Pełny tekst - Instytut Elektrotechniki

Stanisław. MARZEC
Wacław WITTCHEN
BADANIE METODĄ TERMOWIZYJNĄ ZMIAN
TEMPERATURY SKÓRY EKSPONOWANEJ
NA PROMIENIOWANIE PODCZERWONE
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono wyniki badań
zmian temperatury skóry dłoni wolontariuszy napromienianej podczerwienią pasma IRA. Rejestrowano rozkład temperatury na eksponowanej powierzchni i jej zmiany podczas ekspozycji, stosując metodę termowizyjną. Otrzymane wyniki poddano obróbce statystycznej
i przedstawiono w postaci tabelarycznej oraz graficznej. Stwierdzono
przydatność metody termowizyjnej do rejestracji zmian temperatury
skóry w trakcie ekspozycji na podczerwień, jeżeli do ekspozycji nie
stosuje się promieniowania o długościach fal z zakresu czułości spektralnej używanej kamery termowizyjnej oraz gdy wartości natężenia
napromienienia nie są zbyt wysokie.
Słowa kluczowe: promieniowanie podczerwone, promieniowanie
nielaserowe, IRA, termowizja, skóra, zagrożenie promieniowaniem
dr Stanisław MARZEC
e-mail: [email protected]
Zakład Szkodliwości Fizycznych
Instytut Medycyny Pracy i Zdrowia Środowiskowego w Sosnowcu
inż. Wacław WITTCHEN
e-mail: : [email protected]
Zespół Metrologii i Projektowania Urządzeń
Instytut Metalurgii Żelaza w Gliwicach
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 228, 2006
52
S. Marzec, W. Wittchen
1. WSTĘP
Promieniowanie podczerwone pochłonięte przez skórę lub oko powoduje
wzrost temperatury tkanek. Skóra obejmuje znacznie większą powierzchnię niż
oko i prawdopodobieństwo jej narażenia na promieniowanie podczerwone jest
znacznie większe niż oka. Jednak uszkodzenie oka jest uznawane za znacznie
istotniejszy problem, któremu poświęcono o wiele więcej badań.
Uważa się, że uszkodzenie termiczne skóry jest bolesne, lecz ulega
zagojeniu, często nie pozostawiając oznak, poza tym w skórze znajdują się
receptory ciepła, których nie ma w oku, sygnalizujące nadmierny wzrost temperatury i ostrzegające przed uszkodzeniem termicznym skóry [1]. Stało się to
przyczyną lekceważenia narażenia skóry na promieniowanie podczerwone, do
tego stopnia że w państwach Unii Europejskiej, w tym również w Polsce ustalono dopuszczalne wartości narażenia skóry na podczerwień źródeł nielaserowych jedynie dla czasów ekspozycji nie przekraczających 10 sekund [2, 3],
a w Stanach Zjednoczonych w ogóle nie ustalono takich wartości [6].
Według doniesień literaturowych [1], badania skutków narażenia skóry
na podczerwień były prowadzone głównie dla promieniowania laserowego,
którego parametry różnią się istotnie od promieniowania źródeł klasycznych,
np. przemysłowych [4]. W badaniach wpływu promieniowania podczerwonego
na temperaturę skóry istotne znaczenie ma sposób pomiaru temperatury skóry.
Powinien on być wystarczająco dokładny, szybki i nie zakłócać procesu narażenia skóry. Klasyczne metody, np. z użyciem termopar, dają jedynie punktowy
pomiar temperatury, a przy tym wprowadzają zakłócenia w procesie nagrzewania skóry. Najlepsza do tego celu wydaje się być metoda termowizyjna.
W celu sprawdzenia przydatności tej metody do określenia temperatury
skóry ludzkiej eksponowanej na promieniowanie podczerwone, wykonano
próbne badania termowizyjne.
2. MATERIAŁ I METODA
Metoda termowizyjna polega na obserwacji i zapisie rozkładu promieniowania podczerwonego wysyłanego przez każde ciało, którego temperatura
jest wyższa od zera bezwzględnego i przekształceniu tego promieniowania na
światło widzialne z zamianą mocy promieniowania na stopień jasności lub
barwę obrazu.
Badanie metodą termowizyjną zmian temperatury skóry eksponowanej na promienie ...
