Tema meseca IR TERMoKAMERE - FIZIKALNE oSNoVE Niko Tršan* mag. Ivan Božič, univ. dipl. inž. el.** IZVLEČEK Toplotno oziroma infrardeče sevanje ni vidno, ker je njegova valovna dolžina prevelika za senzorje v naših očeh. Predstavlja del elektromagnetnega spektra, ki ga čutimo kot toploto. Za razliko od vidnega spektra, vsa telesa nad absolutno ničlo sevajo infrardečo elektromagnetno energijo. Višja kot je temperatura predmeta, večje je njegovo infrardeče sevanje. Infrardeča kamera detektira in pretvori nevidne valove v vidne slike in nam omogoči videti tisto, kar sicer naše oko ne zazna. Zaradi dejstva, da se zlasti v industrijskem okolju stvari pogosto čezmerno segrevajo ali ohlajajo preden se pokvarijo, so termo-kamere učinkovito diagnostično orodje z možnostjo zelo široke in raznolike uporabe. Termokamere postajajo nepogrešljive pri prizadevanjih za večjo proizvodnjo in energetsko učinkovitost, višjo kakovost, večjo varnost delavcev… Ključne besede: termokamera, IR termogafija, termogram, infrardeče sevanje, emitivnost ABSTRACT Thermal, or infrared radiation is not visible because its wavelength is too long for the sensors in our eyes to detect. It is the part of the electromagnetic spectrum that we perceive as heat. Unlike visible light, in the infrared spectrum, everything with a temperature above absolute zero emits infrared electromagnetic energy. The higher the temperature of the object, the greater the infrared radiation emitted. The Infrared camera detect and convert these invisible wavelengths into visible light images. and allows us to see what our eyes cannot. Especially in the industrial environment, almost everything gets hotter or cooler before it fails, making infrared cameras extremely valuable diagnostic tools with many diverse applications. And as industry strives to improve manufacturing efficiencies, manage energy, improve product quality, and enhance worker safety, new applications for infrared cameras continually emerge. 1. Uvod Termokamere, ki jih pogosto imenujemo tudi infrardeče ali pa toplotne kamere, so človekovo sposobnost zaznavanja svetlobe razširile iz vidnega v srednji in dolgovalovni infrardeči del spektra. Po delovanju in zgradbi so enake običajnim TV video kameram, imajo optiko, detektor IR sevanja, elektroniko za obdelavo signalov in zaslon za prikaz toplotne slike. Format slike običajno ustreza različnim TV standardom, od tod tudi ime »termovizija«, ki pa se vse manj uporablja. Ime je zaščitila švedska frma AGA, ki je leta 1965 izdelala prvo termokamero za nevojaške uporabnike. Američani te naprave že od začetkov razvoja, ki se je pri njih začel v petdesetih letih, imenujejo FLIR, »Forward Looking Infra-Red«, medtem ko Evropejci pogosteje uporabljajo ime »Thermal Imager« ali »IR Camera«. Uporabnost termokamer je omejena na območje »atmosferskih oken«, to je na tisti del spektra IR sevanja, ki ga ozračje prepušča v zadovoljivi meri. Najpomembnejši sta okni v območju valovnih dolžin med 3 in 5 ter med 8 in 14 mikrometri. Za termokamere je ugodna okoliščina, da telesa z normalnimi zemeljskimi temperaturami, to je približno 300 K, sevajo največ energije * Ljubljana, trsan.niko@siol.net ** ZVD Zavod za varstvo pri delu d.d., ivan.bozic@zvd.si Delo in varnost 52/2007/2 prav v območju valovnih dolžin med 8 in 14 mikrometri. Na kratko lahko rečemo, da termokamere združujejo tehnologije, ki v stvarnem času pretvarjajo toplotno sliko v vidno. Medtem ko je vidna slika predvsem rezultat razlik v refektivnosti površin teles in je za njen nastanek nujno potrebna osvetlitev, bodisi z naravno ali umetno svetlobo, je toplotna slika rezultat lastnega sevanja, ki ga določata temperatura ter emitivnost površine sevalca. Prav v tem pa tiči razlog za izredno razširjeno uporabo termokamer na vseh področjih človekovega delovanja. 