Pomiar temperatury w miejscach trudnodostępnych, czy też o znacznych wartościach stanowił dla człowieka od szeregu lat poważny problem. Wymóg wielopunktowego pomiaru powierzchni i rejestracja zachodzących zmian, często była niemożliwa, lub kłopotliwa przy użyciu dostępnej aparatury pomiarowej. Ostatnie lata zaowocowały rozwojem nowoczesnych technik z zakresu termografii i termowizji, które umożliwiają znacznie więcej niż tylko zwykły pomiar temperatury.

Zasada działania kamery termowizyjnej
Ogólnie ujmując, termowizyjne pomiary temperatury polegają na pomiarze natężenia promieniowania cieplnego, które jest emitowane przez wszystkie ciała o temperaturze wyższej od temperatury 0 K (-273,15°C). W oparciu o prawo Plancka [2], znając zakres spektralny w jakim obserwuje się promieniowanie cieplne, można wyznaczyć temperaturę na powierzchni ciała emitującego promieniowanie. Prawo Plancka obowiązuje dla tzw. ciała doskonale czarnego pod względem radiacyjnym. W rzeczywistości takie ciała nie występują, bo rzeczywiste powierzchnie emitują na ogół mniejszy strumień energii niż wynikałoby to z prawa Plancka. Ten efekt uwzględnia się za pomocą współczynnika emisyjności. Dla ciała doskonale czarnego, które emituje radiacyjnie maksymalny strumień energii przy danej temperaturze, współczynnik ten wynosi 1,0. Równocześnie powierzchnie takie nie odbijają w ogóle padającego na nie promieniowania wyemitowanego przez inne powierzchnie, pochłaniając je w całości. Rzeczywiste ciała mają współczynnik emisyjności (emisyjność) mniejszy od 1,0. Zgodnie z prawem Kirchhoffa, emisyjność powierzchni ε jest zarazem równa absorpcyjności [2]. Strumień energii emitowany przez rzeczywiste powierzchnie, zwany emisją własną, jest iloczynem emisyjności i strumienia jaki emitowałoby ciało doskonale czarne. Strumień energii odbity od powierzchni stanowi różnicę pomiędzy całkowitym strumieniem padającym na tę powierzchnię, a pochłoniętym (dla ciał nieprzezroczystych). W ujęciu względnym, wielkość tę nazywa się refleksyjnością r. Zjawiska te są bardzo ważne z punktu widzenia pomiarów termowizyjnych, ponieważ mają istotny wpływ na wynik pomiaru. Podczas pomiaru operator kamery musi nastawić emisyjność badanej powierzchni (dopełnienie do jedności stanowi refleksyjność), natomiast efekt wywołany odbijaniem się od badanej powierzchni promieniowania otoczenia uwzględnia się przez zadanie w kamerze radiacyjnej temperatury otoczenia [3, 4].

Rys. 1. Pochłanianie promieniowania podczerwonego w atmosferze przez parę wodną i dwutlenek węgla w funkcji długości fali wraz z zakresem spektralnym kamer długofalowych i krótkofalowych [FLIR]

Parametry techniczne i konstrukcyjne kamer termowizyjnych
Poniżej przedstawiono najistotniejsze parametry techniczne kamer termowizyjnych

Zakres spektralny jest to przedział długości fali promieniowania cieplnego w jakim działa detektor kamery. Przedział ten wynika z właściwości detektora podczerwieni zastosowanego w kamerze. Może być zawężony w stosunku do możliwości detektora przez zastosowanie odpowiednich filtrów. Najbardziej powszechnym zakresem spektralnym jest przedział 8÷14 µm, w którym działają kamery długofalowe (LW) oraz przedział 2÷5 µm, w którym pracują kamery krótkofalowe (SW). W przypadku typowych zastosowań kamery jest to na ogół mniej istotny parametr, z tym że należy pamiętać, iż emisyjność ciał zależy od długości fali. Przy pomiarach termowizyjnych należy posługiwać się średnią emisyjnością pasmową dla zakresu spektralnego kamery. W przypadku metali emisyjność maleje wraz z długością fali (rys. 1).

