Termowizja w podczerwieni. Podstawy i zastosowania
Bogusław Więcek, Gilbert De Mey
rok wydania: 2011
format: B5
stron: 372
oprawa: miękka
wydawnictwo: PAK
Wydawnictwo PAK wydało kolejną aktualną książkę z zakresu termowizji w podczerwieni, przygotowaną przez wybitnych specjalistów w tej dziedzinie: profesora Politechniki Łódzkiej Bogusława Więcka i profesora Gilberta De Meya z Uniwersytetu w Gandawie w Belgii. Jest ona efektem wspólnych długoletnich badań i wdrożeń w tej dziedzinie, realizowanych przez autorów.
Książka przedstawia w sposób logiczny i systematyczny złożoną i bogatą wiedzę z zakresu współczesnej termografii w podczerwieni. Jest to pierwsza w kraju książka o pogłębionym zakresie teorii, napisana w sposób ścisły, ale przystępny.
Autorzy przedstawili zarówno podstawy fizyczne termografii, techniki jej wykorzystania, kamery termowizyjne z uwzględnieniem detektorów, jak i przykładowe aplikacje w budownictwie, medycynie i diagnostyce. Omówione są wielkości wpływające na sygnał wyjściowy kamery, takie jak emisyjność obiektu, skład i wilgotność atmosfery oraz obecność innych ciał w otoczeniu. Książka zawiera kompendium wiadomości o zjawiskach fizycznych z dziedziny promieniowania elektromagnetycznego w zakresie podczerwieni, które powinien znać użytkownik kamery termowizyjnej. Zawiera podstawą wiedzę o właściwościach promiennych ciał oraz pomaga zrozumieć problematykę wymiany ciepła i powstawania pól temperatury. Książka zawiera wiele przykładów i odniesień do praktycznych pomiarów termowizyjnych wykonywanych w różnych warunkach otoczenia.
Przedstawione są prawa fizyki wykorzystywane w termowizji, oraz jej podstawy fizyczne, w tym falowy opis promieniowania EM, który umożliwił wyjaśnienie pojęcia emisyjność materiałów. Omówiony jest wpływ emisyjności na pomiar temperatury metodą termowizyjną, następnie budowa i działanie detektorów podczerwieni oraz kamer termowizyjnych, zarówno termicznych, niechłodzonych jak i fotonowych, chłodzonych. Opisane są parametry detektorów i kamer termowizyjnych oraz przedstawiona jest zasada pomiaru temperatury za pomocą kamery.
W książce znajduje się rozdział o budowie kamer termowizyjnych, który zawiera wiele informacji wynikających z doświadczeń jednego ze współautorów przy konstrukcji nowej kamery termowizyjnej. Opisane są problemy, jakie należało rozwiązać projektując i wdrażając do produkcji nową kamerę.
Książka przeznaczona jest dla specjalistów, chcących pogłębić podstawową wiedzę teoretyczną z zakresu termowizji, jak i dla Czytelników o zainteresowaniach technicznych, interesujących się najnowszymi metodami badań różnych obiektów. Będzie przydatna dla studentów, doktorantów inżynierów i użytkowników kamer, którzy stosują lub zamierzają je stosować w praktyce. Wymagający Czytelnicy znajdą w książce wiele równań opisujących zjawisko promieniowania i wielkości z nim związane.
SPIS TREŚCI:
Przedmowa 10
Spis oznaczeń 12
1. Podstawowe pojęcia 14
1.1. Wielkości fizyczne 14
1.1.1. Intensywność promieniowania 15
1.1.2. Luminancja energetyczna 16
1.1.3. Powierzchnia lambertowska 17
1.1.4. Egzytancja energetyczna 19
1.1.5. Natężenie napromieniowania 21
1.2. Ciało doskonale czarne i ciała rzeczywiste 23
1.2.1. Prawo Kirchhoffa 24
1.3. Prawa promieniowania 25
1.3.1. Prawo przesunięć Wiena 26
1.3.2. Aproksymacje Wiena i Rayleigha-Jeansa 27
1.3.3. Prawo Stefana-Boltzmanna 29
1.4. Promieniowanie w zakresie MWIR i LWIR 29
2. Podstawy fizyczne termografii 33
2.1. Kwantowa teoria promieniowania 33
2.1.1. Zjawiska powierzchniowe i objętościowe 33
2.1.2. Wybrane elementy fizyki statystycznej 33
2.1.2.1. Dyskretne poziomy energetyczne 33
2.1.2.2. Zasada zachowania masy i energii 34
2.1.2.3. Najbardziej prawdopodobny rozkład 34
2.1.2.4. Formuła Stirlinga 35
2.1.2.5. Rozkład Boltzmanna 36
2.1.3. Rozkład Boltzmanna zależny od temperatury 38
2.1.4. Gęstość stanów energetycznych 40
2.1.5. Równanie Plancka 43
2.1.6. Prawo Plancka jako funkcja długości fali 43
2.1.7. Strumień fotonów przenikających powierzchnię 44
2.1.8. Prawo Lamberta 46
2.1.9. Egzytancja energetyczna monochromatyczna 49
2.1.10. Podejście Einsteina 49
2.2. Wnioski wynikające z prawa Plancka 51
2.2.1. Prawo przesunięć Wiena 51
2.2.2. Prawo Wiena 53
2.2.3. Prawo Rayleigha-Jeansa 53
2.2.4. Prawo Stefana-Boltzmanna 53
2.2.4.1. Wyznaczenie wartości funkcji 54
2.2.4.2. Sumowanie ciągu 55
2.3. Prawo Stefana-Boltzmanna w ujęciu termodynamicznym 58
2.3.1. Pierwsza zasada termodynamiki w układzie T – V 58
2.3.2. Druga zasada termodynamiki w układzie T – V 59
2.3.3. Gaz doskonały w ujęciu termodynamiki 61
2.3.4. Gaz fotonowy w ujęciu termodynamiki 63
2.4. Przewodzenie ciepła i konwekcja 65
2.4.1. Uwagi ogólne 65
2.4.2. Przewodnictwo cieplne 65
2.4.3. Konwekcja 67
2.5. Radiacyjna wymiana ciepła pomiędzy ciałami doskonale czarnymi 68
2.5.1. Wprowadzenie 68
2.5.2. Radiacyjna wymiana ciepła między dwiema równoległymi płaszczyznami 69
2.5.3. Linearyzowana radiacyjna wymiana ciepła 70
2.5.4. Eksperymentalne potwierdzenie prawa Lamberta 71
2.5.5. Radiacyjna wymiana ciepła między nieskończenie małymi ciałami 74
2.5.6. Radiacyjna wymiana ciepła pomiędzy powierzchniami izotermicznymi 75
2.5.7. Radiacyjna wymiana ciepła w zamkniętej przestrzeni 76
2.5.8. Brzegowe równania całkowe 79
2.5.9. Linearyzowana radiacyjna wymiana ciepła 80
3. Właściwości promienne ciał 81
3.1. Objętościowa teoria promieniowania 81
3.1.1. Wprowadzenie 81
3.1.2. Podstawowe równania 82
3.1.3. Rozwiązanie dla stanu ustalonego 84
3.1.4. Linearyzacja problemu 86
3.1.5. Emisyjność ciała półnieskończonego 87
3.1.6. Współczynnik odbicia ciała półnieskończonego 89
3.1.7. Emisyjność cienkiej warstwy 91
3.2. Wymiana ciepła między powierzchniami szarymi 94
3.2.1. Radiacyjny przepływ ciepła z powierzchni szarej 95
3.2.2. Radiacyjna wymiana ciepła w zamkniętej przestrzeni szarej 96
3.2.3. Całkowe równanie brzegowe 97
3.3. Radiacyjna wymiana ciepła w termowizji 98
3.3.1. Wstęp 98
3.3.2. Analiza geometrii stożkowej 98
3.3.3. Bolometr sferyczny 101
3.3.4. Interpretacja fizyczna 102
3.4. Falowa teoria emisyjności 103
3.4.1. Wstęp 103
3.4.2. Równania Maxwella 103
3.4.3. Rozwiązanie równań Maxwella 104
3.4.4. Fala elektromagnetyczna w idealnym dielektryku 107
3.4.5. Emisyjność normalna dielektryka 108
3.4.6. Emisyjność kątowa dielektryka 111
3.4.7. Emisyjność ciał pochłaniających promieniowanie 115
3.4.8. Wpływ przewodności elektrycznej na emisyjności metali 120
3.4.9. Wpływ przewodności elektrycznej na emisyjności metali 124
3.4.10. Emisyjność całkowita 126
3.5. Emisyjność cienkich warstw 128
4. Właściwości transmisyjne atmosfery 131
4.1. Pochłanianie promieniowania w atmosferze 131
4.2. Wpływ wilgotności, temperatury i odległości na transmisję atmosfery w podczerwieni 133
4.3. Pochłanianie promieniowania przez gazy 142
4.4. Pochłanianie molekularne 144
4.5. Widmowy współczynnik transmisji atmosfery 150
5. Detektory podczerwieni 152
5.1. Parametry detektorów 153
5.2. Podstawy działania detektora termicznego 155
5.2.1. Radiacyjna wymiana ciepła w detektorze termicznym 155
5.2.2. Analiza czasowa 160
5.3. Wykrywalność detektora termicznego 164
5.3.1. Definicja temperatury 164
5.3.2. Rozkład Maxwella 165
5.3.3. Energia średnia 165
5.3.4. Rozkład prawdopodobieństwa energii 167
5.3.5. Wartość średnia energii 168
5.3.6. Wariancja energii 169
5.3.7. Temperatura jako zmienna losowa 170
5.3.8. Pojemność cieplna detektora 171
5.3.9. Fluktuacje temperatury 172
5.3.10. Moc równoważna szumowi 173
5.3.11. Chłodzenie detektora termicznego 176
5.3.12. Wykrywalność maksymalna detektora termicznego 177
5.4. Rodzaje detektorów termicznych 178
5.4.1. Detektory bolometryczne 178
5.4.2. Detektory piroelektryczne 179
5.4.3. Termopary radiacyjne 179
5.5. Podstawy działania detektora fotonowego 180
5.5.1. Działanie detektora fotonowego 181
5.5.2. Konstrukcja detektora fotonowego 184
5.6. Czułość detektora fotonowego 185
5.6.1. Liczba fotonów N 185
5.6.2. Całkowita liczba fotonów N(∞) 186
5.6.3. Przybliżenie N(λG) dla średnich długości fali 188
5.6.4. Przybliżenie N(λG) dla dużych długości fali 189
5.6.5. Dokładne wyznaczenie N(λG) 190
5.6.6. Wydajność kwantowa 191
5.6.7. Moc równoważna szumowi 191
5.6.8. Wykrywalność 194
5.6.9. Wykrywalność znormalizowana dla średnich długości fali 194
5.6.10. Przybliżenie wykrywalności znormalizowanej dla dużych wartości długości fali 195
5.6.11. Wykrywalność znormalizowana dla wszystkich długości fali 196
5.6.12. Detektor fotowoltaiczny 197
5.7. Detektory QWIP 199
5.8. Detektor fotonowy SPRITE 206
6. Kamery termowizyjne 208
6.1. Wprowadzenie 208
6.2. Rozdzielczość termiczna 208
6.3. Korekcja niejednorodności matrycy detektorów 212
6.4. Przestrzenna rozdzielczość kamery 217
6.5. Minimalna rozróżnialna różnica temperatury 218
6.6. Kalibracja kamery termowizyjnej 221
6.7. Konstrukcja i działanie kamery termowizyjnej 226
6.7.1. Obiektyw kamery termowizyjnej 227
6.7.2. Układy całkujące 230
6.7.3. Układ zasilania detektora podczerwieni 237
6.7.4. Układy przetwarzania analogowego i sterowania detektora podczerwieni 238
6.8. Układy korekcji NUC i transmisji obrazu 240
6.8.1. Układ transmisji obrazu 243
6.9. Kamera VOx384IR i jej parametry 244
7. Systemy chłodzenia detektorów podczerwieni 247
7.1. Chłodzenie termoelektryczne 247
7.1.1. Podstawy fizyczne działania elementów termoelektrycznych 247
7.1.2. Analiza działania ogniwa Peltiera 251
7.2. Chłodzenie w cyklu Joula-Thomsona 258
7.3. Chłodzenie w cyklu Stirlinga 262
8. Pomiary termowizyjne 271
8.1. Pomiar temperatury za pomocą kamery termowizyjnej 271
8.2. Techniczne pomiary emisyjności 273
8.2.1. Metoda kalorymetryczna 274
8.2.2. Metoda odbiciowa 275
8.2.3. Metoda z ciałem referencyjnym 276
8.3. Pomiary emisyjności spektralnej materiałów 277
8.4. Pomiary emisyjności spektralnej cienkich powłok 280
8.5. Pirometria wielopasmowa 282
8.6. Błąd pomiaru temperatury 286
8.7. Niepewności radiometrycznego pomiaru temperatury 290
9. Analiza termogramów medycznych 293
9.1. Histogram obrazu termowizyjnego 293
9.2. Cechy obrazu termowizyjnego 295
9.2.1. Parametry statystyczne 1. rzędu 295
9.2.2. Parametry statystyczne 2. rzędu 297
9.2.3. Selekcja cech 302
9.3. Przekształcenie falkowe termogramów 302
9.4. Klasyfikacja obrazów termowizyjnych 305
9.5. Zastosowanie termowizji w badaniach przesiewowych 307
10. Termowizja w budownictwie 309
10.1. Przepływ ciepła przez przegrody budowlane 309
10.2. Współczynnik przenikania U przez przegrody budowlane 317
10.3. Rezystancja termiczna przegrody budowlanej 318
10.4. Mostki termiczne 321
10.5. Wyznaczanie współczynnika przenikania ciepła 324
10.6. Przekształcenia rzutowe termogramów 326
11. Termowizja w badaniach nieniszczących 329
11.1. Wprowadzenie 329
11.2. Podstawy fizyczne termowizji synchronicznej 331
11.3. Wymuszenie konwekcyjne 335
11.4. Częstotliwość pobudzenia termicznego 338
11.5. Analiza częstotliwościowa 343
11.6. Termografia impulsowa 345
11.6.1. Efektywna droga dyfuzji termicznej 348
11.7. Identyfikacja parametrów cienkich warstw 349
11.8. Rzeczywisty impuls wymuszenia 354
11.9. Modelowanie numeryczne 355
11.10. Przekształcenie falkowe w badaniach nieniszczących 357
11.10.1. Wyznaczanie kształtu i grubości materiałów 362
11.11. Termografia akustyczna 366
Spis literatury 368
