Практическое применение термографии
1.1 Объект измерений и условия проведения измерений
1.2 Определение ε и КОТ на практике
1.3 Источники ошибок при проведении инфракрасного измерения
1.4 Оптимальные условия для проведения инфракрасных измерений
1.1 Объект измерений и условия проведения измерений.
Рис. 1.4: Поле обзора отдельно взятого пикселя
Объект измерений.
1. Материал и коэффициент излучения
Поверхность каждого материала обладает определенным коэффициентом излучения, на основе которого выводится количество инфракрасного излучения, испускаемого материалом, которое
- отражается и
- излучается (исходит от самого объекта).
Для получения качественного пространственного разрешения мы рекомендуем использовать телеобъектив.
С FOV-конвертором, разработанным специалистами Testo, вы сможете рассчитать значения для FOV, IFOVmeas и IFOVgeo для различных расстояний. Выполните расчеты значений прямо на сайте, используя Калькулятор поля зрения.
2. Цвет
При измерении температуры с помощью тепловизора цвет материала не оказывает значительного влияния на длинноволновое инфракрасное излучение, излучаемое измеряемым объектом.
Темные поверхности воспринимают больше коротковолнового инфракрасного излучения, чем светлые поверхности, и, как следствие, быстрее нагреваются. Однако, излучаемое инфракрасное излучение зависит от температуры, а не от цвета поверхности измеряемого объекта.
Радиатор, окрашенный в черный цвет, например, излучает то же количество длинноволнового инфракрасного излучения, что и радиатор, окрашенный в белый цвет при одинаковой температуре.
3. Поверхность измеряемого объекта
Свойства поверхности измеряемого объекта играют решающую роль при измерении температуры с помощью тепловизора. Это связано с тем, что коэффициент излучения меняется в зависимости от структуры поверхности, загрязнения и покрытия.
Структура поверхности
Гладкие, блестящие, отражающие и/или отполированные поверхности, в основном, обладают более низким коэффициентом излучения, чем матовые, структурные, шероховатые, подвергшиеся атмосферным воздействиям и/или исцарапанные поверхности одного и того же материала. При работе с чрезмерно гладкими поверхностями часто возникает зеркальное отражение.
Влага, снег и иней на поверхности
Вода, снег и иней обладают относительно высоким коэффициентом излучения (приблизительно 0.85 < ε < 0.96), поэтому измерение данных субстанций обычно не вызывает трудностей. Однако, вы должны помнить о том, что температура измеряемого объекта может быть искажена из-за данных «натуральных» покрытий. Влага охлаждает поверхность измеряемого объекта, т.к. она испаряется, а снег обладает хорошими изоляционными свойствами. Иней обычно не создает изолированной поверхности, поэтому при измерении необходимо учитывать коэффициент излучения инея, а также поверхности под ним.
Загрязнение и инородные вещества на поверхности
Такие загрязняющие вещества на поверхности измеряемого объекта, как пыль, сажа или масло для смазки зачастую повышают коэффициент излучения поверхности. По этой причине, измерение на загрязненных объектах не представляет большой трудности. Однако, ваш тепловизор всегда измеряет температуру поверхности, т.е. пыли, а не точную температуру поверхности, покрытой пылью.
Условия проведения измерений.
1. Температура окружающей среды
Для того, чтобы ваш тепловизор правильно рассчитал температуру поверхности измеряемого объекта, в настройках вам необходимо задать как компенсацию отраженной температуры (КОТ), так и коэффициент излучения (ε). Во многих сферах применениях отраженная температура соответствует температуре окружающей среды. Вы можете измерить ее с помощью воздушного термометра, например, testo 810. Точная настройка коэффициента излучения особенно важна, когда температура измеряемого объекта и температура среды измерения значительно отличаются друг от друга.
- Коэффициент излучения материала в большой степени зависит от структуры поверхности материала.
- Следите за корректной настройкой коэффициента излучения и учитывайте покрытие поверхности измеряемого объекта.
- Не проводите измерения на влажных поверхностях или поверхностях, покрытых снегом или инеем.
- Не проводите измерения на свободно лежащих загрязняющих веществах (искажение температуры воздушными карманами).
- При измерениях, в частности, на гладких поверхностях не забывайте о возможных источниках излучения (например, солнце, радиаторы и т.д.).
