18  Techniki pomiarów termowizyjnych

18.1  Wprowadzenie

Kamera termowizyjna dokonuje pomiarów i zobrazowania promieniowania podczerwonego pochodzącego z obiektu. Fakt, że wartość promieniowania jest funkcją temperatury powierzchni obiektu, umożliwia kamerze dokonanie obliczeń i zobrazowanie temperatur.
Energia odbierana przez kamerę nie zależy jedynie od temperatury obiektu, ale jest także funkcją emisyjności. Promieniowanie pochodzi także z otoczenia i jest ono odbijane przez obiekt. Na promieniowanie obiektu i promieniowanie odbite ma także wpływ absorpcja atmosfery.
Aby dokonać dokładnego pomiaru temperatury, niezbędne jest skompensowanie wpływu różnych źródeł promieniowania. Jest to dokonywane automatycznie przez kamerę, po wprowadzeniu do niej opisanych parametrów obiektu:
  • emisyjność obiektu,
  • Temperaturę otoczenia (odbitą temperaturę pozorną)
  • odległość między obiektem a kamerą,
  • wilgotność względną.
  • Temperaturę atmosfery

18.2  Emisyjność

Najważniejszym parametrem obiektu, który należy poprawnie wprowadzić, jest jego emisyjność. Emisyjność jest, mówiąc w uproszczeniu, miarą intensywności promieniowania emitowanego z obiektu w stosunku do intensywności promieniowania emitowanego z ciała doskonale czarnego o tej samej temperaturze.
Materiały obiektów i ich obrobione powierzchnie charakteryzują się emisyjnością w zakresie od 0,1 do 0,95. Dobrze wypolerowane (lustrzane) powierzchnie mają emisyjność poniżej 0,1. Powierzchnie oksydowane lub pomalowane mają większe emisyjności. Farba olejna, niezależnie od jej koloru w świetle widzialnym, ma w obszarze podczerwieni emisyjność wynoszącą ponad 0,9. Skóra ludzka wykazuje emisyjność wynoszącą od 0,97 do 0,98.
Nieoksydowane metale są skrajnym przypadkiem połączenia doskonałej nieprzezroczystości i wysokiego współczynnika odbicia, który w niewielkim stopniu zależy od długości fali. Wskutek tego emisyjność metali jest niewielka, a jej wartość zwiększa się ze wzrostem temperatury. W przypadku niemetali emisyjność jest na ogół wysoka, a jej wartość zmniejsza się ze wzrostem temperatury.

18.2.1  Badanie emisyjności próbki

18.2.1.1  Krok 1: Określanie temperatury otoczenia

Temperaturę otoczenia (odbitą temperaturę pozorną) można ustalić jedną z dwóch metod:
18.2.1.1.1  Metoda 1: Metoda bezpośrednia
    Wykonaj następujące czynności:
  1. Należy odnaleźć prawdopodobne źródła odbicia, biorąc pod uwagę, że kąt padania = kąt odbicia (a = b).
    Graphic

    Rysunek 18.1  1 = źródło odbicia

  2. Jeśli źródło odbicia jest źródłem punktowym, należy je zmodyfikować, zasłaniając za pomocą kawałka kartonu.
    Graphic

    Rysunek 18.2  1 = źródło odbicia

  3. Zmierz intensywność promieniowania (= temperaturę pozorną) ze źródła odbicia, korzystając z następujących ustawień:
    • Emisyjność: 1.0
    • Dobj : 0
    Intensywność promieniowania można zmierzyć jedną z dwóch następujących metod:
    Graphic

