24  Τεχνικές θερμογραφικών μετρήσεων

24.1  Εισαγωγή

Οι κάμερες υπερύθρων μετρούν και απεικονίζουν την υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα αντικείμενο. Το γεγονός ότι η ακτινοβολία αυτή είναι συνάρτηση της επιφανειακής θερμοκρασίας του αντικειμένου επιτρέπει στην κάμερα και υπολογίζει και να εμφανίζει την εν λόγω θερμοκρασία.
Ωστόσο,‎ η ακτινοβολία που μετράται από την κάμερα δεν εξαρτάται μόνον από τη θερμοκρασία του αντικειμένου,‎ αλλά είναι συνάρτηση και του συντελεστή εκπομπής. Ακτινοβολία εκπέμπεται και από τον περιβάλλοντα χώρο και ανακλάται πάνω στο αντικείμενο. Η ακτινοβολία από το αντικείμενο και η ανακλώμενη ακτινοβολία επηρεάζονται επίσης και από την απορρόφηση της ατμόσφαιρας.
Συνεπώς,‎ για να μετρηθεί επακριβώς η θερμοκρασία του αντικειμένου,‎ θα πρέπει να γίνει αντιστάθμιση των επιπτώσεων μιας σειράς από διαφορετικές πηγές ακτινοβολίας. Αυτό γίνεται αυτόματα από την κάμερα. Ωστόσο,‎ θα πρέπει να εισαγάγετε τις ακόλουθες παραμέτρους του αντικειμένου στην κάμερα:
  • Συντελεστής εκπομπής του αντικειμένου
  • Φαινόμενη θερμοκρασία ανάκλασης
  • Απόσταση του αντικειμένου από την κάμερα
  • Σχετική υγρασία
  • Θερμοκρασία της ατμόσφαιρας

24.2  Συντελεστής εκπομπής

Η πιο σημαντική παράμετρος του αντικειμένου,‎ η οποία πρέπει να ρυθμιστεί σωστά,‎ είναι ο συντελεστής εκπομπής που αποτελεί εν ολίγοις ένα μέτρο της ποσότητας ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το αντικείμενο σε σχέση με εκείνη ενός ιδανικού μαύρου σώματος στην ίδια θερμοκρασία.
Κανονικά,‎ τα υλικά κατασκευής και οι επιφανειακές κατεργασίες των αντικειμένων παρουσιάζουν ένα συντελεστή εκπομπής που κυμαίνεται κατά προσέγγιση μεταξύ 0,‎1 και 0,‎95. Μια πολύ στιλβωμένη επιφάνεια (καθρέπτης)‎ έχει συντελεστή εκπομπής μικρότερο από 0,‎1,‎ ενώ μια οξειδωμένη ή βαμμένη επιφάνεια έχει υψηλότερο συντελεστή εκπομπής. Οι λαδομπογιές,‎ ανεξάρτητα από το χρώμα τους στο ορατό φάσμα,‎ παρουσιάζουν συντελεστή εκπομπής πάνω από 0,‎9 στο φάσμα των υπερύθρων. Το ανθρώπινο δέρμα παρουσιάζει συντελεστή εκπομπής μεταξύ 0,‎97 και 0,‎98.
Τα μη οξειδωμένα μέταλλα αντιπροσωπεύουν μια ακραία περίπτωση τέλειας αδιαφάνειας και υψηλής ανακλασιμότητας,‎ που δεν ποικίλλει πολύ ανάλογα με το μήκος κύματος. Συνεπώς,‎ ο συντελεστής εκπομπής των μετάλλων είναι χαμηλός – και αυξάνεται μόνο με τη θερμοκρασία. Στα μη μεταλλικά υλικά,‎ ο συντελεστής εκπομπής τείνει να είναι υψηλός και μειώνεται με τη θερμοκρασία.

