História termovízie

Vývoj termovízie.

Po objavení infračerveného žiarenia Williamom Herschelom v roku 1800 a objavení termoelektrického efektu Thomasom Johannom Seebeckom v roku 1821, sa vedci pokúsili zmerať dlhovlnové žiarenie pomocou termočlánkov. Predovšetkým armáda prejavila záujem o toto neviditeľné tepelné žiarenie. Po druhej svetovej vojne hlavne ozbrojené sily investovali nemalé peniaze do výskumu tejto oblasti. V poslednej tretine dvadsiateho storočia bola zaznamenaná veľká progresia vo vývoji infračervených detektorov. Boli zostrojené graciózne termokamery na meranie infračerveného žiarenia. Pomocou nových systémov vzrástol obzor možností využitia termografie aj mimo vojenskej oblasti. Postupom času vzbudila termovízia záujem aj v civilnom svete. Jej využitie je naozaj široké. Použitie si nájde v stavebnej termografii, v elektrotechnike, životnom prostredí, stavebníctve, či medicíne.
Podrobné využitie termovízie v praxi nájdete aj na našom webe, je naozaj široké. Termovízia bude stále viac využívaná vo všetkých odboroch.

História vývoja termokamier

  • 1. Generácia

– prvé termokamery boli vyvinuté pre vojenské použitie v sedemdesiatych a osemdesiatych rokoch 19.  storočia. Využívali sa jednoduché diskrétne detektory s maximálne 100 prvkami neskôr obsahovali až 180 elementov. Požívané materiály InSb, PbSe neskôr HgCdTe.

  • 2. Generácia

– využitie skenovacieho systému spolu s lineárnymi alebo 2D FPA detektormi s počtom 100÷1000 elementov alebo multiprvkové SPRITE detektory. Teplotné rozlíšenie zlepšené na 0,1 K. Integrácia snímacích elementov a základnej čítacej logiky na jeden čip umožnilo zmenšiť rozmery a hmotnosť a začali sa vyrábať a predávať aj komerčné verzie. Ďalším vylepšením sú multilineárne FPA tie dosahujú tepelné rozlíšenie až 0,05 K.

  • 3. Generácia

– termokamery 3. generácie používajú na spracovanie signálu chladené 2D FPA detektory vyrábané z HgCdTe alebo InSb, nechladené mikrobolometrické FPA alebo technológiu QWIP. Počet elementov sa zvýšil na jeden a viac miliónov. Spracovanie signálu je plne digitálne a je realizované na jednom čipe. Nechladené typy termokamier sa vyznačujú nižšou kvalitou obrazu, ale ich hlavnou devízou je 2 až 4 krát nižšia cena ako u chladených typov.

Prezrite si monokulárne alebo bonikulárne termovízne pozorovacie prístroje radu Eagle TSV.

Elektromagnetické žiarenie

Elektromagnetické žiarenie je považované za formu hmoty, za nositeľa energie schopného konať prácu. Zahŕňa veľký rozsah vlnových dĺžok, podľa ktorých rozlišujeme jednotlivé druhy žiarenia, tzv. elektromagnetické spektrum. Rýchlosť šírenia je závislá na danom prostredí. Vlnenie sa v priestore ohýba, láme, rozptyľuje a je polarizované. Elektromagnetická vlna je charakterizovaná veľkosťou a smerom svojej elektrickej i magnetickej zložky. K elektromagnetickému žiareniu počítame všetky vlnové dĺžky od najdlhších po najkratšie, t. j. dlhovlnné (vysokofrekvenčné), infračervené, svetelné, ultrafialové a ionizujúce (röntgenové, rádioaktívne a kozmické) žiarenie. Ľudské oko je citlivé iba na časť spektra elektromagnetického žiarenia, ktorú nazývame svetlo. Zdrojom žiarenia je zrýchlený pohyb častíc s elektrickým nábojom alebo zmena energetického stavu atómu. Podľa toho svetelné zdroje vysielajú žiarenie so spojitým alebo čiarovým spektrom. Časťou elektromagnetického spektra je už spomínané infračervené žiarenie, označované tiež sálavé teplo. Toto žiarenie zrakom nevnímame. Pri dopade na pokožku cítime teplo až pálenie.

