Technika termowizji.doc

Uniwersytet Opolski

Wydział Przyrodniczo-Techniczny

Katedra Inżynierii Procesowej

Studia Podyplomowe

„Inżynieria Środowiska z zakresu audytu energetycznego na potrzeby termomodernizacji i oceny energetycznej budynków”

Piotr  Stankiewicz

TECHNIKA  TERMOGRAFII

Opole 2008

SPIS TREŚCI

1.      Wstęp.

2.      Zasada działania kamery termowizyjnej.

3.      Typowe konstrukcje kamer termowizyjnych.

4.      Słowo od autora

1.      Wstęp.

W ciągu ostatnich kilku lat obserwujemy jak upowszechnia się technika termowizyjna, a ceny urządzeń spadają do poziomu, który pozwala wreszcie na szersze niż dotychczas (ośrodki naukowe, wojsko, energetyka) zastosowanie . Upowszechnienie technologii umożliwia zastosowanie badań termowizyjnych w wielu aplikacjach w przemyśle, będąc nie tylko uzupełnieniem już istniejących metod, lecz przede wszystkim otwierającym całkowicie nowe możliwości analizy i diagnostyki maszyn , urządzeń, budynków, ciepłociągów itp.

Opracowanie powstało z myślą o wszystkich tych, którzy zaczynają zastanawiać się nad przydatnością kamery w jego zakładzie, ale jak na razie nie wgłębiali się w zasadę działania, podstawy fizyczne oraz ograniczenia metody.

Wykład teoretyczny na temat podstaw został w niniejszym opracowaniu ograniczony do absolutnego minimum, wystarczającego do zrozumienia zalet i ograniczeń metody. Wiele uwag dotyczących techniki pomiaru wynika z mojego osobistego doświadczenia z osobami które dotychczas nie miały nic wspólnego z termowizją. Mam nadzieję że specjaliści z termowizji wybaczą mi pewne uproszczenia, ponieważ celem mojego opracowania jest wzbudzenie zainteresowania, pokazanie możliwości, a nie zagłębianie się we wzory, zależności, prawa, które tylko mogą zniechęcić potencjalnych klientów do stosowania tak teoretycznie trudnego i skomplikowanego urządzenia.

2.      Zasada działania kamery termowizyjnej.

Kamera termowizyjna opiera swoje działanie na zjawisku polegającym na emisji promieniowania elektromagnetycznego przez każde ciało którego temperatura jest wyższa od bezwzględnego zera - temperatury minus 273,16 C- czyli w praktyce przez wszystko co nas otacza. W odróżnieniu od noktowizji, która opiera się o odbiór promieniowania odbitego (ciało musi być oświetlone przez Księżyc lub specjalny promiennik podczerwieni), kamera termowizyjna czy pirometr nie emitują w kierunku mierzonego obiektu żadnego promieniowania, ponieważ wszystkie otaczające nas ciała w sposób naturalny same są źródłem promieniowania.
Czasami dla zlokalizowania przez operatora punktu w którym wykonywany jest pomiar, instalowany jest dodatkowy celownik laserowy, który podświetla środek pola pomiarowego. Nie ma on nic wspólnego z pomiarem ! Gdy temperatura przekracza 550 C to nasz wzrok również odbiera to promieniowanie np.: wystarczy zapalić zapałkę, spojrzeć na rozgrzaną blachę itd. Wielu wprawnych operatorów na walcowniach, odlewniach czy hutach szkła jest w stanie określić temperaturę na podstawie barwy z dokładnością do 20 C.
Niestety ale ich wiedza jest ograniczona po pierwsze do promieniowania które wysyła konkretny obiekt, a po drugie do ciał o temperaturze większej niż 550 C. Poniżej tej temperatury ciała emitują promieniowanie które jest niewidoczne dla człowieka (a zatem w nocy wcale nie jest ciemno, tylko że ludzie nie są w stanie zobaczyć promieniowania od drzew, zimnej blachy, ściany itp.).
Kamera termowizyjna jest więc urządzeniem do złudzenia przypominającym zwykłą kamerę video, tylko w odróżnieniu od niej, każdy punkt obrazu odpowiada temperaturze obiektu, a nie jej barwie ( gdy skierujemy kamerę termowizyjną na szachownicę to nie jesteśmy w stanie powiedzieć gdzie są białe, a gdzie czarne pola, ponieważ cała powierzchnia ma jednakową temperaturę).

Dla naszej wygody, kamera termowizyjna przekształca wartość temperatury w danym punkcie na pewien, zdefiniowany przez użytkownika kolor np.: najczęściej obiekty o temperaturze minimalnej (użytkownik może dowolnie ją ustawić) odpowiada kolor czarny, a maksymalnej biała. Obiekty o kolorze niebieskim mają niższą temperaturę niż o kolorze czerwonym, a te znowu niższą niż o kolorze żółtym itd.

