24  Techniki pomiarów termowizyjnych

24.1  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

24.2  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.

24.2.1  Badanie emisyjności próbki

24.2.1.1  Krok 1: Określanie temperatury otoczenia

Temperaturę otoczenia (odbitą temperaturę pozorną)‎ można ustalić jedną z dwóch metod:
24.2.1.1.1  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 24.1  1 = źródło odbicia

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

    Rysunek 24.2  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 24.3  1 = źródło odbicia

    Graphic

    Rysunek 24.4  1 = źródło odbicia

Użycie termopary do pomiaru odbitej temperatury pozornej nie jest zalecane z dwóch istotnych powodów:
  • Termopara nie mierzy intensywności promieniowania.
  • Termopara wymaga bardzo dobrego kontaktu termicznego z powierzchnią,‎ co zwykle osiąga się,‎ przyklejając czujnik i zakrywając go izolatorem termicznym.
24.2.1.1.2  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.
    Graphic

    Rysunek 24.5  Pomiar temperatury pozornej folii aluminiowej.

24.2.1.2  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.

24.3  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.

24.4  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

24.5  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%.

24.6  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