vgf 2018.12. Épületenergetikai felmérések termográfiai eszközökkel II.

VGF 2018.12. Épületszerkezeti és épületgépészeti termográfia II.

Eric Rahne, okl. villamosmérnök, 3-as szintű akkreditált termográfiai szakértő (PIM Kft.)

A cikksorozatunk előző részében arról beszéltünk, hogy milyen jellegű (célú) épülettermográfiai mérések léteznek, a szükséges mérési körülményekrõl és az azokból adódó nehézségekről, illetve korlátozásokról.

A most következő részből pedig megtudhatjuk, hogy mi a szerepe a hőkamera adottságai alapján figyelembe veendő geometriai felbontás követelményének, a hőkép pixelfelbontásának, valamint a hőkamera termikus felbontó-képességének.
Mindezt valós hőképekkel illusztrálva, Rahne Eric „Termográfia – elmélet és gyakorlati méréstechnika” című, 650 oldal terjedelmű szakkönyvéből merítve.

Méréstechnikai feltételek (épület-termográfiához szükséges hőkamera-képességek)

A hőkamerával megfelelő körülmények között készített hőképek alapján sokféle épületszerkezeti, hőszigetelési, épület-gépészeti, épület-üzemeltetési és nedvességgel/vízszigeteléssel kapcsolatos hiányosság fedezhető fel. Fontos tudni ehhez, hogy a kiértékelés csak akkor eredményes, ha a mérés során fennálltak a megfelelő mérési, például klimatikus és épület-üzemeltetési körülmények.

Lényeges az is, hogy betartsuk a termográfiai mérések szabályait és nem utolsó sorban a hőkameránk is megfelelő méréstechnikai képességekkel rendelkezzen. Ezek közül a geometriai felbontásra is kell ügyelnünk: például egy panelház 10-dik emelet földről történő mérése (mondjuk 60 m távolságból) Pitagorasz szerint √302 + 602 = 67 m valós mérési távolságból történik. Ez egy 2 mrad felbontású hőkamera esetében csupán minimum 67 m * 2 mrad * 3 = 402 mm (tehát 40 cm) tárgyfelületek mérését teszi lehetővé. Egy ilyen hőképnek tehát legfeljebb annyi információtartalma van, hogy hány nyílászáró van a 10. emeleten! A következő hőképek illusztrálják a helyzetet egy járórács tartójának példáján.

Épületfelvétel standard lencsével ill. teleobjektívvel
1. kép: Épületfelvétel standard lencsével ill. teleobjektívvel

épületfelvétel standardlencsével
legkisebb mérhető tárgy: 15 m x 0,8 mrad x 3 = 36 mm
maximális hőmérséklet 10,4°C
a körjelölés teleobjektíves felvétele:
legkisebb mérhető tárgy: 5 m x 0,4 mrad x 3 = 4 mm
maximális hőmérséklet 12,2°C

Ahogy a fenti hőképek is bebizonyítják, hogy az épület-termográfia – bár hatalmas mérési tárgyakkal foglalkozik – sem kerülheti el a geometriai felbontás kérdését. A keresett problémák egészen egyszerűen „láthatatlanná” válnak a geometriai felbontás követelmény figyelmen kívül hagyása esetén. A helyzet orvosolható csereobjektívek alkalmazásával, melyek professzionális hőkamerák esetén kaphatók.

A geometriai felbontáson (tehát az érzékelőmátrix egy egyedi érzékelőhöz tartozó tárgyfelületi “képpont” 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 egyetlenegy hőképen. Ha kevés a képpontok száma, sok felvételt kell készíteni és összefüggő tárgyak kiértékelésére illetve beszámolók készítéséhez gyakran szükségessé válik a képek montírozása (ami egy igen időigényes munka).

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, addig az átlagos mátrixos hőkamerák esetén a képpontok száma tipikusan 320×240 (tehát 76 800) illetve 384×288, a profibb hőkamerákban pedig 640×480 (tehát 307 200) vagy akár 1024×768 (tehát 786 432) képpont. Vannak kisebb képességű kamerák is – gyakori típus 160×120 (tehát csupán 19 200) képponttal vagy akár csak 80×80 ill. 96×96 képponttal, melyek ennél fogva csak kisebb felületek elfogadható részletességű megjelenítésére képesek, ami a felhasználási területüket természetesen erősen korlátozza vagy a hőkamerát bizonyos feladatokhoz akár alkalmazhatatlanná teszi. Érdekes még, hogy pont a legprofibb – 640×480 ill. 1024×768 képpontos érzékelőmátrixszal rendelkező professzionális hőkamerák képpontra vetített ára a legkedve­zőbb (akár egy nagyságrenddel is kedvezőbb, mint a kis pixelszámú – ún. Low-Cost – hőkameráké.

balra standarlencsés felvétel; jobbra teleobjektíves felvétel
2. kép: balra standarlencsés felvétel; jobbra teleobjektíves felvétel

A következő ábrák igen látványosan mutatják be a képpontok számának hatását a munkafolyamat hatékonyságára. A jobb oldali kép (640×480 pixel) egyetlen egy helyszíni gombnyomással készült és – mivel a bevizsgált épületoldal minden információját tartalmazza – szintén csak egyetlen kattintással belefűzhető a jegyzőkönyvbe. Ezzel szemben a bal oldali hőkép (160×120 pixel) az épületoldal csak kisebb részét képes befogni ugyanazzal a geometriai felbontással. A jobb oldali, áttekintő hőkép teljes­ségének és minőségének elérésére 16-szor annyi pixel – tehát ennyi hőkép – kellene. Mivel azonban a hőképek utólagos montírozásához még az egyedi hőképek átfedésére is szükségünk van, így jóval több – akár 20 … 25 hőkép helyszíni felvételére kényszerülünk. Természetesen a 640×480 képpontos hőkép felvételi időigényének többszörös idő alatt.

