Kamera termowizyjna

Termin termografia - zwłaszcza w czasach rosnących kosztów energii – jest często używany w związku z badaniem właściwości termoizolacyjnych budynków. Kamera termowizyjna do wyświetlania różnych temperatur jest również pomocna w wielu innych zadaniach. Na przykład, oceniając strefy temperaturowe na obrazach z kamery termowizyjnej, można zlokalizować mostki cieplne, odnaleźć zaginione osoby nawet w ciemności i zadymionych pomieszczeniach, wykryć przegrzanie elementów elektronicznych, monitorować procesy produkcyjne, zlokalizować ukryte rury grzewcze, wentylacyjne i wodne oraz wykryć wszelkie nieszczelności. W medycynie i weterynarii kamera termowizyjna ułatwia lokalizowanie miejscowych stłuczeń i źródeł stanów zapalnych. Oczywiście nie ma sensu wyposażać jednej kamery termowizyjnej do tak różnych zadań. Dlatego istnieje duża liczba urządzeń o różnych specyfikacjach

W przypadku niektórych zastosowań wystarczająca jest wizualizacja dużych różnic temperatur, inne wymagają bardzo szczegółowej wizualizacji różnicy temperatury. Oto krótki przegląd tego, co należy wziąć pod uwagę, aby ocenić, czy kamera termowizyjna nadaje się do planowanego zastosowania:

- zastosowanie mobilne lub stacjonarne
- zakres pomiarowy temperatury
- czułość termiczna kamery termowizyjnej
- rozdzielczość geometryczna czujnika podczerwieni
- zakres spektralny
- częstotliwość obrazu kamery termowizyjnej
- Lokalizacja punktu gorącego i zimnego
- Możliwość nałożenia obrazu rzeczywistego
- Możliwości przechowywania kamery termowizyjnej
- Interfejsy do transmisji danych
- Ochrona przed upadkiem, brudem, wilgocią
- Kamera termowizyjna z dodatkowymi czujnikami

Kamera termowizyjna do użytku stacjonarnego lub mobilnego
To kryterium można łatwo spełnić w przypadku większości zastosowań. Czy kamera termowizyjna powinna być ustawiona lub zamontowana w stałym miejscu, czy też będzie używana w różnych miejscach?

Stacjonarna kamera termowizyjna pracuje zwykle stale w tym samym miejscu i ze względnie stałą odległością obserwacji. Urządzenia stacjonarne są często wykorzystywane na przykład przy opracowywaniu i monitorowaniu jakości elementów elektronicznych. Mogą być jednak również wykorzystywane do monitorowania produkcji w procesach zależnych od temperatury lub do liczenia osób i zintegrowane z systemami bezpieczeństwa. W zautomatyzowanych procesach, gdzie ma być zagwarantowana stała jakość produktu, stacjonarna kamera termowizyjna w sposób ciągły rejestruje wartości temperatur procesu. Dzięki oprogramowaniu oceniającemu dostosowanemu do procesu partie produktów o odbiegających temperaturach mogą być wykrywane w pełni automatycznie i później rozdzielane. Wyposażony w szybki interfejs Ethernet, to stacjonarna kamera termowizyjna, np. z serii PCE-PI, którą można łatwo zintegrować z istniejącym systemem sterowania. Kamera termograficzna oferuje obrazy termiczne w czasie rzeczywistym, dzięki czemu w przypadku odchyleń można natychmiast zainterweniować w procesie.

Mobilna kamera termowizyjna jest używana w różnych miejscach i dlatego musi być niezależna od sieci i łatwa w transporcie. Wiele lekkich, poręcznych urządzeń zaprojektowano z chwytem pistoletowym. Podobnie jak nowoczesne aparaty cyfrowe, kamera termowizyjna ma monitor, który jest zwykle ustawiony w taki sposób, że obraz termiczny i obszar docelowy są skierowane w tym samym kierunku. Kamerę można łatwo skierować na badany obszar i umieścić w odpowiedniej odległości od krytycznych punktów nagrania. W przypadku czasochłonnych badań termograficznych należy koniecznie zwrócić uwagę na możliwy czas pracy oraz możliwość wymiany lub doładowania akumulatorów stosowanych w kamerze termowizyjnej.

