st. kpt. prof. dr hab. Janusz RYBIŃSKI, mgr Michał BEDNAREK
Katedra Nauk Ścisłych SGSP
mł. bryg. mgr inŜ. Waldemar WNĘK, kpt. mgr inŜ. Jarosław BOCZARSKI
Zakład Technicznych Systemów Zabezpieczeń
BADANIA TRANSMISJI PROMIENIOWANIA
PODCZERWONEGO W AEROZOLU PARAFINOWYM
W artykule przedstawiono wyniki analizy wpływu rozpraszania
promieniowania na cząstkach aerozolu na obserwację za pomocą
kamer termowizyjnych.
The article presents the results of analysis concerning the effect of
scattering radiation on paraffin aerosol particles upon thermovision
camera observations.
1. Wstęp
Kamery termowizyjne dają moŜliwość obserwacji w warunkach zadymienia
i zamglenia. Z tego względu znalazły zastosowanie do odnajdywania ofiar poŜarów
wewnętrznych. W pracy przedstawiono wyniki badań nad efektywnością rozpra-
szania promieniowania podczerwonego na cząstkach aerozolu. Jest to podstawowy
proces pogarszający warunki obserwacji. Obecność aerozolu (mgły, dymu) pogar-
sza widzialność. Działają tu dwa mechanizmy: absorpcja oraz rozpraszanie pro-
mieniowania na cząstkach aerozolu. W warunkach poŜaru promieniowanie absor-
bowane jest głównie przez parę wodną i dwutlenek węgla oraz w mniejszym stop-
niu przez inne gazy: CO, NO
2
, NO, SO
2
, HCl, HCN. Absorpcja w gazach nie
odgrywa tak wielkiej roli jak rozpraszanie na cząstkach aerozolu, poniewaŜ pasma
spektralne kamer termowizyjnych są bardzo szerokie i tylko w nieznacznym stop-
niu pokrywają się z pasmami absorpcji wymienionych gazów.
Rozpraszanie promieniowania elektromagnetycznego na cząstkach aerozolu
spowodowane jest wieloma procesami fizycznymi. Największą rolę odgrywają
procesy opisane w teorii Rayleigha oraz teorii Miego [1, 2]. Pierwsza dotyczy
przypadku, gdy średnica cząstki aerozolu jest znacznie mniejsza od długości fali
promieniowania. Wtedy przekrój czynny na rozpraszanie jest odwrotnie proporcjo-
nalny do długości fali w czwartej potędze. Odnosi się to do rozpraszania światła
słonecznego w atmosferze zanieczyszczonej bardzo drobnymi cząstkami kurzu,
pyłkami kwiatowymi, pyłkami mineralnymi, bakteriami. W przypadku cząstek
większych, których wymiary są porównywalne z długością fali promieniowania
rozpraszanego, naleŜy stosować teorię Miego. Przekrój czynny na rozpraszanie
zaleŜy od własności cząstek aerozolu, takich jak rozmiar, kształt, skład chemiczny,
współczynnik załamania i pochłaniania światła. Teoria Miego uwzględnia interfe-
rencję światła rozproszonego na róŜnych elementach cząstki aerozolu, jest zatem
bardziej skomplikowana. Dlatego istnieją analityczne opisy rozpraszania tylko na
cząstkach sferycznych, elipsoidalnych i walcowatych. Prace teoretyczne i doświad-
czalne z wykorzystaniem lidaru nad rozpraszaniem światła w aerozolu atmosfe-
rycznym są prowadzone w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego [3
−
6].
Efektywność rozpraszania na cząstkach aerozolu zaleŜy od wartości stosunku
ś
rednicy cząstek aerozolu do długości fali promieniowania. Średnice cząstek dymu
mają zwykle wymiary od około 0,01 do kilku mikrometrów. Wymiary te w znacz-
nej części pokrywają się z długościami fal światła (0,38 – 0,76 µm), co powoduje,
Ŝ
e przekrój czynny na rozpraszanie jest wysoki (rozpraszanie Miego). Przy obser-
wacji z uŜyciem kamery termowizyjnej, pracującej w zakresie spektralnym 3
−
5 µm
(tzw. I okna atmosferycznego) lub 7–14 µm (II okna), średnice cząstek aerozolu są
znacznie mniejsze od długości fali promieniowania, więc przekrój na rozpraszanie
jest duŜo mniejszy (rozpraszanie Rayleigha).
