Techniki pomiarów teledetekcyjnych, takie jak wykrywacze LEM, metoda GPR lub magnetometria, penetrują w głąb struktury ośrodka. Termografia, jako technika skupiona na analizie zjawisk falowych związanych z promieniowaniem podczerwonym, koncentruje uwagę na powierzchni badanego obiektu. Nie oznacza to bynajmniej, że termografia nie dostarcza informacji o zmienności wewnętrznej struktury badanego obiektu. Dla wyjaśnienia: na rysunku nr 1 kamerą obserwowano jednorodną powierzchnię, czyli otynkowaną ścianę. Mimo to kamera rejestruje zróżnicowany rozkład promieniowania na powierzchni ściany, co jest niewidoczne w pasmie widzialnym. Powierzchniowy rozkład natężenia promieniowania pojawiający się na tynku pozwala po kształcie zawęzić rodzaj bloczków, które mogły być użyte do budowy, a nawet wyznaczyć część jego wymiarów, czyli pośrednio wnioskujemy o wewnętrznej strukturze muru.
Do tej pory wspominano jedynie o natężeniu promieniowania. Dlaczego, skoro ma być o TERMOgrafii?
Otóż termografia używa rejestratorów (aparatów, kamer) natężenia promieniowania podczerwonego emitowanego z powierzchni obiektu i nic więcej. Przejście z natężenia promieniowania na temperaturę jest już procesem wtórnym bazującym na prawie Stefana-Boltzmanna, a kwantowo opisanym przez Maxa Planka. Tak więc termografia dostarcza obraz rozkładu temperatury, ale aparatura jej nie mierzy. Kamery termograficzne rejestrują „mierzą” jedynie natężenie promieniowania w określonym zakresie podczerwieni.
Dziś, ze względu na techniczne rozwiązania, niejednokrotnie mocno dedykowane dla szerokiego spektrum zastosowań, pomiar termograficzny nie jest problemem. Nie jest też problemem proces przetwarzania obrazu. Natomiast cały czas szczególnym obszarem dociekań jest interpretacja i ustalanie przyczyn takiego, a nie innego rozkładu natężenia promieniowania na powierzchni. Prawidłowa interpretacja termogramów będzie zależała od wiedzy interpretującego, który musi rozumieć wiele zależności fizycznych z zakresu zjawisk falowych i termodynamiki, bo temperatura obiektu w danym punkcie może być wynikiem różnych odziaływań otoczenia na obiekt i samych jego cech fizycznych.
I tak:
- Czy widoczne na Rys. 1 zimne miejsce w narożniku to już mostek cieplny?
- Co powoduje, że ciepłociąg widoczny na Rys. 2 ma temperaturę o 6oC inną w odcinku poziomym i pionowym?
- Czy właściciel budynku na Rys. 3 ogrzewa strych i to jeszcze pod dachówką?
Źródła promieniowania
Dla temperatury zera bezwzględnego następuje całkowity zanik ruchu cząstek materii. Jednak już powyżej zera ruch pojawia się i dochodzi do zderzeń cząstek, w wyniku czego uwalnia się energia, która ulega wypromieniowaniu.
Ciało doskonale czarne a ciała rzeczywiste
Wyjściem dla rozważań Stefana, Boltzmanna, Plancka, Wiena z zakresu termodynamiki jest wyidealizowane ciało „doskonale czarne” o maksymalnym współczynniku pochłaniania (wartość 1) i emisji (wartość 1). Takie ciało stanowi odnośnik dla ciał w świecie rzeczywistym, dla których część pochłanianej energii nie jest ponownie emitowana na zewnątrz ciała. Relację możliwości emisji ciała rzeczywistego do emisji ciała doskonale czarnego w tej samej temperaturze nazywa się względną zdolnością emisyjną (współczynnik emisyjności).
Znaczenie współczynnika emisji
W analizie obrazów termalnych prawidłowe przypisanie współczynnika emisji ma fundamentalne znaczenie dla prawidłowego wyznaczania temperatury obserwowanych obiektów.
Współczynnik emisyjności może być rozpatrywany dla całego widma promieniowania (panchromatyczny) lub w wybranym przedziale długości fali (monochromatyczny). Może również mieć różną kierunkowość. To, co najważniejsze to fakt, że wykazuje on dużą zmienność w przedziale od 0 do 1, ze względu na:
- rodzaj ciała (metal – dielektryk)
- stan powierzchni (gładka – chropowata)
- temperatury powierzchni ( np. w metalach rośnie z temperaturą nieliniowo)
- stopień utlenienia
- długość fali promieniowania
Co dociera do kamery termowizyjnej podczas obserwacji danego obiektu?
Współczynnik emisji ciała to tylko jedna, niezwykle ważna składowa, w drodze do uzyskania prawidłowej temperatury obiektu. Skoro emituje ciało, dla którego chcemy wyznaczyć temperaturę, to i inne również. Skoro wszystko promieniuje, a promieniowanie to się przenika, to co tak naprawdę dociera do kamery?
Wynikiem rejestracji jest składowa:
- emisji badanego ciała
- emisji otoczenia
- emisji środowiska transmisji
Umiejętne rozdzielenie tych składowych pozwala uzyskać prawidłowy wynik końcowej analizy termicznej badanego ciała, zjawiska czy procesu.
Rodzaje matryc
Nie bez znaczenia pozostaje również sprzęt pomiarowy, który w zależności od celu jest wyposażony w różne rodzaje matryc. Matryce mogą składać się z czujników działających na bazie różnych zjawisk fizycznych. Wyróżniamy tu detektory wykorzystujące zjawiska:
- fotonowe
- termiczne np. bolometryczne
Kamery mogą pracować skutecznie w dwóch pasmach widmowych długości fal:
- średniej 3 do 5 μm
- długiej 7 do 14 μm.
Pasma te oznaczone odpowiednio MWIR i LWIR, odpowiadają dwóm oknom podczerwieni o wysokiej przepuszczalności. MWIR dedykowany jest obserwacjom obiektów, zjawisk o temperaturze < 300oK, LWIR >300oK.
Typy pomiarów
Wyróżnia się dwa typy pomiarów:
- pasywny – pomiar typowy dla uchwycenia różnicy temperatury
- aktywny – pomiar wspomagany dodatkowym impulsem cieplnym, emitowanym w kierunku badanego obiektu. Stosowany w detekcji defektów w materiale (Pulse Phase Termography).
Zakresy pomiarów
Zakres zastosowań termowizji jest nieograniczony. Pomiar termograficzny może służyć do analizy bardzo lokalnych małych obszarów:
- obserwacji mikroskopowych
- w elektronice do badania pracy urządzeń
- medycynie
- sztuce, itp.
A także dużych obiekt:
- budynków
- obiektów inżynierskich: chłodni, kominów, zapór
- elementów infrastruktury technicznej w obszarach przemysłowych np. ciepłociągów
![Rys. 6 System Informacji Terenowej dla oceny izolacyjności cieplnej sieci ciepłowniczej [2]](https://geo-ndt.agh.edu.pl/wp-content/uploads/2022/03/SIT_ocena_izolacji_sieci_cieplowniczej-600x429.jpg)
Źródła:
[1] Wróbel, A. (2010). Termografia w pomiarach inwentaryzacyjnych obiektów budowlanych. Kraków: Wydawnictwa AGH
[2] Wróbel, A., Pietroń, M., & Ortyl, Ł. Termografia a systemy informacji terenowej. Termografia i Termometria w Podczerwieni: V krajowa konferencja. 14–16.11.2002 r., Ustroń.
