Ciało doskonale czarne jest to obiekt teoretyczny, który pochłania

Ciało doskonale czarne jest to obiekt teoretyczny, który pochłania

Ciało doskonale czarne jest to obiekt teoretyczny, który pochłania całe padające na niego
promieniowanie niezależnie od długości fali. Pozornie niewłaściwa nazwa "ciało doskonale czarne"
użyta w stosunku do obiektu emitującego promieniowanie jest wyjaśniona przez prawo Kirchoffa,
które mówi, że ciało, które zdolne jest do absorpcji całego promieniowania o dowolnej długości fali
jest także zdolne do emitowania tego promieniowania.
Zasada konstrukcji ciała doskonale czarnego jest bardzo prosta. Charakterystyki promieniowania
izotermicznej wnęki wykonanej z nieprzeźroczystego pochłaniającego materiału niemal dokładnie
odwzorowują właściwości ciała doskonale czarnego. Praktyczne rozwiązanie konstrukcji idealnego
absorbera składa się z obudowy nie przepuszczającej światła, za wyjątkiem otworu w jednym z jego
boków.
Jakiekolwiek promieniowanie, które wpada do otworu jest rozpraszane i pochłaniane w czasie
kolejnych odbid tak, że jedynie niewielka jego częśd może wydostad się z powrotem. Współczynnik
pochłaniania otworu jest niemal równy współczynnikowi pochłaniania ciała doskonale czarnego i
prawie jednakowy dla wszystkich długości fal. Przez wyposażenie takiej izotermicznej wnęki w
grzejnik otrzymuje się tzw. "radiator wnękowy". Izotermiczna wnęka ogrzewana przez grzejnik do
jednolitej temperatury emituje promieniowanie ciała doskonale czarnego, którego charakterystyka
zależy jedynie od temperatury wnęki. Takie wnęki są powszechnie wykorzystywane jako źródła
promieniowania temperatury odniesienia w laboratoriach, do kalibracji przyrządów
termograficznych. Jeżeli temperatura ciała czarnego wzrasta powyżej 525°C, źródło to staje się
widzialne dla oka. Jest to temperatura barwy czerwonej, która z dalszym wzrostem temperatury
przechodzi w pomaraoczową lub żółtą. Definicja tzw. "temperatury barwowej" ciała mówi, że jest to
temperatura, do której powinno byd rozgrzane ciało doskonale czarne, aby miało taki sam wygląd co
dane ciało.
PRAWA OPISUJĄCE PROMIENIOWANIE CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO.
PRAWO PLANCKA
W= emitancja widmowa ciała czarnego dla długości fali  [W/m2µm+ c = prędkośd światła = 3 x 108
[m/s]
h = stała Plancka = 6.6 x 10-34 [Js]
k = stała Boltzmanna = 1.4 x 10-23 [J/K]
T = temperatura bezwzględna ciała doskonale czarnego *K+
= długośd fali
Wzór Plancka przedstawiony w postaci wykresu dla różnych temperatur jest zbiorem krzywych. Dla
dowolnej krzywej emitancja widmowa wynosi zero przy  = 0, po czym gwałtownie rośnie do
maksimum przy długości fali  max, po przejściu, której ponownie spada do zera dla bardzo dużych
długości fal. Im wyższa temperatura, tym mniejsze długości fal, przy których występuje maksimum.
Całkując równanie Plancka w granicach  =0…..°° otrzymujemy całkowitą emitancję (Wb) ciała
czarnego:
gdzie: s- stała Stefana-Boltzmanna = 5.7 x 10-8 W/m2.
Jest to wzór Stefana-Boltzmanna, z którego wynika, że całkowita moc promieniowania emitowanego
przez ciało czarne jest proporcjonalna do czwartej potęgi jego bezwzględnej temperatury. W
interpretacji graficznej Wb stanowi obszar pod krzywą Plancka dla danej temperatury. Można
wykazad, że emitancja w przedziale od  = 0…Amax wynosi jedynie 25 procent wartości całkowitej, co
stanowi w przybliżeniu ilośd promieniowanie słonecznego, która leży w widzialnym zakresie widma.
Wykorzystując prawo Stefana-Boltzmana do obliczenia mocy wypromieniowywanej przez ciało
ludzkie w temperaturze 300K na powierzchni około 2m2 otrzymujemy wartośd
1 kW. Taka strata ciepła w rzeczywistości nie ma miejsca dzięki możliwości kompensacji poprzez
pochłanianie energii pochodzącej z otoczenia, która w temperaturze pokojowej nie różni się zbytnio
od temperatury ciała i ubrania.
