Teoria badań termowizyjnych

 

Wynalezienie kamery termowizyjnej spowodowało rewolucję w dziedzinie pomiaru temperatury. Wydarzenie to dało możliwości, które nie były osiągalne żadnymi dotychczas stosowanymi metodami pomiaru.

Działanie kamery termowizyjnej polega na odbiorze promieniowania elektromagnetycznego w zakresie stosunkowo niskich energii tego promieniowania.

A zatem czym jest promieniowanie elektromagnetyczne? Aby oswoić się z tym terminem  każdy z nas musi uwolnić się od newtonowskiej mechaniki klasycznej, która opisuje świat jako wzajemne oddziaływanie materialnych obiektów, które są opisywane przez takie ich cechy jak masa, rozmiar, kształt. Promieniowanie elektromagnetyczne zaś, jest zaburzeniem przestrzeni, w której te obiekty się znajdują. Zaburzenie to, jak każde zjawisko ma swoje cechy, ale są one w większości niewidoczne i niemierzalne dla naszych ludzkich zmysłów. Tę niewidzialną przestrzeń człowiek odkrył stosunkowo niedawno. Odkrycie to zapoczątkowało burzliwy rozwój nowych kierunków nauk ścisłych, a stało się to w roku 1887 za sprawą Heinricha R. Hertza, tym samym umożliwił powstanie takich wynalazków jak  np. radio.  Pierwsza transmisja na odległość 10 m miała miejsce w 1894 r. i dokonał tego Guglielmo Marconi. Możemy słuchać programów radiowych dlatego, że ludzie nauczyli się świadomie i celowo zmieniać i przesyłać  promieniowanie elektromagnetyczne na odległość, a następnie dokonywać kolejnej zamiany tym razem już w słyszalne dla nas fale dźwiękowe. Przekaz obrazu stał się następnym krokiem w rozwoju tej dziedziny i zajęło to około 60 lat i tak powstała telewizja, a kilkanaście lat później pojawiły się telefony komórkowe.

Na rysunku poniżej przedstawione zostało widmo promieniowania elektromagnetycznego, w którym żyjemy oraz jego umowny podział. Widmo należy rozumieć jako przedział, od bardzo małych długości fal  (po lewej stronie rysunku) do bardzo dużych  ( po prawej stronie). Przedział ten obejmuje fale o długości od nm (nanometrów), czyli 10-9 m, czyli jeszcze inaczej od 0,000 000 000 1 m do setek kilometrów.

 

 

Jak widać z rysunku natura przystosowała nasze oko do postrzegania bardzo wąskiego przedziału fal od około 380 nm do 780 nm. Dzięki temu jednak możemy, w miarę bezpiecznie, funkcjonować w naszym środowisku. Zawdzięczamy to urządzeniu w jakie wyposażone zostało ludzkie oko – czyli siatkówce. To za pomocą siatkówki jesteśmy w stanie odbierać zaburzenia promieniowania elektromagnetycznego jakim są zachody słońca, zorze polarne a także rozróżniać sygnalizację świetlną na skrzyżowaniu. To dzięki siatkówce  widzimy jedną z  właściwości pola elektromagnetycznego - kolory.

Aby zobaczyć inne zakresy widma promieniowania elektromagnetycznego człowiek skonstruował urządzenia przetwarzające fale elektromagnetyczne podobnie jak przetwarza je siatkówka naszego oka. Urządzenia takie znacznie poszerzają możliwości poznawcze człowieka zarówno w skali mikro jak i makroświata.

