237 

Termografia – podstawy i metody 

Jan Górski, Politechnika Rzeszowska 

 
 

 1. Uwagi ogólne 

   DąŜenie  do  doskonalenia  cech  uŜytkowych  i  konstrukcyjnych  róŜnego  typu  obiektów 
budowlanych, sposobów oceny ich stanu technicznego oraz spełniania aktualnych przepisów i 
norm,  a  takŜe  zmniejszenia  kosztów  eksploatacji  i  poprawę  efektywności,  jest  aktualnie 
jednym  z  priorytetowych  zadań  stawianych  przed  słuŜbami  nadzoru  technicznego  w  kaŜdej 
jednostce samorządowej. 
   Istnieje  szereg  metod  i  narzędzi  diagnostyki  technicznej  pozwalających  na  realizację  tych 
zadań  zarówno  na  etapie  projektowania  nowych  rozwiązań  jak  teŜ  renowacji  bądź 
modernizacji istniejących obiektów (np. w sferze budownictwa sakralnego, mieszkaniowego). 
Współczesne metody badań charakteryzują się coraz powszechniejszym stosowaniem technik 
pomiarowych, które są bezinwazyjne, tzn. nie ingerują bezpośrednio w strukturę konstrukcji 
oraz materiału. Jednym z coraz bardziej popularnych narzędzi jest w tym zakresie termografia 
i termowizja w zakresie podczerwieni. MoŜna powiedzieć, Ŝe w chwili obecnej staje się ona 
niezbędnym standardem w kwestiach oceny stanu technicznego budynków oraz wskazania na 
etapie audytu energetycznego niezbędnych propozycji zabiegów termo-modernizacyjnych [1].  
   Techniki  podczerwieni  wynikają  z  powszechności  emisji  promieniowania  cieplnego  przez 
wszystkie  obiekty,  które  zawiera  wszechstronne  informacje  o  ich  właściwościach.  Są  to  w 
szczególności  informacje  o  temperaturze,  połoŜeniu,  charakterystyce  powierzchni,  jak 
równieŜ dane dotyczące  składu chemicznego atmosfery, przez którą jest ono transmitowane. 
Szczególne  znaczenie  ma  zakres  podczerwieni  odpowiadający  długościom  fal  3-  14  µm,  co 
wiąŜe  się  z  rozkładem  promieniowania  obiektów  o  temperaturze  zbliŜonej  do  średniej 
temperatury  Ziemi  (około  300  K),  występowaniem  charakterystycznych  pasm  absorpcji  i 
emisji substancji o duŜym znaczeniu, a takŜe wysoką przezroczystością atmosfery [2,3].  
   Informacje  niesione  przez  promieniowanie  podczerwone  mogą  być  odczytane  i 
przetworzone  przez  dostosowane  do  tego  celu  urządzenia  techniki  podczerwieni.  Ich 
podstawowy  element  stanowią  czujniki  (detektory)  promieniowania  podczerwonego,  które 
przetwarzając  energię  promieniowania  podczerwonego  na  inne  rodzaje  energii  (zwykle  na 
energię  elektryczną),  pozwalają  uzyskać  łatwy  do  bezpośredniego  pomiaru  sygnał. Stąd  teŜ 
termografia  w  podczerwieni,  to  w  uproszczeniu  detekcja  fal  promieniowania  cieplnego 
emitowanego  przez  ciało  w  zakresie  podczerwonym  (niewidzialnym  dla  oka),  a  następnie 
przetwarzanie tego promieniowania w odpowiednim urządzeniu (np. kamerze termowizyjnej) 
na  obraz  widzialny  zwany  termogramem.  Obraz  ten  charakteryzuje  się  występowaniem 
barwnych  stref,  które  powiązane  są  z  wartościami  temperatur  emitera  (im  jaśniejsze  barwy 
tym wyŜsze lokalnie temperatury).  
    

2.   Termografia – jej historia i podstawy fizyczne 

   Metody  termografii  i  termowizji  stosowane  są  obecnie  prawie  we  wszystkich  dziedzinach 
badań  i  pomiarów  nieniszczących  (NDT).  Oprócz  typowych  zastosowań  wojskowych,  słuŜą 
efektywnie  m.in.  w  medycynie  (diagnostyka  ognisk  zapalnych  i  zwyrodnień  tkanek), 
energetyce  (ocena  obciąŜeń  i  uszkodzeń  sieci  elektrycznych  oraz  silników  i  układów 
elektronicznych), ciepłownictwie (straty w kotłach i rurociągach cieplnych), kryminalistyce i 
ratownictwie (poszukiwania osób), a nawet w badaniach geologicznych i meteorologii [1-4].  