2. Zakres i cel badań
W celu zbadania wpływu rozpraszania promieniowania w aerozolu na po-
gorszenie warunków obserwacji zbudowano stanowisko pomiarowe, w skład któ-
rego weszły: komora dymowa, urządzenie do wytwarzania aerozolu, system KµK
do wyznaczania wielkości cząstek aerozolu, tory pomiarowe transmisji promie-
niowania w trzech zakresach spektralnych, wzorcowy promiennik podczerwieni i
kamery termowizyjne pracujące w zakresie I oraz II okna atmosferycznego. Wy-
konano pomiary transmisji promieniowania w komorze dymowej równolegle w
trzech zakresach spektralnych. Aerozol był wytwarzany przez odparowanie parafi-
ny. Długości średnic oraz stęŜenie cząstek aerozolu mierzono za pomocą systemu
pomiarowego KµK, słuŜącego do pomiaru efektywnych średnic cząstek aerozolu
metodą fotoelektryczną. Na podstawie wyników pomiarów wyznaczono wartości
parametrów stosowanych w profilaktyce poŜarowej: stęŜenie objętościowe, gęstość
masową i gęstość optyczną dymu. Wyznaczono wartości gęstości optycznej dymu
w zakresach spektralnych I i II okna atmosferycznego, odpowiadające dopuszczal-
nym wartościom gęstości optycznej dymu w świetle widzialnym, które umoŜliwia-
ją ewakuację ludzi z zadymionych pomieszczeń. Celem tych badań jest wykazanie
stopnia przewagi obserwacji w podczerwieni, gdy obiekty znajdują się
w dymie. Badania mają określić stopień przydatności kamer termowizyjnych do
poszukiwania ludzi oraz źródeł poŜaru, znajdujących się w zadymionych pomiesz-
czeniach, a takŜe określić optymalne wartości parametrów technicznych, którymi
powinny się charakteryzować kamery przeznaczone do tego celu.
3. Stanowisko badawcze
Zaprojektowano i wykonano stanowisko pomiarowe do badania transmisji
promieniowania podczerwonego i widzialnego w dymie, dzięki dofinansowaniu
przez Komitet Badań Naukowych. Stanowisko umoŜliwiało pomiar transmisji
promieniowania w zakresie widzialnym oraz w podczerwieni, w pasmach spektral-
nych pracy kamer termowizyjnych. Schemat stanowiska przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Blokowy schemat podzespołów stanowiska pomiarowego do badania transmisji
promieniowania podczerwonego i widzialnego w dymie
W skład stanowiska wchodzą: źródła promieniowania, modulator mecha-
niczny, trzy tory pomiarowe, konwerter (czterokanałowy przetwornik analogowo-
-cyfrowy z procesorem komunikacyjnym), program komputerowy dla komputerów
klasy PC, pracujący w środowisku Windows. Źródłem promieniowania podczer-
wonego jest „ciało czarne” typu Raytek, a światła
−
Ŝarówka z zasilaczem. Bezpo-
ś
rednio przed źródłami promieniowania umieszczono tarcze modulatorów mecha-
nicznych. Tarcze zostały precyzyjnie wycięte przy zastosowaniu techniki lasero-
wej. Do obrotu modulatorów zastosowano silniki krokowe sterowane komputerem,
aby poprawić jakość detekcji. Modulowane wiązki promieniowania wchodzą do
trzech torów pomiarowych, w których dokonuje się pomiaru natęŜenia promienio-
wania w zakresach spektralnych pracy kamer termowizyjnych i zakresie widzial-
nym. Pierwszy tor pomiarowy zawiera detektor (termopara radiacyjna) z filtrem
Zasilacz
Procesor
RS
232c
P
rz
et
w
o
rn
ik
A
C
P
ro
m
ie
n
n
ik
na zakres spektralny 8–14
µ
m oraz germanowy układ optyczny umoŜliwiający
obserwację od 1,5 m do
∞
. Drugi tor pomiarowy zawiera detektor (termopara ra-
diacyjna) z filtrem na zakres spektralny 3–5
µ
m oraz taki sam germanowy układ
optyczny. Trzeci tor pomiarowy zawiera detektor fotoelektryczny z soczewką dla
zakresu spektralnego zbliŜonego do spektrum widzenia oka. Wszystkie tory pomia-
rowe zawierają równieŜ przedwzmacniacz dający na wyjściu napięcie kilku woltów.