Rys. 2. Detektor mikrobolometryczny (nie chłodzony) starszej i nowszej generacji [FLIR]


Rys. 3. Poglądowy schemat detektora bolometrycznego/fotonowego: bolometer ogrzewany jest przez promieniowanie wskutek czego zmienia się oporność materiału VOx występująca zmiana oporności mierzona jest przez układ CMOS [FLIR]

Zakres pomiarowy temperatury jest podstawowym parametrem przesądzającym o przydatności kamery dla danego pomiaru. Kamery konstruowane są dla różnych zakresów pomiarowych w zależności od przeznaczenia. Kamery dedykowane do celów naukowych, do różnych zastosowań, mają zakres od -40°C do 1500°C lub 2000°C. Kamery do konkretnego zastosowania, np. do diagnostyki budynków, mają mniejsze zakresy, przykładowo od -20°C do 350°C. Całkowity zakres pomiarowy kamery jest na ogół dzielony na kilka zachodzących na siebie podzakresów.

Typ detektora i sposób skanowania obrazu decyduje o głównych cechach konstrukcyjnych kamery. Detektor kamery jest najbardziej zaawansowaną technologicznie częścią kamery. W najogólniejszym przypadku detektory dzieli się na detektory termiczne (piroelektryczne, bolometryczne) i fotonowe (półprzewodnikowe – fotoprzewodzące lub fotowoltaiczne) [6, 7]. Starsze typy kamer (jeszcze ciągle w użyciu) posiadały detektor punktowy lub liniowy i precyzyjny mechaniczny układ skanujący, który składał się z wirującego zwierciadełka umieszczonego w wykonującym wahadłowe ruchy zawieszeniu. Dzięki skojarzeniu tych ruchów, od zwierciadełka odbijała się wiązka promieniowania otrzymana z układu optycznego, która następnie oświetlała detektor rejestrujący natężenie promieniowania. Rozwiązanie to zostało zastąpione przez detektory typu matrycowego FPA, w których detektor w postaci nieruchomej płytki jest pokryty wielką liczbą odizolowanych od siebie pojedynczych detektorów – pikseli. Elektroniczny układ skanujący umożliwia bardzo szybki odczyt wskazań każdego pojedynczego detektora. W efekcie otrzymuje się macierz wartości temperatury. Detektory FPA budowane są jako bolometryczne i fotonowe. (...)

Temperatura pracy detektora (...)

Układ optyczny kamery (...)

Rozdzielczość kątowa kamery (...)

Możliwości i zakres nastawiania parametrów pomiaru (...)

Możliwość instalacji dodatkowych obiektywów (...)

Uwagi końcowe (...)

LITERATURA
[1] BIAŁECKI R., KRUCZEK T., ADAMCZYK W.: Determination of thermal conductivity by means of laser pulse excitation and infrared camera measurement of temperature distribu-tions. 15-th Workshop on Photoaco-ustics and Thermal Wave Methods. Szczyrk, 2010.
[2] KOSTOWSKI E.: Promieniowanie cieplne. PWN. Warszawa, 1993.
[3] KRUCZEK T.: Wyznaczanie radiacyjnej temperatury otoczenia przy po-miarach termowizyjnych w otwartej przestrzeni. PAK. Nr 11. 2009. ss.882–885.
[4] KRUCZEK T.: Analiza wpływu czynników zewnętrznych na wyniki termowizyjnego pomiaru temperatury. Mat. V Krajowa Konferencja – Termografia i Termometria w Podczerwieni. Ustroń, 2002. ss.327–332.
[5] KRUCZEK T., RUDNICKI Z., SACHAJDAK A.: Measurements of the spectral emissivity of steel in a gaseous reduction atmosphere. Proc. of Int. Conf. – Radiative Transfer. Antalya, 2001. ss.5–7.
[6] Praca zbiorowa (red. MADURA H.): Pomiary termowizyjne w praktyce. Agenda Wyd. PAK. Warszawa, 2004.
[7] ROGALSKI A.: Multispectral infrared detector arrays. Mat. VIII Konferencja Krajowa Termografia i Termometria w Podczerwieni. Ustroń, 2009. ss.43–60.

AUTOR: Tadeusz Kruczek
- Instytut Techniki CIeplnej, Politechnika Śląska