Prawo Wiena:
Przez różniczkowanie względem  równania Plancka i wyznaczenie maksimum pochodnej
otrzymujemy:
Jest to wzór Wiena, który wyraża matematycznie znane zjawisko zmiany kolorów od czerwonego
przez pomaraoczowy, do żółtego w miarę wzrostu temperatury radiatora. Długośd fali barwy jest taka
sama jak wyznaczona długośd fali  max. Dobre przybliżenie wartości  max dla danej temperatury ciała
czarnego można otrzymad dzięki nabytemu doświadczeniu. Dla bardzo gorących gwiazd, takich jak
Syriusz (11 000K) emitujących niebieskawo-białe światło, szczyt emitancji widmowej przypada na
niewidoczną częśd widma, w ultrafiolecie, przy długości 0,27 µm Słooce (około 6 000K) emituje
światło żółte, a jego maksimum przypada na środek widma widzialnego. W temperaturze pokojowej
(300K) maksimum emitancji wynosi około 9,7 µm i znajduje się w dalekiej podczerwieni, a w
temperaturze ciekłego azotu (77K) maksimum emitowanej niewielkiej ilości energii przypada na 38
µm, w zakresie bardzo dalekiej podczerwieni.
Ciała szare
Kolejny współczynnik nazywany emisyjnością e, wyraża stosunek mocy wypromieniowywanej przez
dane ciało do mocy wypromieniowywanej przez ciało doskonale czarne w określonej temperaturze.
Emisyjnośd widmowa sk to stosunek widmowej mocy promieniowania ciała do mocy emitowanej
przez ciało doskonale czarne przy takiej samej temperaturze i długości fali. W zapisie
matematycznym jest to stosunek emitancji widmowej ciała do emitancji ciała doskonale czarnego:
Istnieją trzy rodzaje źródeł promieniowania, rozróżniane przez sposób, w jaki emitancja widmowa
każdego z nich zależy od długości fali.
Zgodnie z prawem Kirchoffa dla dowolnego materiału emisyjnośd widmowa i pochłanialnośd
widmowa ciała są sobie równe dla dowolnej temperatury i długości fali
Oznacza to, że całkowita moc emitowana przez ciało szare ma wartośd mocy ciała czarnego w takiej
samej temperaturze pomnożonej przez wartośd współczynnika emisyjności ciała szarego
Rozważmy dla uproszczenia niemetaliczne, półprzeźroczyste ciało, mające postad cienkiej płaskiej
plastikowej płyty. Kiedy płyta ta jest podgrzewana, promieniowanie powstające w jej wnętrzu musi
pokonad drogę wewnątrz jego objętości do powierzchni, w czasie której jest częściowo pochłaniane.
Ponadto kiedy wydostaje się ono na powierzchnię, jego częśd jest odbijana z powrotem do wnętrza.
Odbite do wewnątrz promieniowanie jest także częściowo pochłaniane, ale jego częąd dociera do
przeciwległej powierzchni. Częśd tego promieniowania jest ponownie odbijana do wewnątrz.
Ponieważ kolejne odbicia stają się coraz słabsze, aby otrzymad całkowitą emitancję płyty musimy je
zsumowad. Otrzymany w ten sposób wzór na emisyjnośd ciała półprzepuszczalnego ma postad
Wzór ten stanowi uogólnienie prawa Kirchoffa i ulega redukcji, kiedy płyta staje się nieprzeźroczysta
(= 0) do postaci:
Ta ostatnia zależnośd jest szczególnie użyteczna, ponieważ często łatwiej jest zmierzyd odbijalnośd
niż bezpośrednio zmierzyd emisyjnośd.