Все объекты с температурой выше абсолютного нуля (0 К = -273.15 °C) излучают инфракрасные волны. В частности, объекты с температурой, значительно отличающейся от температуры измеряемого объекта, могут искажать инфракрасное излучение по причине собственного излучения. Вы должны по возможности избегать или нейтрализовать источники помех такого рода. Загородив источники помех (например, с помощью брезента или картонной коробки), вы снизите негативное воздействие на измерение. Если влияние источника помех нейтрализовать невозможно, температура отражения не будет совпадать с температурой окружающей среды. Для измерения отраженного излучения рекомендуем применять, например, шаровый термометр или излучатель Ламберта в сочетании с вашим тепловизором.
Особенности термографии вне помещений
Инфракрасное излучение, исходящее от безоблачного неба, неформально называют «холодное рассеянное небесное излучение». Если небо чистое «холодное рассеянное небесное излучение» (~ -50 °C до -60 °C) и накаленный солнечный свет (~ 5500 °C) дают отражение на протяжении дня. Говоря на научном языке, небо “опережает” солнце, что означает – отраженная температура при термографии вне помещений обычно ниже 0 °C, даже в солнечный день. Предметы нагреваются на солнце в результате поглощения солнечного света. Это в значительной степени влияет на поверхностную температуру – в некоторых случаях температура держится на протяжении нескольких часов после того как объект был подвержен солнечному воздействию.
Рис. 2.1: Отражения при измерениях проводимых на открытом воздухе
На рисунке 2.1 вы можете увидеть, что на ИК-изображении водосточный желоб значительно холоднее, чем стена здания. Однако, в действительности они абсолютно одинаковой температуры. Следовательно, данное ИК-изображение требует правильной интерпретации. Давайте предположим, что поверхность желоба оцинкована и имеет очень низкий коэффициент излучения (ε = 0.1). Следовательно, только 10% длинноволнового инфракрасного излучения, испускаемого водосточным желобом, является его собственным излучением, а остальные 90% - отраженное излучение от атмосферы. Если небо безоблачное «холодное рассеянное небесное излучение» (~ -50 °C до -60 °C) отражается от желоба. Для проведения точных измерений на стене здания необходимо правильно выполнить настройку тепловизора: ε = 0.95 и КОТ = -55 °C. По причине чрезвычайно низкого коэффициента излучения и чрезвычайно высокого коэффициента отражения, водосточный желоб отображается слишком холодным на ИК-изображении. Для точного отображения температуры обоих материалов на дисплее тепловизора, вы можете изменить коэффициенты излучения для определенных участков с помощью ПО для анализа (например, с помощью ПО Testo IRSoft, версия 2.0 или более поздняя версия).
3. Погодные условия
Облачность
Сильная облачность создает оптимальные условия для проведения инфракрасных измерений на открытом воздухе, т.к. облака загораживают измеряемые объекты от прямого солнечного света и «холодного рассеянного небесного излучения».
Выпадение осадков
Интенсивные осадки (дождь, снег) могут исказить результаты измерений. Вода, лед и снег обладают высоким коэффициентом излучения и устойчивы к инфракрасному излучению. К тому же, измерение влажных объектов может привести к ошибкам, поскольку поверхность измеряемого объекта охлаждается при испарении осадков.
- Пожалуйста, всегда учитывайте влияние вашего собственного инфракрасного излучения.
- Во время проведения измерения меняйте местоположение, чтобы определить возможные отражения. Отражение перемещается, в том время как инфракрасные характеристики измеряемого объекта остаются неизменными, даже при изменении угла зрения.
- Не проводите измерения вблизи слишком горячих/холодных объектов или загораживайте их.
- Избегайте воздействия прямых солнечных лучей на измеряемый объект, даже за несколько часов до проведения измерения. Проводите измерения рано утром.
- При возможности проводите измерения на открытом воздухе/вне помещений при облачности.
Солнечный свет
- В идеале, проводите измерения в условиях повышенной облачности.
- Учитывайте наличие облачности за несколько часов до начала измерений.
- Не выполняйте измерения во время обильного выпадения осадков.