    Rysunek 18.3  1 = źródło odbicia

    Graphic

    Rysunek 18.4  1 = źródło odbicia

Odbitej temperatury pozornej nie można zmierzyć przy użyciu termopary, ponieważ termopara mierzy temperaturę, a temperatura pozorna zależy od intensywności radiacji.
18.2.1.1.2  Metoda 2: Metoda z użyciem nisko emisyjnego obiektu
    Wykonaj następujące czynności:
  1. Oderwij duży płat folii aluminiowej.
  2. Rozprostuj folię aluminiową i przymocuj ją do tektury tej samej wielkości.
  3. Umieść tekturę przed obiektem, którego intensywność promieniowania chcesz zmierzyć. Strona z przymocowaną folią aluminiową musi być skierowana do kamery.
  4. Ustaw emisyjność na wartość 1,0.
  5. Zmierz temperaturę pozorną folii aluminiowej i zanotuj ją. Folia uważana jest za idealny reflektor, a jej temperatura pozorna równa się odbitej temperaturze pozornej otoczenia.
    Graphic

    Rysunek 18.5  Pomiar temperatury pozornej folii aluminiowej.

18.2.1.2  Krok 2: Określanie emisyjności

    Wykonaj następujące czynności:
  1. Wybierz miejsce, w którym zostanie umieszczona próbka.
  2. Określ i ustaw temperaturę otoczenia zgodnie z opisaną wcześniej procedurą.
  3. Połóż na próbce kawałek taśmy izolacyjnej o znanym, wysokim poziomie emisyjności.
  4. Podgrzej próbkę do temperatury wyższej o co najmniej 20 K od temperatury pokojowej. Podgrzewanie musi być w miarę równomierne.
  5. Uchwyć ostrość i automatycznie dostrój kamerę, po czym zatrzymaj obraz (stopklatka).
  6. Dostosuj parametry Poziom i Zakres , aby uzyskać najlepszą jasność i kontrast obrazu.
  7. Ustaw emisyjność na poziomie emisyjności taśmy (zazwyczaj 0,97).
  8. Zmierz temperaturę taśmy, używając jednej z poniższych funkcji pomiarowych:
    • Izoterma (pozwala na określenie, do jakiej temperatury i jak równo została podgrzana próbka)
    • Punkt (prostszy)
    • Prostokąt Śred. (przydatny na powierzchniach o zmiennej emisyjności)
  9. Zapisz temperaturę.
  10. Przenieś funkcję pomiarową na powierzchnię próbki.
  11. Zmieniaj ustawienie emisyjności, aż odczytasz taką samą temperaturę, jak przy poprzednim pomiarze.
  12. Zapisz emisyjność.

18.3  Temperatura otoczenia (odbita temperatura pozorna)

Ten parametr służy do kompensacji promieniowania odbijanego przez obiekt. Prawidłowe ustawienie i kompensacja odbitej temperatury pozornej są istotne w przypadku niskiej emisyjności i stosunkowo dużej różnicy pomiędzy temperaturą obiektu a temperaturą odbitą.

18.4  Odległość

Odległość to dystans dzielący obiekt i czoło obiektywu kamery. Parametr ten służy do kompensacji wpływu następujących dwóch zjawisk:
  • Pochłanianie promieniowania obiektu przez atmosferę pomiędzy obiektem a kamerą
  • Wykrywanie przez kamerę promieniowania samej atmosfery

18.5  Wilgotność względna

Kamera może także kompensować zależność transmisji od wilgotności względnej atmosfery. W tym celu należy ustawić właściwą wartość wilgotności względnej. Dla małych odległości i normalnej wilgotności można pozostawić domyślną wartość wilgotności względnej wynoszącą 50%.

18.6  Inne parametry

Ponadto niektóre kamery i programy firmy FLIR Systems , przeznaczone do analizy umożliwiają kompensację wpływu następujących parametrów:
  • Temperatura atmosferyczna — tj. temperatura atmosfery między kamerą a obiektem
  • Temperatura zewnętrznego układu optycznego — tj. temperatura wszelkich obiektywów zewnętrznych lub okien znajdujących się przed kamerą
  • Transmitancja zewnętrznego układu optycznego — tj. przepuszczalność wszystkich obiektywów zewnętrznych lub okien znajdujących się przed kamerą