Читать книгу Termografia i spektrometria w podczerwieni - Группа авторов - Страница 8

Kamera termowizyjna ma obiektyw, który nie jest wykonany ze szkła, tak jak w systemie optycznym na zakres światła widzialnego. Czasem istnieje potrzeba umieszczenia kamery w szczelnej obudowie, w której montuje się okna transmisyjne dla promieniowania podczerwonego. W innych jeszcze przypadkach, monitorowany proces jest prowadzony w szczelnym pomieszczeniu/komorze, w której montowane są okna przezroczyste (częściowo przezroczyste) dla promieniowania podczerwonego. Do wykonania obiektywu kamery i okien transmisyjnych wykorzystuje się materiały o dużej wartości współczynnika transmisji dla podczerwieni (materiały przezroczyste w zakresie podczerwieni). Istnieje wiele materiałów, które częściowo przepuszczają promieniowanie podczerwone z zakresie NIR, MWIR i LWIR. Pasma transmisji niektórych z nich przedstawiono na rys. 1.28.

Należy pamiętać, że niektóre z tych materiałów charakteryzują się dużą wartością współczynnika załamania, np. n_Ge = 4, n_Si = 3,5, n_GaAs = 3,3, n_ZnSe = 2,4, n_ZnS = 2,4. Współczynnik odbicia ρ dielektryków zależy wprost od wartości współczynnika załamania. Dla kierunku normalnego współczynnik odbicia przyjmuje postać równania:

(1.47)

Duża wartość współczynnika załamania i w konsekwencji mała wartość współczynnika transmisji powoduje, że elementy optyczne stosowane w termowizji muszą być pokryte warstwami antyodbiciowymi – tab. 1.7.

Tabela 1.7. Wartości współczynnika załamania dielektryków w zależności od współczynnika załamania

Przepuszczalność promieniowania podczerwonego przez różne materiały wpływa na wynik pomiarów termowizyjnych. Na rysunku 1.29 przedstawiono dwa obrazy termowizyjne wykonane w tym samym czasie, tą samą szerokopasmową kamerą chłodzoną BB (ang. Broad Band, 3÷12 μm), przy użyciu filtrów LWIR 8÷12 μm i MWIR 3÷5μm.

Rys. 1.28. Pasma transmisji promieniowania wybranych materiałów [1.9]

Szkło w zależności od rodzaju i składu chemicznego częściowo przepuszcza promieniowanie w paśmie średniofalowym MWIR i NIR, natomiast lepiej emituje w zakresie długofalowym LWIR. Ponadto, wartość temperatury żarnika żarówki wynosi ok. 1700°C, co oznacza przesunięcie maksimum widma promieniowania elektromagnetycznego w kierunku fal krótszych (MWIR).

Rys. 1.29. Obrazy termowizyjne żarówki w pasmach: a) 8÷12 μm; b) 3÷5 μm

Kamera CCD z filtrem bliskiej podczerwieni do pomiaru temperatury

Do pomiaru temperatury powyżej 300°C można stosować kamery CCD, pracujące w zakresie bliskiej podczerwieni NIR. Szerokopasmowa kamera CCD o dużej czułości, pracująca w paśmie widzialnym, ma charakterystykę widmową absorpcji przesuniętą w zakres bliskiej podczerwieni – rys. 1.30. Wyposażona w filtr o charakterystyce transmisji w zakresie bliskiej podczerwieni NIR, może być stosowana do pomiaru temperatury obiektu o wartości powyżej 300°C, rys. 1.31 [1.34]. Zaletą kamery NIR jest łatwa zmiana apertury systemu, a przez to i zmiana zakresu pracy kamery. Ponadto, w kamerach CCD-NIR praktycznienie nie występuje niejednorodność resztkowa RNU (ang. Residual Nonuniformity), ponieważ obudowa kamery i przesłona w temperaturze pokojowej praktycznie nie promieniują na detektor w zakresie bliskiej podczerwieni. Wadą kamer NIR natomiast jest duży wpływ pasożytniczego promieniowania tła, które należy uwzględnić przy pomiarze temperatury. Kamery NIR wymagają precyzyjnej kalibracji w różnych warunkach oświetlenia zewnętrznego [1.34]. Najlepiej badania kamerą bliskiej podczerwieni prowadzić w ciemności, bez światła słonecznego i oświetlenia sztucznego, które zawierają promieniowanie w zakresie bliskiej podczerwieni o dużej energii [1.34].

Kamery wizyjne CCD są małe, lekkie, tanie i wyposażone w matryce o dużej liczbie sensorów punktowych – rys. 1.32. Mają interfejsy o dużej prędkości transferu danych – USB lub Gigabit Ethernet.