Zakres pomiarowy kamery termowizyjnej dla temperatury
Czujnik kamery termowizyjnej może mierzyć temperaturę tylko w określonym zakresie z określoną dokładnością. Ten zakres temperatur może być bardzo wąski – na przykład w urządzeniu do monitorowania procesu lub do celów medycznych – lub nawet obejmować zakres 400 stopni, np. w temperaturze pokojowej. B. od - 20 stopni Celsjusza do + 380 stopni Celsjusza. Niektóre urządzenia można specjalnie skalibrować do podzakresu, aby osiągnąć tam wyższą dokładność. Jeśli potrzebujesz kamery termowizyjnej do bardzo wysokich lub bardzo niskich temperatur, upewnij się, że mieszczą się one w zakresie pomiarowym. Przy temperaturach poniżej – 50 stopni Celsjusza intensywność emitowanego promieniowania jest jednak na tyle mała, że trudno ją zmierzyć dostępnymi obecnie czujnikami do kamery termowizyjnej.

Czułość termiczna - wartość NETD - kamery termowizyjnej
Czułość termiczna opisuje, jak szczegółowo kamera termowizyjna może wykrywać różnice temperatur. Wartość jest zwykle podawana w milikelwinach, ale czasami także w kelwinach. Typowe wartości to na przykład 70, 80, 100, 150 lub 300 milikelwinów. W specyfikacji urządzenia kamery termowizyjnej informacja ta pojawia się sporadycznie również pod oznaczeniem NETD value, pochodzącym od angielskiego określenia tej wartości – Noise Equivalent Temperature Difference. Istnieją zalecenia, aby czułość termiczna kamery termowizyjnej wynosiła jeden procent zakresu temperatur, który ma być wyświetlany. Oznacza to, że dla różnicy temperatur 30 kelwinów na obrazie termowizyjnym rozdzielczość termiczna 0,3 kelwina, czyli 300 milikelwinów, jest wystarczająca do dobrego odwzorowania obrazu.

Rozdzielczość geometryczna czujnika podczerwieni kamery termowizyjnej
Kamera termowizyjna przetwarza promieniowanie podczerwone wykrywanego obszaru na obraz radiometryczny, z którego można odczytać temperaturę każdego pojedynczego piksela za pomocą skali kolorów. Im więcej pikseli czujnik podczerwieni może uchwycić oddzielnie, tym bardziej szczegółowe jest wyświetlanie różnic temperatur na monitorze kamery termowizyjnej. W porównaniu z rozdzielczością kamery wizyjnej dla obrazu rzeczywistego, informacja o rozdzielczości obrazu termowizyjnego wydaje się niewielka, ale każdy piksel zawiera informację o emitowanym promieniowaniu podczerwonym, a tym samym o temperaturze powierzchni w docelowym punkcie pomiarowym. Dobre czujniki podczerwieni osiągają rozdzielczość 640 x 480 pikseli.

Do sprawdzania okablowania w szafach sterowniczych nie jest wymagana kamera termowizyjna o wysokiej rozdzielczości. Praktyczne są do tego multimetry cyfrowe ze zintegrowanym czujnikiem podczerwieni, które pokazują obraz termiczny na wyświetlaczu w trybie termografii. W tym celu generowane są wystarczająco znaczące obrazy o rozdzielczości 38 x 38 pikseli. Niskie rozdzielczości kamery termowizyjnej są również generalnie wystarczające do sprawdzania ruchomych części maszyn i pojazdów pod kątem nadmiernego nagrzewania. Na obrazie termowizyjnym można zobaczyć różnice temperatur poprzez reprezentację kolorów, a także lokalną pozycję krytycznych komponentów.

