Źródło

Tekst autorski. Evilinc / P.Kosiba

• [6] G.Rudowski: Termowizja i jej zastosowanie, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa, 1978
• [7] Flir Systems: ThermaCamP65 User’s Manual, Publ.No.1557954, Revision a155, English(EN), February 7, 2006
• [8] W.Minkina, P.Rutkowski, W.Wild: Podstawy pomiarów termowizyjnych. Cz.I – Istota termowizji i historia jej rozwoju, Pomiary Automatyka Kontrola, Wydawnictwo PAK, 1/2000
• [9] W.Minkina: Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 2004

Wstęp do termowizji

Kamery z systemem termowizyjnym są nadzwyczaj uniwersalnymi urządzeniami na rynku i służą do diagnostyki, pomiarów jak i obserwacji. Działanie takiej kamery w wielkim skrócie polega na pomiarze promieniowania w paśmie podczerwieni a efektem jest termogram czyli widzialny obraz rozkładu temperatury na powierzchni obiektu. Metoda ta oparta jest na badaniu i zapisie rozkładu promieniowania podczerwonego wysyłanego przez każde ciało, którego temperatura jest wyższa od zera bezwzględnego i przekształceniu tego promieniowania na światło widzialne. Termowizja jest potoczną nazwą tej metody (prawdopodobnie od pierwszej wyprodukowanej kamery termowizyjnej AGA Thermovision). Znajduje zastosowanie zarówno w przemyśle (izolacyjność cieplna ścian i okien, stan przewodów elektrycznych) w elektronice (rozpływ ciepła w aparaturze elektronicznej, jakość chłodzenia podzespołów) w pomiarach biomedycznych (lokalizacja miejsc na ciele człowieka o wyższej temperaturze lub asymetrycznym jej rozkładzie) czy jak noktowizja w przemyśle militarnym (obserwacja przestrzeni, ochrona mienia, detekcja obiektów cieplejszych od otoczenia), astronomii (obserwacje nieboskłonu, określanie jasności gwiazd) czy myślistwie (detekcja zwierzyny). Najpopularniejsze metody pomiaru temperatury to pomiary za pomocą termometrów rtęciowych, oporowych, manometrycznych czy termoelementów. Niestety wymienione instrumenty posiadają szereg wad takich jak wąski zakres pomiarowy, brak automatyzacji czy rejestracji, wymagają kontaktu stykowego z obiektem. Systemy termowizyjne są pozbawione tych niedogodności gdyż służą do bezstykowego pomiaru w oparciu o promieniowanie temperaturowe badanego obiektu przez co nie zmieniają normalnych warunków pracy badanego obiektu, pozwalają na zobrazowanie temperatury na powierzchni całego obiektu a nie tylko jego części, mają wysoki niemal nieograniczony zakres pomiarowy, dużą dokładność i funkcjonalność a rejestrowany sygnał w większości współpracuje z systemami i układami sterownia i rejestracji[8].

Rys historyczny

Promieniowanie podczerwone zostało odkryte przypadkowo przez astronoma Sir William Herschel który to po zbadaniu temperatury poszczególnych barw widma odkrył, iż temperatura wzrastała od fioletu do czerwieni (sam fakt był zaobserwowany już w 1777r przez Marsilio Landriani) a przesuwając termometr rtęciowy dalej poza strefę widzialnego widma – temperatura nadal rosła. Odkryty zakres widma elektromagnetycznego nazwał “widmem termometrycznym” a promieniowanie “promieniowaniem niewidzialnym” Przełomem w termografii było zbudowanie pierwszej termopary a następnie termostosu (połączone w szereg termopary które wykrywały promieniowanie cieplne kilkadziesiąt-krotne większe niż stosowane termometry). Było to pierwsze urządzenie które pozwalało na wykrycie promieniowania cieplnego ciała ludzkiego znajdującego się w odległości ok. 3 metrów. W 1840r syn Williama Herschela – Sir Johan Herschel utworzył pierwszy obraz cieplny (efekt interferencji w warstwie oleju) zapisany na papierze, nazywając go termogramem[7][8].

Podstawowe pojęcia

Promieniowanie podczerwone

Każdy obiekt o temperaturze wyższej niż zero absolutne 0K (-273,15ºC) emituje energię czyli promieniowanie podczerwone czy też promieniowanie cieplne zwane również temperaturowym. Natężenie tego promieniowania jest zależne od temperatury obiektu oraz długości fali λ.[9], Rysunek 23 przedstawia typowy podział promieniowania elektromagnetycznego w zależności od zakresu fali.

