ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑ : ΘΕΩΡΙΑ

Θερμογραφία είναι η τέχνη και επιστήμη της λήψης, αποθήκευσης και επεξεργασίας θερμικών προτύπων, από την επιφάνεια υλικών, διατάξεων, μηχανών και συστημάτων, με συγκεκριμένο χρηστικό περιεχόμενο. Απαιτείται ειδικός εξοπλισμός, γνώση, εμπειρία και διαίσθηση μηχανικού, για την εκπλήρωση των απαιτήσεων λήψης Διαγνωστιικών Αποτελεσμάτων με Θερμογραφία

ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ : ΟΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ

Η αρχή στην οποία βασίζεται η υπέρυθρη θερμογραφία προέρχεται από το φυσικό φαινομένο, με βάση το οποίο: κάθε σώμα θερμοκρασίας υψηλότερης από το απόλυτο μηδέν (-273.15 °C) εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Επιπλέον υπάρχει απευθείας συσχέτιση ανάμεσα στη θερμοκρασία της επιφάνειας των σωμάτων και στην ένταση καθώς και το φασματικό περιεχόμενο της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Συνεπώς, καθορίζοντας την ένταση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, από την επιφάνεια των σωμάτων, είναι εφικτό να προσδιοριστεί η θερμοκρασία τους, χωρίς επαφή.

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ανήκει στο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που άμεσα γειτνιάζει με το μήκος κύματος του ερυθρού  φωτός, που είναι η πλέον μακρού κύματος περιοχή του ορατού φωτός. Η φασματική περιοχή των υπερύθρων ξεκινά περίπου  από τα 760nm και επεκτείνεται έως το μήκος κύματος του 1 mm. Για σκοπούς μέτρήσεων, ωστόσο, η περιοχή έως τα 20 µm έχει τη μέγιστη σημασία.

Στο μέσο του 19ου αιώντα, ανακαλύφθηκε ότι η εκπομπή θερμότητας και άλλων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, όπως του ορατού φωτός ή των ραδιοφωνικών κυμάτων, ήταν ως προς τη φύση τους παρόμοιες. Στη συνέχεια ανακαλύφθηκαν οι νόμοι της ακτινοβολίας απο τους ΚΙΡΚΟΦ, ΣΤΕΦΑΝ, ΜΠΟΛΤΣΜΑΝ, ΒΙΝ και ΠΛΑΝΚ. 

Από τα μέσου του 20ου αιώνα, έγιναν εντατικές και επιτυχημένες εργασίες στην υπέρυθρη τεχνολογία, για στρατιωτικούς σκοπούς. Έτσι και με κάποια χρονική και τεχνολογική υστέρηση, δημιουργήθηκαν τα πρώτα θερμογραφικά συστήματα, κατά την δεκαετία του '60, για μη στρατιωτικούς σκοπούς. Παράλληλα αναπτύχθηκε και η πυρομετρία και αντίστοιχα μεγάλη ποικιλία συσκευών - έτσι έγινε η πλέον διαδεδομένη στις βιομηχανικες εφαρμογές.

Τα διάφορα σώματα, στον πραγματικό κόσμο, εμφανίζουν σημαντικές διαφοροποιήσεις, ως προς την ικανότητα τους να εκπέμπουν ακτινοβολία. Κατά συνέπεια θεωρήθηκε χρήσιμο να δημιουργηθούν - καταρχήν - απλοποιημένοι νόμοι "σώματος μοντέλου", με ιδανικές ιδιότητες εκπομπής και στη συνέχεια να εφαρμοστούν  στα πραγματικά σώματα. Το "σώμα μοντέλο" είναι γνωστό στη φυσική της ακινοβολίας ως "μέλαν σώμα". Ξεχωρίζει από την ικανότητα του να εκπέμπει την πλέον ισχυρή ακτινοβολία, από οποιοδήποτε άλλο σώμα έχει την ίδια επιφανειακή θερμοκρασία.