 

238 

   Historia termografii sięga początku XIX wieku i wiąŜe się z badaniami rozpraszania światła 
za  pomocą  pryzmatu,  które  realizował  angielski  astronom  William  Herschel.  Zaobserwował 
on,  Ŝe  rzutując  na  kartkę  papieru  barwną  wiązkę  światła  słonecznego  rozszczepioną  przez 
pryzmat, powierzchnia ta ulega bardziej intensywnemu ogrzaniu po stronie czerwonej barwy 
a takŜe poza nią. Stwierdził, iŜ umieszczone na powierzchni papieru zbiorniczki termometrów 
rejestrują róŜne wartości temperatury w strefie poszczególnych barw i poza nimi. Tym samym 
odkrył on istotę promieniowania cieplnego w zakresie podczerwieni, rys.1.  
   Jak  wiadomo,  promieniowanie  cieplne  jest  związane  z  emisją  fal  elektromagnetycznych. 
Typowy  zakres  długości  fal 

λ

,  odpowiadający  istotnym  w  omawianej  tu  problematyce 

strefom promieniowania to [2,3]: 

 

 

 

         UV 

 

       ŚW 

 

       IR 

 

-

 

ultrafiolet (UV) : 0.01 <

λ

 < 0.35 

µ

m, 

-    światło widzialne (ŚW) :  0.3 <

λ

 < 0.75 

µ

m,     

-

 

podczerwień (IR) : 0.75<

λ

 < 1000 

µ

m. 

-

 

 

 

 

Rys.1. Eksperyment Williama Herschela (1800 r.), [4]. 

 
   Obszar podczerwieni ma najistotniejsze znaczenie z punktu widzenia technik pomiarowych 
w odniesieniu do detekcji i rejestracji promieniowania cieplnego i jest zwyczajowo dzielony 
na (wg ILC/CIE): 
 

-

 

podczerwień bliską lub krótkofalową: IR-A (0.78 – 1.4 

µ

m),   

-

 

podczerwień średnią lub średniofalową: IR-B (1.4 – 3 

µ

m), 

-

 

podczerwień daleką lub długofalową: IR-C (3 - 1000 

µ

m). 

 
   Produkowane  seryjnie  kamery  termowizyjne  na  podczerwień  pracujące  w  zakresie  2-5

µ

m 

noszą  nazwę  krótkofalowych  (SW),  zaś  w  zakresie  8-14

µ

m  długofalowych  (LW).  Ma  to 

bezpośredni związek z przepuszczalnością dolnej warstwy atmosfery o grubości ok. 1500 m, 
w której występują dwa tzw. „okna atmosferyczne” [2,3]. Poza tymi zakresami fal występuje 
silne pochłanianie promieniowania podczerwonego m.in. przez parę wodną, dwutlenek węgla 

 

239 

i  ozon,  znajdujące  się  w  atmosferze  ziemskiej.  Aby  przedstawić  bliŜej  uproszczony  opis 
działania  kamery  termowizyjnej  i  otrzymywania  termogramu  koniecznym  jest  krótkie 
wprowadzenie do podstawowych praw dotyczących promieniowania cieplnego.  
 
 3.   Podstawowy opis zjawisk i prawa promieniowania  

   Promieniowanie cieplne jest, jak i inne fale elektromagnetyczne rozchodzi się z prędkością 
światła  (około  300  tys.  km/s).  Jak  wiadomo,  kaŜde  ciało  o  temperaturze  wyŜszej  od  zera 
Kelvina emituje promieniowanie cieplne o określonej intensywności i długości fali. Jeśli jego 
temperatura nie przekracza 500

  0

C, to emitowane ciepło odpowiada zakresowi podczerwieni. 

Ciała  stałe  i  ciecze  dają  ciągłe  widmo  promieniowania  cieplnego,  natomiast  gazy  emitują  (a 
takŜe  absorbują)  promieniowanie  cieplne  selektywnie,  tj.  w  pewnym  wąskim  zakresie  fal. 
Pochłanianie  promieniowania  wychodzącego  z  badanej  powierzchni  oraz  przechodzącego 
przez  warstwę  powietrza  (lub  innego  gazu)  znajdującą  się  między  badanym  obiektem  i 
obiektywem  kamery  termowizyjnej  moŜe  mieć  wyraźny  wpływ  na  wynik  pomiaru.  Jak  juŜ 
wspomniano, głównymi gazami pochłaniającymi promieniowanie podczerwone w atmosferze 
ziemskiej są para wodna i dwutlenek węgla. Pochłaniają one promieniowanie cieplne tylko w 
ściśle  określonych  pasmach  długościach  fali.  Dane  dotyczące  istotnych  zakresów 
pochłaniania promieniowania podczerwonego przez H

2

O i CO

2

 zamieszczono w Tablicy 1. 

