Hőképek készítésének szakmai alapjai (fizikai háttere, méréstechnikai elmélete)

Hőképek felvételének szakmai alapjai

A hőképfelvételek készítése, azaz a termográfia vagy – szakmailag kevésbé helyesen – a termovízió rendkívül sokoldalú mérési eljárás, amely csupán az igen költséges hőkamerák miatt nem terjedhetett el még gyorsabban a gyakorlatban. A modern hőkamerák kezelése összehasonlítható az elterjedt digitális kamerákéval. De ne higgye senki, hogy amilyen egyszerű magának a hőkamerának a kezelése, ugyanolyan egyszerű korrekt (mérési szempontból helyes) hőképfelvételeket készíteni. Sok-sok szakmai (elméleti) tudás, tapasztalat és ezen túl megfelelő mérés-előkészítés szükséges ahhoz, hogy a felvételek ne csak szép színes képek, hanem kiértékelhető hőképek legyenek.

Szomorú tapasztalat, hogy a hőkamerák forgalmazói és a hőképfelvételek készítői nemritkán súlyos szakmai hibákat vétenek a hőképek előállításával összefüggésben. A következőkben a termográfia elméleti hátterét és gyakorlati vonatkozásait igyekszünk bemutatni, hogy a felvételek készítői és a kiértékeléseket felhasználók egyaránt jobban kihasználhassák a hőképek által elvileg nyújtott előnyöket. Kezdjük a fizikai alapelvekkel!

Az infravörös hőmérsékletmérés alapja

Az infravörös sugárzáson alapuló hőmérsékletmérés, vagyis a termográfia és távhőmérés (érintésmentes hőmérsékletmérés, amelyet az alkalmazott lézeres célzómegvilágítás miatt gyakran tévesen lézeres hőmérésnek neveznek) azt a fizikai jelenséget használja fel, hogy az abszolút nulla K hőmérséklet (-273,15 °C) felett a testek elektromágneses hullámokat bocsátanak ki, így például rádióhullámokat, fényt, illetve hő(sugárzás)t. Az infravörös sugárzás az elektromágneses spektrum egy része, a látható vörös fény hosszúhullámú oldalán található, nagyjából a 760 nm és az 1 mm hullámhossztartományban. A hőmérsékletmérés szempontjából a 20 μm-ig terjedő tartománynak van jelentősége, amely további három résztartományra tagolható: a 0,8-2 μm a rövid-, a 2-6 μm a közép-, a 6-20 μm pedig a hosszúhullámú infravörös sugárzás tartománya.

Az elektromágneses spektrum

 

HullámhosszHullámtartomány
1000 km
100 km
Hosszúhullámok (RF és ELF)
10 km
1 km
100 m
10 m
Rádiófrekvenciák
1 m
10 cm
1 cm
Mikrohullámok
1 mm
100 µm
10 µm
Infravörös sugárzás
1 µm
100 nm
Látható fény
10 nmUltraibolya sugárzás
1 nm
0,1 nm
0,01 nm
Röntgensugárzás
0,001 nm
0,0001 nm
0,00001 nm
Gammasugárzás

A hőmérsékletmérés technikai szempontjából a 20 µm-ig terjedő tartománynak van jelentősége. Ez a következő részekre tagolható:

 

HullámhosszInfravörös résztartomány
0,8 µm … 2 µmrövidhullámú infravörös
2 µm … 6 µmközéphullámú infravörös
6 µm … 20 µmhosszúhullámú infravörös

A hőmérséklet mérése a mérendő test által kibocsátott elektromágneses hullámok (infravörös sugárzás) alapján történik. Ahhoz, hogy a hőmérsékletre következtetni lehessen, a testhőmérséklet és a leadott sugárzás közötti összefüggést kell szemügyre venni. Ezt az összefüggést elsősorban az ideális sugárzó (fekete test) által kibocsátott sugárzás spektrális eloszlását leíró Planck-féle sugárzási törvény (lenti ábra), valamint az alacsonyabb hőmérsékletű testek sugárzási maximumának a hosszúhullámú tartomány irányába való eltolódását leíró Wien-féle eltolódási törvény adja meg.

