Częstotliwość zmian temperatury obiektu (zmienność procesu)
Kamery bolometryczne są wolniejsze niż kamery fotonowe chłodzone. Wynika to z istoty działania obu typów detektorów. Czasy integracji kamer bolometrycznych są na poziomie 20÷100 μs, a w przypadku kamer fotonowych mogą być obniżone do wartości pojedynczych mikrosekund. Czas integracji kamer termowizyjnych wynika wprost z czasu reakcji (odpowiedzi) detektora. W kamerach bolometrycznych cieplna stała czasowa wynosi ok. τd = 3 ms (p. 1.3), a czas odpowiedzi detektora MCT może być na poziomie mikrosekund, czyli 3 rzędy wielkości krótszy. Jeśli nawet przyjąć, że kamera bolometryczna generuje ramki z częstotliwością próbkowania (ang. sampling) fs = 100 Hz (Ts = 10 ms), to maksymalna częstotliwość zmian procesu termicznego wynosi 50 Hz. Wynika to z podstawowych zasad analizy sygnałów dyskretnych (próbkowanych) – rys. 2.6.
Wydawało by się, że częstotliwość procesu f = 50 Hz to wystarczająca wartość w wielu praktycznych zastosowaniach. Gdzie w praktyce występują procesy termiczne zmieniające się 50 razy w ciągu sekundy?
Rys. 2.6. Częstotliwość próbkowania (generacji ramek w kamerze) zbyt wolna w stosunku do częstotliwości (szybkości zmian) procesu termicznego
Problem jest jednak znacznie szerszy. Jeśli założyć, ze cieplna stała czasowa τd = 3 ms, to ωd = 1/τd ≈ 333 1/s, a częstotliwość załamania się charakterystyki czułości (równania (1.23), (1.25), (1.29)) fd = ωd/2π ≈ 53 Hz. Co to oznacza w praktyce? Otóż kamera jest kalibrowana przez producenta w wyidealizowanych warunkach stanu ustalonego. Kamera, detektor, referencyjne ciało czarne są termicznie ustabilizowane i dla takich warunków jest wyznaczana krzywa kalibracji. Innymi słowy ω = 0 (f = 0) w równaniach (1.23), (1.25) i (1.29). Jeśli przyjąć, że proces termiczny fluktuuje z częstotliwością f = fd = 53 Hz, to czułość kamery i odpowiedź termiczna detektora bolometrycznego są
Z oczywistych względów popełniony zostanie błąd pomiaru temperatury. Nie wszystkie detektory kamer termowizyjnych charakteryzują się tak krótką cieplną stałą czasową (3 ms). Bardziej typową wartością jest τd = 7÷10 ms. Jeśli przyjąć, że stan nieustalony opisany równaniem (1.15), osiąga asymptotycznie wartość ustaloną po czasie t ≈ 3τd, to maksymalna częstotliwość procesu termicznego, który będzie właściwie rejestrowany przez bolometryczną kamerę termowizyjną, wynosi ok. 5 Hz:
Wciąż dla wielu praktycznych badań termowizyjnych procesów laboratoryjnych i przemysłowych jest to wystarczająca wartość.
Na podstawie powyższych rozważań należy krytycznie podchodzić do ofert producentów, co do szybkości generacji ramek w kamerach bolometrycznych (ang. Frame Rate). Oczywiście, im więcej ramek w czasie generuje kamera tym lepiej, ale pod warunkiem utrzymania deklarowanej wartości NETD, która jest wyznaczana dla stanu ustalonego! Można próbować badać kamerami bolometrycznymi szybsze procesy cieplne, ale należy się liczyć z kalibracją systemu w warunkach pracy dynamicznej. Bez wątpienia badania szybkich procesów będą prowadzone przy mniejszej wartości czułości i NETD, czyli z większym poziomem szumów, co jest możliwe w przypadku procesów o większej amplitudzie zmian wartości temperatury (procesów wysokotemperaturowych).
Wnioski końcowe
Podsumowując można przedstawić podstawowe zalecenia prowadzenia ilościowych badań termowizyjnych w praktyce. Wykonując ilościowe badania termowizyjne należy uwzględnić:
• wartość emisyjności obiektu,
• wartość temperatury otoczenia (tła) i atmosfery,
• wartość współczynnika transmisji atmosfery,
• wielkość obiektu i odległość między obiektem a kamerą,
• czas stabilizacji kamery (szczególnie bolometrycznej),
• szybkość (częstotliwość) zmian dynamicznego procesu termicznego.
Nie należy wykonywać ilościowych badań termowizyjnych:
• przy świetle słonecznym,
• przy dużej wilgotności atmosfery,
• w czasie deszczu, mgły, opadów śniegu,
• przy silnym i zmiennym wietrze,
• w zmiennych warunkach termicznych otoczenia,
• zaraz po włączeniu kamery.
Lepiej wykonywać ilościowe badania termowizyjne:
• przy niższej temperaturze otoczenia,
• wczesnym rankiem, przed wschodem Słońca,
• przy bezwietrznej pogodzie,
• w ustabilizowanych warunkach termicznych kamery i otoczenia.
Literatura do rozdziału 2
[2.1] Kruczek T., Wyznaczanie radiacyjnej temperatury otoczenia przy pomiarach termowizyjnych w otwartej przestrzeni. Pomiary Automatyka Kontrola, nr 11, vol. 55, 2009.
[2.2] Minkina W., Dudzik S., Infrared Thermography: Errors and Uncertainties, John Wiley & Sons, 2009.
[2.3] Mizrahi U., Schapiro F., Bykov L., Giladi A., Shiloah N., Pivnik I., Elkind S., Maayani S., Mordechai E., Farbman O., Hirsh Y., Twitto A., Ben-Ezra M., Fraenkel A., Advanced µ-bolometer detectors for high-end applications, Proc. SPIE 8353, Infrared Technology and Applications XXXVIII, 83531H (31 May 2012); doi: 10.1117/12.918095.
[2.4] Olbrycht R., Korekcja niejednorodności matryc mikrobolometrycznych, Rozprawa doktorska, Instytut Elektroniki Politechniki Łódzkiej, 2012.
[2.5] Siegel R., Howell J.R., Thermal Radiation Heat Transfer, 3rd ed., Taylor and Francis, Hemisphere Publishing Corporation, ISBN 0-89116-271-2, 1992.
[2.6] Więcek B., De Mey G., Termowizja w podczerwieni, podstawy i zastosowania, Wydawnictwo PAK, 2011.
3
Absorpcyjne systemy do wykrywania i pomiaru stężeń gazów
Marcin Kałuża
W styczniu 1859 r. John Tyndall rozpoczął badania właściwości radiacyjnych różnych gazów. W trakcie swoich doświadczeń wykazał zdolność ditlenku węgla, pary wodnej, ozonu oraz węglowodorów do pochłaniania promieniowania podczerwonego. Wykazał również, że tlen i azot są praktycznie przezroczyste dla promieniowania podczerwonego. Dalsze badania pozwoliły udowodnić, że zdolność gazów do pochłaniania promieniowania podczerwonego jest silnie związana z budową ich cząsteczek oraz z obecnością lub brakiem elektrycznego momentu dipolowego.
Zjawisko to zostało później wykorzystane do budowy różnego typu czujników i systemów do wykrywania i pomiaru stężeń gazów, których zasada działania opiera się na pomiarze tłumienia promieniowania ultrafioletowego/widzialnego/podczerwonego w charakterystycznym