Pomiary termowizyjne: przegląd kamer

Systemy pomiarów termowizyjnych wykorzystują zjawisko promieniowania cieplnego ciał fizycznych o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego. Pracują w paśmie średniej podczerwieni i umożliwiają bezstykowe pomiary temperatury przez rejestrację fali o długości od około 0,9 μm do 14 μm wspomnianego promieniowania i jego obrazowanie. Popularność tego typu systemów związana jest z ich niezawodnością, a w dużej mierze także z rozsądną ceną. Szerokie spektrum zastosowań kamer termowizyjnych, przy jednocześnie różnych wymaganiach odnośnie ich cech funkcjonalnych, skutkuje szeroką gamą urządzeń proponowanych na rynku. Wśród producentów systemów termowizyjnych szeroką gamę produktów oferują m.in. firmy Fluke, Flir i Testo.

Podstawowe parametry

Do podstawowych parametrów, determinujących obszar zastosowań kamery, jej skuteczność oraz cenę, należą: rozdzielczość detektora (liczba detektorów), czułość termiczna, zakres mierzonej temperatury, minimalna odległość pomiaru oraz liczba punktów pomiarowych. Na funkcjonalność systemu oraz cenę urządzenia niewątpliwie wpływ mają takie parametry, jak: wielkość wyświetlacza, funkcje wizualizacji zarejestrowanych termografów oraz ich analizy. Równie istotne są możliwości komunikacyjne systemu z zewnętrznymi systemami sterowania i analizy danych. W zależności od wymienionych cech, producenci systemów termowizyjnych sugerują często obszar zastosowań ich produktów.

Termowizja w służbie przemysłu

Podstawowe przemysłowe zastosowania systemów termowizyjnych są związane z diagnostyką. Często symptomem uszkodzenia jest zbyt wysoka temperatura elementu diagnozowanego lub specyficzna dla takiego stanu dynamika zmian jego temperatury. Przykładem mogą być przegrzewające się obwody elektryczne, szczególnie te o dużej mocy. Pod wpływem płynącego w nich prądu, nagrzewa się zarówno żyła przewodu, jak i jego izolacja. Na skutek niewłaściwego naniesienia izolacji lub jej uszkodzenia, przewody przewodzące prąd mogą być źródłem nadmiernych ilości ciepła, emitowanego do otoczenia, a przez to – przy kontakcie z łatwopalnymi materiałami – również źródłem pożaru. W celu zapobieżenia takim sytuacjom, do wykonania okresowego sprawdzenia stanu izolacji elektrycznej przewodów i kabli, może zostać wykorzystana termowizja.
Innymi newralgicznymi punktami instalacji są miejsca połączeń przewodów, szczególnie te wykonane za pomocą śrub lub zacisków. Zbyt późne wykrycie styku o luźnym połączeniu może doprowadzić do jego upalenia się, a w konsekwencji do powstania pożaru. I w tym przypadku możliwe jest wykorzystanie termowizji do profilaktycznej kontroli stanu takich połączeń. Kolejnymi elementami instalacji elektrycznej czy energetycznej, w których jednym z symptomów wystąpienia defektu bądź uszkodzenia może być sygnał temperaturowy, są transformatory, rozdzielnie główne, tablice i szafy sterownicze.

Dalsze zastosowania termowizji, związane z przemysłem energetycznym, a także wydobywczym, to kontrola temperatury składowanych i transportowanych łatwopalnych surowców. Składowany na hałdach węgiel oraz inne łatwopalne paliwa stałe, np. trociny, na skutek nagrzania od atmosfery lub w wyniku ich niewłaściwego transportowania mogą ulec samozapłonowi. Poza szeroko rozumianym przemysłem energetycznym, termowizja znajduje zastosowanie w przemyśle hutniczym i odlewniczym, gdzie pomaga w sprawdzeniu poprawności nagrzania walcowanych blach czy odlewów. Również w przemyśle spożywczym diagnozowaniu pod względem temperatury powinny być poddawane produkty, które podlegają wstępnej obróbce termicznej, są mrożone, gotowane lub smażone.