 

Planck sugárzási törvény (forrás: Infratec)
A PLANCK féle sugárzási törvény [forrás: Infratec]
Sugárzó testHőmérsékletSugárzási maximum
Mélyhűtött élelem-18 °C11.4 µm
Bőr32 °C9.5 µm
Forrásban lévő víz100 °C7.8 µm
Sötétvörösen izzó vas600 °C3.3 µm
Fehéren izzó vas1,200 °C2.0 µm

A WIEN féle eltolódási törvény „hatása”: a sugárzási maximum hőmérsékletfüggése

A mérendő objektumok tulajdonságai

Az úgynevezett fekete test az ideális fizikai sugárzó modellje, amely nélkülözhetetlen a termográfiai alapelvek tanulmányozásánál. A gyakorlatban mért tárgyak viszont többé-kevésbé eltérnek ettől a modelltől, ezért fontos, hogy számoljunk e különbségek hatásával a mérésnél. Az eltérések figyelembe vételére az emissziós tényező (ε) szolgál, amely egy test infravörössugár-kibocsátási képességét írja le. Az ideális sugárzó – a fekete test – emissziós tényezőjének értéke 1, vagyis 100 százalékosan kibocsátja azt a hősugárzást, ami a hőmérséklete alapján a Planck-féle sugárzási törvény szerint várható.

A valódi testek sugárzási képessége elmarad a feketetest-modelltől (tehát ε<1), és emissziós tényezőjük többé-kevésbé függhet a hullámhossztól és a hőmérséklettől is. Bizonyos paraméterek (anyagösszetétel, beesési szög, a felület bevonata, érdessége, illetve a polarizáció mértéke) szintén befolyásolhatják a kibocsátott hősugárzás összetételét és mennyiségét, valamint ezáltal a sugárzás alapján végzett hőmérsékletmérés eredményét.

A hosszúhullámú tartományban számos nemfémes anyagot nagy értékű, viszonylag széles hőmérséklet-tartományban állandó, a felület megmunkálástól független emissziós tényező jellemez. Jó példa erre az emberi bőrfelület és sok ásványi szerkezet, továbbá műanyagalapú festékanyag. A fémek emissziós tényezője rendszerint kicsi, ráadásul nagymértékben függ a felületi jellemzőktől, és csökken a hullámhossz növekedésével (csökkenő hőmérséklettel).

Viszonylag gyakran előforduló mérendő anyag az üveg. Mivel nem engedi át az infravörös sugárzást a hosszúhullámú tartományban, így az ablaküvegen keresztüli mérés hosszúhullámú hőkamerákkal egyáltalán nem lehetséges. Míg az üveg majdnem ideális sugárzó a középhullámú tartomány jelentős részében, a hosszúhullámú tartományban emissziós tényezője csak mintegy (átlagosan) 85 százalékos.

 

Nem-fémek ill. fémek emissziója (forrás: Infratec)
Nemfémes anyagok emissziós tényezőjének spektrális függése (1 zománc, 2 gipsz, 3 beton, 4 samott)
[forrás: Infratec]
Fémek (1 ezüst, 2 arany, 3 platina, 4 ródium, 5 króm, 7 tantál, 8 molibdén) és (6 grafit, 9 szelén, 10 antimon) emissziós tényezőjének spektrális függése
[forrás: Infratec]
Üveg sugárfizikai jellemzői (forrás: Infratec)
Üveg emissziós, transzmissziós és reflexiós tényezőjének spektrális függése [forrás: Infratec]

Termográfiai mérési elrendezés

A távhőmérésnél és a kvantitatív termográfiánál figyelembe kell venni e hőmérséklet-mérési eljárásnak a fizikai alapokból adódó sajátosságait: egyrészt optikai mérési módszerről van szó, tehát a mérési objektumnak láthatónak kell lennie a mérőkészülék felől; másrészt a mérési elrendezés két kulcseleme mellett döntő szerepet játszik a mérésnél a mérési útszakasz jellemző állapota, valamint a sugárforrás(ok) esetleges jelenléte az elő-, illetve a háttérben.

