Termowizja, definicja i aplikacje
Termowizja i jej praktyczne zastosowania. Możliwości i zalety badań termowizyjnych. Przybliżenie podstawowych pojęć związanych z termografią.
Pomiary są podstawowym źródłem informacji o obiektach i procesach istniejących i zachodzących w świecie rzeczywistym. Świat nauki, inżynieria, medycyna i wiele innych dziedzin ludzkiej działalności opiera swoje funkcjonowanie i rozwój o metody badań, które pozwalają zrozumieć przebiegające w danej sytuacji procesy i zjawiska. Wśród licznych metod pomiarowych ważne miejsce zajmuje termowizja. Badania termowizyjne umożliwiają prowadzenie obserwacji z zupełnie innej perspektywy, znacząco różniącej się do tego z czym mamy do czynienia w życiu codziennym.
Czym jest termowizja?

Jak najprościej zdefiniować czym jest badanie termowizyjne? Na wstępie należy powiedzieć, że jest to metoda obrazowania. Co więcej, sam proces jest analogiczny do jednego z najbardziej pierwotnych narzędzi poznawania świata, czyli obserwacji wzrokowej.

Samo pojęcie termowizji pochodzi od nazwy modelu pierwszej, przeznaczonej na rynek cywilny, kamery termowizyjnej AGA-Thermovision.

Tylko dla twoich oczu

Ograniczenia narządu wzroku, który posiadają ludzie, doprowadziły z czasem do powstania licznych przyrządów, pozwalających, dzięki wykorzystaniu światła widzialnego, na uzyskanie obrazów obiektów bardzo małych, niezwykle odległych lub poruszających się z prędkościami wykraczającymi poza ramy ludzkiej percepcji. W każdym przypadku nośnikiem informacji, który wykorzystuje się do prowadzenia obserwacji jest promieniowanie elektromagnetyczne. Długość fali tego promieniowania mieści się w przedziale od 380 do 750 nanometrów. Jak łatwo się domyślić, tak właśnie definiujemy światło widzialne.

Nawiązując do powyższego, można się zastanawiać, czy możliwe jest uzyskanie “obrazu” za pomocą fal o innych długościach. Odpowiedź na to pytanie jest jak najbardziej twierdząca, aczkolwiek sam proces wymaga zastosowania odpowiednich rejestratorów oraz narzędzi pozwalających na przetworzenie uzyskanych danych do postaci, która będzie możliwie łatwa w interpretacji. W rezultacie, mimo iż nie da się bezpośrednio “zobaczyć” promieniowania spoza zakresu widzialnego, to można je rejestrować, a uzyskane wyniki przedstawiać w formie klasycznego obrazu.

Termowizja – inny punkt widzenia

W tym miejscu powróćmy do zagadnienia termowizji. W termografii, do obrazowania wykorzystuje się promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 9 do 14 mikrometrów. Zakres ten znajduje się w granicach tak zwanej średniej podczerwieni (z ang. MIR – mid infrared).

W ramach zakresu podczerwieni funkcjonuje kilka klasyfikacji, wyodrębniających poszczególne pasma. Obowiązujący w naszym kraju ogólny podział zawiera m.in. wspomniany już zakres MIR (długość fali od 2,5 do 25 mikrometrów). Jednocześnie poniżej dolnej granicy MIR znajduje się zakres określany jako bliska podczerwień (z ang. NIR – near infrared, o długości fal w zakresie od 0,8 do 2,5 mikrometra). Natomiast ponad górną wartością MIR występuje obszar nazwany daleką podczerwienią (z ang. FIR – far infrared o zakresie, o długości fal w zakresie od 25 do 1000 mikrometrów).

Temperatura a promieniowanie

Promieniowanie podczerwone jest emitowane przez każde ciało, które posiada temperaturę powyżej zera bezwzględnego (-273,15 stopni Celsjusza). Im temperatura jest wyższa, tym większa ilość emitowanego promieniowania. Wraz ze wzrostem temperatury zmieniają się również parametry promieniowania podczerwonego. Im dane ciało jest cieplejsze, tym krótsze fale promieniowania podczerwonego. Jednocześnie wraz ze spadkiem długości fal, rośnie ich częstotliwość.

