Termowizja w utrzymaniu ruchu i elektroinstalacji. Jak wybrać kamerę i wykonywać pomiary?

Każdy obiekt o temperaturze powyżej zera bezwzględnego emituje promieniowanie podczerwone. Jego natężenie zależy od temperatury ciała. Mierząc je, można zatem wyznaczyć tę ostatnią.

Promieniowanie podczerwone emitowane przez obiekt jest skupiane przez układ optyczny kamery termowizyjnej. Jego soczewki nie są wykonywane ze szkła, lecz z materiałów nieprzezroczystych dla światła widzialnego, które jednak dobrze przepuszczają promieniowanie cieplne.

Są to zwykle materiały półprzewodnikowe: krzem albo german. Po przejściu przez soczewkę promieniowanie pada na detektor w postaci matrycy czujników, które przetwarzają jego natężenie na sygnał elektryczny. Na jego podstawie wyznacza się temperaturę w różnych punktach. Jej poszczególnym wartościom przypisuje się inne kolory, tworząc skalę.

Z punktów pomiarowych składa się barwny obraz przedstawiający rozkład temperatur powierzchni poddawanej inspekcji (termogram). Kamera termowizyjna zatem nie tylko mierzy temperaturę w punkcie, ale pozwala porównać temperatury sąsiednich obszarów. Ułatwia to zlokalizowanie tych zbyt gorących albo za zimnych, będących z reguły oznaką jakiejś anomalii.

Najważniejszą częścią kamery jest detektor, czyli przetwornik energii promieniowania podczerwonego na inną wielkość fizyczną. To od niego bowiem przede wszystkim zależy czytelność termogramu.

JAK WAŻNA JEST ROZDZIELCZOŚĆ DETEKTORA?

Najważniejszym parametrem detektora jest jego rozdzielczość. Określa ona liczbę punktów pomiarowych, czyli liczbę sensorów w matrycy. Im jest ona większa, tym wyraźniejszy jest wynikowy obraz.

Nie należy przy tym sugerować się informacją o rozdzielczości wyświetlacza kamery - nawet największa nie zapewni dobrej jakości termogramu, jeżeli analogiczny parametr detektora promieniowania będzie mały. Im więcej ma on pikseli, tym niestety wyższa jest cena kamery termowizyjnej.

Jeżeli zatem priorytetem jest niski koszt, wybierać trzeba niestety wśród kamer o rozdzielczości 60×60 pikseli albo 120×120 pikseli. Rozróżnienie bardzo drobnych szczegółów na termogramie przez nie zarejestrowanym może jednak okazać się niemożliwe. Znacząco lepszą jakość obrazu jest w stanie zapewnić kamera termowizyjna już o rozdzielczości 320×240 pikseli. Jeśli wymagana jest bardzo duża dokładność obrazowania, warto przeznaczyć więcej środków na sprzęt o rozdzielczości 640×480 pikseli lub lepszy.

Inwestycja taka opłaci się, jeżeli uwzględni się to, że od liczby pikseli detektora zależy też łatwość, szybkość, a ostatecznie i wydajność inspekcji. Mając do dyspozycji kamerę o dużej rozdzielczości można bowiem wykonać od razu termogram całego, rozległego obszaru, z dużą szczegółowością.

Użyteczne funkcje kamer termowizyjnych

Przydatną funkcją kamer termowizyjnych jest możliwość ustawienia przez operatora kamery zakresu temperatur, które mają być uwzględnione na termogramie. Jeżeli zawęzi on taki przedział, małe różnice temperatur zostaną uwydatnione. Inaczej, przy dużej rozpiętości tej wielkości, elementy obrazu będą tylko ogólnie podzielone na dwie grupy: ciepłe i zimne.

Możliwość zestawienia termogramu z obrazem rzeczywistym bardzo ułatwia interpretację tego pierwszego. Dlatego w kamery termowizyjne wbudowuje się kamery cyfrowe. Jeszcze większą pomocą jest funkcja łączenia obrazów termicznych z "normalnymi" przez wstawianie fragmentów tych pierwszych w drugie albo ich nakładanie na siebie.

W zakresie wyposażenia dodatkowego warto sprawdzić, czy w kamerę wbudowano wskaźnik laserowy. Jeżeli tak, w trakcie jej użytkowania w każdej chwili wiadomo będzie dokładnie, w jakie miejsce obiektu poddawanego inspekcji skierowany jest obiektyw. Wymienne obiektywy także są zaletą. Te szerokokątne ułatwią rejestrację termogramów w ograniczonej przestrzeni, wówczas gdy trzeba objąć okiem kamery większy obszar, ale nie można się cofnąć, a teleobiektywy - pomiary na dużą odległość. Łączność Wi-Fi, dodatkowe interfejsy, lokalizacja dzięki GPS i oprogramowanie do analizowania zapisanych obrazów również będą przydatne.