2. Kratka zgodovina Prvi resnejši koraki so bili storjeni v letu 1940, ko so začeli iskati tehnične rešitve v dveh smereh. Prva je bila razvoj multielementnega diskretnega IR detektorja in optomehanskega analizatorja slike skenerja, druga pa je šla v razvoj IR vidikonske elektronke. Oba koncepta sta se zgledovala po televiziji, odtod tudi ime termovizija.Ta razdelitev na sisteme z optomehanskim in elektronskim skeniranjem velja še danes, treba pa je dodati, da so vsi operativni visoko kvalitetni vojaški sistemi še vedno optomehanski, se pa vlagajo velikanska sredstva v raziskave in razvoj matričnih IR detektorjev z elektronskim skeniranjem. Leta 1956 so Američani izdelali prvo termokamero, ki je delovala v območju valovnih dolžin med 8 in 14 mikrometri. Uporabljalo jo je letalstvo za snemanje tal. Leta 1960 je frma Perkin Elmer razvila prvo kopensko termokamero, imenovano »Prism Scanner«. Tehnične zmogljivosti, merjeno z današnjimi merili, so bile zelo skromne: – vidno polje: 5 ° (okroglo) – prostorska ločljivost: 1 miliradian – temperaturna ločljivost: 1°C – slikovna frekvenca: 5 sl./sec. – zaslon: katodna elektronka z dolgo perzistenč-nim fosforjem To je bil začetek intenzivnega in uspešnega razvoja dolge vrste termokamer za različne aplikacije. V letih od 1960 do 1974 so v Ameriki razvili okrog 60 različnih prototipov in proizvedli nekaj sto termokamer za vse rodove vojske. V razvoju, proizvodnji ter uvajanju termokamer v industrijske namene je bila prva, in mnogo let tudi edina, švedska frma AGA, kije tudi zaščitila ime »termovizija« (thermovision). Njihova prva industrijska termokamera je zagledala luč sveta le nekaj let po Perkin Elmer-jevi, kvaliteta slike pa je bila primerljiva z ameriško. 9 Tema meseca 3. Področja uporabe ¦ nedestruktivno testiranje raznih lesa z višjo temperaturo sevajo z večjo termokamer mehanizmov in izdelkov kot so osi, intenziteto in krajšo valovno dolžino ulitki, odkovki, zvari, kot telesa z nižjo. Moč sevanja je so- ¦ pregledovanje tiskanih vezij, razmerna s četrto potenco absolutne ¦ merjenje in analiza mehanskih na- temperature. Ta naravni zakon je v za-petosti, ki so posledica dinamičnih dnji tretjini 19. stoletja odkril slovenski obremenitev (vibracije), fzik Jožef Štefan. ¦ odkrivanje začetnih požarov v rud- Poleg temperature je tudi emitivnost nikih, (e) površine zelo pomemben podatek, ¦ zgodnje odkrivanje motenj in bo- njena vrednost se giblje med 0 in 1. lezni vegetacije, Idealno črno telo, ki ga v naravi sicer ¦ odkrivanje in merjenje stopnje ni, ima emitivnost 1. Koncept črnega Termokamere so prvi pričeli uporabljati vojaki. Razlog je izredno preprost. Termokamera vidi namreč zelo dobro tudi v pogojih za oko zmanjšane vidljivosti, kot so noč, dim, prah in ne pregosta megla. Današnje armade, predvsem bogatih zahodnih držav, so dobro opremljene z mnogimi tipi termokamer. Iz istih razlogov jo vse bolj uporabljajo tudi policisti....... določenega tipa onesnaženja oko- telesa je zelo pomemben v termogra- V civilno sfero so se termokamere po- lice, fji. Idealen absorber je tudi idealen časi pričele prebijati okrog leta 1965, " odkrivanje plitvo zakopanih in zazi- sevalec Ta naravni zakon je znan kot ko so Švedi razvili prvo industrijsko Kirchoffov zakon: ¦ iskanje preživelih v elementarnih termokamero. Dandanes skoraj ni po- ctCk = FCk nesrečah in v dimu gorečih stavb. ( ) ( ) 1) dročja človekovega d u lovanja, kjer se V zadnjih desetih letih se je uporaba «……… abso=o ________________ termokamer v termografji zelo pove- fc……… emitivnost sebej pa to velja za termografjo. Termografja je, kratko povedano, tehnika prikazovanja (vizualizacije) porazdelitve temperature na merjencu. To lahko opravimo z uporabo različnih pripomočkov in naprav. Najcenejše, a najbolj mukotrpno in dolgotrajno, je počasno merjenje temperature v izbranih točkah s cenenim kontaktnim čala. Najbolj množično jih uporabljajo ^…….. valovna dolžina v Ameriki in Evropski skupnosti. Idealno črno telo absorbira vso nanj S termokamero hitro, enostavno in za- vpadlo energijo, nič je ne odbije in nič nesljivo najdemo šibka mesta v siste- je ne prepušča, zato je za oko nevi-mu za prenos energije. Američani so dno, torej črno. Druga skrajnost je izkustveno ugotovili, da v 345 kV pre- belo telo. Nič ne seva, vso nanj vpadlo nosnem sistemu s termokamero naj- energijo odbija, njegova emitivnost brannnnnnnnnn s cenennnnnnnnnnnnnnnnnnnn o šibka mesta, ki so potencialno ne- pa je 0. Resnična telesa, imenujemo ali nekontaktnim točkovnim termome- varna, v nekaj tednih, medtem ko bi jih j i h siva in barvna, so seveda nekje trom ter grafčni prikaz rezultatov. Da- z drugimi metodami lahko iskali leta. vmes. nes uporabljajo termokamere skoraj Vroče točke, kijih s termokamero hitro Zvezo med absorptivnostjo (a), pre- povsod, kjer se med nekim procesom in enostavno ter nekontaktno lociramo pustnostjo (t) in refektivnostjo (p), ki ustvarja ali prenaša toplota saj se s in izmerimo temperaturo, so praviloma je posledica zakona o