120x160, illetve 640x480 képpontos hőkép (arányosan ábrázolva)
3. kép: 120×160, illetve 640×480 képpontos hőkép (arányosan ábrázolva)
160x120 képpontos hőképrészlet, nagyítással
4. kép: 160×120 képpontos hőképrészlet, nagyítással
640x480 képpontos hőképrészlet, nagyítással
5. kép: 640×480 képpontos hőképrészlet, nagyítással

Az igazi kellemetlenség viszont a jegyzőkönyvkészítés során vár ránk, mert itt szembesülünk a 20-25 hőkép montírozási munka időigényével, mely ügyességünktől függően 30 perc és több óra között is eltarthat. Meggondolandó tehát, hogy kisebb beruházás mellett kisebb pixelszámú hőkamerát válasszuk (és a spórolásunkat majd többszörös többletmunkával fizessük meg), vagy nagyobb pixelszámú hőkamera révén a hatékony munkavégzéshez szükséges gazdaságos eszközre tegyünk szert.

Most nyilván okoskodhatunk, hogy természetesen befoghatjuk a 160×120 képpontos hőkamerával is az épület „teljes” oldalát. Ennek ára viszont a nem megfelelő geometriai felbontás lesz, ahogy a következő két felvétel bizonyítja. A referenciahőkép ismételten az előző oldalon szereplő 640×480 pixeles felbontású felvétel (picit más hőskálázással), a spórolós tesztfelvétel pedig 160×120 képponttal készült pontosan ugyanonnan, ugyanarról az épületről. Mindkét hőképből ugyanekkora méretben ábrázoltuk, majd egyforma „tárgy”-felületet nagyítottuk ki a különbség (és ezáltal a felvételek használhatóságának) bemutatása szempontjából.

Anélkül, hogy bármilyen hosszadalmas magyarázatot kívánnánk adni, a tapasztalatlan megfigyelő részére is azonnal nyilvánvaló, hogy a fenti 640×480 képpontos termogram lehetővé teszi az ablakkeret-szerelés (falcsatlakozás) minőségének és az ablakok tömítettségének értékelését. Azonban az alsó hőkép (csupán 160×120 képpontos felbontással) nem kínálja ezt a lehetőséget, ezért az itt bemutatott esetben az épületek termográfiai értékelésének célját nem is lehet elérni.

Különösen akkor, amikor a mérendő hőmérsékletek a hőkamera aktuális méréstartományának alsó határához közel vannak (ami tipikus az épület-termográfia esetében), a képminőséget döntően a hőkamera hőmérséklet-felbontási képessége (vagy termikus felbontása) határozza meg. Az ezt jellemző paraméter – az “NETD” (Noise Equivalent Temperature Difference) – a hőkamera saját zajának effektívértékét adja meg az ugyanekkora villamos jelet eredményező tárgyhőmérséklet-különbségben kifejezve. Ezt a hőkamerát minősítő paramétert a DIN EN 16714-2:2016-11 szabvány követelményének megfelelően 30°C–nál határozzák meg, referenciatárgyként pedig az ideális sugárzót feltételezik.
Fontos tudni, hogy ez az NETD érték (általában egyetlen egy számként megadva) sajnos nem egyforma minden hőmérsékleten, nem igaz a hőkamera mindegyik méréstartományára, és minden egyes (csere-)objektív alkalmazásának esetében sem. Ennek ellenére ez a számadat a legelterjedtebb és gyakorlatilag általában egyetlen információnk a hőképünk várható zajosságával kapcsolatosan. Ezzel kapcsolatosan tudomásul kell venni, hogy a tárgy hőmérsékletének csökkentésével majdnem exponenciálisan megnő a zaj (tehát romlik a termikus felbontás). Ez teljesen logikus is, mivel a csökkenő hőmérséklettel együtt a sugárzás mennyisége hatványozottan csökken, így a jel/zaj-viszony ugyanilyen rohamosan romlik. Ebből következik, hogy a 30°C-on megadott termikus felbontás ennél alacsonyabb tárgyhőmérsékletek esetén már nem igaz, 0°C felé az NETD érték már akár a duplájára is nőhet.

Balra nem megfelelő termikus felbontású, jobbra megfelelő termikus felbontású hőkép
6–7. kép: Balra nem megfelelő termikus felbontású, jobbra megfelelő termikus felbontású hőkép

A hőkamera termikus felbontása természetesen kihatással van a hőképen észlelhető legkisebb hőmérséklet-különbség révén a részletek felismerhetőségére. A helyzetet sajnos még rontja a szemünk szín- illetve szürkeárnyalat-különbség érzékelési képességének határa, valamint a megfelelő mennyiségű „egyforma” pixel megjelenítésének szükségessége, hogy azt összefüggő „felületként” ismerhessük fel.

Számpélda

Egy gyengébb minőségű hőkamera 30°C-nál érvényes +/-120 mK (+/-0,12°C) hőmérséklet-felbontásból a gyakorlatban már 0°C-on „könnyedén” +/-0,25°C-os zaj lesz. Mivel ez az érték pixelenként értendő, a teljes hőkép hőmérséklet-felbontása csupán 0,5°C (mivel a pixelek elhelyezésüktől és egymástól függetlenül pont ellentétesen a maximumértékig tévedhetnek). A hőképen vizuálisan is összefüggő felületként biztosan felismerhető felület hőmérsékletének viszont minimum a fenti érték kétszeresével kell eltérnie az őt körülvevő hőkép-pixelektől – tehát a felismerhetőség határát jelentő minimális hőmérséklet-eltérés jelen példában közel 1°C (0°C körüli mért tárgyhőmérsékletek esetén)!

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