Termografia i spektrometria w podczerwieni. Отсутствует
[1.33]. Emisyjność jest wykorzystywana w radiacyjnym pomiarze temperatury. Ciała o małej wartości emisyjności odbijają lub transmitują promieniowanie zgodnie z zależnością (1.3). W każdej metrologicznej kamerze termowizyjnej przed wyliczeniem wartości temperatury, wyznaczana jest moc promieniowania obiektu. Dla obiektu nieprzezroczystego (τ = 0), współczynnik odbicia jest określony równością ρ = 1 – ε. W konsekwencji strumień mocy promieniowania obiektu (egzytancja energetyczna w paśmie działania kamery, Mo) jest określony równaniem (1.45). Ponadto, atmosfera o współczynniku transmisji τatm promieniuje. Współczynnik emisyjności atmosfery wynosi 1 – τatm. Sygnał detektora (lub wartość cyfrowa sygnału w tzw. jednostkach izotermicznych IU) jest opisany równaniem (rys. 1.27):
gdzie Mt jest egzytancją energetyczną ciała czarnego o temperaturze tła (ciał w pobliżu badanego obiektu) w paśmie pracy kamery, a Matm jest egzytancją ciała czarnego o temperaturze atmosfery, symbol A oznacza stałą kamery, która uwzględnia transmisję i aperturę obiektywu.
Odpowiednie egzytancje energetyczne promieniowania obiektu, tła i atmosfery są opisane równaniami:
W ilościowych badaniach termowizyjnych, wartości emisyjności obiektu oraz promieniowanie tła są jednymi z najważniejszych parametrów, które wpływają na dokładność radiacyjnego pomiaru temperatury. Wartości emisyjności obiektu, transmisji atmosfery i temperatury obiektów w otoczeniu (tła) muszą być wprowadzone do komputera w kamerze, by ten poprawnie wyznaczył wartość temperatury badanego obiektu. Należy przypomnieć, że zarówno emisyjność, jak i promieniowanie tła zależą od długości fali, na jakiej pracuje kamera termowizyjna.
Rys. 1.27. Promieniowanie docierające do kamery termowizyjnej
1.5. Transmisja promieniowania podczerwonego przez materiały
Kamera termowizyjna ma obiektyw, który nie jest wykonany ze szkła, tak jak w systemie optycznym na zakres światła widzialnego. Czasem istnieje potrzeba umieszczenia kamery w szczelnej obudowie, w której montuje się okna transmisyjne dla promieniowania podczerwonego. W innych jeszcze przypadkach, monitorowany proces jest prowadzony w szczelnym pomieszczeniu/komorze, w której montowane są okna przezroczyste (częściowo przezroczyste) dla promieniowania podczerwonego. Do wykonania obiektywu kamery i okien transmisyjnych wykorzystuje się materiały o dużej wartości współczynnika transmisji dla podczerwieni (materiały przezroczyste w zakresie podczerwieni). Istnieje wiele materiałów, które częściowo przepuszczają promieniowanie podczerwone z zakresie NIR, MWIR i LWIR. Pasma transmisji niektórych z nich przedstawiono na rys. 1.28.
Należy pamiętać, że niektóre z tych materiałów charakteryzują się dużą wartością współczynnika załamania, np. nGe = 4, nSi = 3,5, nGaAs = 3,3, nZnSe = 2,4, nZnS = 2,4. Współczynnik odbicia ρ dielektryków zależy wprost od wartości współczynnika załamania. Dla kierunku normalnego współczynnik odbicia przyjmuje postać równania:
Duża wartość współczynnika załamania i w konsekwencji mała wartość współczynnika transmisji powoduje, że elementy optyczne stosowane w termowizji muszą być pokryte warstwami antyodbiciowymi – tab. 1.7.
Tabela 1.7. Wartości współczynnika załamania dielektryków w zależności od współczynnika załamania
Przepuszczalność promieniowania podczerwonego przez różne materiały wpływa na wynik pomiarów termowizyjnych. Na rysunku 1.29 przedstawiono dwa obrazy termowizyjne wykonane w tym samym czasie, tą samą szerokopasmową kamerą chłodzoną BB (ang. Broad Band, 3÷12 μm), przy użyciu filtrów LWIR 8÷12 μm i MWIR 3÷5μm.
Rys. 1.28. Pasma transmisji promieniowania wybranych materiałów [1.9]
Szkło w zależności od rodzaju i składu chemicznego częściowo przepuszcza promieniowanie w paśmie średniofalowym MWIR i NIR, natomiast lepiej emituje w zakresie długofalowym LWIR. Ponadto, wartość temperatury żarnika żarówki wynosi ok. 1700°C, co oznacza przesunięcie maksimum widma promieniowania elektromagnetycznego w kierunku fal krótszych (MWIR).
Rys. 1.29. Obrazy termowizyjne żarówki w pasmach: a) 8÷12 μm; b) 3÷5 μm
Kamera CCD z filtrem bliskiej podczerwieni do pomiaru temperatury
Do pomiaru temperatury powyżej 300°C można stosować kamery CCD, pracujące w zakresie bliskiej podczerwieni NIR. Szerokopasmowa kamera CCD o dużej czułości, pracująca w paśmie widzialnym, ma charakterystykę widmową absorpcji przesuniętą w zakres bliskiej podczerwieni – rys. 1.30. Wyposażona w filtr o charakterystyce transmisji w zakresie bliskiej podczerwieni NIR, może być stosowana do pomiaru temperatury obiektu o wartości powyżej 300°C, rys. 1.31 [1.34]. Zaletą kamery NIR jest łatwa zmiana apertury systemu, a przez to i zmiana zakresu pracy kamery. Ponadto, w kamerach CCD-NIR praktycznienie nie występuje niejednorodność resztkowa RNU (ang. Residual Nonuniformity), ponieważ obudowa kamery i przesłona w temperaturze pokojowej praktycznie nie promieniują na detektor w zakresie bliskiej podczerwieni. Wadą kamer NIR natomiast jest duży wpływ pasożytniczego promieniowania tła, które należy uwzględnić przy pomiarze temperatury. Kamery NIR wymagają precyzyjnej kalibracji w różnych warunkach oświetlenia zewnętrznego [1.34]. Najlepiej badania kamerą bliskiej podczerwieni prowadzić w ciemności, bez światła słonecznego i oświetlenia sztucznego, które zawierają promieniowanie w zakresie bliskiej podczerwieni o dużej energii [1.34].
Kamery wizyjne CCD są małe, lekkie, tanie i wyposażone w matryce o dużej liczbie sensorów punktowych – rys. 1.32. Mają interfejsy o dużej prędkości transferu danych – USB lub Gigabit Ethernet.
Rys. 1.30. Charakterystyka widmowa szerokopasmowej kamery CCD do badań obiektów o temperaturze powyżej 300°C
Rys. 1.31. Charakterystyka widmowa filtru NIR do badań obiektów o temperaturze powyżej 300°C
Rys. 1.32. Przykładowa kamera CCD z filtrem NIR
Na rysunku 1.33 przedstawiono termogramy żarówki uzyskane za pomocą systemu termowizyjnego z kamerą CCD-NIR dla jednej wartości przesłony i różnego czasu integracji.
Rys. 1.33. Obrazy termiczne żarówki z kamery CCD z filtrem NIR dla różnych czasów integracji: a) najkrótszy; b) średni; c) najdłuższy czas integracji
Wpływ wilgotności na transmisję atmosfery w zakresie podczerwieni
Dużym problemem badań termowizyjnych, szczególnie w terenie otwartym, jest transmisja promieniowania podczerwonego przez atmosferę o określonej wilgotności. Istnieje kilka modeli transmisji atmosfery w zakresie podczerwieni [1.5, 1.16, 1.27, 1.33]. Wykorzystują one dane eksperymentalne, gromadzone w długim okresie i w różnych warunkach atmosferycznych [1.27]. Inne, bardziej ogólne podejście wykorzystuje