Kamera termowizyjna może pokazywać 48°C na elemencie, który w rzeczywistości ma ponad 60°C. Może też zasugerować przegrzanie tam, gdzie problemem jest wyłącznie odbicie promieniowania od człowieka stojącego przed urządzeniem. Najczęściej nie jest to awaria kamery. Problemem jest źle ustawiona emisyjność, niewłaściwie skorygowana temperatura odbita albo pomiar powierzchni, której termowizją bez dodatkowego przygotowania po prostu nie da się rzetelnie zmierzyć.
Emisyjność, oznaczana symbolem ε, mieści się w zakresie od 0 do 1 i opisuje zdolność powierzchni do emitowania promieniowania cieplnego w porównaniu z ciałem doskonale czarnym. Powierzchnie malowane, matowe, organiczne i silnie utlenione mają zazwyczaj wysoką emisyjność. Czyste, błyszczące metale są na drugim końcu skali: emitują niewiele własnego promieniowania i bardzo dobrze odbijają promieniowanie otoczenia.
To rozróżnienie jest podstawą całej termografii pomiarowej. Kamera nie mierzy temperatury bezpośrednio. Mierzy docierające do detektora promieniowanie podczerwone, a temperaturę dopiero z niego oblicza. W rejestrowanym sygnale znajduje się promieniowanie emitowane przez badaną powierzchnię, promieniowanie odbite od niej oraz, w określonych warunkach, wpływ atmosfery między obiektem a kamerą.
Jak dobrać emisyjność do materiału i stanu jego powierzchni?
Najczęstszy błąd polega na wyborze wartości emisyjności wyłącznie na podstawie nazwy materiału. Operator widzi stal, znajduje w tabeli „stal”, wpisuje wartość i uznaje pomiar za zakończony. Takie podejście jest zbyt uproszczone.
Emisyjność dotyczy powierzchni, a nie tylko materiału. Ta sama część metalowa może mieć zupełnie inne właściwości radiacyjne w miejscu wypolerowanym, skorodowanym, pomalowanym, zabrudzonym olejem albo pokrytym tlenkami.
Dobrym przykładem jest aluminium. W tabelach FLIR polerowane aluminium może mieć emisyjność około 0,04–0,06, podczas gdy mocno zwietrzała powierzchnia aluminiowa może osiągać wartości rzędu 0,83–0,94. Różnica jest ogromna. Ustawienie jednej „standardowej wartości dla aluminium” nie ma więc technicznego sensu bez określenia stanu powierzchni.
W praktyce można przyjąć kilka punktów orientacyjnych:
- matowe powierzchnie malowane i wiele materiałów organicznych: często około 0,90–0,95,
- czarna taśma elektroizolacyjna: zwykle około 0,95–0,97, zależnie od produktu i zakresu widmowego,
- ludzka skóra: około 0,97–0,98,
- silnie wypolerowane metale: wartości potrafią spaść poniżej 0,10,
- utlenione i matowe metale: emisyjność może być wielokrotnie wyższa niż powierzchni świeżej i wypolerowanej.
Tych liczb nie należy traktować jak uniwersalnej tabliczki mnożenia. Emisyjność zależy również od temperatury powierzchni, długości fali, struktury, stopnia utlenienia i kąta obserwacji. Dlatego tabela producenta jest dobrym punktem startowym, ale przy pomiarach diagnostycznych, na podstawie których ma zapaść decyzja o naprawie, zatrzymaniu maszyny albo uznaniu elementu za przegrzany, lepiej wyznaczyć wartość dla konkretnej powierzchni.
Najprostsza praktyczna zasada brzmi: jeżeli powierzchnia jest matowa i niemetaliczna, pomiar ilościowy jest zazwyczaj znacznie łatwiejszy. Jeżeli wygląda jak lustro, chrom, polerowane aluminium albo świeża miedź, sam odczyt temperatury z kamery powinien wzbudzić podejrzliwość.
To szczególnie ważne w diagnostyce rozdzielnic elektrycznych. Błyszcząca szyna miedziana potrafi odbijać promieniowanie operatora, sufitu albo rozgrzanego elementu znajdującego się poza kadrem. Kamera zobaczy energię podczerwoną, ale część tej energii nie będzie pochodziła z badanego miejsca.
FLIR wskazuje wprost, że czyste, nieutlenione powierzchnie metaliczne mają na tyle niską emisyjność, iż ich pomiar kamerą termowizyjną jest trudny. Fluke zaleca przy powierzchniach refleksyjnych stosowanie materiału o znanej, wysokiej emisyjności, na przykład odpowiedniej taśmy.
Jak prawidłowo ustawić kamerę i sprawdzić wynik pomiaru?