ohranitvi ener- tem spreminja tudi temperatura in nje- posledica slabega delovanja ali že po- gije: na porazdelitev. škodovanega materiala. Temperaturna 1 2) Za ilustracijo navajamo nekaj primerov razlika 5 "C vtrifaznem sistemu že lah- K uporabe: ko pomeni resnejšo napako, medtem lahko za neprozorno telo (x = 0), ob ¦ pregledovanje in nadzorovanje te- ko vtiskanem vezju mikrokomponenta, upoštevanju Kirchoffovegazakona,za-rena pri zmanjšani vidljivosti (noč, ki ima le za 1 °C višjo temperaturo od pišemo: prah, dim, meglice), drugih, že spada med nezanesljive. S p = 1 _ e 3) daljinsko merjenje temperature, kontaktnim merjenjem v tem primeru ¦ merjenje toplotnih izgub stavb, is- razmere tako zmotimo, da je rezultat kanje toplotnih mostov in vlažnih meritve popolnoma napačen. mest, ugotavljanje kvalitete izolaci- Termokamera v plavžu prihrani do 5 % "¦ ..,_ ¦ jskih materialov itd koksa, kar pomeni, da se, ob današnjih ¦¦ proizvodnja in distribucijaelektrične cenovnih razmerjih, investicija vanjo h.....Planckova konstanta = energije; pregledi in nadzorovanje izplača v šestih mesecih. .......6,626-10H4Js generatorjev, napetostnih regula- Lociranje napake v talnem ogrevanju, torjev, relejev, transformatorjev, počene cevi na primer, je s termoka-stikališč, toplotnih izmenjevalcev, mero opravljeno v nekaj minutah in na hladilnih stolpov, visoko- in niz- nekaj cm natančno. Pomaga pa nam konapetostnih linij, kablov, itd., tudi pri iskanju izgubljenih napeljav ali proizvodnja in končna kontrola predmetov (tudi mikrofonov), prekritih kvalitete vseh vrst gospodinjskih z ometom. ¦ Sevanje črnega telesa popisuje Planckova enačba: ' -i, .-. ¦ - 4) aparatov (hladilniki, štedilniki, tele- k.....Boltzmannova konstanta = .......1.381-10~23JK~1 c.....hitrost svetlobe v vakuumu = .......2.997-108ms_1 T.... absolutna temperatura X.....valovna dolžina BB.. črno telo (Black Body) vizorji, itd.), 4. Fizikalne osnove Sevanje realnega telesa pa je podano ¦ proizvodnja vželezarnah, v plavžih, 4.1. Sevanje teles z enačbo: vroče valjanje, itd., ¦ proizvodnjagumarskihizdelkov, ce- Vsa materialna telesa v vesolju, ki ima-menta, stekla, itd., jo temperaturo nad absolutno ničlo, ¦ vzdrževanje energetske opreme, sevajo elektromagnetno valovanje, ¦ nadzorovanje ležajev(pregrevanje, čigar intenziteta in valovna dolžina sta Enačbo 5) lahko štejemo za defnicijo disipacija toplote, mazanje, itd.), odvisni od absolutne temperature. Te- emitivnosti. Mx,RB=e(X) Mx,bb 5) e(X,T) ....emitivnost RB........realno telo 20 Delo in varnost 52/2007/2 Tema meseca Celotno sevano moč dobimo z integracijo enačbe 4) preko vseh valovnih dolžin, to pa je znani Štefanov zakon: 6) Logaritmični diferencial enačbe 6) ilustrira dejstvo, daje toplotna slika rezultat lastnega sevanja, ki je odvisno od temperature in emitivnosti, za razliko od vidne slike, ki je rezultat le razlik v refektivnosti. ¦ I _ 7) Kdor se rad igra s številkami, lahko hitro ugotovi, da zmanjšanje emitivnosti od 1,00 na 0,99 pri temperaturi 300 K pomeni enako zmanjšanje sevane moči kot znižanje temperature za 0,75 K (ob tem, da je temperatura okolice 0 Kin da torej na naš sevalec ne pade nobeno sevanje iz okolice). Najboljše današnje termokamere, ki imajo ekvivalentno šumno temperaturo nekaj stotink stopinje, lahko ustvarijo zelo kvalitetno termično sliko IR scene že pri temperaturnih razlikah reda 2 stopinji. Na sliki 1 je Planckova funkcija, porazdelitev gostote sevanega toka črnega telesa. Telesa s temperaturo okrog 300 K sevajo največ pri valovni dolžini 10 mikrometrov, medtem ko v pasu 8 do 13 mikrometrov sevajo približno 150 Wm -2. 4.2. Emitivnost in temperatura S termokamero ne le opazujemo okolico v drugi valovni dolžini kot z golim očesom, kar predvsem zanima vojake in policiste, temveč lahko izmerimo sevano moč, prikažemo porazdelitev temperature po površini ter po enačbi 6) določimo temperaturo, kar sta glavni nalogi termografje. Emitivnost površine, ki jo opazujemo in ji s termokame- ro merimo temperaturo brez dotika, je torej zelo pomemben podatek, ki ga moramo poznati, če hočemo izmeriti pravo termodinamsko temperaturo. Emitivnosti je več vrst oziroma variant: spektralna, totalna, utežena, usmerjena in hemisferna. Spektralna, utežena in totalna emitivnost popisujejo spektralno porazdelitev sevanja, medtem ko usmerjena in hemisferna popisujeta geometrijsko porazdelitev sevanja. Hemisferna emitivnost je razmerje