Korszerű hőkamerák szakmai szemmel (II): képfrissítési frekvencia, detektorkiolvasási eljárások

GyártásTrend 2015/03, Műszaki diagnosztika rovat

Korszerű hőkamerák szakmai szemmel (II)

A képismétlési gyakoriság kritikus jellemző lehet

Miután sorozatunk kezdőfejezetében áttekintettük a hőkamerák fejlődésének főbb mérföldköveit a kezdeti letapogató eszközöktől a mai mátrixos hőkamerákig, a folytatásban a hőkamerák képfrissítési frekvenciájával, majd a detektorkiolvasási eljárásokkal foglalkozunk.

Mikor kritikus paraméter?

A fentiek alapján tehát minden olyan feladat esetében kritikus a hőkamera képfrissítési frekvenciája, amelynél hőmérséklet-változásokat szeretnénk bevizsgálni. Ha a rögzítendő változás 1/10 másodperces periódusidejű, akkor minimum 20 Hz (inkább 25 Hz) képfrissítés szükséges. Egy teljesítményelektronikai eszköz esetén nem ritkán akár 300 Hz-es frekvenciájú melegedések lépnek fel, amelyek rögzítéséhez 600 Hz fölötti képfrissítési frekvencia az elvárt (ez pedig már csak fotondetektoros hőkamerákkal oldható meg). További példák a kivételesen gyors fotondetektoros hőkamerák szükségességére a forgácsolótechnológiák esetén fellépő szerszám- és munkadarab-melegedés érzékelése, a gépkocsilégzsák felülete hőmérsékleteinek megfigyelése, a pirotechnikai folyamatok hőmérsékleteinek kutatása vagy az ütésszerű mechanikai behatások vizsgálata.

A felsorolás még sokáig folytatható, de ne vezessen arra a téves következtetésre, hogy lassú (vagy akár állandósult) termikus folyamatok esetén nem fordulhat elő, hogy a hőkamera képfrissítési frekvenciája a mérés kivitelezhetőség szempontjából kritikus paraméter lenne. Mozgó mérési tárgyak vagy mozgó hőkamera esetén ugyanis éppúgy fontos, hogy elég gyors legyen a hőkamera.

Alulmintavételezés következménye (forrás: PIM)
1. ábra: Shannon törvény megsértése esetén bekövetkező alulmintavételezési hiba [forrás: PIM]

Mikro­bolométeres hőkameráknál az azok képfrissítési gyakoriságát meghatározó integrálási idő korlátozza, hogy legfeljebb milyen gyorsan mozgó tárgyakat lehet még korrekt módon érzékelni. A maximális mozgás­sebesség az az érték, amelynél az integrálási idő alatt az egyedi detektor által érzékelt tárgyfelület már annyira elnyúlik a mozgás irányában, hogy ez az érzékelési felület az integrálási idő alatt a tárgyfelületről éppen „lefut”.

Számpélda:
Ha egy 15 mm széles tárgyat szeretnénk érzékelni egy 30 Hz-es képfrissítésű (tehát tipikusan kb. 25 ms integrálási idejű), 2 mrad geometriai felbontású hőkamerával 1 m távolságból, akkor a maximális sebesség a hőkamera és a tárgy között (a tárgyfelülettel párhuzamosan) a következőképpen számolható ki:2 mm + 25 ms * x m/s < 15 mm, ahol x a maximális mozgássebesség

A maximális mozgássebesség tehát a fenti egyenlet alapján 0,52 m/s, vagyis csupán 1,87 km/h.

Tárgymozgás miatti elmosódás (forrás: PIM)
2. ábra: hőkép elmosódása gyors tárgymozgás miatt – kinagyítva a futó lábai [forrás: PIM]
(lassan mozgó test + bal láb a földön –> éles, kezek és jobb láb gyors mozgásban –> elmosódva)

