Źródła błędów w pomiarach termograficznych

Poniedziałek, 7 Listopad 2011

Dokonując pomiarów termowizyjnych, podobnie jak w przypadku jakichkolwiek innych badań, zakładamy, że osiągnięty wynik będzie rzetelny i posłuży to obiektywnej oceny badanego przedmiotu. Aby tak się stało należy, podczas czynności pomiarowych, dokonać wszelkich starań w celu prawidłowego ich przeprowadzenia. Termografia jest dziedziną wymagającą nie tylko dobrej jakości sprzętu, ale również doświadczenia i wiedzy operatora. Nie bez przyczyny, dostawcy kamer termowizyjnych, zwracają uwagę na optymalne warunki pracy i uwrażliwiają na czynniki, które mogą zakłócić wyniki pomiaru. Poniżej przeanalizujemy najczęstsze źródła błędów w pomiarach termograficznych.

Rys. 1. Efekty nieprawidłowego ustawienia emisyjności podczas pomiaru temperatury. Im większa różnica między temperaturą mierzonego przedmiotu a temperaturą otoczenia i im niższa emisyjność, tym większe są błędy pomiaru. Błędy te są większe w przypadku nieprawidłowego ustawienia emisyjności.

Nieprawidłowe ustawienie emisyjności

Jednym z dość powszechnie obserwowanych błędów jest nieprawidłowe ustawienie emisyjności. A dlaczego jest ono tak ważne? Zacznijmy od teorii tego zjawiska. Każdy przedmiot posiada swoją indywidualną emisyjność. Jest to zdolność materiału do emitowania (oddawania) promieniowania podczerwonego. Parametr ten zależy od właściwości podłoża, materiału oraz, w przypadku niektórych materiałów, także od temperatury mierzonego przedmiotu. Materiały niemetaliczne takie jak np. PVC, beton czy substancje organiczne mają wysoką emisyjność w zakresie długich fal promieniowania podczerwonego, która nie zależy od temperatury. Z kolei metale, szczególnie te o błyszczącej powierzchni, mają niską emisyjność zmieniającą się wraz z temperaturą. Maksymalna emisyjność (= 1) odnosi się tylko do teorii i nie występuje w rzeczywistości. Wartość najbliższą maksymalnej emisyjności (> 0,95) posiada „ciało doskonale czarne”. Jest ono wykorzystywane do kalibracji kamer.

Im większa różnica między temperaturą mierzonego przedmiotu a temperaturą otoczenia i im niższa emisyjność, tym większe są błędy pomiaru. Błędy te są większe w przypadku nieprawidłowego ustawienia emisyjności.

W celu określenia emisyjności powierzchni mierzonego przedmiotu można, na przykład, odnieść się do dostępnych tabel emisyjności (w tym przypadku należy uwzględnić, że wartości podane w tabelach są tylko i wyłącznie wartościami wytycznymi i mogą różnić się od konkretnego, mierzonego przedmiotu).

Innym sposobem na określenie emisyjności jest dokonanie pomiaru referencyjnego za pomocą termometru kontaktowego. Aby oszacować ten parametr należy najpierw dokonać pomiaru temperatury powierzchni mierzonego przedmiotu za pomocą termometru kontaktowego, a następnie zmierzyć temperaturę powierzchni mierzonego przedmiotu za pomocą kamery termowizyjnej przy ustawieniu emisyjności na jeden. Różnica pomiędzy wartościami temperatur z pomiaru za pomocą termometru i kamery termowizyjnej to wynik zbyt wysokiego ustawienia emisyjności. Stopniowo obniżając emisyjność można zmienić wynik pomiaru temperatury aż do momentu, gdy będzie ona odpowiadać wartości otrzymanej podczas pomiaru kontaktowego.

Rys. 2. Odbicie kierunkowe i rozproszone

Emisyjność można również określić wykorzystując tylko kamerę termowizyjną. W tym celu potrzebna będzie jeszcze taśma z określoną emisyjnością (dostępna u dystrybutorów kamer termowizyjnych) lub alternatywnie farba o znanej emisyjności, olej odporny na wysokie temperatury (emisyjność około 0,82) lub sadza (emisyjność około 0,95). Aby dokonać pomiaru należy umieścić kawałek taśmy z określoną emisyjnością (lub substancji alternatywnej) na mierzonym przedmiocie. Odczekać krótką chwilę, a następnie dokonać pomiaru temperatury powierzchni mierzonego przedmiotu na zaklejonym obszarze za pomocą kamery termowizyjnej przy emisyjności ustawionej dla taśmy klejącej (lub innej wykorzystywanej substancji). Ta temperatura będzie temperaturą referencyjną. Następnie należy wyregulować ustawienia emisyjności aż do momentu, gdy pomiar temperatury przy pomocy kamery termowizyjnej będzie miał taki sam wynik dla obszaru niezaklejonego jak temperatura referencyjna. Tak ustawiona emisyjność odpowiada emisyjności powierzchni mierzonego przedmiotu.