sevanih energijskih tokov v celoten polprostor, medtem ko je usmerjena emitivnost razmerje sevanja v dani prostorski kot (razmerje intenzitet sevanja). V industrijski praksi se uporabljata največ hemisferna in usmerjena emitivnost, ki ju zaradi enostavnosti večina imenuje kar »efektivna« emitivnost. V primerih, ko je emitivnost zelo usmerjena, torej ko je sevanje telesa zelo odvisno od smeri opazovanja, moramo to dejstvo upoštevati pri meritvah in interpretaciji rezultatov. V praksi pa se takim primerom, če se le da, izognemo, tako da merimo temperaturo s čimbolj pravokotno na površino usmerjeno termokamero in tudi emitivnost, ki jo ob tem upoštevamo, imenujemo »pravokotna«. Natančno določanje emitivnosti je zamudno delo in zahteva drago opremo. Zato je najbolje, da pri delu s termokamero uporabljamo podatke o emitivnosti iz literature. Če potrebnega podatka o emitivnosti merjenčeve površine ni mogoče najti, pa sta na voljo enostavna, a dovolj natančna, postopka za njeno določitev, in to s pomočjo termokamere. Enačba 3) izraža povezavo med re-fektivnostjo in emitivnostjo neprozor-nih snovi. Črno telo ima refektivnost nič. Sivo telo, na primer z emitivnostjo 0,70, pa ima refektivnost 0,30, torej 30 % nanj padlega valovanja odbija. Pri merjenju temperature teles z emitivnostjo, manjšo od 1, moramo paziti, da se v njih ne zrcali kakšno telo z višjo (nižjo) temperaturo, kot jo ima merjenec. Vtem primeru prek zrcaljenja merimo višjo (nižjo) temperaturo. Termokamera namreč ne ve, katero je lastno sevanje telesa in katero je sevanje okolice, ki se odbija od njega, saj izmeri od telesa prihajajoč energijski tok Mm, kije: Mm= ?M(Tt) +(1-?)M(Tb) 8) ?M(Tt)..........energijski tok, ki ga seva tarča z emitivnostjo ?, (1-?)M(Tb).... energijski tok okolice, ki se odbija od tarče. Vse termokamere imajo korekcijski program, ki upošteva od merjenca zrcaljeno sevanje in tako prikaže njegovo pravilno termodinamsko temperaturo. V primeru, da se IR sevanje na poti od merjenca do kamere zelo absorbira v ozračju ali dodatni optiki na kameri, moramo upoštevati tudi te izgube, sicer dobimo prenizko vrednost temperature. Večina termokamer upošteva v korekcijskem programu tudi te vplive. Pogosto se pojavi vprašanje, kako natančno lahko določimo emitivnost in kako to vpliva na natančnost meritve temperature. Na sliki 2 je termogram vzorcev s premazi, ki imajo različno emitivnost za pas 7,7 do 13 mikrometrov. Vzorci so bili nameščeni na leseni plošči z emitivnostjo 0,92 in temperaturo 24,3 °C. V ravnotežnem stanju imajo tudi vzorci enako temperaturo kot podlaga. Termogram pa jasno kaže, da termokamera vidi vzorce različno tople. Natančnost meritev emitivnosti s termokamero je odvisna od temperaturne razlike med merjenim vzorcem in okolico, od vrednosti emitivnosti vzorca in od šumne temperature termokamere. Natančnost je večja oziroma napaka je manjša pri večji temperaturni razliki, Slika 1. Sevanje črnega telesa Delo in varnost 52/2007/2 Slika 2. Termogram vzorcev z različnimi emitivnostmi 2 Tema meseca pri večjih emitivnostih in manjši šumni temperaturi termokamere in je reda 5 do 10 %. Za orientacijo podatek: 10-odstotna napaka pri meritvi emitivno-sti, ki je enaka ali večja od 0,5, pridela absolutno napako pri meritvi temperature do 500°C reda 3,0 °C. Proizvajalci vsako termokamero kali-brirajo z referenčnim temperaturnim izvorom, ki ima emitivnost vsaj 0,97. Tipično je kalibracija, in s tem tudi točnost kamere, natančna v okviru 2 %, kar zadostuje 90 % uporabnikom. V tabeli 1 so podatki o emitivnosti za nekaj najpogosteje merjenih materialov. Čeprav je temperatura jasno defnirana in je njen koncept dobro znan, je vpeljanih kar nekaj »efektivnih radio-metričnih« temperatur. V splošnem so to temperature, ki bi jih določeno telo imelo, če bi bilo črno in bi sevalo ekvivalentno količino radiometrično defniranega sevanja. Te temperature so: sevalna (radiacijska), svetilna, porazdelitvena (distribucijska) in barvna temperatura. Defnicije so povezane tudi s pojmi črno, sivo in barvno telo. Sevalna temperatura je tista, ki bi jo sevajoče telo imelo, če bi kot črno Tabela 1. Usmerjena pravokotna (efektivna) emitivnost nekaterih materialov MATERIAL TEMPERATURA (°c) EMITIVNoST Aluminij: Polirana pločevina Oksidiran Vakuumsko naparjen 100 100 20 0,05 0.55 – 0,65 – 0,80 0,04 Medenina: Polirana Peskana Oksidirana 100 20 100 0,03 0,20 0,61 Baker: Poliran Močno