Akkor is vannak komoly problémák, ha kézben tartott hőkamerával kívánunk kellőképpen részletes hőképe­ket vagy akár nagyobb távolságú méréseket készíteni. A fényképezéssel kapcsolatosan ismert tény, hogy egy gyakorlott – nyugodt kezű – fényképész még 1/60-as zársebesség mellett is bemozdulás nélküli fény­képek készítésére képes (állvány nélkül), egy amatőr „reszkető” keze pedig 1/125-ös zársebesség mellett is időnként bemozdult képeket eredményezhet. Ezek a zársebességek 17 ms, illetve 8 ms érzékelési időt jelen­tenek. Mi ügyesség kell akkor ahhoz, hogy egy 30 Hz-es, vagy akár csak 15, illetve 9 Hz-es hőkamerát kézben tartva bemozdulatlan hőképeket rögzítsünk? Ehhez akár 30-40 ms-on keresztül mozdulatlanul kellene tartanunk az eszközt, ami kész képtelenség. Más szóval: kézben tartva csak olyan hőkamerákkal lehet biztonságosan bemozdulás nélküli hőképeket készíteni, amelyek integrálási ideje 15 ms-nál rövidebb. Ezt általában csak az 50 Hz-es és még annál is gyorsabb hőkamerák biztosítják, az ennél lassabb hőkamerák állvány nélküli felvételekre alkalmatlanok.

Bemozdulás kézremegés miatt (forrás: PIM)
3. ábra: hőkép elmosódása a hőkamera bemozdulása (pl. kézremegés) miatt [forrás: PIM]

Detektorkiolvasási eljárások

Mozgó vagy forgó tárgyak, illetve a tárgyhoz képest mozgásban lévő hőkamera esetén a hőkamerák méréstechnikai alkalmazhatósága nemcsak az előbb tárgyalt hőképfrissítési frekvencián, hanem a pixeladatok kiolvasás módján is múlik. Ebből kétfélét szokás megvalósítani: a soronkénti kiolvasást (termikus és fotondetektorok esetén is alkalmazható), valamint az úgynevezett snap-shot kiolvasást. Az utóbbi kizárólag egyes fotondetektorok speciális tulajdonsága, ugyanis a termikus detektorok, például a mikrobolométerek lassúsága (akár 6-20 ms-os integrálási idő) e technológia alkalmazását teljesen értelmetlenné teszi.

Soros kiolvasás

Ha alapul veszünk egy átlagosnak mondható 320×240 pixeles mátrixos érzékelőt, akkor ez 78 600 egyedi érzékelőt jelent. Kézenfekvő, hogy a pixelenkénti analóg villamos kimeneti jelek digitalizálása végett nem célszerű ugyanennyi mintavevő és analóg-digitális (AD) átalakítót alkalmazni, azok nagy hely- és energiaigénye, illetve költsége miatt. Így tehát csak egyetlen egy sornak megfelelő 240 mintavevő-AD átalakító áramkört használunk, amellyel az érzékelő 320 sorát egymás után (egyesével továbbléptetve) olvassuk ki. Ehhez lenullázzuk az első sorban lévő érzékelők jeleit, és elindítjuk a mérési (integrálási) idejüket, majd egy picivel később megtesszük ugyanezt a második, a harmadik és az ezt követő sorokkal is.

Időközben letelik az első sor érzékelőinek integrálási ideje, így tehát azok mérési adatai kiolvasását elvégezhetjük. Majd egyénként továbblépve ugyanezt megtesszük a többi sorral is, amíg az utolsóig el nem jutunk. E közben természetesen a következő kiolvasási ciklushoz már az első sorok integrálási idejének újraindítása is megtörtént. Gyakorlatilag úgy is fogalmazható meg a körfolyamat, mintha az érzékelők folyamatosan integrálnának, és soronként lépkedve megszakítanánk ezt egy kiolvasással és nullázással.

Soros detektor-kiolvasás (forrás: PIM)
4. ábra: idődiagram soros kiolvasás esetén [forrás: PIM]

A soros kiolvasás következménye, hogy a mozgó tárgyak megjelenítése torzul, ahogyan ezt az 5. ábra szemlélteti (minél gyorsabb a mozgás, annál nagyobb a torzulás mértéke.) Ennek oka, hogy a soronkénti mérési adatok nem azonos időben, hanem egymás után keletkeztek – hasonlóan, mint egy multiplexeres sokcsatornás méréstechnikai rendszer esetén.

Mozgó tárgy torzulása (forrás: PIM)
5. ábra: mozgó tárgyak ábrázolásának torzulása soros kiolvasás hatására [forrás: PIM]

Snap-shot technológia

A mozgó vagy forgó tárgyak érzékelésével kapcsolatos probléma a snap-shot technológiával megoldható. Alkalmazásának viszont csak megfelelően gyors (akár csak 10 µs integrálási idejű) fotondetektorok esetén van értelme. A hozzájuk képest akár több nagyságrenddel is lassúbb termikus érzékelők (például mikrobolométerek) esetén amúgy is elmosódna a mozgó tárgy leképzése, a hosszú integrálási idő miatt. (Következő lapszámunkban folytatjuk.)

 

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.