Celem niniejszego artykułu jest prezentacja podstaw technologii pomiarów termowizyjnych oraz charakterystyka i znaczenie niektórych cech kamer termowizyjnych, mających wpływ na skuteczność diagnostyki. Artykuł jest adresowany głównie do osób rozpoczynających pracę z kamerą lub zamierzających stosować tę technologię w diagnostyce instalacji.

Obniżające się ceny kamer termowizyjnych, przy równoczesnym wzroście ich jakości i rozszerzaniu możliwości pomiarowych, czynią termowizyjną technikę pomiarów temperatury coraz bardziej atrakcyjną dla zastosowań w wielu nowych obszarach.

Podstawy fizyczne pomiarów termowizyjnych

Pomiary termowizyjne polegają na pomiarze natężenia promieniowania cieplnego, które jest emitowane przez wszystkie ciała o temperaturze wyższej od temperatury 0 K (-273,15°C). Promieniowanie cieplne może być emitowane przez bryłę (warstwa) aktywnego radiacyjnie gazu, powierzchnię cieczy lub zbiorowisko kropel cieczy, powierzchnię ciała stałego lub zbiór tych obiektów w obserwowanej przestrzeni. Za wyjątkiem gazów we wszystkich wymienionych wyżej przypadkach promieniowanie cieplne ma charakter widma ciągłego (emitowane promieniowanie zawiera teoretycznie wszystkie długości fali promieniowania od zera do nieskończoności). W przypadku gazów promieniowanie ma charakter selektywny. Poszczególne gazy emitują promieniowanie tylko w charakterystycznych dla siebie zakresach długości fali [1]. Fakt ten pozwala wykrywać obecność danego gazu w atmosferze (w roztworze gazowym), o ile detektor kamery jest wrażliwy na promieniowanie o danej długości fali.

Natężenie promieniowania cieplnego jest ściśle związane z temperaturą promieniującego obiektu (powierzchni). Im wyższa jest temperatura, tym wyższa jest intensywność promieniowania. Matematyczny związek pomiędzy tymi wielkościami jest znany i to on pozwala na określenie temperatury promieniującego ciała, w oparciu o pomiar skutków wywoływanych w detektorze promieniowania, zainstalowanym w kamerze termowizyjnej. Drugim ważnym parametrem mającym wpływ na intensywność promieniowania rozpatrywanej powierzchni jest współczynnik emisyjności. Wartości współczynnika są zawarte w przedziale (0,0–1,0). Ciała mające współczynnik emisyjności równy 1,0 to tzw. ciała doskonale czarne. Powierzchnia taka promieniuje najintensywniej, w porównaniu z innymi ciałami mającymi tę samą temperaturę. Równocześnie absorbuje ona w 100% promieniowanie, które na nią pada. Drugim skrajnym przypadkiem jest ciało (powierzchnia) doskonale białe – nie emitujące promieniowania cieplnego i całkowicie odbijające promieniowanie innych obiektów padające na tę powierzchnię. Ciała rzeczywiste charakteryzują się współczynnikiem emisyjności należącym do podanego wyżej przedziału i nigdy nie osiągają podanych skrajnych wartości. Dla celów wzorcowania przyrządów pomiarowych buduje się modele ciała doskonale czarnego mające współczynnik emisyjności praktycznie równy jedności.

Działanie kamery termowizyjnej

(...)

 Rys. 2. Przykładowy termogram instalacji do odprowadzania zapylonych spalin z użyciem ciągłej palety kolorów: a) – paleta Glowbow; b) – paleta 10-stopniowa (paleta Iron 10)