oksidiran 100 20 0,05 0,78 Zlato: Polirano 100 0,02 Železo: Lito, polirano Lito, oksidirano Pločevina, zelo oksidirano 40 100 20 0,21 0,64 0,69 Magnezij: Poliran 20 0,07 Nerjavno jeklo: Kovano Oksidirano na 800 °C 20 60 0,16 0,85 Jeklo: Polirano Oksidirano 100 200 0,07 0,79 Olje, mazalno Plast na niklju: Nikelj sam Film 0,025; 0,050; 0,125mm Debela plast 20 20 20 0,05 0,27; 0,46; 0,72 0,82 Opeka: Navadna, rdeča(glinasta) 20 0,93 Ogljik: Saje, sveča Graft, popiljena površina 20 20 0,95 0,98 Beton 20 0,92 Steklo: Polirana plošča 20 0,94 Lak: Bel Črn, mat 100 100 0,92 0,97 Barve, oljne, povprečje za 16 barv 100 0,94 Papir, bel pisemski 20 0,93 Omet, grobi 20 0,91 Pesek 20 0,90 Koža, človeška 32 0,98 Prst: suha vlažna 20 20 0,92 0,95 Voda destilirana 20 0,96 Les, skobljan 20 0,92 22 telo sevalo enak energijski tok. Če je M totalni sevani energijski tok črnega telesa, potem je sevalna temperatura Ts enaka termodinamski T, povezani pa sta s Stefan-Boltzmannovo enačbo za sevanje črnega telesa: 9) 10) T..........termodinamska temperatura Svetilna temperatura je defnirana kot temperatura črnega telesa, ki seva enak energijski tok, pri izbrani valovni dolžini, kot realno telo. Nekateri jo imenujejo tudi monokromatska, enobarvna. Porazdelitvena temperatura je defnirana kot temperatura črnega telesa, čigar spektralna porazdelitev sevanja se najbolje ujema s spektralno porazdelitvijo sevanja realnega telesa. Barvna temperatura je defnirana kot temperatura črnega telesa, ki ima iste koordinate na barvnem diagramu kot realno telo. V termografji se barvna temperatura ne uporablja. Sonce ni idealno črno telo. Meritve so pokazale, da je njegova svetilna temperatura 4500 K za dolgovalovni del IR spektra, medtem ko je za vidni del 6000 K. Povprečna (efektivna) sevalna temperatura Soncaje 5500 K, medtem ko je povprečna termodinamska temperatura njegove fotosfere 5900 K. 4.3. Vplivi ozračja Ozračje kot medij med opazovanim objektom in sredstvom za opazovanje, s svojimi lastnostmi zelo vpliva na sliko, zato ga je treba poznati, meriti in preračunati njegove vplive. IR sevanje se pri prehodu skozi ozračje oslabi s procesom absorpcije ter sipanja na molekulah, aerosolih, dimu, prahu, dežju in snegu. Poznavanje mehanizmov, predvsem pa stopnje slabljenja sevanja, je zelo pomembno s stališča uporabe termokamer v vojaške in policijske namene. Od tega je namreč odvisna razdalja odkrivanja in prepoznavanja objektov, kar je nedvomno najpomembnejši podatek. V splošnem velja, da je slabljenje manjše, čim manjši so delci in čim daljša je valovna dolžina. To je zelo pomembno dejstvo, kajti pomeni, da je slabljenje IR svetlobe z valovnimi dolžinami med 8 do 14 mikrometri bistveno manjše Delo in varnost 52/2007/2 Tema meseca Tabela 2. PLIN RAZMERJE [%] DELcI [na milijon] Dušik, N2 78,1 - Kisik, O2 20,9 - Ozon, O3 - Od 0 do 0,3 v troposferi Argon, Ar 0,9 - Ogljikov dioksid, CO2 0,035 350 Neon, Ne 0,0018 18 Helij, He 0,0005 5 Vodik, H 0,5 kot slabljenje vidne svetlobe, pri ena- tako v največji meri omejujejo prepu- kih fzikalnih pogojih v ozračju seveda. stnost ozračja na atmosferski »okni« 3 S termo kamero tako torej vidimo sko- do 5 in 7,5 do 14 mikrometrov. zi prah, dim, skozi tanjše in redkejše Slabljenje sevanja na poti skozi ozračje oblake, skozi meglice (mrč) veliko bolje se na termični sliki odraža kot zmanj- kot s prostim očesom. šanje kontrasta in naraščanje šuma. Ozračje sestavljajo različni plini in su- To je še posebej opazno pri termoka- spendirani delci. V tabeli 2 so našteti merah, ko se v primeru močnega sla- najpomembnejši in njihova medseboj- bljenja razmerje signal/šum zmanjša in na prostorninska razmerja v suhem slika postane snežena. Do tega pride v ozračju. dežju, gostejši megli in sneženju. Ter- Poleg omenjenih plinov je v ozračju mokamera učinkovito premaguje noč, tudi vodna para, s spremenljivo kon- manj pa slabo vreme. centracijo med 0 in 2 % ter vrsta dru- Video in termično sliko poslabša tudi gih, na primer CO, HN03, NI-13, H2S, turbulenca v ozračju. Njena značilnost S02, NO, itd. je spreminjanje gostote, s tem pa se Delci v ozračju so zelo različne sestave, spreminja tudi lomni količnik zraka, kar oblike in velikosti, zato jih je veliko težje ima za posledico zmanjšanje kvalitete matematično-fzikalno opisati kot mole- slike. Termokamera je precej manj ob- kule. Delijo se v dve veliki skupini: čutljiva na turbulenco, medtem ko je to – aerosoli, tudi ena od praktičnih omejitev za po- – hidrometi. večavo pri videokamerah, kajti pri večji Aerosoli so zelo majhni, premere imajo povečavi se efekti turbulence bolje vi- manjše od mikrometra in so zato su- dijo in so zato bolj moteči. spendirani (razpršeni, viseči, lebdeči ) Poznavanje mehanizmov, predvsem v ozračju. Največjo koncentracijo imajo pa stopnje slabljenja sevanja, je po- blizu zemeljske površine in zelo slabijo membno s stališča učinkovite uporabe vidno svetlobo, zato se njihova priso- vseh optoelektronskih naprav, ne le tnost opazi kot mrč ali kot spremenje- termokamer. Iz meteoroloških podat- na barva ozračja nad horizontom, ki je kov morajo uporabniki znati določiti belkasta oziroma manj modra. zmogljivost ter s tem uporabnost ter- Hidrometi so sestavljeni predvsem iz mokamer, videokamer ter druge opto- vodnih delcev večjih dimenzij. Primeri elektronske opreme. so različni oblaki, meglice, dež, toča, Za uporabnike, ki uporabljajo termoka- sneg, vodni (morski) pršec, itd. mere v dobrih vremenskih razmerah na V tabeli 2 so podatki za nekaj tipov naj- krajših razdaljah, reda 10 m, ozračje ni pogostejših delcev v ozračju. moteč dejavnik. Če pa so razdalje večje Največji del termičnega sevanja med 2 in je relativna vlažnost visoka, je treba v in 20 mikrometri se absorbira na vodni korekcijski program vnesti ustrezne pa- pari, ogljikovem dioksidu in ozonu, ki rametre, običajno soto razdalja, tempe- Tabela 3. TIP RADIJ ( µm ) KoNcENTRAcIJA (cm-3) Molekule zraka 10-4 1019 Aerosoli 10- do 1 10 do 103 Megla 1 do 10 10 do 100 Oblak 1 do 10 10 do 300 Deževne kapljice 102 do 104 102do 10-5 ratura zraka in relativna vlažnost. Iz teh podatkov korekcijski program izračuna prepustnost ozračja in jo upošteva pri izračunu temperature. Na grafh na naslednji strani je prikazana prepustnost ozračja kot funkcija valovne dolžine za razdalje 1 m, 3 m, 10 m, 30 m, 100 m in 300 m. 5. Opis termokamer 5.1. Sestava termokamere Glavni sestavni moduli tipične termokamere so: – optika, – detektor, – elektronika, – prikazovalnik slike. Večina optoelektronskih naprav sprejema ali oddaja EM sevanje v obsegu valovnih dolžin od približno 0,2 do 20 mikrometrov, to je od ultravijolične, prek vidne do daljne infrardeče svetlobe. Najpomembnejše značilnosti tega dela spektra so, da ga ozračje večji del prepušča, da je naše oko občutljivo za svetlobo z valovnimi dolžinami od 0,4 do 0,7 mikrometra, in da telesa v območju zemeljskih temperatur največji del energije sevajo v pasu valovnih dolžin med 3 in 14 mikrometri, kar izkoriščajo termokamere. Na sliki 3 je sodobna termokamera z nehlajenim matričnim bolometrskim IR detektorjem, ki ima 320x240 detektorskih elementov. Delo in varnost 52/2007/2 Slika 3. Presek skozi sodobno termokamero z nehlajenim detektorjem IR sevanja Detektor je srce termovizijske kamere, saj IR sevanje iz scene, ki ga nanj usmerja optika, pretvarja v električne signale. Njemu je podrejena celotna zasnova naprave, z njim je določena kvaliteta slike, občutljivost in, ne nazadnje, cena. Detektorje zaenkrat še najdražji element termokamere. Detektorji se delijo v dve veliki skupini: v fotonske in termične. Fotonski so približno tisočkrat hitrejši in občutljivejši. 23 Tema meseca 100-90-80-SS 70-.2 60 J 60-S 40-E 1- 30-20-10 Atmospheric transmission X ' ^ •\ / -----1 m v (I / \ i \ / ] u 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Wavelength pm Atmospheric transmission 90 80 !S 70 o 60 i so S 40 E H 30 20 10 X f \\ / ------3m ' \ / \ / 1 / \ t 1 \ H \ M \ f V t 1 2 3 4 i 7 8 Wavelength pm > 10 11 12 13 Atmospheric transmission 90 80 S8 70 O 60 | 50 » 40 E 1= 30 20 10 x ./ A t r-~ ^ ^ i / / \ / \ / \ / \ f \ : \ v I V 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Wavelength pm Atmospheric transmission 90 80 !S 70 .2 60 f 50 I <° E 30 20 10 f\ / /\ / IT / I I \ \ . \ 2 3 4 5 6 7 8 Wavelength \im 3 10 11 12 13 Atmospheric transmission Atmospheric transmission 90 80 SS 70 o 60 f so-S 40 F 30 20 10 X r \ ------100 m ------300 m x / A X *\A t rf —^ ¦—- -v X '\ J x f V V / / t / / / ssi n a 3 C 1 < , E " 1 i [ rran 3 C / \ i / / \ / u \ A. / s/ \ / ! 