Podkreślić ponadto należy, że obserwacja obiektów w zakresie promieniowania widzialnego jest możliwa dzięki temu, że odbijają lub rozpraszają one światło. Jedynie ciała o bardzo wysokiej temperaturze świecą własnym światłem. Jednak nawet w tym przypadku widzialna część promieniowania stanowi jedynie około 10% całkowitego promieniowania, które jest emitowane przez takie ciała. Pozostałe 90% to promieniowanie w zakresie podczerwieni. Pokazuje to w pewien sposób, jak potencjalnie wiele informacji można uzyskać, mając dostęp do danych o rozkładzie promieniowania podczerwonego.

W badaniach naukowych prowadzonych na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu, wykonywano wielokrotnie skan siatkówki oka, przy pomocy wiązki lasera pracującego w zakresie podczerwieni. W ich trakcie zaobserwowano reakcję ze strony siatkówki. Dalsze badania potwierdziły, że możliwa jest odpowiedź ze strony oka oraz mózgu, podobna do tej jaką wywołuje światło zielone z zakresu widzialnego.

Warto również wspomnieć, że mimo iż promieniowanie podczerwone nie jest widzialne (przynajmniej w klasycznym rozumieniu tego słowa) dla ludzi, to jednak jego obecność jest odbierana przez receptory znajdujące się w skórze, jako ciepło.

Ciepło a temperatura – kilka słów wyjaśnienia

Pojęcie temperatury i ciepła są używane wymiennie, szczególnie w codziennych sytuacjach. Z fizycznego punktu widzenia, nie można jednak postawić między nimi znaku równości. Ciepło jest bowiem formą energii, równej sumarycznej energii kinetycznej wszystkich atomów i cząsteczek wchodzących w skład rozpatrywanego fragmentu materii. Energia kinetyczna to energia ruchu, tak więc ciepło jest energią wynikającą z ruchu wspomnianych atomów i molekuł.

Temperatura natomiast jest wartością skorelowaną ze średnią prędkością atomów i cząsteczek w rozpatrywanym “obiekcie”. Aby jeszcze mocniej podkreślić tę różnice, można przypomnieć, że ciepło jako forma energii może być sumowane, natomiast temperatura nie.

Co widzi kamera termowizyjna?

Kamera termowizyjna rejestruje promieniowanie w zakresie podczerwieni. Różnice w poziomie promieniowania podczerwonego wynikają bezpośrednio z różnic w temperaturze badanej powierzchni. Wyniki pomiaru są prezentowane w formie obrazu widzialnego, który odwzorowuje rozkład temperatury na powierzchni badanego obiektu lub obszaru. Elementy o takiej samej lub zbliżonej temperaturze (stopień dokładności zależy od parametrów i ustawień kamery oraz od własności badanej powierzchni) mają na obrazie taki sam lub podobny kolor. Analogicznie, obszary znacząco różniące się temperaturą, będą mieć wyraźnie odmienne kolory na termogramie.

Jakie są zalety badań termowizyjnych w podczerwieni?

O wyjątkowości termowizji jako metody badawczej świadczą przede wszystkim trzy następujące fakty:

Badanie termowizyjne jest bezkontaktową metodą pomiaru

Wynikają z tego dwie bezpośrednie zalety:

  • brak fizycznego kontaktu z elementami, na których wykonywany jest pomiar zapewnia wysokie bezpieczeństwo. Jest to szczególnie istotne w przypadku prowadzenia prac np. w obrębie instalacji elektrycznych lub elementów mogących nagrzewać się do wysokich temperatur. Dzięki wykonywaniu pomiarów “na odległość” minimalizowane jest ryzyko wypadku związanego z porażeniem prądem elektrycznym lub poparzeniem,
  • brak ingerencji w strukturę badanego obiektu. Termografia w podczerwieni to metoda pomiarowa, która nie wywołuje zmian w budowie badanego elementu. Bezinwazyjność termowizji sprawia, że jest ona stosowana w wielu dziedzinach i stanowi jedną z podstawowych metod pomiarowych i diagnostycznych.
Termowizja jest badaniem powierzchniowym

W wyniku przeprowadzenia pomiarów termograficznych uzyskuje się obraz odwzorowujący powierzchniowy rozkład temperatur. Dzięki temu możliwe jest porównywanie konkretnych obszarów badanego obiektu oraz identyfikacja miejsc występowania anomalii.

