Przygotowania do prowadzenia pomiarów 1 Spis treści Emisyjność... 3 Temperatura otoczenia... 8 Pozostałe parametry... 11 Symulator: Symulacja konfiguracji kamery termowizyjnej... 12
Kamera termowizyjna mierzy i przedstawienia w postaci obrazu docierające do jej przetwornika promieniowanie podczerwone. Z tego powodu, że natężenie promieniowania jest funkcją temperatury powierzchni badanego obiektu, kamera może na podstawie sygnału z przetwornika obliczyć i przedstawić jego obraz termiczny. 2 Jednak energia docierająca do przetwornika kamery nie zależy tylko od temperatury badanego obiektu. Bardzo istotny wpływ na jej poziom ma rodzaj materiału, z którego wykonany jest obiekt oraz struktura jego powierzchni. Wpływ tych czynników uwzględnia parametr nazywany emisyjnością. Generatorami promieniowania docierającego do kamery są także inne źródła ciepła znajdujące się w pobliżu badanego obiektu, odbijające się w jego powierzchni. Także powietrze znajdujące się między kamerą i badanym obiektem emituje własne promieniowanie, a równocześnie tłumi energię docierającą do kamery od tego obiektu. Poziom tego promieniowania, jak i stopień tłumienia zależy przede wszystkim od odległości od badanego obiektu oraz wilgotności i temperatury powietrza. W związku z tym, w celu przeprowadzenia poprawnych, dokładnych pomiarów temperatury konieczne jest uwzględnienie tych wszystkich czynników. Kamera termowizyjna jest w stanie skompensować wpływ tych czynników, jednak musimy jej dostarczyć odpowiednich wartości, opisujących te czynniki. Dlatego, przed rozpoczęciem pomiarów, musimy określić: emisyjność obiektu, którego temperaturę chcemy mierzyć, temperaturę otoczenia, czyli temperaturę odbitą, temperaturę atmosfery, wilgotność względną atmosfery, odległość do badanego obiektu.
3 Emisyjność Jest to najważniejszy parametr przy pomiarach termowizyjnych. Bez poprawnego określenia jego wartości dla badanego obiektu nie ma senesu w ogóle zabierać się za pomiary, gdyż uzyskanie wyniki mogą różnić się od rzeczywistej temperatury o dziesiątki stopni. Na pokazanym powyżej termogramie dokonano pomiaru temperatury kilku różnych próbek materiałów. Rzeczywista temperatura całej powierzchni wynosi około 50 C, co jest widoczne w punkcie pomiarowym Sp1. Pomiar w tym punkcie jest poprawny, gdyż emisyjność badanej powierzchni w tym miejscu jest zgodna z ustawieniami kamery i wynosi 0,95. Natomiast wyniki pomiarów w pozostałych punktach różnią się drastycznie od rzeczywistej temperatury w punkcie Sp3 różnica ta przekroczyła 30 C. A wszystko dlatego, że emisyjność materiałów w pozostałych punktach pomiarowych znacząco różniła się od tej, ustawionej w kamerze. W jaki sposób określić emisyjność badanego obiektu? W pierwszej kolejności można skorzystać z tak zwanych tabel emisyjności. Są one publikowane na przykład przez producentów kamer termowizyjnych, dostawców usług termograficznych oraz różne instytucje zajmujące się tematyką termografii.
Oto przykładowy fragment takiej tabeli: Materiał Emisyjność Aluminium matowe 0,07 Aluminium polerowane 0,05 Aluminium silnie utlenione 0,25 Brąz, polerowany 0,1 Brąz, porowaty, surowy 0,55 Cegła, standardowa 0,85 Cegła, szkliwo 0,85 Cement 0,54 Chrom, polerowany 0,1 Cynk, arkusz 0,2 Emalia 0,9 Glina, wypalona 0,91 Guma 0,95 Kamień 0,93 do 0,96 Kwarc 0,93 Lód 0,97 Papier, biały 0,9 Papier, czarny, błyszczący 0,9 Puszka polerowana 0,05 Skóra 0,75 do 0,80 Skóra ludzka 0,98 Stal 0,11 Szkło 0,92 Tkanina (czarna) 0,98 Woda 0,98 Zaprawa murarska 0,89 do 0,91 Złoto, polerowane 0,02 4 Jak widać, rozrzut jest bardzo szeroki: od 0,98 dla skóry ludzkiej do 0,02 dla polerowanego złota. Poniższy termogram pokazuje pomiar temperatury na powierzchni głowy. W kamerze ustawiono emisyjność typową dla skóry ludzkiej, czyli 0,98, dzięki czemu uzyskany wynik pomiaru (34 C) jest zgodny ze rzeczywistą temperaturą.
