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Mediciones de temperaturas Radiométricas
09.04.2020
Una cámara térmica radiométrica mide la temperatura de una superficie interpretando la intensidad de una señal infrarroja que llega a la cámara. Esta técnica sin contacto y no destructiva "non-destructive technique" (NDT) ofrece a los usuarios enormes ventajas para muchas de sus aplicaciones de medición de temperatura de superficie porque puede integrarse en Sistemas aéreos no tripulados "unmanned aerial systems"(UAS).
Un UAS permite a un operador mover y colocar la cámara térmica para realizar rápidamente mediciones de temperatura en grandes áreas y en entornos difíciles o peligrosos. Por ejemplo, un UAS puede medir la temperatura de la superficie de un intercambiador de calor en un techo, una conexión defectuosa en una línea de transmisión de alto voltaje, células solares en un panel solar y en grandes campos agrícolas. Sin embargo, la capacidad de detectar de forma remota la temperatura, en oposición al contacto directo con la superficie, surge de la necesidad de tener en cuenta las condiciones particulares de la superficie y el medio ambiente; Algunas de estas condiciones se ilustran en la Figura 1.
Es importante distinguir las mediciones de temperatura radiométrica como mediciones infrarrojas de superficie porque las mediciones radiométricas deben restringirse a materiales "ópticamente" opacos. Los metales y el material orgánico suelen ser completamente opacos y las mediciones radiométricas deberían poder resolver la temperatura de su superficie. Aunque hay materiales que son semi-translúcidos al calor infrarrojo (vidrio de zafiro, vidrio de sulfuro de zinc, óxidos de circonio),las mediciones radiométricas de estas superficies deben tener en cuenta la temperatura volumétrica total y a través del plano del material; Esto aumenta significativamente la complejidad del análisis.
La detección remota de la temperatura de una superficie se basa en la capacidad de compensar con precisión las características de la superficie, la interferencia atmosférica y el sistema de procesamiento de imágenes. Las características de la superficie que influyen en la medición de la temperatura son la emisividad y la reflectividad de la superficie en las longitudes de onda espectrales infrarrojas. La atmósfera absorberá y emitirá energía térmica en función de su composición y la distancia entre la cámara y la superficie. Finalmente, la capacidad de resolver espacialmente las mediciones detalladas de temperatura en una imagen térmica está influenciada por el enfoque de la imagen, el desenfoque y la resolución de píxeles. La influencia de cada uno de estos factores en la precisión de la medición depende en gran medida de la aplicación de medición específica y cada uno debe tenerse en cuenta y resolverse.
Características de superficie
-Emisividad
La emisividad es una medida de la eficiencia de una superficie para emitir energía térmica en relación con una fuente de cuerpo negro perfecta, escala directamente la intensidad de la emisión térmica y todos los valores reales son inferiores a 1,0. La emisividad puede ser altamente dependiente de la morfología de la superficie, rugosidad, oxidación, longitud de onda espectral, temperatura y ángulo de visión.
Una medición que no tiene en cuenta la emisividad real de una superficie aparecerá "más fría" de lo que realmente es. Para aplicaciones agrícolas, muchos materiales orgánicos y materiales con superficies muy rugosas tienen valores de emisividad cercanos a la unidad.
Para otras aplicaciones, incluida la línea de alimentación y la inspección de células solares, la superficie puede ser un vidrio o metal altamente pulido, los cuales pueden tener valores de emisividad mucho más bajos. Como referencia, la Tabla 1 demuestra el amplio rango de valores de emisividad que pueden encontrarse en las aplicaciones radiométricas de UAS.
Tabla 1: Valores de emisividad para materiales comunes. Tabulado solo como referencia; la emisividad depende de la morfología de la superficie, las capas, la oxidación, la longitud de onda espectral, la temperatura y el ángulo de visión.
Figura 2: Las mediciones de temperatura radiométrica deben evitar mediciones directas para reducir la reflexión directa de la cámara y evitar ángulos oblicuos para reducir la reflexión general.
Al igual que la emisividad, la reflectividad de una superficie depende en gran medida de la morfología y rugosidad de la superficie. Dado que la reflectividad (R) está relacionada con la emisividad (E) en R = 1 - E, la importancia de la reflectividad puede reducirse en gran medida haciendo mediciones de superficies con muy alta emisividad, idealmente mayor que 0.90. Para las mediciones UAS de superficies controladas, como un tanque de acero en una azotea, se puede usar pintura negra mate de alta emisividad / baja reflectividad para hacer "parches de medición" que dan como resultado mediciones altamente reproducibles.
-Reflectividad
Una cámara cerca de una superficie está detectando tanto el calor sostenido por la temperatura de la superficie como la temperatura ambiental de fondo reflejada. Es muy difícil realizar mediciones de temperatura de una superficie altamente reflectante porque la imagen está influenciada por los reflejos térmicos de fondo.
En una aplicación UAS, un techo de metal limpio y sin pintar puede parecer más frío de lo que realmente es porque el techo brillante refleja el cielo sobre él. Considere el caso de una lámina de acero inoxidable en una azotea, 0.80 reflectividad y 0.20 emisividad, una medición de temperatura radiométrica estaría muy sesgada hacia la temperatura de fondo del cielo. Un cielo despejado puede tener una temperatura de fondo que normalmente es buena debajo de 0 ° C, y posiblemente tan bajo como -20 ° C. La temperatura real del fondo del cielo variará según las condiciones atmosféricas y la hora del día.
Las superficies reflectantes plantean desafíos adicionales en aplicaciones UAS; El reflejo del sol en la imagen térmica aparecerá como destellos solares y las mediciones de temperatura radiométrica de los destellos solares pueden ser inexactas por cientos de grados. Es recomendable tomar una secuencia de imágenes de la superficie desde diferentes ángulos para reducir la influencia de cualquier destello solar. Sin embargo, se debe tener cuidado de no realizar mediciones en ángulos excesivamente oblicuos porque la reflectividad se degrada en función del ángulo de visión. Alternativamente, un rango muy cercano y mediciones directas pueden hacer que la cámara vea un reflejo de sí misma y dar como resultado mediciones inexactas. La Figura 2 ilustra los desafíos del ángulo de visión para las mediciones de temperatura radiométrica y recomienda realizar mediciones inferiores a 60 ° normales a la superficie.
-Transmisión atmosférica
La atmósfera de la tierra interfiere con la imagen térmica al absorber y emitir radiación infrarroja en función de la densidad del aire, la humedad relativa (HR) y la distancia entre la superficie del objeto y la cámara. La transmisión atmosférica entre la cámara y la superficie puede cambiar la medición de temperatura radiométrica y es una medida del calor efectivo que llega a la cámara. No tener en cuenta la transmisión atmosférica dará como resultado mediciones radiométricas que parecen más frías que la temperatura real de la superficie. Considere un día muy cálido y húmedo, una trayectoria de aire 100 metros (35° C temperatura del aire , 80% HR) tiene una transmisión teórica de 80%. Eso significa que solo el 80% del calor radiativo térmico emitido desde la superficie llegará a la cámara. Si no se tiene en cuenta esta pérdida de transmisión atmosférica, entonces un UAS que mira un objeto a 50 ° C con una emisividad conocida de 0.97 leerá 47.6 ° C: ¡un error de 2.4 ° C causado solo por la trayectoria del aire! La mejor manera de mitigar el efecto de transmisión atmosférica es minimizar la distancia entre la cámara UAS y la superficie. Por ejemplo, a 10 metros la transmisión es del 96% y la temperatura radiométrica no corregida para la trayectoria del aire es de 49.5 ° C.
La atmósfera puede afectar las mediciones de temperatura de otras maneras inesperadas. Las mediciones siempre se deben realizar en ausencia de lluvia, nieve, humo, polvo u otros agentes obscurecedores, ya que también reducirán la transmisión atmosférica y cambiarán la temperatura de fondo. Finalmente, recuerde que las mediciones radiométricas solo informan la temperatura de la superficie y la temperatura de la superficie puede ser muy sensible a los vientos fuertes.
Figura 3: El efecto de tamaño de punto, causado por las características ópticas y físicas de la cámara, es más relevante para la detección remota de temperatura.
El enfoque y el desenfoque de una imagen térmica también pueden aumentar la cantidad de píxeles necesarios para realizar mediciones radiométricas precisas. Por ejemplo, la velocidad de obturación de la cámara Vue Pro es bastante larga a 1/30 de segundo y un UAS que se mueve rápidamente puede dar como resultado una imagen borrosa con una precisión reducida. Una superficie caliente que se mancha debido al movimiento del UAS se verá más fría y una superficie fría puede aparecer más caliente. Los montajes de cardán y las técnicas de estabilización activa se pueden usar para reducir estratégicamente el jitter de la cámara para maximizar la estabilidad y el enfoque de la imagen.
-Resolución espacial de temperatura
1) Una imagen térmica radiométrica que describe una superficie proporciona una medición de temperatura radiométrica para cada píxel. Una superficie muy pequeña en la imagen será extremadamente difícil de medir con precisión a medida que disminuye el número de píxeles que describen las dimensiones de la superficie. El efecto de tamaño de punto es esta degradación en la precisión de la medición debido a los efectos de la distorsión óptica, la difracción, la luz parásita y el procesamiento de la imagen del sensor que dan como resultado una imagen borrosa. Si no se tiene en cuenta el efecto del tamaño del punto, se obtendrán mediciones que pueden estar muy influenciadas por las superficies cercanas. Por ejemplo, un objeto cálido puede parecer más frío y un objeto frío puede aparecer más cálido que las temperaturas reales. Aunque el efecto del tamaño del punto puede depender mucho de la cámara térmica particular, las mediciones de laboratorio de FLIR en cámaras UAS sugieren que un punto de medición en la imagen térmica debe tener al menos 10 píxeles de diámetro para informar una medición significativa y un diámetro de 20 píxeles es suficientemente grande para negar el efecto de tamaño de punto. La figura 3 ilustra la mejora en radiometría, precisión de temperatura a medida que aumenta el tamaño del punto.
Para aplicaciones UAS, el efecto de tamaño de punto se vuelve cada vez más relevante a medida que aumenta la distancia entre la superficie y la cámara y se reduce el número de píxeles que describen cada característica espacial. El número de píxeles utilizados para resolver el área de superficie de un objeto depende del paso (pitch) de píxeles, la distancia focal, la distancia desde la cámara a la superficie y el tamaño característico más pequeño (longitud, diámetro) de la superficie. La figura 4 ilustra estos factores: la cantidad de píxeles (N) utilizados para resolver un objeto se evalúa mediante la relación entre el subtenso angular de la cámara y el campo de visión instantáneo de píxeles.
donde, la superficie a la cámara angular subtense α = d / s es la relación de la distancia entre la cámara a la superficie del objeto (d) y el tamaño del objeto (s). El campo de visión instantáneo (IFOVp) de cada píxel de la cámara se calcula tomando la relación del paso de píxeles (p) y la distancia focal (f), IFOVp = p / f. Estas relaciones se pueden manipular para encontrar la distancia de medición máxima recomendada, el tamaño de objeto más pequeño necesario y las características de la cámara para cualquier aplicación de temperatura radiométrica en particular.
Figura 4: El número de píxeles utilizados para resolver el área de superficie de un objeto depende del paso de píxeles, la distancia focal, la distancia desde la cámara a la superficie y el tamaño característico más pequeño (longitud, diámetro) del área de superficie .
Considere una cámara FLIR Vue Pro R® con una lente de 13 mm, sensor de resolución de 640 por 512 píxeles, paso de píxeles de 17 μm y que está a una altitud de 20 metros, una superficie cuadrada de 30 centímetros directamente debajo de la cámara solo tendrá 12 por 12 píxeles en una imagen térmica. La Tabla 2 proporciona la distancia máxima recomendada entre la cámara y un objeto para mantener al menos una resolución de 10 píxeles en la imagen térmica para diferentes tamaños de objeto.
Tabla 2: Distancia de visualización máxima recomendada para diferentes tamaños de objetivo, ilustrada para una lente Vue Pro R 640/13 mm. La imagen borrosa y la distorsión óptica reducirán la distancia recomendada.
En resumen, se trata de una descripción de los factores UAS que pueden influir en la precisión de las mediciones radiométricas de la temperatura de la superficie. Para superficies con baja emisividad y alta reflexión, se deben evitar los ángulos de visión rectos y oblicuos para reducir el impacto de los reflejos y la reflexión oblicua exacerbada. La emisividad de la superficie debe ser alta para reducir el impacto de la reflexión de la temperatura de fondo y los destellos del sol, idealmente superior a 0,90. Alternativamente, puede lograr aumentar la emisividad de la superficie mediante el acoplamiento de una textura superficial rugosa con alta emisividad, pintura negra mate para mitigar el impacto de la emisividad incierta y la alta reflectividad. Los factores de transmisión atmosférica se pueden negar en gran medida al realizar mediciones dentro de los 10 metros o menos de la superficie "objetivo" y en un entorno atmosférico fresco y claro. Estas condiciones mitigan el impacto de la temperatura del aire, la humedad relativa y las partículas de aire. Para distancias más largas, las condiciones atmosféricas (distancia, humedad, temperatura) deberán estar bien caracterizadas para calcular la transmisión atmosférica. La medición de más de 10 metros se ve afectada aún más por el efecto de tamaño de punto cuando la cantidad de píxeles que describen cualquier superficie en particular cae y la capacidad de realizar mediciones de objetos muy pequeños se ve gravemente afectada. Aunque es importante realizar mediciones con un diámetro de tamaño de punto de al menos 10 píxeles, se necesitan más píxeles para imágenes borrosas y desenfocadas.
Fuente: Notas Técnicas FLIR.com