Podział promieniowania podczerwonego

• Bliska podczerwień (zakres 0,78-1,4µm)
• Średnia podczerwień (1,4-3µm)
• Daleka podczerwień (3-1000µm)

Powyższy podział wiążę się ze stosowanymi metodami wykrywania promieniowania. W przedziale bliskiej podczerwieni stosuje się identyczne metody wykrywania jak w przypadku promieniowania widzialnego, gdzie już w dalekiej podczerwieni wymaga się stosowania całkiem innych metod z inną aparaturą. W obrębie termowizji pracuję się w zakresie dalekiej podczerwieni, wykorzystując najczęściej przedziały długości fal od 3-5µm lub 8-13µm [6].

Najczęstsze jednostki jakie można spotkać do określania długości fali to mikrometr (µm), nanometr (nm) i angstrem (Å) a zależność jaka między nimi występuje można przedstawić następująco:

10 000Å = 1 000nm = 1µm [7]

W tabeli 1 przedstawiono źródła promieniowania w zależności od typu (sztuczne,naturalne)

Promieniowanie ciała doskonale czarnego

Ciało doskonale czarne (ang. blackbody) to ciało które pochłania całe padające na niego promieniowanie cieplne niezależnie od długości fali czy temperatury obiektu promieniującego. Ciało doskonale czarne nie odbija promieniowania jednak może je emitować, jest najbardziej wydajnym źródłem promieniowania. Teoretyczna emisyjność ciała doskonale czarnego wynosi 1 jednak ciało to nie istnieje w rzeczywistości, stworzony został jedynie model ciała doskonale czarnego o właściwościach zbliżonych do teoretycznych który służy za wzorzec kalibracyjny. Pojęcie ciała doskonale czarnego wprowadził Gustav Kirchhoff formułując prawo promieniowania Kirchhoffa które głosi, iż stosunek mocy promieniowania emitowanego (dla każdej długości fali) przez powierzchnię doskonale czarną jest równy współczynnikowi absorpcji, innymi słowy panuje równowaga pomiędzy emisją i absorpcją promieniowania[6][7]. Rysunek 24 przedstawia modele o własnościach bliskich własnościom ciała czarnego.

Prawo Plancka

Rozkład widmowy promieniowania emitowanego przez ciało doskonale czarne opisał wzorem Max Planck

Na rysunku 25 przedstawiono graficznie zależność natężenia promieniowania ciała czarnego od długości fali λ oraz temperatury T ciała czarnego. Dla długości fali λ=0 natężenie promieniowania wynosi zero. Dla obiektów o wysokiej temperaturze jest większe dla krótszej długości fali natomiast gdy fala przyjmuje wyższe wartości emitancja spada do zera[9].

Promieniowanie ciał rzeczywistych

Promieniowanie różnych obiektów różni się od promieniowania ciała doskonale czarnego na skutek występujących zjawisk absorpcji, odbicia i przepuszczania promieniowania elektromagnetycznego.. Gdy na powierzchnię obiektu o określonej grubości pada strumień cieplny Φ , zostaje on podzielony na strumień: pochłonięty ΦA , odbity ΦR i przepuszczony ΦP co zostało przedstawione na rysunku 26. Na podstawie tego podziału wprowadza się następujące określenia:

• współczynnik pochłaniania, absorpcji(ang. Absorptance) A = ΦA/Φ
• współczynnik odbicia,refleksyjności (ang. reflectance) R = ΦR/Φ
• współczynnik przepuszczania,transmisji (ang. transmittance) [9]. P = ΦP/Φ

Aby uprościć analizę tych obiektów stworzono ciała idealne o parametrach:

A = 1, R = 0, P = 0 – ciało czarne pochłaniające całe padające promieniowanie (ang. perfect blackbody)

R = 1 A = 0 P = 0 – ciało białe, które odbija całe padające promieniowanie (ang. perfect mirror)

P = 1 A = 0 R = 0 – ciało przezroczyste przepuszczające całe padające promieniowanie (ang. perfect transparent body)[9]

