Jak działa kamera termowizyjna?
Kamera termowizyjna jako uniwersalne narzędzie pomiarowe. Budowa, funkcje oraz unikalne cechy kamery termowizyjnej.
Badania termowizyjne wymagają zasadniczo dwóch elementów. Pierwszym z nich jest odpowiednia wiedza. Dotyczy ona umiejętności, które musi posiadać osoba wykonująca badanie termowizyjne. Jest ona również narzędziem umożliwiającym prawidłową interpretację otrzymanych wyników. Drugą niezbędną rzeczą jest kamera termowizyjna. Urządzenie, które rejestruje obraz w podczerwieni. I dodatkowo robi to w czasie rzeczywistym. W efekcie, dzięki połączeniu tych dwóch aspektów, otrzymujemy niezwykle funkcjonalne narzędzie do oceny stanu faktycznego maszyn, urządzeń, instalacji i obiektów budowlanych.
Budowa kamery termowizyjnej

Kamera termowizyjna rejestruje promieniowanie podczerwone. Jak się okazuje, natężenie tego promieniowania wiąże się bezpośrednio z temperaturą powierzchni, która je emituje. I to właśnie tę zależność wykorzystuje kamera termowizyjna. Ma ona zdolność do “odróżniania” intensywności promieniowania podczerwonego i robi to z określoną “dokładnością”. W konsekwencji powstaje obraz odwzorowujący rozkład temperatur w polu widzenia kamery. Warto dodać, że pomiary za pomocą kamery termowizyjnej należą do metod bezkontaktowych. To z kolei jest jedną z istotnych zalet omawianej metody pomiarowej i sprawia, że usługi termowizyjne cieszą się niesłabnącą popularnością.

Detektor podczerwieni – serce kamery termowizyjnej

Podstawowymi elementami kamery termowizyjnej są soczewka, detektor podczerwieni oraz układ odczytujący. Łatwo odgadnąć, że to właśnie detektor rejestrujący promieniowanie podczerwone jest „sercem” omawianej kamery.

Detektor podczerwieni składa się z układu (matrycy) pojedynczych pikseli. Każdy taki piksel jest osobnym detektorem. Tworzą one razem płaszczyznę, na której ogniskowany jest “obraz”. Powstaje on dzięki promieniowaniu podczerwonemu, analogicznie jak w przypadku klasycznych kamer cyfrowych i światła widzialnego. Podobieństwo wynika z faktu, że promieniowanie podczerwone i światło widzialne są promieniowaniem tego samego typu. Podstawową różnicą jest przedział długości fali charakterystycznej dla obu tych rodzajów promieniowania.

Rodzaje detektorów podczerwieni

Przypomnijmy, że światło widzialne jest falą elektromagnetyczną o długości zawierającej się w przedziale od 380 do 750 nanometrów. Natomiast podczerwień należy do zakresu fal o długości od 780 nanometrów do 1 milimetra. Warto również zaznaczyć, że fale, z których korzystają kamery termowizyjne, mają zazwyczaj długość od 9.000 do 14.000 nanometrów (czyli 9 -14 mikrometrów).

W przypadku kamer termowizyjnych wyróżniamy zasadniczo dwa rodzaje detektorów promieniowania podczerwonego. Są to detektory termiczne oraz detektory fotonowe.

W tym miejscu zatrzymajmy się na chwilę i zastanówmy się czym w zasadzie jest wspomniany powyżej detektor. Najprościej rzecz ujmując jest to układ, który reaguje na absorpcję energii, w tym przypadku energii promieniowania podczerwonego. W przypadku detektorów termicznych, wspomnianą reakcją może być zmiana jednego z parametrów układu np: ciśnienia, polaryzacji, rezystancji, temperatury.

Natomiast w przypadku detektorów fotonowych reakcją na promieniowanie podczerwone będzie wystąpienie efektu fotoelektrycznego. Czym jest samo zjawisko fotoelektryczne? To emisja elektronu z powierzchni lub przejście elektronu do pasma przewodnictwa pod wpływem promieniowanie elektromagnetycznego (np. promieniowania podczerwonego). W pierwszym przypadku mamy do czynienia ze zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym, a w drugim z wewnętrznym.

Detektory termiczne
  • Detektor piroelektryczny
  • Bolometr
Detektory fotonowe
  • Detektor fotoprzewodzący
  • Detektor fotowoltaiczny

Jednym z popularniejszych rozwiązań, które spotykamy w konstrukcji kamer termowizyjnych, jest zastosowanie detektora bolometrycznego. Tego typu urządzenia wykorzystuje się w badaniach termowizyjnych dla budownictwa czy przemysłu. Natomiast specjalistyczne kamery używane do badań w laboratoriach korzystają nierzadko z detektorów fotonowych.

Detektory bolometryczne stosuje się w przypadku kamer pracujących przy wykorzystaniu długofalowego promieniowania podczerwonego Do ich niewątpliwych zalet możemy z pewnością zaliczyć następujące cechy: stosunkowo dobre parametry pomiarowe oraz brak konieczności stosowania zintegrowanego układu chłodzenia.

Detektory fotonowe wykorzystuje się w przypadku kamer opierających swoje działanie o krótkofalowe promieniowanie podczerwone. Wśród zalet detektorów fotonowych, możemy wymienić następujące cechy: bardzo duża czułość, a także uzyskiwanie obrazu z wysoką częstotliwością odświeżania. To druga cecha pozwala na dokładny pomiar elementów poruszających się ze znacznymi prędkościami.

Kamera termowizyjna – temperatura a obraz

Parametry promieniowania cieplnego, w tym jego natężenie, są ściśle związane z temperaturą obiektu, który to promieniowanie wysyła. Wspomniana zależność może być ujęta w ramach matematycznego wzoru. To z kolei doprowadza nas do praktycznego zastosowania tego faktu w urządzeniu pomiarowym, jakim jest kamera termowizyjna. Kamera tego typu, wyposażona we wspomniane powyżej detektory promieniowania cieplnego, generuje obraz odwzorowujący rozkład temperatur. Uwzględnia ona ponadto jeszcze taki element jak współczynnik emisyjności. Parametr ten jest ściśle związany z cechami danej powierzchni – m.in. rodzajem materiału, chropowatością, itd. Dokładniejszym omówieniem współczynnika emisyjności i jego wpływem na wyniki bezkontaktowych pomiarów temperatury zajmiemy się w osobnym wpisie.

Bliska i daleka podczerwień

Istnieje kilka kryteriów podziału detektorów podczerwieni. Wcześniej wspomnieliśmy o podziale wynikającym ze sposobu w jaki generowany jest sygnał pomiarowy. Wśród innych klasyfikacji wyróżniamy m.in. rozróżnienie ze względu na długość fali rejestrowanego promieniowania. Podział taki obejmuje detektory krótkofalowe, rejestrujące fale w zakresie od 2 do 5 mikrometrów oraz długofalowe, pracujące w zakresie od 7,5 do 14 mikrometrów.

Kamera termowizyjna – interpretacja pomiarów

Obraz termowizyjny dostarcza zasadniczo dwóch rodzajów informacji. Pierwszy z nich dotyczy temperatury powierzchni badanych obiektów. Dane tego typu pozwalają na szczegółową analizę jakościową opartą na dokładnych wartościach temperatury. Drugi typ danych, to dane dotyczące wzajemnego rozkładu i zasięgu powierzchniowego obszarów o danej temperaturze. Są to dane stanowiące podstawę do przeprowadzenia analizy ilościowej.

Wszystkie powyższe informacje, zdobyte podczas badania termowizyjnego, muszą być uzupełnione o znajomość procesów zachodzących w konkretnym urządzeniu, instalacji czy strukturze. Dzięki tej wiedzy możliwe będzie zidentyfikowanie potencjalnych problemów. Anomalie w rozkładzie temperatur lub w ich amplitudzie mogą świadczyć o niekorzystnych procesach zachodzących w obrębie badanego obiektu. Aby jednak wskazać konkretną przyczynę, wymagana jest wiedza o zjawiskach jakie zachodzą w każdym rozpatrywanym przypadku.

Kamera termowizyjna – podstawowe parametry

O przydatności danego urządzenia decydują jego parametry techniczne. Nie inaczej jest w przypadku kamery termowizyjnej. Spośród licznych cech zawartych w specyfikacji technicznej, postaramy się wskazać te, które mają największy wpływ na możliwości kamery termowizyjnej.

Kąt widzenia

Kamera termowizyjna jest wyposażona w obiektyw o stałej ogniskowej. Aby ją zmienić, należy wykorzystać dodatkowe obiektywy (o ile oczywiście istnieje taka możliwość) montowane na obiektyw podstawowy. Jak powiązać kąt widzenia z ogniskową? Najprościej wyraża to następująca zależność – im krótsza ogniskowa, tym szerszy kąt widzenia obiektywu. Warto jednak pamiętać, że długość ogniskowej oraz kąt widzenia nie są powiązane zależnością liniową. Dla kamer termowizyjnych producenci podają zazwyczaj dwie wartości opisywanego parametru: kąt widzenia w pionie oraz w poziomie.

Jak łatwo zgadnąć, kamery (z jednym podstawowym obiektywem lub ich zestawem) o szerokim kącie widzenia to optymalny w wybór w przypadku, gdy zależy nam na zobaczeniu całego obiektu (szczególnie, gdy ma on znaczne rozmiary, a pomiar wykonujemy z niewielkiej odległości). Z kolei wąski kąt widzenia będzie odpowiedni, gdy chcemy uzyskać obraz niewielkiego elementu przy zachowaniu stosunkowo dużej odległości.

Rozdzielczość matrycy a rozdzielczość wyświetlacza

Tak jak ustaliliśmy na początku tego wpisu, detektor kamery termowizyjnej ma postać matrycy zbudowanej z pojedynczych “komórek” reagujących na promieniowanie cieplne. Ilość tych detektorów, a co za tym idzie, rozdzielczość matrycy, jest bezpośrednio związana z rozdzielczością obrazu termicznego. I to właśnie ten parametr będzie decydował o szczegółowości uzyskanego obrazu cieplnego. Im większa będzie ta rozdzielczość, tym więcej detali na termogramie. Natomiast rozdzielczość wyświetlacza kamery powinna być tak dobrana, aby w pełni wykorzystywała możliwości matrycy.

Rozdzielczość temperaturowa

Inaczej mówiąc czułość termiczna. Jest to parametr określający minimalną różnicę temperatury jaką jest w stanie rozróżnić układ detektora. Wartość tę podaje się dla konkretnych warunków pomiarowych.

Ona również, obok rozdzielczości matrycy detektora, decyduje o szczegółowości obrazu. Chociaż w inny sposób – rozdzielczość detektora to w skrócie ilość pikseli tworzących obraz (im ich więcej, tym obraz wyraźniejszy).

Zakres pomiarowy temperatury

Przy danym zakresie, tylko temperatury, które mieszczą się w jego granicach, będą rejestrowane. Wiele urządzeń posiada kilka zakresów pomiarowych. Im mniej tych zakresów i im większy przedział temperatur rejestrowanych w danym zakresie, tym kamera termowizyjna jest prostsza i wygodniejsza w obsłudze.

Funkcja dodatkowa – zintegrowana kamera cyfrowa i funkcja nakładania obrazu

Możliwość nałożenia obrazu termowizyjnego na obraz uzyskany ze standardowej kamery jest sporym ułatwieniem podczas wykonywania badania oraz przy opracowywaniu wyników i sporządzaniu raportów. Dzięki takiemu rozwiązaniu użytkownik, już w trakcie przeprowadzania pomiaru, jest w stanie wykonać lepszej jakości zdjęcia. Dlaczego tak się dzieje? Odpowiedź jest stosunkowo prosta i podsuwa nam ją intuicja. Obraz cieplny nie zawsze pokrywa się z konturami badanego elementu. Dodatkowo, w niektórych przypadkach, może być nam trudno uchwycić konkretny, interesujący nas detal. Ma to miejsce szczególnie wtedy, gdy z różnych powodów (np. braku spodziewanej usterki) dany element nie ma podwyższonej temperatury. Przy wykorzystaniu obrazu z tradycyjnej kamery możemy jednoznacznie zidentyfikować taki element i np. umieścić go w centrum kadru. Tak wykonane zdjęcie jest również znacznie czytelniejsze dla kolejnych odbiorców, szczególnie gdy nie byli oni obecni przy jego wykonywaniu.

Kamera termowizyjna – podsumowanie

Kamera termowizyjna to urządzenie, które daje nam wgląd w procesy niedostępne bezpośrednio dla naszych zmysłów. Obraz termiczny dostarcza nam wielu cennych informacji. W zdecydowanej części są to informacje pozwalające na wnikliwą analizę procesów zachodzących w urządzeniach, systemach, instalacjach i obiektach budowlanych. Ponadto, uzyskanie tych informacji jest stosunkowo proste. Owszem, tak jak już to podkreślaliśmy niejednokrotnie, obsługa kamery termowizyjnej wymaga odpowiedniej wiedzy. Jednocześnie, nowoczesne urządzenia termowizyjne są zoptymalizowane pod kątem obsługi. Użytkownik posiada dostęp do szeregu funkcji znacząco przyspieszających pomiar. Dodatkowo, wspomniane rozwiązania wpływają na poprawę jakości odczytów. W rezultacie, przy stosunkowo niewielkim nakładzie pracy, możliwe jest uzyskanie niezwykle cennych informacji. Te z kolei pozwalają nam uniknąć kosztownych awarii, dostarczają podstaw do wszczynania procedur reklamacyjnych czy pozwalają na opracowanie rozwiązań zmniejszających zużycie energii.