24.2.1  Εύρεση του συντελεστή εκπομπής ενός δείγματος

24.2.1.1  Βήμα 1: Προσδιορισμός της φαινόμενης θερμοκρασίας ανάκλασης

Εφαρμόστε μία από τις παρακάτω δύο μεθόδους προσδιορισμού της φαινόμενης θερμοκρασίας ανάκλασης:
24.2.1.1.1  Μέθοδος 1: Άμεση μέθοδος
    Ακολουθήστε την εξής διαδικασία:
  1. Αναζητήστε πιθανές πηγές ανάκλασης,‎ λαμβάνοντας υπ' όψη ότι: γωνία πρόσπτωσης = γωνία ανάκλασης (a = b)‎.
    Graphic

    Εικόνα 24.1  1 = Πηγή ανάκλασης

  2. Εάν η πηγή ανάκλασης είναι σημειακή,‎ τροποποιήστε την πηγή κρύβοντάς την πίσω από ένα κομμάτι χαρτόνι.
    Graphic

    Εικόνα 24.2  1 = Πηγή ανάκλασης

  3. Μετρήστε την ένταση της ακτινοβολίας (= φαινόμενη θερμοκρασία)‎ από την πηγή ανάκλασης με τις παρακάτω ρυθμίσεις:
    • Συντελεστής εκπομπής: 1,‎0
    • Dobj : 0
    Μπορείτε να μετρήσετε την ένταση της ακτινοβολίας με μία από τις παρακάτω δύο μεθόδους:
    Graphic

    Εικόνα 24.3  1 = Πηγή ανάκλασης

    Graphic

    Εικόνα 24.4  1 = Πηγή ανάκλασης

Δεν συνιστάται η χρήση θερμοζεύγους για τη μέτρηση της φαινόμενης θερμοκρασίας ανάκλασης,‎ για δύο σημαντικούς λόγους:
  • Τα θερμοζεύγη δε μετρούν την ένταση της ακτινοβολίας
  • Τα θερμοζεύγη χρειάζονται πολύ καλή θερμική επαφή με την επιφάνεια,‎ γεγονός που επιτυγχάνεται συνήθως με συγκόλληση του αισθητήρα και κάλυψή του με θερμομονωτικό υλικό.
24.2.1.1.2  Μέθοδος 2: Μέθοδος κατόπτρου
    Ακολουθήστε την εξής διαδικασία:
  1. Τσαλακώστε ένα μεγάλο κομμάτι αλουμινόχαρτου.
  2. Ισιώστε το τσαλακωμένο αλουμινόχαρτο και κολλήστε το πάνω σε ένα κομμάτι χαρτόνι του ιδίου μεγέθους.
  3. Τοποθετήστε το χαρτόνι αυτό μπροστά από το αντικείμενο που θέλετε να μετρήσετε. Βεβαιωθείτε ότι η πλευρά του χαρτονιού με το κολλημένο αλουμινόχαρτο είναι στραμμένο προς την κάμερα.
  4. Ρυθμίστε το συντελεστή εκπομπής στο 1,‎0.
  5. Μετρήστε και καταγράψτε τη φαινόμενη θερμοκρασία του αλουμινόχαρτου.
    Graphic

    Εικόνα 24.5  Μέτρηση της φαινόμενης θερμοκρασίας του αλουμινόχαρτου.

