Analiza wyników pomiarów 1 Spis treści Termogramy... 2 Punkty pomiarowe... 4 Temperatura minimalna, maksymalna i średnia... 5 Różnica temperatur... 6 Paleta barw termogramu... 7 Kadr termogramu i przesłony... 8 Symulator: Badanie wpływu przezroczystej przesłony na wynik pomiaru temperatury... 9 Ostrość obrazu... 10 Zakres pomiarowy kamery... 11 Raporty... 12
2 Kamera termowizyjna nie mierzy bezpośrednio temperatury, tylko poziom promieniowania podczerwonego, emitowanego przez badany obiekt. Dopiero po wprowadzeniu przez operatora właściwych parametrów środowiska pomiarowego (takich jak emisyjność badanego obiektu, temperatura otoczenia, temperatura powietrza, wilgotność, odległość) kamera oblicza na podstawie wyniku pomiaru oraz tych właśnie parametrów rzeczywistą temperaturę obiektu. Dlatego takie istotne jest poprawne wprowadzenie tych parametrów w celu uzyskania właściwych wyników pomiaru. Termogramy Jednak kamera termowizyjna pozwala nie tylko na obserwację i pomiar badanych obiektów w czasie rzeczywistym, ale także na rejestrację obrazu termicznego obiektu w postaci termogramu. Termogramy takie można w dowolnym momencie, po dokonaniu pomiarów, przenieść do komputera i tam dokonać ich analizy przy pomocy odpowiedniego oprogramowania, zwykle dostarczanego przez producenta kamery. Ważną cechą termogramów jest to, że zapisana jest w nich nie temperatura badanego obiektu, ale właśnie poziom promieniowania podczerwonego. W związku z tym stanowią one doskonałe źródło danych do dalszej analizy, niebędące obciążone parametrami ustawionymi w kamerze. Owszem ustawienia te są traktowane jako wartości wyjściowe w programie do analizy, jednak można je swobodnie zmieniać. Dotyczy to przede wszystkim emisyjności badanego obiektu, temperatury otoczenia, temperatura powietrza, wilgotności i odległości, choć ilość dostępnych parametrów w programie może być większa. Oferowane są tu nawet ustawienia, które mogą być niedostępne w danym modelu kamery. Na poniższym termogramie pokazano efekt pomiaru temperatury śruby na jej gładkiej powierzchni. Uzyskany wynik to 37,3 C.
3 W czasie pomiaru operator nie wprowadził jednak właściwej emisyjności badanej powierzchni, temperatury odbitej, temperatury otoczenia, odległości i wilgotności. To nie oznacza, że termogram ten jest błędny, nie można go wykorzystać i konieczne jest powtórzenie pomiarów. W tym przypadku emisyjność badanej powierzchni wynosiła 0,43, temperatura powietrza oraz odbita 25 C, odległość od obiektu 0,5 m, a wilgotność 20%. Wszystkie te parametry można wprowadzić w programie do analizy i dzięki temu uzyskać poprawny wynik pomiarów, który w tym przypadku wyniósł 50,1 C.
4 Punkty pomiarowe W czasie pomiarów kamerą termowizyjną poza samym obrazem termicznym kamera podaje temperaturę wybranego punktu. W sytuacji, gdy chcemy zmierzyć temperaturę w kilku miejscach badanego obiektu potrzebnych jest kilka punktów pomiarowych. Proste kamery pozwalają na pomiar tylko w jednym punkcie, bardziej zaawansowane w dwóch lub trzech. Gdy potrzebujemy większej liczby punktów konieczne byłoby wykonanie większej liczby termogramów. Takie ograniczenie nie występuje w programie do analizy termogramów, gdzie liczba punktów pomiarowych może być dowolna. Poniższy termogram pokazuje pomiar temperatury trzech ogniw w panelu fotowoltaicznym. Celem tego pomiaru było zlokalizowanie ogniwa, które silniej się nagrzewa, co może świadczyć o jego uszkodzeniu. Chociaż kamera użyta do badań pozwalała na wybranie tylko jednego punktu pomiarowego, to w programie można było ustawić punkt pomiarowy na każdym z ogniw.
5 Temperatura minimalna, maksymalna i średnia Kamery termowizyjne oferują także możliwość automatycznej lokalizacji w określonym obszarze termogramu minimalnej lub maksymalnej temperatury. Program do analizy pozwala dowolnie wybrać obszar, w którym te punkty mają być lokalizowane. Co więcej zdefiniować można kilka takich obszarów, a w każdym z nich lokalizowane są równocześnie punkty o maksymalnej i minimalnej temperaturze, oraz obliczana jest średnia temperatura całego obszaru. Pozwala to na łatwą lokalizację anomalii termicznych badanego obiektu.