Kamera termowizyjna do inspekcji budowlanych powinna mieć możliwie najwyższą rozdzielczość, aby wyświetlane różnice temperatur można było wiarygodnie interpretować. Urządzenia o dobrej rozdzielczości wyraźnie pokazują różnice temperatur na mostkach termicznych. Z kształtu zimniejszego lub cieplejszego obszaru można wnioskować, czy jest to kwestia linii instalacyjnych, elementów konstrukcyjnych (łaty nośne, szyny gipsowe), zmiany materiału czy osłabienia przekrojów. Nisze w murze, które często były tworzone w przypadku systemów skrzynek na listy lub skrzynek bezpieczników na klatkach schodowych starszych budynków, mogą prowadzić do kondensacji i rozwoju pleśni po stronie salonu. W przypadkach, w których rzemieślnik chce tylko zlokalizować położenie rur grzewczych lub wodociągowych.

Pole widzenia (FOV) – kamery termowizyjnej
Pole widzenia (FOV), punkt pomiarowy (IFOV) oraz odległość pomiarowa są szczególnie istotne w przypadku rejestracji termograficznych, gdzie ważne są szczegóły lub gdzie dostęp do powierzchni pomiarowej jest ograniczony przez czynniki zewnętrzne warunki. W przypadku niektórych serii aparatów można wybierać spośród różnych obiektywów. Dla wszystkich możliwych do wybrania obiektywów tej kamery termowizyjnej tabela zwykle pokazuje, jak duże jest pole widzenia dla określonych odległości oraz rozmiar obiektu przypisany do piksela z tym obiektywem. Dla każdej soczewki jest również określona minimalna odległość do mierzonego obiektu.

Pole widzenia kamery termowizyjnej oznacza poziomy kąt widzenia – Horizontal Field of View (HFOV) – oraz pionowy kąt widzenia – Vertical Field of View (VFOV) – dla którego przeznaczony jest obiektyw kamery termowizyjnej. Informacje o polu widzenia (FOV) mogą również pojawiać się w specyfikacjach urządzenia. Obszar uchwycony przez kamerę termowizyjną zwiększa się wraz z odległością kamery od promieniujących obiektów. Na przykład pole widzenia 30 stopni obejmuje obszar pomiarowy o:

• szerokości 268 mm z odległości 0,5 m,
• szerokości 536 mm z odległości 1,0 m,
• szerokości 1072 mm z odległości 2,0 m oraz
• szerokości 1608 mm z odległości 3,0 odstęp m.

Punkt pomiarowy - Chwilowe pole widzenia (IFOV) - kamerą termowizyjną
Punkt pomiarowy kamery termowizyjnej jest często podawany jako IFOV – Instantaneous Field of View – w danych technicznych urządzenia. Ta wartość opisuje rozmiar najmniejszego obiektu, którego temperaturę można zmierzyć. Wynika to z powierzchni detektora, pola widzenia optyki pomiarowej oraz odległości od mierzonego obiektu. Specyfikacja 4,53 mrad oznacza, że w odległości 1 m od powierzchni pomiarowej obszar przypisany do pojedynczego piksela ma długość krawędzi 4,53 mm. Pomiar odległości i rozmiaru piksela są do siebie proporcjonalne. Jeśli odległość od kamery termowizyjnej do obszaru pomiaru zwiększy się trzykrotnie, to jednocześnie potroi się również rozmiar rejestrowanego obszaru dla pojedynczego piksela. Im mniejszy punkt pomiarowy, tym bardziej szczegółowe odwzorowanie różnic temperatur na obrazie termowizyjnym. Jeżeli ma być rejestrowana temperatura bardzo małych obszarów, należy upewnić się, że mierzony obiekt nie jest mniejszy, ale w miarę możliwości dwa do trzech razy większy niż miejsce pomiaru. Dlatego powinno być możliwe uchwycenie 2 x 2 lub 3 x 3 pikseli obrazu pożądanego szczegółu za pomocą kamery termowizyjnej.

Odległość pomiarowa kamery termowizyjnej
Przy wyborze kamery termowizyjnej, w zależności od obszaru zastosowania, należy również wziąć pod uwagę, jak duża jest najmniejsza odległość pomiarowa oraz jakie rozmiary plamek pomiarowych wynikają ze zwykłych odległości pomiarowych. Nie ma sensu używać tej samej kamery termowizyjnej do monitorowania nagrzewania się najmniejszych elementów elektronicznych do rejestracji termograficznych dużych elewacji budynków.

Zakres widmowy czujnika kamery termowizyjnej
Konwencjonalne czujniki podczerwieni wykrywają promieniowanie w zakresie fal krótkich o długości fali około 3 do 5 mikrometrów lub w zakresie fal długich o długości fali od 8 do 14 mikrometrów. W zakresie fal długich atmosfera jest prawie nieograniczona przepuszczalność, co umożliwia pomiary na duże odległości. W zakresie fal krótkich wiele gazów będących naturalnymi składnikami atmosfery emituje również promieniowanie podczerwone. Obejmuje to dwutlenek węgla. Właściwość ta umożliwia pomiar temperatury płomieni i gazów spalinowych za pomocą kamery termowizyjnej.
Aby móc wykorzystać zalety bezkontaktowego pomiaru temperatury do monitorowania procesów wysokotemperaturowych stosuje się czujniki o specjalnie dostrojonym zakresie spektralnym. Przykładami są:

• Długość fali 0,8 ... 1,1 mm w temperaturach 600 ... 3000 °C w produkcji ciągłego odlewania stopów metali lub szkła
• Długość fali 1,4 ... 1,6 mm w temperaturach 300 ... 1200 °C podczas hartowania metali i w produkcji ceramiki
• długość fali 3,0 ... 5,0 mm w temperaturach 100 ... 500 °C przy lutowaniu elementów elektronicznych oraz w produkcji ceramiki
• długość fali ok. 3,9 mm w temperaturach od 600 ... 1250 °C do pomiaru temperatury przez płomienie np. w piecach
• Długość fali 4,8 ... 5,2 mm w temperaturach od 200 ... 1250 °C do powierzchni szklanych w produkcji szkła płaskiego

Zwykłe okulary i przezroczyste tworzywa sztuczne są przezroczyste dla światła widzialnego i bliskiej podczerwieni, ale nie dla podczerwieni długofalowej, więc kamera termowizyjna z widmem długofalowym nie może mierzyć obiektów przez okna lub szyby. Zamiast tego mierzona jest temperatura powierzchni szkła. Okulary są zatem często szczególnie widoczne na kolorowych termograficznych obrazach ludzi. Do pomiarów przez szyby dostępne są specjalnie wykonane szkła przepuszczające.

Częstotliwość klatek kamery termowizyjnej
Liczba klatek na sekundę wskazuje, ile klatek na sekundę rejestruje kamera termowizyjna. W wielu zastosowaniach wystarczająca jest częstotliwość rejestracji obrazu 1 Hz, czyli jeden obraz termiczny na sekundę. Wysoka liczba klatek na sekundę jest ważna, gdy ma być monitorowane wytwarzanie ciepła na aktywnych komponentach lub w uruchomionych procesach. Wysoka liczba klatek na sekundę jest również korzystna, jeśli rejestracja termograficzna ma być wykonywana poruszającą się kamerą lub gdy badany obiekt się porusza.

Kamera termowizyjna z lokalizacją punktu gorącego i zimnego
Specjalną funkcją do szybkiej lokalizacji przestrzennej i jakościowej oceny ekstremalnych temperatur jest wyświetlanie maksymalnej i minimalnej temperatury na obrazie termicznym z pozycją i wartością liczbową w stopniach Celsjusza. Ponieważ zaznaczenie tych dwóch punktów również może zakłócać ocenę obrazu, często istnieje możliwość wybrania, czy ta funkcja ma być aktywna, czy nieaktywna w menu kamery termowizyjnej. Przy interpretacji wartości liczbowych należy zwrócić uwagę, że pomiar temperatury za pomocą promieniowania podczerwonego może być zafałszowany przez pewne właściwości materiału.

Nakładanie obrazu termowizyjnego na obraz widzialny z kamery termowizyjnej
W mobilnej kamerze termowizyjnej często oprócz czujnika podczerwieni instalowana jest kamera cyfrowa, dzięki czemu oprócz obrazu termowizyjnego rejestrowany jest również obraz rzeczywisty badanego obszaru. Zarówno obraz w podczerwieni, jak i obraz rzeczywisty można zwykle nałożyć na siebie z różnymi intensywnościami, dzięki czemu punkty krytyczne można przypisać przestrzennie i lepiej udokumentować. Niektóre urządzenia stacjonarne wyposażone są również w aparat cyfrowy realizujący zdjęcia.

Opcje przechowywania i interfejsy do transmisji danych
Mobilna kamera termowizyjna, której zapis ma służyć również do dokumentowania badań, powinna mieć odpowiednio dużą pamięć. Z reguły podczas termowizyjnej rejestracji budynków lub instalacji technicznych nie jest możliwe natychmiastowe przesłanie danych. Dlatego dostępna w kamerze termowizyjnej przestrzeń do przechowywania powinna być odpowiednio duża na żądane obrazy lub kamera powinna oferować możliwość korzystania z nośników wymiennych. W przypadku stacjonarnej kamery termowizyjnej dane obrazu można zazwyczaj natychmiast przesłać do komputera PC lub do sieci.

Aby móc przesyłać obrazy zarejestrowane kamerą termowizyjną, czyli zarówno obrazy w podczerwieni, jak i obrazy rzeczywiste lub ich nakładki, wiele kamer mobilnych posiada interfejs USB lub micro USB.

Ochrona przed upadkiem, brudem, wilgocią
Zarówno mobilne, jak i stacjonarne kamery mogą być wyposażone w taki sposób, aby mogły być używane również w trudnych warunkach środowiskowych. W celu ochrony czujnika, elektroniki oceniającej oraz monitora przed uszkodzeniem, obudowa kamery termowizyjnej może być wyposażona w specjalne elementy ochronne zmniejszające naprężenia mechaniczne. W przypadku kamery termowizyjnej specjalnie zaprojektowanej do akcji ratowniczych straży pożarnej, działanie tych elementów ochronnych jest testowane w znormalizowanych testach na upadek i inne obciążenia. Z drugiej strony obudowa może być zaprojektowana tak, aby była szczególnie odporna na ciała obce i wilgoć. W przypadku tych właściwości klasyfikacja według stopnia ochrony IP została ustalona na całym świecie.

Kamera termowizyjna z dodatkowymi czujnikami
Dodatkowe czujniki wbudowane w urządzenie ułatwiają użytkowanie w specjalnych obszarach.

Kamera termowizyjna z termohigrometrem jest szczególnie przydatna przy ocenie ryzyka wystąpienia kondensacji i analizie przyczyn wystąpienia kondensacji. Dodatkowy pomiar temperatury i wilgotności umożliwia obliczenie temperatury punktu rosy. Oprócz obrazu termowizyjnego kamera termowizyjna pokazuje aktualną temperaturę w pomieszczeniu, wilgotność i obliczony punkt rosy. Jeśli wyznaczona temperatura punktu rosy jest wyższa od najniższej wartości temperatury na obrazie termicznym, można dokładnie sprawdzić wszystkie obszary o niższej temperaturze. Należy wziąć pod uwagę, że istnieje wiele przyczyn, które mogą zafałszować wyświetlanie temperatury na obrazie termowizyjnym. Dlatego rzucające się w oczy wartości należy najpierw sprawdzić z rzeczywistym obrazem kamery termowizyjnej, a następnie w razie potrzeby bezpośrednio na miejscu.