Gdy wykonano pierwsze pomiary za pomocą pirometrów (kamera to po prostu matryca detektorów, pirometr to urządzenie o pojedynczym detektorze), stwierdzono że niestety wskazywana temperatura jest zazwyczaj niższa od rzeczywistej. Powodem problemów jest fakt że ciała emitują mniej energii niż opisuje to wzór Plancka, w którym nie uwzględnia się typu (materiału) ciała, oraz jego powierzchni (porowata, gładka). Fizycy wprowadzili specjalny współczynnik który dokładnie opisuje ilość energii emitowanej przez ciało do energii która powinna być (ale nie jest) wyemitowana – współczynnik emisyjności.
Przykładowo beton na współczynnik 0,95, czyli emituje tylko 5 % energii mniej niż wynika to ze wzoru Plancka, wypolerowana powierzchnia aluminium ma współczynnik 0,02, a zatem prawie nie emituje energii.
Znajomość współczynnika emisyjności jest konieczna do określenia dokładnej temperatury obiektu, jest prawie zbędna do diagnostyki. Dlaczego zbędna dla diagnostyki ? Proszę zwrócić uwagę że w przypadku badania np.: połączeń elektrycznych, łożysk, uzwojeń silników, izolacji ścian pieców tak naprawdę chodzi nam o znalezienie anomalii temperaturowych. Proszę spojrzeć na poniższe zdjęcie 3 styków:

Każdy elektryk bez specjalnej wiedzy od razu stwierdzi że na środkowej fazie mamy poważny problem, tym bardziej że kolor biały odpowiada temperaturze aż 111 C. Emisyjność obrazu została ustalona na 0.98, a więc gdyby zmniejszyć ją dla utlenionej powierzchni ze stali do wartości 0.9, temperatura biała wzrośnie do 116 C, co nie ma żadnego praktycznego znaczenia w tej aplikacji.

Proszę zwrócić uwagę że termowizja pozwala na badanie urządzeń elektrycznych pod napięciem, w czasie normalnej pracy, przy pełnym obciążeniu, kiedy każda usterka może spowodować uszkodzenie, pożar, a nawet stwarzać realne niebezpieczeństwo dla załogi.

Podobny problem możemy spotkać przy badaniu np.: ciepłociągów, kiedy wyraźnie widać uszkodzenie izolacji przy podporze (temperatura rury 27 C przy mrozie –5 C) – trzeba to naprawić bez względu na dokładność pomiaru !

W tym przypadku widać że istnieje możliwość diagnostyki z dużej odległości, w praktyce często pomiary wykonuje się z 10-20m od obiektu. Oczywiście maksymalna odległość wynika z wielkości obiektu. Przy zastosowaniu teleobiektywu można wykonywać bez problemu badania izolatorów na liniach WN.

Inna sytuacja ma miejsce gdy musimy znać dokładną wartość temperatury np.: przy określaniu stanu izolacji termicznej budynku. W takim przypadku dla określenia niezbędnej grubości izolacji dla spełnienia odpowiednich regulacji prawnych, konieczna jest znajomość temperatury wewnątrz pomieszczeń, jak i ścian zewnętrznych. Współczynnik ten można określić np.: za pomocą dostosowania wskazań kamery do termometru kontaktowego, mierzącego w tym samym punkcie lub wprowadzić zgodnie z wartościami podanymi w literaturze specjalistycznej.

Należy jednak zwrócić uwagę, że bez względu na wartość współczynnika, na obu zdjęciach wyraźnie widać miejsca przemarzania ścian. Częstym pytaniem klientów jest czy można określić temperaturę wewnątrz budynku przy badaniu go z zewnątrz, czy można określić temperaturę elementów wewnątrz pieca (przy braku wziernika) itd. Odpowiedź brzmi: NIE !. Kamera odbiera wyłącznie promieniowanie z powierzchni obiektu, nie odbiera żadnego promieniowania pochodzącego z wnętrza ciała np.: od rur wodociągowych, kabli elektrycznych itp. Jednak poniższe zdjęcie budynku z ogrzewaniem podłogowym ujawnia położenie rur grzewczych. Dlaczego ? Ponieważ gorąca woda ogrzewa rury, a te dzięki przewodnictwu cieplnemu (inna forma transportu ciepła) podgrzewają kafelki na podłodze. Kafelki oddają ciepło do otoczenia przede wszystkim dzięki konwekcji (kolejna forma transportu ciepła), jak i również, są źródłem promieniowania elektromagnetycznego. Powierzchnie położone najbliżej rur są nagrzane zdecydowanie bardziej, od powierzchni położonych pomiędzy rurami. Należy jednak pamiętać że obraz odzwierciedla temperaturę kafelek, a nie wody w rurach ! Oznacza to że latem obraz będzie posiadał jednolity kolor, i nie będzie można stwierdzić gdzie znajdują się rury. W przypadku ciepłociągów umieszczonych pod ziemią wyniki prób nie są jednoznaczne, przy dobrze zaizolowanych ciepłociągach lub przy pokrywie śnieżnej nie da się stwierdzić wady (a co jest proste przy ciepłociągach napowietrznych). Rury z wodą wodociągową lub kable elektryczne w ścianach możemy wykryć wyłącznie kiedy powodują one podgrzanie / ochłodzenie tynku, co w praktyce nie udało mi się osobiście uzyskać.