Szeroki asortyment

W zależności od branży i konkretnych potrzeb dobierane są odpowiednie typy kamer. Do okresowych inspekcji stosowane są urządzenia przenośne, które powinny cechować się dużą poręcznością, możliwie małą masą oraz szerokim zakresem działania i możliwością rejestracji znacznej liczby obrazów, najlepiej także w formie klasycznych zdjęć. Pomocna dla operatora urządzenia może być funkcja robienia krótkich notatek głosowych, skojarzonych z wykonanym zdjęciem.

W zależności od dostępności diagnozowanych elementów, również kształt kamery lub zastosowane rozwiązania konstrukcyjne mogą mieć duże znaczenie. W małej kamerze firmy NEC, model G100MD, zastosowano ciekawe rozwiązanie, jakim jest odchylany o 270° ekran. Większość kamer może być montowana na statywie, zapewniającym większą stabilność podczas pomiaru, co również może być bardzo przydane. Dla zapewnienia precyzyjnego wybrania punktów na diagnozowanych elementach, w kamerach stosowane są zarówno LED-owe systemy doświetlające, jak i laserowe układy celownicze. Udogodnienia takie mają m.in. kamery firmy Flir – modele z serii E.

Małe nie znaczy gorsze

Do najprostszych kamer termowizyjnych o uniwersalnym zastosowaniu zaliczyć można rozwiązania firmy Flir z serii „i” (i3, i5, i7). Ich rozdzielczość nie przekracza 140 × 140 punktów, a czułość termiczna to – w zależności od konkretnego modelu – 150 mK (i3) lub 100 mK (i5, i7). Zakres pomiarowy tych kamer wynosi od –20 °C do +250 °C. Osoba wykonująca pomiar taką kamerą powinna utrzymywać przyrząd w odległości co najmniej 60 cm od elementu, którego temperatura jest mierzona. Wyniki wizualizowane są na bieżąco na 2,8” ekranie LCD. Kamery firmy Flir z serii „i” nie mają funkcji przybliżania i nie pozwalają na wymianę obiektywu.

Kamerami o nieco lepszych parametrach z gamy produktów firmy Flir są produkty serii „E” o jednocyfrowym oznaczeniu (E4, E5, E6, E8). Przy identycznym zakresie pomiarowym, jak w przypadku kamer serii „i”, cechują się mniejszą o 10 cm, minimalną odległością podczas pomiaru oraz większym, 3”, wyświetlaczem. Dzięki zastosowanej technologii MSX (Multi-Spectral Dynamic Imaging) umożliwiają uzyskanie o wiele czytelniejszego obrazu w podczerwieni, co jest realizowane przez dodanie obrazu rejestrowanego w spektrum widzialnym. Najwyższy model, oznaczony symbolem E8, ma układ detekcyjny o rozdzielczości 320 × 240 punktów, cechujący się czułością termiczną 60 mK.

Podobne rozwiązania proponują także inni producenci. Kamery firmy Testo – modele 870 i 875 – mają układ detekcyjny o rozdzielczości 160 × 120 punktów. W zależności od konkretnego modelu cechują się czułością termiczną od 100 mK (870) przez 80 mK (875-1) nawet do 50 mK (875-1i oraz 875-2i). Modele oznaczone symbolem 870 umożliwiają pomiar z odległości co najmniej 0,5 m, natomiast oznaczone symbolem 875 mogą wykonać pomiar z odległości nawet 0,1 m. Również te kamery nie mają opcji zbliżenia, ani możliwości wymiany obiektywu. Operator obserwuje termogram na 3,5” ekranie LCD, z możliwością wykorzystania funkcji SuperResolution (320 × 240 px). Technologia ta wykorzystuje naturalne drgania ręki operatora do rejestracji wielu obrazów, które zostają następnie złożone w jeden o większej rozdzielczości niż ta, która wynika z zastosowanego układu detektora.

W ofercie firmy Testo jest kamera o podobnej konstrukcji, oznaczona symbolem 882. W porównaniu z wcześniej opisanymi, charakteryzuje się ona dużo większą rozdzielczością układu detekcyjnego (320 × 240 punktów) oraz niską wartością czułości termicznej 50 mK, przy małej (0,2 m) minimalnej odległości pomiaru. Na szczególną uwagę zasługuje możliwość wymiany obiektywów w modelu oznaczonym symbolem 875-2i. Zakres rejestrowanych temperatur za pomocą kamer firmy Testo wynosi od –20 °C do +280 °C w przypadku modeli 870 i 875-1 i od –20 °C do +350 °C w przypadku modelu 875-1i oraz pozostałych, które cechują się możliwością pomiaru wysokich temperatur, do 550 °C.