Rys. 1.30. Charakterystyka widmowa szerokopasmowej kamery CCD do badań obiektów o temperaturze powyżej 300°C

Rys. 1.31. Charakterystyka widmowa filtru NIR do badań obiektów o temperaturze powyżej 300°C

Rys. 1.32. Przykładowa kamera CCD z filtrem NIR

Na rysunku 1.33 przedstawiono termogramy żarówki uzyskane za pomocą systemu termowizyjnego z kamerą CCD-NIR dla jednej wartości przesłony i różnego czasu integracji.

Rys. 1.33. Obrazy termiczne żarówki z kamery CCD z filtrem NIR dla różnych czasów integracji: a) najkrótszy; b) średni; c) najdłuższy czas integracji

Wpływ wilgotności na transmisję atmosfery w zakresie podczerwieni

Dużym problemem badań termowizyjnych, szczególnie w terenie otwartym, jest transmisja promieniowania podczerwonego przez atmosferę o określonej wilgotności. Istnieje kilka modeli transmisji atmosfery w zakresie podczerwieni [1.5, 1.16, 1.27, 1.33]. Wykorzystują one dane eksperymentalne, gromadzone w długim okresie i w różnych warunkach atmosferycznych [1.27]. Inne, bardziej ogólne podejście wykorzystuje założenie, że współczynnik transmisji atmosfery τ zależy od stężenia (koncentracji) danego gazu lub pary wodnej w atmosferze:

(1.48)

przy czym I i I₀ oznaczają natężenie promieniowania w odległości x i w źródle promieniowania (x = 0), r = α(λ)N/V, a N/V jest koncentracją gazu lub pary wodnej, czyli liczbą cząstek N w objętości V, α(λ) jest współczynnikiem zależnym od długości fali λ, x jest grubością ośrodka.

Współczynnik α(λ) zależy w szczególności od długości fali promieniowania. Modele współczynnika transmisji atmosfery są zgodne z prawem Bouguera, które stosuje eksponencjalną zależność transmisji promieniowania przez ośrodek od odległości (grubości ośrodka L). Prosty model przedstawiono w monografii [1.33]:

(1.49)

gdzie ps jest prężnością (ciśnieniem) pary nasyconej w danej temperaturze powietrza.

Model (1.49) wymaga strojenia na podstawie pomiarów lub wykorzystania danych literaturowych, przedstawionych przez innych autorów. Strojenie polega na tym, że użytkownik wyznacza wartość α(λ) poprzez podanie jednej wartości współczynnika transmisji atmosfery dla danego widma kamery termowizyjnej i dla określonych warunków środowiska, w którym przeprowadzono pomiar. Inne podejście do strojenia modelu (1.49) polega na wykorzystaniu danych eksperymentalnych. Przykładowe wyniki pomiaru współczynnika transmisji atmosfery τ oraz wyznaczone wartości współczynnika α(λ) dla różnych warunków pomiaru, przedstawiono w tab. 1.8 [1.5, 1.33].

Na podstawie danych eksperymentalnych, model (1.49) można łatwo zaimplementować w oprogramowaniu kamery termowizyjnej [1.30]. Przykładowe dane kalibracyjne przedstawiono w tab. 1.8. Model (1.49) zakłada monochromatyczność obu współczynników τ oraz α(λ). W celu wykorzystania tego podejścia w oprogramowaniu kamery należy wyznaczyć wartości średnie współczynnika transmisji τ_atm w przedziale widmowym pracy kamery. Przykładowe wyniki obliczeń wartości współczynnika transmisji τ przedstawiono na rys. 1.34÷1.40.

Tabela 1.8. Przykładowe dane pomiarowe wartości współczynników transmisji τ oraz wyznaczone wartości współczynnika α dla różnych długości fali, na podstawie danych empirycznych z [1.5]

Korzystając z modelu transmisji atmosfery dla różnej wartości wilgotności względnej (1.49), wyznaczono wartości współczynnika transmisji w zależności od odległości kamera-obiekt i wartości temperatury atmosfery oraz dla różnych długości fali w przedziale widmowym MWIR i LWIR. Procedura postępowania przy stosowaniu modelu (1.49) jest prosta. Pierwszym etapem jest kalibracja (strojenie) modelu. Do kalibracji modelu (1.49) korzysta się z danych pomiarowych jednego wybranego zestawu parametrów L, RH, T_atm, λ. Dla założonych wartości L, RH, T_atm, oraz λ wyznacza się z modelu empirycznego (np. LOWTRAN, HITRAN) lub z pomiaru, wartość współczynnika transmisji atmosfery τ. Następnie jest obliczana wartość współczynnika α(λ) – model (1.49). Przy założeniu, że współczynnik α(λ) zależy jedynie od długości fali λ, można wyznaczyć wartości transmisji atmosfery dla dowolnych wartości parametrów RH, L i T_atm. W niniejszej pracy do strojenia modelu (1.49) zastosowano dane z monografii [1.5]. Wyniki w formie wykresów dla różnych wartości wilgotności względnej RH, odległości kamera-obiekt L, temperatury atmosfery T_atm i długości fali λ, z uwzględnieniem pary wodnej jako jedynego składnika atmosfery, który tłumi promieniowanie podczerwone, przedstawiono na rys. 1.34÷1.40.

