarów dostępnych w laboratorium obiektów cieplnych, z uwzględnieniem odpowiedniej emisyjności badanych obiektów jak również istotnych warunków pomiaru (temp. otoczenia itd.).

Po wykonaniu ćwiczenia należy sporządzić sprawozdanie w formie drukowanej.
W sprawozdaniu należy umieścić najważniejsze informacje nt. pomiaru, opisać badany obiekt oraz wnioski z ćwiczenia. Każda grupa (maksymalnie 4 osoby) wykonuje odrębne sprawozdanie i dostarcza do prowadzącego w terminie do 7 dni od wykonania ćwiczenia. Opóźnienie w dostarczeniu sprawozdania będzie miało odzwierciedlenie w obniżeniu oceny. Sprawozdania prosimy dostarczać do prowadzących osobiście lub mailowo:

Dr inż. Barbara Swatowska - [e-mail], pokój 318, C-1, III pietro

Mgr inż. Artur Rydosz - [e-mail], pokój 301, C-1, III piętro

Zagadnienia do kolokwium obejmują wiadomości zawarte w konspekcie jak również poniższe pojęcia :

1. Procesy wymiany ciepła (konwekcja, radiacja, przewodnictwo).

2. Podczerwień, światło widzialne - (umieć wskazać długości fali dla poszczególnych zakresów, m.in. bliska podczerwień oraz przykładowe zastosowania)

3. Na czym polega zjawisko emisyjności? Wyjaśnić pojęcie emisyjności

4. Co to jest ciało doskonale czarne i ciało szare?

5. Budowa kamery termowizyjnej - podstawowe elementy oraz istota działania.

6. Parametry pracy kamery termowizyjnej - dopuszczalny zakres temperatury.

7. Co to jest termopara, przykłady, wady, zalety,

8. Rola i rodzaje czujników temperatury (PT 100, tranzystorowe, inne).

9. Czy możliwe jest określenie i zlokalizowanie źródła ciepła poprzez ściany budynku lub pomieszczenia?

10. Co to jest rozdzielczość - różnice w rozumieniu tego pojęcia w odniesieniu do kamery termowizyjnej a aparatu fotograficznego.

11. Pomiary temperatury w medycynie oraz innych dziedzinach - umieć wymienić i krótko (1 zdanie) opisać, co dokładnie mierzymy.

4. Literatura

[1] mat. wykładowe

[2] David Halliday, Robert Resnick - Fizyka, T.II, Warszawa, PWN 1974

[3] Houghton J.J.: Fizyka podczerwieni, Warszawa, PWN 1975

[4] Frisz S, Timoriewa A.: Kurs fizyki, T.II, Warszawa, PWN 1958

[5] http://www.flir.com.pl/

4

---