 

Termográfiai mérés elrendezése (forrás: PIM)
Infravörös távhőmérési ill. termográfiai méréselrendezés [forrás: PIM]

Az átviteli szakasz hatása a mérési eredményre

Mivel az infravörös termográfia érintkezés nélküli módszer és tipikusan nem vákuumban alkalmazzuk, tehát a mérés alapját képező infravörös sugárzásnak valamilyen közegen keresztül kell áthaladnia a mérendő tárgytól a mérőberendezésig, a közeg infravörös-tartományú viselkedése (karakterisztikája) természetesen befolyásolja a mérést. A legtöbb esetben a közeg levegő, de más – az infravörös hullámokat átengedő – anyagok (például különleges mérőablakok) is előfordulnak. A levegő esetében az infravörös sugárzás átvitelére hatással van a benne levő vízpára és a szén-dioxid.

 

Atmoszféra átviteli tulajdonsága (forrás: Infratec)
A levegő spektrális átviteli tényezője 10 m, 25 °C, 1013 mbar és 85% relatív nedvességtartalom mellett [forrás: Infratec]

A fenti ábrán látható, hogy a levegő átviteli tulajdonsága nagymértékben függ a hullámhossztól. A nagy átviteli veszteséggel jellemzett tartományok szomszédságában jó átviteli képességű (satírozott) tartományok is megfigyelhetők. Az utóbbiakat atmoszferikus ablaknak is szokás nevezni. Amíg levegő a 8…14 μm tartományban – a hosszúhullámú atmoszferikus ablakban – szinte tökéletes átvitelt biztosít akár nagy távolságokra is, a 3…5 μm tartományban – a középhullámú atmoszferikus ablakban – az atmoszféra mérhető veszteségeket okoz már néhányszor tízméteres távolságok esetén is.

A mérőeszköz és hatása a mérési eredményre

Mivel az érintés nélküli hőmérsékletmérés esetén levegő a leggyakoribb átviteli közeg, természetesen csak az általa biztosított atmoszferikus ablakok hullámhossz-tartományaiban érdemes és szabad méréseket végezni. (Egyébként nemlineáris hőmérsékletfüggést vagy teljesen kiértékelhetetlen adatokat kapnánk.) A mérésekhez a levegő átviteli tulajdonságainál említett 8…14 μm hullámhossz-tartományra érzékeny – a hosszúhullámú atmoszferikus ablak kihasználásával működő -, valamint a 3…5 μm hullámhossz érzékelésére képes – a középhullámú atmoszferikus ablakban mérő – hőkamerák készülnek. Elnevezésük ennek függvényében hosszúhullámú vagy középhullámú hőkamera. Ritkábban előfordulnak a rövidhullámú tartományban mérő hőkamerák is.

Az érintés nélküli hőmérsékletmérés mérőeszközeinek spektrális méréstartománya rendszerint a tárgy által kibocsátott teljes sugárzásnak csak egy részét fedi le. Ennek a mérési eredményre gyakorolt hatását szemlélteti a következő diagram néhány tipikus (az atmoszferikus ablakoknak megfelelően alkalmazott) méréstartományra vonatkozóan.

 

Hőkamera hullámhossz-tartományai hatása (forrás: Infratec)
Különböző spektrális méréstartományban rögzített sugárzás-hőmérséklet görbék [forrás: Infratec]

Könnyen felismerhető, hogy a középhullámú (3…5 μm) tartomány eléggé érzéketlen a viszonylag alacsony hőmérsékletekre, viszont (fekete test esetén) 350 °C felett a sugárzás érzékelhetősége a 3…5 μm tartományban jobb, mint a hosszúhullámú (8…14 μm) tartományban. Ennek az az oka, hogy a sugárzás maximuma eltolódott a középhullámú tartományba. A gyakorlatban ennek viszont nincs jelentősége, mivel magas hőmérsékletek esetén magas sugárzásintenzitás végett eleve kitűnő a jel/zaj-viszony.

