Zastosowanie kamery termowizyjnej i spektrometru do badania filtrów w zakresie MWIR

Transkrypt

1 Zastosowanie kamery termowizyjnej i spektrometru do badania filtrów w zakresie MWIR The application of thermal imaging camera and spectrometer to research of filters in the MWIR range Michał Kopeć Zakład Układów Elektronicznych i Termografii; Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki; Politechnika Łódzka michal.kopec@dokt.p.lodz.pl Abstrakt W niniejszym artykule został przedstawiony sposób wyznaczania charakterystyk widmowych filtrów optycznych dla wybranych zakresów długości fali. Celem badań było wykorzystanie kamery termowizyjnej oraz spektrometru do wyznaczania charakterystyk widmowych filtrów optycznych oraz detekcji wybranych gazów. Kamery termowizyjne znajdują główne zastosowanie w obrazowaniu temperatury powierzchniowej ciał stałych. W celu wykrycia gazu, za pomocą specjalnego uchwytu oraz dostępnych filtrów mocowanych na zewnątrz kamery, została przeprowadzona próba detekcji. Parametry filtrów zostały wyznaczone za pomocą systemu składającego się z kamery termowizyjnej, spektrometru MS260i z dwoma przełączanymi siatkami dyfrakcyjnymi w konfiguracji Czerny-Turnera oraz ciała doskonale czarnego. Wykorzystanie filtrów pozwala ograniczyć zakres czułości widmowej kamery do długości fal promieniowania podczerwonego, które pokrywają się z pasmem absorpcyjnym (emisyjnym) wybranych gazów (np. CO, węglowodory), dzięki czemu kamera zyskuje możliwość ich obrazowania na tle zapewniającym kontrast termiczny. Artykuł zawiera także analizę uzyskanych charakterystyk widmowych i klasyfikację filtrów na podstawie uzyskanych charakterystyk. Ponadto zostały zaprezentowane wyniki z detekcji kamerą termowizyjną z zamontowanymi filtrami na przykładzie wybranych gazów. Abstract This paper presents a method for determination of spectral characteristics of optical filters for the selected wavelength. The aim of this study was to use the thermal imaging camera and spectrometer to determinate spectral characteristics of

2 2 Michał Kopeć chosen gases. By using a special handle and available filters installed outside camera it was possible to detect gases with emission/absorption peaks corresponding to pass band of the filters. The filter parameters were obtained by using a system consisting of a thermal imaging camera, a spectrometer MS260i with two switchable diffraction gratings in the Czerny-Turner configuration and a black body model. The filters limit the spectral sensitivity range to the infrared wavelengths, which are coincide with the absorption band (emission band) of selected gases (e.g. CO, hydrocarbons). So that, the camera has possibility of gas imaging on the thermal constant background. The paper contains also analysis of obtained spectral characteristics and filters classification on the basis of obtained results. Moreover, the results of the thermal imaging camera detection with installed filters were presented. Słowa kluczowe Filtr optyczny, kamera termowizyjna, spektrometr. Key words Optical filter, thermal imaging camera, spectrometer. Wstęp Filtry optyczne służą do filtrowania przechodzącej przez nie wiązki promieniowania podczerwonego poprzez tłumienie niechcianego pasma promieniowania podczerwonego, a przepuszczaniu przezeń jedynie składowych widma sygnału o wymaganej długości fali. W celu wyznaczenia charakterystyki widmowej, która może być funkcją długości fali promieniowania podczerwonego, użyto układu w postaci kamery termowizyjnej i spektrometru. Rozwiązanie takie ma wiele zalet. Kamera termowizyjna to urządzenie mobilne, które umożliwia detekcję na odległość. W przypadku wykrywania gazów ma to kluczowe znaczenie, szczególnie dla gazów wybuchowych, gdyż nie trzeba docierać bezpośrednio do chmury wycieku. Kluczowe znaczenie ma również fakt, że wynik pomiaru jest wyświetlany na bieżąco w ekranie kamery. Dzięki temu detekcja, bądź kontrola nie zajmuje zbyt wiele czasu. Ze względu na zasadę działania można dokonać podziału filtrów optycznych na dwie grupy: absorpcyjne i interferencyjne. Zasada działania filtrów optycznych absorpcyjnych opiera się na zjawisku absorpcji. Wiązka promieniowania podczerwonego przenikająca przez substancję jest pochłaniana (absorbowana) przez nią. Część zaabsorbowana wiązki promieniowania podczerwonego o określonej długości fali zanika, co w konsekwencji skutkuje zwiększeniem energii wewnętrznej tej substancji [1]. Jedynie znikoma część promieniowania padającego na filtr ulega odbiciu [2]. Dalszy podział filtrów absorpcyjnych można dokonać na transmisyjne i odbiciowe. Natomiast filtry interferencyjne składają się z kilku warstw:

3 Zastosowanie kamery termowizyjnej do badania filtrów w zakresie MWIR 3 zewnętrznych przepuszczających promieniowanie podczerwone oraz cienkiej warstwy środkowej. Warstwa środkowa jest wykonywana poprzez napylenie w próżni kolejnych warstw dielektrycznych lub przewodzących. Zasada działania opiera się na zjawisku interferencji oraz wielokrotnemu odbiciu fal przechodzących przez filtr. Wiązka promieni podczerwonych przechodząc przez granice dwóch warstw w części środkowej ulega odbiciu. Dalej przechodząc przez kolejną warstwę w części środkowej następuje kolejne częściowe odbicie. Po przejściu promieni podczerwonych przez filtr następuje wzajemna interferencja. Promienie podczerwone pokonują różne drogi optyczne, w związku z czym długości fali promieniowania podczerwonego są wzmacniane i wygaszane [3]. W niniejszym artykule został przedstawiony sposób wyznaczania charakterystyk widmowych filtrów optycznych dla wybranych długości fali. Artykuł zawiera także analizę uzyskanych charakterystyk widmowych i klasyfikację filtrów na podstawie uzyskanych charakterystyk. Ponadto zostały zaprezentowane wyniki z detekcji kamerą termowizyjną z zamontowanymi filtrami na przykładzie wybranych gazów. Stanowisko pomiarowe Stanowisko pomiarowe składało się z kamery termowizyjnej Cedip Titanium z chłodzonym detektorem InSb (In-Ind, Sb-Antymon), 640 x 512 pikseli FPA 1, NETD 2 = 20 mk [4], spektrometru MS260i z dwoma przełączanymi siatkami dyfrakcyjnymi w konfiguracji Czerny-Turnera [5], ciała doskonale czarnego Fluke 4181 [6] oraz badanych filtrów. Wielkość dostępnych filtrów to 4,5 mm; 5,4 mm (wysokość; średnica). Wykorzystany spektrometr posiada wejściową i wyjściową szczelinę z regulacją wysokości i szerokości, za pomocą których reguluje się przepustowość oraz rozdzielczość. Seria termogramów została uzyskana za pomocą dedykowanego oprogramowania Altair [7]. Schemat stanowiska pomiarowego został zaprezentowany na rys FPA - ang. Focal Plane Array; matryca pojedynczego detektora, 2 NETD - ang. Noise Equivalent Temperature Difference; czułość termiczna.

4 4 Michał Kopeć Rys.1. Schemat stanowiska pomiarowego. Źródło: [5], [8] Jak widać na rys. 1 model ciała doskonale czarnego jest źródłem promieniowania podczerwonego, ściśle powiązanego przez rozkład Plancka. Ustawiona temperatura na modelu ciała doskonale czarnego wynosiła 200 C. Wiązka promieniowania podczerwonego, pochodząca ze źródła przenikała przez filtr, a następnie trafiała do szczeliny wejściowej w spektrometrze. Zasada działania filtrów została opisana w rozdziale wstęp. Spektrometr umożliwia obserwowanie sceny dla różnych długości fali. Zasada działania opiera się na obracanej siatce dyfrakcyjnej, co pozwala zmieniać długości fali promieniowania podczerwonego [9]. Z wykorzystaniem dedykowanego programu do spektrometru przebadano filtry w zakresie nm z krokiem 25 nm. Konfiguracja optyczna tego spektrometru to układ Czerny- Turnera, który składa się z dwóch zwierciadeł i siatki dyfrakcyjnej. Pierwsze zwierciadło dokonywało zrównoleglenia wiązki promieniowania podczerwonego i skierowania jej na siatkę dyfrakcyjną. Następowało ugięcie wiązki i zogniskowanie jej na szczelinie wyjściowej [10]. Po przejściu przez szczelinę wyjściową wiązka promieniowania podczerwonego trafiała do układu detekcji (kamery termowizyjnej). Obracana siatka dyfrakcyjna była ustawiona tak, aby można było uzyskać 1. rząd dyfrakcji. Rozwiązanie takie umożliwiało wydzielenie z wiązki promieniowania podczerwonego składowej o wymaganej długości fali. Uzyskane wyniki Zarejestrowane serie termogramów zostały poddane analizie. Przykłady uzyskanych termogramów przedstawiono na rys. 2 i rys. 3, dla początku procesu rejestracji (rys. 2) oraz dla pasma przepustowego (rys. 3). Na rys. 3 widać warstwę

5 Zastosowanie kamery termowizyjnej do badania filtrów w zakresie MWIR 5 szklaną filtru, co potwierdza że akurat w tym momencie uzyskanej sekwencji termogramów występuje pasmo przepustowe filtru. Rys.2 Przykład uzyskanego termogramu - dla początku procesu rejestracji. Źródło: pomiary własne Rys.3. Przykład uzyskanego termogramu - z widoczną warstwą szklaną filtra. Źródło: pomiary własne

6 6 Michał Kopeć Po uzyskaniu danych liczbowych z sekwencji termogramów zostały wykreślone charakterystyki widmowe oraz współczynnika transmisji w funkcji długości fali promieniowania podczerwonego, których przykłady zostały zaprezentowane na rys. 4,5,6,7. Rys.4. Charakterystyka widmowa w funkcji długości fali dla filtru o oznaczeniu "2". Źródło: obliczenia własne Rys.5. Charakterystyka współczynnika transmisji w funkcji długości fali dla filtru o oznaczeniu "2". Źródło: obliczenia własne

7 Zastosowanie kamery termowizyjnej do badania filtrów w zakresie MWIR 7 Rys.6. Charakterystyka widmowa w funkcji długości fali dla filtru o oznaczeniu "6". Źródło: obliczenia własne Rys.7. Charakterystyka współczynnika transmisji w funkcji długości fali dla filtru o oznaczeniu "6". Źródło: obliczenia własne Szczegółowe wyniki dla zaprezentowanych oraz pozostałych charakterystyk zostały przedstawione w tab. 1. Filtry o oznaczeniu 4 i 5 nie wykazały pasma przepustowego w przebadanym zakresie długości fali tj nm. Tab. 1. Zbiorcza tabela wyników. Nr filtru λ 3 O, µm λ 4 L, µm λ 5 H, µm B 6, µm B 7 S [11] 1 4,38 4,35 4,42 0,07 N 2 O 8 2 4,15 4,13 4,17 0,04 9 cyjan, CO 2 3 3,30 3,28 3,33 0,05 CH , O 3 3 λ O - środkowa długość fali, 4 λ L - graniczna dolna długość fali, 5 λ H - graniczna górna długość fali, 6 B - szerokość pasma przepustowego, wyliczona ze wzoru B = λ H - λ L, 7 B s - przykład związku charakterystycznego dla zakresu pasma przepustowego, 8 N 2 O - tlenek azotu (I), 9 CO 2 - dwutlenek węgla.

8 8 Michał Kopeć ,44 3,41 3,48 0,07 C 3 H 12 8, 13 C 4 H ,20 3,17 3,23 0,06 14 C 3 H 6 W ramach badań została przeprowadzona próba detekcji z wykorzystaniem kamery termowizyjnej, filtru i modelu ciała doskonale czarnego, na przykładzie wybranego gazu - propanu (C 3 H 8 ). Termogram z nagranej sekwencji detekcji zaprezentowano na rys. 8. Rys.8. Uzyskany termogram z detekcji propanu - filtr "6". Źródło: pomiary własne. Na rys. 8 w obszarze widzenia filtru "6" widać wylatujący strumień gazu z pojemnika pod ciśnieniem. Propan jest gazem bezwonnym i bezbarwnym, ale łatwopalnym [12]. Wykonany układ detekcji potwierdza możliwość wykrywania gazów, z pewnością w zaawansowanej formie znalazłby zastosowanie w przemyśle petrochemicznym. 10 CH 4 - metan, 11 O 3 - ozon, 12 C 3 H 8 - propan, 13 C 4 H 10 - butan, 14 C 3 H 6 - propylen.

9 Zastosowanie kamery termowizyjnej do badania filtrów w zakresie MWIR 9 Wnioski Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że przebadane filtry należą do rodzaju interferencyjnego o charakterze pasmowo-przepustowym. Na przykładzie zaprezentowanych charakterystyk widmowych widać, że tłumienie filtru jest największe poza pasmem przepustowym. Filtry pasmowo-przepustowe określa się za pomocą parametrów: granicznej dolnej długości fali λ L, granicznej górnej długości fali λ H, środkowej długości fali λ O oraz pasma przepustowego. Parametry λ O oraz λ L i λ H można powiązać zależnością (1): (1) o L H Parametry λ O, λ L i λ H odczytane z charakterystyk są poprawne, ponieważ spełniają równanie (1). Dla każdej uzyskanej serii termogramów został wyliczony współczynnik transmisji promieniowania podczerwonego. Zależność, z której skorzystano to: I I IU 3 IU 2 gdzie: I U1 - natężenie promieniowania przepuszczane przez filtr, I U1 - natężenie promieniowania pochodzące od obudowy filtru, I U3 - natężenie promieniowania padające na filtr. U1 U 2 (2) Miejsca oznaczenia natężeń promieniowania zaprezentowano za pomocą rys. 9. Rys.9. Filtr na tle modelu ciała doskonale czarnego - objaśnienie oznaczeń we wzorze (2) Źródło: [13]

10 10 Michał Kopeć W tab. 2 zostały zaprezentowane wartości wyliczonych współczynników transmisji dla poszczególnych filtrów. Tab. 2. Wartości współczynników transmisji dla poszczególnych filtrów. Nr filtru Wartość wsp. transmisji 1 0,33 2 0,93 3 0, ,35 7 0,35 Współczynnik transmisji promieniowania podczerwonego jest stosunkiem natężenia promieniowania przepuszczanego przez filtr do natężenia promieniowania padającego na filtr (pochodzącego z modelu ciała doskonale czarnego). Wzór (2) uwzględnia wpływ obudowy filtru. Pożądana jest wysoka wartość współczynnika transmisji światła. Filtr "2", spośród wszystkich przebadanych filtrów, okazał się mieć najwyższą wartość współczynnika transmisji w paśmie przewodzenia. Ponadto należy stwierdzić, że pasma przepustowe filtrów są bardzo wąskie, dzięki czemu można uzyskiwać szczegółowe informacje o analizowanej substancji.

11 Zastosowanie kamery termowizyjnej do badania filtrów w zakresie MWIR 11 Literatura V. Kochergin, Omnidirectional Optical Filters, (2003). G. Gralewicz, G. Owczarek, J. Kubrak, Interferencyjne filtry blokujące promieniowanie podczerwone, Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 256, (2012). H. W. Siesler, Y. Ozaki, S. Kawata, H. M. Heise, Near-Infrared Spectroscopy Principles, Instruments, Applications Filters, (2002). Cedip Infrared Systems, Titanium Series, karta katalogowa. Oriel Instruments: Cornerstone 260 1/4m Monochromator Family User Manual. Newport Corporation Irvine (2015). Dostępny w Internecie: Fluke Corporation: 4180, 4181 Precision Infrared Calibrator Technical Guide (2013). Dostępny w Internecie: product_details. Altair User Manual. Cedip Infrared Systems, Version (8 styczeń 2010). Dostępny w Internecie: (27 październik 2015). Olbrycht R., Rzeszotarski D.: Hyperspectral LWIR measurements with imaging diffraction grating spectrometer and uncooled thermal camera, Measurement Automation Monitoring 2015, 61/6, Olbrycht R., Więcek B., Kałuża M.: Spectral infrared analysis in thermal cameras with diffraction gratings, QIRT VPL Molecular Spectroscopic Database. Dostępny w Internecie: (28 październik 2015). Karta charakterystyki sporządzona zgodnie z rozporządzeniem UE nr 453/2010. Propan. (3 kwiecień 2012). Dostępny w Internecie: 20Development.pdf (28 październik 2015).