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Wavelength pm 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Wavelength pm Tisti, ki delujejo v pasu 8 do 13 mikrometrov, se morajo hladiti na temperaturo 80 K, karjih precej podraži, hkrati pa zmanjša njihovo zanesljivost in skrajša življenjsko dobo. Dandanes se fotonski detektorji še vedno množično uporabljajo v vojaških termokamerah, medtem ko civilisti prisegajo na nehla-jene termične detektorje. Fotonski IR detektorji, tako fotoprevo-dni kot fotovoltaični, izkoriščajo foto-efekt, medtem ko termični izkoriščajo spremembe različnih lastnosti materialov, ki so funkcija temperature. Med najbolj razširjenimi in obetavnimi so bolometrični, feroelektrični in piroe-lektrični detektorji. Trenutno so v prednosti nehlajeni bolometrični detektorji, kajti njihova izdelava je najcenejša, ker sloni na monolitnem procesu, ki je Slika 4. Shema nehlajenega matričnega mikrobolometričnega IR detektorja 24 Delo in varnost 52/2007/2 Tema meseca Slika 5. Video in SEM sliki mikrobolometričnega detektorja na substratu CMOS integriranega vezja kompatibilen s standardnim silicijevim procesom na 8-inčnih in večjih Si rezinah. Poleg tega imajo velik dinamični obseg, linearni odziv, ne potrebujejo čoperja tako kot feroelektrični in piro-električni detektorji, imajo zelo majhen presluh med posameznimi elementi in široko spektralno odzivnost. Na sliki 4 je prerez mikrobolometrič-nega detektorja. Vsak posamezen element sestoji iz silicijevega nitrida v obliki mikromostu, ki stoji nad CMOS silicijevim substratom in je podprt z dvema nožicama tudi iz silicijevega nitrida. Na mikromost je naparjena tanka plast bolometrskega materiala. Običajno je to vanadijev oksid (VOx), ki je trenutno najboljši material s temperaturnim koefcientom upornosti približno 2 %/K pri sobni temperaturi. Vsak detektor je povezan preko dveh poti s spodnjo celico na substratu, kjer je že vsa potrebna elektronika za čitanje in predobdelavo signalov. Slika 6. Modul bolometričnega nehlajenega matričnega IR detektorja s 320x240 elementi Slika 7. Modul hlajenega PtSi matričnega IR detektorja s 320x240 elementi Delo in varnost 52/2007/2 Odzivni čas termičnih detektorjev je reda milisekunde, tako da so zelo primerni za ustvarjanje slik v stvarnem času po televizijskih normah. Optika ima tudi pri termokamerah nalogo, da ustvari čim boljšo sliko scene. Konstruirana in izdelana je po enakih principih kot optika za vidno svetlobo, a od nje se razlikuje z nekaj posebnostmi, ki zelo grenijo življenje izdelovalcem. Materiali, iz katerih se izdeluje, pa so pravi posebneži, tako po lastnostih, kot ceni. Njihova najpomembnejša lastnost je, da čim bolje prepuščajo IR sevanje. Med številno množico je najbolj znan in uporaben germanij. Uporablja se skoraj v vseh napravah, ki sprejemajo IR sevanje v pasu od 8 do 14 mikrometrov. V spektru od 3 do 5 mikrometrov je najbolj uporabljan material silicij, pogosto pa srečamo tudi safr, seveda za manjše optične elemente. Elektronika obdeluje električne signale detektorja z algoritmi, dobro znanimi in preskušenimi v televizijski in računalniški tehniki. Termična slika je prikazana na zaslonu, ki je pri sodobnih termokamerah najpogosteje tipa LCD. V termokamerah je običajno vgrajen tudi program za kvantitativno analizo toplotne slike (termograma), tako da lahko takoj na mestu samem odčitamo temperaturo v poljubni točki na površini merjenca. 6. Tehnične karakteristike in izbira termokamere Tradicionalno so merilni IR instrumenti razporejeni v tri skupine: ¦ točkovni IR termometri, temperaturo merijo le v eni točki, ¦ IR proflometri, merijo temperaturo na liniji, ¦ IR kamere, prikažejo in merijo temperaturo na 2D sliki. IR kamere so pravi termografski instrumenti, ki prikažejo porazdelitev sevane energije na površini merjenca. Ta po- o o o o o o razdelitev, kije običajno predstavljena včrno-beli ali barvni paleti, se imenuje termogram. Sodobne termokamere tretje generacije, ki imajo matrične IR detektorje, tako fotonske kot termične, lahko razvrstimo v nekaj skupin, ki se razlikujejo predvsem v lastnostih vgrajenega IR detektorja, toda s tem jim je že določeno tudi področje optimalne uporabe in uporabnosti. ¦ Termokamere z matričnim in ne-hlajenim IR detektorjem za dolgovalovno (LW) območje 7 do 14 mikrometrov. Detektorji so tu iz družine bolometrov (VOX in silicij) ali pa feroelektrikov Zelo so primerne za večnamensko uporabo na širšem področju, na primer v: napovednem vzdrževanju, pregledih stavb, streh in infrastruktur, nadzorovanju procesov, neporušni kontroli materialov, medicinskih in bioloških študijah, varovanju in nadzoru terena, nočnih aktivnostih, zaščiti in