Tot ce trebuie să știi despre teoria termografiei.

Updated: Dec 6, 2019



Orice obiect cu o temperatură mai mare de zero absolut (0 Kelvin = -273,15 °C) emite radiaţii în infraroşu. Radiaţia în infraroşu este invizibilă ochiului uman.


După cum au demonstrat fizicienii Josef Stefan şi Ludwig Boltzmann în anul 1884, există o corelaţie între temperatura unui corp şi intensitatea radiaţiilor în infraroşu pe care acesta le emite. O cameră de termoviziune măsoară lungimile mari de undă ale radiaţiilor în infraroşu detectate în câmpul său de vizualizare. Din acestea calculează apoi temperatura obiectului de măsurat. Emisivitatea suprafeţei obiectului (ε) şi compensarea cu temperatura reflectată (RTC) sunt variabile care pot fi setate manual în camera de termoviziune. Fiecare pixel al detectorului reprezintă un punct termic care este afişat pe ecran ca o imagine falsă colorată.


Termografia (determinarea temperaturii cu ajutorul unei camere de termoviziune) este o metodă de măsurare pasivă, fără contact. Imaginea termică indică distribuţia temperaturilor pe suprafaţa unui obiect. Din acest motiv, cu ajutorul camerei de termoviziune nu puteţi vedea în sau prin obiecte.




Emisie, reflexie, transmisie



Radiaţia înregistrată de camera de termoviziune este alcătuită din radiaţia în infraroşu cu lungime mare de undă ce este emisă, reflectată şi transmisă de obiectele aflate în câmpul vizual al camerei.


Figura 1.1: Emisie, reflexie şi transmisie



Emisivitatea (ε)


Emisivitatea (ε) este o măsură a capacităţii unui material de a emite radiaţii în infraroşu.


  • ε variază în funcţie de proprietăţile suprafeţei, în funcţie de material şi, pentru unele materiale, în funcţie de temperatura obiectului măsurat.

  • Emisivitatea maximă: e = 1 ( 100 %) (a se vedea “Radiator tip corp negru”). e = 1 nu există în realitate.

  • Corpuri reale: e < 1, deoarece corpurile reale reflectă şi pot transmite radiații.

  • Multe materiale nemetalice (de ex. PVC, beton, substanţe organice) au valori ridicate ale emisivităţii în domeniul lungimilor mari de undă în infraroşu ce nu sunt dependente de temperatură (ε 0,8 la 0,95).

  • Metalele, în special cele cu suprafaţa lucioasă, au o emisivitate scăzută care variază odată cu temperatura.

  • ε poate fi introdus manual în camera de termoviziune.



Reflexia (ρ)


Reflexia este o măsură a capacităţii unui material de a reflecta radiaţia în infraroşu.


  • ρ depinde de proprietăţile suprafeţei, de temperatură şi de tipul materialului.

  • În general, suprafeţele netede şi cele lucioase reflectă mai puternic decât suprafeţele rugoase sau mate, chiar dacă sunt alcătuite din acelaşi material.

  • Temperatura radiaţiei reflectate poate fi introdusă manual în camera de termoviziune (RTC).

  • În multe aplicaţii de măsurare, RTC corespunde temperaturii ambientale. În general, aceasta se poate măsura folosind de exemplu termometrul testo 810.

  • Valoarea RTC poate fi determinată utilizând un radiator Lambert (a se vedea “Măsurarea temperaturii reflectate cu ajutorul unui radiator Lambert improvizat” - consultați Glosarul de la finalul articolului)

  • Unghiul de reflexie al radiaţiei infraroşii reflectate este întotdeauna acelaşi cu unghiul de incidenţă (“Reflexia speculară” - consultați Glosarul de la finalul articolului)


Transmitanţa (t)


Transmitanţa (t) este o măsură a capacităţii unui material de a transmite (permite trecerea) radiaţiei în infraroşu.


  • t depinde de tipul şi densitatea materialului.

  • Majoritatea materialelor nu sunt transmisive, adică nu permit trecerea radiaţiilor cu lungimi mari de undă.