Korzystając z danych eksperymentalnych lub pomiarowych dla różnych długości fali, można wyznaczyć wartości widmowego współczynnika transmisji atmosfery dla różnych warunków pracy kamery termowizyjnej – rys. 1.41÷1.43. Warto zauważyć, że zmiana wilgotności względnej w stałej temperaturze w niewielkim stopniu wpływa na przepuszczalność atmosfery.

Rys. 1.34. Współczynnik transmisji atmosfery dla λ = 3 μm, T_atm = 0°C [1.33]

Rys. 1.35. Współczynnik transmisji atmosfery dla λ = 4 μm, T_atm = 0°C [1.33]

Rys. 1.36. Współczynnik transmisji atmosfery dla λ = 5 μm, T_atm = 0°C [1.33]

Rys. 1.37. Współczynnik tłumienia atmosfery dla λ = 5 μm, T_atm = 20°C [1.33]

Rys. 1.38. Współczynnik transmisji atmosfery dla λ = 8 μm, T_atm = 20°C [1.33]

Rys. 1.39. Współczynnik transmisji atmosfery dla λ = 10 μm, T_atm = 20°C [1.33]

Rys. 1.40. Współczynnik transmisji atmosfery dla λ = 12 μm, T_atm = 20°C [1.33]

Rys. 1.41. Widmowy współczynnik transmisji atmosfery z parą wodną wg modelu (1.49) i danych kalibracyjnych z pracy [1.5], dla różnych odległości między kamerą o obiektem L, RH = 50% i T_atm = 0°C

Rys. 1.42. Widmowy współczynnik transmisji atmosfery z parą wodną wg modelu (1.49) i danych kalibracyjnych z pracy [1.5] dla różnych wartości wilgotności względnej RH, L = 1 km i T_atm = 0°C

Rys. 1.43. Widmowy współczynnik transmisji atmosfery wg modelu (1.49) i danych kalibracyjnych z pracy [1.5], dla różnych wartości temperatury atmosfery T_atm, L = 1 km, RH = 80%

Tabela 1.9. Typowy skład suchej atmosfery w procentach objętości [1.33]

Istotnym parametrem, który wpływa na wartość transmisji, jest wartość temperatury atmosfery. Dla mniejszych wartości temperatury powietrza, transmisja atmosfery rośnie ze względu na mniejszą zawartość pary wodnej – rys. 1.43. Wynika to z faktu, że w niższej temperaturze para wodna skrapla się, a prężność pary nasyconej spada. Szerszą dyskusję na ten temat można znaleźć w monografii [1.33]. Wyniki modelu (1.49) transmisji widmowej atmosfery ze względu na zawartość pary wodnej przedstawiono na rys. 1.41÷1.43.

Należy podkreślić, że para wodna nie jest jedynym składnikiem atmosfery, który tłumi promieniowanie w określonym zakresie widma – tab. 1.9. W celu uwzględnienia gazów, które występują w atmosferze i pochłaniają promieniowanie podczerwone, należy wykorzystać zależność współczynnika transmisji promieniowania przez atmosferę wieloskładnikową.

Każdy ze składników atmosfery tłumi promieniowanie adekwatnie do koncentracji (stężenia) w powietrzu γi. W celu wyznaczenia tłumienia cząstkowego należy dodatkowo podać wartość ciśnienia p_atm i temperatury atmosfery T_atm – otrzymując równanie

(1.50)

Podobnie jak poprzednio, przy analizie wpływu wilgotności, w celu wyznaczenia współczynnika α(λ), należy znać wartość współczynnika tłumienia atmosfery zawierającej tylko ten gaz. Jest to trudne. Można skorzystać z danych literaturowych [1.5] lub przeprowadzić eksperyment. Należy wspomnieć, że azot w zakresie podczerwieni jest całkowicie przezroczysty. Oznacza to, że można mieszać różne gazy z azotem w celu wyznaczenia wartości współczynników transmisji. Przykładowo, na rys. 1.44 przedstawiono wpływ zawartości ditlenku węgla na tłumienie atmosfery dla długości fali λ = 5 μm.

Całkowity współczynnik transmisji atmosfery wieloskładnikowej jest iloczynem współczynników transmisji poszczególnych n składników, równanie (1.50):

(1.51)

Rys. 1.44. Współczynnik transmisji atmosfery z ditlenkiem węgla jako jedynym gazem tłumiącym promieniowanie podczerwone, p_atm = 1000 hPa, T_atm = 0°C [1.33]