Przykładowe wartości emisyjności:
 Blacha stalowa ocynkowana 0.23
 Drewno świerkowe 0.77
 Tynk wapienny 0.91
 Szkło okienne 0.94
Wpływ atmosfery
Właściwości emisyjne gazów są opisane złożonymi zależnościami, specyficznymi dla każdego rodzaju
gazu. Emisja promieniowania przez gazy nie ma praktycznego znaczenia w termografii, istotne
natomiast bywa tłumiące oddziaływanie atmosfery. Oczywiście, zgodnie z prawem Lamberta-Beera,
tłumienie rośnie w miarę zwiększania ilości cząsteczek pochłaniających promieniowanie, a więc
zarówno ze wzrostem koncentracji cząsteczek pochłaniających jak i ze wzrostem drogi transmisji
promieniowania badanego. Tak więc wzrost stężenia substancji tłumiących promieniowanie w
określonych przedziałach długości fal powoduje zmniejszanie mocy promieniowania docierającego do
obiektywu, a w następstwie i do detektora promieniowania. Wywołany efekt można porównad do
ograniczenia mocy emitowanej przez zmniejszenie wartości współczynnika emisji - maleje ilośd
energii dochodzącej do detektora, natomiast wartośd  nie ulega zmianie. W praktyce największe
znaczenie w tłumieniu promieniowania mają duże cząsteczki, a więc pyły, jak i zawartośd wody - mgła
i wilgotnośd powietrza. Tłumienie wprowadza też istnienie wszelkich innych cząsteczek jak np.
dwutlenek węgla, związki azotu, ozon, itd. Rysunek przedstawia przykładową przepuszczalnośd
atmosfery zmierzoną na poziomie morza na dystansie 2km.
Parametr ten można też wyliczyd stosując odpowiednie oprogramowanie. Na poniższym rysunku
przedstawiono graficzny wynik działania takiego oprogramowania przy założonej wilgotności
powietrza 50% oraz dystansie 100m
Analizując rysunki warto zauważyd, że w przedziale od 2.5µm do około 5.5µm promieniowanie jest
słabo tłumione, podobnie w przedziale od 7.5µm do 14µm. Pasma te nazywane są umownie
odpowiednio krótko i długofalowym. Można mówid o istnieniu w tych przedziałach tzw. okien
atmosferycznych. Ma to spore konsekwencje praktyczne przy omawianiu właściwości kamer
termograficznych, gdyż pasma te pokrywają się z charakterystykami najbardziej popularnych
detektorów.
TERMOGRAFIA
Kamera termograficzna jest urządzeniem, które tworzy obraz wykorzystując promieniowanie
podczerwone, podobnie jak normalna kamera tworzy obraz wykorzystując promieniowanie widzialne
(światło). Zamiast promieniowania z zakresu długości 450-750nm jak dla kamer wizyjnych, kamery
termograficzne pracują w zakresie długości fal do 14000 nm (14µm). Pod tym kątem można je
podzielid na krótkofalowe (3-5µm) i długofalowe (8-14µm).
Energia promieniowania podczerwonego jest tylko małą częścią całego widma elektromagnetycznego
zawierającego promieniowanie gamma, rentgenowskie, ultrafiolet, wąskie pasmo widzialne,
podczerwone, radarowe, telewizyjne i radiowe. Wszystkie one są określane i różnicowane względem
długości fali. Jak opisano wcześniej wszystkie obiekty emitują określoną ilośd promieniowania będącą
funkcją ich temperatury. Mówiąc ogólnie im wyższa jest temperatura obiektu, tym więcej
promieniowania ono emituje. Specjalnej konstrukcji kamera jest czuła na takie promieniowanie tak
jak kamera wizyjna na światło. Może pracowad nawet w całkowitej ciemności, gdyż światło nie ma
dla niej żadnego znaczenia.
Obrazy z kamery termograficznej są monochromatyczne, ponieważ kamery są ogólnie konstruowane
z tylko jednym typem czujnika wrażliwym tylko na jeden zakres długości fal promieniowania
podczerwonego. Kamery kolorowe wymagają bardziej złożonej konstrukcji aby zróżnicowad długości
fal a barwa ma mniejsze znaczenie poza normalnym pasmem widzialnym, gdyż zróżnicowanie
długości fal nie będzie pasowad jednorodnie do systemu widzenia kolorowego używanego przez
ludzi. Zazwyczaj kamery monochromatyczne wyświetlają psudokolory, używając barw do
wyświetlania zmian w intensywności sygnału. Jest to użyteczne, gdyż pomimo że człowiek posiada
większą rozpiętośd dynamiki dla sygnału jasności niż koloru, to możliwośd odróżniania subtelnych
różnic na obszarach o wysokiej jasności jest mocno ograniczona.
Przy zastosowaniach do pomiarów temperatury najjaśniejsze (najcieplejsze) fragmenty obrazu są
zazwyczaj kolorowane na biało, pośrednie na czerwono i żółto, a najciemniejsze (najzimniejsze) na
niebiesko. Obok psedokolorowego termogramu jest wyświetlana skala barwna określająca sposób
mapowania temperatury. Ich rozdzielczośd jest zazwyczaj znacznie niższa niż kamer wizyjnych,
najczęśdiej wynosi tylko 160x120 lub 320x240 pikseli. Kamery termograficzne są znacznie droższe od
ich odpowiedników wizyjnych, a bardziej zaawansowane modele są często zdefiniowane jako towary
podwójnego zastosowania i objęte restrykcjami eksportowymi.