53
Uzyskane obrazy termowizyjne (termogramy) obrazują rozkład temperatury w postaci pól określonego koloru. Istnieje również możliwość komputerowej analizy obrazów termalnych celem wyznaczenia wartości temperaturowych w zadanych obszarach. Metoda ta umożliwia zbadanie rozkładu temperatury na określonej powierzchni w sposób bezkontaktowy, nie zakłócając
przebiegu eksperymentu [7].
Wyznaczano wartości temperatury skóry ludzkiej w trakcie jej ekspozycji
na promieniowanie podczerwone. Przeprowadzono próbne badania na dorosłych wolontariuszach obojga płci o normalnej skórze białej. Eksponowano zewnętrzną powierzchnię dłoni na podczerwień, z jednoczesną rejestracją temperatur w odstępach czasowych co 1 sekundę. Źródłem promieniowania była
lampa żarowa o mocy 250 W z bańką rubinową, emitująca głównie promieniowanie z zakresu IRA. Stosowano ekspozycje o natężeniach 500, 1000, 2000
i 3000 W/m2. Wielkość ekspozycji regulowano poprzez zmianę odległości lampy
od napromienianej powierzchni. Czas ekspozycji ograniczano do około 1 minuty
lub do momentu odczucia parzenia. Badania przeprowadzano w pomieszczeniu
zamkniętym, bez wymuszonego ruchu powietrza, w temperaturze pokojowej
i wilgotności około 50 %.
Do pomiaru temperatury skóry użyto kamery termowizyjnej THERMA
CAM PM 595 firmy FLIR SYSTEMS AB z wbudowanym obiektywem 240,
o następujących parametrach [5]:
• zakres pomiarowy: od – 40 do 2000 0C,
• rozdzielczość termiczna : 0,1 0C,
• dokładność systemu: ± 2 0C, 2 %,
• rozdzielczość geometryczna : 320 x 240 (76840 pikseli),
• zakres spektralny: 7,5 – 13,0 μm,
• typ detektora : bolometryczny FPA,
• zapis obrazów : PCMCIA (14 bitowy zapis cyfrowy).
Do analizy obrazów termalnych wykorzystano program komputerowy
AGEMA REPORT 5.4.1 pracujący pod nadzorem systemu operacyjnego
Windows 98.
W trakcie pomiaru źródło promieniowania, kamera termowizyjna i dłoń
pozostawały nieruchome.
Podstawową konfigurację systemu termowizyjnego wykorzystanego do
eksperymentu badawczego przedstawiono na rys. 1.
Osobom poddanym badaniom nagrzewano wierzchnią część dłoni promiennikiem podczerwieni z jednoczesną rejestracją temperatur w odstępach co
1 sekundę.
Wyniki badań uzyskano w postaci termogramów które poddano dalszej
analizie komputerowej. Jako narzędzia analitycznego użyto tzw. „zadanego obsza-
54
S. Marzec, W. Wittchen
ru” z którego wyznaczono wartości temperaturowe. Przyjęto współczynnik
emisji skóry 0,98.
Rys. 1. Konfiguracja systemu termowizyjnego THERMA CAM PM 595 [6]
3. WYNIKI BADAŃ
Wyniki badań uzyskano w postaci termogramów, które poddano dalszej
analizie komputerowej. Jako narzędzia analitycznego użyto tzw. „zadanego obszaru”, z którego wyznaczono wartości temperaturowe. Przyjęto współczynnik
emisji skóry 0,98.
Przykładowy termogram obrazujący pole temperaturowe przedstawiono
na rys. 2, a przykładowy arkusz pomiarowy w tab. 1. Podane na rysunku wartości temperatur dotyczą zaznaczonego na termogramie obszaru. AR01 oznacza temperatury (maksymalną, minimalną lub średnią) oraz odchylenie standardowe dla pierwszego pomiaru (odczytu w momencie startu). W arkuszu pomiarowym podano temperatury skóry podczas ekspozycji dłoni, dla zadanego,
zaznaczonego na termogramie, tego samego obszaru pomiarowego.
Badanie metodą termowizyjną zmian temperatury skóry eksponowanej na promienie ...