4. Воздух
Влажность воздуха
Уровень относительной влажности воздуха во время измерений должен быть достаточно низким, чтобы избежать конденсации в воздухе (туман), на измеряемом объекте, на защитном фильтре объектива или самом объективе тепловизора. Если объектив (или защитный фильтр) запотевает, определенная часть инфракрасного излучения не будет получена тепловизором, т.к. излучение не сможет полностью пройти сквозь воду. Густой туман также может повлиять на результаты измерения, т.к. капли воды препятствуют прохождению инфракрасного излучения в полной мере по пути передачи.
Воздушные потоки
Ветер или сквозняк в помещении может оказать влияние на измерение температуры с помощью тепловизора. В результате процесса теплообмена (конвекции) температура воздуха, приближенного к поверхности, и температура измеряемого объекта примерно одинаковые. Если в среде измерений присутствует ветер или сквозняк, данный слой воздуха «сдувается» и заменяется новым слоем, еще не адаптировавшимся к температуре измеряемого объекта. В результате конвекции, тепло «забирается» из теплого измеряемого объекта или впитывается холодным измеряемым объектом до тех пор, пока температура воздуха и температура поверхности измеряемого объекта не приспособятся друг к другу. Эффект теплообмена усиливается при большей разнице между температурой поверхности измеряемого объекта и температурой окружающей среды.
- Никогда не проводите измерения при густом тумане или над водяным паром.
- Не проводите измерения в условиях, когда влажность воздуха конденсируется на тепловизоре
- По возможности избегайте ветра и других воздушных потоков во время проведения измерений.
- Зарегистрируйте скорость и направление воздушных потоков во время проведения измерений и включите эти данные в анализ ИК-изображений.
- Не проводите измерения в сильно загрязненном воздухе (например, сразу после того, как в помещении “подняли” пыль). Всегда проводите измерения на самом минимальном расстоянии до измеряемого объекта с целью избежания воздействия веществ, содержащихся в воздухе, на результаты измерений.
Загрязнение воздуха
Некоторые взвешенные вещества, такие как, например, пыль, сажа и дым, а также некоторые виды испарений имеют высокий коэффициент излучения и плохо пропускают излучение. Это означает, что они могут являться помехой для проведения измерений, т.к. они испускают собственное инфракрасное излучение, регистрируемое тепловизором. Более того, только некоторое количество инфракрасного измерения измеряемого объекта проходить к тепловизору, так как большая его часть рассеивается и поглощается взвешенными веществами.
5. Свет
Свет или освещение не оказывают значительного воздействия на измерения, осуществляемые с помощью тепловизора. Также вы можете проводить измерения в темноте, т.к. тепловизор измеряет инфракрасное излучение в длинноволновом спектре.
Однако, от некоторых источников света исходит инфракрасное тепловое излучение которое может повлиять на температуру объектов, расположенных поблизости. Поэтому не рекомендуется проводить измерения под прямыми солнечными лучами или, например, вблизи накаленной электрической лампы. Холодные световые источники, такие как светодиоды или неоновый свет не представляют собой помехи, поскольку они преобразуют большую часть потребляемой энергии в видимый свет, а не инфракрасное излучение.
1.2 Определение ε и КОТ на практике
Для определения коэффициента излучения поверхности измеряемого объекта, вы можете, например:
- обратиться к таблице коэффициентов излучения
Внимание:
Значения, указанные в таблице коэффициентов излучения, являются нормативными значениями. Коэффициент излучения поверхности вашего измеряемого объекта может отличаться от нормативного значения, указанного в таблице.
- определить коэффициент излучения с помощью эталонного измерения контактным термометром (например, testo 905-T2 или testo 925).
- определить коэффициент излучения с помощью эталонного измерения тепловизором.
Определение коэффициента излучения посредством эталонного измерения.
1. Метод с использованием контактного термометра.
Первоначально необходимо измерить температуру поверхности измеряемого объекта посредством контактного термометра (например, testo 905-T2 или testo 925). Теперь измерьте температуру поверхности измеряемого объекта с помощью тепловизора, заранее указав коэффициент излучения. Разница значений температуры, полученных с помощью контактного термометра и тепловизора, указывает на то, что заданный коэффициент излучения завышен. Постепенно уменьшая значение коэффициента излучения, вы можете изменять измеренную температуру до тех пор, пока ее значение не будет соответствовать значению, полученному при контактном измерении. Заданный при последнем измерении коэффициент излучения будет соответствовать коэффициенту излучения поверхности измеряемого объекта.