Η φασματική κατανομή ακτινοβολίας, του μέλανος σώματος, περιγράφεται από τον ακόλουθο νόμο της ακτινοβολίας του ΠΛΑΝΚ:

Οι παραπάνω καμπύλες δείχνουν ότι η φασμαστική σύσταση μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία του σώματος. Για παράδειγμα, σώματα με θερμοκρασία υψλότερη των 500°C εκπέμπουν ακτινοβολία και σε μήκη κύματος που ανήκουν στο ορατό φάσμα. Επιπλέον, η ένταση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, σε δοσμένο μήκος κύματος, αυξάνεται με την άνοδο της θερμοκρασίας.

Ο νόμος της ακτινοβολίας του ΠΛΑΝΚ απεικονίζει τις θεμελιώδεις συναρτήσεις για τη μέτρηση θερμοκρασίας χωρίς επαφή. Εξαιτίας της αφηρημένης του φύσης δεν είναι απευθείας εφαρμόσιμος, σε αρκετούς πρακτικούς υπολογισμούς. Από την άλλη πλευρά, αρκετοί επιπλέον συσχετισμοί είναι δυνατό να προέλθουν από αυτόν - δύο απο αυτούς θα αναφερθούν, σε συντομία, παρακάτω.
 

Για παράδειγμα, με ολοκλήρωση της έντασης της φασματικής κατανομής ακτινοβολίας, για όλα τα μήκη κύματος, λαμβάνεται η τιμή της συνολικά εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, από την επιφάνεια του μέλανος σώματος. Η συσχέτιση αυτή εκφράζεται από τον νόμο ΣΤΕΦΑΝ - ΜΠΟΛΤΣΜΑΝ.

Εφόσον η υπέρυθρη θερμογραφία είναι διεργασία "μη-επαφής", η υπέρυθρη ακτινοβολία απαιτείται να μεταδοθεί σε κάποια απόσταση, ανάμεσα στο προς μέτρηση αντικείμενο και στην μετρητική διάταξη. Κατά συνέπεια το μέσο διάδοσης είναι εφικτό να έχει επίδραση στο αποτέλεσμα της μέτρησης. Στις πιο πολλές περιπτώσεις το μέσο είναι ο αέρας, αλλά είναι δυνατό να είναι και άλλα μέσα, όπως π.χ. συμβαίνει στα υπέρυθρα παράθυρα. Στην περίπτωση του αέρα, υπάρχουν συσταστικά, όπως οι υδρατμοί και το διοξείδιο του άνθρακα, τα οποία επηρεάζουν τη διαπερατότητά του από την υπέρυθρη ακτινοβολία.

Φασματική διαπερατότητα αέρα (10 μ, 25 °C, 1013 mbar, 85% σχετική υγρασία)

Ο βαθμός διαπερατότητας είναι έντονα σχετισμένος με το μήκος κύματος. Περιοχές υψηλής απόσβεσης εναλλάσσονται με περιοχές υψηλής διαπερατότητας (οι σκιασμένες), τα λεγόμενα ατμοσφαιρικά παράθυρα. Ενώ η διαπερατότητα στην περιοχή (8...14) µm,  δηλ. το μακρού κύματος ατμοσφαιρικό παράθυρο, παραμένει σταθερά υψηλή για μεγάλες αποστάσεις, στο μεσαίο μήκος κύματος (3...5) µm παρατηρείται μετρήσιμη απόσβεση, σε μερικές δεκάδες μέτρα.

Το μέλαν σώμα είναι απαραίτητο, ως ραδιομετρικό μοντέλο, για τους θεμελιώσεις νόμους. Εφόσον όμως τα πραγματικά σώματα προς μέτρηση διαφέρουν ουσιαστικά (περισσότερο ή λιγώτερο) από το μέλαν σώμα, είναι απαραίτητο αυτό να ληφθεί υπόψη στις μετρήσεις. Ιδιαίτερα χρήσιμος για αυτό τον σκοπό είναι ο συντελεστής εκπομπής, που είναι το μέτρο της ικανότητας σώματος να εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία και για το μέλαν σώμα έχει τη μέγιστη και σταθερή τιμή 1 και δεν επηρεάζεται από το μήκος κύματος.