TERMOGRAM
55
PARAMETRY
Data pomiaru: 06-06-29
Czas pomiaru: 10:06:37
NR termogramu: Seq002.img
Woluntariusz: 001-K
Promiennik: 2000 W/m2
Wartości temperatur
AR01 : max 36,1 °C
AR01 : min 34,0 °C
AR01 : avg 35,0 °C
AR01: stdev 0,3 °C
36,4°C
35
AR01
30
25
21,9°C
Rys. 2. Rozkład pola temperaturowego na powierzchni dłoni
TABELA 1
Przykładowy arkusz pomiarowy dla jednej serii pomiarów
Data pomiarów: 29 czerwca 2006
Promiennik 2000 W/m2 (woluntariusz 001-K)
Zestawienie temperatur [oC]
Nr termogramu
Seq002.img
Seq003.img
Seq004.img
Seq005.img
Seq006.img
Seq007.img
Seq008.img
Seq009.img
Seq010.img
Seq011.img
Seq012.img
Seq013.img
Seq014.img
Seq015.img
Seq016.img
Seq017.img
Seq018.img
Seq019.img
Seq020.img
Seq021.img
Seq022.img
Seq023.img
Seq024.img
Seq025.img
Seq027.img
Seq028.img
Godzina
10:06:37
10:06:38
10:06:39
10:06:40
10:06:41
10:06:42
10:06:43
10:06:46
10:06:47
10:06:48
10:06:48
10:06:49
10:06:50
10:06:51
10:06:52
10:06:53
10:06:54
10:06:54
10:06:55
10:06:56
10:06:57
10:06:58
10:06:59
10:07:00
10:07:02
10:07:03
Wsp.
emisji
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
Temp.
max
36,1
37,0
37,8
38,4
39,1
39,7
40,2
41,5
41,9
42,2
42,6
42,9
43,5
43,8
43,9
44,3
44,5
45,0
45,3
45,6
45,8
46,2
46,5
46,8
47,2
47,7
Temp.
min
34,0
34,9
35,3
35,5
35,9
36,1
36,3
36,8
37,0
37,2
37,2
37,3
37,5
37,6
37,7
37,8
38,1
38,2
38,3
38,5
38,5
38,7
38,8
38,9
39,1
39,3
Temp.
średnia
35,0
35,8
36,4
36,9
37,4
37,7
38,1
39,1
39,4
39,7
39,9
40,2
40,6
40,7
41,0
41,2
41,5
41,7
42,0
42,3
42,5
42,7
43,0
43,2
43,5
43,8
Odchylenie
stand.
0,3
0,3
0,4
0,4
0,5
0,6
0,6
0,8
0,9
0,9
1,0
1,0
1,1
1,1
1,2
1,2
1,3
1,3
1,4
1,4
1,5
1,5
1,6
1,6
1,7
1,7
56
S. Marzec, W. Wittchen
Zbiorcze wyniki badań termowizyjnych zestawiono w tab. nr 2
TABELA 2
Zestawienie otrzymanych wyników badań
Lp
Natężenie
napromienienia
[W/m2]
1
2
3
4
500
1000
2000
3000
Zarejestrowana
temperatura skóry
[0C]
34,8 – 42,2
35,3 – 46,8
34,3 – 48,5
34,9 – 47,3
Czas
pomiaru
[s]
65 – 66
61 - 89
22 - 29
11 - 14
Ilość
termogramów
141
150
81
42
Na podstawie danych pomiarowych można wyznaczyć czasowe przebiegi zmian temperatury narażonej skóry (minimalnej, maksymalnej lub średniej) oraz odchylenie standardowe dla poszczególnych wolontariuszy i opisać je
funkcją matematyczną. Przykładowe zmiany temperatury skóry poddanej działaniu promieniowania podczerwonego przedstawiono na rys. 3.
46
44
Temperatura skóry [oC]
42
40
38
36
Natężenie napromienienia
3 000 W/m2
34
2 000 W/m2
1 000 W/m2
32
30
500 W/m2
0
20
40
60
80
Czas narażenia [s]
Rys. 3. Zmiany średniej temperatury skóry narażonej na promieniowanie podczerwone
Z przedstawionych na rys. 3 krzywych wynika, że im wyższe jest natężenie napromienienia, tym temperatura skóry szybciej wzrasta i osiąga większe
wartości, przy czym szybkość wzrostu nie zależy od temperatury początkowej
skóry.
Badanie metodą termowizyjną zmian temperatury skóry eksponowanej na promienie ...