Wykorzystanie wyników inspekcji termowizyjnej

Jak wynika z dotychczasowych rozważań, wynikiem pomiaru termowizyjnego jest informacja o rozkładzie temperatury na powierzchni obserwowanego obiektu. Na jakość wyniku termowizyjnego pomiaru temperatury ma wpływ jednak kilka czynników [2, 3, 5]. Najważniejszym z nich jest wymieniony wcześniej współczynnik emisyjności [1, 2, 5]. Dokładne określenie wartości tego współczynnika, jak również wartości innych parametrów mających wpływ na wynik pomiaru, umożliwia otrzymanie wartości temperatury o dokładności gwarantowanej przez producenta kamery. Ten typ pomiarów zalicza się do tzw. termografii ilościowej, ponieważ celem takiego pomiaru jest otrzymanie informacji o wystarczająco dokładnych wartościach temperatury. Najczęściej w typowej diagnostyce instalacji wystarczająca jest informacja o przybliżonym rozkładzie temperatury lub informacja, gdzie występują nadmierne i nieuzasadnione spiętrzenia termiczne, albo tylko informacja o występujących różnicach temperatury na powierzchni badanego obiektu. Tego typu badanie zalicza się do tzw. termografii jakościowej. W tym przypadku nie jest istotna wartość temperatury, a jedynie informacja o jakościowym jej rozkładzie.

Z analizy obrazu termowizyjnego badanego obiektu można wyciągnąć wiele interesujących i użytecznych wniosków, pod warunkiem, że wiemy, jaki proces zachodzi w obiekcie (instalacji), który jest przedmiotem naszej obserwacji. Poniżej podano kilka przykładów.

Termogramy zaprezentowane na rys. 2 przedstawiają obraz termalny ściany kanału do odprowadzania spalin z urządzenia przemysłowego. Prezentacja obrazów termowizyjnych z użyciem różnych palet kolorów ma na celu pokazanie istniejących możliwości graficznego zaprezentowania wyników pomiarów termowizyjnych. Stopniowana paleta kolorów pozwala na wyraźne określenie kształtów powierzchni mających zbliżoną temperaturę (w przypadku rys. 2b każdemu kolorowi odpowiada 20-stopniowy zakres temperatury). Na prezentowanych termogramach wyraźnie widać, że na skutek wytrącenia się pyłu na dnie i częściowo na ścianach kanału, następuje zwiększenie oporu przepływu ciepła w miejscach zalegania pyłu. Z tej przyczyny temperatura ścianki na zewnątrz jest tym niższa, im grubsza jest warstwa pyłu.

Podobny przypadek zaprezentowany jest na rys. 3, gdzie na dnie rurociągu nastąpiło wytrącenie się osadów [4]. Na podstawie termogramu można ocenić skalę zjawiska i zadecydować o podjęciu ewentualnych działań w celu usunięcia zanieczyszczeń. W danym przypadku nie jest istotna dokładna wartość temperatury na powierzchni rurociągu, a jedynie wielkość i kształt obszaru o zróżnicowanej temperaturze. Jest to przykład termografii jakościowej.

(...)

Rys. 6. Fragment instalacji rurowej absorpcyjnej pompy ciepła.

Rys. 7. Fragment instalacji absorpcyjnej pompy ciepła

Podsumowanie

Termowizyjna technika pomiaru temperatury daje duże możliwości w zakresie oceny strat ciepła z różnych obiektów, oceny prawidłowości działania instalacji i urządzeń energetycznych oraz lokalizacji defektów i uszkodzeń. Technika ta jest przydatna wszędzie tam, gdzie w oparciu o znajomość rozkładu temperatury na powierzchni badanego obiektu możemy wnioskować o przebiegu procesów w danym obiekcie.

Różne przykłady wykorzystania wyników badań termowizyjnych wskazują, że obszar zastosowań badań termowizyjnych nieustannie się rozszerza i dawno wykroczył już poza zakres związany jedynie z termoizolacją instalacji cieplnych i energetycznych.

Tadeusz KRUCZEK

Materiały źródłowe
[1] Kostowski E.: Promieniowanie cieplne, PWN, Warszawa, 1993
[2] Kruczek T.: Analiza wpływu czynników zewnętrznych na wyniki termowizyjnego pomiaru temperatury. Materiały V Krajowej Konferencji – Termografia i Termometria w Podczerwieni, Łódź-Ustroń, 2002, s. 327-332
[3] Kruczek T.: Wyznaczanie radiacyjnej temperatury otoczenia przy pomiarach termowizyjnych w otwartej przestrzeni. Pomiary Automatyka, Kontrola, nr 11, 2009, s. 882-885.
[4] Materiały szkoleniowe firmy Flir
[5] Praca zbiorowa (red. Madura H.): Pomiary termowizyjne w praktyce. Agenda Wydawnicza PAK, Warszawa, 2004