5 Podczas drugiego pomiaru emisyjność w kamerze ustawiona została na wartość 0,5. Nie ma wątpliwości, że uzyskany w ten sposób wynik pomiaru (45,9 C) nie ma nic wspólnego z rzeczywistością. Jednak tabele emisyjności często nie dają jednoznacznych odpowiedzi co do właściwego wyboru wartości. Przykładowo, mierząc temperaturę aluminiowej obudowy urządzenia możemy mieć wątpliwości, czy jest to np. aluminium matowe, czy aluminium silnie utlenione. Wygląd może
być podobny, jednak różnica emisyjności w tych dwóch wypadkach jest bardzo znacząca (prawie czterokrotna). W takim przypadku konieczne może być samodzielne wyznaczenie emisyjności badanego materiału. 6 W celu wyznaczenia emisyjności materiału należy dokonać jego testowego pomiaru w kontrolowanych warunkach. W praktyce oznacza to sytuację, w której znana jest temperatura badanego obiektu i dąży się do uzyskania analogicznego wyniku przy pomocy kamery termowizyjnej, modyfikując w jej ustawieniach parametr emisyjność. Temperatura ta w czasie procedury wyznaczania emisyjności powinna być wyższa od temperatury otoczenia przynajmniej o 20 C. Rzeczywistą temperaturę obiektu można zmierzyć przy pomocy termometru kontaktowego na przykład multimetru cyfrowego z termoparą. Inną metodą bardziej termograficzną jest wyznaczenie temperatury obiektu w oparciu o powierzchnię o znanej emisyjności. W tym celu należy nakleić na badanym obiekcie odcinek taśmy izolacyjnej, której emisyjność wynosi typowo 0,96. Taśma ta musi dokładnie przylegać do powierzchni badanego obiektu tak, aby miała analogiczną jak on temperaturę. Znając emisyjność taśmy można zmierzyć jej temperaturę przy pomocy kamery termowizyjnej w ustawieniach kamery dla parametru emisyjność wprowadzić należy wartość 0,96. Znając temperaturę taśmy znamy tym samym temperaturę badanego obiektu. Następnie w ustawieniach kamery wartość parametru emisyjność należy zmieniać tak długo, aż uzyskany wynik pomiaru temperatury powierzchni badanego obiektu będzie równy uzyskanej wcześniej temperaturze taśmy izolacyjnej. Zmniejszanie w kamerze wartości parametru emisyjność powoduje wzrost odczytywanych wartości temperatury, a zwiększanie spadek. Poniższe termogramy przedstawiają wykorzystanie powyższej metody do wyznaczenia emisyjności dwóch próbek miedzianych matowej i polerowanej. Pierwszy termogram pokazuje wyznaczanie temperatury próbek w oparciu o pomiar temperatury naklejonej na nich taśmy izolacyjnej.
7 Drugi termogram to wyznaczanie emisyjności matowej miedzi emisyjność w ustawieniach kamery była zmniejszana tak długo, aż uzyskany wynik pomiaru temperatury uzyskał wartość analogiczną jak na pierwszym termogramie. Trzeci termogram, to powtórzenie powyższej procedury dla miedzi polerowanej.