Termografia w podczerwieni ma bardzo wiele innych zastosowao. Na przykład strażacy używają jej do
widzenia poprzez dym, szukania osób i lokalizacji ognisk pożarów. Za jej pomocą służby energetyczne
lokalizują przegrzewające się złącza i podzespoły, wymowne znaki ich uszkodzenia, eliminując
potencjalne ryzyko. Gdy izolacja termiczna ulega uszkodzeniu, inżynierowie budowlani mogą odkryd
upływy ciepła i poprawid efektywnośd chłodzenia lub ogrzewania systemów klimatyzacji. Kamery
termograficzne są też instalowane w niektórych samochodach luksusowych aby wspomagad
kierowcę podczas jazdy a trudnych warunkach widoczności. Niektóre procesy fizjologiczne,
szczególnie reakcje w organizmie człowieka oraz stałocieplnych zwierząt mogą byd również
monitorowane za pomocą obrazowania termograficznego. Kamery termograficzne z detektorami
chłodzonymi można znaleźd w większości ważniejszych teleskopów astronomicznych.
•
Badania termowizyjne polegają na mierzeniu emitowanych fal elektromagnetycznych przez
ciała o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego.
•
Promieniowanie to nazywane jest promieniowaniem podczerwonym lub promieniowaniem
cieplnym.
•
Intensywnośd promieniowania cieplnego jest proporcjonalna do temperatury ciała.
 Zakres podczerwieni jest często dzielony na cztery mniejsze zakresy, których granice są
umownie określone. Zawierają one:
•
„bliską podczerwieo” (0.75-3µm),
•
„średnią podczerwieo” (3-6µm),
•
„daleką podczerwieo” (6-15µm),
•
„bardzo daleką podczerwieo” (15-100µm).
Kamery termograficzne można podzielid na dwa główne typy: te zawierające chłodzone detektory
podczerwieni oraz te z detektorami niechłodzonymi. We wczesnym okresie rozwoju techniki
termograficznej stosowano pojedyncze detektory promieniowania oraz skomplikowane systemy
mechaniczno-optyczne umożliwiające badanie powierzchniowych rozkładów temperatury. Obecnie
zaczyna dominowad w konstrukcji kamer stosowanie matryc detektorów, co upraszcza znacznie
konstrukcję, jak i pozwala na poprawę szeregu parametrów metrologicznych termografu. Jako
szczególne osiągnięcie technologiczne należy wymienid opracowanie niechłodzonych, tanich matryc
detektorów termicznych, które powinny stanowid o przełomie w masowym stosowaniu systemów
termowizyjnych w codziennej praktyce w przemyśle, medycynie i wielu innych dziedzinach życia.
Promieniowanie
Podłoże
detektora
Procesor
krzemowy
Matryca
detektorów
Matryca detektorów
Procesor Si
Warstwa aktywna
Słupek
indowy
Jest to typowy kształt piksela matrycy o rozdzielczości 160x120. Matryce o rozdzielczościach
wyższych posiadają odpowiednio mniejszą wielkośd piksela (35 i 25µm). Najbardziej zawansowane
matryce posiadają piksele o rozmiarach 5x5µm.
Tworzenie matryc detektorów poprzedziło opracowanie tzw. linijek detektorów, które miały 8, 16, a
w bardziej zaawansowanej formie nawet 128 detektorów. Obecnie produkowane i oferowane na
rynku są matryce FPA (focal plane array - w luźnym przekładzie - matryce płaszczyzny ogniskowej,
gdyż umieszczane są w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu), w których liczba pojedynczych
detektorów sięga 320x240, a nawet 640x480(512) elementów, a prowadzone są intensywne prace
rozwojowe nad zwiększeniem tej liczby.
