24  Техника термографических измерений

24.1  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.

24.2  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.

24.2.1  Определение значения коэффициента излучения образца

24.2.1.1  Шаг 1: определение видимой отраженной температуры

Для определения видимой отраженной температуры можно воспользоваться одним из следующих двух методов.
24.2.1.1.1  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 24.1  1 = источник отраженного излучения

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

    Рисунок 24.2  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 24.3  1 = источник отраженного излучения

    Graphic

    Рисунок 24.4  1 = источник отраженного излучения

Использование термопары для измерения видимой отраженной температуры не рекомендуется по двум основным причинам:
  • с помощью термопары нельзя измерить интенсивность излучения;
  • при использовании термопары необходимо обеспечить очень хороший термический контакт с поверхностью,‎ который достигается,‎ как правило,‎ за счет приклеивания датчика и укрытия его термоизоляционным материалом.
24.2.1.1.2  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.
    Graphic

    Рисунок 24.5  Измерение видимой температуры от алюминиевой фольги.

24.2.1.2  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.

24.3  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.

24.4  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.

24.5  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%.

24.6  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