Czy wprowadzenie współczynnika emisyjności jest jednym problemem przy pomiarze ? Nie, częstym błędem jest pomijanie refleksyjności obiektu. Jak wspomniałem wcześniej beton ma współczynnik 0,95, co oznacza że emituje 5 % promieniowanie mniej niż powinien. Znaczy to również że 5 % promieniowania od słońca które pada na ścianę budynku odbija się od jego powierzchni i również trafia do detektora. Ponieważ temperatura słońca to prawie 6000 C, a więc to sporo energii w porównaniu z energią jaką wysyła ściana!
Oznacza to że jeśli kamera zostanie skierowana na ścianę budynku w ciągu dnia, to wynik będzie zależał zarówno od temperatury ściany, jak i chwilowego nasłonecznia. Dlatego przy pomiarach należy zwrócić uwagę aby żadne ciało z otoczenia np.: słońce lub obiekty o wysokiej temperaturze nie powodowały zafałszowania wyniku pomiaru. Budynki i ciepłociągi należy badać w nocy lub przy bardzo słabym oświetleniu słonecznym, elementy silnie refleksyjne np.: z aluminium, stali nierdzewnej (czyli błyszczące) najlepiej pokryć w miejscu pomiaru farbą, lub nalepić specjalną taśmę o ściśle określonej emisyjności

Na szczęście często elementy błyszczące są pokryte kurzem, porysowane, zabrudzone, a zatem pokryte świetnymi słabo refleksyjnymi materiałami. Poniższe zdjęcie wykonano przy pomiarze temperatury szyby – co jednak mierzymy: operatora kamery czy szybę?

Doskonałym przykładem zastosowania termowizji są zawory: bez problemu możemy stwierdzić ich wadę: od razu stwierdzimy że dno rury ma inną temperaturę z uwagi na różnicę temperatury cieczy oraz rury. Poniżej przedstawiono zdjęcie 2 zamkniętych zaworów:

Na pierwszym termogramie zawór działa prawidłowo.

Na drugim termogramie widać że ciecz wciąż przepływa (uwaga: inna paleta barw: kolor czerwony wskazuje temperaturę maksymalną).

3.      Typowe konstrukcje kamer termowizyjnych.

Termografia w podczerwieni należy do dziedzin, które rozwijają się bardzo dynamicznie. Znaczący postęp widać w konstrukcji kamer termowizyjnych, nad którymi prace podjęto po II wojnie światowej. W roku 1965 szwedzka firma AGA Infrared Systems wprowadziła na rynek pierwszą kamerę przeznaczoną do zastosowań cywilnych (Thermovision 651). Jednakże dopiero w roku 1978 zaoferowano kamerę przenośną (Thermovision 780). Istotny postęp nastąpił w roku 1986, kiedy zastosowano detektory chłodzone termoelektrycznie (kaskada 3-stopniowa; temperatura ok. -70oC). Do tej pory stosowano chłodzenie ciekłym azotem, co było kłopotliwe, zwłaszcza w pomiarach w terenie. Kamery termowizyjne były wówczas skanerami z układem ruchomych luster, które skupiały na detektorze promieniowanie z kolejnych linii skanowania, punkt po punkcie. Odpowiednio małą bezwładność oraz dobrą czułość tych detektorów półprzewodnikowych osiągano właśnie w niskich temperaturach. Kolejny ważny przełom nastąpił w 1997 roku, kiedy na rynek wprowadzono kamerę Thermovision (ThermaCAM) 570 (rys.1) z matrycą detektorów, tj. 320x240 mikrobolometrów, która nie wymagała chłodzenia, lecz tylko stabilizacji temperatury za pomocą modułu Peltiera. Oczywiście, w takiej konstrukcji detekcja promieniowania podczerwonego następuje na matrycy (rys. 2) i nie jest potrzebny żaden układ skanowania.

