Laboratorijska vježba: INFRACRVENA TERMOGRAFIJA STUDIJ: KOLEGIJ: DODIPLOMSKI STUDIJ Laboratorijski rad USTANOVA: SVEUČILIŠTA U ZAGREBU Pripremili: Prof.dr.sc. Srećko Švaić, dipl.ing. Doc.dr.sc. Ivanka Boras, dipl.ing. Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilište u Zagrebu
1. UVOD Što je to infracrvena termografija IC termografija je beskontaktna metoda mjerenja temperature i njezine raspodjele na površini tijela. Temelji se na mjerenju intenziteta infracrvenog zračenja s promatrane površine. Rezultat termografskog mjerenja je termogram, koji u sivim tonovima ili nekom kodu boja daje sliku temperaturne raspodjele na površini promatranog objekta. Temperaturna raspodjela posredno daje informaciju o različitim stanjima same površine ili je pak odraz strukture i unutrašnjeg stanja promatranog objekta. O elektromagnetskom zračenju Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje, koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 10 8 m/s. Pokusi su nedvojbeno potvrdili da se zračenje ponaša kao čestica u svojoj interakciji s tvari, a kao val kad se širi kroz prostor. Elektromagnetski valovi tako imaju dualnu prirodu: valnu i korpuskularnu. Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju vala v i brzinu širenja vala c preko izraza: c = v λ (1) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle, vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju. Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina, od neke minimalne do maksimalne. Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači. Slika 1 prikazuje elektromagnetski spektar. Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 0,1 do 100 µm. Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja, tj. vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko. Nalazi se u području valnih duljina između 0,4 do 0,7 µm. Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene: ultraljubičasto područje, vidljivi dio i infracrveno područje. Slika 1 Elektromagnetski spektar Laboratorijska vježba 2/14
Slika 2 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula. Tako, zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine, uključuje samo molekule blizu površine: za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula, a za nemetale nekoliko mikrometara. Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni. S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida, ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja, apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu. Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni. 2. CRNO TIJELO Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega, bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira. Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje, te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi. Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja, zračenje je difuzno. E* 1 E* Slika 3 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje Laboratorijska vježba 3/14
Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina. Ako promatramo monokromatsko zračenje crnog tijela, E b, kao energiju zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj duljini (W/m 2 µm) spektralna je raspodjela E b po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom: E C λ 5 1 bλ = C2 / λ T e 1 (2) 8 pri čemu je λ valna duljina u µm, T apsolutna temperatura u K, a konstante iznose C1 = 3,742 10 W µm 4 /m 2 4 i C2 =1,4389 10 µmk. Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste. Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće: λ max T = 2898 µmk (3) što objašnjava promjenu u boji površine od crvene do bijele tijekom grijanja. Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela, na svim valnim duljinama. Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela, prema Stefan-Boltzmannovom zakonu: 4 2 E b = σ T W/m (4) pri čemu je σ Stefan-Boltzmannova konstanta i iznosi 5,6697 10-8 W/m 2 K 4. 3. REALNA TIJELA Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira, djelomično reflektira, a djelomično propusti. E * * * * = a E + r E + d E (5) E* r E* a E* d E* Slika 4 Apsorbirano, reflektirano i propušteno zračenje Laboratorijska vježba 4/14
Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije, omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije, a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor dijatermije. Iz jednadžbe (5) slijedi: 1 = a + r + d (6) Većina površina od inženjerskog interesa je nepropusna (d = 0), izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi. U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira, a djelomično reflektira, te se jednadžba (6) svodi na oblik: 1 = a + r (7) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati, odnosno reflektirati, ovisi o materijalu i stanju površine, valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada. Prisutna je također i ovisnost o temperaturi. Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r. Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela, te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija. Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi. E( T ) ε = (8) Eb ( T) Emisijski faktor realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine, te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu. Emisijski je faktor za sveukupno zračenje različit od ε u smjeru normale i računa se kao: ε 1,2 za nisko emitirajuće polirane metalne površine, ε n ε ε n 0,98 za visoko emitirajuće nemetalne površine. Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik: E = ε σ T 4 (9) Prema Kirhoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije: ε ( λ) = a( λ) (10) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini, emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela. Laboratorijska vježba 5/14
4. PRINCIP RADA TERMOGRAFSKOG UREĐAJA Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo). U samoj kameri integrirana je IC optika, osjetnik IC zračenja, jedinica za pretvorbu električnog u video signal, monitor i kartica za pohranu podataka. Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri. Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar, to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja, no različita po materijalima iz kojih je napravljena. Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje, a to su; germanij, cink sulfid, cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon, safir, kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja. Slika 5 Princip rada suvremenog termografskog uređaja Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja pada na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra. Dozračena energija na osjetnik jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija od okoline E env. E os * ( E r E ) +, energije koja prolazi kroz tijelo d E ** i energije koja dolazi os * ** ( E + r E ) + d E Eenv E = + (11) E env E** E* a E** E = E b ε d E* a E* r E* r E** E env d E** Slika 6 Energija koja pada na osjetnik termografskog uređaja prilikom termografskog snimanja objekta Laboratorijska vježba 6/14
Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijedost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta, temperaturu okolišnjih objekata, udaljenost kamere od promatranog objekta, temperaturu i relativnu vlažnost zraka. Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere. Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum, osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora. Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora, softver u kameri pruža i drugu mogućnost. Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine. Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti, ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan. 5. AKTIVNA I PASIVNA TERMOGRAFIJA Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu, te na kvalitativnu i kvantitativnu. Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi. Toplinska se pobuda može postići na različite načine. Tako su poznate impulsna, periodička, lock-in, vibracijska i druge vrste pobuda. Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele. Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine, mogućim uključinama, pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine. 48,1 C 45 LI01 LI02 LI03 40 35 30 25 24,6 C Slika 7 Aktivna termografija; Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole, t=300 s. Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju. Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine. Laboratorijska vježba 7/14
Slika 8 Pasivna termografija: Fotografija i termogram zida stare Nacionalne i sveučilišne biblioteke Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna, što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti, slika 9, ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura, temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu, slike10, 11 i 12. Slika 9 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura Slika 10 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova, analiza uz primjenu alata" isotherm dual above" Laboratorijska vježba 8/14