6 Możliwe jest także wyznaczanie maksymalnej, minimalnej i średniej temperatury wzdłuż odcinka nakreślonego na termogramie. Różnica temperatur W pewnych sytuacja ważniejsza od bezwzględnej wartości temperatury jest różnica temperatur między określonymi punktami badanego obiektu. Program do analizy termogramów pozwala tworzyć formuły obliczające
7 takie różnice pomiędzy dowolnymi, utworzonymi wcześniej elementami pomiarowymi punktami, liniami, obszarami. Na poniższym termogramie zdefiniowano takie różnice między dwoma punktami pomiarowymi oraz między najcieplejszym i najzimniejszym punktem na linii pomiarowej. Paleta barw termogramu Oddzielną kwestią jest kolorystyka termogramu. Dane źródłowe termogramu nie zawierają informacji o kolorach tylko o ilości energii promieniowania podczerwonego, emitowanego przez badany obiekt. Kolor jest atrybutem światła widzialnego, a nie podczerwieni. Barwna prezentacja termogramów jest kwestią czysto umowną i zależy od wybranej do analiz palety barw. Sama kamera termowizyjna oferuje pewną liczbę takich palet, ale, tak jak jest to z innymi parametrami termogramu, nie jest ona wiążąca. W programie do analizy termogramów możliwy jest wybór ze znacznie obszerniejszej listy palet. Wybór palety powinien być determinowany przede wszystkim czytelnością informacji zawartej w termogramie. W wielu wypadkach jest to subiektywna decyzja operatora kamery lub użytkownika programu na przykład to, czy kolor żółty powinien reprezentować wyższą temperaturę niż kolor czerwony (paleta żelazo lub lawa ), czy niższą (paleta tęcza ). Są jednak sytuacje wymagające użycia bardzo konkretnej palety. Przykładowo, w celu wykrywania niewielkich różnic temperatury powinno stosować się palety o wysokim kontraście. Dodatkowo, dla każdej palety można określić reprezentowany przez nią zakres temperatur, co pozwala skupić się na właściwym elemencie termogramu. Poniższy termogram ponownie pokazuje prezentowane wcześniej trzy ogniwa w panelu fotowoltaiczny.
8 Tym razem jednak użyto palety tęczy o wysokim kontraście i znacznie zawężono zakres prezentowanych temperatur. Dzięki temu wyraźnie widoczna jest różnica temperatur miedzy ogniwem środkowym (kolor zielony wyższa temperatura), a ogniwamy bocznymi (kolor niebieski niższa temperatura). Kadr termogramu i przesłony Wszystkie omówione w tym punkcie parametry termogramów można było modyfikować w programie do ich analizy. Są jednak pewne aspekty, których poprawić się nie da. Po pierwsze kadr termogramu. Jeśli coś nie zostanie objęte polem widzenia kamery, to nie będzie tego na termogramie i nie da się uzyskać takiej informacji żadnymi ustawieniami programu. Jest to oczywiste w przypadku obiektów, które znajdowały się całkowicie poza kadrem. Jednak trzeba zwrócić także uwagę na elementy znajdujące się między kamerą i badanym obiektem. Problem polega na tym, że materiały, które są całkowicie przezroczyste w świetle widzialnym, mogą nie przepuszczać promieniowania podczerwonego. Tak jest w przypadku szkła oraz pleksi (szkła akrylowego). Obiektu znajdującego się za szybą, który jest doskonale widoczny, nie da się analizować termicznie.
9 Powyższy termogram przedstawia właśnie taką sytuację. Przed ławą optyczną ustawiona została płytka z pleksi. Jest ona całkowicie przezroczysta dla światła widzialnego, więc nie przeszkadza w obserwacji wzrokowej. Jednak na termogramie wygląda to zupełnie inaczej jest to ciemnoniebieski obszar o temperaturze takiej jak otoczenie, a znajdujące się za płytką próbki materiałów o temperaturze około 50 C są całkowicie niewidoczne. Takiej sytuacji nie da się skorygować żadnymi ustawieniami. Konieczne jest wykonanie nowego termogramu z pominięciem przesłony. Symulator: Badanie wpływu przezroczystej przesłony na wynik pomiaru temperatury Dołączony do niniejszego wydania symulator pozwala zaobserwować, jak wygląda obraz termiczny obiektu po umieszczeniu między nim i kamerą termowizyjną przesłony z przezroczystego tworzywa sztucznego. Zadanie Korzystając z symulatora odczytaj temperaturę wybranych elementów na panelu termograficznym bez przesłony i po umieszczeniu między kamerą panelem przezroczystej przesłony.