2. Метод с использованием тепловизора
Сначала необходимо приклеить к измеряемому объекту кусок самоклеящейся пленки (например, термостойкой самоклеящейся пленки от Testo). После небольшого промежутка времени вы можете с помощью тепловизора, задав коэффициент излучения самоклеящейся пленки, измерить температуру поверхности измеряемого объекта на участке, покрытом пленкой. Полученное значение температуры является эталонным значением. Далее выполняйте настройку коэффициента излучения до тех пор, пока с помощью тепловизора не получите значение температуры, равное эталонному, при измерении в области, не покрытой пленкой. Соответствующий коэффициент излучения будет являться коэффициентом излучения поверхности измеряемого объекта.
Вместо самоклеящейся пленки вы также можете:
- покрыть измеряемый объект покрытием или краской с известным
коэффициентом излучения.
- покрыть измеряемый объект толстым слоем (> 0.13 мм) теплостойкого
масла (ε ≈ 0.82).
- покрыть измеряемый объект толстым слоем сажи (ε ≈ 0.95).
Внимание:
- Всегда следуйте указаниям данного руководства по эксплуатации, связанным с объектом измерения!
- При покрытии или обклеивании измеряемого объекта необходимо учитывать тот факт, что проведение измерения возможно только после адаптации покрытия или самоклеящейся пленки к температуре объекта.
Определение температуры отраженного излучения.
После устранения всех потенциальных помех, которые могут оказать нежелательное воздействие на результаты измерения, температура отраженного инфракрасного излучения будет равна температуре окружающей среды. Вы можете измерить температуру окружающей среды воздушным термометром, например, testo 810, и на основе полученного значения ввести в тепловизор параметры КОТ.
Однако, если в области проведения измерений присутствуют источники излучения, необходимо выполнить дополнительное измерение отраженной температуры для получения наиболее точных результатов при дальнейших измерениях.
Измерение температуры отражения с помощью излучателя Ламберта (изготовленного из подручных средств)
Излучатель Ламберта представляет собой приспособление, отражающее падающее излучение с оптимальным рассеиванием /диффузией, т.е. с одинаковой силой во все направления.
Вы можете измерить температуру отраженного излучения на радиаторе Ламберта с помощью тепловизора. В данных целях подходящей заменой излучателя Ламберта может стать кусок алюминиевой фольги, которую необходимо смять, а затем расправить. Фольга имеет высокий коэффициент отражения и, благодаря скомканной структуре, рассеянное/диффузное отражение излучения практически идеальное.
Чтобы измерить температуру отраженного излучения, установите излучатель Ламберта вблизи измеряемого объекта или, в идеале, на его поверхность. Затем, установив коэффициент излучения на единицу, измерьте температуру рядом с излучателем. Тепловизор выполнит расчет температуры падающего излучения. Теперь вы можете ввести полученное значение в качестве КОТ в тепловизоре и выполнить измерение температуры измеряемого объекта с заданным коэффициентом излучения поверхности данного объекта.
1.3 Источники ошибок при проведении инфракрасного измерения
Следующие факторы могут исказить результаты инфракрасного измерения:
- Неправильная настройка коэффициента излучения
- Определите и введите правильный коэффициент излучения
- Неправильная настройка КОТ
- Определите и введите значение температурной компенсации отражения.
- Нечеткое ИК-изображение
- Настройте фокусировку тепловизора по месту проведения измерений, т.к. четкость изображения невозможно изменить после создания снимка.
- Расстояние до измеряемого объекта слишком большое или слишком маленькое
- Применение несоответствующего объектива при измерении
- Область измерений слишком большая
- При проведении измерений учитывайте минимальное фокусное расстояние вашего тепловизора.
- Также, как при съемке обычных фотографий, правильно выбирайте объектив (телеобъектив или широкоугольный объектив).
- При возможности, выбирайте небольшое расстояние до измеряемого объекта.
- Помехи на пути передачи ИК-излучения (например, загрязнение воздуха, заслоняющие объекты и т.д.)