reševanju, gašenju požarov. ¦ Termokamere s hlajenim detektorjem za srednjevalovno (MW) območje 3,5 do 5 mikrometrov. Tipični detektorski materiali so tu PtSi, InSb in HgCdTe. Primernejše so za meritve procesov, kjer so obratovalne temperature visoke, nad 500°C in za uporabo v razmerah, ko sonce ne osvetljuje merjenca. ¦ Visoko občutljive termokamere za posebno zahtevne aplikacije, kjer je pomembna hitrost meritve in velika temperaturna občutljivost. Vanje je običajno vgrajen hlajen fo-tonski (QWIP) IR detektor iz GaAs. Termokamera mora biti s svojimi tehničnimi lastnostmi prilagojena zahtevam, ki jih določa uporaba, tako da lahko z njo izmerimo vse tisto, kar zahteva termografski projekt. Pri izbiri se seveda naslanjamo na tehnične karakteristike proizvajalca, saj iz njih ocenimo, ali bo termokamera izpolnila naša pričakovanja in bomo dobili zanesljive ter uporabne rezultate meritev. 7. Primeri termogramov Na slikah 11 do 15 je nekaj splošnih termičnih posnetkov, od rezervoarja tekočega plina, prek latentnega požara, do krajinskega termograma z luno v ozadju. 25 Tema meseca Slika 12. Termični posnetek rezervoarja plina Slika 13. Lociranje latentnega požara v tovarni izolacijskega materiala Sliki 14 in 15. Termograma plastične palice pri nategu in šentviške cerkve z luno v ozadju Termokamere so v gradbeništvu pričeli uporabljati skoraj takoj, in sicer pri energetskih pregledih stavb. Termični 26 posnetek pokaže variacijo temperature po zunanjem plašču in toplejši deli oddajajo več toplote, kar največkrat pomeni, da je tam toplotna izolacija slabša. Vzrokov za slabšo izolacijo je več, od tega, da jo graditelj sploh ni vgradil, do okvare ali prisotnosti močnejše vlage. Seveda pa je tovrstna zanesljiva analiza izgubljanja energije mogoča le v zimskem času. Rezultati meritev, in iz njih določenih izgub, s sodobnimi termokamerami, so zanesljivi že ob 10-stopinjski razliki med temperaturo znotraj in zunaj objekta. V gradbeništvo lahko uvrstimo tudi mestni toplovodni sistem. S termokamero lahko že med samo gradnjo iščemo razne anomalije v delovnih procesih, kjer se sprošča toplota, kot na primer asfaltiranje, čeprav to običajno ni primarni namen uporabe termokamere. Do veljave in koristnosti pa pride ter-mokamera pri iskanju mest, kjer sistem pušča toplo vodo. Ti pregledi se morajo izvajati ponoči, v suhem vremenu, tako da termokamera pokaže povišano temperaturo površine na mestih puščanja. Ko se tako mesto odkrije, se ga običajno preveri še z občutljivim geofonskim mikrofonom. Praksa je pokazala, da se tako lahko odkrijejo napake tudi do globine 3 m. Slika 16. Termogram stanovanjskega bloka Na sliki 16jetermogram stanovanjskega bloka, ki je bil očitno zgrajen v šestdesetih letih, pred prvo naftno krizo. Plašč bloka je v celoti precej toplejši od zraka, lepo pa se vidijo toplotni mostovi nosilnih betonskih plošč. Slika 17. Termogram, posnet v luki Koper Na termogramu s slike 17 se vidi, da je ladja natovorjena do slabe četrtine, kar se s termokamero dobro vidi. Tako odkrivajo tudi morske tihotapce. Termogram s slike 18 pa je tipičen za slabe električne spoje, kar je pogosto vzrok za požare. Slika 18. Termogram električnih kontaktov Slika 19. Termogram nog Termogram na sliki 19 dokazuje, daje termokamera uporabna tudi v medicini. 8. Sklep IR termografja je s pojavom termoka-mer postala natančna, učinkovita in hitra merilno-testna tehnika. V številnih industrijah, od proizvodnje letal, avtomobilske industrije, elektronike, gospodinjskih aparatov, naftnih derivatov, itd. so že vpeljali termokamere kot obvezno testno-merilno opremo, bodisi na proizvodnih linijah, v končni kontroli kvalitete ali pa v raziskovalno razvojnih oddelkih. V Sloveniji termokamere niso neznane, saj so v Iskri že leta 1984 razvili civilno termokamero, imenovano Top-Scan 808 in jo celo prodali v nekaj držav. Neka tržna analiza je ugotovila, da bi Slovenija v takratnih razmerah gospodarjenja potrebovala vsaj 50 ter-mokamer. Po osamosvojitvi pa so se razmere očitno spremenile in takrat so le zelo redki, na primer Gorenje, ugotovili, da se vlaganje v novo, visokoteh-nološko, a žal še vedno dokaj drago, opremo hitro obrestuje in ne predstavlja le nepotrebnega stroška. Pričakujemo lahko, da bodo slovenska podjetja kmalu spoznala, da jim v pogojih gospodarjenja v združeni Evropi uporaba IRtermografje lahko pomaga v bitkah za večjo konkurenčnost na trgu. Delo in varnost 52/2007/2