Termografia w podczerwieni i termowizja

Pomiar temperatury powierzchni poprzez rejestrację parametrów emitowanego przez nią promieniowania cieplnego za pomocą urządzeń elektrooptycznych nazywany jest termografią w podczerwieni. Jak można się domyślić, w tym przypadku ciepło przekazywane jest z badanej powierzchni — do urządzenia pomiarowego, w postaci fale elektromagnetyczne w podczerwieni.

Nowoczesne urządzenia elektrooptyczne do termografii w podczerwieni mogą mierzyć przepływ promieniowania podczerwonego i na podstawie uzyskanych danych obliczyć temperaturę powierzchni, z którą oddziałuje sprzęt pomiarowy.

Oczywiście człowiek jest w stanie wyczuć promieniowanie podczerwone, a nawet zmiany temperatury w zakresie setnych części stopnia za pomocą zakończeń nerwowych na powierzchni skóry. Jednak przy tak dużej czułości organizm ludzki nie jest przystosowany do wyczuwania dotykiem stosunkowo wysokich temperatur bez uszczerbku na zdrowiu. W najlepszym przypadku jest to obarczone oparzeniami.

I nawet jeśli wrażliwość człowieka na temperaturę okaże się tak wysoka, jak zwierząt zdolnych do wykrywania zdobyczy na podstawie ciepła w całkowitej ciemności, to prędzej czy później będzie on potrzebował bardziej czułego instrumentu, który może pracować w szerszym zakresie temperatur niż naturalna fizjologia pozwala...

W końcu takie narzędzie zostało opracowane. Początkowo były to urządzenia mechaniczne, później nadwrażliwe elektroniczne. Obecnie urządzenia te wydają się być typowymi atrybutami, gdy trzeba przeprowadzić kontrolę termiczną, aby rozwiązać niezliczone problemy techniczne.

Samo słowo „podczerwień” lub w skrócie „IR” oznacza położenie fal ciepła „za czerwonym”, zgodnie z ich położeniem w skali najszerszego widma promieniowania elektromagnetycznego. Jeśli chodzi o słowo „termografia”, zawiera ono „termo” – temperatura i „grafika” – obraz – obraz temperatury.

Początki termografii w podczerwieni

Podstawy tego kierunku badań położył niemiecki astronom William Herschel, który w 1800 roku prowadził badania widm światła słonecznego. Herschel, przepuszczając światło słoneczne przez pryzmat, umieścił czuły termometr rtęciowy w obszarach o różnych kolorach, na które pada światło słoneczne na pryzmacie, został podzielony.

W trakcie eksperymentu, gdy termometr został przesunięty poza czerwoną linię, stwierdził, że pojawia się również niewidoczne, ale mające zauważalny efekt grzewczy promieniowanie.

Promieniowanie, które Herschel zaobserwował w swoim eksperymencie, znajdowało się w tym obszarze widma elektromagnetycznego, który nie jest postrzegany przez ludzki wzrok jako jakikolwiek kolor.Był to obszar „niewidzialnego promieniowania cieplnego”, chociaż zdecydowanie mieścił się w widmie fal elektromagnetycznych, ale poniżej widzialnej czerwieni.

Później niemiecki fizyk Thomas Seebeck odkrył termoelektryczność, a w 1829 roku włoski fizyk Nobili stworzył stos termoelektryczny oparty na pierwszych znanych termoparach, których zasada opierałaby się na fakcie, że przy zmianie temperatury między dwoma różnymi metalami, odpowiednia różnica potencjałów powstaje na końcach obwodu złożonego z tych...

Meloni wkrótce wymyśli tzw Stos termoelektryczny (ze stosów termoelektrycznych zainstalowanych szeregowo) i skupiając na nim w określony sposób fale podczerwone, będzie w stanie wykryć źródło ciepła z odległości 9 metrów.

Stos termoelektryczny — szeregowe połączenie termoelementów w celu uzyskania większej mocy elektrycznej lub wydajności chłodzenia (odpowiednio podczas pracy w trybie termoelektrycznym lub chłodzącym).

Samuel Langley w 1880 roku odkrył krowę w rui w odległości 300 metrów. Zostanie to zrobione za pomocą balometru, który mierzy zmianę oporu elektrycznego, która jest nierozerwalnie związana ze zmianą temperatury.

Następca jego ojca, John Herschel, zastosował w 1840 r. ewaporograf, za pomocą którego uzyskał pierwszy obraz w podczerwieni w świetle odbitym dzięki mechanizmowi parowania z różnymi prędkościami najcieńszej warstwy oleju.

Obecnie do zdalnego pozyskiwania obrazów termowizyjnych wykorzystuje się specjalne urządzenia — kamery termowizyjne, które umożliwiają uzyskanie informacji o promieniowaniu podczerwonym bez kontaktu z badanym sprzętem i natychmiastową wizualizację. Pierwsze kamery termowizyjne były oparte na fotorezystywnych czujnikach podczerwieni.

