Człowiek i zwierzęta postrzegają świat swoimi zmysłami, takimi jak zapach, słuch czy wzrok. Wiadomo, że zakres odbierania poszczególnych bodźców jest różny. Psy lepiej czują zapachy niż my, nietoperze lepiej od nas słyszą, ptaki lepiej widzą. Można by powiedzieć, że człowiek jest na tle niektórych gatunków zwierząt istotą chyba najbardziej ułomną. Na szczęście swoje naturalne braki potrafi zrekompensować za pomocą techniki. Kamera na podczerwień pozwala na przykład poszerzyć widmo widzialne do znacznie szerszego zakresu, przydatnego w licznych zastosowaniach.

Pomiar temperatury bezwzględnej termowizorem

Kamera na podczerwień często jest nazywana krótko termowizorem. Mierzy temperatury punktów „widzianych” przez matrycę detektora, którego czułość obejmuje zakres podczerwieni. Zasada działania termowizora wykorzystuje fakt, że promieniowanie podczerwone jest emitowane przez każde ciało, którego temperatura jest różna od zera bezwzględnego, a moc promieniowania jest funkcją temperatury tego ciała. Promieniowanie docierające do matrycy jest formowane przez wymienny obiektyw główny kamery TiX560. Pomiar jest wykonany prawidłowo tylko wtedy, gdy tak utworzony obraz jest prawidłowo wyostrzony. Niespełnienie tego warunku spowoduje, że do poszczególnych punktów matrycy będą docierały rozmyte wiązki powodując błędne odczyty temperatury. Jak widać, ważnym zagadnieniem jest precyzyjne fokusowanie obrazu. W kamerze TiX560 zastosowano odpowiednie algorytmy programowe odpowiedzialne za automatyczne wykonanie tej operacji. Do pomiaru odległości między obiektem a obiektywem oraz do prawidłowego wyostrzania obrazu jest wykorzystywany m.in. laser umieszczony w przedniej ściance kamery. Ułatwia on także użytkownikowi ukierunkowanie kamery na cel. Ze względów bezpieczeństwa należy unikać zaglądania do kamery od strony obiektywu. Laser jest wprawdzie uruchamiany dedykowanym przyciskiem tylko na kilka sekund i nie ma bardzo dużej mocy, ale potencjalne zagrożenie uszkodzenia wzroku jednak istnieje. Obraz może być też wyostrzany ręczenie za pomocą pierścienia obiektywu.

Do każdego piksela matrycy dociera pewna dawka promieniowania podczerwonego proporcjonalna do temperatury badanego obiektu w punkcie odpowiadającym temu pikselowi. Niestety, nie oznacza to, że mierząc to promieniowanie podczerwone można wprost odkreślić temperaturę punktu. Jest to zresztą generalny problem pomiarów temperatury metodą termowizyjną, niezależny od producenta przyrządu. Wszystko rozbija się o tzw. współczynnik emisyjności. Jeśli jest on znany dla obserwowanego materiału, można go wprowadzić jako parametr pomiaru i wówczas temperatura bezwzględna jest mierzona przez termowizor dokładnie. W przeciwnym jest ona obarczona pewną odchyłką. Dokładność pomiaru temperatury jest tym większa, im wyższy jest współczynnik emisyjności badanego obiektu. Przyjmuje się, że pomiar można uznać za dokładny dla materiałów o współczynniku emisyjności większym od 0,9. Szczególną ostrożność należy zachować w przypadku pomiarów temperatury powierzchni błyszczących, odbijających światło. Mają one współczynnik emisyjności mniejszy od 0,6. Niezależnie od współczynnika emisyjności, dokładność pomiaru zależy także od tego, czy obiekt badany ma wyższą temperaturę od temperatury otoczenia, czy odwrotnie.

Kamera TiX560 ma tablicę predefiniowanych współczynników emisyjności dla kilku najczęściej spotykanych materiałów. Można więc względnie łatwo i szybko wybrać odpowiedni parametr i mieć pewność, że wyniki pomiarów nie odbiegają znacząco od temperatur rzeczywistych. Jedna z procedur firmware’u kamery TiX560 umożliwia ponadto wprowadzanie współczynników emisyjności dowolnych materiałów nie ujętych w tabeli firmowej. Na fotografii 1. przedstawiono pomiar temperatury na kilku powierzchniach: drewnie, malowanym i niemalowanym metalu, materiale bawełnianym i papierze w ustabilizowanych warunkach termicznych.