MNIEJSZA ROZDZIELCZOŚĆ, TO MNIEJSZA ODLEGŁOŚĆ

Aby uzyskać podobne informacje przy użyciu urządzenia o mniejszej rozdzielczości, trzeba niestety zarejestrować znacznie więcej obrazów, które potem powinno się analizować łącznie. W tym celu należy również bardziej zbliżyć się do obiektu inspekcji.

Przykładowo używając kamery termowizyjnej o rozdzielczości 640×480 pikseli, średniej wielkości obiekt przemysłowy można "zmieścić" na jednym termogramie, znajdując się od niego w odległości D. Jeżeli z kolei korzystamy z kamery o rozdzielczości 320×240, tzn. z detektorem o czterokrotnie mniejszej liczbie punktów pomiarowych niż ten pierwszy, dla uzyskania podobnie szczegółowego obrazu musimy zarejestrować cztery termogramy. Oprócz tego w tym celu należy zbliżyć się do obiektu na odległość o połowę krótszą.

Gdy z kolei używamy kamery termowizyjnej o rozdzielczości zaledwie 120×120 pikseli, konieczne jest wykonanie aż dwudziestu termogramów i to z odległości równej D/5. Oprócz tego, że dłużej potrwa ich rejestracja, a później analiza, zadanie to może również być, w przypadku obiektów o wysokiej temperaturze, pod wysokim napięciem albo trudnodostępnych, niebezpieczne, o ile nie zapewni się wykonującemu odpowiedniej ochrony (kombinezonu, butów, okularów, rękawic, itp.).

JAKIE INNE PARAMETRY SĄ ISTOTNE?

Ważnym parametrem kamer termowizyjnych jest też czułość temperaturowa. Charakteryzuje ona minimalną różnicę temperatur, jaką te urządzenia mogą rozróżnić oraz zobrazować. Kamery najwyższej klasy są w stanie wychwycić tę wielkość rzędu setnych części stopnia Celsjusza. Im większa jest czułość temperaturowa, tym mniejsza jest wykrywalna różnica temperatur. To pozwala z kolei wcześniej wykryć anomalię, nim jeszcze temperatura badanego obiektu wzrośnie do potencjalnie niebezpiecznej wartości.

Istotna jest też, jak w przypadku wszystkich przyrządów pomiarowych, dokładność. Margines błędu w kamerach najwyższej klasy jest rzędu ±1-2%. Wybierając to urządzenie, należy oprócz tego dopilnować, aby jej zakres pomiarowy pokrywał się z przedziałem spodziewanych temperatur. Ważna jest szybkość reakcji na zmianę temperatury i możliwość inspekcji obiektów w ruchu. Korzystanie z kamery na podczerwień ułatwiają ponadto różne ich dodatkowe funkcje oraz wyposażenie. Te najprzydatniejsze przedstawiamy w ramce.

ZALETY I WADY TERMOWIZJI W UTRZYMANIU RUCHU

Termowizja jako narzędzie służb utrzymania ruchu ma wiele zalet. Najważniejsze to: inspekcja bez konieczności wyłączania urządzenia, bądź instalacji, z użycia, pomiar bezkontaktowy, nieniszczący, wykonywany z bezpiecznej odległości oraz dostępność w czasie rzeczywistym wyników, które nie wymagają przetwarzania w ogóle albo tylko w nieznacznym stopniu, a przy tym dają pełny obraz sytuacji.

Ponadto kamery termowizyjne są łatwe w obsłudze, a pomiar trwa krótko. Dzięki temu szybko można wskazać przyczynę zaistniałego problemu. Oprócz tego za ich pomocą wiele anomalii w działaniu wyposażenia zakładów przemysłowych wykrywa się wcześniej, nim jeszcze ich skutki staną się widoczne lub odczuwalne.

Kamery termowizyjne są niestety dość drogie. Jeżeli obiekt badania jest ukryty za osłoną wykonaną z materiału nieprzepuszczającego promieniowania podczerwonego, na przykład szkła, pomiaru nie można dokonać bez jej usunięcia bądź otwarcia.

Dodatkowo do poprawnej interpretacji termogramu wymagana jest spora wiedza i doświadczenie. By go rozszyfrować, nie wystarczy bowiem odnieść się do skali temperaturowej. Trzeba dodatkowo uwzględnić specyfikę obiektu inspekcji, jego otoczenia i warunki, w jakich wykonano termogram.