Korszerű hőkamerák szakmai szemmel (I): detektortípusok elrendezés és működési elv alapján

GyártásTrend 2015/01-02, Műszaki diagnosztika rovat

Korszerű hőkamerák szakmai szemmel (I)

A kezdeti letapogató eszközöktől a mai mátrixos hőkamerákig

Most induló és lapszámonként folytatódó sorozatunkban 3-as szintű nemzetközi termográfiai és igazságügyi szakértő szerzőnk segítségével az egyre elterjedtebb hőkamerák sokféleségében szeretnénk eligazítani olvasóinkat, hiszen a sikeres alkalmazás szempontjából alapvető, hogy megfelelő információk birtokában jó döntést hozzunk az eszköz kiválasztásánál és alkalmazásánál.

Az érintésmentes hőmérsékletméréshez alkalmas termográfiai eszközök (termogram-metriai képességű hőkamerák) ez elmúlt években rohamos fejlődésen mentek keresztül. Ha figyelembe veszünk, hogy ezek az eszközök éppen 50 éve jelentek meg, mára viszont ez egyik legismertebb és legsokoldalúbb vizsgálati eszközzé nőtték ki magukat, akkor ne lepődjünk meg a piaci kínálat gyártók és típusok szerinti sokféleségén. Ha egy hőkamera beszerzését fontolgatjuk, többé már nem az igényeknek megfelelő típus hiánya, hanem az óriási választék átláthatatlansága okoz gondot.

Tehát eljött az ideje, hogy e műszerek fejlődését és típusait szakmai szemmel áttekintsük, valamint jelenlegi kínálatát rendezzük néhány fontos műszaki paraméter alapján. Ennek azért van kiemelt jelentősége a gyakorlati használat szempontjából, mert a kamerákban megvalósított mérési technológia és a hozzájuk kapható tartozékok meghatározzák a készülék alkalmazási területét, valamint a várható mérési pontosságot és az elérhető hőképminőséget.

A kezdetek „letűnt” csúcstechnológiája

A legelső kereskedelmi (civil) forgalomban kapható – hőmérsékletmérésre alkalmas – hőkamerák elsősorban szkennelő, azaz letapogató kivitelben készültek. Ezek csupán egy egyelemű (pont-) detektort használnak az infravörös sugárzás átalakítására, és a mérendő tárgyat egy mechanikus tükör-, illetve lencserendszerrel tapogatják le. Mivel ez a képalkotó elv nagy sebességű (foton-) detektort és nagy pontosságú mechanikát igényel, gyártása meglehetősen drága, ráadásul hűtést is igényel, valamint a mechanikai alkotóelemek miatt csak korlátozott élettartamú.

Ennek ellenére nagy előnye is van az összes többi módszerrel szemben: minden egyes képponthoz tartozó jelet ugyanaz a detektor képezi le. Így tehát a hőkép minden pontjáról tökéletesen egyforma feltételekkel jönnek létre az adatok, ezzel pedig igen jó képhomogenitás (és akár 10 mK hőképfelbontás) érhető el. A képalkotás lassúsága (tipikusan csupán egy kép másodpercenként), valamint az előbb felsorolt többi hátrány ahhoz vezetett, hogy ez a hőkamera-technológia legfeljebb már csak használt eszközként elérhető.

Szkennelő (letapogató) hőkamera felépítése (forrás: Infratec)
1. ábra: szkennelő hőkamerák elvi felépítése [forrás: Infratec]
(1 detektor, 2+5 objektív, 3 vízszintes eltérítő tükör, 4 függőleges eltérítő tükör, 6 tárgy, 7 mérésfelület)

Jelenlegi hőkamerák elterjedt felépítése

A napjainkban gyakran alkalmazott mátrixdetektoros hőkamerák esetén több ezer egyedi érzékelő mátrixszerűen elhelyezve „egyszerre” érzékeli a mérendő hősugárzást, tehát nincs szükség mechanikai kitérítőegységre. Ezáltal a kamera mechanikailag egyszerűbb, kisebb méretű, könnyebb (és olcsóbb). Bár meglepően egyszerű az optikai sugármenet, az ördög azonban a részletekben bújik meg: az egyik fő probléma az, hogy a hőkép minden egyes képpontját egy-egy egyedi érzékelő alakítja át, amelyek karakterisztikája nagyon hasonlíthat a szomszédjához, de mégis mérhetően különbözik attól.

Az egyezőség hiányának kompenzálása komoly mennyiségű valós idejű képfeldolgozást igényel, de így sem érhető el a szkennelő rendszerek képhomogenitása. Mivel azonban a korszerű mátrixdetektoros hőkamerák – az alkalmazott érzékelőtechnológiától függően – most már 30 mK (vagy akár 20 mK) termikus felbontására is képesek, és ez a legtöbb alkalmazáshoz elegendő, a szkennelő hőkamerák gyártása megszűnt.

Matixos hőkamerák felépítése (forrás: Infratec)
2. ábra: mátrixdetektoros hőkamerák elvi felépítése [forrás: Infratec]
(1 detektor, 2 objektív, 3 tárgy)

Korszerű mátrixdetektoros hőkamerák érzékelői

A mátrixdetektoros hőkamerák érzékelőit tekintve alapvetően kétféle típust, termikus érzékelőket és fotondetektorokat különböztetünk meg. A termikus típusok működésének alapja, hogy az infrasugárzás, azaz egy elektromágneses hullám energiája hatására felmelegszenek, és ennek következtében valamely fizikai (villamos) paraméterük megváltozik, amely változásból pedig a szükséges villamos jel kinyerhető.

A fotondetektorok ezzel szemben a fotonok számával arányos villamos jelet adnak, de működésükhöz alacsony, –150 °C és – 200 °C közötti hőmérsékletre való lehűtésük szükséges. Hűtés nélkül a rendezetlen elektronmozgás gátolná a kihasználandó fizikai effektus létrejöttét.

Termikus detektorok működése (forrás: PIM)
5. ábra: termikus detektorok működése [forrás: PIM]
Mikrobolométer rajza (forrás: Honeywell Technology Center)
3. ábra: mikrobolométer sematikus felépítése
[forrás: Honeywell Technology Center]
Fotondetektorok működése (forrás: PIM)
Ábra: foton-detektorok felépítése, működése [forrás: PIM]

Infravörös érzékelők spektrális érzékenysége

Valamennyi érzékelőtechnológiát tekintve különféle hullámhossz-tartományra való érzékelők léteznek, a felhasznált anyagtól függően. A termikus detektorok – így az azok közé tartozó bolométerek, illetve mikrobolométerek – viszont a gyenge termikus érzékenységük miatt csak a hosszú hullámú spektrális tartományra készíthetők. (Csak ebben a tartományban lehet elegendően nagy sugárzásintenzitásra számítani.) A 6. ábra áttekintést nyújt a műszaki lehetőségekről.

Detektorok hullamhossz-érzékenysége (forrás: Infratec)
Ábra: infravörös érzékelők hullámhossz-tartományai az érzékelők anyagai szerint [forrás: Infratec]

Fontos tudni viszont, hogy nemcsak az érzékelő hullámhossz-tartománya (spektrális érzékenysége) befolyásolja döntő mértékben a hőkamera alkalmazási területeit. A hőkamerák hullámhossz-tartományának további korlátozása ugyanis az atmoszféra átviteli tulajdonsága miatt szükséges. A mérésre alkalmas átvitellel rendelkező úgynevezett atmoszferikus ablakok végett rövid, közép- és hosszú hullámú hőkamerák készülnek. Amíg a középhullámú, 3–5 μm-es hőkamerákkal nem lehet alacsony hőmérsékletű (például –80 °C-os) tárgyak hőmérsékletét mérni, addig a hosszú hullámú, 7,5–14 μm-es hőkamerákkal lehetetlen például üveg mögött lévő tárgyak hősugárzását érzékelni.

További alkalmazás-szempontú korlátok léteznek a nagy (több száz méteres) mérési távolságokkal kapcsolatosan: az ilyen feladatok csak hosszú hullámú hőkamerákkal oldhatók meg. Ezzel szemben égési folyamatok lánghőmérsékletének érzékelése a legtöbb esetben csak középhullámú hőkamerával lehetséges, de a fordított feladat – a tárgyhőmérsékletek lángon keresztül történő érzékelése a lánghőmérséklet érzékelése nélkül – akár hosszú hullámú hőkamerával is megvalósítható. Számos alkalmazáshoz (vékony fóliák hőmérsékletének érzékelése, gázszivárgások érzékelése, speciális mérőablakokon, például vákuumkamra ablakán vagy kemence mérőablakán keresztül történő mérések) pedig az adott anyaghoz megfelelő hullámhossz-tartományú hőkamerát és ezen túl megfelelő infravörös szűrőket kell választani. Ez a feladat speciális tudást és tapasztalatot igényel, ezért a drága tévedések elkerülése érdekében célszerű szakemberre bízni.

Hőkamerák képfrissítési frekvenciája

Mikrobolométeren alapuló mátrixos érzékelős hőkamerák például 9, 15, 30, 50, 60, 120 Hz-es vagy akár 240 Hz képfrissítéssel is léteznek – függetlenül attól, hogy telepített vagy hordozható (mobil) hőkameráról van szó. Lényegesen nagyobb, 850, sőt, 6000, illetve akár 9000 Hz-es képfrissítési (pontosabban hőképmérési) frekvenciák is elérhetők a fotondetektoros hőkamerákkal. Hogy milyen képfrissítési gyorsaság szükséges, az a mérendő tárgy hőmérséklet-változásának időállandójától, illetve mozgássebességétől, vagy éppen a hőkameránk mozgási sebességétől függ.

 

Rahne Eric  (PIM Kft.)
pim-kft.hu
gepszakerto.hu

 

Kapcsolatfelvétel

A publikáció tartalmát szerzői jogok védik, ennek (akár csak részben történő) felhasználása, elektronikus vagy nyomtatott tovább-publikálása csak a forrás és a szerző nevének feltüntetése mellett, valamint a szerző előzetes írásos engedélyének megléte esetén megengedett. A szerzői jogok (Copyright) megsértése jogi következményekkel jár.