Fot. 1. Pomiar temperatury przedmiotów wykonanych z różnych materiałów w ustalonych warunkach termicznych, a)obraz w świetle widzialnym, b) termogram

To niestety jeszcze nie koniec problemów. Nawet poprawne określenie i uwzględnienie współczynnika emisyjności badanych powierzchni też nie daje pełnej gwarancji uzyskania prawidłowych temperatur bezwzględnych. Decydować o tym może jeszcze jeden parametr – współczynnik transmisji. Uwzględnia on straty energii na drodze pomiędzy badanym obiektem a detektorem. Z tego powodu pomiary w środowisku, w którym występują na przykład dymy przemysłowe, para wodna, dwutlenek węgla itp., bez odpowiedniej korekty współczynnika transmisji na pewno będą obarczone dodatkowym błędem. Jedna z opcji kamery TiX560 umożliwia korygowanie tego efektu, pod warunkiem znajomości współczynnika transmisji w konkretnym przypadku. Parametr ten, jak nietrudno się domyślić, jest w pewnym stopniu zależny dodatkowo od odległości między kamerą a obiektem. Zależność ta nie jest jednak bardzo istotna i w wielu przypadkach można ją ignorować.

W praktyce użytkownikom częściej zależy na pomiarach rozkładu temperatur, niż na pomiarach bezwzględnych. Przykładowo, do lokalizacji wycieków w instalacji ciepłowniczej lub nieszczelności okien w budynkach nie są konieczne pomiary temperatur bezwzględnych. O nieszczelnościach będą świadczyć raczej różnice temperatur na analizowanej powierzchni, a w takim przypadku termowizor sprawdzi się znakomicie. W pewnych specyficznych przypadkach konieczne jest jednak sięganie po inne narzędzia pomiarowe.

Narzędzia pomiarowe termowizora TiX560

Oprogramowanie firmowe kamery zawiera wiele opcji rozszerzających możliwości analizy termogramów. Jedną z nich jest filtr zwiększający czułość termiczną termowizora z 45 mK na 30 mK (przyp. im mniejsza liczba tym większa czułość), jednocześnie redukujący szumy. Niezależnie, możliwe jest włączenie opcji „MultiSharp Focus”. Jest ona stosowana w pomiarach kilku obiektów znajdujących się w różnych odległościach od obiektywu. Kamera wykonuje kilka pomiarów z automatycznym wyostrzaniem obrazu na poszczególne punkty, a następnie łączy je w jedną klatkę. Ostatecznie na ekranie jest wyświetlany jeden połączony obraz o odpowiednio dobrej ostrości. Istnieje też wersja tej opcji działająca wyłącznie z oprogramowaniem SmartView uruchamianym na komputerze.

Kolejna opcja – „SuperResolution” zwiększa 2-krotnie rozdzielczość pomiaru, co jednak wymaga akwizycji 4-krotnie większej ilości danych.

Kolorystyka odwzorowania temperatury na termogramie jest zależna od wybranej palety z ośmiu dostępnych. Niezależnie wybierane jest nasycenie barw. Dodatkowa opcja „Ultra Contrast” znacznie podnosi rozróżnialność nawet najbardziej subtelnych różnic temperatury. Przykłady termogramów jednego obiektu wykonanych z użyciem różnych palet przedstawiono na rysunku 2.

Rys. 2. Termogramy obiektu wykonane z użyciem różnych palet, a) standardowych, b) o podwyższonym kontraście

Temperatura w centralnym punkcie ekranu jest wyświetlana w górnej jego części. Możliwe jest ponadto włączenie 3 markerów umieszczanych w dowolnych miejscach ekranu, a także dwóch dodatkowych znaczników wskazujących punkty, w których została zlokalizowana temperatura minimalna i maksymalna. Opcja „Line Temp” pozwala natomiast badać rozkład temperatury wzdłuż linii przebiegającej poziomo przez środek ekranu. Obszar lokalizowania temperatury maksymalnej i minimalnej może być ograniczany do prostokąta, którego rozmiary i położenie określa użytkownik.

Funkcja „Alarm” oprogramowania kamery TiX560 umożliwia łatwą lokalizację punktów, w których została przekroczona zadana temperatura maksymalna lub nieosiągnięta minimalna. Wynik jest bardzo sugestywnie prezentowany na termogramie, który właściwie jest fotografią wykonaną w świetle widzialnym z naniesionymi kolorowymi obszarami, w których wykryto wartości temperatury spoza wybranego zakresu (rys. 3).

Rys. 3. Termogram wykonany z włączoną funkcją „Alarm”

Przystępując do wykonywania termogramów, najczęściej wybiera się opcję automatycznego skalowania wyników. Kolorystyka temperatury jest wówczas dostosowywana do zidentyfikowanej wartości maksymalnej i minimalnej. Jeśli jednak temperatura obiektu ulegnie zmianie, np. podwyższy się, ulegnie również zmianie przypisanie kolorystyki ponownie wykonanego termogramu w porównaniu z poprzednim. Porównanie obu wyników będzie w takim przypadku niejednoznaczne. Efekt ten można zminimalizować korzystając z nastaw ręcznych. Użytkownik wówczas sam decyduje o minimalnej temperaturze i zakresie pomiarowym zobrazowanym na termogramie (parametr „Level/Span”). Przykład takiego przypadku pokazano na rysunku 4.

Rys. 4. Termogramy tego samego obiektu wykonane z użyciem różnych skal temperatury