System termowizyjny jest swego rodzaju termometrem, który umożliwia nieinwazyjny pomiar temperatury na odległość i jednocześnie w wielu punktach

Istotą pomiarów termowizyjnych jest detekcja promieniowania podczerwonego emitowanego przez badane ciało, jego rejestracja, przetwarzanie i wizualizacja. Otrzymany obraz kolorowy, rzadziej czarno-biały o różnych odcieniach szarości, jest odwzorowaniem rozkładu temperatur na powierzchni badanego ciała, ośrodka
lub obiektu.

Do badań termowizyjnych stosowany jest specjalny rodzaj kamer telewizyjnych, które rejestrują promieniowanie podczerwone emitowane przez przedmiot znajdujący się w ich polu widzenia. Działanie tych urządzeń oparte jest na prawie Stefana-Boltzmana, które mówi, że całkowita energia wypromieniowana przez ciało doskonale czarne jest proporcjonalna do czwartej potęgi jego temperatury. W praktyce obok terminu ciała doskonale czarnego stosuje się też pojęcie ciała szarego. Emituje ono lub absorbuje mniej energii od ciała doskonale czarnego; bowiem poziom emisji lub absorpcji zależy od współczynnika emisji (absorpcji) danej powierzchni. Współczynnik ten jest funkcją składu chemicznego i stanu powierzchni.
Termowizja polega więc na rejestrowaniu przez specjalną kamerę podczerwonej części widma emitowanego przez badaną powierzchnię, które następnie jest przetwarzane na kolorową mapę temperatury.

Kamera termowizyjna – działanie i budowa

Kamera termowizyjna rejestruje i obrazuje rozkład temperatury na powierzchni badanych obiektów. Jej możliwości pomiarowe określają parametry detektora podczerwieni tzw. matrycy. Urządzenie przetwarza promieniowanie emitowane lub odbite przez badany obiekt na sygnał elektryczny i następnie na obraz oglądany na ekranie. Kamera składa się z układu optycznego skupiającego promieniowanie, detektora promieniowania podczerwonego (matrycy) wraz z układem chłodzenia, elektronicznego wzmacniacza, układu przetwarzania i obrazowania (wizualizacji) w kolorach lub w odcieniach szarości.
Kamery termowizyjne w zależności od zakresu długości fal, na którym funkcjonują, dzieli się na krótkofalowe (zakres pracy od 3 do 5 µm) i długofalowe (zakres pracy od 8 do 15 µm) oraz w zależności od przeznaczenia na: kamery pomiarowe, służące do dokładnego odwzorowania rozkładu temperatur badanego ciała, i obserwacyjne, służące do odwzorowania obiektu tylko przy jakościowej ocenie rozkładu jego temperatur. Jednym z najważniejszych parametrów kamer termowizyjnych świadczącym o przeznaczeniu jest czułość termiczna. Najlepsze urządzenia mogą wykrywać różnice temperatur rzędu 0,045^oC.
Dane termograficzne mogą być wyświetlane na ekranie kolorowym LCD lub monochromatycznym, na ekranie LED lub przekazywane do komputera PC. Możliwa jest też prezentacja obrazów termograficznych przez wyjścia wideo na ekranie odbiornika telewizyjnego. Obrazy statyczne, sekwencje termograficzne oraz obrazy wideo mogą być zapisywane na karcie SD lub bezpośrednio w pamięci komputera. Kamery często są wyposażane w łącza radiowe umożliwiające zdalne sterowanie za pomocą pilota. Opcjonalnie pilota wyposaża się we wzorzec temperatury o wysokiej emisyjności. Wartość temperatury wzorca może być wysyłana do kamery drogą radiową.
Kamery są także wyposażane w obiektywy standardowe, szerokokątne, teleobiektywy lub obiektywy przegubowe obrotowe, w zintegrowany aparat fotograficzny cyfrowy z możliwością dołączenia komentarza głosowego do każdego zdjęcia, celownik laserowy półprzewodnikowy lub w zabudowany wizjer. Do przeprowadzania analizy uzyskanych danych dostarczane są programy, dające szerokie możliwości różnego rodzaju analizy rozkładu temperatur, określania obszarów, wykresów, histogramów itp. Możliwe jest również tworzenie raportów.

Kamera termowizyjna KT-384 firmy Sonel o rzeczywistej rozdzielczości termicznej (radiometryczna) 384 x 288 (jednocześnie mierzona temperatura w 110 592 punktach). Przyrząd jest prosty i intuicyjny w obsłudze. W trakcie każdego pomiaru kamera rejestruje również obraz rzeczywisty, posiada funkcję łączenia obrazu rzeczywistego i termicznego z regulowanym poziomem (oraz zakresem temperatury) przenikania

