Kamery termowizyjne – zasada działania i zastosowania w diagnostyce instalacji

Celem niniejszego artykułu jest prezentacja podstaw technologii pomiarów termowizyjnych oraz charakterystyka i znaczenie niektórych cech kamer termowizyjnych, mających wpływ na skuteczność diagnostyki.

Artykuł jest adresowany głównie do osób rozpoczynających pracę z kamerą lub zamierzających stosować tę technologię w diagnostyce instalacji.

Obniżające się ceny kamer termowizyjnych, przy równoczesnym wzroście ich jakości i rozszerzaniu możliwości pomiarowych, czynią termowizyjną technikę pomiarów temperatury coraz bardziej atrakcyjną dla zastosowań w wielu nowych obszarach.

Podstawy fizyczne pomiarów termowizyjnych

Pomiary termowizyjne polegają na pomiarze natężenia promieniowania cieplnego, które jest emitowane przez wszystkie ciała o temperaturze wyższej od temperatury 0 K (-273,15°C). Promieniowanie cieplne może być emitowane przez bryłę (warstwa) aktywnego radiacyjnie gazu, powierzchnię cieczy lub zbiorowisko kropel cieczy, powierzchnię ciała stałego lub zbiór tych obiektów w obserwowanej przestrzeni. Za wyjątkiem gazów we wszystkich wymienionych wyżej przypadkach promieniowanie cieplne ma charakter widma ciągłego (emitowane promieniowanie zawiera teoretycznie wszystkie długości fali promieniowania od zera do nieskończoności). W przypadku gazów promieniowanie ma charakter selektywny. Poszczególne gazy emitują promieniowanie tylko w charaktery-stycznych dla siebie zakresach długości fali [1]. Fakt ten pozwala wykrywać obecność danego gazu w atmosferze (w roztworze gazowym), o ile detektor kamery jest wrażliwy na promieniowanie o danej długości fali.

Natężenie promieniowania cieplnego jest ściśle związane z temperaturą promieniującego obiektu (powierzchni). Im wyższa jest temperatura, tym wyższa jest intensywność promieniowania. Matematyczny związek pomiędzy tymi wielkościami jest znany i to on pozwala na określenie temperatury promieniującego ciała, w oparciu o pomiar skutków wywoływanych w detektorze promieniowania, zainstalowanym w kamerze termowizyjnej. Drugim ważnym parametrem mającym wpływ na intensywność promieniowania rozpatrywanej powierzchni jest współczynnik emisyjności. Wartości współczynnika są zawarte w przedziale (0,0–1,0). Ciała mające współczynnik emisyjności równy 1,0 to tzw. ciała doskonale czarne. Powierzchnia taka promieniuje najintensywniej, w porównaniu z innymi ciałami mającymi tę samą temperaturę. Równocześnie absorbuje ona w 100% promieniowanie, które na nią pada. Drugim skrajnym przypadkiem jest ciało (powierzchnia) doskonale białe – nie emitujące promieniowania cieplnego, i całkowicie odbijające promieniowanie innych obiektów padające na tę powierzchnię. Ciała rzeczywiste charakteryzują się współczynnikiem emisyjności należącym do podanego wyżej przedziału i nigdy nie osiągają podanych skrajnych wartości. Dla celów wzorcowania przyrządów pomiarowych buduje się modele ciała doskonale czarnego mające współczynnik emisyjności praktycznie równy jedności.

Działanie kamery termowizyjnej

Kamery termowizyjne działają w zakresie długości fali poza zakresem promieniowania widzialnego dla ludzkiego oka (około 0,38÷0,78 μm), zwanym promieniowaniem podczerwonym. Budowane kamery działają w dwóch zakresach długości fali 2÷5 μm (tzw. kamery krótkofalowe SW) lub 7,5÷8 μm (kamery długofalowe LW). Promieniowanie z badanej powierzchni, przez system optyczny, oświetla zainstalowany w kamerze detektor promieniowania. Współczesne detektory do kamer termowizyjnych budowane są jako matryce pojedynczych detektorów (zwanych pikselami). Każdy z pojedynczych detektorów przetwarza padające na niego promieniowanie na sygnał pomiarowy, w oparciu o który wyznaczana jest temperatura badanego obszaru powierzchni, z którego zostało wyemitowane to promieniowanie. Aby przedstawić wizualnie wyniki pomiarów, wyznaczonej temperaturze, przypisywany jest odpowiedni kolor z ustalonej palety kolorów. W ten sposób otrzymuje się jeden punkt pomiarowy. Układając otrzymane punkty w identycznej kolejności jak odpowiadające im piksele, otrzymuje się kolorowy obraz (zdjęcie termowizyjne, termogram), który stanowi wynik pomiaru. Równocześnie z termogramem tworzona jest skala, na której przedstawione są kolory użytej palety kolorów (występujące na termogramie) wraz z odpowiadającymi im wartościami temperatury, rys. 1.

Autor: dr inż. Tadeusz Kruczek — Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska