Dziś jest piątek, 18 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8638 -0.76% 1EUR 4.2849 -0.28% 1GBP 4.9456 -0.31%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
Siemensa buduje fabrykę dla Przemysłu 4.0 w Polsce
więcej
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
więcej
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
3 grudzień 2010.

Termowizja w podczerwieni w badaniach obiektów zabytkowych

Termowizja to metoda pomiaru natężenia promieniowana podczerwonego w zakresie średniofalowym 3-5 µm (MWIR - ang. Medium Wave Infrared Radiation) lub 8-12 µm (LWIR - ang. Long Wave Infrared Radiation), w sposób bezstykowy i nieinwazyjny za pomocą kamery termowizyjnej. Promieniowanie zależy od temperatury badanego obiektu, co oznacza, że w sposób pośredni termowizja może być wykorzystywana do oceny stanu cieplnego badanej struktury, w tym do określenia wartości temperatury. W technikach termowizyjnych niezbędna jest znajomość emisyjności badanego obiektu, której wartość zmienia się w zakresie 0-1 i która określa zdolność badanej powierzchni do emisji promieniowania przy uwzględnieniu stanu powierzchni (chropowatości), rodzaju materiału, z jakiego jest wykonana, oraz długości fali promieniowania, w jakim działa aparatura termowizyjna [1-2]. Im większa wartość współczynnika emisyjności, tym wię- cej energii emituje badany obiekt i tym bardziej kontrastowy jest obraz termowizyjny.

Czułość typowej współczesnej kamery termowizyjnej ma wartość poniżej 0,1ºC, co oznacza, że można rozróżnić punkty obrazu, których temperatura różni się o 0,1ºC. Nie jest to równoważne z dużą dokładnością sprzętu termowizyjnego. Minimalny błąd pomiaru temperatury za pomocą kamery termowizyjnej w warunkach laboratoryjnych osiąga typową wartość 2%, co przy zakresie pracy kamery, np. 0-100ºC, oznacza wartość na poziomie 2ºC. Na szczęście, w badaniach obiektów zabytkowych (i nie tylko) bezwzględna wartość temperatury nie jest tak istotna. Bardziej użyteczna jest różnica temperatury między wybranymi obszarami obrazu, a ta wynika nie z dokładności aparatury, lecz z jej czułości [2,6]. Już na początku XX w. dzięki odkryciom M. Plancka, nauka dowiodła, że każde ciało w temperaturze powyżej 0 K (-273,16ºC), emituje energię w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Im wyższa temperatura, tym więcej energii promienistej dociera do kamery termowizyjnej. W kamerze energia ta jest przeliczana na wartości temperatury i wyświetlana w postaci kolorowego obrazu. Kamery są produkowane w wersji z detektorem niech łodzonym i chłodzonym.

W badaniach stosowane są głównie dwie metody termowizji pasywnej i aktywnej. Metoda termowizji pasywnej (statycznej) polega na pomiarze własnego promieniowania obiektu, które jest zróżnicowane z powodu zarówno różnej wartości temperatury jak i emisyjności badanej powierzchni [1]. Termowizja aktywna, czasem zwana synchronicznąlub dynamiczną, polega na dostarczeniu do badanego obiektu energii w postaci impulsów cieplnych (fali cieplnej), które ogrzewająstrukturęna powierzchni i na niewielkiej głębokości [2,6].

TERMOWIZJA PASYWNA (STATYCZNA)

Termowizja statyczna zwana także pasywną polega na pomiarze rozkładu temperatury lub współczynnika emisyjności obiektu w warunkach ustalonych lub quasiustalonych, tzn. gdy temperatura nie zmienia swej wartości. W badaniach m.in. zabytków, których wielkość i masa są znaczne, łatwo osiągnąć warunki stałej temperatury obiektu niezależnie od warunków otoczenia. Należy podkreślić, że poziom promieniowania podczerwonego, zarówno w zakresie średniofalowym i długofalowym zależy istotnie od wielu parametrów obiektu, co może być wykorzystane do rozróżniania składu materiałowego, okresu jego wykonania, stanu zniszczenia, itd.
Do podstawowych czynników na pomiar termowizyjny należy [1,6]:
• stan powierzchni i wartość współczynnika emisyjności (chropowatość),
• skład materiałowy badanego obiektu,
• temperatura,
• poziom wilgoci, np. muru,
• zawartość organizmów żywych, takich jak bakterie czy grzyby,
• procesy chemiczne i biologiczne, np. fermentacja czy gnicie.