Rys. 3. Pole widzenia kamery termowizyjnej

Nieprawidłowe ustawienie RTC

RTC (reflected temperature compensation), to kolejna zmienna, którą można ustawić ręcznie w kamerze termowizyjnej, ale nie każdy robi to poprawnie. Parametr ten, czyli kompensacja temperatury odbitej, może zostać określony przy użyciu radiatora Lamberta.

Zacznijmy jednak od tego, że po usunięciu wszystkich możliwych źródeł zakłóceń, które mogłyby wpływać na pomiar, temperatura odbitego promieniowania podczerwonego jest taka sama jak temperatura otoczenia. Można ją zmierzyć za pomocą termometru. Na tej podstawie RTC może zostać wprowadzone do kamery termowizyjnej. Jeżeli jednak źródła promieniowania są obecne w środowisku pomiarowym należy określić temperaturę odbitego promieniowania w celu zapewnienia dokładnego wyniku pomiaru.

Pomiar temperatury odbitej wykonuje się przy pomocy radiatora Lamberta. Radiator Lamberta to przedmiot, który odbija incydentalne promieniowanie przy optymalnym rozproszeniu, czyli równo we wszystkich kierunkach. Temperatura promieniowania odbitego może zostać zmierzona na radiatorze Lamberta przy pomocy kamery termowizyjnej. Odpowiednim zamiennikiem tego urządzenia może być kawałek zgniecionej, a następnie rozwiniętej folii aluminiowej. Folia posiada wysoki współczynnik odbicia, a dzięki pomarszczonej strukturze, odbicie rozproszone promieniowania jest bliskie ideałowi.

W celu zmierzenia temperatury promieniowania odbitego należy umieścić radiator Lamberta (w tym przypadku wcześniej przygotowaną folię aluminiową) niedaleko mierzonego przedmiotu lub na jego powierzchni. Następnie trzeba zmierzyć temperaturę radiatora przy emisyjności ustawionej na jeden. Kamera dokona obliczenia temperatury promieniowania incydentalnego.

Teraz można wprowadzić tę wartość jako RTC do kamery termowizyjnej i dokonać właściwego pomiaru temperatury mierzonego przedmiotu przy emisyjności ustawionej dla powierzchni mierzonego przedmiotu.

Rys. 4. Pole widzenia jednego piksela

Za pomocą kamery termowizyjnej możliwy jest wyłącznie pomiar temperatury powierzchni badanego przedmiotu. Niemożliwe jest spojrzenie do jego wnętrza. Osłony zabezpieczające, wykonane z przeźroczystych materiałów, takich jak na przykład szkło, są transparentne jedynie dla ludzkiego oka. Ich powierzchnia nie jest przenikalna dla długich fal promieniowania podczerwonego. Czasami takie zderzenie postrzegania ludzkiego oka z możliwościami kamery termowizyjnej może doprowadzić do nie zdjęcia osłony z badanego przedmiotu i w efekcie zostanie dokonany pomiar tylko temperatury powierzchni osłony.

Odległość pomiarowa niedostosowana do wielkości obiektu

W celu określenia prawidłowej odległości do przeprowadzenia pomiaru oraz maksymalnej wielkości przedmiotu, który będzie widzialny lub mierzalny muszą być wzięte pod uwagę trzy zmienne:

• pole widzenia (FOV);
• najmniejszy identyfikowalny przedmiot (IFOVgeo)
• najmniejszy mierzalny przedmiot/punkt pomiarowy (IFOVmeas).