Legea radiaţiei lui Kirchhoff

Radiaţia în infraroşu înregistrată de camera de termoviziune constă în:


  • radiaţia emisă de obiectul măsurat

  • reflexia radiaţiei ambientale

  • transmisia radiaţiei de către obiectul măsurat ( vezi fig. 1.1 )

Suma acestor părţi se consideră a fi 1 ( 100 %):


ε + ρ + t = 1


Deoarece transmitanța rareori are importanţă practică, aceasta este omisă iar formula


ε + ρ + t = 1


este simplificată la:


ε + ρ = 1


Pentru termografie acestea înseamnă că, cu cât este mai scăzută emisivitatea:


  • cu atât este mai mare ponderea radiaţiei în infraroşu reflectate

  • cu atât este mai greu să se măsoare o temperatură precisă

  • cu atât mai important este ca valoarea RTC să fie setată corect


Corelaţii între emisie şi reflexie


  1. Obiectele de măsurat cu emisivitate mare (ε ≥ 0,8):

  • au o reflexie mică (ρ): ρ = 1 - ε

  • temperatura acestora poate fi măsurată foarte uşor cu o cameră de termoviziune

2. Obiectele de măsurat cu emisivitate medie (0,8 < ε < 0,6):


3. Obiectele de măsurat cu emisivitate mică (ε ≤ 0.6):

  • au o reflexie mare (ρ): ρ = 1 - ε

  • măsurarea temperaturii acestora cu o cameră de termoviziune este posibilă, însă rezultatele trebuie examinate cu atenţie

  • setarea corectă a valorii RTC este esenţială, deoarece această valoare este un factor important în determinarea temperaturii


Setarea corectă a emisivităţii este extrem de importantă în special atunci când există diferenţe mari între temperatura obiectului de măsurat şi cea a mediului ambiental.


Atunci când temperatura obiectului măsurat este mai mare decât temperatura ambientală (a se vedea radiatorul din fig. 1.2):

  • setarea unei emisivităţi extrem de mari duce la citirea unor valori de temperatură excesiv de mici (a se vedea camera 2 din figură)

  • setarea unei emisivităţi extrem de mici duce la citirea unor valori de temperatură excesiv de mari (a se vedea camera 1 din figură)

Atunci când temperatura obiectului măsurat este mai mică decât temperatura ambientală (a se vedea uşa din fig. 1.2):

  • setarea unei emisivităţi extrem de mari duce la citirea unor valori de temperatură excesiv de mari (a se vedea camera 2 din figură)

  • setarea unei emisivităţi extrem de mici duce la citirea unor valori de temperatură excesiv de mici (a se vedea camera 1 din figură)


Figura 1.2: Efectul unei setări incorecte a emisivităţii asupra măsurării temperaturii




ATENȚIE

cu cât este mai mare diferenţa dintre temperatura obiectului măsurat şi temperatura

mediului ambiental, şi cu cât este mai mică emisivitatea, cu atât sunt mai mari erorile de măsurare. Aceste erori se măresc dacă emisivitatea este setată incorect.



Cu ajutorul unei camere de termoviziune se pot măsura doar temperaturile suprafeţelor; nu se poate

vedea în sau prin obiecte. Multe materiale cum ar fi sticla, care sunt transparente pentru ochiul uman, nu permit trecerea radiaţiilor în infraroşu cu lungimi mari de undă (a se vedea "Măsurarea pe sticlă" - consultați Glosarul de la finalul articolului)


Dacă este necesar, îndepărtaţi orice învelitoare de pe obiectul de măsurat, altfel camera de termoviziune va măsura doar temperatura de la suprafaţa acesteia.


ATENȚIE


Întotdeauna urmaţi instrucţiunile de operare pentru obiectul măsurat! Există câteva materiale care permit trecerea radiaţiei în infraroşu, cum sunt, de exemplu, foliile subţiri din plastic, şi germaniul, materialul din care sunt construite lentila şi sticla de protecţie a camerei de termoviziune Testo. Dacă elementele localizate sub suprafaţa obiectului de măsurat afectează prin conducţie distribuţia temperaturii pe suprafaţa acestuia, structurile din interiorul obiectului măsurat pot fi de obicei identificate într-o imagine termică. Totuşi, camera de

termoviziune măsoară doar temperatura suprafeţei. Nu este posibilă o evaluare exactă a valorilor temperaturii din interiorul obiectului măsurat.