Firma Sonel proponuje kamery o niskiej rozdzielczości (160 × 120), o czułości 100 mK i minimalnej odległości pomiaru równej 0,2 m, bez możliwości przybliżenia. Kamery te mają wyświetlacz LCD o rozmiarze 3,6”. Modele KT-130, KT-140 i KT-150, bez możliwości wymiany obiektywu, pozwalają na pomiar w zakresie od –20 °C do +250 °C. Natomiast model KT-160, przy identycznych pozostałych parametrach, pozwala na pomiar temperatury w zakresie od –20 °C do +350 °C i na wymianę obiektywu.

Również dla budownictwa

Do kamer o niskiej rozdzielczości, jak wymienione modele firmy Sonel, zaliczyć można także produkty firmy Fluke (ich dystrybutorem w Polsce jest firma RS Components): Ti100, Ti105, Ti110 oraz Ti125. Mają one wyświetlacz LCD 3,5” i stały zoom oraz stałą ogniskową. Pozwalają one na pomiar temperatury w zakresie od –20 °C do +250 °C. Odmiana tych kamer, oznaczana dodatkowo literą „R” w symbolu (TiR…), mająca zwiększoną do 80 mK czułość termiczną oraz zawężony zakres pomiaru (od –20 °C do +150 °C), jest przeznaczona do pomiarów w budownictwie.
Specjalnymi wersjami kamer dla budownictwa zachęca klientów również firma Flir. Jej modele, oznaczone dodatkowo symbolem „bx”, w stosunku do swoich uniwersalnych odpowiedników cechują się węższym zakresem pomiarowym, tj. od –20 °C do +120 °C. Wśród tych kamer znajdują się modele o rozdzielczości 160 × 120 (E40/E40 bx), 240 × 480 (E50/E50 bx) oraz 320 × 240 (E60/E60 bx). Uniwersalne odmiany tych kamer mają zakres pomiarowy sięgający 650 °C. W przypadku najprostszego modelu E40/E40 bx, zastosowano ciągły dwukrotny cyfrowy zoom, natomiast w modelach wyższych zoom ten jest czterokrotny. Wszystkie te kamery pozwalają na wymianę obiektywów. Podobnie jak wcześniej opisywane modele z serii E, wykorzystują one technologię MSX.

Szeroki zakres temperatury

Ciekawą propozycją wśród kamer o konstrukcji pistoletowej są produkty firmy NEC. Modele Thermo Gear G100 i G120EX mają bardzo szeroki zakres pomiarowy (od –40 °C do +1500 °C), przy czym konieczne jest wybieranie przed pomiarem między czterema podzakresami. Kamery te mają czterokrotny zoom, detektor o rozdzielczości 320 × 240 px, 3,5” ekran LCD i cechują się czułością 40 mK, przy minimalnej odległości pomiaru równej 0,1 m. Do kamer o konstrukcji pistoletowej i szerszym zakresie pomiarowym zaliczyć można produkty firmy Fluke Ti200, Ti300 i Ti400 oraz Sonel KT-384. Te pierwsze mają zarówno wymienne obiektywy, jak i funkcję zoomu. Model Ti400 umożliwia pomiar temperatury w szerokim zakresie, od –20 °C do +1200 °C. Kamera firmy Sonel mierzy temperaturę z zakresu od –20 °C do +400 °C i również ma dwu- oraz czterokrotny zoom. Rozdzielczość detektora wynosi 384 × 288 px.

Duży może więcej

Większość producentów, oprócz wcześniej opisanych kamer, proponuje również modele o konstrukcji przypominającej kamery wideo. Produkty te, niezależnie od producenta, mają szerszy zestaw funkcji oraz lepsze parametry, w porównaniu do kamer typu pistoletowego. Taka budowa pozwala przede wszystkim na umieszczenie dużego, odchylanego ekranu LCD.
Firma Sonel w modelu KT-640 zainstalowała wyświetlacz o przekątnej 5,7” oraz układ detekcyjny o rozdzielczości 640 × 480 i czułości 50 mK. Firma Testo w modelach 885 i 890 zainstalowała 4,3” wyświetlacz i układ detekcyjny o rozdzielczości 320 × 480 (885) lub 640 × 480 (890) oraz cyfrowy układ skokowej zmiany ogniskowej. Modele oznaczone dodatkowo liczbą 2 (885-2 i 890-2) pozwalają na wymianę obiektywów i pomiar temperatury do +1200 °C. Zastosowana w nich technologia SuperResolution powala uzyskać termografy o rozdzielczości 640 × 480 (885-2) lub 1280 × 960 (890-2).

