Termografia jest nazwą naukową techniki rejestracji obrazów, polegającej na detekcji promieniowania w paśmie podczerwieni i w efekcie zamianie tego promieniowania na obraz widzialny. Dzięki temu możemy obserwować i oceniać rozkład temperatur oraz ich wartości na zewnętrznej powierzchni badanego obiektu.
Zasady pomiaru termograficznego
Nazwą stosowaną potocznie jest „termowizja”, która, inaczej mówiąc, polega na mierzeniu fal elektromagnetycznych, emitowanych przez ciała o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego. Zatem każdy obiekt, którego temperatura jest większa od 0 K jest źródłem promieniowania podczerwonego oznaczonego w skrócie „IR” (infrared).
Badania termowizyjne wykonuje się przy użyciu kamer termowizyjnych. Kamera termowizyjna to urządzenie elektroniczne przetwarzające widmo niewidzialnego promieniowania podczerwonego z powierzchni odległych obiektów w odpowiednie sygnały elektryczne przetwarzane następnie na sygnały wizualne. W pomiarach termowizyjnych wykorzystuje się zatem podstawowe prawa, parametry i zjawiska fizyczne takie jak: ciepło, temperatura, emisyjność, energia, widmo promieniowania, prawo Plancka i prawo Stefana-Boltzmanna. Poniżej omówiono niektóre z nich.
Ciepło
W większości przypadków część zamienionej pracy zostaje zamieniona na ciepło. Następnie zaczyna się proces wyrównywania temperatury w danym układzie.
Ciepło przekazywane jest ośrodkom o niższej temperaturze drogami:
. przewodnictwa (wewnątrz ciała),
. konwekcji (unoszenie ciepła, swobodne i wymuszone),
. promieniowania cieplnego.
Temperatura
Jest umowną wielkością fizyczną skalarną, charakteryzującą stan równowagi termodynamicznej. Umowności tej dowodzi występowanie skal empirycznych: Celsjusza, Fahrenheita, a także skal bezwzględnych: Kelwina, pomiędzy którymi występują poniższe zależności:
TC = TK - 273,16
TC = (TF-32) 5 : 9
W technikach termografii brak jest jakiegokolwiek oddziaływania układu odbiorczego na powierzchnię, brak jest bowiem między nimi kontaktu cieplnego. Jednak interpretacja wyników pomiaru uwzględnić musi cechy promienne powierzchni, otoczenia, ośrodka przenoszenia promieniowania oraz cechy urządzenia odbiorczego. Jedną z nich jest emisyjność.
Współczynnik emisyjności
Jest istotnym parametrem mającym wpływ na wynik pomiaru termograficznego. Związany jest bowiem ściśle ze stanem powierzchni badanego obiektu. Dla ciała doskonale czarnego emisyjność wynosi zawsze 1. Oznacza to, że ciało takie pochłania całą energię, nie odbija jej ani też jej nie przepuszcza.
W rzeczywistości obiekty odbiegają od tego modelu, dlatego przy pomiarach należy uwzględnić tą odchyłkę poprzez wprowadzenie współczynnika emisyjności. Jego wartość określa możliwość wysyłania promieniowania IR przez dane ciało.
Prawa promieniowania termografii w podczerwieni
Widmo promieniowania
Materia świata w sposób nieprzerwany wysyła i pochłania promieniowanie elektromagnetyczne. Termicznemu wzbudzeniu przejść elektronów towarzyszy wysyłanie kwantowanej energii w postaci fotonów. Energia „W” takiego promieniowania zależy od długości fali promieniowania i może być opisana równaniem:
Wλ = hc / λ
w którym:
h = 6.63 x 10-23 [Js] – Stała Plancka
c = 3 x 108 [m/s] – prędkość światła
λ [m] – długość fali
Fale podczerwone „IR”: 0,76 µm ÷ 1000 µm
Termografia wykorzystuje zakres: 2 µm ÷ 13 µm
Prawo Plancka
Pozwala wyznaczyć widmowy rozkład monochromatycznej emitancji promienistej ciała czarnego. Dla każdej długości fali emitowana energia wzrasta wraz ze wzrostem temperatury (wiec także emitowane jest promieniowanie z obszaru widzialnego). Z obniżeniem temperatury zakres widma odpowiadający maksymalnej emisji energii przesuwa się w kierunku fal dłuższych (oko ludzkie dopasowane jest do odbioru promieniowania słonecznego – źródła bardzo wysokotemperaturowego bo ok. 6000 K, a maksimum energii promieniowane jest w paśmie: 0,4 ÷ 0,8 µm).