 
 

 

       Tab.1. Pochłanianie promieniowania IR przez H

2

O i CO

2

 [2,4] 

Zakres długości fal , λ [µm] 

Pasmo 

Para wodna, H

2

O 

Dwutlenek węgla, CO

2

 

1 

1,7 ÷ 2,0 

- 

2 

2,2 ÷ 3,0 

2,4÷3,0 

3 

4,8÷8,0 

4,0÷4,8  

4 

12÷30 

12,5÷16,5  

 

  Prawo Stefana_Boltzmanna 

   Energia  w  postaci  ciepła  emitowanego  przez  ciało  o  określonej  temperaturze  T,  zgodnie  z 
prawem Stefana-Boltzmana jest wyraŜona: 
 
 

 

 

 

 

4

2

0

,  W/m

= ⋅ ⋅

E

T

ε σ

   

 

 

 

(1.) 

 
gdzie oznaczono:  

ε

  -  emisyjność  powierzchni  (0  < 

ε

    <  1), 

σ

0

    =5.6703·10

-8

  W/m

2

K  –  stała  promieniowania 

(ciała absolutnie czarnego), T[K] – temperatura absolutna powierzchni ciała promieniującego. 
 
   Na  podstawie  tego  prawa  moŜna  przykładowo  określić  przybliŜoną  ilość  energii  cieplnej 
wypromieniowywanej z nieosłoniętej powierzchni skóry człowieka (

ε

 = 0.97) w temperaturze 

T = 36.6 

0

C w odniesieniu do 1m

2

 jej powierzchni: 

 

 

 

(

)

4

4

-8

2

0

= 0.97 5.6703·10

273.15+36.6

= 506 W/m

= ⋅ ⋅

⋅

⋅

s

E

T

ε σ

. 

 

    

   NaleŜy podkreślić, Ŝe większość ciał emitujących promieniowanie cieplne (zwykle ze swej   
powierzchni)  nie  spełnia  warunku  ciała  „idealnie  czarnego”,  którego  zdolność  do  emisji  jest 
maksymalna (

ε

 = 1). Parametr ten jest z punktu widzenia uŜytkowania kamer termowizyjnych 

niezwykle  istotny  ze  względu  na  poprawność  i  wiarygodność  danych  przedstawionych  na 

 

240 

obrazie  termogramu  (im  wyŜsza  tym  dokładniejszy  pomiar).  Emisyjność  jest  zaleŜna  przede 
wszystkim  od  materiału,  rodzaju  i  stanu  oraz  barwy  jego  powierzchni,  a  takŜe  temperatury, 
długości  fali  i  kąta  padania  promieniowania.  Wartości  emisyjności  podawane  są  w 
specjalistycznych  poradnikach.  Dla  typowych  materiałów  budowlanych  wynosi  ona  w 
temperaturach  bliskich  otoczenia 

ε

  =  0.7  -  0.95,  zaś  minimalną  emisyjność  wykazują 

wypolerowane  powierzchnie  ze  złota  i  innych  metali  szlachetnych  (

ε

  =  0.02-0.06).  Z 

oczywistych powodów, uwagi te dotyczą wyłącznie ciał optycznie nieprzepuszczalnych [1-4].  
Typowe  wartości  emisyjności  róŜnych  materiałów  w  zaleŜności  od  ich  temperatury 
przedstawiono na rys. 2. 

 

 

Rys. 2 Wartości emisyjności powierzchni wybranych materiałów. 

 

   
   Prawo Kirchoffa 

   Aby  wyjaśnić  związek  pomiędzy  charakterystyką  materiału  z  punktu  widzenia  jego 
zdolności do emisji promieniowania, a z kolei transportu, pochłaniania bądź odbijania energii 
promieniowania  cieplnego,  najprościej  jest  zdefiniować  określone  wskaźniki  (zwykle 
uŜywane  w  zakresie  fal  odpowiadających  promieniowaniu  widzialnemu).  Nie  trudno  sobie 
uzmysłowić,  Ŝe  emitowana  na  jednostkę  czasu  ilość  energii  (strumień  energii  w  postaci 
promieniowania  cieplnego),  które  pada  na  określoną  powierzchnię  innego  ciała  moŜe  być  w 
nim  częściowo  lub  całkowicie  pochłonięta  tj.  zaabsorbowana  (

a

E

& ),  moŜe  ulegać  odbiciu 

(

r

E

& ), lub teŜ być przepuszczana (

p

E

&

), jak to ma miejsce w przypadku ciał przeźroczystych:  

 

;

;

;

;

1

a

r

p

a

r

p

E

E

E

E

a

E

E

r

E

E

p

E

E

a

r

p

.