Rodzaje detektorów:
-chłodzone-niechłodzone
Detektory chłodzone są zazwyczaj umieszczone wewnątrz próżniowej obudowy i są chłodzone
kriogenicznie. Podnosi to znacząco ich czułośd, gdyż ich własna temperatura jest znacznie niższa niż
obiektów, których promieniowanie mierzą. Typowa temperatura chłodzenia wynosi 4...110K, a
najbardziej powszechna to 80K. Bez chłodzenia, te detektory (które przekształcają promieniowanie w
prawie identyczny sposób jak typowe aparaty cyfrowe, ale są wykonane z innych materiałów) byłyby
"zaślepione" lub zatopione we własnym promieniowaniu. Wadą detektorów chłodzonych jest to, że
są bardzo kosztowne zarówno w produkcji jak i eksploatacji. Chłodzenie jest energo- i czasochłonne.
Kamera potrzebuje kilku minut dla schłodzenia zanim rozpocznie pracę. Chociaż komponenty do
niskich temperatur są bardzo kosztowne, to jednak kamery chłodzone zapewniają wspaniałą jakośd
obrazu w porównaniu z niechłodzonymi.
Matryce wykonywane są z typowych materiałów półprzewodnikowych stosowanych w konstrukcji
detektorów indywidualnych, Matryce takie wymagają chłodzenia, tak samo jak indywidualne
detektory półprzewodnikowe. Obecnie na rynku najczęąciej oferowane są matryce w wersji z
chłodziarką Stirlinga.
DETEKTORY NIECHłODZONE
Matryce nie chłodzone wykonywane są z materiałów typowych dla detektorów termicznych, takich
jak amorficzne mikrobolometry krzemowe czy bolometry z tlenku wanadu - VOx.
Niechłodzone detektory podczerwieni mogą mied temperaturę stabilizowaną na pewnym poziomie
aby zredukowad szumy obrazu, lecz nie są chłodzone do niskich temperatur i nie wymagają
wyrafinowanych, kosztownych chłodnic kriogenicznych. Czyni to kamery znacznie mniejszymi i
taoszymi. Jednakże ich rozdzielczośd i jakośd obrazu jest znacznie gorsza niż kamer chłodzonych. Jest
to wynikiem różnic w procesie produkcyjnym, ciągle ograniczonym dostępną technologią.
Optyka
Systemy soczewkowe wykonywane są z najróżniejszych materiałów przezroczystych w zakresie
widma podczerwieni. Najczęściej obecnie stosowanymi materiałami na soczewki są monokryształy
krzemu (transmisja w zakresie 1,5…14µm) i germanu (około 2…20µm). Niestety są to materiały o
dużych wartościach współczynnika załamania promieniowania n, odpowiednio około 3.6 i 4.1, co
powoduje znaczne straty związane z odbiciem części promieniowania dochodzącego do soczewki.
Aby wyeliminowad wpływ tego czynnika soczewki pokrywane są warstwami przeciwodbiciowymi,
zwiększającymi transmisję do 90% i więcej.
Zwykłe szkło nie nadaje się do konstrukcji obiektywów podczerwieni, bo jest przeźroczyste jedynie w
zakresie do około 2.5µm, a więc całkowicie nie przydatne do transmisji promieniowania
emitowanego przez obiekty o temperaturze ciała ludzkiego; natomiast folia polietylenowa jest
przeźroczysta aż do około 100µm, stąd jej przewaga nad szkłem w konstrukcji tuneli foliowych w
ogrodnictwie jak i chętne stosowanie w konstrukcji nie selektywnych detektorów podczerwieni,
szczególnie popularnych jako czujki alarmowe.
Dla określenia ilości energii, która dochodzi do detektora, co warto wiedzied, by prawidłowo
użytkowad aparaturę termograficzną, obiektyw może zostad przedstawiony, niezależnie od
konstrukcji układu optycznego, w postaci pojedynczej soczewki zastępczej, jak na rysunku.
Można zatem określid ilośd energii E dochodzącej do detektora wykorzystując współczynnik
geometryczny - F, charakteryzujący optykę i nazywany współczynnikiem wydajności układu
optycznego.
E=FM
Jeżeli w układzie zmienimy położenie źródła promieniowania, np. do pozycji P, to zakładając, że
powierzchnia emitująca jest izotermiczna i mieści się w "polu widzenia" obiektywu, wówczas wartośd
mocy dochodzącej do detektora nie ulegnie zmianie. Jak widad, zmienia się powierzchnia, z której
promieniowanie dochodzi do detektora, natomiast wartośd mocy mierzonej nie ulega zmianie, a więc
wskazanie termografu się nie zmieni, natomiast obraz powierzchni źródła będzie nieostry. Jeżeli
jednak powierzchnia ta jest nie izotermiczna, wówczas następuje uśrednienie sygnału i odczyt może
się znacznie różnid od temperatury rzeczywistej! Tak więc wniosek oczywisty, że należy zawsze
dobrze zogniskowad obiektyw, gdyż eliminuje się w ten sposób możliwośd popełnienia większych
błędów pomiaru temperatury.