Warunki wykonywania pomiarów

Pomiary termowizyjne mogą być wykonywane w pomieszczeniach lub w otwartej przestrzeni na zewnątrz budynków. Na możliwość wykonania pomiaru wpływają: dostępność optyczna, opady deszczu i śniegu, wysokie lub niskie temperatury otoczenia, obecność silnych pól elektromagnetycznych. W pomieszczeniach na ogół istnieją odpowiednie warunki do wykonywania pomiarów. Do wyjątków należą miejsca o wysokich temperaturach w pobliżu pieców, na kotłach, w pobliżu wanien szklarskich, miejsca występowania silnych pól elektromagnetycznych.
Przy pomiarach na zewnątrz budynków, wpływ na wyniki ma przede wszystkim promieniowanie słoneczne. Gdy ważna jest znaczna precyzja pomiarów, należy je wykonywać w nocy, przy pełnym zachmurzeniu i przy obciążeniu zbliżonym do znamionowego. Badania urządzeń elektroenergetycznych, np. linii napowietrznych można wykonywać w dzień lecz nie przy bezpośrednim nasłonecznieniu – najlepiej przy niskiej pokrywie chmur. W lecie, w ciągu dnia, nawet promieniowanie rozproszone w sposób zauważalny zniekształca pole temperaturowe badanych obiektów. Obiekty o wysokiej temperaturze, wyższej od 150^oC – 200^oC, zwłaszcza o znacznej emisyjności powierzchni mogą być badane w ciągu całego roku o każdej porze dnia, z wyjątkiem tych przypadków, w których wymagana jest bardzo duża dokładność.
Niekorzystnie na wyniki pomiarów wpływa padający deszcz i śnieg, co powoduje silne schłodzenie i spłaszczenie pola temperaturowego. Silne schłodzenie obiektów o małej bezwładności cieplnej lub o niskim przewodnictwie cieplnym powoduje porywisty wiatr. Poważny wpływ na wyniki pomiarów termowizyjnych ma duża wilgotność powietrza i mgła, które powodują zmianę właściwości transmisyjnych powietrza i osłabiają sygnał docierający do kamery.

Zastosowania termowizji

Energetyka
W elektroenergetyce podstawową przyczyną wszelkich uszkodzeń i zagrożeń pożarowych jest przekroczenie maksymalnych dopuszczalnych temperatur w wyniku przeciążeń oraz zwiększenia rezystancji złączy, które występuje tylko w czasie przepływu prądu. Wynika z tego konieczność prowadzenia pomiarów termowizyjnych przy pewnym minimalnym obciążeniu, pozwalającym na wykrycie tych zjawisk. Wartość temperatury złącza jest więc podstawą do oceny jego stanu technicznego, przewidywania możliwości uszkodzenia i wynikających z tego zagrożeń.
Obecnie przy wykonywaniu obserwacji termowizyjnych dopuszcza się obciążenie minimalne na poziomie 30% obciążenia znamionowego. Jednak w praktyce często się zdarza, że obciążenia obwodów odbiorczych czy linii przesyłowych są mniejsze od tej wartości. Mimo to obserwacje należy wykonywać, ponieważ wykrycie wady umożliwia jej wczesne usunięcie i zapobieżenie poważniejszym uszkodzeniom przy zwiększonym obciążeniu.

Możliwości zastosowania termowizji – obrazy rozkładu temperatur zarejestrowane kamerą termowizyjną (fot. Flir)

Termowizyjne badania silników elektrycznych
Metody termowizyjne oceny poprawności pracy maszyn elektrycznych są bezpiecznym i nieagresywnym źródłem wiedzy o ich stanie technicznym w warunkach rzeczywistych, tzn. pod obciążeniem. W przypadku większości maszyn elektrycznych i urządzeń przemysłowych można określić wzorcowy stan cieplny charakterystyczny przy prawidłowej pracy urządzenia. Stan ten jest punktem wyjścia przy tworzeniu mapy cieplnej urządzenia, zapisywanym w postaci termogramów umieszczanych w bazie danych maszyny. Tak utworzoną bazę danych wykorzystuje się jako materiał porównawczy przy wykonywaniu badań termowizyjnych i ocenie stanu technicznego wszystkich maszyn tego samego typu.
Lokalizację ewentualnych zwarć w pakietach blach stojanów silników elektrycznych i w rdzeniach transformatorów wykonuje się przez pomiar termowizyjny podczas nagrzewania indukcyjnego tych elementów. W miejscach zwarć w pakietach blach powstają lokalne podwyższenia temperatury, które mogą być rozpoznane i precyzyjnie zlokalizowane za pomocą kamery termowizyjnej.
Przy wykonywaniu pomiarów temperatury obiektów o obciążeniu mniejszym od znamionowego trzeba przeliczyć otrzymany przyrost temperatury do warunków znamionowych, uwzględniając, że przyrost temperatury jest proporcjonalny do kwadratu prądu obciążenia.

Diagnostyka budynków
W ostatnich latach termowizja znajduje coraz szersze zastosowanie przy badaniach izolacyjności termicznej budynków, zarówno przy ocenie jakości powstałego obiektu budowlanego, jego stanu technicznego w czasie badań okresowych, jak i przy audycie energetycznym. W obiektach budowlanych badaniom termowizyjnym poza instalacjami elektrycznymi czy centralnego ogrzewania poddaje się elementy budowlane.
Dokładny pomiar rozkładu temperatury wymaga określenia emisyjności badanej powierzchni, wyeliminowania wpływu ewentualnych błędów w jej wyznaczeniu oraz określenia wpływu otoczenia na wynik pomiarów. W określeniu optymalnych warunków w termowizyjnych badaniach izolacyjności cieplnej ścian budynków najczęściej stosuje się podejście jakościowe lokalizując jedynie miejsca o podwyższonej temperaturze, co wskazuje na nadmierne straty ciepła, bez ustalania dokładnych wartości temperatury. Aby badanie było wiarygodne, różnica temperatur na zewnątrz i wewnątrz budynku powinna wynosić co najmniej 15^oC. Wyniki pomiarów termowizyjnych budynków ułatwiają decyzje o potrzebie ich ogólnego docieplenia, zastosowania izolacji termicznej mostków cieplnych, np. płyt balkonowych, zastosowania izolacji przewodów instalacji centralnego ogrzewania itp.

Kwalifikacje osób wykonujących pomiary termowizyjne

Aby wyniki pomiarów wykonywanych metodami termowizyjnymi były wiarygodne, osoba, która je wykonuje, powinna:
• mieć odpowiednie wykształcenie, przeszkolenie i doświadczenie w wykonywaniu tego rodzaju badań,
• posiadać ogólną wiedzę o badanym obiekcie – jego budowie, użytych materiałach, zasadzie działania, parametrach, możliwych uszkodzeniach i nienormalnych stanach pracy oraz znać historię jego eksploatacji,
• posiadać wiedzę o możliwych skutkach wystąpienia anomalii termicznych oraz znać normy i przepisy dotyczące badanego obiektu,
• pomiary wykonywać przy użyciu sprzętu odpowiedniego do rodzaju i zakresu przeprowadzanych badań,
• posiadać wiedzę i umiejętności oceny i interpretacji wyników przeprowadzonych badań oraz przedstawienia wniosków i zaleceń pokontrolnych.

Kamera termowizyjna KT-640 firmy Sonel – w pełni radiometryczna – rejestruje temperaturę każdego punktu obrazu wysokiej rozdzielczości 640 x 480. Funkcje to m. in.: zapis w rozszerzonym formacie JPG, nagrywanie filmów w podczerwieni (zapis na karcie SD w formacie MPEG4/H. 264 lub bezpośrednio na dysku komputera), transfer w czasie rzeczywistym przez łącze USB, rejestracja obrazu rzeczywistego 5 Mpix

Porady dla osób kupujących kamerę termowizyjną:

• kamera termowizyjna powinna posiadać szeroki zakres temperatur dostosowanych do temperatur obiektów badanych,
• producent urządzenia powinien gwarantować dokładne, powtarzalne wyniki. Przemysłowy standard dokładności to ± 2%. Aby uzyskać właściwe wyniki, kamera musi pozwalać na wprowadzenie wartości „emisyjności” i „temperatury odbitej” – inaczej nie da się wykonać wiarygodnych pomiarów,
• wybierz kamerę z detektorem o dużej rozdzielczości i z wysoką jakością obrazu; należy pamiętać, że o jakości obrazu decyduje rozdzielczość detektora, a nie rozdzielczość ekranu,
• jednym z najważniejszych aspektów przydatności kamery do pracy jest możliwość wymiany akumulatora w warunkach „polowych”. W komplecie z kamerą powinien być zapasowy akumulator i ładowarka,
• nie należy kupować kamery termowizyjnej, która wymaga dodatkowego oprogramowania w celu zmiany firmowego formatu plików na format standardowy jpeg,
• kupując kamerę termowizyjną trzeba zwrócić uwagę, aby była ona lekka i ergonomiczna. W czasie prezentacji należy sprawdzić klawiaturę, która powinna być wygodna i intuicyjna,
• najlepsze kamery termowizyjne wyposażone są w kamerę obrazu widzialnego o rozdzielczości rzędu mega pikseli oraz w lampę podświetlającą, która umożliwia dobre udokumentowanie pracy,
• kamery z wbudowanym wskaźnikiem laserowym zapewniają wygodę i bezpieczeństwo. Wskaźnik ułatwia ustalenie położenia kamery względem obiektu, znacznie ułatwia pracę w ciemnościach, nawet, gdy operator znajduje się w niewielkiej odległości od badanego obiektu. Wskaźnik laserowy umożliwia badania urządzeń, których nie powinno się dotykać lub znajdujących się w niedostępnej odległości, np. elektrycznych urządzeń rozdzielczych, linii napowietrznych, silników pomp,
• dobra kamera termowizyjna powinna posiadać możliwość zmian obrazu w obrazie. Wykonywanie podstawowych operacji z obrazem termowizyjnym nałożonym na obraz widzialny, takich jak przesuwanie obrazu termowizyjnego, powiększanie go i zmniejszanie, dopasowanie do oglądanego obiektu bezpośrednio na ekranie może uprościć analizę problemu i ułatwić prezentację dokumentacji. Bardziej zaawansowane kamery umożliwiają zapisywanie kombinacji obrazów widzialnego i w podczerwieni w jednym złożonym obrazie.

Opracowano na podstawie
materiałów firmowych
i stron www