=

+

+

=

=

=

+ + =

&

&

&

&

&

&

&

&

&

&

 

 

 

 

(2.)

 

 

 

241 

   Odpowiednie  stosunki  liczbowe,  wyraŜające  udziały  poszczególnych  form  transportu  lub 
magazynowania energii, określają wartości współczynnika pochłaniania (lub absorpcyjności) 
a,  współczynnika  odbicia  (refleksyjności)  r  oraz  współczynnika  przepuszczalności  p.  W 
duŜym uproszczeniu, zaleŜność (2.) wyraŜa prawo promieniowania Kirchoffa. Absorpcyjność 
zgodnie z prawem Kirchoffa jest przeciwieństwem emisyjności i dla ciała doskonale czarnego 
wynosi  a  = 

ε

  =  1.  Ciała  tzw.  „szare”  wykazują  wartości  pośrednie,  tj.    0  <  a  <  1.  Oprócz 

wspomnianych  wskaźników,  określonych  dla  całego  widma  emitowanego  promieniowania, 
moŜna takŜe uŜywać ich odpowiedników, których wartości zostały wyznaczone wyłącznie dla 
jednej, wybranej długości fali promieniowania (a = a

λ

, 

ε

 = 

ε

λ

 ,  itd.).   

   
   Prawo Plancka 

   Ogólnym,  a  zarazem  podstawowym,  jest  prawo  Plancka,  określające  widmową  gęstość 
mocy promieniowania E ciała idealnie czarnego, które wiąŜe ją wykładniczo z długością fali 

λ

  oraz  jego  temperaturą  absolutną  T  (patrz:  rys.3).  W  postaci  matematycznej  równanie 

Plancka  wyraŜa  rozkład  widmowy  emisji  promieniowania  ciała  idealnie  czarnego  w  funkcji 
długości fali λ. Prawo to opisuje wykładnicza zaleŜność: 

  

 

 

(

)

1

2

5

2

W

m

µm

1

c

E

,T

,

c

exp

T

λλλλ

λλλλ

λλλλ

λλλλ

=

⋅









⋅

−









⋅









 

 

                    (3.) 

w której: 

2

8

-2

4

1

0

2

0

2

=3.742 10  W m

m ;

4388 m K

=

⋅

⋅

⋅

=

=

⋅

h

h

c

c

c

c k

π

µ

µ

; to stałe. 

Prawo Wiena     

 

 

 

 

 

 

 

 

                 

Dla  małych  wartości  iloczynu  temperatury  i  długości  fali  λּT,  człon  ekspotencjalny  w 

mianowniku  wyraŜenia  (3.)  jest  znacznie  większy  od  jedności  (gdy  temperatury  nie 

przekraczają T =3000 K). W tym przypadku wspomniana zaleŜność sprowadza się do prawa 

przesunięć Wiena zapisywanego w postaci: 

 

 

 

 

     

( )

(

)

5

1

2

;

E

T

c

exp c

T

λ

λ

λ

−

= ⋅

⋅







  

 

 

 

(4.) 

   Jeśli przedstawić graficznie owe prawo (zaznaczona linią przerywaną na rys. 3), to okazuje 
się,  Ŝe  kaŜda  izoterma  posiada  maksimum  względem  określonej  długości  fali 

λ

,  zaś 

odpowiednia gęstość mocy promieniowania wynosi:  
 

         

[

]

( )

15

5

2

2898

m K

1 286 10

, [W/cm

m]

−

⋅ =

⋅

↔

≅

⋅

⋅

⋅

max

max

T

,

E

T

.

T

λ

λ

µ

µ

 

(5.) 

 
   Na  rys.3  pokazano  typowy  wykres  gęstości  strumienia  energii  promieniowania  (tzw. 
emitancję  widmową)  z  zaznaczonym  zakresami  operacyjnymi  (250  –  1000K)  większości 
kamer  termowizyjnych  SW  i  LW.  Obszary  te  (2  –5  oraz  7-15 

µ

m),  w  duŜym  stopniu 

pokrywają się ze strefą maksimów gęstości mocy promieniowania w obszarze podczerwieni, 
istotną ze względów pomiarowych  

 

 

242 

 

 
 

Rys. 3. Strumień energii E

λ

 na jednostkę powierzchni odniesiony do długości fali 

λ

, [4]. 

 

   Prawo Lamberta 

   Oprócz wspomnianych wykorzystuje się teŜ prawo cosinusów Lamberta. Mówi ono, Ŝe moc 
promieniowania  E

0n

  wysyłanego  z  danej  powierzchni  w  kierunku  normalnym  „n”,  jest    π  – 

krotnie mniejsza niŜ całkowita moc promieniowania E

0

 ciała wysyłanego z całej powierzchni 

we wszystkich kierunkach [2,3]. MoŜna je wyrazić w postaci 
 

 

 

 

 

 

0

0n

E

E

ππππ

= ⋅

   

 

 

  

 

(6.) 