Punctul măsurat şi distanţa de măsurare



Trei variabile trebuie luate în considerare pentru a determina distanţa de măsurare adecvată şi obiectul maxim de măsurat ce este vizibil sau măsurabil:

  • câmpul de vizualizare (FOV)

  • cel mai mic obiect ce poate fi identificat (IFOVgeo)

  • cel mai mic obiect măsurabil / punct măsurat (IFOVmeas)



Figura 1.3: Efectul unei setări incorecte a emisivităţii asupra măsurării temperaturii



Câmpul de vizualizare (FOV) al camerei de termoviziune descrie zona vizibilă cu camera de termoviziune (a se vedea fig. 1.3). Acesta este determinat de lentilele utilizate (de ex. lentile de 32° cu unghi larg de deschidere, sau lentile telefoto cu unghi de 9° - disponibile ca şi accesorii pentru testo 875i)

TIP


Pentru a avea un câmp larg de vizualizare, se vor folosi lentile cu unghi larg de deschidere.





Figura 1.4: Câmpul de vizualizare al unui singur pixel




În plus, ar trebui să cunoaşteţi specificaţia pentru cel mai mic obiect identificabil (IFOVgeo) al camerei

dumneavoastră de termoviziune. Acesta defineşte mărimea unui pixel în funcţie de distanţă. Cu o rezoluţie spaţială a lentilelor de 3,5 mrad şi o distanţă de măsurare de 1 m, cel mai mic obiect ce poate fi identificat (IFOVgeo) are latura de 3,5 mm şi este afişat de display ca pixel (a se vedea fig. 1.4). Pentru a obţine o măsurătoare exactă, obiectul măsurat ar trebui să fie de 2-3 ori mai mare decât cel mai mic

obiect ce poate fi identificat (IFOVgeo). Pentru cel mai mic obiect măsurabil (IFOVmeas) se aplică următoarea

regulă:


IFOVmeas 3 x IFOVgeo


TIP

Pentru o rezoluţie spaţială bună, ar trebui să utilizaţi lentile telefoto.

Cu ajutorul calculatorului FOV de la Testo, puteţi calcula valorile FOV, IFOVmeas şi IFOVgeo pentru diferite distanţe.







Glosarul de termografie



Radiator de tip ”corp negru”

Un obiect ce absoarbe toată energia radiaţiei infraroşii incidente, o transformă în radiaţie infraroşie proprie şi o emite în totalitate. Emisivitatea radiatoarelor de tip “corp negru” este unu. Aşadar nu există nicio reflexie sau transmisie a radiaţiei. Obiectele cu o astfel de proprietate nu sunt întâlnite în mod obişnuit.

Dispozitivele pentru calibrarea camerelor de termoviziune sunt cunoscute ca fiind radiatoare de tip “corp negru”. Totuşi, emisivitatea acestora este subunitară.



Radiator Lambert

Radiatorul Lambert este un obiect ce reflectă radiaţia incidentă cu o difuzie optimă; cu alte cuvinte, radiaţia incidentă este reflectată cu aceeaşi putere în toate direcţiile. Se poate măsura temperatura radiaţiei reflectate de un radiator Lambert cu ajutorul unei camere de termoviziune.



Reflexia speculară

O reflexie speculară vizibilă clar este adesea un indicator al unei suprafeţe extrem de reflexive, adică a unei suprafeţe cu emisivitate scăzută. Totuşi, un obiect ce pentru ochiul uman răsfrânge puternic lumina nu înseamnă întotdeauna că este la fel de reflexiv şi în domeniul infraroşu. De exemplu, reflexiile speculare ale radiaţiei ambientale pot fi văzute cu camera de termoviziune pe o suprafaţă vopsită (de ex. silueta persoanei ce face măsurătoarea), chiar dacă vopseaua are în general o emisivitate mare (ε ≈ 0,95). În mod contrar, conturul obiectelor reflectate în mediul de măsurare nu pot fi văzute pe imaginea termică a unui perete acoperit cu faianţă de exemplu, chiar dacă faianţa are o emisivitate scăzută (ε ≈ 0,67). Chiar dacă radiaţia ambientală este reflectată specular în contururi clare, aceasta nu depinde în principal de emisivitate, ci de structura suprafeţei.