- Воздействие внешних источников излучения (например, электрические лампочки, солнце, радиаторы и т.д.)
- Неправильная интерпретация ИК-изображения в связи с отражением
- Избегайте измерений при наличии источников помех.
- При возможности нейтрализуйте или заслоните источники помех или внесите информацию об их воздействии в анализ ИК-изображения.
- Резкая перемена температуры окружающей среды
- Если температура окружающей среды меняется с низкой на более высокую, существует риск образования конденсата на объективе.
- При возможности используйте тепловизоры с термостабилизированными детекторами.
- Неправильная интерпретация ИК-изображения по причине недостаточных сведений о дизайне объекта измерений
- Необходимо изучить тип и дизайн объекта измерений.
- Для правильной интерпретации ИК-изображений при возможности используйте реальные изображения (фотографии) объектов.
Измерения на стеклянных поверхностях
Человеческий глаз способен видеть сквозь стекло, но при этом стекло не пропускает инфракрасное излучение. Следовательно, тепловизор измеряет температуру поверхности стекла, а не температуру материалов, расположенных за стеклом. Однако, стекло пропускает коротковолновое излучение, например, солнечный свет. Следовательно, вам необходимо учитывать, что солнечный свет, проникающий через стекло, может, например, нагреть измеряемый объект.
Рис. 2.2: Проведение измерений на стекле
Стекло также является отражающим материалом, поэтому не забывайте о зеркальном отражении при проведении измерений на стеклянных поверхностях.
Измерения на металлических поверхностях
Металлы, в особенности металлы с блестящей поверхностью, являются сильными отражателями длинноволнового инфракрасного измерения. Они обладают чрезвычайно низким коэффициентом излучения, который меняется в зависимости от температуры. Поэтому измерение температуры поверхности металлов такого типа является затруднительным. Помимо настройки коэффициента излучения важным критерием является правильная настройка КОТ. Также обратите внимание на рекомендации относительно зеркального отражения.
Если металлические поверхности окрашены, измерение не вызовет затруднений, поскольку краска обычно имеет высокий коэффициент излучения. Однако, в таком случае, необходимо учитывать отражения внешнего излучения.
Зеркальное отражение
Четко видимое зеркальное отражение зачастую является индикатором высокоотражаемой поверхности, т.е. поверхности с низким коэффициентом излучения. Однако, высокая зеркальная способность материала не всегда подразумевает высокую отражательную способность. Например, зеркальные отражения внешнего излучения можно увидеть на ИК-изображении окрашенной поверхности (например, силуэт человека, проводящего измерение), хотя краска обычно обладает высоким коэффициентом излучения (ε ≈ 0.95). И, наоборот, очертания отражаемых объектов, находящихся в области проведения измерения, невозможно увидеть на ИК-изображении, например, стены из песчаника, несмотря на то, что песчаник имеет низкий коэффициент излучения. Следовательно, происходит ли зеркальное отражение внешнего излучения и насколько это можно проследить на снимках первоначально зависит не от коэффициента излучения, а от структуры поверхности. Все излучение всегда отражается под тем же углом, под которым оно падает на поверхность. Это означает, что следующее эмпирическое правило применимо во всех случаях: угол падения = углу отражения. Это легко прослеживается на рис. 2.3 на увеличенном поперечном разрезе гладкой части алюминиевой фольги (на рисунке слева). Здесь инфракрасное излучение человека, выполняющего измерение, отражается в таком же виде, в каком оно ударяется о поверхность (зеркальное отражение).
Рис. 2.3: Зеркальное и диффузное отражение
Само собой разумеется, что правило угол падения = углу отражения также применимо к инфракрасному излучению, падающему на смятую часть алюминиевой фольги (на рисунке справа). Однако, в этом случае, инфракрасные лучи падают на отдельные области под разными углами, в отличие на плоской поверхности. Данное диффузное отражение подразумевает, что невозможно увидеть какие-либо очертания источников отраженного инфракрасного излучения. Отражение всего отрезка смятой алюминиевой фольги представляет собой смешением инфракрасного излучения двух отраженных источников излучения (человек, выполняющий измерение и задний фон, расположенный за этим человеком).
- Высокая способность к зеркальному отражению не всегда означает высокую способность к отражению в инфракрасном спектре.