Multimetr z kamerą termograficzną jest bardzo przydatny do sprawdzania szaf sterowniczych i instalacji elektrycznych. Urządzenia rzadko są większe niż inne multimetry cyfrowe i mogą wyświetlać obraz termiczny na wyświetlaczu, który w przeciwnym razie pokazuje odczyty. W ten sposób wadliwe komponenty lub połączenia można bardzo szybko zidentyfikować i wymienić lub naprawić. Te multimetry z kamerami termograficznymi są zwykle małe, lekkie, a jednocześnie wytrzymałe. Te połączone urządzenia często mogą również przesyłać dane przez Bluetooth.

Wytyczne VDE dotyczące kalibracji kamer termowizyjnych - VDI/VDE 5585 arkusz 2 - są obecnie (stan na wrzesień 2020 r.) nadal w toku. Niniejsze wytyczne mają na celu uregulowanie jednolitych procedur kalibracji kamery termowizyjnej o następującej treści: zgodność z ITS-90, procedury kalibracji i geometrie kalibracji, promienniki wzorcowe i niepewności pomiaru.

Regularna kalibracja dla odpowiedniego zakresu temperatur jest zalecana w przypadku zastosowań, w których kamera termowizyjna ma rzetelnie rejestrować temperatury lub rzetelnie wykrywać odchylenia od wartości granicznych temperatury. Kalibracja to pomiar porównawczy, który określa, czy odczyty z kamery termowizyjnej mieszczą się w dokładności określonej przez producenta urządzenia. W tym celu definiuje się i mierzy punkty pomiarowe zarówno kalibrowaną kamerą termowizyjną, jak i określonym, lepszym wzorcem odniesienia. Do kamery termowizyjnej i innych termometrów bezkontaktowych zwykle stosuje się specjalne kalibratory. Te grzejniki ciała doskonale czarnego o współczynnikach emisji od 0,95 do 0,98 są podgrzewane do określonych temperatur. Te temperatury powierzchni ciała doskonale czarnego są następnie mierzone za pomocą kamery termowizyjnej i porównywane z wartościami docelowymi. Dane z tych pomiarów są następnie dołączane do świadectwa wzorcowania.

Jeśli warunki są odpowiednie, zmierzone wartości można szybko i łatwo sprawdzić na miejscu, bez potrzeby korzystania z laboratorium kalibracyjnego. W tym celu wartość zmierzona przez kamerę termowizyjną jest porównywana z wartością skalibrowanego termometru kontaktowego o tej samej lub wyższej dokładności. Aby upewnić się, że nie występują odchylenia pomiaru spowodowane błędami aplikacji, należy zapoznać się ze specjalnymi właściwościami termometru na podczerwień. Wytyczne VDI/VDE 3511 arkusz 4, techniczny pomiar temperatury – termometria radiacyjna, zajmują się w szczególności wpływem emisyjności i temperatury otoczenia jako możliwymi przyczynami błędów w pomiarach temperatury w podczerwieni.

Historia kamery termowizyjnej przeszła już długą drogę. W tamtym czasie wciąż bardzo duże i nieporęczne urządzenia były przeznaczone głównie do działań militarnych, aby uwidocznić wroga w nocnych operacjach. Obecnie są to już bardziej małe i poręczne urządzenia. Dziś trudno wyobrazić sobie przemysł, medycynę czy instytuty bez kamery termowizyjnej. W wielu gałęziach przemysłu wykonują one istotną pracę w celu zapewnienia bezpieczeństwa systemów i ludzi.

Urządzenie pomiarowe nie tylko do kontroli budynków, ale przede wszystkim do konserwacji prewencyjnej i serwisowania maszyn i instalacji. W dzisiejszych czasach wszyscy wiedzą, że nasze rezerwy energii są ograniczone, a przez to bardzo cenne. Kamera termowizyjna może pomóc w wyraźnym uwidocznieniu problemów z izolacją i innych anomalii budowlanych. Działania korygujące są wykonywane szybciej, aby oszczędzać cenną energię. Kamera termowizyjna jest szczególnie interesująca dla praktyków na miejscu, którzy mogą jej używać do kontroli systemów i maszyn, a także zadań związanych z bezpieczeństwem.