2014-12-05 i jej wykorzystanie w diagnostyce pojazdów szynowych KATEDRA TRANSPORTU SZYNOWEGO WYDZIAŁ TRANSPORTU POLITECHNIKA ŚLĄSKA W KATOWICACH Dr inż. Mańka Adam
Temperatura jest wielkością fizyczną wpływającą na wszelkie naturalne zjawiska fizyczne oraz na wszystkie procesy fizjologiczne, technologiczne i cieplne. Jest to również jeden z najważniejszych parametrów we wszelkich badaniach naukowych. W wielu przypadkach znajomość temperatury warunkuje trwałość i bezpieczeństwo obsługi urządzeń i aparatury. Dokładny pomiar temperatury, a niekiedy jej stałość ma zasadniczy wpływ na wyniki badań we wszystkich dziedzinach nauki, niekiedy tak odległych od siebie jak medycyna i astronomia, geologia i loty kosmiczne, rolnictwo i przetwórstwo metali. Dokładny pomiar temperatury jest konieczny dla dokładnej jej regulacji, co zasadniczo wpływa na jakość procesów produkcyjnych. 2014-12-05 2
Teoretycznie każdy parametr ciała zmieniający swoją wartość w funkcji temperatury można wykorzystać jako jej miarę. Można, więc posłużyć się zjawiskiem zmian wymiarów liniowych, gęstości, oporności elektrycznej, naprężenia mechanicznego, barwy itp. Praktycznie do określania temperatury znalazły zastosowanie tylko niektóre z wyżej wymienionych własności. 2014-12-05 3
Istnieje wiele metod pomiaru temperatury różniących się zasadą działania, zakresem pomiarowym i typowymi zastosowaniami. Ogólnie znane i powszechnie stosowane są pomiary temperatury za pomocą termometrów rtęciowych, termoelementów (zwanych pospolicie termoparami), termometrów oporowych i manometrycznych. Wszystkie wymienione przyrządy mają jednak szereg wad, a mianowicie: mogą być używane tylko do wyznaczania temperatury w wąskim zakresie pomiarowym, nie nadają się najczęściej do pomiaru temperatury ponad 1200ºC, otrzymywany sygnał przeważnie nie może być stosowany w układach rejestracji, sterowania lub automatyzacji procesu technologicznego, dodatkowym utrudnieniem przy prowadzeniu pomiarów czujnikami wymienionych typów jest konieczność wprowadzania przyrządu do wnętrz ciała ogrzanego, co nastręcza wielokrotnie duże trudności. 2014-12-05 4
Przyrządami pozbawionymi wymienionych wad są pirometry i kamery termowizyjne. Są one przystosowane są do bezstykowego pomiaru temperatury. W pirometrach i kamerach termowizyjnych temperaturę wyznacza się w oparciu o promieniowanie temperaturowe wysyłane przez ciało lub ośrodek badany, zarówno w zakresie promieniowania jak i części promieniowania podczerwonego. Pirometry i kamery termowizyjne mają szereg zalet, które kwalifikują je do grupy przyrządów uniwersalnych. Przede wszystkim nie wprowadzają zakłóceń w mierzone pole temperaturowe, mogą być stosowane do nieograniczenie wysokiej temperatury, do pomiarów płomieni i gazów. Mają małą bezwładność cieplną, dużą dokładność, a sygnał otrzymywany z tych urządzeń jest zazwyczaj przystosowany do współpracy z układami rejestracji, sterowania i automatyzacji procesów technologicznych. 2014-12-05 5
(ang. thermovision) to specjalny rodzaj telewizji, która rejestruje ciepło emitowane przez obiekty będące w jej polu widzenia, a dokładniej emisję promieniowania podczerwonego. U podstaw działania termowizji leży prawo Stefana- Boltzmanna, które mówi, że całkowita energia wypromieniowywana przez ciało doskonale czarne jest proporcjonalna do czwartej potęgi jego temperatury. W praktyce stosuje się także, pojęcie ciała szarego. Emituje (lub absorbuje) ono mniej energii niż ciało doskonale czarne. Zależy to bowiem od współczynnika emisyjności (absorpcji), danej powierzchni, który jest funkcją składu chemicznego oraz stanu tejże powierzchni. polega więc na rejestrowaniu przez specjalną kamerę, podczerwonej części widma emitowanego przez ciało, które następnie jest przetwarzane na kolorową mapę temperatur. Innymi słowy system termowizyjny jest niczym innym niż dość niezwykłym termometrem. Niezwykłym, bo umożliwia pomiar temperatury na odległość i jednocześnie w wielu miejscach. Należy jedynie pamiętać, że bezpośrednie porównywanie temperatur na termogramie (kolorowym obrazie rozkładu temperatur) jest możliwe tylko dla tych samych materiałów. Jeżeli są one różne, to temperatury należy przeliczyć. 2014-12-05 6
Emisyjność jest wskaźnikiem mówiącym o zdolności danego obiektu wypromieniowania energii promienistej. Dużą wartość ε obiektu świadczy o tym, że jest on dobrze mierzalny przez kamerę. Jeśli ε jest bliskie zera, to świadczy o tym, że obiekt jest trudno mierzalny przez kamerę. Wiąże się to z wpływem promieniowania otoczenie odbitego od obiektu. Wartość współczynnika emisyjności zależy od rodzaju materiału, wykończenia jego powierzchni (polerowana, utleniona), geometrii powierzchni, temperatury materiału [T], długości fali obserwacji [λ] promieniowanie krótko i długofalowe, kąta obserwacji [α]. Istnieją też doniesienia naukowe mówiące o tym, że dla zjawisk o dużej szybkości zmian temperatury następują również znaczące zmiany emisyjności. Efekt ten jest powodem pogorszenia dokładności pomiaru temperatury szybkich procesów cieplnych za pomocą za pomocą metod bezstykowych. Ogólnie można więc zapisać, że: τ czas [s], T temperatura materiału [ºC], λ długość fali obserwacji [μm], α kąt obserwacji [rad]. 2014-12-05 7
Promieniowanie obiektu, po przejściu przez atmosferę, pada na układy optyczne kamery termowizyjnej. Optyka kamery jest wykonana z materiałów, które nie są przezroczyste dla światła widzialnego. Najczęściej jest to krzem Si lub german Ge. Dla kamer krótkofalowych SW: 2 5μm (SW ang. Short Wave) lepsze parametry posiada charakterystyka krzemowa, zaś dla długofalowych LW: 8 14μm (LW ang. Long Wave) germanowa. Przy konstrukcji układów optycznych należy uwzględnić problematykę załamania promieniowania podczerwonego na granicy dwóch ośrodków (np. atmosfery i materiału optyki). Każdy materiał optyki tłumi promieniowanie obiektu. Jest to poważny problem w konstrukcji kamer termowizyjnych, tym bardziej, że często optyka składa się z dwóch lub więcej soczewek. W celu uniknięcia strat użytecznego promieniowania obiektu, stosuje się odpowiednio dobrane, najczęściej wielowarstwowe, powłoki antyrefleksyjne, którymi pokrywa się soczewki. Są to bardzo cienkie powłoki o grubości rzędu 0,25μm. Uzyskanie mniejszych strat promieniowania umożliwia zbudowanie czulszych kamer o mniejszej wartości temperaturowej zdolności rozdzielczej. 2014-12-05 8
Detektor podczerwieni jest przetwornikiem energii promieniowania podczerwonego na inną wielkość fizyczną np. prąd, napięcie, zmianę rezystancji lub pojawienie się ładunku. Najprostszy detektor podczerwieni zastosował Herschel w swym doświadczeniu. Był to szklany termometr rtęciowy. W literaturze można spotkać różne kryteria podziału detektorów. Podzielono je na detektory termiczne i fotonowe. Pryncypalnie odmienny (raczej z punktu widzenia użytkownika) podział detektorów to: chłodzone i niechłodzone, pracujące w temperaturze otoczenia. Do 1997 roku wszystkie produkowane kamery termowizyjne były wyposażone w detektory chłodzone do temperatury od 70ºC (rzadko,) do 200ºC (najczęściej). Detektory w kamerach termowizyjnych mogą też być pojedyncze, linijkowe lub budowane w postaci matryc (ang. FPA - Focal Plane Array rys. poniżej), składających sic np. z 320 x 240 pojedynczych detektorów (pikseli). 2014-12-05 9
Przykładowe detektory matrycowe FPA 2014-12-05 10
W związku z faktem, ze wyróżnia się dwa pasma dobrego przepuszczania promieniowania atmosfery, tj. krótkofalowe SW 2 5μm oraz długofalowe LW 8 14μm, wytworzył sic także naturalny podział detektorów i kamer termowizyjnych na krótkofalowe i długofalowe. Historycznie było inaczej! Najpierw, około 40 lat temu, opracowano detektory InSb (2,5 5,6 μm), które długo,,królowały w konstrukcji kamer. Potem prace, głównie nad detektorem HgCdTe, doprowadziły do,,opanowania przedziału 8 14μm, co pokryło sic z istniejącymi oknami atmosferycznymi, prowadząc do podziału SW, LW. Przy doborze detektorów do kamer należy zapewnić, aby w tych pasmach charakteryzowały się maksymalną wykrywa1nością. Technologia produkcji detektorów podczerwieni należy obecnie do najbardziej dynamicznie rozwijających sic dziedzin wiedzy. Dlatego corocznie pojawiają, się setki publikacji przeg1ądowych, oryginalnych patentów na ten temat. 2014-12-05 11
Wśród detektorów termicznych można wyróżnić: Detektory bolometryczne są to rezystory o bardzo malej pojemności cieplnej i dużym ujemnym współczynniku temperaturowym zmian rezystancji. Pod wpływem mierzonego promieniowania zmieniają, swoje rezystancje. Bolometry metaliczne, wykonywane z cienkich folii lub z naparowanych warstw niklu, bizmutu lub antymonu, są stosowane do chwili obecnej. Ich cecha charakterystyczną jest to, że mogą pracować w temperaturze pokojowej. Budowane są, też detektory bolometryczne półprzewodnikowe, nadprzewodzące oraz ferroelektryczne. Detektory termoelektryczne są zbudowane na bazie termostosu (układ szeregowo połączonych termoelementów). Złącze pomiarowe jest połączone z elementem fotoczułym, na który pada promieniowanie podczerwone. Pod wpływem zaabsorbowanego promieniowania wzrasta temperatura powierzchni aktywnej od T do T+ ΔT, powodując nagrzanie złącza. Różnica temperatur złączy powoduje powstanie siły termoelektrycznej. Detektory piroelektryczne są zbudowane z półprzewodników, w których może wystąpić tzw.,,zjawisko piroelektryczne. Cechą odróżniającą je od innych typów detektorów termicznych jest to, że są czułe na szybkości zmian temperatury, a nie na jej wzrost. Dlatego w kamerach termowizyjnych na1eży zastosować specjalne przesłony wibrujące z częstotliwością 25(30) lub 50(60) Hz. Powodują one, ze porównywany jest poziom promieniowania padającego na dwa sąsiednie detektory (piksele). Jeżeli występuje różnica natężenia promieniowania, wówczas generowany jest sygnał pozwalający na zobrazowanie występujących różnic. Jeżeli różnica nie występuje, wówczas brak jest także reakcji detektora. Ta cecha powoduje, że niekiedy wykorzystywane są one również jako czujniki (detektory) ruchu. Detektory te występują jako niechłodzone w kamerach obserwacyjnych. 2014-12-05 12
Wśród detektorów fotonowych można wyróżnić: Detektory fotoprzewodzące (zwane fotorezystorami) są to detektory z tzw. wewnętrzną emisją fotoe1ektryczną. Padające promieniowanie podczerwone powoduje zmianę rezystancji fotorezystora. Zmiany przewodnictwa są mierzone na kontaktach elektrycznych dołączonych do płytki detektora. Zwykle jest stosowana poprzeczna geometria fotorezystorów, gdy padające promieniowanie jest prostopadłe do kierunku prądu po1aryzującego. Mierzony sygnał stanowi zmianę napięcia na rezystorze obciążenia włączonego w szereg z detektorem. W przypadku detektorów o dużej rezystancji preferowany jest obwód stałonapięciowy, a sygnał pomiarowy stanowi prąd w obwodzie detektora. Detektory fotoemisyjne są to detektory z tzw. zewnętrzną emisją fotowoltaiczną. Zjawisko fotoemisji polega na emisji elektronów z materiału na zewnątrz (z fotokatody do wolnej przestrzeni) w wyniku wybicia go przez padający foton. Foton jest absorbowany w materiale fotokatody osadzonym na podłożu. Często materiał podłoża jest przezroczysty dla padającego promieniowania. Detektory na studniach kwantowych (QWIP Quantum Well Infrared Photodetector - studniowe fotonowe detektory podczerwieni) opracowała Firma AT&T na początku lat 90. Strukturę stanowią cienkie warstwy A1GaAs oraz GaAs. W celu zapewnienia optymalnych parametrów pracy wymagają schłodzenia do temperatury 203ºC ( 70K) za pomocą chłodziarki Stirlinga zabudowanej w naczyniu Dewara, czyli wymagają nieco większego schłodzenia niż typowe detektory chłodzone: 196ºC ( 77K). Obecnie są to najczulsze detektory o temperaturowej zdo1ności rozdzielczej 20 40mK, dlatego stosowane są głównie do badań naukowych. Największa wykrywa1ność widmową mają. w paśmie długofalowym (LW) 8 9μm o bardzo wąskiej szerokości, tj. 1μm. Ich cechą charakterystyczną jest stosunkowo wysoka jednorodność poszczególnych elementów (pikseli) matrycy. 2014-12-05 13
Wyróżnia się dwa pasma dobrego przepuszczania promieniowania atmosfery, tj. krótkofalowe SW 2 5µm oraz długofalowe LW 8 14 µm. Wytworzył się także naturalny podział detektorów i kamer termowizyjnych na krótkofalowe i długofalowe. Przy doborze detektorów do kamer należy zapewnić, aby w tych pasmach charakteryzowały się maksymalne czułością. Inny podział, wynikający z rodzaju zastosowanych detektorów, to kamery z detektorami: chłodzonymi (w których zastosowano chłodziarki) i niechłodzonymi, pracującymi w temperaturze otoczenia. Do 1997 roku wszystkie produkowane kamery termowizyjne były wyposażone w detektory chłodzone do temperatury od 70 C (rzadko) do 200 C (najczęściej). Ponadto na rynku spotyka się kamery pomiarowe, wzorcowane u producenta, służące do pomiaru temperatury, oraz kamery obserwacyjne, pokazujące tylko barwny rozkład temperatury obszaru. Kamery obserwacyjne są tańsze od pomiarowych, dlatego stosowane są często, np. przez straż graniczną do nocnych obserwacji granic. Detektory w kamerach termowizyjnych mogą być pojedyncze, linijkowe lub też budowane w postaci matryc (ang. FPA - Focal Plane Array), składających się np. z 320x240 pojedynczych detektorów (pikseli). 2014-12-05 14
Materiał został opracowany na podstawie monografii: - Minkin W.: Pomiary termowizyjne przyrządy i metody Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2004; - http://www.termowizja.biz 2014-12-05 15
- 2014-12-05 16