10 Temperatura bez przesłony [ C] Temperatura z przesłoną [ C] Czarna matowa powierzchnia Miedź polerowana Stal matowa Ostrość obrazu Drugi problem to kwestia ostrości obrazu. Tak jak w przypadku klasycznej fotografii, nieostrego zdjęcia nie da się wyostrzyć, gdyż nie m a na nim niezbędnych do tego informacji o szczegółach obrazu. Ten sam problem dotyczy termogramów. W przypadku bardziej zaawansowanych kamer możliwa jest ręczna lub automatyczna regulacja ostrości, ale niezależnie od wszystkiego trzeba ją właściwie ustawić przed wykonaniem termogramu. W przypadku prostszych kamer optyka w ogóle nie daje możliwości regulacji. Z jednej strony ułatwia to pracę, bo zwalnia operatora konieczności właściwego ustawienia ostrości, z drugiej jednak strony zawęża zakres odległości, z których można rejestrować obraz termograficzny. Może to być szczególnie dokuczliwe w przypadku pomiaru małych obiektów. Minimalna odległość pomiarowa wynika w tym przypadku z rodzaju obiektywu i dla prostych kamer wynosi na przykład 60 centymetrów. Ograniczenie to ma wpływ na minimalny rozmiar obiektów, które można badać taką kamerą. Przy rozdzielczości przestrzennej na poziomie 4 miliradianów minimalny rozróżniany obiekt będzie miał wielkość 2,4 mm. Żeby możliwe było dokładne wyznaczenie jego temperatury, powinien mieć rozmiar jeszcze trzykrotnie większy czyli 7,2 mm. Próba pomiaru mniejszych obiektów z mniejszej odległości doprowadzi do powstania nieostrych termogramów, co także nie da możliwości poprawnego wyznaczenia temperatury. Poniższy termogram pokazuje tego typu sytuację. Jest to próba pomiaru temperatury obiektu przez przesłonę z wąskimi szczelinami. W punkcie pomiarowym w przesłonie są trzy szczeliny o szerokości około 1 milimetra. Termogram wykonany został z odległości około 20 centymetrów, przy czym minimalna odległość zalecana dla użytej kamery to 60 centymetrów. W efekcie obraz jest na tyle nieostry, że nie można nawet poprawnie określić liczby szczelin, nie mówiąc o temperaturze znajdującego się za nimi obiektu.
11 Zakres pomiarowy kamery Ostatnia istotna kwestia to zakres pomiarowy kamery. Proste kamery mają jeden stały zakres pomiarowy temperatur, na przykład od -20 C do +250 C. W tym zakresie zapewniany jest pomiar z dokładnością ±2 C lub 2% wyniku pomiaru. Poza tym zakresem Kamera nie będzie dostarczać poprawnych informacji i nie pomogą tu żadne ustawienia, ani w kamerze, ani w programie do analizy termogramów. Wybierając kamerę trzeba być świadomym tego ograniczenia. Bardziej zaawansowane modele kamer mogą mieć dwa lub nawet trzy podzakresy pomiarowe (na przykład od -40 C do +150 C, od +100 C do +650 C i od +300 C do +2000 C), co daje znacznie większe możliwości, jednak w tym przypadku trzeba pamiętać, aby przed rozpoczęciem pomiarów ustawić w kamerze właściwy zakres. Po dokonaniu pomiarów tego ustawienia nie da się już poprawić. Raporty W celu przedstawienia wyników analizy termicznej obiektu zwykle konieczne jest przygotowanie odpowiedniego raportu. Dokument taki poza samym termogramem powinien zawierać wartości ustawień, przy których dokonywany był pomiar, uzyskane wyniki pomiarów temperatury, miejsce i czas wykonywania pomiarów, a przy pomiarach w otwartym terenie, także informacje o warunkach atmosferycznych. Niezwykle istotnym elementem takiego raportu jest pełna i poprawna
12 interpretacja uzyskanych wyników, z uwzględnieniem wszystkich czynników mających na nie wpływ. Użyteczne też może być umieszczenie w raporcie zdjęcia badanego obiektu. Programy do analizy termogramów zwykle zawierają też moduł pozwalający na szybkie i wygodne przygotowanie podstawowej treści takiego raportu: termogramu, parametrów pomiarowych i uzyskanych wyników. Oczywiście interpretacja uzyskanych wyników leży już w gestii autora raportu i przede wszystkim jest efektem jego wiedzy i doświadczenia. Gotowy raport można wydrukować lub zapisać w postaci pliku.