Emisyjność materiału

Jest to w uproszczeniu stosunek energii wypromieniowanej przez obiekt do energii wypromieniowanej przez ciało doskonale czarne w tej samej temperaturze. Jest ważnym parametrem przy bezdotykowym pomiarze temperatury. Wartość współczynnika emisyjności zależy od rodzaju ciała, temperatury, długości fali czy stanu powierzchni (polerowana, matowa) i waha się w graniach od 0,02 do 0,98. Teoretyczna emisyjność ciała doskonale czarnego wynosi 1 jednak ciało to nie istnieje w rzeczywistości, stworzony został jedynie model który służy za wzorzec kalibracyjny a jego emisyjność wynosi 0,998. Współczynnik emisyjności to wielkość która określa ile razy promieniowanie ciała rzeczywistego jest mniejsze od promieniowania ciała doskonale czarnego[6]. Definicja emisyjności spotykana w literaturze: „Emisyjnością ε danego ciała dla całkowitego zakresu promieniowania, zwaną emisyjnością całkowitą, nazywa się stosunek natężenia promieniowania M(T) w pełnym zakresie promieniowania dla tego ciała do natężenia promieniowania M0(T) w pełnym zakresie promieniowania dla ciała czarnego, znajdującego się w tej samej temperaturze

Ciała można podzielić na kilka grup ze względu na właściwości emisyjne:

• – ciała czarne
• – ciała rozpraszające
• – ciała szare
• – ciała nieszare (promieniujące selektywnie)

Przedstawia to rysunek 28 ukazujący zależność emisyjność od długości fali

Ciała szare to takie, którego współczynnik emisyjności jest stały w całym interesującym przedziale długości fal, ciało rozpraszające to takie, którego współczynnik emisyjności jest niezależny od kąta obserwacji natomiast ciało promieniujące selektywnie to takie, którego wartość emisyjności jest zależna od długości fali[6][9].

Przykładowe wartości emisyjności materiałów zostały podane w tabeli, jak już wiadomo, tylko ciało doskonale czarne posiada emisyjność bliską 100% natomiast w przypadku innych materiałów jak polerowane aluminium tylko 5% energii zostaje emitowane (emisyjność 0,05) a pozostała część czyli 95% jest promieniowaniem odbitym. Przedstawiona niżej tabela ukazuje emisyjność typowych materiałów w zależności od temperatury (Tabela.2.)

Podstawy dotyczące urządzeń termowizyjnych

Ogólna budowa i rozwój urządzeń termowizyjnych

Pierwsze generacje systemów termowizyjnych określane są skanerami a nie kamerami ze względu na to, iż obraz tworzony jest na zasadzie skanowania. Układ optyczny (krzem/german) przepuszcza promieniowanie podczerwone które odbiera detektor. Obraz powstaje dzięki specjalnie skonstruowanemu systemowi skanowania składającemu się z aluminiowych luster z których jedno wykonuje pionowy ruch oscylacyjny – tworząc obraz w pionie oraz z wielościennego pryzmatu (tworząc obraz w poziomie) obracającego się z częstotliwością do 2,5kHz. Układ elektroniczny przetwarza analogowe sygnały detektora na postać cyfrową. Aby uzyskać maksymalną czułość oraz zredukować emisję własną pierwsze kamery termowizyjne, a dokładniej detektory promieniowania były chłodzone ciekłym azotem do temperatury -196ºC[8].

Obraz w powyższym układzie (Rys.27) uzyskuję się za pomocą optomechanicznego układu omiatającego zbudowanego z wirujących lub wahających się zwierciadeł lub graniastosłupów skanujących. Częstotliwość omiatania wynosi zwykle 25Hz. Sekwencje sygnałów są przekazywane do detektora który przetwarza je na sygnał elektryczny który jest proporcjonalny do intensywności promieniowania w poszczególnych punktach przetwarzanego obrazu. Po wzmocnieniu przekazywany jest synchronicznie z ruchem omiatającym na ekran lampy oscyloskopowej gdzie powstaje termowizyjny obraz pola temperaturowego badanego obiektu[8]. Opisaną metodę działania stosowano od początku powstania kamer termowizyjnych przez następne 20lat. Systemy miały jeden detektor który określał rozdzielczość termiczną (zdolność określania różnic temperatury pomiędzy dwoma sąsiednimi punktami) oraz rozdzielczość geometryczną (ilość pikseli w obrazie)[8]. Typowa budowa takich kamer została przedstawiona w schemacie blokowanym urządzeń termowizyjnych (Rys.29)

Od 1993roku zaczęto używać kamer wyposażonych w matryce detektorów (ang. FPA – Focal Plane Array) które składają się z kilkudziesięciu tysięcy pikseli. Przykładowo dla matrycy 320×420 przypada 76 800 pojedynczych pikseli (detektorów) a każdy piksel odczytywany jest 25-60 razy na sekundę (w zależności od sygnału PAL/NTSC) przez układ odczytowy ROIC. Kamery wyposażone w matryce detektorów nie posiadają ruchomych podzespołów mechanicznych a matryca „obserwuje” obiekt przez optykę urządzenia (Rys.30) [9].