24.2.1.2  Βήμα 2: Προσδιορισμός του συντελεστή εκπομπής

    Ακολουθήστε την εξής διαδικασία:
  1. Επιλέξτε μια θέση όπου θα τοποθετήσετε το δείγμα.
  2. Προσδιορίστε και ρυθμίστε τη φαινόμενη θερμοκρασία ανάκλασης,‎ σύμφωνα με την προηγούμενη ενότητα.
  3. Τοποθετήστε ένα κομμάτι μονωτικής ταινίας,‎ με γνωστό υψηλό συντελεστή εκπομπής,‎ πάνω στο δείγμα.
  4. Θερμάνετε το δείγμα σε θερμοκρασία τουλάχιστον 20 K πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου. Η θέρμανση θα πρέπει να γίνει όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφα.
  5. Εστιάστε,‎ αφήστε την κάμερα να εκτελέσει αυτόματη προσαρμογή της εικόνας και κατόπιν παγώστε την εικόνα.
  6. Προσαρμόστε τις παραμέτρους Επίπεδο και Εύρος ώστε να επιτύχετε την καλύτερη δυνατή φωτεινότητα και αντίθεση στην εικόνα.
  7. Ρυθμίστε το συντελεστή εκπομπής στην τιμή της ταινίας (συνήθως 0,‎97)‎.
  8. Μετρήστε τη θερμοκρασία της ταινίας με μία από τις παρακάτω λειτουργίες μέτρησης:
    • Ισόθερμη (σας βοηθά να προσδιορίζετε τόσο τη θερμοκρασία όσο και το βαθμό ομοιομορφίας θέρμανσης του δείγματος)‎
    • Σημείο (πιο απλή)‎
    • Πλαίσιο Μέση (καλή μέθοδος για επιφάνειες με μεταβαλλόμενο συντελεστή εκπομπής)‎.
  9. Καταγράψτε τη θερμοκρασία.
  10. Μετακινήστε τη λειτουργία μέτρησης στην επιφάνεια του δείγματος.
  11. Αλλάξτε τη ρύθμιση του συντελεστή εκπομπής μέχρις ότου μετρήσετε την ίδια θερμοκρασία με εκείνη που καταγράψατε προηγουμένως.
  12. Καταγράψτε το συντελεστή εκπομπής.

24.3  Φαινόμενη θερμοκρασία ανάκλασης

Η παράμετρος αυτή χρησιμοποιείται ως μέσο αντιστάθμισης της ακτινοβολίας που ανακλάται πάνω στο αντικείμενο. Εάν ο συντελεστής εκπομπής είναι χαμηλός και η θερμοκρασία του αντικειμένου σχετικά μακριά από τη θερμοκρασία ανάκλασης,‎ τότε είναι σημαντικό να ρυθμίσετε και να αντισταθμίσετε σωστά τη φαινόμενη θερμοκρασία ανάκλασης.

24.4  Απόσταση

Πρόκειται για την απόσταση του αντικειμένου από τον μπροστινό φακό της κάμερας. Η παράμετρος αυτή χρησιμοποιείται ως μέσο αντιστάθμισης των εξής δύο γεγονότων:
  • Η ακτινοβολία από το στόχο απορροφάται από την ατμόσφαιρα μεταξύ του αντικειμένου και της κάμερας.
  • Ότι η κάμερα μετρά και ακτινοβολία που προέρχεται από την ίδια την ατμόσφαιρα.

24.5  Σχετική υγρασία

Η κάμερα μπορεί επίσης να αντισταθμίσει το γεγονός ότι η διαπερατότητα εξαρτάται επίσης και από τη σχετική υγρασία της ατμόσφαιρας. Για το σκοπό αυτό,‎ θα πρέπει να ρυθμίσετε τη σχετική υγρασία στη σωστή τιμή. Για μικρές αποστάσεις και κανονική υγρασία,‎ η σχετική υγρασία μπορεί αφεθεί στην προεπιλεγμένη τιμή 50°%.

24.6  Λοιπές παράμετροι

Επιπροσθέτως,‎ μερικές κάμερες και προγράμματα ανάλυσης της FLIR Systems σάς επιτρέπουν να αντισταθμίζετε τις παρακάτω παραμέτρους:
  • Ατμοσφαιρική θερμοκρασία – δηλ. θερμοκρασία της ατμόσφαιρας ανάμεσα στην κάμερα και το στόχο
  • Θερμοκρασία εξωτερικών οπτικών εξαρτημάτων –δηλ. θερμοκρασία τυχόν εξωτερικών φακών ή θυρίδων που υπάρχουν μπροστά από την κάμερα
  • Διαπερατότητα εξωτερικών οπτικών εξαρτημάτων – δηλ. η διαπερατότητα τυχόν εξωτερικών φακών ή θυρίδων που υπάρχουν μπροστά από την κάμερα