 
Tym samym natęŜenie promieniowania emitowanego z określonego elementu powierzchni w 
kierunku odchylonym od normalnego do powierzchni o kąt α będzie wynosić 
  

 

 

 

 

 

0

0n

E

E

cos

αααα

αααα

=

⋅

 

 

 

 

 

(7.) 

 

ZaleŜność  ta  obowiązuje  dla  ciała  czarnego  oraz  dotyczy  przypadku  rozpraszania  światła 
(choć nie w pełni odnosi się do powierzchni ciał szarych). W oparciu o to prawo określa się 
ponadto pojęcia dotyczące kierunkowej luminacji (jaskrawości) oraz natęŜenia światła. 
 
  4. Otrzymywanie obrazów termograficznych – kamery termowizyjne 

   Główne  elementy  standardowej  kamery  termowizyjnej  tworzą  (rys.  4):  INFRARED 
DETECTOR  -  detektor  podczerwieni  z  układem  chłodzenia  (lub  ich  zespół  w  postaci 
matrycy),  OPTICS  -  układ  optyczny  (obiektyw),  SIGNAL  PROCESSING  -  elektroniczne 
układy torów wzmocnienia i obróbki sygnału (analiza i rejestracja) oraz STANDARD VIDEO 
MONITOR - zespół jego wizualizacji (zwykle monitor LCD).  

Długość fali λ, [µm] 

Gęstość energii promieniowania E

λ

 

S 
W 

L 
W 

 

243 

 

 

 

Rys. 4. Zasady przetwarzania i rejestracji obrazu w kamerze termowizyjnej [4]  

   
 „Sercem”  takiej  kamery  jest  układ  detektorów  podczerwieni.  Ich  rozwój  i  poziom 
doskonałości  stanowił  zawsze  zasadniczy  czynnik  decydujący  o  jakości  uzyskiwanych 
obrazów,  obszarze  jej  praktycznych  zastosowań,  gabarytach  i  cenie.  Zasadniczo  detektory 
podczerwieni  mogą  być  typu  termicznego  lub  fotonowego  (pojedyncze,  liniowe  bądź 
matrycowe). Z uwagi na istnienie dwu pasm dobrej przepuszczalności promieniowania przez 
„okna  atmosferyczne”  kamery  LW  i  SW  mają  zazwyczaj  innego  typu  detektory.  Detektory 
termiczne  stanowią  w  szczególności  elementy  bolometryczne  lub  pirometryczne,  w  których 
zmiana temperatury spowodowana zaabsorbowanym promieniowaniem generuje odpowiedni 
sygnał  optyczny  bądź  elektryczny.  Detektory  foto-przewodzące  to  przede  wszystkim 
elementy  fotoemisyjne,  fotodiody  oraz  tzw.  detektory  z  kwantową  „studnią”  fotonową 
(QWIP), stosowane m.in. w zaawansowanych systemach badań przestrzeni kosmicznej. 
   W  wielu  kamerach  termowizyjnych  detektory  są  schładzane  w  celu  zwiększenia  ich 
czułości.  Pierwsze,  pojedyncze  detektory  w  starszych  typach  kamer  termowizyjnych 
wymagały schładzania ich podczas pracy do temperatury bliskiej minus 200

0

C. Realizowano 

to  poprzez  napełnienie  ciekłym  azotem  kriostatycznego  pojemnika  znajdującego  się  w 
kamerze.  Parujący  azot  utrzymywał  detektor  we  właściwej  temperaturze  (przez  dość 
ograniczony  czas  rzędu  kilku  minut).  Innym  sposobem  chłodzenia  detektorów  było 
stosowanie  do  tego  celu  miniaturowych  chłodziarek  Stirlinga  (pracujących  na  helu).  Oba  te 
rozwiązania okazały się w praktyce mało efektywne i obecnie rzadko są stosowane.  
   W  ostatnich  latach,  dzięki  skonstruowaniu  nowych  typów  detektorów  o  wyŜszej 
temperaturze  pracy  (-70

o

C),  do  ich  chłodzenia  udało  się  zastosować  chłodziarki 

termoelektryczne  (wykorzystujące  tzw.  efekt  Peltiera).  Najnowsze,  powszechnie  juŜ 
wprowadzane termiczne detektory podczerwieni (matrycowe), działają zadowalająco nawet w 
temperaturze  pokojowej  (20-30 

o

C),  zaś  schładzanie  matrycy  słuŜy  wyłącznie  zapewnieniu 

stabilnych warunków termicznych podczas pracy układu (w tym mikroprocesorów).  
    