Elvi hibaforrások

A hőképfelvételek készítésének (termográfia) elméleti alapjaival foglalkozó korábbi írásunk folyatásában rátérünk a gyakorlati tudnivalókra. Ezek közül is elsőként az érintésmentes hőmérsékletmérés lehetséges hibaforrásait vesszük számba, majd bemutatjuk a mérési hibák mennyiségi értékelésének szempontjait, illetve a hibák csökkentésének lehetőségeit.

Az érintés nélküli hőmérsékletmérés mérési hibája több összetevőből adódik. Elsőként említhető ezek közül az alkalmazott mérőeszközből eredő mérési pontatlanság. Mint bármely mérőberendezés, az érintkezés nélküli hőmérsékletmérő eszköz (távhőmérő, hőkamera) is csak bizonyos mérési hibával képes ellátni a feladatát, ami a következőkre vezethető vissza:

  • az eszköz mérőátalakítójának (érzékelőjének) egyedi kalibrálás utáni maradék hibája;
  • a mérőberendezés kompenzálatlansága egyes hőmérséklet-ingadozások;
  • a jeldigitalizálás kvantálási hibája, valamint a mért értékek kimeneti, illetve kijelzési hibája;
  • az átalakító (érzékelő) paramétereinek öregedésből adódó driftje.

Gondolni kell továbbá arra, hogy sok egyéb olyan méréstechnikai hiba is jelentkezhet, amely nem fordul elő az érintéses hőmérsékletmérésnél. Az alábbiakban ezek közül néhány lehetséges – és külön figyelmet érdemlő – hibaokot részletezünk.

Az érintésmentes mérés problémái

Az emissziós tényező és a környezeti hőmérséklet hatása a mérés pontosságára

Valószínűleg ez a leggyakoribb és a hiba nagyságát tekintve a legjelentősebb hibaok az érintkezés nélküli hőmérséklet-mérési módszer gyakorlati alkalmazása során. Mint arról a korábbiakban már szó volt, a mérőberendezés csak akkor tudja helyesen meghatározni egy tárgy hőmérsékletét, ha a mérőműszeren (illetve a kiértékelőszoftveren) beállított emissziós tényező megfelel a mérendő tárgy valós jellemzőjének. Ha a mérendő tárgy nem ideális sugárzó (fekete) test ε=1,0 emissziós tényezővel, akkor a környezeti hőmérsékletet is figyelembe kell venni a tárgyhőmérséklet meghatározása során. (A mérendő tárgynak a hőmérő eszköz felé eső felülete körüli tér átlagos hőmérsékletét vesszük környezeti hőmérsékletnek.)

Hősugárzás visszaverődése a tárgy homlokfelületéről (hősugárzás-reflexió)

Minél jobban eltér egy test emissziós tényezője az ideális 1 értéktől (tehát minél kisebb emissziós képességű), annál inkább erősödik a reflexiós (sugárzás-visszaverődési) tulajdonsága. Ez azzal jár, hogy a mérőműszer a test hőmérsékletével arányosan kibocsátott hősugárzás mellett (a legrosszabb esetben akár helyett) a környezetből származó, a mérőtárgy felületén reflektált hősugárzást méri. Azonban ez a környezeti hőmérséklet figyelembevételével korrigálható, ha a környezet hőmérséklete homogén. Problematikusabbá válik a helyzet, ha a tárgy előtti térben nagyobb hőmérséklet-inhomogenitás vagy akár zavaró pontszerű hőforrás van jelen. Minél erősebb a mérendő tárgy reflektálóképessége, annál nehezebbé válik hőmérsékletének korrekt meghatározása.