8 Uzyskane w ten sposób, w środowisku testowym wartości emisyjności (0,29 dla miedzi matowej i 0,16 dla polerowanej) mogą być teraz używane w środowisku produkcyjnym, czyli do pomiaru temperatury tych elementów miedzianych w rzeczywistych sytuacjach. Temperatura otoczenia Do kamery termowizyjnej, poza promieniowaniem emitowanym przez badany obiekt, dociera także odbite od powierzchni obiektu promieniowanie otoczenia. Poziom tego promieniowania zależy od współczynnika odbicia powierzchni obiektu oraz od natężenia promieniowania obiektów znajdujących się w otoczeniu badanej powierzchni. Szczególnie istotne jest uwzględnienie tego promieniowania w sytuacji, gdy temperatura badanego obiektu jest porównywalna lub niższa od temperatury otaczających go obiektów, a współczynnik emisyjności badanej powierzchni jest niski (czyli jest to powierzchnia silnie odbijająca promieniowanie). W takim przypadku sama obecność operatora kamery termowizyjnej może wpłynąć na wynik pomiaru temperatury. Jeśli w pobliżu badanego obiektu znajdują się silne źródła ciepła, takie jak lampy halogenowe, grzejniki, piece, czy nawet słońce na bezchmurnym niebie, bez uwzględnienia ich wpływu nie uda się uzyskać poprawnych wyników pomiarów. Poniższy termogram pokazuje wpływ poprawnego określenia w ustawieniach kamery wartości temperatury otoczenia (temperatury
odbitej) na wynik pomiaru temperatury próbki polerowanej miedzi. Ostatni termogram z poprzedniego punktu pokazywał temperaturę tej próbki równą 53,8 C przy założeniu, że temperatura otoczenia wynosi 20 C. Jeśli jednak temperatura otoczenia była wyższa i wynosiła 25 C, (co właśnie widać na poniższym termogramie) to uzyskany wynik pomiaru różni się o ponad 20 C. Pokazuje to, jak duży jest wpływ ustawienia temperatury otoczenia na wynik pomiaru. 9 W poniższej tabeli pokazano wpływ ustawienia temperatury odbitej na wynik pomiaru kamerą termowizyjną dla materiałów o różnej emisyjności. Badany materiał Emisyjność Ustawiona temperatura otoczenia (odbita) 10 C 20 C 25 C Taśma izolacyjna 0,96 54,2 C 53,9 C 53,7 C Miedź matowa 0,29 70,5 C 53,9 C 44,2 C Miedź polerowana 0,16 87,3 C 53,8 C 31,8 C Z zestawienia tego wynika, że wpływ temperatury otoczenia na wynik pomiaru silnie zależy od emisyjności badanego obiektu. W przypadku obiektu o wysokiej emisyjności w powyższym przykładzie (taśma izolacyjna, ε=0,96) wpływ ten jest pomijalny, gdyż różnice temperatur są niższe od dokładności pomiarowej kamery termowizyjnej, która typowo wynosi ±2 C. Ale w przypadku próbek miedzianych różnice w uzyskiwanych wynikach są bardzo znaczące, tym większe, im niższa jest
emisyjność próbki. W związku z tym konieczne jest precyzyjne określenie wartości temperatury odbitej. Jeśli w otoczeniu badanego obiektu nie ma istotnych źródeł ciepła, to można przyjąć, że temperatura otoczenia jest równa temperaturze powietrza. 10 Jeśli w otoczeniu badanego obiektu znajdują się punktowe źródła ciepła, to ich wpływ można zniwelować, umieszczając między badanym obiektem, a źródłem ciepła przesłonę, na przykład arkusz tektury, który jest nieprzezroczysty dla podczerwieni. W przypadku bardziej złożonego obrazu termicznego otoczenia (wiele źródeł, o różnych rozmiarach, temperaturach i odległościach) konieczne staje się wyznaczenie doświadczalne wypadkowej temperatury odbitej. Można do tego celu wykorzystać tak zwane lustro Lamberta, czyli powierzchnię, od której światło odbite rozchodzi się równomiernie we wszystkich kierunkach. Dobre przybliżenie takiej powierzchni można uzyskać poprzez zgniecenie i delikatne rozprostowanie folii aluminiowej. Folię tę należy następnie zamocować na arkuszu tektury i umieścić w pobliżu badanego obiektu. Ważne jest, aby folia była odizolowana termicznie od badanego obiektu (nie nagrzewała się od niego), co uzyskuje się zachowując pewien dystans do badanego obiektu. Następnie w konfiguracji kamery termograficznej należy ustawić wartość emisyjności ε=1 i tak przygotowaną kamerą dokonać pomiaru temperatury folii. Uzyskany wynik jest dobrym odzwierciedleniem temperatury odbitej. Ponieważ promieniowanie odbite, zwłaszcza w przypadku obiektów o niskiej emisyjności, może w bardzo istotny sposób wpłynąć na wyniki pomiarów, parametr ten należy wyznaczyć i ustawić w kamerze w pierwszej kolejności, przed rozpoczęciem wyznaczania emisyjności badanego obiektu.