Firma Flir w modelach oznaczonych literą „T” instaluje ekrany LCD o przekątnej 3,5” (T420 i T440) lub 4,3” (T620 i 640). Te z mniejszym wyświetlaczem mają czterokrotny ciągły zoom cyfrowy, a te z większym – ośmiokrotny. Największy wyświetlacz (5,6”) wśród kamer tego producenta ma kamera o symbolu P660. Pozwala ona na wymianę obiektywów, ciągły ośmiokrotny zoom, a ponadto ma detektor o rozdzielczości 640 × 480 px i czułości 30 mK oraz system Digital Detail Enhancement (DDE), zapewniający dobrą widoczność nawet przy dużych zmianach temperatury. Jej zakres pomiarowy wynosi od –20 °C do +500 °C.

Ekran o takiej samej wielkości mają kamery firmy NEC – modele Thermo Tracer H2630 i H2640. Mają one także identyczną rozdzielczość detektora i – w przypadku modelu H2640 – identyczną czułość. Model ten przy zakresie pomiarowym od –20 °C do +2000 °C (cztery podzakresy) ma dwu-, cztero- i ośmiokrotny zoom oraz możliwość wymiany obiektywów. Taki sam zakres pomiarowy ma kamera Avio (NEC) InfReC R300SR-H. Zastosowany w niej detektor ma rozdzielczość 320 × 240 px, ale technologia Super Resolution pozwala na uzyskanie obrazów w rozdzielczości 640 × 480 px, prezentowanych na ekranie o przekątnej 3,5”. Warunkiem poprawnego wykonania pomiaru tą kamerą jest odległość od obiektu równa co najmniej 10 cm.

Kamery stacjonarne

Szczególną grupę stosowanych w przemyśle urządzeń termowizyjnych stanowią kamery przeznaczone do ciągłej rejestracji obrazu termicznego. W kamerach tych nie występuje ekran, za to znaczenia nabiera standard przesyłania danych i współpracy z nadrzędnymi systemami nadzorowania procesu, takimi jak systemy SCADA. Kamery te nie muszą mieć funkcji zoomu, choć może się ona w szczególnych przypadkach przydać. Najczęściej są one sprzedawane z różnymi, dobieranymi w zależności od potrzeb, obiektywami. Przykładami takich kamer są produkty firmy Flir z serii A, firmy Optris serii PI czy firmy NEC, np. Thermo Tracer TS9230/TS9260.

Również tego typu rozwiązania mogą, jak to ma miejsce w przypadku produktów firmy Flir, mieć wbudowany aparat fotograficzny, umożliwiający gromadzenie obrazów bezpośrednio w urządzeniu. Pozwala to na gromadzenie danych, które mogą zostać wykorzystane w razie awarii łącza danych. Kamery Flir A5, A15, A35, A65 oraz A315 i A615 mają technologię GenICAM, czyli interfejs programowania. Ponadto zastosowano w nich protokół szeregowy GigE Vision. Kamery tej serii mają detektory o rozdzielczości od 80 × 64 punktów (A5) do 640 × 512 punktów (A65) i czułości 50 mK. Z kolei firma NEC proponuje kamery stacjonarne o rozdzielczości 640 × 480 px – model Thermo Tracer TS9230 lub 320 × 240 px – model Thermo Tracer TS9260.

Nie tylko obraz statyczny

Przy wykorzystaniu kamer termowizyjnych do badań nieniszczących często istotny jest nie tyle statyczny rozkład temperatury w obiekcie, ale zmiana w czasie tego rozkładu. W takim przypadku kluczowe znaczenie, poza rozdzielczością detektora, ma szybkość jego działania i prędkość rejestracji obrazów.