Pole widzenia (FOV) kamery termowizyjnej określa obszar widoczny za pomocą kamery termowizyjnej. Determinuje je użyty obiektyw (np. obiektyw szerokokątny 32° lub teleobiektyw 9°). Ponadto należy poznać dane najmniejszego identyfikowalnego przedmiotu (IFOVgeo) dla danej kamery termowizyjnej. Określa to rozmiar piksela według odległości. Dla przykładu, przy rozdzielczości przestrzennej obiektywu wynoszącej 3,5 mrad oraz odległości pomiarowej 1 m, najmniejszy identyfikowalny przedmiot (IFOVgeo) ma długość krawędzi równą 3,5 mm i jest pokazany na wyświetlaczu jako piksel. W celu otrzymania dokładnych wyników pomiaru mierzony obiekt powinien być 2 do 3 razy większy niż najmniejszy identyfikowalny przedmiot (IFOVgeo).

Wpływ środowiska zewnętrznego

Nie należy zapominać, że na wynik badania wpływ mają również czynniki zewnętrzne panujące w miejscu pomiaru. Należą do nich zarówno źródła zewnętrznego promieniowania takie jak żarówki czy grzejniki jak również czynniki atmosferyczne. Idealne warunki pomiaru panują w chłodne zachmurzone dni. Powłoka chmur zasłania przedmioty przed promieniowaniem słonecznym i „zimnym rozproszonym promieniowaniem niebieskim”. Z kolei w czasie deszczu lub podczas opadów śniegu wynik pomiarów może być zakłócony. Woda, lód i śnieg mają wysoką emisyjność i są nieprzepuszczalne dla promieniowania podczerwonego. Ponadto pomiar mokrych przedmiotów może zawierać błędy, ponieważ powierzchnia mierzonego przedmiotu chłodzi się podczas wyparowywania cieczy.

Względna wilgotność powietrza w środowisku pomiaru powinna być wystarczająco niska, aby nie było kondensacji w powietrzu (mgły), na mierzonym przedmiocie, na nasadce ochronnej lub obiektywie kamery termowizyjnej. Jeżeli obiektyw (lub nasadka ochronna) jest zamglona, część promieniowania podczerwonego nie zostanie odebrana, ponieważ nie będzie ono mogło w pełni przeniknąć przez wodę do obiektywu. Wyjątkowo gęsta mgła może mieć wpływ na wyniki pomiaru, jako że kropelki wody w ścieżce transmisji przepuszczają mniej promieniowania podczerwonego.

Fot. 1. Kamery używane do pomiarów termowizyjnych: z lewej - FLIR T365, po prawej - TESTO 882

Wiatr lub przeciąg w pomieszczeniu może mieć również wpływ na pomiar temperatury za pomocą kamery termowizyjnej. Na skutek wymiany ciepła (konwekcji) powietrze znajdujące się blisko powierzchni ma taką samą temperaturę jak mierzony przedmiot. Przy dużym przepływie powietrza lub przeciągu ta warstwa powietrza jest „zdmuchiwana” i zastępowana nową warstwą powietrza, która nie dostosowała się jeszcze do temperatury mierzonego przedmiotu. W wyniku konwekcji ciepło jest zabierane z ciepłego mierzonego przedmiotu i pochłaniane przez zimny mierzony przedmiot aż do momentu, gdy temperatura powietrza i powierzchni mierzonego przedmiotu dostosują się do siebie. Efekt wymiany cieplnej wzrasta wraz ze wzrostem różnicy temperatur pomiędzy powierzchnią mierzonego przedmiotu, a temperaturą otoczenia.

Jeszcze inny problem stanowią unoszące się w powietrzu zanieczyszczenia. Materia zawieszona, taka jak na przykład kurz, pył, sadza i dym oraz niektóre opary mają wysoką emisyjność i są praktycznie nieprzenikalne. Oznacza to, że mogą one zakłócać pomiar, ponieważ emitują własne promieniowanie podczerwone, które jest odbierane przez kamerę termowizyjną. Ponadto tylko część promieniowania podczerwonego mierzonego przedmiotu może przedostać się do kamery termowizyjnej, ponieważ zostaje ono rozproszone i pochłonięte przez materię zawieszoną.

Nieprawidłowa interpretacja obrazu termicznego

Nawet jeśli badania termografi czne zostały przeprowadzone z wyjątkową starannością i przy zachowaniu wszelkich niezbędnych parametrów istnieje ryzyko związane z błędną interpretacją obrazu termicznego. Nieprawidłowa interpretacja może wynikać z braku wiedzy na temat kształtu mierzonego przedmiotu. Warto analizować termogramy porównując je z rzeczywistym badanym przedmiotem lub choćby zdjęciem tego przedmiotu.

Redakcja
na podstawie „Kieszonkowego przewodnika - termografia”, wydanego przez TESTO.