57
4. PODSUMOWANIE
Wykonane badania miały na celu sprawdzenie przydatności metody
termowizyjnej do wyznaczania zmian temperatury skóry poddanej działaniu promieniowania podczerwonego. Termowizja pozwala na zdalny, bezdotykowy
pomiar temperatury powierzchniowej, polegający na analizie promieniowania
podczerwonego docierającego do detektora. W przypadku użytej w badaniach
kamery, analizowane przez jej detektor widmo obejmuje promieniowanie o długościach fal 7,5 – 13 μm, leżące poza zasadniczym pasmem promieniowania
lampy służącej do nagrzewania skóry. Umożliwiło to dokładny i niezakłócony
pomiar zmian temperatury skóry narażonej na promieniowanie IRA, w trakcie jej
ekspozycji. Wydaje się, że zastosowanie tej metody do analogicznego badania
temperatury skóry eksponowanej na promieniowanie leżące w zakresie czułości
kamery uniemożliwiłoby taki pomiar. Na szczęście, przemysłowe źródła podczerwieni emitują bardzo niewielki odsetek promieniowania o tych długościach
fal, nie mający praktycznego znaczenia dla nagrzewania skóry.
Drugim ograniczeniem stosowania użytego sprzętu może być pomiar
temperatury skóry narażonej na bardzo duże wartości natężenia napromienienia, powyżej 10 000 W/m2, powodujące bardzo szybki wzrost temperatury.
W przypadku tak dużego narażenia pomiar temperatury użytą kamerą, o stałej
czasowej 1 s, byłby obarczony zbyt dużym błędem. Do rejestracji szybkich
zmian temperatury wymagany jest sprzęt o małej stałej czasowej lub specjalne
interfejsy, pozwalające na wykonanie kilkudziesięciu pomiarów temperatury
w ciągu sekundy.
LITERATURA
1. Biological effects of infrared radiation. NIOSH technical report. Cincinati, 1982.
2. Dyrektywa 2006/25/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 5 kwietnia 2006 r w sprawie
minimalnych wymagań w zakresie ochrony zdrowia i bezpieczeństwa dotyczących narażenia
pracowników na ryzyko spowodowane czynnikami fizycznymi (sztucznym promieniowaniem
optycznym). Dz.U. Unii Europejskiej L 114/38 z dnia 27.4.2006.
3. ICNIRP Guidelines: Guidelines on limits of exposure to broad – band incoherent optical
radiation (0,38 to 3 m). Health Physics 73(3), 539 – 554, 1997.
4. Marzec S.: Zasady oceny higienicznej promieniowania podczerwonego. Bezp. Pracy 9,
6-10,1991.
5. Materiały firmy FLIR Systems AB
58
S. Marzec, W. Wittchen
6. Threshold Limit Values for Chemical Substances and Physical Agents. ACGIH 1998.
7. Wittchen W.: Zastosowanie badań termowizyjnych we współczesnej technice pomiarowej,
Sprawozdanie IMŻ, S-00211/BS, 1988, (niepublikowane)
Rękopis dostarczono, dnia 08.09.2006 r.
INVESTIGATION BY THERMOVISION METHOD OF SKIN
TEMPERATURES CHANGES DURING EXPOSURE
ON INFRARED RADIATION
S. MARZEC, W. WITTCHEN
ABSTRACT
In this article presented the results of
investigations the skin temperatures of hand, exposure by IR-A
radiation. Resolution of the skin temperature and its changes during
exposure has been recording by thermovision method. Received
results, after statistical analyse, presented in figures i tables forms.
Ascertained usefulness this thermovision method to recording of skin
temperatures during his exposure to IR radiation, if to exposure non
using of radiation within range of the thermovision camera sensitivity
and value of the IR radiance is to high.
Dr n. przyr. Stanisław Marzec jest kierownikiem Pracowni Promieniowania Niejonizującego w Instytucie Medycyny Pracy i Zdrowia Środowiskowego w Sosnowcu. Zajmuje się
badaniem skutków zdrowotnych narażenia na promieniowanie optyczne.
Inż. Wacław Wittchen jest specjalistą w Zespole Metrologii i Projektowania Urządzeń
w Instytucie Metalurgii Żelaza w Gliwicach. Zajmuje się wykorzystaniem techniki termowizyjnej
w wielu dziedzinach, głównie w hutnictwie.