Do 1918 roku American Keys prowadził eksperymenty z fotorezystorami, w których odbierał sygnały w wyniku ich bezpośredniego oddziaływania z fotonami. W ten sposób powstał czuły detektor promieniowania cieplnego, działający na zasadzie fotoprzewodnictwa.

Termografia IR we współczesnym świecie

W latach wojny nieporęczne kamery termowizyjne służyły głównie celom wojskowym, więc rozwój technologii termowizyjnej przyspieszył po 1940 roku. Niemcy stwierdzili, że chłodząc odbiornik fotorezystora można poprawić jego charakterystykę.

Po latach 60. pojawiły się pierwsze przenośne kamery termowizyjne, za pomocą których przeprowadza się diagnostykę budynków. Były to niezawodne narzędzia, ale z obrazami słabej jakości. W latach 80-tych zaczęto wprowadzać termowizję nie tylko w przemyśle, ale także w medycynie. Kamery termowizyjne zostały skalibrowane w celu uzyskania obrazu radiometrycznego — temperatur wszystkich punktów na obrazie.

Pierwsze chłodzone gazem kamery termowizyjne wyświetlały obraz na czarno-białym ekranie CRT z kineskopem. Już wtedy można było nagrywać z ekranu na taśmę magnetyczną lub papier fotograficzny. Tańsze modele kamer termowizyjnych oparte są na tubach vidiconu, nie wymagają chłodzenia i są bardziej kompaktowe, chociaż obrazowanie termowizyjne nie jest radiometryczne.

W latach 90. do użytku cywilnego stały się dostępne matrycowe odbiorniki podczerwieni, w tym układy prostokątnych odbiorników podczerwieni (czułych pikseli) zainstalowanych w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu urządzenia. Była to znacząca poprawa w stosunku do pierwszych skanujących odbiorników podczerwieni.

Poprawiła się jakość obrazów termowizyjnych i wzrosła rozdzielczość przestrzenna. Przeciętne nowoczesne matrycowe kamery termowizyjne mają odbiorniki o rozdzielczości do 640 * 480 — 307 200 odbiorników mikro-IR. Profesjonalne urządzenia mogą mieć wyższą rozdzielczość — ponad 1000 * 1000.

Technologia matrycy IR rozwinęła się w 2000 roku. Pojawiły się kamery termowizyjne z dużym zakresem długości fal — wykrywającymi długości fal od 8 do 15 mikronów i średnimi długościami fal — zaprojektowanymi dla długości fal od 2,5 do 6 mikronów. Najlepsze modele kamer termowizyjnych są całkowicie radiometryczne, mają funkcję nakładania obrazu i czułość 0,05 stopnia lub mniej. W ciągu ostatnich 10 lat ich cena spadła ponad 10 razy, a jakość poprawiła się. Wszystkie nowoczesne modele mogą współpracować z komputerem, analizować same dane i prezentować wygodne raporty w dowolnym odpowiednim formacie.

Izolatory cieplne

Izolator termiczny składa się z kilku standardowych części: obiektywu, wyświetlacza, odbiornika podczerwieni, elektroniki, kontroli pomiarów, urządzenia pamięci masowej. Wygląd różnych części może się różnić w zależności od modelu. Kamera termowizyjna działa w następujący sposób. Promieniowanie podczerwone jest skupiane przez optykę na odbiorniku.

Odbiornik generuje sygnał w postaci napięcia lub zmiennej rezystancji. Sygnał ten jest podawany do elektroniki, która tworzy obraz — termogram — na ekranie.Różne kolory na ekranie odpowiadają różnym częściom widma podczerwieni (każdy odcień odpowiada własnej temperaturze), w zależności od charakteru rozkładu ciepła na powierzchni obiektu badanego przez kamerę termowizyjną.

Wyświetlacz jest zwykle mały, ma wysoką jasność i kontrast, co pozwala zobaczyć termogram w różnych warunkach oświetleniowych. Oprócz obrazu na wyświetlaczu zwykle pojawiają się dodatkowe informacje: poziom naładowania baterii, data i godzina, temperatura, skala kolorów.

Odbiornik podczerwieni wykonany jest z materiału półprzewodnikowego, który pod wpływem padających na niego promieni podczerwonych generuje sygnał elektryczny. Sygnał jest przetwarzany przez elektronikę, która tworzy obraz na wyświetlaczu.

Do sterowania służą przyciski umożliwiające zmianę zakresu mierzonych temperatur, dostosowanie palety barw, współczynnika odbicia i emisji tła, a także zapisywanie zdjęć i raportów.

Pliki obrazów cyfrowych i raportów są zwykle zapisywane na karcie pamięci. Niektóre kamery termowizyjne mają funkcję nagrywania głosu, a nawet wideo w widmie wizualnym. Wszystkie dane cyfrowe zapisane podczas pracy kamery termowizyjnej można przeglądać na komputerze i analizować za pomocą oprogramowania dostarczonego z kamerą termowizyjną.

Zobacz też:Bezkontaktowy pomiar temperatury podczas pracy urządzeń elektrycznych