Rozsah vlnových dĺžok elektromagnetického vlnenia je veľmi veľký. Podstata elektromagnetických vlnení rôznych vlnových dĺžok je rovnaká, líšia sa spôsobom vzniku a niektorými vlastnosťami, napr.: schopnosťou prenikať látkami. Súbor vlnových dĺžok elektromagnetického vlnenia sa nazýva sprektrum elektromagnetického vlnenia (žiarenia). Medzi elektromagnetické vlnenie patrí aj tepelné žiarenie. Vzniká pri tepelnom pohybe nabitých častíc. Meranie tepelnej infračervenej radiácie tvorí základ bezkontaktného merania teploty a infračervenej (IR) termografie. Podobne ako svetelná energia je tepelná radiácia záležitosťou fotónov v elektromagnetickom spektre. Zatiaľ čo prenos energie svetla sa deje vo viditeľnej oblasti spektra od 0,4µm do 0,75µm, prenos tepla radiáciou zaberá oblasť spektra medzi 0,75µm a asi 100µm, i keď väčšina praktických meraní sa robí v okolí 20µm. Všetky povrchy telies, ktoré sú teplejšie ako absolútna nula, vyžarujú energiu v infračervenom spektre. Veľmi teplé telesá vyžarujú v spektre viditeľného svetla. Vykurovacie telesá elektrických pecí s teplotou 800°K žiaria tmavo červeno a ako chladnú tak strácajú viditeľnú červenú farbu, ale teplo vyžarujú radiáciou. Energia vyžarovaná radiáciou je cítiť rukami pokiaľ ich dáte do blízkosti pece, ale sálanie je neviditeľné, pretože z červeného spektra došlo k posunu do oblasti infračerveného. IR tepelné obrazy merajú a zobrazujú na displeji obrazy z tejto infračervenej oblasti spektra.

Ako funguje termokamera

Termokamera čiže termovízna kamera, dokáže zachytiť oku neviditeľné infračervené žiarenie. Princíp merania termokamerou: meraný objekt vyžaruje IR lúče a časť ich odrazí od slnka. Objektív zachytáva žiarenie o vlnovej dĺžke 4-14 um. IR lúče/paprsky dopadajú na čidlo z oxidu vanadičného – BOLOMETER. Bolometer sa v závislosti na množstvo absorbovaného IR žiarenia začne ohrievať a tým sa zmení jeho elektrický odpor. Termokamera vyhodnocuje zmeny odporu bolometra a vypočíta množstvo dopadajúcich IR lúčov/paprskov. Hodnoty sú vypočítané a na displeji sa zobrazuje termogram, kde sú farebne odlíšené rozdielne oblasti.

Kamera alebo IR teplomer?

Kamera

- Poskytuje mnoho hodnôt
- Meria bodovo
- Vyhľadá problém
- Dobrá identifikácia meraných bodov

IR teplomer

- Poskytuje iba jeden údaj
- Meria plošne
- Poruchu preverí, ale nevyhľadá
- Nepriame určenie meranej plochy

Parametre termokamier

Spektrálny rozsah
Rozlíšenie
Rozsah teplôt a citlivosť
Rýchlosť detektora
Formát záznamu
Denná kamera
Iné vybavenie

  • Teplotná citlivosť

Absolútna presnosť 2°C, resp. 2%.
Koeficient emisie.
Teplotné rozlíšenie – limitované šumom – 0.1°C až 0.05°C.
Čím lepšie, tým jemnejšie detaily je možné zachytiť (a skôr odhaliť poruchu).

  • Tepelný rozsah

Do 250°C – Prehliadky rozvádzačov, mechanických strojov, technológie, niektoré teplovody.
Do 500°C – teplárne, sušiarne, plášte kotlov, parovody.
Do 1000°C – plášte cementárskych a vysokých pecí.
Do 2000°C – revízie horákov v prevádzke, sledovanie procesov v peciach.