Ograniczmy się jednak tylko do  fal o długości od około 0,5 mm do 1 mm. Promieniowanie o takiej długości fali wykryte zostało przypadkowo w 1800 r. przez angielskiego astronoma Wiliama Herschela i na długie lata zapomniane. Tak naprawdę odkryta została jego własność, a mianowicie podwyższona temperatura. Zapomnienie wynikało z niemożności wytłumaczenia tego zjawiska, nie znano bowiem wtedy jeszcze pojęcia fal elektromagnetycznych. Nie wiedziano, że widoczny płomień świecy i odczuwalne wokół niego ciepło to przekaz energii za pomocą fal elektromagnetycznych, nie wiedziano również, że część tej energii przekazywana jest w zakresie fal elektromagnetycznych niewidocznych dla ludzkiego oko. Dopiero rozwój nauk przyrodniczych spowodował, że człowiek odkrył związek między stanem materii, a emitowanym przez nią promieniowaniem elektromagnetycznym. Właśnie to odkrycie legło u podstaw skonstruowania urządzenia do pomiaru promieniowania elektromagnetycznego i popularnie rzecz ujmując wyrażania go w jednostkach temperatury np. stopniach Celsjusza.

Rozwój technologii spowodował, że kamera termowizyjna, potrafi pokazać temperaturowy obraz obiektu z taką samą dokładnością jak zdjęcie cyfrowe.  Ktoś może zauważyć, że przecież jesteśmy w stanie zmierzyć temperaturę płomienia świecy wkładając w płomień termometr, zgoda jest to możliwe. Tak samo, jak możliwe jest wykonanie zdjęcia cyfrowego (nie wnikając w szczegóły) mrówki z rozdzielczością 5 mm. Niewykluczone, że będzie można stwierdzić, że jest to mrówka ale szczegółów nie zobaczymy.

Wracając do świecy, nietrudno zauważyć, że przecież płomień świecy jest doskonale widoczny, widoczny jest także rozżarzony węgiel, sztaba żelaza nagrzana w palenisku, oraz surówka w piecu hutniczym. Jeśli ktoś widział wszystkie te przedmioty na pewno zauważył, że różniły się one między sobą kolorami, a właściwie kolorem światła jakie emitowały. Jest to bardzo istotna obserwacja, bowiem ludzkie oko „widzi temperaturę”. Barwy tych przedmiotów świadczą o wartości emitowanego promieniowania elektromagnetycznego, co w sposób bezpośredni przekłada się na temperaturę. Jeżeli temperatura przedmiotu osiągnie wartość około 525°C wtedy przedmiot emituje promieniowanie elektromagnetyczne w dolnym przedziale pasma widzialnego i taki przedmiot widoczny jest w kolorze ciemno bordowym. Wraz ze wzrostem temperatury kolor obserwowanego obiektu nabiera barwy czerwonej, następnie pomarańczowej, żółtej, białej. Dlatego też kolor płomienia świecy widzimy jako pomarańczowy, gdyż najwyższa temperatura może wynosić około 800°C. Słońce ma temperaturę około 6.000°C i dlatego widzialne światło słoneczne postrzegane jest jako białe. W tym miejscu należy wyraźnie zaznaczyć, że barwy o których była wyżej mowa dotyczyły wyłącznie źródeł, które jej emitowały i odbierane były przez jedyny w swoim rodzaju odbiornik – siatkówkę oka. Nie należy mylić z barwami jakie obserwujemy (w zakresie fal widzialnych) np. kolory samochodów, kwiatów. Postrzeganie tych barw, także fal elektromagnetycznych, to całkiem inna bajka, a zjawiska te opisują inne prawa fizyki.

Jest jeszcze jedna bardzo istotna kwestia do wyjaśnienia, a mianowicie przedstawianie otrzymanego obrazu temperaturowego obiektu za pomocą fotografii lub obrazu na monitorze. Barwy jakie są używane do przedstawiania rozkładu temperatur są kwestią umowną i nie mają związku z temperaturą (energią) przedmiotu i jego barwą rozpoznawalną w widmie promieniowania widzialnego. To przyporządkowanie służy tylko i wyłącznie do wizualizacji rozkładu temperatur. Każda fotografia, czy obraz na monitorze powinien być skorelowany ze skalą temperatur, która przypisuje barwy określonym temperaturom.

© Copyrights by Pracownia Pomiarów Energetycznych i Termowizyjnych - Krzysztof Kruszewski - All rights reserved! strona www: Dreamstorm.pl
system: DreamCMS