Parametry kamer termowizyjnych

Transkrypt

1 Parametry kamer termowizyjnych 1 Spis treści Detektor... 2 Rozdzielczość kamery termowizyjnej... 2 Czułość kamery termowizyjnej... 3 Pole widzenia... 4 Rozdzielczość przestrzenna... 6 Zakres widmowy... 8 Zakres pomiaru temperatury i dokładność... 9

2 2 Detektor Najważniejszym elementem każdej kamery termowizyjnej jest jej detektor, czyli element dokonujący konwersji energii promieniowania podczerwonego na sygnał elektryczny napięcie, natężenie prądu, zmianę rezystancji, czy pojawienie się ładunku elektrycznego. Sygnał taki może być bezpośrednio zmierzony, a jego wielkość przeliczona na odpowiadającą jej temperaturę ciała czarnego. Jeśli w obliczeniach uwzględnimy dodatkowo właściwości badanego obiektu oraz parametry otoczenia, otrzymamy rzeczywistą temperaturę tego obiektu. Prawie do końca XX wieku wszystkie produkowane kamery termowizyjne wyposażone były w detektory wymagające chłodzenia, zwykle do temperatury -200 C. Wprowadzenie do sprzedaży w 1997 roku pierwszej kamery z mikrobolometrycznym detektorem niechłodzonym zmieniło tę sytuację. Detektor bolometryczny to rezystor o bardzo małej pojemności cieplej i dużym, ujemnym współczynniku temperaturowym zmian rezystancji. Inaczej mówiąc, detektor taki pod wpływem mierzonego promieniowania zmienia swoją rezystancję. Detektory bolometryczne przeznaczone do pracy w temperaturze pokojowej wykonywane są z cienkich folii lub naparowywanych warstw metalicznych z niklu, bizmutu lub antymonu. Rozdzielczość kamery termowizyjnej W kamerze termowizyjnej, w celu uzyskania obrazu termicznego wykorzystuje się matrycę detektorów, a jej rozdzielczość określa liczbę detektorów w matrycy. Rozdzielczość kamery termowizyjnej można interpretować podobnie jak rozdzielczość kamery fotograficznej mówi nam o ilości punktów (pikseli), z których złożony jest obraz uzyskany przy pomocy kamery. Detektor podczerwieni (matryca) firmy Ulis ( Producenci kamer termowizyjnych oferują produkty z coraz większymi rozdzielczościami matryc. Obecnie najlepsze (i najdroższe modele) charakteryzują się rozdzielczością na poziomie 640x480 pikseli. Dostępne są także przetworniki o rozdzielczości 14x768 punktów. W prostszych (i tańszych) kamerach spotyka się przetworniki o rozdzielczości np. 60x60, czy 140x140 pikseli. Kamery termowizyjne, podobnie jak cyfrowe aparaty fotograficzne i kamery, wyposażone są w ekrany LCD, umożliwiające podgląd obserwowanego obiektu. Nie należy mylić rozdzielczości tego ekranu z rozdzielczością kamery, czyli przetwornika. Dostępne są kamery

3 termowizyjne z przetwornikiem o rozdzielczości np. 160x120 punktów i wyświetlaczem LCD o rozdzielczości 320x240 pikseli. Większa rozdzielczość wyświetlacza w żaden sposób nie poprawia rozdzielczości termogramów uzyskiwanych z takiej kamery uzyskiwany obraz będzie zawsze miał rozdzielczość przetwornika. 3 Od rozdzielczości kamery zależy przede wszystkim poziom szczegółowości uzyskanych termogramów. Korzystając z kamery o mniejszej rozdzielczości, aby uzyskać odpowiedni poziom szczegółowości obrazów termicznych, należy rejestrować je z mniejszej odległości, co oznacza, że do pełnej analizy danego obiektu (np. zbadania jakości izolacji termicznej ściany budynku) konieczne jest wykonanie odpowiednio większej liczby termogramów. Przykładowo, aby kamerą o rozdzielczości 160x120 pikseli uzyskać takiej samej jakości obraz jak kamerą o rozdzielczości 320x240 pikseli, należy wykonać cztery obrazy z o połowę mniejszej odległości. Termogram z kamery o rozdzielczości 140x140 (z lewej) i 60x60 (z prawej). W przypadku kamery o niższej rozdzielczości drobne elementy (szczeliny w prawym dolnym rogu) stały się nieczytelne. Czułość kamery termowizyjnej Kolejnym bardzo ważnym parametrem kamery jest jej czułość temperaturowa. Określa ona, jakie najmniejsze zmiany temperatur jest wstanie wykryć przetwornik kamery. W prostych kamerach termowizyjnych ma ona wartość z zakresu 0,1 0,15 C. Przypadku rozwiązań bardziej zaawansowanych uzyskiwana jest czułość na poziomie 0,03 C. Czułość przetwornika ma istotne znaczenie przy wykrywaniu niewielkich (ale istotnych) różnic temperatury, oraz w czasie dokonywania pomiarów przez przesłony silnie tłumiące promieniowanie podczerwone. Przykładem zastosowania kamery termowizyjnej, przy którym znaczenie

4 ma wysoka czułość, jest lokalizowanie uszkodzeń w panelach fotowoltaicznych. Nieprawidłowości w działaniu tych paneli prowadzą do silniejszego nagrzewania się wadliwych ogniw, co pozwala na lokalizowanie ich przy pomocy kamery termowizyjnej. Jednak panele te pokrywane są warstwą szkła, która jest nieprzezroczysta dla podczerwieni. W związku z tym możliwy jest jedynie pomiar temperatury powierzchni płyty szklanej pokrywającej panel, a ta tylko w niewielkim stopniu odzwierciedla rozkład ciepła znajdujących się pod nią ogniw. W efekcie, do wykrywania wadliwych ogniw konieczne jest użycie kamery termowizyjnej o odpowiednio wysokiej czułości. Producenci sugerują stosowanie kamer z przetwornikiem o czułości 0,08 C lub lepszej. Oznacza to, że najprostsze (i w związku z tym najtańsze) kamery termowizyjne nie nadają się do takich celów. 4 Uszkodzone ogniwa w panelu słonecznym mają wyższą temperaturę od pozostałych. Pole widzenia Pole widzenia (FOV Field Of View) jest to rozmiar obszaru, którego obraz jest rzutowany przez układ optyczny kamery termowizyjnej na powierzchnię przetwornika. Fizyczny rozmiar tego obszaru (np. wyrażony w metrach) zależy od odległości obiektu od kamery, w związku z tym podaje się go zwykle jako kąt, w zakresie którego kamera widzi badany obiekt.

5 5 Interpretacja parametru pole widzenia (FOV) kamery termowizyjnej. W przypadku, gdy kamera wyposażona jest w przetwornik prostokątny, to znaczy taki, którego liczba pikseli w poziomie i pionie jest różna (np. 640x480), to pole widzenia kamery z takim przetwornikiem także jest inne w poziomie i inne w pionie (np. 25 x19 ). W czasie pomiarów termograficznych powinno dążyć się do tego, aby analizowany obiekt maksymalnie wypełnił pole widzenia. Jednak z tego względu, że kamery termowizyjne nie są wyposażone w tzw. zoom optyczny, jedyną metodą osiągnięcia takiego efektu jest dobór odległości, z jakiej prowadzimy obserwacje. Jednak są sytuacje, w których nie możemy odsunąć się odpowiednio daleko od badanego obiektu, czy wprost przeciwnie podejść odpowiednio blisko. Przykładem pierwszej sytuacji mogą być pomiary wewnątrz gondoli turbiny wiatrowej, w której znajduje się przede wszystkim generator prądu z oprzyrządowaniem elektrycznym oraz mechanizm przekazujący obroty wirnika na oś generatora. Gondola ta ma najmniejsze możliwe rozmiary i znajduje się na dużej wysokości, w związku z czym nie można się odsunąć, aby objąć polem widzenia np. cały generator. Przykładem drugiej sytuacji to pomiary instalacji wysokiego napięcia i linii przesyłowych. Tutaj badane elementy mają często niewielkie rozmiary (przewody, zaciski, łączniki, izolatory), jednak ze względów bezpieczeństwa nie można podejść do nich na małą odległość.

6 Wielkość pola widzenia w decydujący sposób zależy od budowy obiektywu kamery. I właśnie przez dobór odpowiedniego obiektywu możemy rozwiązać przedstawione wyżej problemy. 6 Proste kamery nie mają możliwości zmiany obiektywu, ale w rozwiązaniach bardziej zaawansowanych kamer istnieje możliwość zmiany standardowego obiektywu na teleobiektyw (obiektyw wąskokątny) lub obiektyw szerokokątny. Przykładowo, kamera z przetwornikiem o rozdzielczości 640x480, wyposażona w standardowy obiektyw charakteryzuje się polem widzenia 25 x19, przy zastosowaniu teleobiektywu jej pole widzenia zmieni się na 15 x11, z obiektywem szerokokątnym będzie miało wartość 45 x34. Jako wyposażenie dodatkowe do niektórych typów kamer termowizyjnych dostępne są także obiektywy szerokokątne o polu widzenia 90 oraz teleobiektywy o polu widzenia 6. Od rodzaju obiektywu zależy również minimalna odległość, z jakiej można uzyskać wyraźny termogram. Dla standardowych obiektywów jest to ok. 30 cm, dla teleobiektywów powyżej 1,2 m, a dla obiektywów szerokokątnych powyżej 0,2m. Rozdzielczość przestrzenna Rozdzielczość przestrzenna (nazywana także IFOV Instantaneous Field of View) decyduje o tym, jaki najmniejszy obiekt może być poprawnie badany przy pomocy kamery termowizyjnej. Jest to rozmiar obszaru badanego obiektu, który jest widziany przez pojedynczy piksel matrycy przetwornika kamery. Fizyczny rozmiar tego obszaru (np. wyrażony w centymetrach) zależy od odległości obiektu od kamery, w związku z tym podaje się go zwykle jako kąt, w zakresie którego pojedynczy piksel widzi badany obiekt.

