Hőkamera-választék 2014 (piaci kínálat áttekintése) (érzékelőtípusok, képfrekvenciák)

Hőkamerák típusválasztéka – aktuális piaci körkép szakmai szemmel

Érzékelőtípusok, képfrissítési frekvenciák, detektor-kiolvasás, detektorhűtés

Az érintésmentes hőmérsékletméréshez alkalmas termográfiai eszközök (termogrammetriai képességű infrakamerák) ez elmúlt években rohamos fejlődésen keresztül mentek. Ha figyelembe veszünk, hogy ezek az eszközök éppen 50 éve jelentek meg, ma már viszont ez egyik legismertebb és leguniverzálisabb (legsokoldalúbb) vizsgálati eszközévé nőtték ki magukat, akkor ne lepődjünk meg a piaci kínálat sokféleségén (gyártók, típusok) sem. Egy hőkamera-beszerzést tervező ügyfélnek ebből kifolyólag most már nem az igényeinek megfelelő típus hiánya, hanem az óriási választék áttekinthetetlensége okoz gondot. Tehát eljött az ideje, hogy e műszerek fejlődését és típusait szakmai szemmel áttekintsük, valamint a jelenlegi kínálatát rendezzük néhány fontos műszaki paraméter alapján. Ugyanis: A kamerákban megvalósított mérési technológia és a hozzá kapható tartozékok meghatározzák a készülék alkalmazási területét, valamint a várható mérési pontosságot ill. az elérhető hőkép-minőséget.

Letapogató hőkamerák – a kezdetek “eltűnt” csúcstechnológiája

A legelső kereskedelmi (civil) forgalomban kapható – hőmérséklet-mérésre alkalmas – hőkamerák elsősorban szkennelő (letapogató) kivitelben készültek. Ezek csupán egy egyelemű („pont”-) detektort használnak az infravörös sugárzás átalakítására és a mérendő tárgyat egy mechanikus (tükör- ill. lencse-)-rendszerrel tapogatják le. Mivel ez a képalkotó elv egy nagy sebességű (foton-)detektort és nagy precizitású mechanikát igényel, gyártása meglehetősen drága, hűtést is igényel, valamint a mechanikai alkatóelemek végett 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 10mK 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)
Ábra: szkennelő hőkamerák elvi felépítése [forrás: Infratec]
(1 detektor, 2+5 objektív, 3 vízszintes eltérítő tükör, 4 függőleges eltérítő tükör, 6 tárgy, 7 mérésfelület)

Mátrixdetektoros hőkamerák – a jelenlegi hőkamerák “elterjedt” felépítése

A mátrixdetektoros hőkamerák esetén több ezer egyedi érzékelő mátrixszerűen elhelyezve “egyszerre” érzékeli a mérendő hősugárzást, tehát nincs szükség mechanikai kitérítő egységre. Ezáltal a kamera mechanikailag egyszerűbb, kisebb méretű, könnyebb (és olcsóbb). Bár meglepően egyszerű az optikai sugármenet, azonban az ördög a részletekben bújik meg: egyik fő probléma az, hogy a hőkép minden egyes képpontját egy-egy egyedi érzékelő alakítja át, melynek 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 mátrix-detektoros hőkamerák – az alkalmazott érzékelő-technológiától függően – most már 30mK (vagy akár 20mK) termikus felbontására is képesek és ez a legtöbb alkalmazáshoz elegendő, a szkennelő hőkamerák gyártása megszűnt.

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

A korszerű mátrixdetektoros hőkamerák érzékelői

Alapvetően kétféle alaptípust – a termikus érzékelőket és a foton-detektorokat különböztetjük meg. A termikus típusok azon alapulnak, hogy az infrasugárzás (elektromágneses hullám energiájának) hatására felmelegszenek és ennek következtében valamelyik fizikai (villamos) paraméterük megváltozik, amiből pedig a szükséges villamos jel “kinyerhető”. A foton-detektorok ezzel szemben a fotonok számával arányos villamos jelet adnak, de működésükhöz mély hőmérsékletre (-150°C … – 200°C) való lehűtésük szükséges. (Hűtés nélkül a rendezetlen elektronmozgás gátolna a kihasználandó fizikai effektus létrejöttét.)

Alapvető érzékelőtechnológiák

  • Termikus detektorok (pl. mikrobolométer)
    • nem igényel hűtést (könnyű, kis energiafogyasztású hőkamerák készíthetők)
    • tömeggyártásra alkalmas, így olcsó is
    • kisebb a termikus érzékenysége, felbontóképessége és pontossága
Termikus detektorok működése (forrás: PIM)
Ábra: termikus detektorok működése [forrás: PIM]
Mikrobolométer rajza (forrás: Infratec)
Ábra: mikrobolométer sematikus felépítése [forrás: Infratec]
  • Foton-detektorok (kvantumdetektorok)
    • hűtést igényelnek
    • nagy termikus érzékenység és felbontás
    • nagy stabilitás és pontosság
Fotondetektorok működése (forrás: PIM)
Ábra: foton-detektorok felépítése, működése [forrás: PIM]

Mindegyik érzékelőtechnológiából különféle hullámhossz-tartományra való érzékelők léteznek, az alkal­mazott anyagtól függően. A bolométerek / mikrobolométerek viszont a gyenge termikus érzékenységük miatt csak a hosszúhullámú hullámhossz-tartományra készíthetők. (Csak ebben a tartományban lehet elegendően nagy sugárzás-intenzitásra számítani.) A következő 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 az érzékelő hullámhossz-tartománya (spektrális érzékenysége) döntő mértékben befolyásolja a hőkamera alkalmazási területeit. (Emlékeztetésül: a hőkamerák különböző – korlátozott – hullámhossz-tartományok az atmoszféra átviteli tulajdonsága miatt szükségesek. Az ún. atmoszferikus ablakok végett rövid, közép és hosszú hullámú hőkamerák készülnek.) Amíg a középhullámú 3 … 5 µm-es hőkamerákkal nem lehet alacsony hőmérsékletű (pl. -80°C-os) tárgyak hőmérsékletét mérni, addig a hosszúhullámú 7,5 …14 µm-es hőkamerákkal lehetetlen pl. üveg mögött lévő tárgyak hősugárzását érzékelni.

További alkalmazás-szempontú korlátok vannak a nagy (több száz méteres) mérési távolságokkal kapcsolatosan is: ezek csak hosszúhullámú hőkamerákkal valósíthatók meg. Ezzel szemben viszont égési folyamatok lánghőmérsékletének érzékelése a legtöbb esetben csak középhullámú hőkamerával oldható meg, de a fordított feladat – a lángon keresztül történő tárgyhőmérsékletek érzékelése a lánghőmérséklet érzékelése nélkül – akár hosszúhullámú hőkamerával megvalósítható.

Sok alkalmazáshoz (vékony fóliák hőmérsékletének érzékelése), gázszivárgások érzékelése, speciális mérőablakokon (pl. vákuumkamra ablakán, kemence mérőablakán) keresztül történő mérésekhez pedig azok anyagának függvényében is megfelelő hullámhossz-tartományú hőkamera és ezen túl megfelelő infravörös szűrők is kiválasztandók. Eme feladat speciális tudást és tapasztalatot igényel, melyet drága tévedések elkerülése véget célszerű szakemberre bízni.

Hőkamerák képfrissítési frekvenciája (képismétlési gyakorisága)

Mikrobolométeren alapuló mátrixos érzékelővel rendelkező hőkamerák léteznek például 9, 15, 30, 50, 60, 120 Hz-es vagy akár 240 Hz képfrissítéssel – független attól, hogy telepített vagy hordózható (mobil) hőkamerákról van szó. Lényegesen magasabb – 850, sőt, 6000 illetve akár 9000 Hz-es – képfrissítési (pontosabban hőkép-mérési) frekvenciák érhetők el a fotondetektoros hőkamerákkal. Hogy milyen képfrissítési gyorsaság szükséges, ez a mérendő tárgy hőmérséklet-változásának időállandójától ill. mozgássebességétől vagy éppen a hőkameránk mozgási sebességétől függ.

A mérendő tárgy hőmérséklet-változásának időállandója (változási “sebessége”) – vagy tudományosabban kifejezve: a hőmérséklet-folyamat frekvenciája – a hőkamerák működési elvéből adódóan komoly követelmény: a hőkameráknak (mint minden digitális jelfeldolgozó mérőrendszernek) ugyanis a mintavételezési alapszabályának – a Shannon-törvénynek – is eleget kell tenniük. A Shannon törvény pedig megköveteli, hogy a mérendő folyamat legmagasabb frekvenciájú komponensének legalább kétszeres frekvenciájával történjen a jeldigitalizáláshoz szükséges minták vétele. Ha ez a törvény nincs betartva, akkor az ún. alulmintavételezés következik be, ami például egy periodikus hőmérséklet-ingadozás esetén ahhoz vezetne, hogy a rögzített hőmérséklet-folyamat időbeni változása látszólag csak lényegesen lassabban (alacsonyabb frekvencián) megy végbe, mint a valóságos folyamat (lásd az alábbi ábrát is). Ez bizony sok esetben teljesen téves következtetésekhez vezetne!

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

Fentiek alapján tehát minden olyan feladat esetében kritikus a hőkamera képfrissítési frekvencia, ha hőmérséklet-változásokat szeretnénk bevizsgálni. Ha rögzítendő változás 1/10 másodperces periódusidejű), akkor min. 20 Hz (inkább 25 Hz) képfrissítés kell. Egy teljesítmény-elektronikai eszköz esetén nem ritkán akár 300 Hz-es frekvenciájú melegedések lépnek föl, melynek rögzítéséhez 600 Hz fölötti képfrissítés frekvencia szükséges (ami már csak fotondetektoros hőkamerákkal oldható meg)! További példák a kivételesen gyors fotondetektoros hőkamerák szükségességére a forgácsoló technológiák esetén fellépő szerszám- és munkadarab melegedésének érzékelése, a gépkocsi-légzsák felületének hőmérsékleteinek megfigyelése, a pirotechnikai folyamatok hőmérsékleteinek kutatása vagy az ütésszerű mechanikai behatások vizsgálata…

Az előző felsorolás még sokáig folytatható, de ez ne vezessen ahhoz a téves következtetéshez, hogy lassú (vagy akár állandósut) termikus folyamatok esetén nem fordulhatna elő, hogy a hőkamera képfrissítési frekvencia a mérés kivitelezhetőség szempontjából kritikus paraméter is lehet. Ugyanis mozgó mérési tárgyak vagy mozgó hőkamera esetén éppúgy fontos, hogy elég gyors legyen a hőkamera. Mikro­bolométeres hőkamerák esetén azok képfrissítési gyakoriságát meghatározó integrálási idő korlátozza, hogy legfeljebb milyen gyorsan mozgó tárgyakat lehet még korrekt módon érzékelni. A maximális mozgás­sebesség az, amikor az integrálási idő alatt az egy egyedi detektor által érzékelt tárgyfelület már annyira elnyúlik a mozgás irányába, hogy ez az érzékelési felület az integrálási idő alatt a tárgyfelületről “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)
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 gyakorolt – 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 ill. 9 Hz-es hőkamerával kézben tartva bemozdulatlan hőképeket rögzítsünk! Ehhez akár 30 … 40 ms-on keresztül mozdulatlanul kellene tartanunk a hőkamerát, ami kész képtelenség. Más szóval: kézben tartva csak olyan hőkamerákkal lehet biztonságosan bemozdulás-nélküli hőképeket készíteni, melyek integrálási idejük 15 ms-nál rövidebb. Ezt általában csak az 50 Hz-es és még annál is gyorsabb hőkamerák biztosítják, ennél lassabb hőkamerák állvány nélküli felvételekre alkalmatlanak.

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

Detektor-kiolvasási eljárások

Mozgó vagy forgó tárgyak ill. a tárgyhoz képest mozgásban lévő hőkamera esetén a hőkamerák méréstechnikai alkalmazhatósága nemcsak az előbb tárgyalt hőkép-frissítési frekvencián, hanem a pixeladatok kiolvasás módján is múlik. Ebből kétfélét szokás megvalósítani: a soronkénti kiolvasást (termikus és fotondetektorok esetén is alkalmazható), valamint az ún. „Snap-Shot“ kiolvasást. Az utóbbi kizárólag egyes fotondetektorok speciális tulajdonsága, ugyanis a termikus detektorok (pl. mikrobolométerek) lassúsága (akár 6 … 20 ms-os integrálási idő) eme technológia alkalmazását teljesen értelmetlenné teszi.

Soros kiolvasás

Ha alapul veszünk egy átlagosnak mondható 320×240 pixeles mátrixos érzékelőt, akkor ez 78600 egyedi érzékelőt jelent. Kézenfekvő, hogy annak pixelenkénti analóg villamos kimeneti jelének digitalizálása végett nem célszerű ugyanennyi mintavevő és AD-átalakítót alkalmazni (hely- illetve energiaigény és költsége végett). Így tehát csak egyetlen egy sornak megfelelő 240 darab mintavevő – AD-átalakító áramkört használunk, amivel az érzékelő 320 sorát egymásután (egyesével továbbléptetve) “kiolvassuk”. Ehhez először lenullázzuk az első sorban lévő érzékelők “jeleit” és elindítjuk a mérési (integrálási) idejüket, majd egy picivel később megtesszük ugyanezt a második, 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 eme körfolyamat, mintha az érzékelők folyamatosan integrálnának, s csak soronként lépkedve megszakítanánk ezt egy kiolvasással és nullázással.

Soros detektor-kiolvasás (forrás: PIM)
Ábra: idődiagram soros kiolvasás esetén [forrás: PIM]

A soros kiolvasás következménye, hogy a mozgó tárgyak megjelenítése torzul, ahogy ez a következő ábra szemlélteti. (Minél gyorsabb a mozgás, annál nagyobb a torzulás mértéke.) Ennek oka, hogy a soronkénti mérési adatok nem azonos időben, hanem csak egymás után “keletkeztek” – hasonlóan mint egy multiplexeres sokcsatornás méréstechnikai rendszer esetén.

Mozgó tárgy torzulása (forrás: PIM)
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. Ennek 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 (pl. mikrobolométerek) esetén amúgy is elmosódna a mozgó tárgy leképzése (a hosszú integrálási idő végett).

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 alkalmazzuk, hanem csak annyit, mint amennyi egy-egy sor kiolvasásra szükséges. Ennek ellenére nem torzítjuk a mozgó tárgyak leképzését, mert az összes egyedi érzékelő által mért jel ugyanabból az idő(pillanat)ból származik. Méréstechnikailag itt tehát egy szimultán mintavételezési rendszerről beszélhetünk.

SnapShot detektor-kiolvasás (forrás: PIM)
Ábra: idődiagram „Snap-Shot“ technológia esetén (szürke = befagyasztott érték) [forrás: PIM]

A „Snap-Shot“ technológiával rendelkező legkorszerűbb hőkamerákkal jelenleg akár 450 darab 320×256 pixeles hőkép rögzíthető másodpercenként. Viszont az idődiagramban is felismerhető soronként előrehaladó kiolvasás időszükséglete a fotondetektorok integrálási idejével összemérhető, sőt túl is haladhatja ezt. A maximális képkiolvasási frekvencia tehát leginkább a kiolvasás által korlátozódik. Ennek kivédésére – még gyorsabb képrögzítés elérése érdekében – az ún. SubFrame 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. Megjegyzés: a detektor továbbra is egyidejűleg az összes pixelen végzi a jelintegrálást és az értékek befagyasztását. Egyszerűen a kiolvasást és digitalizálást korlátoztuk a kiválasztott területre.

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

Detektorhűtési technológiák fotondetektorokhoz

Napjainkban igen sokféle, hűtés nélküli termikus detektoron (pl. mikrobolométeren) alapuló hosszúhullámú hőkamera kapható. A legpontosabb és leggyorsabb mérési képességű, valamint a rövid- és középhullámú hőkamerák viszont csak foton-detektorokkal készülhetnek – azok pedig kizárólagosan csak 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 detektor-kivitelek és anyagok választéka szűkül.)

Stirling-hűtés

A Stirling-hűtés a CARNOT-féle termikus körfolyamat kihasználásán alapul, mely során egy gáz (hélium) komprimálásra kerül (amiért a gáz felhevül), ezután a környezet felé történő hőleadással lehűl. Az ezt követő (másik hengerben végbemenő) expanzió során a gáz igen mély hőmérsékletre lehűl és így képes lesz a környezetből (esetünkben a detektorról) felvenni hőenergiát. Ez az egész zárt körfolyamatként zajlik le.

A hőkamerákban erre a célra alkalmazott két-dugattyús mikro-kompresszor lehetővé teszi, hogy a hőkamerák akármilyen helyzetben alkalmazhatóak, maga a detektorok működésén túl a mérési megbízhatóság és pontosság is széles üzemi hőmérséklet-tartományban biztosítható (elég jó hatásfok mellett). Hátrányos viszont, hogy ezek a hűtő-kompresszorok rendelkeznek nem elhanyagolható mérettel és súllyal, ezért könnyű és kis méretű hőkamerák ezzel a technológiával nem hozhatók létre. Még nagyobb probléma viszont (elsősorban folyamatos alkalmazások esetén), hogy a Stirling-hűtők egy mechanikai rendszer, mely korlátozott élettartammal bír. A legmodernebb eszközök esetén ez a határ megközelítheti a 8000 – újabban 12000 – üzemórát is (karbantartás-mentesen!).

Stirling hűtő elve (forrás: Infratec)Stirling hűtő (forrás: Infratec)
Ábra: Stirling-hűtő elve és maga egy Stirling-hűtő [forrás: InfraTec]

Peltier-elemes hűtés

A Peltier-elemes hűtés (termoelektromos hűtésnek is elnevezve) az elérendő mély hőmérsékletek végett általában 3-szintű Peltier-elem kaszkád formájában kerül megvalósításra. Előnye a Stirling-hűtéssel szemben, hogy mechanikai (mozgó és ezáltal kopó) részei nincsenek, így élettartam-korlát gyakorlatilag sincsen. Viszont cserében magasabb energiafogyasztás mellett csak kevésbé alacsony hőmérsékletek érhetők el (kb. -150 °C), mely nem minden típusú fotondetektor működéséhez elegendő.

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

 

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.