Konwerter składa się z dwóch zasadniczych części:
1.
Czterokanałowego przetwornika AC
−
podzespołu odpowiedzialnego za kon-
wersje sygnałów analogowych docierających z detektorów na sygnał cyfrowy i
przekazywanych do procesora komunikacyjnego. Przetwornik dokonuje kon-
wersji na sygnał cyfrowy z czterech wejść jednocześnie z rozdzielczością 12
bitów, co przy zakresie wejściowym 0 ÷ 5V daje rozdzielczość 1,2 mV.
2.
Procesora, który steruje pracą przetwornika AC, a odebrane dane cyfrowe for-
matuje do postaci ramek i przesyła za pomocą magistrali w standardzie
RS 232c do komputera PC, gdzie podlegają dalszej obróbce.
Rys. 2. Widok stanowiska pomiarowego do badania transmisji promieniowania
podczerwonego i widzialnego w dymie
Program komputerowy steruje detekcją promieniowania, filtruje sygnały z de-
tektorów, rejestruje i przetwarza otrzymane wyniki. W efekcie wyraźnie zmniejsza
zakłócenia. Program umoŜliwia: wizualizację odczytów, rejestrację odczytów
w funkcji czasu, archiwizowanie odczytów, operacje obliczeniowe na wynikach
odczytów. Po wprowadzeniu parametrów określających warunki eksperymentu,
program komputerowy umoŜliwia przedstawienie wyników pomiaru w postaci
wykresów gęstości optycznej dymu, równolegle dla wszystkich torów pomiaro-
wych, co daje moŜliwość porównywania stopnia tłumienia sygnałów spowodowa-
nego obecnością aerozolu, w róŜnych kanałach, w tej samej chwili. Funkcje do-
stępne w programie:
1.
Wizualne zobrazowanie w formie wykresu liniowego wszystkich lub wybrane-
go odczytu z detektora.
2.
Zapis na twardym dysku przebiegu odczytu w funkcji czasu.
3.
Odczyt z twardego dysku wybranego przebiegu.
4.
Ustawianie parametru częstotliwości próbkowania konwertera.
5.
Opcja kalibracji punktu odniesienia (dla obliczeń matematycznych).
6.
Obliczenia wyników obrazowane dodatkowym wykresem.
7.
Filtrowanie zniekształconego sygnału z detektorów.
4. Wyznaczane parametry dymu
Dym charakteryzują następujące parametry [7
−
9]: stęŜenie liczbowe dy-
mu, stęŜenie masowe dymu, optyczna gęstość dymu, właściwa optyczna gęstość
dymu, współczynnik osłabienia kontrastu. StęŜenie liczbowe dymu
N
c
wyraŜa
liczbę cząsteczek dymu w jednostce objętości aerozolu dymowego:
V
N
c
N
=
gdzie: N – liczba cząstek dymu, V – objętość aerozolu.
StęŜenie masowe dymu c
m
jest stosunkiem masy fazy rozproszonej m (masy
cząstek dymu) do objętości aerozolu dymowego:
V
m
c
m
=
Znając średnią wartość średnicy cząstek aerozolu, stęŜenie masowe dymu
moŜna obliczyć z zaleŜności:
V
6
N
d
2
c
ś
r
3
m
πρ
=
gdzie:
d
ś
r
– średnia wartość średnicy cząstek aerozolu dla rozkładu objętościowego,
ρ
−
gęstość materiału rozproszonego.
Gęstość optyczna dymu D zdefiniowana jest przez zaleŜność:
I
I
log
L
1
D
0
=
gdzie:
L – długość drogi optycznej,
I
0
−
natęŜenie światła padającego,
I
−
natęŜenie światła po przejściu drogi optycznej.
Gęstość optyczna dymu jest związana z ilością cząstek dymu w jednostce objętości
n oraz promieniem pojedynczej cząstki r zaleŜnością:
n
r
D
⋅
⋅
⋅
=
2
π
α
Współczynnik proporcjonalności
α
jest funkcją długości fali światła.
5. Wyniki pomiarów transmisji
Wykonano pomiary gęstości optycznej dymu w trzech zakresach spektral-
nych: widzialnym, I i II okna atmosferycznego. Do pomiarów uŜyto zespołu detek-
cyjnego wykonanego w II etapie realizacji tematu badawczego. Źródłem promie-
niowania dla zakresów podczerwieni był promiennik firmy Ratek typu BB4000, a
dla zakresu widzialnego
−
Ŝarówka. Promieniowanie było modulowane modulato-
rem mechanicznym i rejestrowane za pomocą termopar radiacyjnych oraz fotodio-
dy
z odpowiednimi filtrami optycznymi. Otrzymane wartości optycznej gęstości dymu
przedstawiono w tabeli 1. Tabela zawiera graniczne wartości gęstości dymu umoŜ-
liwiające bezpieczną ewakuację.
Tabela 1.
Gęstość optyczna dymu D [m
–1
]
Zakres spektralny
Lp.
0,4
−
0,8
µ
m
3 – 5
µ
m
8 – 11
µ
m
1
0,09
0,010
0,0015
2
0,17
0,015
0,0025
3
0,30
0,023
0,0035
4
1,50
0,075
0,0120
Dopuszczalna gęstość optyczna dymu, umoŜliwiająca bezpieczną ewakuację
wynosi: 0,17 – 0,30 m
–1
w budynku znanym, co odpowiada widzialności 3 – 5 m
przy oświetleniu 100 lx oraz 0,09 m
–1
w budynku nieznanym, co odpowiada wi-
dzialności 10 – 20 m [8].
Na rys. 3. przedstawiono procentowy udział masy cząstek badanego aerozolu
w zaleŜności od efektywnej długości średnicy cząstki. Z wykresu widać, Ŝe mak-
simum rozkładu przypada na efektywną długość średnicy równą około 6
µ
m. Obli-
czone na tej podstawie stęŜenie masowe dymu wynosi c
m
≈
0,4 g/m
3
.
Wykonano równieŜ pomiary transmisji w aerozolu parafinowym na zmodyfi-
kowanym stanowisku badawczym z równoczesnym pomiarem rozkładu wielkości
ś
rednic cząstek aerozolu, przy wykorzystaniu systemu pomiarowego K
µ
K. Mie-
rzono gęstość optyczną dymu równocześnie w trzech zakresach spektralnych:
0,4 - 0,8
µ
m, 3 – 5
µ
m i 7 – 14
µ
m podczas zadymiania komory dymowej,
a następnie jej oddymiania. Równocześnie z obszaru drogi optycznej torów pomia-
rowych zasysano aerozol do komory pomiarowej Systemu K
µ
K i mierzono rozkła-
dy wymiarów średnic cząstek aerozolu. Zmiany gęstości optycznej aerozolu pod-
czas zadymiania a następnie oddymiania przedstawiono na rys. 4. i 5.
Rys. 3. Procentowy udział masy cząstek aerozolu w zaleŜności od efektywnej długości
ś
rednicy cząstki
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
1
134 267 400 533 666 799 932 1065 1198 1331 1464 1597 1730 1863 1996 2129 2262 2395
Rys. 4. ZaleŜność gęstości optycznej dymu [m
-1
] od czasu [s] zadymiania i oddymiania
w zakresie spektralnym 0,4 – 0,8
µ
m
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
1
131 261 391 521 651 781 911 1041 1171 1301 1431 1561 1691 1821 1951 2081 2211 2341
3-5 um
8-14 um
Rys. 5. ZaleŜność gęstości optycznej dymu [m
-1
] od czasu [s] zadymiania i oddymiania
w dwóch zakresach podczerwieni: I okna atmosferycznego (3 – 5
µ
m)
i II okna atmosferycznego (7 – 14
µ
m)
6. Dyskusja wyników i wnioski
Z przeprowadzonych badań wynika, Ŝe aerozol wytwarzany z parafiny nie
stanowi istotnej przeszkody dla obserwacji za pomocą kamer termowizyjnych.
Dotyczy to zarówno zaawansowanej technicznie kamery obserwacyjnej typu Ray-
theon Palmir Pro, jak i kamery zaprojektowanej specjalnie do działań taktycznych
straŜy poŜarnej typu Talisman. Kamery te pracują w zakresie 7 – 14
µ
m.
W początkowej fazie zadymiania następował jednakowy wzrost gęstości
optycznej dymu w obu zakresach spektralnych podczerwieni. Gęstość optyczna
dymu w tych zakresach podczerwieni była około 30 razy mniejsza niŜ w zakresie
widzialnym. Rozkład ilościowy cząstek aerozolu w funkcji efektywnej długości
ś
rednicy cząstki, wykonany po czasie około 5 min od rozpoczęcia zadymiania,
przedstawiono na rys. 6. Z rozkładu widać, Ŝe w aerozolu dominują cząstki o nie-
wielkich średnicach, poniŜej 1
µ
m. Wynika stąd, Ŝe taki aerozol powinien mieć
silne własności rozpraszania światła widzialnego, którego długości fal wynoszą od
0,38 do 0,76
µ
m, natomiast niewielkie w odniesieniu do promieniowania w zakre-
sie średniej podczerwieni, zarówno dla I, jak i II okna atmosferycznego. To
dokładnie potwierdza wyniki otrzymane z pomiarów transmisji promieniowania
w trzech zakresach spektralnych.
Rys. 6. Procentowy udział ilości cząstek aerozolu w zaleŜności od efektywnej długości
ś
rednicy cząstki (5 minut od rozpoczęcia zadymiania)
Badane kamery rejestrują promieniowanie w zakresie spektralnym 7 – 14 µm.
Pochłaniane promieniowanie w aerozolu wytworzonym z parafiny jest niewiele
większe niŜ w powietrzu. Tłumienie wiązki promieniowania spowodowane jest
zatem głównie rozpraszaniem na cząstkach aerozolu, których średnice są porów-
nywalne z długością fali światła. Z przeprowadzonych pomiarów wynika, Ŝe gę-
stość optyczna dymu w zakresie pracy tych kamer jest nawet dwa rzędy wielkości
mniejsza niŜ dla zakresu widzialnego. Sytuacja moŜe być mniej korzystna w przy-
padku dymów, z którymi spotykamy się w poŜarach. Podczas spalania powstają
gazy, których pasma pochłaniania leŜą w zakresie spektralnym pracy kamer ter-
mowizyjnych, co moŜe pogorszyć widzialność w podczerwieni. Następne badania
będą wykonywane w dymie powstającym przy spalaniu róŜnych materiałów.
Po upływie kilkunastu minut od rozpoczęcia zadymiania następuje wyraźne
zróŜnicowanie gęstości optycznej aerozolu w pasmach spektralnych 3 – 5
µ
m
i 7 – 14
µ
m. Transmisja w paśmie 3 – 5
µ
m jest o około 25% mniejsza od trans-
misji w paśmie 7 – 14
µ
m. MoŜna to wyjaśnić, obserwując zmiany w rozkładach
ś
rednic cząstek aerozolu (rys. 7. i 8.), wykonanych w późniejszym czasie ok. 30
min i 35 min.
Rys. 7. Procentowy udział ilości cząstek aerozolu w zaleŜności od efektywnej długości
ś
rednicy cząstki (30 minut od rozpoczęcia zadymiania)
Rys. 8. Procentowy udział ilości cząstek aerozolu w zaleŜności od efektywnej długości
ś
rednicy cząstki (35 minut od rozpoczęcia zadymiania)
W pierwszej fazie zadymiania średnice cząstek aerozolu są niewielkie. W mia-
rę upływu czasu następuje koagulacja – cząstki łączą się ze sobą. W efekcie mak-
simum rozkładu przesuwa się w stronę większych średnic.