Prawo Stefana-Boltzmanna
Określa zależność pomiędzy emitancją promienistą do półprzestrzeni ciała czarnego a temperaturą bezwzględną.
E = σ T4
gdzie:
σ = 5,6693 x 10-8 [Wm-2K-4] – Stała Stefana Boltzmanna
Elementy kamery termowizyjnej
Układ optyczny podczerwieni
. zwierciadlany (układ luster skracających obiektyw przy zachowaniu drogi światła równej ogniskowej),
. refrakcyjny (układ soczewek zwierciadeł pryzmatów płytek płasko-równoległych),
. mieszany (kompilacja powyższych).
Detektory promieniowania IR
Detektor jest urządzeniem zamieniającym promieniowanie podczerwone na wielkość fizyczną. W kamerze termowizyjnej detektory tworzą najczęściej matrycę liniową lub prostokątną, która przetwarza promieniowanie podczerwone na mapę temperatury.
Detektory promieniowania mogą być wykonane z następujących materiałów: kadmowy tellurek, antymonek indu, krzemki platyny, selenek ołowiu, siarczek ołowiu. Matryce chłodzone są najczęściej: ciekłym azotem lub termoelektrycznie.
Uzyskanie ekstremalnych wykrywalności małych różnic energii sygnałów promiennych wiąże się z potrzebą minimalizacji szumów własnych detektora. W tym celu konieczne jest znaczne obniżenie jego temperatury.
Stosowane są trzy typy układów chłodziarek:
. otwarte, napełniane ciekłym azotem,
. kriogeniczne zamknięte,
. termoelektryczne.
Obecnie wprowadza się matryce bolometryczne, niewymagające chłodzenia, a tylko stabilizacji temperatury.
Tomasz Zduniewicz
ISCMOiB, Oddział Szkła w Krakowie
Powyższy tekst stanowi fragment art. „Termografia w podczerwieni w hutniczym przemyśle szklarskim” opublikowanym w „Świecie Szkła” 6/2008
patrz też:
- Zastosowania termowizji w budownictwie Część 1 , Józef Osiadły, Świat Szkła 11/2010
- Ocena energetyczna budynków i jej termowizyjna weryfikacja Część 2, Józef Osiadły, Świat Szkła 10/2010
- Ocena energetyczna budynków i jej termowizyjna weryfikacja. Część 1 , Józef Osiadły, Świat Szkła 9/2010
- Termografia w podczerwieni w hutniczym przemyśle szklarskim, Tomasz Zduniewicz, Świat Szkła 6/2008
- Nowoczesne narzędzie diagnostyki cieplnej. Cz. 1, Jan Górski, Świat Szkła 9/2008
- Nowoczesne narzędzie diagnostyki cieplnej. Cz. 2, Jan Górski, Świat Szkła 10/2008
- Zastosowanie termografii w podczerwieni w budownictwie, Tomasz Wiśniewski, Świat Szkła 9/2006
- Dobrze wybrać, S. Żmuda, Świat Szkła - numer specjalny Termowizja w przemyśle szklarskim i budownictwie
oraz:
- Nowe możliwości wykorzystania badań termowizyjnych w przemyśle szklarskim , Józef Osiadły, Świat Szkła 7-8/2010
- Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 6 , Józef Osiadły, Świat Szkła 5/2010
- Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 5 , Józef Osiadły, Świat Szkła 12/2009
- Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 4 , Józef Osiadły, Świat Szkła 10/2009
- Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 3 , Józef Osiadły, Świat Szkła 9/2009
- Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 2 , Józef Osiadły, Świat Szkła 6/2009
- Zastosowania termowizji w przemyśle szklarskim - Część 1 , Józef Osiadły, Świat Szkła 5/2009
inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne