Termografia w podczerwieni - podstawy fizyczne
Pomiary cieplne oparte o pomiar promieniowania podczerwonego, nazywane także ilościowymi pomiarami podczerwonymi lub pirometrycznymi, polegają na fenomenie, że ciało posiadające temperaturę powyżej zera absolutnego wynoszącego 0,0 K (-273,15 °C) wysyła promieniowanie elektromagnetyczne. Określając jego intensywność, można w sposób bezdotykowy ustalić temperaturę ciała.
Promieniowanie podczerwone jest częścią spektrum elektromagnetycznego i rozpościera się w długofalowej części spektrum widzialnego od światła czerwonego o długości fali ok. 760 nm do fal długości 1 mm.
W technicznych pomiarach temperatur główną rolę odgrywa zakres fal długości ok. 20 µm.
W drugiej połowie XIX wieku odkryto, że promieniowanie cieplne i inne fale elektromagnetyczne, jak np. światło widzialne lub fale radiowe, mają podobny charakter. Następstwem tego odkrycia były prawa stworzone przez KIRCHHOFFA, STEFANA, BOLTZMANNA, WIENA i PLANCKA. W połowie wieku XX w wyniku intensywnych prac na militarnym zastosowaniem techniki podczerwonej zbudowano pierwsze wskaźniki podczerwone. Po krótkim odstępie czasowym i technologicznym, w latach 60 pojawiły się pierwsze urządzenia termowizyjne do zastosowań cywilnych. Równolegle, jednakże z wyraźnie większą ilością dostępnych urządzeń, dokonał się rozwój pirometrii w temperaturowych pomiarach w przemyśle.
Ciała spotykane w praktyce odznaczają się różnymi właściwościami promieniowania. Aby więc stosować tę technikę do pomiarów rzeczywistych obiektów zaistniała konieczność, uprzedniego uproszczenia tej różnorodności i sprowadzenia jej do postaci modelu ciała o idealnych właściwościach promieniowania. Model tego ciała jest w fizyce nazywany ciałem doskonale czarnym. Odznacza się on tym, że ze wszystkich ciał, których temperatura jest oznaczana względem intensywności promieniowania podczerwonego, jego temperatura jest najbardziej zbliżona do rzeczywistej.
Spektralny rozkład promieniowania ciała doskonale czarnego opisuje prawo PLANCKA:
Z powyższego wykresu można wnioskować, że spektralne zestawienie wysyłanego promieniowania zależy od temperatury obiektu. Więc przykładowe ciało o temperaturze powyżej 500°C wysyła także promieniowanie w zakresie widzialnym. Ponadto stwierdzono, że dla każdej długości fali intensywność promieniowania wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.
Prawo promieniowania PLANCKA opisuje podstawowe zależności bezkontaktowych pomiarów temperatury. Tej teori nie da się jednak bezpośrednio zastosować do wielu praktycznych obliczeniach. Na jego podstawie wyprowadzono jednak wiele innych zależności, z których dwie zostaną poniżej krótko opisane. Poprzez integrację intensywności spektrum promieniowania przy wszystkich długościach fal otrzymano wartość promieniowania całkowitego wysyłanego przez dane ciało. Zależność tą opisuje prawo STEFANA-BOLTZMANNA.
W oparciu o proste matematyczne zależności wykonuje się szacunkowe przybliżenia, szczególnie przy przeliczaniu bilansów cieplnych obiektów lub zależności pirometrów całkowitego promieniowania. Spektralny zakres pomiarowy większości urządzeń pomiarowych jest jednakże często ograniczony, a zatem porównanie to nie zawsze znajduje zastosowanie.
Z graficznego przedstawienie prawa PLANCKA wynika, że długość fali, przy której promieniowanie wysyłane przez ciało doskonale czarne osiąga maksimum, przesuwa się wraz z temperaturą. Reguła przesunięć WIENA pozwala na wyprowadzenie różniczki równania PLANCKA.
Im mniejsza jest temperatura mierzonego obiektu, tym dalej w kierunku fal o większej długości przesuwa się maksimum promieniowania. W temperaturze pokojowej wartość ta leży w okolicy fal długości 10 µm.
Ponieważ termografia w podczerwieni jest metodą bezdotykową, promieniowanie podczerwone musi przebyć drogę od obiektu do urządzenia pomiarowego przez pewne medium, którego optyczne właściwości podczerwone mogą wpływać na otrzymany wynik. W większości przypadków jest nim powietrze, ale w praktyce spotyka się także inne materiały, jak np. przepuszczające promieniowanie podczerwone okna. Szczególnie zawarta w powietrzu para wodna lub dwutlenek węgla mogą zmniejszać jego zdolność przepuszczania promieniowania podczerwonego.
Spektralny współczynnik transmisyjności powietrza (10m, 25°C, 1013mbar, 85%r.F.) /5/
Przepuszczalność (transmisyjność) powietrza zależy w bardzo dużym stopniu od długości fali. Obszary o wysokim tłumieniu przenikają się z obszarami o dużej przepuszczalności (szrafowanie) tzw. "oknami atmosferycznymi". Podczas gdy w zakresie (8...14) µm, którego długofalowe okno atmosferyczne jest równomierne nawet na dużą odległość, w zakresie (3...5) µm występuje krótkofalowe okno atmosferyczne, w którym odchyłki pomiarowe związane z atmosferą są obserwowane już przy odległości pomiarowej wynoszącej 10 m.
Ciało doskonale czarne, jako fizyczny model promiennika, jest niezbędne do rozpatrywania podstawowych zależności. Praktyczne obiekty pomiarowe często mniej lub bardziej odbiegają od tego modelu i dlatego przy pomiarach staje się konieczne uwzględnienie tej odchyłki. Dlatego wprowadzono pojęcie współczynnika emisyjności, jako wartości określającej możliwości wysyłania promieniowania podczerwonego przez dane ciało. Ciało doskonale czarne czarne posiada współczynnik emisyjności o wartości 1, który jest niezależny od długości fali.
W przeciwieństwie do tego współczynnik emisyjności rzeczywistych obiektów pomiarowych w mniejszym lub większym stopniu zależy od długości fali. Poza tym możliwy jest wpływ następujących rodzajów zjawisk:
- zestawienie materiałów
- utlenienie otoczenia
- zadymienie otoczenia
- kąt do powierzchni normalnej
- temperatura
- stopień polaryzacji
Duża liczba tworzyw niemetalicznych odznacza się - szczególnie w długofalowym zakresie spektralnym - niezależnością od właściwości otoczenia ich współczynnika emisyjności, który jest wysoki i ma relatywnie stałą wartość. Należą do nich np. ludzka skóra lub często stosowane mineralne powłoki budowlane i malarskie.
Spektralny współczynnik emisyjności materiałów budowlanych (1 emalia, 2 gips, 3 beton, 4 szamot) /5/
Natomiast metale mają zazwyczaj mały współczynnik emisyjności, silnie zależny od cech otoczenia i zmniejszający się wraz ze wzrostem długości fal.
- Spektralny współczynnik emisyjności metali (1 srebro, 2 złoto, 3 platyna, 4 rod, 5 chrom, 7 tantal, 8 molibden) i innych substancji czystych (6 grafit, 9 selen, 10 antymon) /5/
Norbert Schuster, Valentin Kolobrodov
Infrarotthermographie
WILEY-VCH Verlag, Berlin 2000, ISBN 3-527-40130-X
Stahl, K.; Miosga, G.
Infrarottechnik
Hüthig Verlag, Heidelberg 1986
Glückert, Udo
Erfassung und Messung von Wärmestrahlung
Franzis Verlag, München 1992
ISBN 3-7723-6292-3
Wissensspeicher Infrarottechnik
Fachbuchverlag, Leipzig 1990, ISBN 3-343-00498-7
/5/ Walther, L.; Gerber, D.
Infrarotmeßtechnik
Verlag Technik, Berlin 1983
Wolfe, W.L.; Zissis, G.J.
The infrared handbook
Office of Naval Research, Washington 1978
The infrared and electro-optical systems handbook
SPIE Optical Engineering Press, Washington 1993
Lieneweg, F.
Handbuch der technischen Temperaturmessung
Vieweg Verlag, Braunschweig 1976
Touloukian, Y.S.; DeWitt, D.P.
Thermophysical properties of matter
Vol.8: Thermal radiative properties - Metallic elements and alloys
Vol.9: Thermal radiative properties - Nonmetallic solids
IFI/Plenum, New York and Washington 1972
Technische Temperaturmessungen - Strahlungsthermometrie
VDI/VDE-Richtlinie 3511, Fachausschuß 2.6 Technische Temperaturmessung
in VDI/VDE-Handbuch Meßtechnik I, Juni 1993
Gaussorgues, G.
Infrared Thermography (Microwave Technology Series 5)
Chapman & Hall, 1994, London
ISBN 0412479001
