Теория термографии
1.1 Излучение, отражение, пропускание
— Коэффициент излучения (ε)
— Коэффициент отражения (ρ)
— Коэффициент пропускания (τ)
— Закон теплового излучения Киргофа
1.2 Точка измерения и расстояние до измеряемого объекта
Все объекты, температура которых выше абсолютного нуля (0 К = -273.15 °C), излучают инфракрасные волны. Человеческий глаз не способен увидеть инфракрасное излучение.
Еще в 1900-х годов физик Макс Планк доказал наличие взаимосвязи между температурой тела и интенсивностью исходящего от него потока инфракрасного излучения.
Тепловизор измеряет инфракрасное излучение в длинноволновом спектре в пределах поля обзора. Исходя из этого, осуществляется расчет температуры измеряемого объекта. Факторы расчета излучательной способности (ε) поверхности измеряемого объекта и компенсации отраженной температура (КОТ = компенсация отраженной температуры) – значения этих переменных можно вручную задать в тепловизоре.
Каждый пиксель детектора представляет собой инфракрасную точку, отображаемую на дисплее, с помощью видеоэффекта «ложный цвет».
Термография (измерение температуры посредством тепловизора) является пассивным, бесконтактным методом измерения. ИК-изображение отображает распределение температуры на поверхности объекта. Поэтому, с помощью тепловизора вы не сможете “заглянуть” внутрь объекта или увидеть его насквозь.
1.1 Излучение, отражение, пропускание.
Излучение, регистрируемое тепловизором, состоит из излучаемого, отраженного и проходящего длинноволнового инфракрасного излучения, исходящего от объектов, расположенных в пределах поля зрения тепловизора.
Рис 1.1: Излучение, отражение и пропускание
Коэффициент излучения (ε)
Коэффициент излучения (ε) это степень способности материала излучать (выделять) инфракрасное излучение.
- ε изменяется в зависимости от свойств поверхности, материала, и в случае с некоторыми материалами – от температуры измеряемого объекта.
- Максимальная излучательная способность:ε = 1 (т.100%).
ε = 1 в действительности не встречается.
- Живые тела: ε < 1, т. к. живые тела также отражают и по возможности пропускают излучение.
- Многие неметаллические материалы (например, ПВХ, бетон, органические вещества) обладают высокой излучательной способностью в длинноволновом инфракрасном диапазоне, которая не зависит от температуры (ε ≈ 0.8 до 0.95).
- Металлы, особенно материалы с блестящей поверхностью, обладают низкой излучательной способностью, которая может меняться в зависимости от температуры.
- Коэффициент излучения ε можно вручную задать в тепловизоре.
Коэффициент отражения (ρ)
Коэффициент отражения (ρ) это степень способности материала отражать инфракрасное излучение.
- ρ зависит от свойств поверхности, температуры и типа материала.
- Как правило, гладкие, полированные поверхности имеют большую отражательную способность, чем шероховатые, матовые поверхности, изготовленные из одного и того же материала.
- Компенсацию отраженной температуры можно вручную настроить в тепловизоре (КОТ).
- Во многих областях применениях отраженная температура соответствует температуре окружающей среды. Вы можете измерить ее, например, с помощью воздушного термометра testo 810.
- КОТ можно определить посредством излучателя Ламберта.
- Угол отражения отраженного инфракрасного излучения всегда совпадает с углом падения.
Коэффициент пропускания (τ)
Коэффициент пропускания (τ) это степень способности материала пропускать (проводить через себя) инфракрасное излучение.
- τ зависит от типа и толщины материала.
- Большинство материалов являются материалами не пропускающего типа, т.е. устойчивыми к длинноволновому инфракрасному излучению.
Закон теплового излучения Киргофа.
Инфракрасное излучение, регистрируемое тепловизором, состоит из:
- излучения, испускаемого объектом измерения;
- отраженного внешнего излучения и
- пропущенного объектом измерения излучения.
Сумма данных компонентов всегда принимается за 1 ( или 100%):
ε+ρ+τ=1
Поскольку коэффициент пропускания редко играет значительную роль на практике, τ опускается и формула
ε+ρ+τ=1
упрощается до
ε+ρ=1
Для термографии это означает, что:
Чем ниже коэффициент излучения,
- тем выше уровень отраженного инфракрасного излучения,
- тем сложнее осуществить точное измерение температуры и
- тем более важным становится правильная настройка компенсации отраженной температуры (КОТ).
Взаимосвязь между излучением и отражением.
1. Объекты измерения с высоким коэффициентом излучения (ε≥0.8):
- имеют низкий коэффициент отражения (ρ):=ρ=1-ε.
- Температуру данных объектов можно очень легко измерить с помощью тепловизора.
2. Объекты измерения со средним коэффициентом излучения (0.8<ε<0.6):
- имеют средний коэффициент отражения (ρ):ρ=1-ε.
- Температуру данных объектов можно легко измерить с помощью тепловизора.
3. Объекты измерения с низким коэффициентом излучения (ε≤0.6)
- имеют высокий коэффициент отражения (r):r=1-ε.
- Измерение температуры посредством тепловизора возможно, но вам необходимо очень тщательно исследовать полученные результаты.
- Крайне важно выполнять корректную настройку компенсации отраженной температуры (КОТ), поскольку это является одним из основных факторов при расчете температуры.
Корректная настройка коэффициента излучения критически важна при значительной разнице между температурой объекта измерения и рабочей температурой окружающей среды.
- Когда температура измеряемого объекта выше температуры окружающей среды:
- Чрезмерно высокий коэффициент излучения приведет к завышенным показаниям температуры.
- Чрезмерно низкий коэффициент излучения приведет к заниженным показаниям температуры.
- Когда температура измеряемого объекта ниже температуры окружающей среды:
- Чрезмерно высокий коэффициент излучения приведет к заниженным показаниям температуры.
- Чрезмерно низкий коэффициент излучения приведет к завышенным значениям температуры.
1.2 Точка измерения и расстояние до измеряемого объекта
Существуют три переменных, которые необходимо учитывать при определении оптимального расстояния до измеряемого объекта и максимального видимого и измеряемого объекта:
- поле зрения (FOV);
- наименьший видимый объект (IFOVgeo) и
- наименьший измеряемый объект/измеряемая точка (IFOVmeas).
Рис. 1.2: Влияние некорректной настройки коэффициента излучения на результаты измерения температуры
Обратите внимание: чем больше разница между температурой измеряемого объекта и температурой окружающей среды и чем ниже коэффициент излучения, тем более вероятно возникновение ошибок. Количество таких ошибок увеличивается, если коэффициент излучения задан неверно.
- С помощью тепловизора вы можете измерить только температуру поверхностей; используя данный прибор, невозможно заглянуть внутрь объекта или увидеть сквозь него.
- Несмотря на то, что многие материалы, например, стекло кажутся нам прозрачными, они проявляют себя как материалы не пропускающего типа, т.е. устойчивые к длинноволновому инфракрасному излучению материалы
- При необходимости снимите с измеряемого объекта чехол/упаковку, т.к. при наличии последних тепловизор измерит поверхностную температуру чехла/упаковки.
Внимание:
Всегда следуйте указаниям по эксплуатации относительно измеряемого объекта!
- Некоторые пропускающие материалы содержат, например, тонкий пластик или германий – материал, из которого изготовлен объектив и защитный фильтр для объектива тепловизора Testo.
- Если компоненты, расположенные под поверхностью, влияют на распределение температуры по поверхности измеряемого объекта через проводимость, структуру внутреннего дизайна объекта измерения зачастую можно рассмотреть на полученном ИК-изображении/термограмме. Тем не менее, тепловизор может измерять только поверхностную температуру. Точное определение значений температуры внутренних элементов объекта с помощью тепловизора осуществить невозможно.
Рис. 1.3: Поле зрения тепловизора
Поле зрения (FOV) тепловизора представляет собой область, видимую тепловизором. Размеры данной площади определяются объективом, используемым с тепловизором. Более того, вам необходимо знать технические характеристики наименьшего видимого объекта (IFOVgeo) вашего тепловизора. С помощью этого определяется размер пикселя в зависимости от расстояния.С пространственным разрешением объектива 3,5 мрад и расстоянием до измеряемого объекта 1 м., наименьший видимый объект (IFOVgeo) имеет сторону пикселя равную 3,5 мм и отображается на дисплее в качестве 1-го пикселя. Для получения точных результатов измерения измеряемый объект должен быть в 2-3 раза больше наименьшего видимого объекта (IFOVgeo). Следовательно, следующий приближенный подсчет применяется к наименьшему измеряемому объекту (IFOVmeas):
IFOVmeas ≈ 3x IFOVgeo
Для увеличения поля зрения следует использовать широкоугольный объектив.