18  Техника термографических измерений

18.1  Введение

Инфракрасная (ИК) камера (тепловизор) измеряет и представляет в виде изображений испускаемое объектом инфракрасное излучение. Тот факт, что излучение является функцией температуры поверхности объекта, позволяет камере рассчитать и отобразить такую температуру.
Однако измеряемое камерой излучение зависит не только от температуры объекта, но и от излучательной способности объекта. Излучение также исходит от окружающей среды и отражается объектом. Кроме того, на излучение объекта и на отраженное излучение будет также оказывать воздействие поглощение в атмосфере.
Поэтому для точного измерения температуры надо компенсировать эффекты нескольких различных источников излучения. Это осуществляется камерой в реальном времени автоматически. Однако в камеру необходимо ввести следующие параметры объекта.
  • Коэффициент излучения объекта.
  • Видимая отраженная температура.
  • Расстояние между объектом и камерой.
  • Относительная влажность.
  • Температура окружающего воздуха.

18.2  Коэффициент излучения

Самым важным параметром, который следует правильно ввести, является коэффициент излучения, который, кратко говоря, является мерой излучения, испускаемого объектом, по сравнению с излучением абсолютно черного тела при такой же температуре.
Обычно материалы объектов и обработанные поверхности имеют коэффициент излучения в диапазоне, приблизительно, от 0,1 до 0,95. Хорошо отполированная (зеркальная) поверхность имеет значение менее 0,1, тогда как окисленная или покрашенная поверхность – намного более высокий коэффициент излучения. Масляная краска, вне зависимости от цвета в видимом спектре, имеет в инфракрасном диапазоне коэффициент излучения свыше 0,9. Кожа человека имеет коэффициент излучения от 0,97 до 0,98.
Неокисленные металлы представляют собой крайний случай идеальной непрозрачности и высокой отражающей способности, которая не меняется существенно с изменением длины волны. Следовательно, коэффициент излучения металлов является низким – только повышаясь с ростом температуры. Коэффициент излучения неметаллов обычно является высоким и понижается с ростом температуры.

18.2.1  Определение значения коэффициента излучения образца

18.2.1.1  Шаг 1: определение видимой отраженной температуры

Для определения видимой отраженной температуры можно воспользоваться одним из следующих двух методов.
18.2.1.1.1  Метод 1: метод прямого измерения
    Выполните перечисленные ниже действия:
  1. Определите возможные источники отраженного излучения, учитывая, что угол падения = углу отражения (a = b).
    Graphic

    Рисунок 18.1  1 = источник отраженного излучения

  2. Если источник отраженного излучения является точечным, прикройте его листом картона, чтобы ослабить излучение.
    Graphic

    Рисунок 18.2  1 = источник отраженного излучения

  3. Измерьте интенсивность излучения (т.е. отраженную температуру) от источника отраженного излучения, используя следующие настройки:
    • Коэффициент излучения: 1,0
    • Dobj : 0
    Вы можете измерить интенсивность излучения одним из следующих двух методов:
    Graphic

    Рисунок 18.3  1 = источник отраженного излучения

    Graphic

    Рисунок 18.4  1 = источник отраженного излучения

Нельзя использовать термопару для измерения видимой отраженной температуры, так как термопара измеряет температуру, а видимая температура представляет собой интенсивность излучения.
18.2.1.1.2  Метод 2: метод отражателя
    Выполните перечисленные ниже действия:
  1. Сомните кусок алюминиевой фольги больших размеров.
  2. Выпрямите фольгу и прикрепите ее на лист картона таких же размеров.
  3. Установите лист картона впереди исследуемого объекта. При этом сторона, закрытая фольгой, должна быть направлена в сторону камеры.
  4. Установите коэффициент излучения 1,0.
  5. Измерьте и запишите значение видимой температуры от алюминиевой фольги. Фольга считается идеальным отражателем, поэтому ее видимая температура равна отраженной видимой температуре окружающего пространства.
    Graphic

    Рисунок 18.5  Измерение видимой температуры от алюминиевой фольги.

18.2.1.2  Шаг 2: определение коэффициента излучения

    Выполните перечисленные ниже действия:
  1. Выберите место для размещения образца.
  2. Определите и установите видимую отраженную температуру, как указано выше.
  3. Поместите на образец отрезок изоляционной ленты с заранее известным высоким коэффициентом излучения.
  4. Нагрейте образец до температуры, превышающей комнатную не менее чем на 20 K. Нагрев должен быть равномерным.
  5. Сфокусируйте изображение, выполните автоматическую настройку камеры, затем получите стоп-кадр.
  6. Настройте Уровень и Диапазон , чтобы получить наилучшую яркость и контрастность изображения.
  7. Установите коэффициент излучения, соответствующий коэффициенту излучения изоляционной ленты (как правило, 0,97).
  8. Измерьте температуру ленты, используя одну из следующих функций измерения:
    • Изотерма (позволяет определить как значение температуры, так и равномерность нагрева образца)
    • Приц.тчк (более простая процедура)
    • Рамка Средн. (для поверхностей с непостоянным коэффициентом излучения).
  9. Запишите значение температуры.
  10. Переместите измерительную функцию на поверхность образца.
  11. Изменяя установку коэффициента излучения, добейтесь тех же показаний температуры, которые были получены в ходе предыдущего измерения.
  12. Запишите значение коэффициента излучения.

18.3  Видимая отраженная температура

Данный параметр используется для компенсации излучения окружающих тел, отражаемого от объекта. Точная установка и компенсация видимой отраженной температуры особенно важны в тех случаях, когда коэффициент излучения мал, а температура объекта достаточно сильно отличается от отраженной температуры.

18.4  Расстояние

Параметр расстояние соответствует расстоянию между объектом и передней линзой объектива камеры. Этот параметр используется для компенсации влияния следующих двух явлений.
  • Поглощение излучения от объекта атмосферой в промежутке между объектом и объективом камеры.
  • Попадание собственного излучения атмосферы в объектив камеры.

18.5  Относительная влажность

Камера может также компенсировать тот факт, что пропускание в некоторой степени зависит от относительной влажности атмосферы. Это достигается установкой корректного значения относительной влажности. Для малых расстояний и нормальной влажности обычно можно оставлять относительную влажность равной значению по умолчанию, соответствующему 50%.

18.6  Другие параметры

Кроме того, некоторые камеры и аналитические программы FLIR Systems позволяют компенсировать следующие параметры.
  • Температура воздуха, т.е. температура воздуха между камерой и объектом.
  • Температура внешней оптики, т.е. температура всех внешних линз и окошек, находящихся перед камерой.
  • Пропускание внешней оптики, т.е. пропускание всех внешних линз и окошек, находящихся перед камерой