Figura 1.5: Reflexia speculară şi cea difuză



Orice radiaţie este reflectată întotdeauna sub acelaşi unghi cu care loveşte suprafaţa. Asta înseamnă că următoarea regulă se aplică întotdeauna: unghiul de incidenţă = unghiul de reflexie. Acest lucru este evident în figura 1.5 pe secţiunea mărită a foliei de aluminiu netede (partea din stânga). Aici radiaţia infraroşie a persoanei ce realizează măsurătoarea este reflectată în aceeaşi manieră în care atinge suprafaţa (reflexie speculară).


Regula unghiul de incidenţă = unghiul de reflexie se aplică şi radiaţiei infraroşii ce atinge folia de aluminiu mototolită (partea din dreapta). Totuşi, în acest caz, radiaţiile în infraroşu cad pe diferite zone cu

unghiuri diferite, şi nu pe o suprafaţă plană.


Ca şi în cazul unui radiator Lambert, acestea sunt reflectate în direcţii diferite. Această reflexie difuză înseamnă că nu este vizibil niciun contur al surselor de radiaţie infraroşie reflectată. Reflexia de pe întreaga parte pliată a foliei de aluminiu este un amestec între radiaţia infraroşie a ambelor surse de radiaţie (persoana ce face măsurătoarea şi fundalul din spatele acestei persoane).

ATENȚIE


O reflexie puternică în spectrul vizibil nu înseamnă întotdeauna o reflexie puternică şi în spectrul infraroşu. Trebuie să se ţină cont mereu de efectul propriei radiaţii în infraroşu. De asemenea, suprafeţele pe care nu poate fi detectată nicio reflexie speculară pot avea totuşi o reflexie mare. Măsurarea suprafeţelor netede din diferite unghiuri şi direcţii este utilă în scopul de a stabili ce nereguli din distribuţia temperaturii pot fi atribuite reflexiei şi care provin de la obiectul măsurat.



Măsurarea pe sticlă

Ochiul uman poate privi prin sticlă însă sticla este impermeabilă la radiaţia în infraroşu. Aşadar camera de termoviziune măsoară doar temperatura suprafeţei sticlei şi nu temperatura obiectelor din spatele acesteia (fig. 1.6). Pentru radiaţia cu unde scurte cum este lumina solară sticla este totuşi transmisivă. Trebuie luat în considerare că lumina solară ce străbate o fereastră de exemplu, poate încălzi obiectul măsurat. Sticla este un material reflexiv şi de aceea trebuie luată în considerare reflexia speculară.



Figura 1.6: Măsurări pe sticlă



IFOVmeas (Measurement Instantaneous Field Of View)

Denumirea celui mai mic obiect a cărui temperatură poate fi măsurată cu precizie de către camera de termoviziune. Este de 2-3 ori mai mare decât cel mai mic obiect ce poate fi identificat

(IFOVgeo). Regula este următoarea: IFOVmeas ≈ 3 x IFOVgeo. IFOVmeas este cunoscut şi ca fiind punctul de măsurare.


Dacă ai întrebări sau nelămuriri legate de acest subiect, lasă-ne un comentariu și noi îți vom răspunde la orice întrebare. Ți-a plăcut articolul? Distribuie-l în rețeaua ta de specialiști.

0 views
  • White Facebook Icon
  • White LinkedIn Icon
  • White Instagram Icon
  • White Twitter Icon
  • White YouTube Icon

Testo România

 

Calea Turzii 247

400495 Cluj-Napoca România

 

T: +40 264 202 170

E: info@testo.ro

www.testo.ro