Kamera z matrycą FPA
Pojawienie się w ostatnich latach matryc FPA pozwoliło na opracowanie kamer pozbawionych
ruchomych elementów mechanicznych. Zaletą takiego rozwiązania jest zdecydowana poprawa
stosunku sygnału do szumu, gdyż przetwarzanie obrazu następuje równolegle. Nie ma potrzeby
stosowania tu tak szybkich układów pomiarowych, jak w przypadku pojedynczego detektora
promieniowania. Tak więc pasmo układu pomiarowego może zostad zdecydowanie zawężone. Także
gabaryty i waga kamery gwałtownie maleją, do wartości podobnych do kamer wideo. Użytkowanie
kamery staje się niezwykle wygodne, szczególnie jeśli nie potrzeba używad ciekłego azotu. Także
szybkośd przetwarzania obrazu wzrasta. Stosując matryce półprzewodnikowe można uzyskad nawet
paręset obrazów na sekundę, np. oferowane są kamery pozwalające na uzyskanie 750 obrazów na
sekundę . Równocześnie dostępne stały się kamery o rozdzielczości pojedynczych milikelwinów.
Oczywiście komplikuje się układ elektroniczny, ale postępy technologii i miniaturyzacja w tej
dziedzinie spowodowały, że użytkownik nie widzi tego problemu.
Prawdziwy przełom na rynku kamer wprowadza jednak dopiero pojawienie się w roku 2000 kamer z
nie chłodzonymi matrycami FPA na bazie detektorów termicznych, bolometrów rezystancyjnych i
piroelektrycznych. Nawet zastosowanie w tym ostatnim przypadku wibrującej przesłony jest
niezauważalne dla użytkownika, stąd kamery te można traktowad, jako niezwykle wygodne i wreszcie
stosunkowo tanie rozwiązanie, spełniające wymagania techniczne niezbędne dla większości
zastosowao praktycznych.
Parametry kamer termowizyjnych ( metrologiczne)
 NETD
 FOV
 IFOV
 zakres widmowy czułości,
- równoważna moc szumów NEP,
- czułośd C,
- stała czasowa t,
- termiczna zdolnośd rozdzielcza DTm,
- rezystancja R,
- temperatura pracy Tp.
Kamery termograficzne charakteryzowane są przez następujące parametry metrologiczne:
NETD - różnica temperatury równoważna szumowi - noise equivalent temperature difference -różnica
temperatury badanego obiektu i otoczenia powodująca generację sygnału równą . Obserwowany
jest sygnał pochodzący ze źródła ciała czarnego na tle tła. Zmniejszenie różnicy temperatury do
poziomu sygnału odpowiadającego szumowi określa wartośd NETD. Jest najchętniej stosowany
parametr w praktyce termograficznej, gdyż ma odniesienie do rzeczywistych warunków pracy kamery
Pole widzenia (FOV - field of view) i kąt rozbieżnoąci (IFOV - Instantaneous Field of View).
Konstruktorzy starają się zapewnid, by rozdzielczoąd przestrzenna była równa kątowi rozbieżnoąci,
ale w praktyce jest to parametr zależny od wszystkich elementów składowych kamery, włączając
monitor.
METODYKA POMIARÓW
Pomiary termowizyjne, jak każde inne podporządkowane są pewnym rygorom, które muszą byd
spełnione dla rzetelności, obiektywizmu i przydatności wyników. O rzetelności przeprowadzonych
badao, a więc o trafności pózniejszej diagnozy decydują następujące etapy i metody prowadzenia
badao:
Rozpoznanie obiektu badao
Rozpoznanie warunków środowiskowych i technicznych pracy obiektu
Ustalenie warunków technicznych wykonania zadania
Wykonanie badao
Wykonanie sprawozdania
ROZPOZNANIE OBIEKTU BADAO
 Stan
 Emisyjnośd powierzchni
 Znajomośd konstrukcji podpowierzchniowej
 Współczynnik przewodzenia
 Istnienie warstw
Poszukiwanie istotnych cech obiektu, które mogą wpływad na uzyskany obraz cieplny oraz cech,
które wpływają na interpretację uzyskanych termogramów. Pierwsze z nich to przykładowo stan i
emisyjnośd powierzchni, drugie to znajomośd konstrukcji podpowierzchniowej, grubości, współczynnika przewodnictwa cieplnego i ciepła właściwego, istnienie warstw, przekładek itd. Nie każda
"plama cieplna" jest wadą. Niektóre istnieją w sposób organiczny, są związane z konstrukcją.