Przykładem kamery, która dobrze spełnia powyższe założenia, jest produkt firmy Testo – model 890. Kamera ta ma rozdzielczość 640 × 480 px, dodatkowo wspomaganą przez specjalnie opatentowany system SuperResolution umożliwiający rejestrację obrazów o rozdzielczości do 1280 × 960 px. Ponadto zastosowana w tej kamerze technologia SiteRecognition, w przypadku powtarzających się badań termograficznych podobnych obiektów, oferuje bezpośrednie rozpoznanie, alokację i archiwizację lokalizacji pomiaru, a także automatyczną alokację i archiwizację obrazów termowizyjnych. Co równie ważne, kamera ta realizuje w pełni radiometryczny pomiar wideo z funkcją rejestracji, oferując możliwość analizy termicznej w czasie rzeczywistym – w każdej chwili wszystkie punkty pomiarowe są dostępne co do piksela.

Termowizja w innych gałęziach przemysłu

W motoryzacji termowizja stosowana jest do sprawdzania skuteczności działania: ogrzewania siedzeń, kierownicy, wnętrza pojazdu, szyb lub silników, czy badania obciążenia, jakiemu poddawane jest ogumienie (np. Formuła 1). Również w innych branżach systemy termowizyjne stosowane są w fazie badań i testowania rozwiązań. W lotnictwie za pomocą termowizji bada się i analizuje rozkłady naprężenia, występujące w elementach pod wpływem oddziaływania na nie sił. W przemyśle produkującym sprzęt AGD metodami termograficznymi sprawdza się poprawność funkcjonowania takich urządzeń, jak lodówki, chłodziarki, zamrażarki, piekarniki czy płyty grzejne. Przy użyciu systemów termowizyjnych sprawdzane są również układy elektroniczne.

Kamery termowizyjne stosowane są też podczas audytów energetycznych budynków, gdyż umożliwiają wskazanie miejsc na elewacji budynku o ponadnormatywnej temperaturze, co może świadczyć o nadmiernych stratach ciepła w tym miejscu. W branży budowlanej kamery termowizyjne mogą zostać użyte również do sprawdzenia wystąpienia uszkodzeń pokrycia dachowego, niedrożności instalacji grzewczej, wykrywania wad w instalacji ogrzewania podłogowego czy poprawności wykonania stolarki okiennej w budynkach. Z uwagi na duże zapotrzebowanie na systemy termowizyjne w tej branży, producenci często proponują modele przeznaczone do zastosowań w diagnostyce budowlanej.

Termowizja pomocna nie tylko w przemyśle

Do nieprzemysłowych zastosowań termowizji, np. w medycynie i weterynarii, zaliczyć można wykrywanie problemów z uzębieniem, schorzeń kręgosłupa, stanów zapalnych mięśni, stawów, ścięgien i wiązadeł lub niedokrwienia. Kamery termowizyjne są też stosowane w ratownictwie do profilaktycznego monitorowania obiektów przez służby porządkowe oraz do badania i diagnozowania środowiska naturalnego w celu oceny stanu jego degradacji.

Podsumowanie

Jak wynika z powyższych przykładów, termowizja jest stosowana zarówno w życiu codziennym, jak i w wielu sektorach przemysłu. Podkreślić należy, że najczęściej urządzenia termowizyjne są stosowane do zadań diagnostycznych, w których istotny jest nie tyle dokładny pomiar temperatury, co wykrycie obszarów o różnej temperaturze lub obszarów o temperaturze zmiennej w czasie. W takich przypadkach do analizy bardzo często stosowane są obrazy różnicowe.

W celu poprawnego wykonania pomiarów operatorzy mogą dostrajać urządzenia przez porównanie wskazanej temperatury z temperaturą odczytaną z urządzenia referencyjnego. Ponadto w celu wykonania dokładnego pomiaru uwzględnia się współczynnik odbicia materiału, którego pomiaru temperatury się dokonuje. Eksploatując systemy termowizyjne należy pamiętać, że odpowiednio serwisowane urządzenia powinny być okresowo sprawdzane i kalibrowane za pomocą ciała doskonale czarnego.
W przypadku, kiedy zarejestrowany obraz nie musi być poddany analizie tuż po rejestracji, pomocne mogą się okazać komputerowe systemy wspomagania analizy obrazu termograficznego, w które standardowo wyposażane są wybrane modele urządzeń.

Artykuł zawiera zestawienia tabelaryczne najważniejszych właściwości i parametrów kamer termowizyjnych czołowych producentów - wszystko w numerze PAR 3/2014

dr inż. Krzysztof Jaroszewski
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

źródło: PAR 3/2014