- Пожалуйста, всегда принимайте по внимание Ваше собственной инфракрасное излучение.
- Поверхности которые не дают зеркального отражения также могут иметь высокую отражающую способность.
- Проводите измерения гладких поверхностей под разным углом и в разном направлении для того, чтобы определить какая часть из неравномерности в распределении температуры относится к отраженному излучению а какая относится к объекту измерения.
1.4 Оптимальные условия для проведения инфракрасных измерений
Постоянные условия окружающей среды являются, помимо всего прочего, важным критерием для проведения тепловизионных измерений. Это означает, что климатические условия и объекты среды измерений не должны изменяться во время проведения измерений. Это единственный способ, для выявления источников помех и документирования их для дальнейшего анализа. При измерениях, осуществляемых на открытом воздухе, необходимы устойчивые погодные условия и значительная облачность для «защиты» измеряемого объекта, как от прямого солнечного света, так и от «холодного диффузного небесного излучения». Необходимо также учитывать тот факт, что измеряемые объекты могут оставаться нагретыми после ранних воздействий солнечного света из-за способности к аккумулированию тепла.
Идеальными условиями для проведения измерений являются:
- Устойчивые погодные условия;
- Значительная облачность до и во время проведения измерений (относится только к измерениям на открытом воздухе);
- Отсутствие прямых солнечных лучей до и во время измерения;
- Отсутствие осадков;
- Сухая и не подверженная источникам помех поверхность измеряемого объекта (например, без листвы или опилок на поверхности);
- Отсутствие ветра или сквозняка;
- Отсутствие источников помех на пути передачи ИК излучения или в измерительной среде;
- Поверхность измеряемого объекта должна обладать высоким коэффициентом излучения, который, в свою очередь, должен быть определен с большой точностью.
Для строительной термографии рекомендуется разница между температурой в помещении и температурой окружающей среды в минимум 15 °C.
При создании ИК-изображения необходимо обращать внимание на два основных момента:
- выбор правильной области измерения и
- фокусировка ИК-изображения на участке, соответствующем области измерений.
Также как и при создании цифровых снимков, вы не сможете изменить ни предметную область, ни фокусировку изображения после того, как сохранили его.
Для получения идеального ИК-изображения вы можете сделать следующие настройки в тепловизоре и ПО для анализа (например, ПО Testo IRSoft 2.0):
- Изменить настройки коэффициента излучения и компенсации отраженной температуры (КОТ).
Данная процедура может осуществляться методом сравнения точки за точкой или фрагмента за фрагментом с помощью профессионального программного обеспечения для анализа, например, Testo IRSoft 2.0.
- Выбрать соответствующую цветовую палитру (например, железо, радуга и т.д.)
При правильном выборе цветовой палитры вы сможете получить высококонтрастное, простое для интерпретации ИК-изображение.
- Вручную настроить температурную шкалу.
С помощью данной опции вы сможете улучшить цветовое отображение распределения температур вашего ИК-изображения
Рис. 2.4: Настройка шкалы температур
Обратите внимание на следующие советы относительно создания ИК-изображения:
- Необходимо учитывать, предотвращать или устранять источники помех.
- Поверхность измеряемого объекта должна быть «защищена» от оптических и тепловых источников помех.
- При возможности необходимо устранять покрытия или объекты, вызывающие помехи со стороны окружающей среды.
- Изменяйте Ваше местоположение во время проведения измерений с целью выявления каких-либо отражений.
- Отражения передвигаются, инфракрасные характеристики измеряемого объекта остаются неизменными, даже при изменении угла зрения.
- Точка измерений не должна быть больше измеряемого объекта.
- Расстояние до измеряемого объекта должно быть минимальным.
- Используйте объектив соответствующий Вашей измерительной задаче.
- Для точного измерения деталей рекомендуем использовать штатив.
- Необходимо знать дизайн и особенности измеряемого объекта для того, чтобы правильно определить тепловые характеристики.
- Применяйте тепловизор со встроенной цифровой камерой – использование реальных изображений значительно облегчает анализ ИК-изображений.
Учитывайте любые изменения условий окружающей среды. Проводите дополнительные измерения и документируйте всю необходимую информацию, чтобы использовать это в дальнейшем анализе ИК изображений.