   Wraz  z  doskonaleniem  strony  elektronicznej  detektorów  promieniowania  zmieniały  się 
zasady  generowania  obrazu  termowizyjnego.  Jeszcze  około  10  lat  wstecz,  taki  płaski  obraz 
tworzono za pomocą skanującego układu mechanicznego o wysokiej precyzji, w którym obrót 
wielościanu  z  lustrzanymi  ściankami  bocznymi  zsynchronizowany  był  z  jego  wahadłowym 
ruchem w przeciwległej płaszczyźnie (rys. 5).  
 

 

244 

 

Rys. 5. Zasada działania punktowego skanera termowizyjnego [4] 

 

   W ten sposób, kamera sekwencyjnie przeszukiwała całe pole badanego obszaru. Strumienie 
energii radiacyjnej z kolejnych wycinków badanej powierzchni po przejściu przez soczewkę 
padały na jedną z lustrzanych ścianek (bądź przepuszczalnych) obracającego się wielościanu. 
Po  odbiciu  się  od  układu  ruchomych  luster  padały  następnie  na  punktowy  detektor,  który 
przetwarzał  je  na  sygnał  elektryczny  o  wartości  proporcjonalnej  do  natęŜenia 
promieniowania.  Konstrukcja  układu  zapewniała  badanie  punkt  po  punkcie  (z  odpowiednio 
duŜą  częstotliwością)  obiektu  widzianego  w  obiektywie.  Innym  stosowanym  rozwiązaniem 
były  układy  z  detektorami  liniowymi,  w  których  dla  utworzenia  obrazu  przeszukiwanie 
odbywało się tylko w jednokierunkowo (linia po linii).  
   Współczesne  detektory  promieniowania  podczerwonego,  w  jakie  wyposaŜone  są  kamery 
termowizyjne,  posiadają  stałą  dwuwymiarową  (2D)  matrycę  składającą  się  z  tzw. 
mikrobolometrów (rys. 6).  

Rys. 6. Budowa elementu detektora bolometrycznego (piksela), [2,4]  

(a – struktura elementu, b – schemat przetwarzania sygnalu) 

 

 

245 

   Ich liczba i wymiary decydują o rozdzielczości i czułości kamery. Typowa matryca (FPA) 
w kamerze termowizyjnej zawiera zwykle 240

X

320 pojedynczych detektorów (pikseli). Obraz 

obiektu,  padający  na  matrycę  przez  obiektyw  zaopatrzony  w  odpowiedni  filtr  optyczny, 
powoduje wygenerowanie sygnału elektrycznego w kaŜdym mikro-detektorze matrycy, który 
zasadniczo  jest  zaleŜny  od  natęŜenia  i  długości  fali  padającego  promieniowania  (rys.6). 
Sygnały  te  zbierane  są  z  duŜą  częstotliwością  przez  układ  odczytu  i  po  ich  elektronicznej 
obróbce  słuŜą  do  utworzenia  obrazu  termograficznego  badanej  powierzchni.  Istotną  zaletą 
tego typu kamer jest moŜliwość pracy  w bardzo szerokim przedziale widmowym,  a takŜe  w 
zasadzie brak konieczności chłodzenia. 

 

    

 

Rys. 7. Zasada rejestracji obrazu w kamerze z matrycą mikrobolometryczną FPA, [4] 

   
  W detektorach tych, rezystory bolometryczne (elementy o małej pojemności cieplnej i duŜej 
zmianie  oporności  wskutek  zmian  temperatur),  umieszczone  w  mikro-obwodzie  mostka,  w 
wyniku  absorpcji  padającego  promieniowania  cieplnego  o  długości  fali 

λ

  =  8  –  14 

µ

m, 

zmieniają swą oporność. Mikromostek elektryczny zawiera cienką warstwę uszlachetnionego 
krzemu  amorficznego,  który  spełnia  rolę  czujnika  temperatury,  przy  czym  promieniowanie 
jest  pochłaniane  przez  bardzo  cienką  napyloną  warstewkę  tlenku  wanadu  lub  tytanu  (rys.7). 
Zdolność  rozdzielcza  tych  elementów  wynosi  średnio  0.02  –  0.2  K.  Zbieranie  informacji 
odbywa  się  poprzez  multipleksowanie  kaŜdego  piksela.  Częstotliwość  pracy  dobierana  jest 
odpowiednio  do  standardu  sygnału  (50Hz  –  PAL  oraz  60Hz  –  NTSC),  przy  czasie  odczytu 
około 40 ms. W innych rozwiązaniach (np. kamery monitorujace), uŜywane są tzw. detektory 
piroelektryczne zbudowane z półprzewodników [2,3].  
     Szybki  rozwój  technologii  wytwarzania  detektorów  umoŜliwia  stopniowe  rozszerzanie 
zakresu pomiarowego urządzeń termowizyjnych, zarówno w kierunku wysokich jak i niskich 
temperatur.  Najnowsze  rozwiązania  (trzeciej  generacji)  umoŜliwiają  prowadzenie  pomiarów 
za  pomocą  jednego  urządzenia  w  zakresie  temperatur  –40÷2000