Znaczącą zaletą wykorzystania szybkich matryc jest rejestracja niemożliwych dotychczas ultraszybkich procesów cieplnych i możliwość uzyskania nawet kilkuset termogramów na sekundę[9].

W 1997roku miały swój debiut kamery z mikrobolometryczną matrycą termicznych detektorów niechłodzonych. Chwilę później wprowadzono podobne rozwiązanie (niechłodzone matryce) z detektorów piroelektrycznych. Wyeliminowanie części mechanicznej, chłodzenia i konieczności skanowania znacząco poprawiło funkcjonalność oraz parametry eksploatacyjne kamer które stały się lekkie i niemal natychmiast gotowe do pracy (chłodzenie detektora do temperatury kriogenicznej trwał czasami nawet do 11minut, kamery bez chłodziarek są gotowe do pracy w mniej niż 1 minutę)[9].

Wraz z rozwojem elektroniki tworzono coraz lepsze, wydajniejsze i lżejsze kamery, wprowadzano nowe systemy chłodzenia jak pompę Stirlinga w której poddawany sprężaniu i rozprężaniu gaz helowy schładzał detektor do temp -200ºC, natomiast w dzisiejszych czasach można użytkować małe, poręczne kamery termowizyjne, gdzie zastosowane są detektory niechłodzone (stabilizacja temperatury odbywa się za pomocą elementu Peltiera) o zadziwiających wręcz parametrach.

Podział detektorów promieniowania podczerwonego

Detektory są jednym z ważniejszych elementów urządzeń, określają parametry wyjściowe całego instrumentu. Można wyróżnić detektory: termiczne i fotonowe[6]. Występujące w literaturze inne podziały to detektory (z punktu widzenia użytkowania): chłodzone i niechłodzone, pracujące w temperaturze otoczenia oraz detektory pojedyncze, linijkowe lub matrycowe (ang. FPA – Focal Plane Array) Biorąc pod uwagę pasma przepuszczania promieniowania atmosfery istnieje jeszcze jeden podział detektorów i kamer termowizyjnych na krótkofalowe SW (ang. Short Wave) i długofalowe LW (ang. Long Wave) [9]. Jest to technologia która w obecnym czasie rozwija się bardzo dynamicznie dzięki czemu pojawia się dużo publikacji przeglądowych i patentów na ten temat czego nie można powiedzieć o systemie noktowizji[9].

Detektory termiczne

Zasada działania tych detektorów polega na oddziaływaniu zmian temperatur na właściwości elektryczne lub optyczne materiałów, innymi słowy: promieniowanie padające na powierzchnię detektora jest absorbowane co powoduje zmianę temperatury elementu czułego.

W tej kategorii można wyróżnić następujące detektory:

• – termistory
• – detektory bolometryczne
• – termoelementy
• – detektory piroelektryczne
• – ciekłokrystaliczne przetworniki promieniowania

W termowizji zastosowanie znalazły detektory bolometryczne oraz piroelektryczne[6].

Detektory bolometryczne – zasada działania polega na zmianie rezystancji pod wpływem mierzonego promieniowania, gdyż detektory te są rezystorami o niskiej pojemności cieplnej i wysokim ujemnym współczynniku temperaturowym zmian rezystancji. Charakterystyczną cechą jest to, iż mogą pracować w temperaturze pokojowej[9]. Na rysunku 31 przedstawiono budowę niechłodzonego detektora matrycowego wraz ze schematem blokowym i zdjęciem zrobionym przez mikroskop elektronowy.

Działanie polega na wchłanianiu promieniowania podczerwonego o długości fali 8-14μm przez absorber. Detektor dysponuje mikromostkiem skomponowanym z uszlachetnionego, syntetycznego krzemu amorficznego który spełnia rolę termometru. Izolacja cieplna o wartości ~1,2*107 K/W ma na celu odizolowanie termometru od obwodu odczytu informacji aby nie zakłócać danych[6][9]. Przykładowa matryca składa się z 256×64 pikseli gdzie pojedynczy piksel (Rys.31.) ma wymiar 50μm. Oznacza to, iż urządzenie posiada dziesiątki tysięcy punktów pomiarowych, gdzie pirometr posiada tylko 1 taki punkt. Informacja jest odczytywana poprzez multipleksowanie każdego piksela. Częstotliwość odczytu (ang. image frequency) to 25-60Hz w zależności od standardu (PAL/NTSC). Detektory te są niechłodzone i pracują w temperaturze pokojowej ~25ºC, stabilizowanej za pomocą elementu Peltiera[9].