Ponadto należy zauważyć, że większość badanych obiektów ma strukturę warstwową, a to może oznaczać, że warstwy wewnętrzne, często o większej grubości mogą mieć wpływ na rozkład temperatury na powierzchni obiektu. W termicznych stanach quasiustalonych, pojemno śćcieplna warstw wewnętrznych wpływa bez wątpienia na wyniki pomiarów termowizyjnych powierzchni obiektów zabytkowych. Pojemność cieplna materiałów zależy głównie ciepła właściwego i gęstości materiału. Tak, więc gęste i cieplnie pojemne podłoża akumulują ciepło przez długi czas, co objawia się, zwiększoną temperaturą długo po zaniku czynnika grzejącego.

MUROWANE OBIEKTY ARCHITEKTONICZNE

Badania termowizyjne obiektów architektonicznych mogą przebiegać zgodnie z poniższych schematem. Nagrzany za dnia promieniowaniem słonecznym obiekt, jest badany nocą, przy niskiej wartości temperatury otoczenia w celu uwidocznienia wewnętrznych warstw, np. przemurowań lub muru, który jest pod tynkiem i został wykonany z różnych materiałów (rys. 1).


Rys. 1. Obraz optyczny i termowizyjny z widocznym wątkiem ceglanym i innymi szczegółami architektonicznymi

Przykładowe badania termowizyjne przeprowadzono w Kościele NMP na zamku w Malborku w ramach pracy badawczej [1]. Na rysunku 2 pokazano obrazy optyczne i termowizyjne zarejestrowane jednocześnie. Badanie termowizyjne uzupełniono badaniami refektometrycznymi w różnych przedziałach widmowych światła widzialnego i w bliskiej podczerwieni. Na obrazie uzyskanym przy użyciu fltru, który przepuszcza widzialne promieniowanie wspólnych kolorze niebieskim, uwidocznił się detal inskrypcji niewidoczny na innych obrazach (tzw. zacheuszek). Informacja ta może być wykorzystana do oceny składu materiałowego polichromii.


Rys. 2. Polichromia widoczna w różnych przedziałach widma
a) podczerwień 3-5µm, b) podczerwień 0,9 µm,
c) pasmo widzialne - fltr niebieski

System służy zarówno do badań obiektów zabytkowych za pomocą termowizji pasywnej jak i aktywnej. Ponadto, system ten można zastosowań badań metod ą refektometrii spektralnej zakresie podczerwieni LWIR (8-12 µm), bliskiej podczerwieni (NIR 0,9 µm - Near Infrared Radiation) i w trzech podpasmach świat ła widzialnego: czerwonym (R), zielonym (G) i niebieskim (B).

Ostatnio (kwiecień 2009 r.) przeprowadzono badania kościoła w Górze Św. Małgorzaty koło Łęczycy, które przyniosły obiecujące rezultaty [2]. Budowla ta jest obecnie pod opieką konserwatorską archeologów z Uniwersytetu Łódzkiego. Za pomocą badań termowizyjnych w zakresie długofalowym przy użyciu kamery bolometryczenej, niechłodzonej uwidoczniono konstrukcje podtrzymujące sklepienia niewidoczne od strony wewnętrznej (rys. 3).


Rys. 3. Termogramy sklepień - widoczne elementy konstrukcyjne, kościół w Górze Św. Małgorzaty koło Łęczycy [2]



BADANIA STATYCZNE OBIEKTÓW DREWNIANYCH


Rys. 4. Larwa owada poza obiektem drewnianym, termogram wykonany za pomocą kamery średniofalowej MWIR, 3-5 µm

Przeprowadzono pierwsze próby lokalizacji w drewnie larwy owadów (spuszczela i kołatka tzw. drewnojadów) [3-5]. Dokonując obserwacji poza obiektem drewnianym, stwierdzono, że larwa owada jako organizm zmiennocieplny, szybko przystosowuje swoją temperaturę do temperatury otoczenia i jest praktycznie niewidoczna na obrazie termowizji pasywnej. Niewielka zmiana temperatury (zarówno w górę jak i w dół) pozwala zobaczyćlarwępoprzez czas konieczny by zmieniła ona temperaturę (rys. 4). Umieszczenie larwy pod warstwą drewna nie pozwala już na uzyskanie obrazu termowizyjnego. Dlatego też wydaje się, że metoda termowizyjna na obecnym etapie nie może być użyteczna do wykrywania obecnych w drewnianych rzeźbach larw owadów.