Wykonawca badao rejestruje obraz cieplny świadomie a nie wszystko co przekracza przyjęte progi
przyrostów temperatury. Późniejsza interpretacja uzyskanych obrazów cieplnych oparta jest o
znajomośd konstrukcji obiektu, materiałów i ich podstawowych parametrów fizykochemicznych.
Dlatego też pożądane jest aby zarówno w czasie badao, jak i w procesie interpretacji wyników
uczestniczyła osoba znająca konstrukcje i materiały obiektu badao.
ROZPOZNANIE WARUNKÓW PRACY OBIEKTU
 Temperatura
 Prędkośd wiatru
 Nasłonecznienie
 Wilgotnośd, mżawka, opady
 Odległośd od źródeł ciepła
Prawidłowo dokonany pomiar rozkładu temperatury opiera się na znajomości współczynnika
emisyjności obiektu i temperatury otoczenia oraz innych czynników środowiskowych, których
wartości, zgodnie z procedura pomiarowa wprowadzane są do kamery przed wykonaniem obserwacji
i rejestracji.
Trzeba również pamiętad o stabilności parametrów środowiskowych i to w o tyle dłuższym okresie,
im o większej bezwładności cieplnej jest obiekt.
Warunki techniczne dotyczą przede wszystkim stabilności głównych parametrów pracy (obciążenia)
obiektu gdyż wpływa to na temperaturę powierzchni a nawet na jej rozkład. Dotycz również
stabilności pracy wszystkich urządzeo towarzyszących, które mogą mied wpływ konwekcyjny lub
promienisty na obiekt badao.
USTALENIE WARUNKÓW TECHNICZNYCH WYKONANIA ZADANIA
Należy zapewnid dostęp optyczny do powierzchni podlegających badaniu pod odpowiednim kątem i z
odpowiedniej odległości. W momencie pomiaru i wcześniej obiekt musi byd odpowiednio obciążony.
Niezbędna jest również osoba znająca obiekt, jego historie, uwarunkowania techniczno-regulacyjnoeksploatacyjne itp.
WYKONANIE BADAO
Wykonanie badao powinno byd zgodne z następującymi zasadami badao termo graficznych.
Wykonawca badao powinien byd pracownik o odpowiednim przygotowaniu ogólnym, odpowiednim
przeszkoleniu i doświadczeniu oraz wiedzy o obiekcie. Badanie powinno odbyd się przy pomocy
odpowiedniego sprzętu.
Obiekt badao powinien byd odpowiednio przygotowany i obciążony.
Badania powinny odbywad się wyłącznie w odpowiednich warunkach środowiskowych (zaniechad
badao przy ekstremalnych temperaturach, wietrze, promieniowaniu, mgle lub mżawce, obiekcie zbyt
małym w stosunku do odległości i używanej optyki itp.).
Operator wykonujący badanie powinien natychmiast reagowad na stwierdzone znaczne anomalie w
rozkładzie i wartości temperatury powiadamiając o tym użytkownika obiektu. Dalej przedstawione są
uwarunkowania, ograniczenia i źródła błędów z jakimi należy się liczyd podejmując badania
termograficzne.
WYNIKI BADAO
Wyniki badao termograficznych powinny zawierad:
-list ę zbadanych elementów, ich umiejscowienie i stan pracy,
-listę wszystkich nie zbadanych elementów i przyczyny np. takie jak niedostępnośd, zasłonięcie, brak
obciążenia itp.,
-termogramy miejsc potencjalnego zagrożenia (ekstremalne temperatury, nietypowe rozkłady i
wartości pól temperaturowych),
-wydzielona listę elementów wadliwych wraz z warunkami ich pracy (obciążenia, otoczenia) i
klasyfikacja stanów zagrożenia albo pilności interwencji.
Zawartośd sprawozdania wg PN-EN-ISO/IEC 17025
 wykonawca, obiekt, metoda, warunki, czas, miejsce, wyniki itp.) umożliwiających późniejsze
odtworzenie wszystkich istotnych parametrów badawczych.
 termogramów. –zamieszczone w formie "raportów" na wydzielonych stronach raportowych.