MoŜna stąd wysnuć wniosek, Ŝe w początkowej fazie nie ma znaczenia,
w którym oknie atmosferycznym pracuje kamera termowizyjna – nie wpływa to na
jakość obserwacji. Natomiast w następnych fazach zadymiania moŜe to mieć zna-
czenie. Kamera pracująca w zakresie spektralnym II okna atmosferycznego moŜe
mieć znaczną przewagę. Nawet przy bardzo silnym zadymieniu, gdy widzialność
spada do 0,5 m kamery te dawały bardzo dobry obraz. Cząstki dymu generowane-
go podczas poŜaru zawierają sadzę absorbującą promieniowanie, co wpływa na
pogorszenie warunków obserwacji.
S U M M A R Y
Janusz RYBIŃSKI, Michał BEDNAREK
Waldemar WNĘK, Jarosław BOCZARSKI
TESTS OF INFRARED RADIATION TRANSMISION
IN PARAFFIN AEROSOL
The article presents the designed and built measuring stand for researches on com-
parison of scattering of light and infrared radiation in the spectral ranges of
thermovision cameras. It also shows results of smoke basie parameters measure-
ments in such spectral ranges as: 0,4 – 0,8
µ
m, 3 – 5 m, 7 – 14 m. The following
values were measured: diameters of aerosol particles, smoke mass concentration
and optical density of smoke.
PIŚMIENNICTWO
1.
R. M. Measure: Laser Remote Sensing Fundamentals and Applications.
Krieger Publishing Company, Florida 199, par. 2.8.
2.
C. H. Van de Hulst: Light Scattering by Small Particles. John Wiley and Sons,
New York 1957, rozdz. 9.
3.
K. Ernst, G. Karasiński, A. Pietruczuk, T. Stacewicz: Retrieving the atmos-
pheric aerosol size distribution by means of multiwavelenght lidar. Instytut Fi-
zyki Doświadczalnej UW, Warszawa.
4.
K. Ernst, S. Chudzyński, G. Karasiński, A. Pietruczuk, T. Stacewicz: Multi-
wavelenght lidar for determination of the atmospheric aerosol size distribution.
Instytut Fizyki Doświadczalnej UW, Warszawa.
5.
S. Chudzyński, A. CzyŜewski, K. Ernst, G. Karasiński, K. Kolacz, A. Pietru-
czuk, W. Skubiszak, T. Stacewicz, K. Stelmaszczyk, A. Szymański: Multi-
wavelenght lidar for measurements of atmospheric aerosol. Optics and Lasers
in Engineering
2002, nr 37.
6.
S. Chudzyński, A. CzyŜewski, K. Ernst, G. Karasiński, A. Pietruczuk, W. Sku-
biszak, T. Stacewicz, K. Stelmaszczyk: Badania atmosfery przy uŜyciu lidaru.
Materiały XXXVI Zjazdu Fizyków Polskich, Toruń 2001.
7.
J. Wolanin: Podstawy rozwoju poŜarów. SGSP, Warszawa 1986.
8.
B. Mizieliński: Systemy oddymiania budynków. WNT, Warszawa 1999.
9.
Z. Sychta: Badania nad dymotwórczością materiałów i zadymień pomieszczeń
na statku morskim. Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej Nr 299, Szcze-
cin 1985.
10.
J. Rybiński, M. Bednarek: Transmisja promieniowania w aerozolu w zakresie
spektralnym pracy kamer termowizyjnych. Materiały konferencyjne V Krajo-
wej Konferencji nt.: „Termografia i termometria w podczerwieni”, Ustroń
2002.
11.
J. Rybiński, M. Bednarek: Wpływ zadymienia na obserwację za pomocą kame-
ry termowizyjnej. „Zeszyty Naukowe SGSP” 2002, nr 28.