o

C.  W  zakresie  wysokich 

temperatur  stosowane  są  filtry  optyczne  ograniczające  intensywność  promieniowania 
przechodzącego przez układ optyczny, które pada na detektor. Wraz z rozszerzaniem zakresu 
pomiarowego  temperatur  poprawiana  jest  czułość  termiczna  urządzeń  termowizyjnych.  Przy 
standardowej  temperaturze  odniesienia  (30

0

C),  dla  powszechnie  dostępnych  na  rynku  kamer 

termowizyjnych wynosi ona średnio 0,08 ÷0,12 stopnia Celsjusza. Jej wartość, wskazuje jaką 
minimalną  róŜnicę  temperatur  moŜe  wykryć  detektor  kamery  termowizyjnej  (kamery 
specjalnego przeznaczenia mają czułość 0,02 – 0,05 stopnia). Najnowsze systemy, uŜywane w 
badaniach naukowych posiadają silnie stabilizowane termicznie kwantowe detektory QWIP o 
bardzo wysokiej czułości i matrycy powyŜej 1000x1000 pikseli. WaŜnym parametrem, który 

 

246 

wskazuje  na  zdolność  detekcji  promieniowania  jest  z  kolei  tzw.  znormalizowana  gęstość 
widmowa,  D*,  która  charakteryzuje  stosunek  sygnału  termicznego  do  „szumu”  (rys.  8) 
względem  pasma  częstotliwości  roboczych  oraz  powierzchni  detektora  w  warunkach 
promieniowania cieplnego o jednostkowej mocy: 
 

 

 

 

 

 

1 2

cm Hz

W

d

A

f

D*

,

/

NEP

λλλλ

⋅ ∆





=

⋅





 

 

 

(8.) 

 

gdzie:  A

d

  –  pole  powierzchni  czynnej  detektora,  cm

2

;  ∆f  –  pasmo  wykorzystywanych 

częstotliwości,  Hz;  NEP

λ

  –  tzw.  moc  równowaŜna  szumowi  (tj.  moc  rejestrowanego 

promieniowania dla długości fali λ, odpowiadająca sygnałowi równemu poziomowi szumu). 

 

Rys. 8. Typowe wartości parametru czułości kamer termowizyjnych D* [4] 

       (Oznaczono tu materiał detektora: InAs – arsenek indu, PbSe – selenek ołowiu, itd.) 

 
 
   Wskaźnik  ten  powinien  z  oczywistych  względów  być  moŜliwie  wysoki  i  podawany  jest 
zazwyczaj  tylko  w  odniesieniu  do  najbardziej  zaawansowanych  konstrukcji  specjalnego 
przeznaczenia.  Jednocześnie  dąŜy  się  do  uzyskania  scalonych  detektorów,  które  zdolne 
byłyby  jednocześnie  wykrywać  i  rejestrować  promieniowanie  w  duŜym  przedziale  długości 
fal, zarówno w zakresie LW jak i SW [2,4].  
 
   

Podsumowanie  

   Zastosowanie kamer termowizyjnych w bezinwazyjnych metodach pomiarów i diagnostyki 
staje  się  coraz  bardziej  powszechne,  dostępne  (korzystny  spadek  cen  urządzeń  wraz  ze 
wzrostem ich jakości i moŜliwości pomiarowych) pozwala w szczególności na: 
- wykrywanie wad technologicznych przegród budynków, błędów w docieplanie ścian, 
identyfikację mostków cieplnych, zawilgoceń, infiltracji powietrza, 
- lokalizację wycieków i nieszczelności rur (w tym z ciepłą wodą oraz C.O.), 
- ocenę uszkodzeń urządzeń elektrycznych i ich zasilania (duŜa oporność dla rozdzielni 
napięć, transformatorów, szafek, uszkodzonych bezpieczników, złączy elektrycznych), 

 

247 

- ocenę stanu izolacji cieplnej kotłów, rurociągów, kanałów, elektrofiltrów ( diagnostyka 
eksploatacyjna i powykonawcza), 
-lokalizację sieci ciepłowniczej ( inwentaryzacja i ocena stanu technicznego), 
- analizę stanu przewodów instalacji gazów technicznych oraz gazu ziemnego, 
-wadliwie pracujących urządzeń mechanicznych (nadmierne przegrzanie) 
- wskazanie uszkodzeń wymurówki pieców i kominów,  
- identyfikacji ognisk poŜarów leśnych, 
- diagnostykę chorób i stanów zapalnych (zastosowania medyczne) 
a ponadto w badaniach naukowych oraz najnowszych technologiach , w których szczegółowa 
znajomość rozkładu temperatur moŜe decydować o istotnych zjawiskach i procesach.   