Detektory piroelektryczne bazują na zjawisku piroelektrycznym, które polega na zmianie temperatury materiału piroelektrycznego pod wpływem padającego promieniowania podczerwonego. Zmiana temperatury detektora (poniżej tzw. temperatury Curie) powoduję przejściową zmianę ładunku powierzchniowego wywołującego zmianę prądu który można mierzyć układem odczytu ROIC (ang. readout integrated circuit). Charakterystyczną cechą jest wrażliwość na szybkość zmian temperatury a nie na jej wzrost. Użyte zostały specjalne przesłony, wibrujące z częstotliwością 25 lub 50Hz które powodują, iż porównywany jest poziom promieniowania padający na dwa sąsiednie piksele. Gdy wystąpi różnica natężenia promieniowania, generowany jest sygnał obrazujący różnicę co pozwala wykorzystać detektory tego typu do wykrywania ruchu w kamerach obserwacyjnych[6][9].

Detektory fotonowe

Działanie tych detektorów opiera się na zjawisku oddziaływania fotonów absorbowanego promieniowania na elektrony w materiale półprzewodnikowym[6]. Wyróżniamy trzy główne rodzaje tych detektorów co jest związane z ich konstrukcją i zasadą działania:

Detektory fotoprzewodzące wykorzystują wewnętrzną emisję fotoelektryczną, innymi słowy wykorzystano zmianę rezystancji fotorezystora pod wpływem padającego promieniowania podczerwonego[9].

Detektory fotowoltaiczne również wykorzystują wewnętrzną emisję fotoelektryczną jednak zmiany koncentracji ładunku wywołanych promieniowaniem jest przyczyną zmiany napięcia na złączu p-n (fotoogniwo) lub zmiany natężenia prądu płynącego przez strukturę diody lub tranzystora (fotodioda/fototranzystor)[6].

Detektory fotoemisyjne wykorzystują zewnętrzną emisję fotowoltaiczną która polega na emisji elektronów z materiału na zewnątrz (emisja z fotokatody do przestrzeni) w wyniku „wybicia” przez padający foton.

Zjawiska wpływające na zdalny pomiar temperatury

Kamera termowizyjna określa temperaturę w sposób pośredni, wykorzystując promieniowanie emitowane przez dany obiekt. Soczewka kamery zbiera dodatkowo (poza strumieniem promieniowania właściwym wyemitowanym przez dany obiekt) strumień promieniowania rozproszonego i odbitego od powierzchni obiektu (np. odbicie promieni słonecznych). Promieniowanie cieplne jest dodatkowo tłumione przez atmosferę w środowisku pomiarowym. Negatywnie na pomiar wpływają niepożądane źródła ciepła (otwarty ogień, piece) jak i chmury, atmosfera, nieboskłon. Eliminacja wszystkich zakłóceń jest niemożliwa jednak większość oferowanych w dzisiejszych czasach kamer posiada funkcję automatycznego kompensowania zakłóceń. Kompensacja jest częściowa jednak poprawia wyniki (należy wprowadzić temperaturę otoczenia, względną wilgotność, emisyjność, odległość od obiektu).

Wykaz obrazów

[19] Tabela na podstawie G.Rudowski: Termowizja i jej zastosowanie, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa, 1978 s.14

[27] Tabela na podstawie G.Rudowski: Termowizja i jej zastosowanie, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa, 1978 s.23

[21] Flir Systems: ThermaCamP65 User’s Manual, Publ.No.1557954, Revision a155, English(EN), February 7, 2006, s.185

[23] W.Minkina: Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 2004, s.46

[24] W.Minkina: Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 2004, s. 47
65

[25] W.Minkina: Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 2004, s.45

[26] W.Minkina: Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 2004, s.53

[30] W.Minkina: Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 2004, s.117

[31] W.Minkina: Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 2004, s.104

[29] W.Minkina: Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 2004, s.133

[28] W.Minkina, P.Rutkowski, W.Wild: Podstawy pomiarów termowizyjnych. Cz.I – Istota termowizji i historia jej rozwoju, Pomiary Automatyka Kontrola, Wydawnictwo PAK, 1/2000, s. 9