W numerze 3/2007 miesięcznika „Chłodnictwo&klimatyzacja” przybliżone zostało czytelnikom zastosowanie termografii w podczerwieni – zwanej potocznie termowizją – w tej dziedzinie techniki. Obecnie, w artykule omówione zostaną typowe konstrukcje kamer termowizyjnych, podstawowe zagadnienia związane z pomiarami w podczerwieni oraz możliwości analizy uzyskanych termogramów z pomocą specjalnego oprogramowania. 

     Termografia w podczerwieni należy do dziedzin, które rozwijają się bardzo dynamicznie. Znaczący postęp widać w konstrukcji kamer termowizyjnych, nad którymi prace podjęto po II wojnie światowej. W roku 1965 szwedzka firma AGA Infrared Systems wprowadziła na rynek pierwszą kamerę przeznaczoną do zastosowań cywilnych (Thermovision 651). Jednakże dopiero w roku 1978 zaoferowano kamerę przenośną (Thermovision 780). Istotny postęp nastąpił w roku 1986, kiedy zastosowano detektory chłodzone termoelektrycznie (kaskada 3-stopniowa; temperatura ok. -70^oC). Do tej pory stosowano chłodzenie ciekłym azotem, co było kłopotliwe, zwłaszcza w pomiarach w terenie. Kamery termowizyjne były wówczas skanerami z układem ruchomych luster, które skupiały na detektorze promieniowanie z kolejnych linii skanowania, punkt po punkcie. Odpowiednio małą bezwładność oraz dobrą czułość tych detektorów półprzewodnikowych osiągano właśnie w niskich temperaturach. Kolejny ważny przełom nastąpił w 1997 roku, kiedy na rynek wprowadzono kamerę Thermovision (ThermaCAM) 570 (rys.1) z matrycą detektorów, tj. 320x240 mikrobolometrów, która nie wymagała chłodzenia, lecz tylko stabilizacji temperatury za pomocą modułu Peltiera. Oczywiście, w takiej konstrukcji detekcja promieniowania podczerwonego następuje na matrycy (rys. 2) i nie jest potrzebny żaden układ skanowania.

Konstrukcje kamer termowizyjnych
     Można wskazać trzy podstawowe grupy konstrukcji pomiarowych kamer termowizyjnych, które powstały w ostatnich 10 latach:
● kamery badawcze ze specjalnymi matrycami detektorów,
● kamery pomiarowe o matrycy detektorów 320x240 lub większej,
● kamery pomiarowe o matrycy detektorów 160x120 lub mniejszej.
     Pierwsza grupa kamer to urządzenia przeznaczone głównie do naukowych badań stacjonarnych. Charakteryzują się bardzo niską czułością (sięgającą 15 mK), koniecznością chłodzenia matrycy detektorów (z pomocą chłodziarki Stirlinga) i możliwością rejestracji termogramów z częstotliwościami sięgającymi kilkudziesięciu kHz. Są to najdroższe kamery termowizyjne. Jako przykłady dla tej grupy można wskazać kamery: ThermaCAM SC6000 (z matrycą QWIP lub InSb) firmy FLIR Systems, Silver 660M (z matrycą InSb) firmy CEDIP Infrared Systems i ImageIR (z matrycą QWIP lub InSb) firmy InfraTEC.

    Druga grupa kamer charakteryzuje się bardzo dobrą rozdzielczością optyczną, przeważnie szerokim zakresem pomiarowym, bardzo dobrą czułością i zazwyczaj dość obszernym wyborem wymiennej optyki (teleobiektywy, obiektywy szerokokątne, nakładki makroskopowe). Urządzenia te są przystosowane do pomiarów w różnych warunkach, dość poręczne, ergonomiczne i mobilne. Niektóre z tych kamer mają możliwość szybkiej rejestracji termogramów w komputerze, np. poprzez złącze fire-wire, z maksymalną częstotliwością ramki (np. 50 Hz). Najczęściej są to kamery o dość wszechstronnym przeznaczeniu; mogą niejednokrotnie być wykorzystane w dość wymagających badaniach naukowych. Parametry poszczególnych kamer, w zależności od producenta i modelu mogą znacznie się różnić, np. wielkością matrycy, zakresem pomiarowym, czułością, funkcjami pomiarowymi itp.
     Kamery tej klasy dominują w ofertach firm produkujących urządzenia do pomiarów w podczerwieni. Wśród produktów firmy FLIR Systems można wymienić: ThermaCAM T400 – rys. 3 – (matryca 320x240, czułość 0,07^oC dla 30^oC, zakres pomiarowy od -40^oC do 350^oC, opcjonalnie do 1200^oC), ThermaCAM P640 – rys. 4 – (matryca 640x480, czułość 0,06^oC dla 30^oC, zakres pomiarowy od -40^oC do 500^oC, opcjonalnie do 2000^oC) i ThermaCAM P65 (matryca 320x240, czułość 0,08^oC dla 30^oC, zakres pomiarowy od -40^oC do 500^oC, opcjonalnie do 2000^oC). Firma JENOPTIK oferuje serię kamer VarioCAM o matrycach 320x240, 384x288 i 640x480. Zakres pomiarowy wynosi od -40^oC do 1200^oC, opcjonalnie do 2000^oC, czułość 0,08^oC dla 30^oC. Firma AMETEK LAND ma w swoje ofercie kamerę ThermoPro TP8 z matrycą 384x288, z zakresem pomiarowym od -20^oC do 500^oC i czułości 0,08^oC dla 30^oC. Polska firma VIGO System produkuje kamerę VIGOcam v50 z matrycą 384x288 o czułości 0,08^oC dla 30^oC. Firma FLUKE oferuje kamery Ti-50 i Ti-55 z matrycami 320x240 i zakresami pomiarowymi od -20^oC do 350 lub 600°C. (...)

Czynności pomiarowe
     Wykonywanie badań termowizyjnych wymaga odpowiedniego przygotowania operatora kamery. Pożądane jest też doświadczenie zarówno w wykonywaniu pomiarów, jak i w interpretacji ich wyników. Podczas badań należy starannie określić i wprowadzić do kamery następujące dane: emisyjność powierzchni badanego obiektu, jego odległość od kamery, temperaturę i wilgotność względną otoczenia. W przypadku badań powierzchni o emisyjności znacznie mniejszej od jedności problemem może być odbicie ciał o temperaturze niższej lub wyższej od temperatury badanego obiektu (np. operatora kamery) i w rezultacie pomiar tzw. temperatury pozornej, różniącej się od rzeczywistej temperatury danej powierzchni. Wskazana jest wówczas obserwacja badanego obiektu pod różnymi kątami, aby odróżnić niepożądane odbicia od rzeczywistych anomalii rozkładu temperatury.
     Mimo, że wstępna (podstawowa) analiza termogramu jest możliwa do wykonania najczęściej przy wykorzystaniu funkcji kamery, to praktycznie zawsze wykorzystuje się profesjonalne oprogramowanie do dokładnej analizy wyników badań. Możliwości takiego oprogramowania zależą od rodzaju kamery i producenta; mogą się zatem znacznie różnić. Poniżej pokazane są typowe możliwości analizy termogramu. Dla każdego piksela termogramu możemy odczytać wartość temperatury. Możemy to wykonać w różny sposób, stosownie do specyfiki badanego obiektu i celu pomiarów. (...)

wydanie 11/2007 

CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:

TRADYCYJNĄ                         E-WYDANIE