Slika 11 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linijskom temperaturnom raspodjelom Slika 12 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu 6. TERMOGRAFSKI SUSTAV ThermaCAM 2000 Osnovne karakteristike IC kamere Točnost +/- 2 % Osjetljivost < 0,08 o C kod 30 o C Vidno polje 24 o x 18 o / 0,5m Detektor FPA 320 x 240 piksela (nehlađeni bolometar) Područje osjetljivosti 7,5 13 mikrona Video izlaz VH Monitor kolor LCD PC kartica tip II ili tip III Spremanje slike u realnom vremenu, 14 bitni digitalni zapis Laboratorijska vježba 9/14
Baterije Dimenzije Masa Video kamera Temperaturna mjerna područja AKU Nikal-metal hidrid 209 x 122 x 130 mm 2,43 kg 640 x 480 piksela - 40 o C 120 o C 0 o C 500 o C 350 o C 1500 o C Meniji i mogućnosti odabira Izbornik FILE sa svojim podizbornicima omogućuje otvaranje prethodno spremljenih termograma s diska, pojedinačno ili periodično spremanje termograma u prethodno odabrani ili novostvoreni direktorij, brisanje termograma, te unošenje različitih komentara uz pojedine termograme, u obliku zvučnog zapisa ili teksta. Izbornik ANALYSIS u cijelom nizu podizbornika nudi definiranje važnih karakteristika snimanog objekta i njegovog okoliša: emisijskog faktora, temperature ambijenta i vlažnosti zraka. Osim toga, s pomoću podizbornika Spot, Area, Isotherm i Profil moguće je raditi trenutačnu analizu snimanog objekta preko temperatura pojedine točke, linijske temperaturne raspodjele ili analize temperatura pojedinog područja. Izbornik IMAGE sadrži podizbornike koji omogućuju izbor između infracrvenog ili video zapisa, odabir mjernog područja temperatura, podešavanje termograma u smislu izbora njegovog temperaturnog nivoa i raspona temperatura, zamrzavanje na ekranu trenutnog prikaza, automatsko podešavanje oštrine i palete boja termograma, te mogućnost postavljanja markera u video modu, što olakšava kasniju analizu termografskog prikaza. Izbornik SETUP sa svojim podizbornicima pruža mogućnost postava opcija za točku, površinu i izotermu (boja, veličina itd.), promjenu parametara slike, ručno ili automatsko podešavanje termograma, izbor palete boja, korekciju za šum i način obilježavanja temperaturnog zasićenja. Također se nudi niz opcija za definiranje organizacije termograma, mjernih jedinica, jezika, datuma, načina spremanja, teksta, zvuka, naziva i formata spremanja, kao i generalno izbor količine informacija koja se pojavljuju na termogramu. RAD S PROGRAMOM ThermaCAM-Researcher Osnovna je namjena programa ThermaCAM Researcher obrada IC prikaza (termograma) koji s kamere dolaze u realnom vremenu. Međutim, program može primati i raditi obradu termograma i s drugih medija kao što je PC hard disk (kartica). Program može obrađivati brze/srednje/spore toplinske procese, ovisno o postavljenoj konfiguraciji, može prikazivati trenutne termograme, bilježiti ih na disk, te ih naknadno analizirati. Rezultati mjerenja, termogrami, mogu se obrađivati pomoću slijedećih alata: izoterma, točka, područje i linija. Rezultati dobiveni primjenom ovih alata se mogu na ekranu prikazati zajedno sa termogramom i to: prozor u kojem je prikazan traženi profil temperatura, prozor u kojem je prikazan Laboratorijska vježba 10/14
histogram, tablica u kojoj su navedeni osnovni rezultati te prozor u kojem je prikazan crtež. Rezultati mjerenja mogu se također povezati ili obraditi različitim podprogramima. Standardna je aplikacija u ovom programu namještanje prikaza, a označena je s rječju «lock». Tako je moguće fiksirati temperaturnu skalu, parametre objekta ili zoom faktor. To znači da se može upotrebljavati točno određena (prethodno definirana) temperaturna skala podešavanjem i zaključavanjem na korisniku željene vrijednosti. Trenutni će prikaz, a i oni koji slijede, biti prikazani u toj definiranoj skali temperatura, premda su spremljeni u drugoj skali. Nakon otključavanja uz svaki će se IC prikaz pojavit originalna temperaturna skala. Sučelje programa Nekoliko je mogućih prikaza sučelja. Oni se mogu odabrati pomoću ikonica prikazanih u donjem dijelu ekrana. Tako je moguće kombinirati termogram s profilom temperatura, histogramom, crtežom ili tablicom rezultata. Raspored prozora nije moguće mijenjati na ekranu, ali se mogu njihove veličine povećavati ili smanjivati. Slika 13 Prikaz mogućeg sučelja programa ThermaCAM Researcher Alati koji omogućuju obradu termograma nalaze se na slijedećim funkcijama: standardna funkcija (kreiranje, otvaranje, dodavanje ili spremanje prikaza, itd.) funkcija za način prikazivanja termograma funkcija za bilježenje termograma funkcija za dohvaćanje termograma iz direktorija funkcija za analizu termograma funkcija za skaliranje termograma IC prikaz objekta na ekranu Za dobivanje dobrog prikaza s IC kamere potrebno je ostvariti povezivanje s kamerom, odabrati prikladno područje mjerenja, pokrenuti samopodešavanje kamere, fokusirati. Bez obzira da li se radi Laboratorijska vježba 11/14
o termogramu u realnom vremenu, zaustavljenom prikazu ili prikazu s diska, potrebno je postaviti parametre objekta (emisijski faktor, temperatura okoliša, temperatura okolišnje atmosfere, relativna zagađenost zraka, udaljenost). Slika 14 Postavljanje osnovnih parametara IC prikaza Ukoliko je odabrana paleta boja neprikladna, ona se može promijeniti. Na prikazu je moguće dodati temperaturnu skalu boja, dodatne labele teksta a postoji mogućnost i pseudo 3D verzije prikaza. Slika 15 Odabir načina prikazivanja IC prikaza Kako se koriste alati za numeričku i statističku analizu Alati za analizu kao rezultat daju tablicu rezultata, crtež, profil ili histogram, u odgovarajućim prozorima ili direktno na termogramu. Moguće je dobiti i iznos apsolutne temperature ili pak provesti relativno mjerenje. Relativna se mjerenja odnose na prethodno definiranu referentnu temperaturu i parametre objekta. Laboratorijska vježba 12/14
Izoterma Točka Leteća točka Područje Linija Formula Izoterma je marker koji u infracrvenom prikazu označava mjesta na kojima je zračenje koje dolazi s površine promatranog objekta jednako. To zapravo znači da su označena područja iste temperature ukoliko je emisijski faktor objekta isti preko cijelog mjerenog područja. Aktiviranjem se ove ikonice omogućuje izbor između pet standardnih tipova izotermi na IC prikazu. Nakon odabira položaja točke na termogramu u tablici rezultata može se dobiti iznos temperature, temperaturne razlike u odnosu na referentnu temperaturu, emisijski faktor, udaljenost objekta i koordinate točke na termogramu. Ovaj alat prikazuje vrijednost temperature na mjestu pokazivača miša. Ovaj alat mjeri maksimum, minimum, prosječnu vrijednost i standardnu devijaciju temperature unutar odabranog dijela termograma, a vrijednosti prikazuje u tablici rezultata. Rezultati se također mogu predstaviti grafički, pomoću histograma. Moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora objekta, udaljenost objekta i koordinate područja. Područje je moguće kreirati kao pravokutnik, krug ili proizvoljan poligon. Ovaj alat mjeri minimum, maksimum, prosjek i standardnu devijaciju temperature duž linije povučene unutar granica termograma. Rezultati su prikazani tablično. Linijska se temperaturna raspodjela može predstaviti i grafički u prozoru Profil temperature. Linija se naknadno može pomicati preko termograma te joj je moguće promijeniti veličinu i nagib. Ovaj se alat koristi za dodavanje i editiranje formula. Formula može sadržavati sve matematičke operatore i simbole. Rezultati korištenih formula se pokazuju u tablici, a moguće ih je i prikazati u grafičom obliku. Najčešća razlika između pojedinih dijelova termograma su različite vrijednosti emisijskog faktora i različite udaljenosti promatranih objekata od objektiva kamere. Svi alati za analizu termograma (izuzev izoterme) prihvaćaju korekciju parametara objekta pri naknadnoj analizi. Laboratorijska vježba 13/14
7. ZAKLJUČAK Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatke. Tako se za termografiju može reći da su joj dobre osobine: beskontaktno mjerenje, brzi odziv, relativno jednostavna interpretacija termograma, široke mogućnosti primjene. a one loše: utjecaj emisijskog faktora, atmosfere, udaljenosti, geometrije objekta i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja, teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata, mogućnost promatranja samo površinskih efekata. Za kvalitativnu i kvantitativnu analizu termograma potrebno je osposobiti kadrove koji za traženu primjenu moraju ovladati termografskim sustavom i poznavati problematiku koja se rješava. Laboratorijska vježba 14/14