   Jak  juŜ  wspomniano,  szczególnym  obszarem  zastosowań  badań  termowizyjnych  jest 
badanie  izolacyjności  cieplnej  budynków,  przed  i  po  ich  termorenowacji.  Tym  samym  do 
procesu  budowlanego  winien  wchodzić  całkiem  nowy  etap:  powykonawcza  diagnostyka 
cieplna obiektu. Na podstawie zdjęć termowizyjnych dokonuje się oceny stanu i właściwości 
cieplnych  izolacji  poszczególnych  przegród,  w  tym  identyfikacji  mostków  cieplnych,  czyli 
miejsc,  których  właściwości  termoizolacyjne  są  gorsze  niŜ  pozostałej  części  przegrody, 
czemu  towarzyszą  znaczne  straty  ciepła  z  wnętrza  budynku.  Innym,  niezwykle  waŜnym 
obszarem  aplikacji  kamery  termowizyjnej  jest  wykrywanie  wilgoci  w  budynkach.  Jak 
wiadomo,  obecność  wody  w  porach  materiału  budowlanego  obniŜa  jego  właściwości 
izolacyjne  oraz  poziom  temperatury  powierzchni  ściany,  stąd  teŜ  na  termogramie  moŜna 
łatwo  rozróŜnić  obszary  zawilgoceń,  określać  ich  zasięg,  a  nawet  wskazać  źródła  wilgoci. 
Takie  badanie  jest  wyjątkowo  przydatne  przy  diagnostyce  zawilgoceń  i  lokalizacji 
przecieków w płaskich stropodachach. Łatwo jest teŜ zlokalizować przebieg ukrytej w ścianie 
instalacji  wodnej  lub  grzewczej,  rur  ogrzewania  podłogowego,  sprawdzaniu  droŜności 
kanałów i przewodów kominowych, itp.  

   W 

Załączniku  1  przedstawiono  kilka  barwnych  termogramów  reprezentujących 

przykładowe  przypadki  oceny  izolacyjności  przegród  zewnętrznych  budynków  za  pomocą 
metod termowizyjnych. Ich praktyczne opracowanie odbywa się z uŜyciem specjalistycznego 
oprogramowania (zwykle dołączane jest ono przez producenta kamery termowizyjnej). Dzięki 
temu moŜna podjąć decyzję jakie zabiegi termorenowacyjne są konieczne, a takŜe jaki jest ich 
rezultat z punktu widzenia poprawy charakterystyki energetycznej budynku.  

        Literatura: 

[1]  Minkina  W.A.,  Rutkowski  P.,  Wild  W.:  Podstawy  pomiarów  termowizyjnych.  Pomiary, 
Automatyka Kontrola, Vol. 46 (2000), Nr.1, s. 7-14 
[2] Praca zbiorowa, red: Madura H.: Pomiary termowizyjne w praktyce. Agenda Wydawnicza 
PAK-u, Warszawa, 2004 
[3]  Minkina  W.:  Pomiary  termowizyjne  –  Przyrzady  i  metody.  Wydawnictwa  Politechniki 
Częstochowskiej, Częstochowa, 2004 
[4] strony internetowe: 

http://www.flirthermography.com/cameras/all_cameras.asp

 , 

http://www.termowizja.biz/news.php

 , 

http://www.infraredinstitute.com/index.html

 

http://thermo.p.lodz.pl/

,

http://btech.lbl.gov/papers/46590.pdf

 

 
 
 
 
 
 

 

248 

Załącznik1 – Przykładowe termogramy 

 

 

Rys.A. Izolacyjność cieplna ściany zewnętrznej przed i po dociepleniu [4] 

 
 

   

Rys.B. Fotografia i obraz termowizyjny wycieku z instalacji wodnej [4] 

 

  

 

Rys.C. Termogramy obiektów zabytkowych - Kościół /Wenecja/ 

(z lewej: diagnoza wad muru, z prawej: ocena zmian w konstrukcji sklepienia) 

 

 

249 

 

 

Rys.D. Termogramy ściany budynku mieszkalnego przed i po ociepleniu [4] 

 
 
 

 

 

a)

 

b) 

 

 

 

Rys.E. Profilogramy zmian temperatury wzdłuŜ ściany budynku z rys.D, [4] 

(określają je linie: Li01)