Obraz termograficzny powstaje w czasie rzeczywistym

Kamera termowizyjna pozwala na natychmiastowe uzyskanie obrazu badanego elementu lub struktury w podczerwieni. Dzięki temu możliwe jest wykrywanie procesów, bez konieczności wcześniejszego ich umiejscowienia i specjalnego przygotowania pomiaru (w praktyce, niektóre powierzchnie jak np. wypolerowany metal, wymagają odpowiedniej techniki pomiarowej, zapobiegającej fałszowaniu odczytów). Oznacza to możliwość prowadzenia badań inspekcyjnych, nakierowanych na wykrywanie potencjalnych nieprawidłowości.

Termowizja – zasady pomiaru

Pomiar kamerą termowizyjną, mimo że z pozoru nieskomplikowany, może nastręczać sporo trudności. Okazuje się bowiem, że aby rejestrowana emisja promieniowania mogła być powiązana z rzeczywistą temperaturą obiektu, konieczne jest uwzględnienie szeregu czynników. Nowoczesne kamery termowizyjne w znacznym stopniu automatyzują wiele procesów. Jednak to na osobie wykonującej pomiar spoczywa odpowiedzialność za uwzględnienie wszystkich okoliczności, które mogą mieć wpływ na końcowe wyniki.

Parametry wpływające na pomiary termowizyjne
  • emisyjność,
  • odbicie,
  • dystans pomiędzy kamerą a badanym powierzchnią,
  • warunki, w których wykonywany jest pomiar.
Emisyjność w termowizji

Czym jest emisyjność? Najogólniejszy opis określa ją jako zdolność ciała (a dokładnie jego powierzchni) do emitowania ciepła. Dokładniejsza definicja mówi, że emisyjność jest stosunkiem intensywności promieniowania powierzchni obiektu badanego do intensywności promieniowania powierzchni ciała doskonale czarnego. Jako taka, emisyjność nie posiada więc własnej jednostki i jest wyrażana współczynnikiem (współczynnik emisyjności) mieszczącym się w zakresie od 0,1 do 0,95.

Wartość emisyjności zależy od wielu czynników takich jak:

  • rodzaj materiału,
  • stanu powierzchni – barwa, chropowatość. Zmatowienie powierzchni poprzez np. pomalowanie lub w wyniku utlenienia powoduje zwiększenie emisyjności,
  • kąta, pod którym wykonywany jest pomiar,
  • długości fali,
  • temperatury – w przypadku metali emisyjność rośnie wraz ze wzrostem temperatury. w przypadku niemetali zachodzi sytuacja odwrotna.
Odbicie a pomiar termowizyjny

Istotnym czynnikiem mającym wpływ na dokładność badania termowizyjnego jest tzw. odbicie. Jako że badany przedmiot lub materiał będzie posiadał charakterystyczną dla siebie zdolność do odbijania padającego na niego promieniowania podczerwonego, zachodzi konieczność dokonywania odpowiednich korekt w trakcie badania termograficznego. Nie można również zapominać o wpływie źródeł promieniowania w sąsiedztwie badanego przedmiotu. Klasycznym przykładem takiego wpływu jest odbicie osoby wykonującej pomiar. Jej sylwetka staje się w takiej sytuacji wyraźnie widoczna w obrazie termowizyjnym. W celu uzyskania jak najdokładniejszego wyniku stosuje się różne metody, a jednym z podstawowych zabiegów jest umiejętne dobranie kąta, pod którym kamera termowizyjna będzie rejestrować promieniowanie podczerwone.

Kamera termowizyjna – odległość

Jak wspomnieliśmy w powyższym akapicie, na rzetelność pomiaru termowizyjnego ogromny wpływ ma otoczenie badanego obiektu lub obszaru. Zarówno ze względu na odbicia jak i możliwości samej kamery (m.in. obecność źródeł o dużych różnicach w temperaturze powierzchni i wynikającej z tego konieczności dysponowania odpowiednim zakresem pomiarowym) istotnym czynnikiem staje się odpowiedni dobór odległości, z której wykonujemy pomiar. Zbyt mała odległość może prowadzić do, wspomnianego już przy okazji odbicia, efektu, gdy pomiar jest zniekształcony przez promieniowanie samego operatora. Z drugiej strony zbyt duży dystans może skutkować brakiem wymaganej szczegółowości obrazu. Co więcej, elementy tła, charakteryzujące się temperaturami znacznie odbiegającymi od temperatury badanego obiektu i temperatury samego tła, mogą wprowadzać dodatkowe trudności w ustaleniu optymalnego zakresu temperaturowego termogramu.

Warunki otoczenia a badanie termograficzne

Mówiąc o badaniach termowizyjnych, nie można pominąć znaczenia jakie mają na jego wynik warunki zewnętrzne, panujące w bezpośrednim otoczeniu miejsca, gdzie dokonywany jest pomiar. Wśród najistotniejszych wymienić należy: temperaturę powietrza, wilgotność powietrza, siła wiatru, występowanie opadów czy nasłonecznienie. Optymalnymi warunkami dla pomiarów termograficznych są: niska wilgotność powietrza i oczywiście brak opadów, słaby wiatr lub cisza (analogicznie, brak przeciągów w pomieszczeniach zamkniętych), a to wszystko przy mocno zachmurzonym niebie. Na osobną uwagę zasługuje ponadto występowanie zanieczyszczeń powietrza. Obecność drobinek materii w powietrzu negatywnie wpływa na poprawność odczytów.

Gdzie stosuje się pomiary termowizyjne?

Pomiar temperatury to jedno z podstawowych badań w wielu, czasem bardzo odległych dziedzinach. Znajomość wartości tego parametru pozwala na kontrolowanie prawidłowego przebiegu procesów, monitorowanie stanu zdrowia czy zapewnieniu bezpieczeństwa podczas pracy maszyn i wszelkiego typu urządzeń.

Przykłady zastosowania termowizji

Termowizja opierająca się na pomiarze promieniowania w zakresie podczerwieni pozwala na diagnostykę przedmiotów, organizmów, instalacji i obiektów w dziedzinach takich jak:

  • budownictwo – badania termowizyjne w budownictwie są obecne od wielu lat. Ich popularność wynika  z faktu, że są one łatwo dostępną i skuteczną metodą diagnostyczną. Sprawdzają się w przypadku oceny prawidłowości wykonania izolacji termicznej ścian i dachów budynków, kontrolowania jakości wykonania oraz montażu elementów oszklenia. Pozwolą również na wykrycie anomalii termicznych w systemach budynkowych takich jak instalacje elektryczne czy systemy centralnego ogrzewania. Termowizja jest również metodą, która ze względu na swój charakter, w skuteczny sposób pozwala na ocenę prawidłowości wykonania prac termomodernizacyjnych podnoszących efektywność energetyczną budynków,
  • kryminalistyka – pomiary termograficzne pomagają w poszukiwaniach osób zaginionych, odnajdywaniu miejsc ukrycia zwłok, określaniu czasu zgonu itp.,
  • medycyna – termografia medyczna stanowi bezpieczną alternatywę dla klasycznych badań RTG. Wśród niewątpliwych zalet wymienić należy brak potencjalnie szkodliwego promieniowania rentgenowskiego. Pozwala ona jednocześnie na zaawansowaną diagnostykę m.in. układu ruchowego (mięśnie, kości i stawy). Możliwa jest obserwacja i ocena intensywności procesów fizjologicznych i metabolicznych mających bezpośredni wpływ na rozkład temperatury. Dzięki temu da się wykryć obecność m.in. stanów zapalnych, zakażeń czy zmian nowotworowych. Termografia może być stosowana również w diagnostyce schorzeń układu nerwowego,
  • przemysł – pomiary termowizyjne w przemyśle pozwalają na kontrolę procesów technologicznych oraz na nadzór systemów i instalacji. W tym drugim przypadku, dzięki stosunkowo szybkiemu i prostemu pomiarowi możliwe jest wykrycie pierwszych oznak zbliżającej się awarii. Termografia pozwala również na badanie wydajności elementów systemów odpowiedzialnych np. za odprowadzanie ciepła.
Termowizja – wnioski

Podsumowując, we wszystkich wymienionych przykładach zastosowań, termowizja spełnia przynajmniej jedną z konkretnych ról. Może nią być nadzór nad prawidłowym funkcjonowaniem systemów i instalacji. Ale równocześnie sprawdzi się ona jako metoda na poszukiwanie przyszłych problemów i wykrywanie awarii. To również skuteczne narzędzie do gromadzenia informacji potrzebnych do przeprowadzania szeroko rozumianych optymalizacji.