Jeżeli pomiar ma być wiarygodny, ustawienie parametru ε jest dopiero pierwszym etapem. W profesjonalnej kamerze termowizyjnej w obliczeniach mogą być uwzględniane również temperatura odbita, odległość, temperatura atmosfery i wilgotność względna. FLIR wymienia te parametry w swojej dokumentacji pomiarowej.
Przy pomiarach wykonywanych z kilkudziesięciu centymetrów lub kilku metrów w normalnych warunkach wewnętrznych wpływ atmosfery jest zwykle znacznie mniejszym problemem niż źle ustawiona emisyjność i odbicia. Nie oznacza to jednak, że można ignorować pozostałe ustawienia podczas pomiarów na większych dystansach, przy wysokiej wilgotności lub dużych różnicach temperatur.
Najbardziej praktyczna procedura wygląda tak:
- Zidentyfikuj powierzchnię, a nie tylko materiał.
Sprawdź, czy jest matowa, błyszcząca, lakierowana, utleniona, skorodowana, zabrudzona albo pokryta inną warstwą. - Ustaw w kamerze orientacyjną wartość emisyjności.
Dla wielu matowych powierzchni można zacząć w okolicy ε = 0,95. Nie wolno automatycznie stosować tej wartości do czystych metali. - Sprawdź otoczenie pod kątem odbić.
Zmień nieznacznie pozycję kamery. Jeżeli widoczna „gorąca plama” przesuwa się albo znika wraz ze zmianą kąta, istnieje duże prawdopodobieństwo, że obserwujesz odbicie, a nie rzeczywisty punkt o podwyższonej temperaturze. - Ustaw temperaturę odbitą, jeśli kamera pozwala ją wprowadzić.
Jest ona szczególnie ważna przy powierzchniach o niskiej emisyjności. Testo podkreśla, że obok ε właśnie RTC, czyli reflected temperature compensation, ma istotny wpływ na prawidłowe wyliczenie temperatury powierzchni. - Dopilnuj, aby mierzony element zajmował odpowiednią liczbę pikseli detektora.
Punkt o średnicy kilku milimetrów fotografowany z kilku metrów może być za mały w stosunku do rozdzielczości przestrzennej kamery. Wtedy nawet perfekcyjnie ustawiona emisyjność nie uratuje pomiaru. FLIR wymienia rozmiar celu i jego relację do rozdzielczości przestrzennej jako jeden z czynników wpływających na dokładność. - Ustaw ostrość.
Nieostry termogram nie jest tylko problemem estetycznym. Energia z małego gorącego elementu może zostać „rozmyta” na sąsiednie piksele, przez co wskazanie maksymalnej temperatury będzie zaniżone. Dokumentacja FLIR zalicza ostrość do podstawowych warunków poprawnego obrazu termicznego. - Zweryfikuj temperaturę metodą odniesienia, jeżeli wynik ma znaczenie techniczne.
Najwygodniejszą metodą w terenie jest zastosowanie fragmentu materiału o znanej wysokiej emisyjności. Popularnym rozwiązaniem jest czarna taśma emisyjna. Testo oferuje przykładowo taśmę o deklarowanej emisyjności 0,95 i odporności termicznej do +250°C.
Procedura jest prosta. Przykleja się niewielki fragment taśmy do powierzchni i czeka, aż osiągnie temperaturę badanego elementu. Kamera zostaje ustawiona na emisyjność taśmy. Po zmierzeniu temperatury na taśmie przenosi się punkt pomiarowy na odsłoniętą powierzchnię i zmienia wartość ε do chwili, gdy kamera pokaże tę samą temperaturę.
FLIR opisuje bardziej kontrolowaną wersję tej procedury: badany element należy równomiernie podgrzać co najmniej około 20 K ponad temperaturę pomieszczenia, określić temperaturę odbitą, przykleić materiał o znanej wysokiej emisyjności, zmierzyć jego temperaturę, a następnie dopasować emisyjność badanej powierzchni do uzyskania identycznego wyniku.
Jest tu jeden warunek, którego nie można obejść: taśma i powierzchnia pod nią muszą mieć tę samą temperaturę. Jeżeli element szybko się nagrzewa albo chłodzi, warstwa kleju izoluje termicznie, powierzchnia jest silnie chłodzona powietrzem lub pomiar wykonano natychmiast po przyklejeniu taśmy, wynik może być błędny.
Temperaturę odbitą można również wyznaczyć metodą reflektora opisaną przez FLIR. W praktyce używa się dużego kawałka pogniecionej, a następnie rozprostowanej folii aluminiowej, umieszczonej na kartonie w miejscu badanego obiektu. Kamera zostaje ustawiona na ε = 1,0, a odczyt z folii przyjmuje się jako pozorną temperaturę promieniowania odbitego otoczenia.