Wykonane obliczenia w programie ANSYS ® do symulacji zjawisk fzycznych, m.in. cieplnych, pozwoliły optymistycznie zapatrywać się na możliwość obserwacji obiektu znajdującego się wewnątrz obiektu drewnianego mającego temperaturęwyższąod otoczenia. Przeprowadzone próby wykazały, że różnica temperatury obiektu na głębokości ok. 5 mm. musi wynosić, co najmniej 3°C, by można było zaobserwować zmianę temperatury na powierzchni obiektu drewnianego [3]. Większa różnica temperatury wywołuje większy kontrast termiczny na powierzchni (rys. 5).


Rys. 5. Zmiany temperatury na powierzchni badanego obiektu, drewniana deska z orzecha o wymiarach 15x10x1 cm

TERMOWIZJA DYNAMICZNA - AKTYWNA


Rys. 6. Koncepcja metody fali cieplnej i system termowizyjny do dynamicznych badań obiektów zabytkowych [1]

Zgodnie z wcześniej przedstawioną koncepcją termowizji aktywnej, do badanego obiektu należy dostarczyć energii zmiennej w czasie - w formie pojedynczego impulsu, ciągu impulsów lub periodycznie zmieniają- cego się pobudzenia. źródłem zmiennej w czasie energii może być lampa na podczerwień o bardzo wysokiej mocy. Energię można dostarczać też w inny sposób, np. konwekcyjny za pomocą strumienia ciepłego powietrza.

W ramach wspólnych prac badawczych Instytutu Elektroniki Politechniki Łódzkiej i Instytutu Zabytkoznawstwa i Konserwatorstwa, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, wykonano multispektralny system komputerowy do badań optycznych i termicznych obiektów zabytkowych (rys. 6) [1-2]. System służy zarówno do badań w zakresie termowizji pasywnej jak i aktywnej, oraz w trzech pasmach światła widzialnego. Do systemu podłączony jest sterowany komputerem optyczny generator promieniowania podczerwonego o wysokiej mocy (4 kW) do badań za pomocą termowizji aktywnej.

 MUROWANE OBIEKTY ARCHITEKTONICZNE


Rys. 7. Obraz optyczny modelu muru, pojedyncza klatka z sekwencji termowizyjnej 300 obrazów z linią, wzdłuż której wyznaczany jest rozkład temperatury [2]

Nowe możliwości zastosowania termowizji w badaniach zabytków niesie termowizja aktywna, wspomagana analizą częstotliwościową (rys. 8-9). Jako przykład zastosowania metody fali cieplnej w badaniach obiektów architektonicznych przedstawiono badania modelu muru średniowiecznego wykonanego z materiałów z zamku w Malborku [1]. Badania przeprowadzono dostarczając do badanego obiektu energię w postaci promieniowania o częstotliwości ok. f=0,1 Hz. Zarejestrowano 300 obrazów z okresem T=0,5 s i poddano je analizie częstotliwo ściowej. Jedną z metod analizy sekwencji termogramów uzyskanych przy periodycznym pobudzeniu badanego obiektu jest analiza częstotliwościowa. Dla każdego ciągu obrazów uzyskuje się obraz amplitudy i fazy dla wybranej składowej częstotliwości widma sygnału. W każdym punkcie obrazu można wyznaczyć sygnały harmoniczne, w tym wartość amplitudy i fazy dla częstotliwości równej częstotliwości pobudzenia energetycznego f=0,1 Hz (rys. 7-8). Wyniki pokazały, że można "zajrzeć" do wnętrza struktury i zobaczyć warstwy ukryte pod zewnętrzną pow łoką malarską lub tynkiem [1-2,6].


Rys. 8. Wynik analizy częstotliwościowej, f = 0,1Hz, 15-ta harmoniczna (amplituda po prawej, faza po lewej stronie) [2]

BADANIA DYNAMICZNE OBIEKTÓW DREWNIANYCH

Podjęto próbę zastosowania termowizji dynamicznej do analizy przemalowań na powierzchni obiektów drewnianych. Celem sprawdzenia możliwości wykorzystania technik termowizyjnych do analizy przemalowań przeprowadzono badania na obiektach modelowych. Na deski nakładano podkład klejowo wapienny, a po jego wyschnięciu na deskach malowano literę T (rys. 9). Stosowano różne rodzaje farb: akrylową, olejną, akwarele i temperę. Tak przygotowane próbki po wyschnięciu dokładnie zamalowywano olejną lub akrylową farbą maskującą. Suche deski poddawano analizie metodą aktywnej termowizji. Na powierzchnię deski (gdzie został zamalowana li- tera T) kierowano strumieńcieplny z generatora, a następnie zapisywano sekwencję obrazów w czasie stygnięcia. Doświadczenia miały na celu ustalenie czy zamalowane powierzchnie pobudzone termicznie objawiają swoją obecność na powierzchni badanego obiektu.



Rys. 9. Obraz termowizyjny stygnięcia drewna, gdy literęT namalowano farbą olejną, a następnie zamaskowano farbą akrylową

Pozytywne rezultaty uzyskano jedynie, gdy litera T była namalowana farbą olejną (czarną, czerwoną lub żółtą) i zosta ła przykryta białą farbą akrylową [6]. Uzyskane termogramy wykazują istnienie namalowanego na desce znaku rozpoznawczego (rys. 9). Farba olejna dzięki swojej większej emisyjności jest bardziej widoczna dla kamery termowizyjnej niż farba akrylowa. Rodzaj koloru (użytego pigmentu) wpływa na mniejszą lub większą wykrywalność zamalowanego znaku. Farba olejna tworzy warstwę gładką, jakoby polerowaną, świecącą, a farba akrylowa czy akwarela - warstwę chropowatą, bardziej matową. Na uzyskane termogramy miał wpływ współczynnik emisyjności poszczególnych warstw, tworzących strukturębadanego modelu.

 OBIEKTY METALOWE

Termowizję dynamiczną zastosowano do badania zabytkowych mieczy posiadających na swoich ostrzach inskrypcj ępraktycznie niedające sięodczytać. Korozja metalu spowodowała zatarcie znaków, a próba usunięcia skorodowanej warstwy mogła spowodować nieodwracalne zmiany, które nie pozwalają zidentyfkować istniejący napis.
Do badań wykorzystano:
• nowoczesną kamerę termowizyjną Titanium® frmy Cedip pracującą w krótkofalowym zakresie podczerwieni (3 - 5 µm)
• generator fali cieplnej o mocy 2 kW
• komputer wyposażony w oprogramowanie Thermlyzer, AltairLI oraz GIMP.


Rys. 10. Miecz średniowieczny badany metodątermowizji aktywnej

Rys. 11. Wynik progowania termogramu

Rys. 12. Obraz fazy po przekształceniu FFT dla częstotliwości 0,001 Hz

Każdy miecz (rys. 10) był ogrzewany do temperatury około 50°C przy pomocy generatora fali cieplnej. Po wyłączeniu generatora była rejestrowana sekwencja obrazów termowizyjnych stygnącego miecza przy użyciu kamery Cedip Titanium. Czas rejestracji wynosił 4 minuty.

Za pomocą analizy częstotliwościowej otrzymano obrazy amplitudowe i fazowe dla różnych częstotliwości. Wybór częstotliwości analizy jest kwestią kluczową tej metody. Generalnie im większy jest badany obiekt, tym większa jest jego pojemnośćcieplna, a co za tym idzie jego termiczna stała czasowa. Ponadto wartość przewodności cieplnej, dokładniej dyfuzyjności materiału determinuje głębokość fali cieplnej. Generalnie im mniejsza częstotliwo ść pobudzenia termicznego, tym głębiej fala cieplna wnika i penetruje badaną strukturę. Przy badaniu dużych obiektów, takich jak miecze, o stosunkowo dużej wartości przewodności termicznej (zbliżonej do żelaza) do analizy wybrano częstotliwości za zakresu 0,001 - 0,01 Hz.

Wybrane wyniki analizy przedstawiono na rys. 11 i 12. Pierwszy z nich (rys. 11) to efekt prostego progowania jednego termogramu w dużej liczącej kilkaset termogramów sekwencji. Wybór określonego obrazu nie jest łatwy. Dokonuje się go najczęściej ręcznie, przeglądając ramka po ramce całą sekwencję. Lepsze wyniki daje analiza częstotliwościowa, która wykorzystuje wszystkie obrazy sekwencji. Na rys. 12 przedstawiono rozkład fazy dla częstotliwości f=0,001 Hz. Obrazy po przekształceniach mogą być cenną wskazówką dla konserwatorów i historyków sztuki przy rekonstrukcji i badaniach naukowych.

