A termográfia elmélete

A termográfia, vagy hőtérképezés olyan mérési technikát jelent, amely a vizsgált felület hőmérsékleti eloszlásának távérzékeléses módszerrel történő kiértékelésén alapul. Lényege, hogy a termovíziós műszerek képesek a felszíni hőmérsékletek meghatározására a testek által kibocsájtott elektromágneses sugárzás teljes spektrumából az ún. infravörös tartomány mérésével. A következőkben a legfontosabb elméleti alapokat, és a kamera működésének megértéséhez szükséges törvényszerűségeket tárom fel.

Ismeretes, hogy minden test, az abszolút nulla fok feletti hőmérsékleten (0 °K vagy -273 °C) folyamatosan elektromágneses sugárzást bocsájt ki. Tehát minden földi tárgy sugárzásforrásnak tekinthető. Bár a sugárzás spektrális összetétele és erőssége a test anyagi minőségétől is függ, viszont általánosságban elmondható, hogy a kisugárzott energia nagyságát legnagyobbrészt a felszíni hőmérséklet határozza meg. Ezt a függvénykapcsolatot a Stefan-Boltzmann-féle törvény írja le:

W = σ * T4 ,

ahol

W = a sugárzó test 1 m2-nyi felületéről 1s alatt kisugárzott összenergia a teljes hullámhossz-tartományban [W/m2]

σ = Stefan-Boltzmann állandó, 5,6697*10-8 [Wm-2°K-4]

T = a kibocsátó anyag abszolút hőmérséklete [°K]

Fontos megjegyeznünk, hogy a képlet az elméleti, úgynevezett fekete testre vonatkozik. A fizika azokat az objektumokat nevezi így, amelyek az összes ráeső sugárzást képesek elnyelni és visszasugározni a sugárzás hullámhosszától függetlenül. A tárgyak a valóságban csak megközelítik ezt az állapotot.

A hőmérséklet nagysága azonban nem csak a kisugárzott energia nagyságát, de a sugárzás spektrális eloszlását is meghatározza. Kimondható, hogy minél nagyobb a sugárforrás hőmérséklete, annál rövidebb hullámhosszon éri el a sugárzás maximumát. Ezt az értéket a Wien-féle eltolódási törvény alapján számolhatjuk ki:

λmax = A / T,

ahol λmax = a maximális spektrális sugárzás hullámhossza [μm]

A = 2898 [μm°K] T = abszolút hőmérséklet [°K]

A nap egy 6000 °K átlaghőmérsékletű fekete testhez hasonló sugárzású fényforrás, sugárzási maximuma 0,5 μm körüli, vagyis éppen a látható fény intervallumának közepére esik. Egy 300 °K-os fekete test (27 °C, ami Föld felszíni anyagainak átlagos hőmérséklete), a legnagyobb energiát 9,7 μm-es hullámhosszon sugározza ki. Ezt a sugárzást csak speciális eszközökkel észlelhetjük, például hőkamerával, amely jellemzően 2- 13 μm-es tartományban mér. A klasszikus értelemben vett termális infravörös sáv a 10-102 μm-es nagyságrendű tartományt jelenti.

Spektrális tartományok

Eddig fekete test sugárzókról volt szó, a valós tárgyak azonban csak bizonyos mértékben viselkednek fekete testként. Három tényező módosítja leginkább a sugárzási folyamatokat: a test a hullámhossz függvényében a ráeső sugárzás α hányadát elnyeli (abszorpció), ρ hányadát visszaveri (reflexió), és τ hányadát átereszti (transzmisszió). Tehát az összes bejövő sugárzást egységnyinek véve α + ρ + τ = 1. Ha egy testet átlátszatlannak feltételezünk, egyenletünk α + ρ = 1 formájúra egyszerűsödik.

Egy tárgy hőmérsékletének meghatározásához az említett összefüggéseken kívül szükség van a tárgy fajlagos emissziójának (ε) meghatározására is. Ez egy 1-nél kisebb tényező, amelyet úgy kaphatunk meg, ha az adott tárgy által kisugárzott spektrális energiát egy azonos hőmérsékletű, fekete test által kibocsájtott energiamennyiséghez viszonyítjuk. Ha az adott tárgy emissziós tényezője a hullámhossztól független, szürke testnek nevezzük, ha ε a hullámhosszal változik, szelektív sugárzó testtel van dolgunk. Ezek alapján a fekete testhez képest egy valós testre az energia és a hőmérséklet kapcsolata a Stefan-Boltzmann törvényhez képest a fajlagos emisszióval módosul, vagyis:

W = ε * σ * T4 ,

ahol a Stefan-Boltzmann törvényben alkalmazott jelöléseken kívül

ε = spektrális fajlagos emisszió

A termográfiai mérés során a kamera nemcsak magáról a tárgyról származó sugárzást érzékeli, hanem bizonyos mértékben összegyűjti a környezetből származó és a tárgy felületéről visszaverődő sugárzást is. A bejövő sugárzást egy rendkívül hőérzékeny szenzor rögzíti, és elektromos jellé alakítja, majd digitális állományként rögzíti memóriájában. A műszer képes a sugárzás levegőben történő terjedése során az energiaveszteség meglehetősen pontos becslésére (transzmissziós veszteség), illetve a reflektált sugárzás kiküszöbölésére. A mérés során törekednünk kell, hogy lehetőleg a merőlegeshez minél közelebbi szögben felvételezzük a felszínt.

Hőkamera

Végeredményben a test által kisugárzott energia mennyisége igen pontosan meghatározható, amiből a felszíni hőmérséklet is kiszámolásra kerül. Ehhez azonban a felhasználónak meg kell adni bizonyos paramétereket a kamera pontos működéséhez. A legfontosabbak a következők:

•A tárgy fajlagos kisugárzása (ε)

•Relatív páratartalom (Hrel)

•Atmoszférikus hőmérséklet (Tatm)

•Tárgy távolsága (Dobj)