To jest znacznie lepsze rozwiązanie niż automatyczne wpisanie temperatury powietrza jako temperatury odbitej. Te wartości mogą być podobne w spokojnym pomieszczeniu, ale nie muszą. W pobliżu pieca, grzejnika, rozgrzanego silnika, zimnej ściany, otwartej bramy albo dużych powierzchni o innej temperaturze różnica może stać się istotna.
Najczęstsze błędy przy pomiarze metalu, szkła, ścian i instalacji
Największych problemów nie sprawia zwykle kamera, lecz powierzchnia.
Błyszczący metal jest najtrudniejszym przypadkiem. Jeżeli emisyjność spada w okolice 0,1 lub niżej, udział promieniowania odbitego zaczyna dominować nad promieniowaniem własnym powierzchni. Wtedy drobny błąd w ustawieniu temperatury odbitej może mocno zmienić obliczoną temperaturę. FLIR wskazuje, że znaczenie korekcji temperatury odbitej rośnie właśnie wtedy, gdy emisyjność jest niska i temperatura badanego elementu różni się od temperatury otoczenia.
Dlatego przy pomiarach szyn, rur, obudów ze stali nierdzewnej czy elementów aluminiowych priorytet powinien wyglądać tak:
- najpierw znajdź matowy, pomalowany lub utleniony fragment tego samego elementu,
- jeśli go nie ma, zastosuj taśmę o znanej emisyjności albo odpowiednią powłokę pomiarową,
- następnie ustaw właściwe ε,
- skoryguj temperaturę odbitą,
- dopiero wtedy traktuj liczbę na ekranie jako pomiar ilościowy.
Nie należy natomiast „naprawiać” podejrzanego wyniku przez przypadkowe kręcenie emisyjnością tak długo, aż temperatura zacznie wyglądać rozsądnie. To odwrócenie procesu pomiarowego.
Drugim problemem są odbicia operatora. Człowiek ma temperaturę powierzchni skóry znacznie wyższą od temperatury wielu elementów znajdujących się w chłodnym pomieszczeniu. Na wypolerowanej blasze można więc zobaczyć własne termiczne odbicie. Dobrą kontrolą jest wykonanie zdjęcia z dwóch różnych pozycji. Rzeczywista anomalia cieplna pozostanie związana z elementem. Odbicie zmieni położenie.
W termografii budowlanej sytuacja jest zazwyczaj prostsza, ponieważ tynk, beton, farby czy drewno mają wysoką emisyjność. Nie oznacza to jednak automatycznie poprawnego pomiaru. Na wynik mogą wpływać nasłonecznienie, opady, wiatr, nagrzanie elewacji w ciągu dnia, grzejniki, instalacje znajdujące się za przegrodą i odbicia od innych powierzchni. Testo zwraca uwagę na wpływ temperatury otoczenia, promieniowania zakłócającego i warunków atmosferycznych na interpretację termogramu.
Przy diagnostyce budynku emisyjność bywa więc dobrze ustawiona, a badanie nadal jest bezwartościowe, ponieważ wykonano je w złych warunkach.
Kolejnym częstym błędem jest porównywanie temperatur dwóch powierzchni o różnej emisyjności przy jednym wspólnym ustawieniu kamery. Na termogramie rozdzielnicy pomalowana obudowa, plastikowa izolacja przewodu i odsłonięta miedziana końcówka mogą wyglądać tak, jakby miały wyraźnie różne temperatury, mimo że część różnicy wynika z właściwości radiacyjnych powierzchni.
W bardziej zaawansowanych kamerach i programach można korygować emisyjność dla wybranych obszarów obrazu. Testo oferuje w części swoich urządzeń korekcję emisyjności dla fragmentów termogramu, a niektóre modele wykorzystują rozwiązania automatyzujące jednoczesne ustawianie ε i temperatury odbitej.
Trzeba też odróżnić dokładność kamery od dokładności całego pomiaru. Kamera może mieć określoną przez producenta tolerancję pomiarową, ale nie oznacza to, że każdy odczyt wykonany tą kamerą mieści się w tej tolerancji. FLIR wprost wskazuje, że niewłaściwa emisyjność oraz złe warunki pomiarowe pogarszają rzeczywistą wiarygodność wskazania.
Dobrym przykładem jest FLIR C5. Producent podaje dla tego modelu dokładność w określonych warunkach na poziomie ±3°C dla zakresu 0–100°C oraz ±3% dla 100–400°C, a jednocześnie kamera pozwala korygować emisyjność, temperaturę odbitą i wpływ atmosfery. Parametry dokładności urządzenia nie zwalniają więc operatora z prawidłowego ustawienia parametrów obiektu.
Najpraktyczniejsza zasada jest prosta: im niższa emisyjność powierzchni, tym mniej należy ufać pojedynczemu odczytowi wykonanemu bez przygotowania powierzchni. Przy ε około 0,9–0,95 pomiar jest relatywnie odporny na odbicia. Przy błyszczącym metalu o ε rzędu 0,05–0,15 warunki pomiaru zaczynają mieć ogromne znaczenie.
Jeżeli więc kamera pokazuje podejrzaną temperaturę na polerowanym elemencie, pierwszym krokiem nie powinno być sprawdzanie kalibracji urządzenia. Najpierw trzeba usunąć problem niskiej emisyjności albo stworzyć na elemencie kontrolowany punkt pomiarowy o znanym ε. Dopiero później ma sens analizowanie innych źródeł błędu.
Więcej informacji można znaleźć także tutaj: https://www.merserwis.pl
FAQ: najczęstsze pytania o emisyjność w kamerze termowizyjnej
Jaką emisyjność ustawić w kamerze termowizyjnej?
Dla wielu matowych, malowanych i niemetalicznych powierzchni dobrym punktem startowym jest około 0,95. Nie jest to jednak uniwersalne ustawienie. Wypolerowane metale mogą mieć emisyjność poniżej 0,10, dlatego wymagają innej metody pomiaru.
Czy można ustawić ε = 0,95 i wykonywać wszystkie pomiary?
Nie. Takie ustawienie sprawdza się dla wielu powierzchni o wysokiej emisyjności, ale na błyszczącym aluminium, miedzi czy stali nierdzewnej może prowadzić do poważnych błędów.
Jak zmierzyć temperaturę błyszczącego metalu?
Najpewniejszą metodą terenową jest stworzenie punktu o znanej wysokiej emisyjności, np. za pomocą odpowiedniej taśmy emisyjnej, odczekanie do wyrównania temperatur i wykonanie pomiaru z emisyjnością zgodną z parametrem taśmy. Fluke i Testo opisują takie podejście jako sposób ograniczenia problemów z powierzchniami refleksyjnymi.
Czy kolor powierzchni ma wpływ na emisyjność?
Kolor widziany przez człowieka nie pozwala wiarygodnie przewidzieć emisyjności w podczerwieni. FLIR podaje m.in., że farby olejne mogą mieć emisyjność powyżej 0,9 niezależnie od ich koloru w zakresie światła widzialnego.
Co jest ważniejsze: emisyjność czy temperatura odbita?
Przy powierzchniach o wysokiej emisyjności największy priorytet ma poprawne ε. Im niższa emisyjność, tym większego znaczenia nabiera temperatura odbita, ponieważ powierzchnia odbija coraz większą część promieniowania otoczenia.
Czy temperaturę odbitą można ustawić równą temperaturze powietrza?
W spokojnych warunkach wewnętrznych może to być praktyczne przybliżenie, ale nie jest regułą fizyczną. Przy niskiej emisyjności lub obecności gorących i zimnych powierzchni w otoczeniu temperaturę odbitą lepiej zmierzyć, np. metodą z pogniecioną folią aluminiową opisaną przez FLIR.
Dlaczego temperatura zmienia się, gdy patrzę na metal pod innym kątem?
Najczęściej zmienia się udział promieniowania odbitego oraz efektywna emisyjność powierzchni. Jeśli gorący punkt przesuwa się wraz ze zmianą pozycji kamery, należy podejrzewać odbicie.
Czy można później poprawić źle ustawioną emisyjność?
Tak, jeżeli kamera zapisała pełny radiometryczny plik termograficzny. W odpowiednim oprogramowaniu można wtedy przeliczyć temperatury po zmianie ε i temperatury odbitej. FLIR zaznacza jednak, że nie wszystkie błędy wykonania termogramu da się skorygować po fakcie. Nie poprawi się w ten sposób nieostrego zdjęcia, zbyt małego celu ani złej geometrii pomiaru.
Od czego zacząć, jeśli wynik wydaje się niewiarygodny?
Najpierw sprawdź powierzchnię. Jeśli jest błyszcząca, metaliczna albo silnie refleksyjna, nie zaczynaj od regulowania palety kolorów ani zakresu temperatur. Utwórz punkt o znanej emisyjności, sprawdź temperaturę odbitą i wykonaj pomiar ponownie. To zwykle usuwa największe źródło błędu szybciej niż jakakolwiek późniejsza korekta termogramu.