Konstrukcje kamer termowizyjnych
     Można wskazać trzy podstawowe grupy konstrukcji pomiarowych kamer termowizyjnych, które powstały w ostatnich 10 latach:
● kamery badawcze ze specjalnymi matrycami detektorów,
● kamery pomiarowe o matrycy detektorów 320x240 lub większej,
● kamery pomiarowe o matrycy detektorów 160x120 lub mniejszej.
     Pierwsza grupa kamer to urządzenia przeznaczone głównie do naukowych badań stacjonarnych. Charakteryzują się bardzo niską czułością (sięgającą 15 mK), koniecznością chłodzenia matrycy detektorów (z pomocą chłodziarki Stirlinga) i możliwością rejestracji termogramów z częstotliwościami sięgającymi kilkudziesięciu kHz. Są to najdroższe kamery termowizyjne. Jako przykłady dla tej grupy można wskazać kamery: ThermaCAM SC6000 (z matrycą QWIP lub InSb) firmy FLIR Systems, Silver 660M (z matrycą InSb) firmy CEDIP Infrared Systems i ImageIR (z matrycą QWIP lub InSb) firmy InfraTEC.

Druga grupa kamer charakteryzuje się bardzo dobrą rozdzielczością optyczną, przeważnie szerokim zakresem pomiarowym, bardzo dobrą czułością i zazwyczaj dość obszernym wyborem wymiennej optyki (teleobiektywy, obiektywy szerokokątne, nakładki makroskopowe). Urządzenia te są przystosowane do pomiarów w różnych warunkach, dość poręczne, ergonomiczne i mobilne. Niektóre z tych kamer mają możliwość szybkiej rejestracji termogramów w komputerze, np. poprzez złącze fire-wire, z maksymalną częstotliwością ramki (np. 50 Hz). Najczęściej są to kamery o dość wszechstronnym przeznaczeniu; mogą niejednokrotnie być wykorzystane w dość wymagających badaniach naukowych. Parametry poszczególnych kamer, w zależności od producenta i modelu mogą znacznie się różnić, np. wielkością matrycy, zakresem pomiarowym, czułością, funkcjami pomiarowymi itp.
     Kamery tej klasy dominują w ofertach firm produkujących urządzenia do pomiarów w podczerwieni. Wśród produktów firmy FLIR Systems można wymienić: ThermaCAM T400 – rys. 3 – (matryca 320x240, czułość 0,07oC dla 30oC, zakres pomiarowy od -40oC do 350oC, opcjonalnie do 1200oC), ThermaCAM P640 – rys. 4 – (matryca 640x480, czułość 0,06oC dla 30oC, zakres pomiarowy od -40oC do 500oC, opcjonalnie do 2000oC) i ThermaCAM P65 (matryca 320x240, czułość 0,08oC dla 30oC, zakres pomiarowy od -40oC do 500oC, opcjonalnie do 2000oC). Firma JENOPTIK oferuje serię kamer VarioCAM o matrycach 320x240, 384x288 i 640x480. Zakres pomiarowy wynosi od -40oC do 1200oC, opcjonalnie do 2000oC, czułość 0,08oC dla 30oC. Firma AMETEK LAND ma w swoje ofercie kamerę ThermoPro TP8 z matrycą 384x288, z zakresem pomiarowym od -20oC do 500oC i czułości 0,08oC dla 30oC. Polska firma VIGO System produkuje kamerę VIGOcam v50 z matrycą 384x288 o czułości 0,08oC dla 30oC. Firma FLUKE oferuje kamery Ti-50 i Ti-55 z matrycami 320x240 i zakresami pomiarowymi od -20oC do 350 lub 600°C. (...)

Czynności pomiarowe
     Wykonywanie badań termowizyjnych wymaga odpowiedniego przygotowania operatora kamery. Pożądane jest też doświadczenie zarówno w wykonywaniu pomiarów, jak i w interpretacji ich wyników. Podczas badań należy starannie określić i wprowadzić do kamery następujące dane: emisyjność powierzchni badanego obiektu, jego odległość od kamery, temperaturę i wilgotność względną otoczenia. W przypadku badań powierzchni o emisyjności znacznie mniejszej od jedności problemem może być odbicie ciał o temperaturze niższej lub wyższej od temperatury badanego obiektu (np. operatora kamery) i w rezultacie pomiar tzw. temperatury pozornej, różniącej się od rzeczywistej temperatury danej powierzchni. Wskazana jest wówczas obserwacja badanego obiektu pod różnymi kątami, aby odróżnić niepożądane odbicia od rzeczywistych anomalii rozkładu temperatury.
 ...