PODSUMOWANIE

Termowizja w zakresie badania obiektów wykonanych z różnorodnych materiałów może być wykorzystywana w szerokim zakresie a jej niepodważalne przedstawiono poniżej.
• Nieniszczący, nieinwazyjny, bezpieczny dla obiektu sposób działania.
• Możliwość rozpoznawania struktury obiektu bez konieczności zdejmowania kolejnych warstw lub wykonywania przekrojów.
• Możliwość lokalizacji miejsc o zmienionej strukturze występujących pod warstwa wierzchnią, np. określenie miejsc podlegających korozji chemicznej lub biologicznej.
• Określanie dzięki znajomości rodzaju materiału przeprowadzonych wcześniej w obiekcie zmian związanych np. z konserwacją oraz czasu ich wykonania.
• W przypadku obiektów architektonicznych zwiększenie pola obserwacji obejmującego przestrzenie poza odkrywkami podtynkowymi skutkujące uzyskaniem dokładniejszego obrazu stratygrafi murów a także możliwość selektywnego stosowania odkrywek wyłącznie w miejscach węzłowych wytypowanych na podstawie analizy obrazu termowizyjnego.

Przedstawiono powyżej niektóre z szerokiego wachlarza możliwości i zalet techniki termowizyjnej. Po okresie wykorzystywania termowizji głównie do celów wojskowych weszliśmy w okres znacznie szerszego cywilnego jej zastosowania, a zwłaszcza w medycynie, budownictwie, różnych gałęziach przemysłu oraz w badaniach obiektów zabytkowych. W przypadku tej ostatniej dziedziny, przed nami jeszcze konieczność wykonania wielu doświadczeń, przebadania wielu obiektów oraz dalsza praca nad udoskonaleniem aparatury i stosowanego oprogramowania. Szczególnie obiecujące jest wykorzystywanie termowizji dynamicznej przy odpowiednio dopasowanym przekazywaniu i odbieraniu energii od analizowanego obiektu.

Oczywiście prace termowizyjne nie mogą być oderwane od tradycyjnych działań konserwatorów zabytków, archeologów i historyków sztuki. Stosowanie różnych, wzajemnie uzupełniających się metod fzykochemicznej analizy dzieła sztuki oraz jej znajomości problematyki przez specjalistów z różnorodnych dziedzin może dać dobre rezultaty zarówno w odniesieniu do ich konserwacji, odczytania ich historii, stwierdzeniu autentyczności etc.

Literatura
1. M. Poksińska, B. Więcek, Nowe metody badań fzykochemicznych w diagnostyce konserwatorskiej zabytków sakralnych, KK nt. "Potrzeby Konserwatorskie Obiektów Sakralnych na Przykładzie Makroregionu Łódzkiego - stan, zagrożenia i możliwości przeciwdziałania", Łódź, 9-10.12.2005. str.39-50
2. B. Więcek, M. Felczak, "Metoda termografczna i jej zastosowanie w konserwacji obiektów zabytkowych, Zamek Wysoki w Malborku" - Interdyscyplinarne badania skrzydła północnego, pod red. M. Poksińkiej, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Muzeum Zamkowe w Malborku, 2006, str. 149- 160, ISBN 83-60518-00-9.
3. J. Perkowski, K. Murgrabia, B. Więcek, M. Wysoki, Zastosowanie technik termowizyjnych w badaniach drewnianych obiektów zabytkowych, Ochrona Drewna, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2007, XXIII Sympozjum Rogów 5 - 7 września 2007, str. 177 - 183.
4. T. Biegański, A. Krajewski, J. Perkowski, K. Rybka, M. Wysoki, "Z badań nad wykrywaniem owadów w drewnie za pomocą tomografi i termografi", Ochrona przed korozją, 10s/A/2003 numer specjalny PL ISSN 0473-7733 str. 15 - 19.
5. A. Krajewski, T. Jakubowska, J. Perkowski, M. Wysocki "Detekcja owadów w drewnie przy dezynsekcji tego materiału za pomocą promieni gamma". Postępy Techniki Jądrowej vol.45, z.4, str. 37 - 39, 2002.
6. B. Więcek, J. Perkowski, M. Wysocki "Zastosowanie termowizji do badań architektonicznych obiektów zabytkowych", Prace Instytutu Elektrotechniki 2010, zeszyt 245, str. 31 - 40, Warszawa LVII, ISSN-0032-6216.

Źródło: Nowa Elektrotechnika
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl