Korszerű hőkamerák szakmai szemmel (III): detektorkiolvasási eljárások, detektorhűtés, pixelfelbontás

GyártásTrend 2015/04, Műszaki diagnosztika rovat

Korszerű hőkamerák szakmai szemmel (III)

Gyors folyamatok és mozgó tárgyak méréséhez csak fotondetektorok használhatók

A detektorkiolvasási eljárások közül folytatjuk a snap-shot módszer részletezését, majd áttérünk a fotondetektorokhoz használatos detektorhűtési technológiákra.

A detektorok kiolvasása során a mozgó vagy forgó tárgyak érzékelésével kapcsolatos probléma a snap-shot technológiával megoldható. Alkalmazásának viszont csak megfelelően gyors (például 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.

Snap-shot technológia részletei

A snap-shot-képességgel rendelkező fotondetektorok minden egyes pixelen egyszerre végzik a mérést (jelintegrálást), utána pedig a pixeleken mért értékek egyazon időpontban „befagyasztásra” kerülnek. Ezt követően – ahogy ezt a soros kiolvasásnál is alkalmaztuk – soronként haladva történik az értékek kiolvasása és A/D átalakítása. Tehát itt sem több ezer kiolvasó-digitalizáló áramkört alkalmazunk, hanem csak annyit, mint amennyi egy-egy sor kiolvasására szükséges. Ennek ellenére nem torzítjuk a mozgó tárgyak leképzését, mert az összes egyedi érzékelő által mért jel ugyanabból az időpillanatból származik. Méréstechnikailag itt tehát egy szimultán mintavételezési rendszerről beszélhetünk.

A Snap-Shot technológiával rendelkező legkorszerűbb hőkamerákkal jelenleg akár 850, egyenként 320×256 pixeles hőkép rögzíthető másodpercenként. Viszont a soronként előrehaladó kiolvasás időszükséglete a fotondetektorok integrálási idejével összemérhető, sőt túl is haladhatja azt. A maximális képkiolvasási frekvencia tehát leginkább a kiolvasás által korlátozódik. Ennek kivédésére – a még gyorsabb képrögzítés elérése érdekében – az úgynevezett subframe-ek (részképek) feldolgozását alkalmazhatjuk, ami sajnos azzal jár, hogy kevesebb képpont révén kevesebb részlet jeleníthető meg. E képfeldolgozó technológiával ellátott speciális hőkamerák képesek akár 4500 kép rögzítésére másodpercenként 160×128 pixeles felbontásban. (Megjegyezzük, hogy a detektor továbbra is egyidejűleg az összes pixelen végzi a jelintegrálást és az értékek befagyasztását. Egyszerűen a kiolvasást és a digitalizálást korlátoztuk a kiválasztott területre.)

Subframe (forrás: PIM)
1. ábra: példák SubFrame megoldásokra „Snap-Shot“ technológia esetén [forrás: PIM]
Forgó ventilátor hőképe (forrás: Infratec)
2. ábra: ventilátor hőképe – bal: mikrobolometer soros kiolvasással, jobb: fotondetektor „Snap-Shot“ eljárással [forrás: InfraTec]

Detektorhűtési technológiák fotondetektorokhoz

Napjainkban igen sokféle, hűtés nélküli termikus detektoron (például mikrobolométeren) alapuló hosszúhullámú hőkamera kapható. A legpontosabb és leggyorsabb mérési képességű, valamint a rövid- és középhullámú hőkamerák viszont csak fotondetektorokkal készülhetnek – azok pedig kizárólag hűtéssel. A hűtésük biztosításához a folyékony nitrogénes megoldások helyett ma már inkább a nagy megbízhatóságú miniatűr hűtőkompresszorok (Stirling-hűtők) terjedtek el. Néhány detektortípus esetén további lehetőség a termoelektromos (Peltier-) hűtés alkalmazása, bár ezzel nem érhetők el annyira alacsony hőmérsékletek, így a detektorkivitelek és -anyagok választéka szűkül.

Stirling-hűtés A Carnot-féle termikus körfolyamat kihasználásán alapul, amelynek során egy gáz (hélium) komprimálása történik, ennek következtében a gáz felhevül, majd a környezet felé történő hőleadással lehűl. Az ezt követő (másik hengerben végbemenő) expanzió során a gáz igen alacsony hőmérsékletre hűl, és így képes lesz a környezetből (esetünkben a detektorról) hőenergiát felvenni. A lépések zárt körfolyamatként zajlanak le.

A hőkamerákban erre a célra alkalmazott kétdugattyús mikrokompresszor lehetővé teszi, hogy a hőkamerák akármilyen helyzetben alkalmazhatók legyenek, a detektorok működésének szavatolásán túl a mérési megbízhatóság és pontosság széles üzemihőmérséklet-tartományban biztosítható legyen (mégpedig elég jó hatásfok mellett). Hátrányos viszont, hogy ezek a hűtőkompresszorok nem elhanyagolható mérettel és súllyal rendelkeznek, ezért könnyű és kisméretű hőkamerák ezzel a technológiával nem hozhatók létre. Még nagyobb probléma viszont (elsősorban folyamatos alkalmazások esetén), hogy a Stirling-hűtők mechanikai rendszert alkotnak, amely korlátozott élettartammal bír. Ám a legmodernebb eszközök esetén ez a határ megközelítheti a 8000 – újabban 12 000 – üzemórát is, karbantartás-mentesen.

Stirling hűtő elve (forrás: Infratec)Stirling hűtő (forrás: Infratec)
3. ábra: Stirling-hűtő elve és maga egy Stirling-hűtő [forrás: InfraTec]

Peltier-elemes hűtés Nevezhetjük termoelektromos hűtésnek is, és az elérendő alacsony hőmérsékletek miatt általában háromszintű Peltier-elemes kaszkád formájában kerül megvalósításra. Előnye a Stirling-hűtéssel szemben, hogy mechanikai (mozgó és ezáltal kopó) részei nincsenek, így gyakorlatilag élettartamkorlát sincs. Viszont cserében nagyobb energiafogyasztás mellett csak kevésbé alacsony hőmérséklet érhető el (megközelítően –150 °C), amely nem minden típusú fotondetektor működéséhez elegendő.

Peltier hűtés elve (forrás: PIM)     MCT detektor Peltier-hűtéssel (forrás: Infratec)
 4. ábra: 3-fokozatú Peltier-hűtés elvi felépítése / MCT-Sprite-fotondetektor Peltier-hűtéssel [forrás: InfraTec]

Mátrixos hőkamerák képpontfelbontása

A geometriai felbontáson (tehát az érzékelőmátrix egy egyedi érzékelőhöz tartozó tárgyfelületi „képpontjának” méretén) túl a hőkamerával elérhető képminőséget, illetve pontosabban a mérés részletességét a hőkamera képpontjainak száma határozza meg. Ennek oka, hogy a grafikai (vizuális) felismerhetőség érdekében egy bizonyos minimális képpontszámnak kell a mérendő tárgy egyes részeire esnie – ugyanúgy, ahogyan ezt a digitális fényképezés esetén megszoktuk. Könnyen érthető, hogy több képpont esetén a tárgyfelületet nagyobb részletességgel, illetve nagyobb tárgyfelületet ugyanolyan részletességgel jeleníthetünk meg egyetlen hőképen. Ha kevés a képpontok száma, sok felvételt kell készíteni, és összefüggő tárgyak kiértékeléséhez, illetve beszámolók készítéséhez gyakran szükségessé válik a képek montírozása, ami igen időigényes munka.

     BritIR 160x120 pixel low-cost hőkamera   VarioCAM HD 1024x768 pixel professzionális hőkamera
 5. ábra: Low-cost hőkamera 160×120 képponttal (balra),
professzionális hőkamera 1024×768 képponttal (jobbra) [forrás: PIM]

Hőkamerák esetén ez a kérdés nem is jelentéktelen. Míg a digitális fényképezőgépeknél 10, 12 vagy akár több mint 20 Mpixeles (20 millió képpontos) felbontásról beszélünk, mátrixos hőkamerák esetén a képpontok száma tipikusan 320×240 (tehát 76 800), illetve 384×288, a legprofibb hőkamerák esetében pedig 640×480 (tehát 307 200) vagy akár 1024×768 (tehát 786 432) képpont. Vannak kisebb képességű kamerák is – gyakori típusok a 160×120 (tehát csupán 19 200) képponttal vagy akár csak 80×80, illetve 96×96 képponttal dolgozók, amelyek ennél fogva csak kisebb felületek elfogadható részletességű megjelenítésére képesek, ami a felhasználási területüket természetesen erősen korlátozza (vagy a hőkamerát akár alkalmazhatatlanná teszi). A hőkamera-érzékelők fejlődésének köszönhetően egyre több képpontú hőkamerák készülnek. Érdekes, hogy pont a legprofibb – 640×480, illetve 1024×768 képpontos érzékelőmátrixszal rendelkező, 50, illetve akár 240 Hz-es képfrissítésű – hőkamerák képpontra vetített ára a legkedvezőbb (akár egy nagyságrenddel is kedvezőbb, mint a kis pixelszámú, úgynevezett low-cost hőkameráké).

120 x 160 ill. 640 x 480 képpontos hőkép (forrás: Infratec)
6. ábra: 120 x 160 ill. 640 x 480 képpontos hőkép [forrás: InfraTec]

A 6. ábra igen látványosan mutatja a képpontok számának hatását a munkafolyamat hatékonyságára: a jobb oldali kép (640×480 pixel) egyetlen helyszíni gombnyomással készült és – mivel a bevizsgált épületoldal minden információját tartalmazza – szintén csak egyetlen egérkattintással belefűzhető a jegyzőkönyvbe. Ezzel szemben a bal oldali hőkép (160×120 pixel) az épületoldal csak kisebb részét képes befogni, részletessége is kivetnivalókat hagy maga után. A jobb oldali hőkép minőségének elérésére 16-szor annyi felvétel kellene, de a hőképek utólagos montírozásához még átfedésre is szükségünk van, így jóval több, akár 20-25 hőkép helyszíni felvételre kényszerülünk. Természetesen a 640×480 képpontos hőképfelvétel időigényének többszöröse alatt.

Az igazi kellemetlenség viszont a jegyzőkönyvkészítés során vár ránk, mert itt szembesülünk a 20–25 hőkép montírozási munkája időigényével, amely tapasztaltságunktól függően 30 perc és több óra között változhat. Meggondolandó tehát, hogy kisebb beruházás mellett kisebb pixelszámú hőkamerát válasszunk (és majd a takarékoskodásunkat többszörös többletmunkával fizessük meg), vagy nagyobb pixelszámú hőkamera révén szert tegyünk a hatékony munkavégzéshez szükséges eszközre. (A 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.