Pozostałe parametry Takie informacje jak temperatura powietrza, wilgotność względna, czy odległość obiektu uzyskać można przy pomocy ogólnie dostępnych akcesoriów, takich jak termometr, higrometr, czy taśma miernicza lub dalmierz. 11 Przy pomiarach obiektów w otwartym terenie trzeba jeszcze uwzględnić wpływ czynników atmosferycznych. Optymalne warunki to bezwietrzna pogoda z silnym zachmurzeniem. Chłodzące działanie wiatru można pominąć, jeśli jego szybkość nie przekracza 1 m/s. Natomiast, jeśli prędkość wiatru przekracza 5 m/s w ogóle nie powinno dokonywać się pomiarów. Również bezchmurne niebo bardzo niekorzystnie wpływa na pomiary termograficzne. Temperatura promieniowania błękitnego nieba jest na poziomie od -50 do -60 C. Choć temperatura światła słonecznego jest bardzo wysoka (około 5500 C), to ze względu na przeważającą powierzchnię nieba wypadkowa temperatura odbita jest zwykle poniżej zera, nawet w słoneczny dzień. W związku z tym bezchmurne niebo wychładza badane powierzchnie, zwłaszcza poziome. Z drugiej strony obiekty wystawione na działanie słońca nagrzewają się, kumulując energię i mogą ją zachować nawet przez kilka godzin po zachodzie słońca. Te efekty istotnie wpływają na wyniki badań termograficznych na przykład izolacji termicznych budynków, uniemożliwiając wyciągnięcie właściwych wniosków z pomiarów. Podwyższona temperatura zewnętrznej ściany budynku może mieć swoje źródło nie w słabej izolacji termicznej, ale w efekcie ogrzewania jej przez słońce. Z drugiej strony niska temperatura zewnętrznej ściany może być efektem wychłodzenia przez wiatr, a nie dobrej izolacji termicznej. Dlatego optymalne warunki do pomiarów termograficznych to niebo pokryte niskimi, ciemnoszarymi chmurami i brak ruchu powietrza.
Symulator: Symulacja konfiguracji kamery termowizyjnej Dołączony do niniejszego wydania symulator pozwala na wykonanie typowych kroków konfiguracyjnych, związanych z przygotowaniem kamery termowizyjnej do pomiarów. 12 Zadanie 1 Zadanie 2 Zadanie 3 Zadanie 4 Zadanie 5 Zadanie 6 Korzystając z symulatora skonfiguruj kamerę termowizyjną tak, aby wyświetlała obraz termiczny przy użyciu palety kolorów tęczy. Korzystając z symulatora skonfiguruj kamerę termowizyjną tak, aby automatycznie lokalizowała punkt o najwyższej temperaturze w zaznaczonym obszarze obrazu termograficznego. Korzystając z symulatora zmierz temperaturę punktu na termogramie zakładając, że powierzchnia badanego obiektu jest półmatowa. Korzystając z symulatora przygotuj kamerę termowizyjną do pomiaru temperatury ceglanej ściany w środowisku o temperaturze 15 C. Korzystając z symulatora przygotuj kamerę termowizyjną zlokalizowania punktu o najniższej temperaturze na drewnianej przegrodzie zakładając, że temperatura otoczenia wynosi -12 C. Korzystając z symulatora przygotuj kamerę termowizyjną do zlokalizowania na otynkowanym stropie obszarów o temperaturze poniżej zadanego progu zakładając, że temperatura otoczenia wynosi - 25 C. W czasie pomiarów należy korzystać z szarej palety kolorów.