Jelveszteség az átviteli szakaszon (sugárzáscsökkenés az atmoszférában és más anyagokban)

Az átviteli szakasz általában a közönséges légkör, amelyen az infravörös sugárzás spektrumának csupán egy része halad át (úgynevezett atmoszferikus ablakok). Hogy nagyobb távolságok esetén milyen veszteségek lépnek föl, azt az infravörös sugárzást elnyelő, illetve csillapító tényezők (például köd, aeroszolok, nagy koncentrációjú CO2, CO, egyéb gázok vagy víz jelenléte) határozzák meg. Bizonyos határokon belül – a jelfeldolgozás során – mód van e hatások kompenzálására. Különösen gondoskodni kell a kompenzálásról, ha a mérés az infravörös sugarakat átbocsátó ablakon keresztül történik (például kemencék vagy vákuumkamrák belsejében lévő mérendő tárgyak mérésénél).

Hősugárzás átbocsátása a tárgy hátteréből

Ez a hiba akkor jelentkezik, ha a tárgy részben áttetsző, természetesen az infravörös sugárzás szempontjából. Ilyen esetekben a tárgy hátterét éppúgy figyelembe kell venni, mint az előterét a hősugárzás visszaverődésénél. Ez különös gondot okozhat, akkor ha közvetlenül a mérendő tárgy mögött erős hősugárzók (például technológiailag szükséges melegítőberendezések) találhatók.

A hibák mennyiségi számbavétele

A mérőberendezés érzékenységi jelleggörbéje

A mérőberendezés jelleggörbéje (hosszúhullámú méréstartományú mérőeszköz esetén) a Planck-függvénynek a 8…14 μm-es spektrumtartomány határaira történő integrálásán alapul, mivel a berendezés úgyis csak a megfelelő atmoszférikus ablakon átengedett hősugárzást tudja érzékelni. E jelleggörbe természetesen nem tökéletesen lineáris, de az ebből adódó hiba a mérőeszközön belül matematikailag korrigálható.

 

Feketetest sugárzás-kibocsájtása (forrás: Infratec)
A fekete test hősugárzás-kibocsátása a 8…14 μm tartományban [forrás: Infratec]

 

Emissziós tényezőtől függő hőmérséklet-mérési hiba

A teljes hőmérséklet-mérési hiba nagyságát döntően meghatározó összetevőként az emissziós tényező valódi értékétől való eltérésből adódó hiba kalkulálható. Az emissziós tényező hatását (20 °C környezeti hőmérsékleten) táblázatunk foglalja össze. Ugyancsak ezt szemlélteti a lenti ábra is. Látható, hogy a téves emissziós tényezőből adódó mérési hiba annál nagyobb, minél jobban eltér a mérendő tárgy hőmérséklete a környezeti hőmérséklettől. Az is észrevehető, hogy az ilyen hiba igen nagy lehet, akár a mérőeszköz rendszeres belső hibájának többszörösét is elérheti.

 

Mérési hiba téves emisszió-tényező miatt (forrás: Infratec)
Téves emissziós tényezőből eredő hőmérséklet-mérési hiba a 8…14 µm méréstartományban [forrás: Infratec]

 

A mérési hibák csökkentésének lehetőségei

Míg a visszavert és az átbocsátott zavaró sugárzások következtében kialakuló hibák hatását – azok optikai megjelenése alapján (oda nem illő pontok, foltok vagy körök) – a hőkamerával készített (hő)képen rendszerint könnyű érzékelni és ezután javítani, távhőmérésnél ez nem olyan egyszerű, mivel a sugárzás eloszlása nem látható. Hogy a hőmérsékletméréskor a hibákat kiküszöböljük vagy legalább minimalizáljuk, célszerű a következő tanácsokat megfogadni a mérések kivitelezése során:

Mielőtt megkezdjük a mérést, bizonyosodjunk meg arról, hogy a hőmérő eszköz mérési irányába – különösen mobil méréseknél – nem esnek tükrözött hősugárzások. Ha ez mégis előfordul, hajtsuk végre a következő lépések legalább egyikét:

  • Változtassuk meg a mérőberendezés elhelyezkedését és így a mérés szögét (mivel a tükröződés az optikai törvényszerűségek miatt szögfüggő)!
  • Változtassuk meg a mérendő tárgy elhelyezését, illetve megfigyelési szögét (elsősorban laboratóriumi méréseknél)!
  • Zárjuk ki a zavaró sugárzást olyan anyagokkal, amelyek nem engedik át az infravörös sugárzást (kartonlap, hungarocell, plexiüveg, fémlapok), vagy szélsőséges esetben teljesen burkoljuk körül az átviteli szakaszt és a mérendő tárgyat (csupán a mérőeszköz optikája részére hagyva egy nyílást)!

Fontos ügyelni arra is, hogy nemcsak a nyilvánvalóan zavaró sugárzók (ilyenek például az izzólámpák, a láng, a forró vagy hideg géprészek) zavarhatják a méréseket azzal, hogy a mérendő tárgyon visszaverődnek, hanem a mérést kivitelező ember is egy hőforrás, és így szintén tükröződhet a mért felületen.

Ha a tárgy emissziós tényezője nyilvánvalóan különbözik a fekete testétől, a mérőberendezésen az emissziós tényezőt a valóságnak megfelelően, illetve a lehetőleg legkisebb eltéréssel kell beállítani. A beállítandó emissziós tényezőre vonatkozó információ különböző módokon nyerhető:

  • Végezzünk kísérletet valós tárgyon vagy a hősugárzás szempontjából összehasonlítható karakterisztikájú referenciatárgyon!
  • Használjuk fel a tapasztalat útján vagy a szakirodalomból szerzett, illetve a szállító által adott információt a speciális anyagok és felületek tipikus hőemissziós tulajdonságának meghatározásában!

Ha az emissziós tényező 1-nél kisebb, a mérési érték meghatározásában szerephez jut a környezeti hőmérséklet értéke is. Ennek értékét a felhasználónak kell megadnia, ahogy a tárgy emisszióját is. Mindkét paraméter téves megadása egyaránt óriási mértékű mérési hibához vezethet!

Ha a középhullámú mérési tartományban a mérési távolság meghaladja a 10 métert (ez rendszerint csak a hőképek távoli felvételénél fordul elő), a sugárzás intenzitását csökkentő atmoszferikus átbocsátás hatását is figyelembe kell venni a korrekciónál. Ezen felül a mérési útvonal hőmérsékletét is a lehető legpontosabban kell beállítani.

Nagyon fontos, hogy a hőmérséklet pontos meghatározásához a tárgyon található mérendő szerkezeti elem, illetve felület nem lehet kisebb a mérőpont méreténél (a hőérzékelő elem kivetített optikai képe a tárgyon). Ellenkező esetben az aktuális tárgyhőmérséklet a mért területnek csak egy részén jelenik meg, a többit a háttérsugárzás (valamint a mérendő tárgy környezete) tölti ki. A mérőponton belül pedig átlagolás történik, így a túl kicsi tárgyak valódi hőmérséklete soha nem határozható meg pontosan. Erre különösen az elterjedt “lézeres hőmérők” esetén kell odafigyelni. Hőkameráknál ez a mérőpont az infravörös hőkép egyes képpontjai “kivetített” felületének felel meg.

 

Rahne Eric (PIM Kft.)
pim-kft.hu
termokamera.hu

 

Kapcsolatfelvétel

A publikáció tartalmát szerzői jogok védik, ennek (akár csak részben történő) felhasználása, elektronikus vagy nyomtatott tovább-publikálása csak a forrás és a szerző nevének feltüntetése mellett, valamint a szerző előzetes írásos engedélyének megléte esetén megengedett. A szerzői jogok (Copyright) megsértése jogi következményekkel jár.