7 7 Interpretacja parametru rozdzielczość przestrzenna (IFOV) kamery termowizyjnej. Wielkość ta zależy od rozdzielczości kamery (czyli liczby pikseli przetwornika) oraz jej pola widzenia (a tym samym również od rodzaju obiektywu). Konkretną wartość uzyskamy dzieląc pole widzenia kamery przez jej rozdzielczość. Przykładowo, jeśli kamera ma rozdzielczość 140x140 pikseli i pole widzenia 29 x29, to rozdzielczość przestrzenna będzie wynosić: 29 /140 = 0,207 Jednak taka wielkość jest mało czytelna i trudna do interpretacji, w związku z tym kąt ten zwykle podaje się w miliradianach (mrad) π = 0, 0036 rad = 3, 6 mrad 360 Praktyczna interpretacja tej wielkości jest następująca: z odległości 1 metra pojedynczy piksel widzi prostokąt o boku 3,6 milimetrów, co oznacza, że z tej odległości kamera nie jest w stanie rozróżnić mniejszych od tej wartości obiektów. Przy odległości 10 metrów ten minimalny rozmiar to 36 mm ogólnie: rozdzielczość przestrzenna (w militradianach) razy odległość od obiektu (w metrach) daje nam minimalny rozmiar badanego obiektu (w milimetrach). W poniższej tabeli przedstawiono dla przykładowej kamery o rozdzielczości przetwornika 140x140 pikseli i polu widzenia 29 minimalny i maksymalny rozmiar badanego obiektu dla kilku

8 przykładowych odległości. Maksymalny rozmiar wynika z wielkości pola widzenia kamery, a minimalny z jej rozdzielczości przestrzennej. Odległość od obiektu [m] 0,50 1,00 2,00 5,00 10,00 25,00 50,00 100,00 Maksymalny rozmiar obiektu [m] 0,25 0,51 1,01 2,53 5,06 12,65 25,31 50,61 Minimalny rozmiar obiektu [mm] 1,81 3,62 7,23 18,08 36,15 90,38 180,77 361,53 8 Zakres widmowy Podczerwień, to zakres fal o długościach od 780 nanometrów do 1 milimetra. Jednak w celach pomiarowych wykorzystuje się niewielką część tego pasma od 2 do 14 μm i to z wyłączeniem przedziału od około 5,6 do 7,5 μm. Ograniczenie to wynika z silnych właściwości tłumiących atmosfery, za które odpowiedzialny jest głównie dwutlenek węgla i para wodna. Charakterystyka przepuszczania promieniowania podczerwonego przez atmosferę Ziemi W praktyce dostępne są dwa zakresy: krótkofalowy od 2 do 5,6 μm i długofalowy od 7,5 do 14 μm. Produkowane obecnie kamery termowizyjne z detektorami niechłodzonymi pracują zwykle w zakresie długofalowym.

9 Zakres pomiaru temperatury i dokładność Przetworniki kamer termowizyjnych pozwalają na poprawne przetwarzanie poziomu promieniowania podczerwonego na sygnał elektryczny tylko w określonym zakresie mierzonych temperatur. W związku z tym zakres ten musi być właściwie dobrany do rodzaju badanego obiektu inny zakres potrzebny jest przy badaniu izolacji termicznej budynków, a inny przy analogicznym badaniu pieców ciepłowniczych lub hutniczych. 9 Proste modele kamer zwykle mają jeden z góry określony zakres pomiarowy, np. od -20 C do +250 C. W przypadku bardziej zaawansowanych rozwiązań producenci oferują daną kamerę w wersji np. do zastosowań budowlanych z zakresem pomiarowym 20 C do +120 C z czułością temperaturową < C, oraz w wersji do zastosowań przemysłowych z zakresem pomiarowym -20 C do +650 C z czułością temperaturową <0,05 C. Najbardziej rozbudowane (i w związku z tym najdroższe) kamery termowizyjne posiadają kilka zakresów pomiarowych, między którymi można przełączać się w trakcie pomiarów, np. kamera z trzema zakresami pomiarowymi pozwala na pomiar temperatury w przedziałach: od -40 C do +150 C, od +100 C do +650 C oraz od +300 C do C. Typowa dokładność obecnie produkowanych kamer termowizyjnych to ± 2 C lub ± 2% odczytu (większa z tych dwóch wartości).