W opisie warunków badao powinny znaleźd sie wszystkie elementy pozwalające na
precyzyjne odtworzenie sytuacji .
 miejsca badania - miejscowości, obiektu, orientacji względem stron świata (przy obiektach
odsłoniętych, wystawionych na działanie słooca, wiatru itp.)
 czasu badania - daty, pory dnia
 warunków meteorologicznych - temperatury powietrza, zachmurzenia, prędkości i kierunku
wiatru, opadów lub wilgotności powietrza (mgła) i innych danych środowiskowych mogących
mied wpływ na wartośd i rozkład temperatury oraz na odczyt tych wartości
 rodzaju, typu aparatury, itp
 miejsc rejestracji termogramów
 warunków pracy obiektu, obciążenia; jeśli warunki pracy nie były stabilne - przebieg
obciążenia w ostatnim czasie
 wykonawcy badao.
Zastosowanie termografii:
 · Wskazywanie miejsc uchodzenia ciepła w budynkach,
 · Ocena zawilgocenia ścian budynków,
 · Sprawdzanie spójności betonu i wykrywanie pęknięd,
 · Określanie rozkładu ciepła i wykrywanie ewentualnych wycieków wody w ogrzewaniu
podłogowym,
 · Wykrywanie przecieków w dachu,
 · Diagnostyka kominów przemysłowych,
 · Badanie stanu instalacji elektrycznej w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej,
oraz zakładach produkcyjnych,
 Badanie silników elektrycznych i stanu łożysk tocznych,
 · Ocena działania systemów klimatyzacji,
 · Diagnostyka zawieszenia i opon pojazdów samochodowych,
 · Badania układów hamulcowych i silnika dla oceny wydajności oraz jakości chłodzenia,
 · Badanie urządzeo elektronicznych i wykrywanie ewentualnych uszkodzeo,
 · Badanie kontuzji kręgosłupa i stawów,
 · Wykrywanie chorób, np. raka piersi, artretyzmu itd.,
 · Wykrywanie uszkodzeo rurociągów, wycieków, miejsc powstawania pęknięd
zmęczeniowych,
 · Badanie stanu linii wysokiego napięcia,
 · Akcje ratownicze,
 · Zastosowania wojskowe
Dodatek:
Interpretacja zdjęd w Excelu.
Programy komercyjne mają możliwośd zapisu termogramu w postaci macierzy temperatur. Rozmiar
macierzy odpowiada rozdzielczości zapisu przez określony model kamery.
Umieszczony poniżej moduł umożliwia odwzorowanie macierzy w postaci graficznej poprzez
przyporządkowanie wartości umieszczonej w konkretnej komórce arkusza Excela określonego koloru.
Dzięki temu możemy zobaczyd jaki termogram przedstawia macierz.
W sekcji VBAProjekt w dowolnym module wpisujemy następujący kod:
Sub pokoloruj()
maks = -100
Min = 100
For i = 2 To 321
For j = 1 To 240
o = Cells(i, j)
If o > maks Then
maks = o
Else
End If
u = Cells(i, j)
If u < Min Then
Min = u
Else
End If
Next j
Next i
Cells(1, 3) = maks
Cells(1, 4) = Min
For k = 2 To 42
Cells(k, 246).Select
With Selection.Interior
.ColorIndex = Cells(k, 243)
.Pattern = Cells(k, 244)
.PatternColorIndex = Cells(k, 245)
End With
Next k
For o = 2 To 42
Cells(o, 247) = CInt(Min + ((o - 2) * (maks - Min) / 40))
Next o
For i = 2 To 321
For j = 1 To 240
Cells(i, j).Select
With Selection.Interior
k = 2 + CInt(((Cells(i, j) - Min) * 40 / (maks - Min)))
.ColorIndex = Cells(k, 243)
.Pattern = Cells(k, 244)
.PatternColorIndex = Cells(k, 245)
End With
Next j
Next i
End Sub
Ponieważ program odwołuje się do przykładowej palety zdefiniowanej w arkuszu, w którym została
wczytana macierz, należy w zakresie komórek II2:IK42 wprowadzid przykładową paletę:
Znając temperaturę powierzchni po zewnętrznej stronie budynku możemy szacowad współczynnik
przenikania ciepła ze wzoru:
U=he (Tx-Te)/(Ti-Te)
He-współczynnik przejmowania ciepła (ok.12-25) He-1/ Rse
Tx – temperatura powierzchni
Te – temperatura otoczenia
Ti -temperatura wewnątrz budynku