Σε αντίθεση με αυτό, ο συντελεστής εκπομπής των πραγματικών σωμάτων μπορεί να επηρεάζεται λιγώτερο ή περισσότερο από το μήκος κύματος, αλλά και από άλλους παράγοντες, όπως:

• Σύσταση μετάλου
  
• Οξείδωση πάνω στην επιφάνεια
  
• Τραχύτητα επιφάνειας
  
• Γωνία ως προς την επιφάνεια μέτρησης
  
• Θερμοκρασία
• Βαθμός πόλωσης
  

 'Ενα πλήθος από μη-μεταλλικά σώματα - τουλάχιστον στην φασματική περιοχή του μακρού κύματος - εμφανίζουν υψηλό και σχετικά σταθερό συντελεστή εκπομπής, ανεξάρτητα από την υφή της επιφάνειας. Μερικά από αυτά είναι το ανθρώπινο δέρμα, όπως και τα περισσότερα ανόργανα υλκά κτιρίων  και επιστρώσεων.

Φασματικός συντελεστής εκπομπής ορισμένων μη μεταλλικών υλικών (βερνίκια, γύψος, τσιμέντο, chamotte) 

Αντίθετα, τα μέταλα έχουν γενικά χαμηλό συντελεστή εκπομπής, ο οποίος είναι σημαντικά εξαρτημένος από τις ιδιότητες της επιφάνειας και μειώνεται με την αύξηση του μήκους κύματος.

Φασματικός συντελεστής εκπομπής μετάλων (Ασήμι, Χρυσός, Πλατίνα, Ρόδιο, Χρώμιο, Ταντάλιο, Μολυβδένιο) και άλλων καθαρών μετάλων (Γραφίτης, Σελένιο, Αντιμόνιο)

Norbert Schuster, Valentin Kolobrodov
Infrarotthermographie
WILEY-VCH Verlag, Berlin 2000, ISBN 3-527-40130-X 


Stahl, K.; Miosga, G.
Infrarottechnik
Hüthig Verlag, Heidelberg 1986


Glückert, Udo
Erfassung und Messung von Wärmestrahlung
Franzis Verlag, München 1992
ISBN 3-7723-6292-3


Wissensspeicher Infrarottechnik
Fachbuchverlag, Leipzig 1990, ISBN 3-343-00498-7


/5/ Walther, L.; Gerber, D.
Infrarotmeßtechnik
Verlag Technik, Berlin 1983


Wolfe, W.L.; Zissis, G.J.
The infrared handbook
Office of Naval Research, Washington 1978


The infrared and electro-optical systems handbook
SPIE Optical Engineering Press, Washington 1993


Lieneweg, F.
Handbuch der technischen Temperaturmessung
Vieweg Verlag, Braunschweig 1976


Touloukian, Y.S.; DeWitt, D.P.
Thermophysical properties of matter
Vol.8: Thermal radiative properties - Metallic elements and alloys
Vol.9: Thermal radiative properties - Nonmetallic solids
IFI/Plenum, New York and Washington 1972


Technische Temperaturmessungen - Strahlungsthermometrie
VDI/VDE-Richtlinie 3511, Fachausschuß 2.6 Technische Temperaturmessung
in VDI/VDE-Handbuch Meßtechnik I, Juni 1993


Gaussorgues, G.
Infrared Thermography (Microwave Technology Series 5)
Chapman & Hall, 1994, London
ISBN 0412479001

Πηγή : Infratec GmbH

Copyright για την Ελληνική Γλώσσα: Αχιλλέας Χριστοδουλίδης - Διεύθυνση Iristem Engineering