  • Formát záznamu

Obrazový - termovízny obraz sa zaznamená vo formáte obrázku. Obraz nie je možné dodatočne upraviť.
Rádiometrický - zaznamenajú sa všetky teplotné dáta. Obraz je možné dodatočne analyzovať, upravovať tepelnú stupnicu a pod.

Zobrazovacie metódy

Termovízna metóda s rozkladom obrazu: opticko - mechanický rozklad

Pri mechanickom rozklade je plocha meraného objektu snímaná (skenovaná) postupne poriadkoch alebo stĺpcoch hovoríme o tzv. skenovacích systémoch. Skenovaná plocha sa sníma pomocou rýchlo sa pohybujúcej úzko smerovej optickej sústave, ktorá privádza na malý detektor s jedným elementom žiarenie z celej skenovanej plochy. Táto metóda ale vyžaduje extrémne vysokú rýchlosť. V praxi sa preto častejšie využívajú detektory so sériou elementov. V praxi sa preto častejšie využívajú detektory so sériou elementov. Tie sú skenované ako blok pozdĺž celého riadku hovoríme o sériovom skenovaní elementov. V niektorých skenovacích systémoch sa vyskytuje aj iný princíp skenovania riadkov. Optika je na rozdiel od predošlého typu pevná a pohybuje sa samotný detektor.

Iná metóda využívaná v skenovacích termokamerách je paralelné skenovanie elementov. V takomto systéme je na riadok jeden element ale skenuje sa niekoľko riadkov súčasne. Takýto spôsob znižuje homogenitu obrazu súčasne sa však znižuje skenovacia rýchlosť.

Ďalšou a účinnejšou metódou je využitie SPRITE (Signal Processing In The Element) detektoru. Sprite detektor bol prvým krokom k integrácii vo vývoji termokamier. Zatiaľ čo pred tým ako bol vyvinutý boli matice prvkov tvorené z jednotlivých prvkov a každý mal svoje vývody, SPRITE detektor spracovával signál na čipe čím sa znížil počet vývodov, zjednodušila konštrukcia a hlavne znížil vplyv okolitého šumu. Ďalšou nespornou výhodou SPRITE detektoru je, že jeden snímací prvok tu nahradzuje niekoľko bežných sériových elementov.

Termovízna metóda s rozkladom obrazu: elektronický rozklad

Pri elektronickom rozklade obrazu dopadá žiarenie na maticu tvorenú prvkami snímajúcimi toto žiarenie. Môžu byť z oblasti tepelných i kvantových detektorov. O spracovanie signálu sa stará elektronika ktorá je u novších technológií umiestnená na jednom čipe spolu so snímacími prvkami. Prvé termokamery s elektronickým rozkladom využívali na snímanie tepelného obrazu telesa pyroelektrický vidikón. V dnešnej dobe sú najčastejšie používané nechladené mikrobolometrické FPA detektory hlavne pre ich nižšiu cenu.

Fotografická metóda merania teploty: fotometria

Medzi plošné spôsoby merania teploty patrí aj fotometria. Fotometria využíva citlivosť fotografického materiálu na infračervené žiarenie (λ=0,78μm). Mieru teploty určuje stupeň černosti materiálu. Aby bolo možné priradiť určitému zčernaniu negatívu teplotu, vkladajú sa do zorného poľa aparátu pomocné body so známou teplotou. Povrchové teploty meraného objektu sa následne určujú pomocou fotometra. Dôležité je vytvoriť teplotné merítko v rozsahu (250 ÷ 1000) °C. Presnosť merania je potom závislá na emisivite merítka a meraného predmetu.

Termovízia, termografia, termogram

Termografia

- ako vedný odbor  sa zapodieva analýzou rozloženia teplotného poľa na povrchu telesa bezkontaktným spôsobom. Hlavnou úlohou termografie je analyzovať infračervenú energiu, ktorú vyžarujú telesá. Termografickým meracím systémom je možné zachytiť teplotné pole meraného objektu na jeho povrchu. Termografia ako vedný odbor sa začal rozvíjať súbežne s nástupom infračervených kamier, pre ktorá za zaužívalo označenie termovízne kamery – termovízia. Výstupom z termovíznej kamery je infračervený snímok – termogram čiže termovízny snímok. Rádiometrické termokamery umožňujú používateľovi stanoviť teplotu v jednotlivých bodoch termogramu. Stanovenie teploty nie je jednoduché, záleží na niekoľkých charakteristických veličinách. Medzi hlavné veličiny patrí emisivita telesa (čierne teleso má emisivitu 1, lesklé teleso má emisivitu veľmi malú (až 0,1). Nízka emisivita telies predstavuje menšiu presnosť merania. Do meraného žiarivého toku telesa môže eventuálne vstúpiť zdanlivá odrazená teplota, ktorá ovplyvní nameraný výsledok.

Termogram

(termovízny snímok - infračervený snímok) je obraz vytvorený termokamerou. Infračervené žiarenie je pre ľudské oko neviditeľné, z toho dôvodu sa termovízne snímky vizualizujú za použitia okom viditeľných paliet, ktoré pridelia farbu odlišným teplotám (rôznemu objemu  tepelného toku). Zhodný záber je možné vyobraziť v odlišných farebných paletách a tým zviditeľniť alebo zdôrazniť iné miesta.

V praxi rozlišujeme rádiometrické a neradiometrické (iba zobrazujúce) termovízne snímky. Rádiometrické termovízne systémy umožňujú vypočítať teplotu na povrchu telesa. Východiskom pre výpočet je množstvo snímaného infračerveného žiarivého toku. V rádiometrickom termograme je umožnené zrealizovať meranie teplôt a upraviť veličiny termogramu aj po jeho následnom uložení. Týmito veličinami sú: emisivita a zdanlivá odrazená teplota, vzdialenosť od meraného objektu a údaje o okolitej atmosfére. Všetky tieto parametre majú vplyv na výslednú nameranú teplotu.Na nameranú veličinu v bode má nezanedbateľný vplyv aj veľkosť obrazového bodu.  Pri snímaní objektu, ktorý sa nachádza vo väčšej vzdialenosti, môže byť meranie ovplyvnené veľkosťou snímanej plochy a plochou detektora. Ak bude veľkosť snímaného obrazového bodu väčšia než meraný objekt, potom bude výsledok merania ovplyvnený okolím meraného objektu. V takejto situácii je možné s termokamerou napr. priblížiť, prípadne použiť inú optiku (teleobjektív) alebo zväčšiť rozlíšenie detektora. Rozlíšenie detektora je u najlacnejších kamier asi 80x80 obrazových bodov (pixelov) a u špičkových laboratórnych termokamier až 1024x1024 bodov. Pri hodnotení veľkosti plochy detektora je potrebné mať na pamäti, že dvojnásobný rozmer detektora znamená štvornásobnú plochu snímky a tým aj štvornásobný počet obrazových bodov. Ďalšou veľmi dôležitou veličinou je teplotná citlivosť, ktorá u dobrých kamier môže dosahovať až 50 mK (rozlíši rozdiel teplôt od 0,05° C).  Pokročilé  termokamery núkajú prelínanie termogramov a bežnej fotografie do jednej snímky a to ako vo výreze (obraz v obraze), tak aj podľa určeného rozsahu teplôt teplotného poľa (napr. možnosť zobrazenia poruchu červenou farbou...).

Väčšina termovíznych systémov, ktorých základom sú zvláštne – špecifické funkcie sú chránené licenciami. Predovšetkým ide o systémy používané pre navádzanie rakiet a lietadiel, u ktorých existuje potenciál vojenského zneužitia.

Výhody termovízneho merania:

- bezkontaktné a nedeštruktívne meranie,
- včasná diagnostika a predchádzanie havarijných stavov,
- prevencia neplánovaných odstávok,
- požiarna prevencie.

[+] Rozbaliť viac informácií [-] Menej informácií