Aplikace
Historie
V roce 1800 objevil Sir William Herschel při hledání nového optického filtru pro snížení jasu obrazu v dalekohledu existenci infračervené části elektromagnetického spektra. Při zkoušení různých barevných skel, která velmi podobně snižovala jas, bylo zjištěno, že některými skly prochází málo slunečního tepla a jinými naopak hodně. Později bylo dokázáno, že sklo má pouze omezenou propustnost infračerveného (tepelného) záření, z čehož plyne závěr, že jako optické prvky pro infračervené záření lze používat pouze odrážející prvky (rovná a zakřivená zrcadla). V roce 1830 bylo objeveno, že krystaly kamenné soli dostatečně propouští infračervené záření. Kamenná sůl se používala jako hlavní materiál pro výrobu optických prvků až do roku 1930, kdy byla objevena technologie výroby syntetických krystalů. S výzkumem materiálů propustných pro infračervené záření se pokračovalo i s vývojem zařízení pro měření teploty. Běžné teploměry se používaly až do roku 1829, kdy došlo k vynálezu termočlánku, který byl několikanásobně citlivější. Další významný pokrok byl učiněn v roce 1880, kdy byl vynalezen bolometr. Toto zařízení se skládá z tenkého začerněného proužku platiny, který je připojen na galvanometr. Záření dopadající na platinový proužek zvyšuje jeho teplotu a tím měřitelnou změnu elektrického odporu.
K velkému rozvoji zařízení pro detekci infračerveného záření došlo v průběhu 1. sv. války. Jednalo se především o systémy pro detekci nepřátel, komunikaci a navádění torpéd. V období mezi 1. a 2. sv. válkou byly vynalezeny dva nové infračervené detektory: konvertor obrazu a fotonový detektor. O konvertor obrazu se ze začátku opět nejvíce zajímala armáda, protože umožňoval „vidět ve tmě“. Citlivost konvertoru obrazu byla omezena na blízké infračervené vlnové délky, a proto musely být cíle osvětleny infračervenými vyhledávacími paprsky a tím vzniklo nebezpečí, že poloha pozorovatele bude prozrazena podobně vybavenému nepříteli. Tím zájem armády o konvertor obrazu zanikl.
Po 2. sv. válce došlo k rozvoji „pasivních“ systémů (bez vyhledávacího paprsku). V té době zakazovaly vojenské bezpečnostní systémy zveřejňování informací o infračervené zobrazovací technice. K odtajnění došlo až v polovině padesátých let a od té doby jsou infračervené zobrazovací systémy k dispozici i civilnímu sektoru, vědě a průmyslu. První nevojenský, průmyslově použitelný termografický systém představila švédská firma AGA Infrared Systems v roce 1965.
Princip termovize
Každé těleso, jehož teplota je vyšší než teplota absolutní nuly vyzařuje elektromagnetické záření. Elektromagnetické spektrum je na základě úmluvy rozděleno podle vlnové délky na několik skupin, kterým se říká vlnová pásma. Neexistuje žádný rozdíl mezi vlnovými pásmy elektromagnetického spektra, u všech platí stejné fyzikální zákony a liší se pouze vlnovými délkami.
Termografie využívá pásmo infračerveného záření (IČ), které začíná na konci viditelného pásma a končí na hranici mikrovlnného pásma. Vlnové pásmo IČ záření se ještě dělí na čtyři menší pásma. Jsou to pásma:
blízké IČ (0,75-3 μm),
střední IČ (3-6 μm),
vzdálené IČ (6-15 μm),
velmi vzdálené IČ (15-100 μm).
Jak již bylo řečeno, závisí vlnová délka na teplotě, čím je teplota vyšší, tím je vlnová délka vydávaného záření kratší. Pokud zařízení umí snímat pásmo blízkého IČ, je nutno vždy snímaný objekt osvětlit IČ zářením. V závislosti na teplotě objektu potom dojde k různému odražení záření a k zachycení kamerou. Při tomto snímání lze použít podstatně jednodušší a levnější zařízení. Pokud se snímaná scéna ozařuje velmi krátkovlnným IČ zářením, jehož vlnová délka je řádově kratší, než vlnová délka vlastního IČ záření vydávaného snímanými tělesy, nemusí být snímače chlazené. Pokud zařízení umí snímat pásmo vzdáleného IČ záření, nemusí být snímaný objekt ozářen.
Okrajové podmínky při měření
V současné době se v IČ kamerách používají maticové snímací prvky CCD, které zobrazí teplotní pole v šedé nebo barevné škále. Je ale velice důležité si uvědomit, že IČ kamery neměří přímo povrchovou teplotu, ale že je povrchová teplota dopočítávána na základě změřeného IČ záření a okrajových podmínek zadaných přímo do kamery, popřípadě později do vyhodnocovacího programu. Tyto hodnoty se používají pro kompenzaci různých zdrojů záření a patří mezi ně:
emisivita povrchu
odražená teplota
vzdálenost mezi objektem a kamerou
relativní vlhkost a teplota vnějšího i vnitřního vzduchu
Pokud se chybně zadá emisivita povrchu nebo odražená teplota, může činit chyba měření až několik set procent. Emisivita a odražená teplota jsou dvě veličiny, které spolu úzce souvisí, čím je emisivita povrchu větší, tím se snižuje vliv odražené teploty a naopak. U povrchů s emisivtou 1 (absolutně černé těleso) se záření všech vlnových délek, které na těleso dopadnou, pohltí.
Ze vzdálenosti mezi objektem a kamerou a relativní vlhkosti se dopočítávají parametry atmosféry (tato hodnota se někdy uvádí jako propustnost atmosféry v %). Při dobré viditelnosti (bez mlhy) a pokud neprší, obdržíme při chybném zadání relativní vlhkosti nebo vzdálenosti mezi objektem a kamerou chyby v řádech procent, při mlze a dešti se ale chyba zvětšuje na desítky až stovky procent a měření prakticky nelze provádět, což je způsobeno tím, že voda není pro IČ záření transparentní.
Z uvedeného vyplývá, že bez zadání okrajových podmínek nelze z pořízeného termogramu odečíst skutečné povrchové teploty konstrukce.
