Villanyszerelők lapja 2015.6. Hőkamerákról szakmai szemmel II.

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

Az érintésmentes hőmérsékletméréshez alkalmas hőkamerák ez elmúlt években rohamos fejlődésen mentek keresztül, hogy egy beszerzés során ma már nem az igényeinek megfelelő típus hiánya, hanem az óriási választék áttekinthetetlensége okozhat gondot. Tehát itt az ideje, hogy e műszerek típusait és jellemzőit szakmai szemmel áttekintsük, valamint a jelenlegi kínálatot rendezzük  néhány fontos műszaki paraméter alapján. Ezek ugyanis  meghatározzák a készülékek alkalmazási területeit, valamint a várható mérési pontosságot, illetve az elérhető hőképminőséget. Cikkünk első részében a hőkamerák detektortípusairól esett szó, áttekintettük a képfrissítési frekvencia és a képpont-felbontás jelentőségét, valamint tisztáztuk a képfelbontás-növelő eljárások előnyeit és hátrányait. Jelen cikkünk ennek folytatásaként tárgyalja a termográfiai objektívek jellemzőit, és kitérünk a korszerű  hőkamerák kiértékelési képességeire is.

Termográfiai objektívek, előtétlencsék

A legfontosabb tulajdonság: termográfiai lencsék nem készülhetnek üvegből, hanem csakis a hőkamera hullámhossz-tartományának megfelelő anyagból. Tehát nem lehet egy hőkamerát vásárolni, s majd egy optikai mikroszkóp-lencsét elé tenni, csak mert most éppen nagyon kis tárgyakat akarunk mérni. De egy hosszúhullámú hőkamera lencséje sem szerelhető egy középhullámú hőkamera elé (és fordítva sem). Mindkét esetben azt tapasztalnánk, hogy semmilyen sugárzást nem tudnánk mérni. Hosszúhullámú hőkamerák esetén a lencseanyag tipikusan germánium, melyet még egy speciális anti-reflexiós réteggel bevonnak, így elérve akár 99% fölötti transzmissziós tényezőket. (Tehát vegyszerrel vagy koptató tisztítószerekkel ne távolítsuk el szennyeződéseket az optikákról!) Lencseátmérő hatása a mérési képességekre Minél nagyobb átmérőjű egy termokamera optikai lencséje (pontosabban: apertúrája), annál több sugárzási energia jut a hőérzékelő felületére. Az optikai rendszer fényerősségének (itt: átvitt infravörös sugárzás-intenzitásnak) mértéke a rekeszszám, amely a fókusztávolság és az apertúra lencse átmérőjének hányadosa. Értelemszerűen minél kisebb rekeszszám, annál nagyobb a lencseátmérő és annál nagyobb az energiabevitel az érzékelőre, ami természetesen nagyobb érzékenységet és pontosságot eredményez. De vigyázat: minél nagyobb a lencse átmérője, annál inkább eltér ez az ideális optikai rendszer modelljétől - a Gauss-féle optikától. Ennek hatására pedig nőnek a leképezési hibák (pl. képdeformáció), ami csak egyre igényesebb lencseformákkal ellensúlyozható. Ha az előbbieket néhány számadattal is alá akarjuk támasztani, akkor hasonlítsuk össze a legelterjedtebb "kategóriájú" bolométeres hőkamerákat. A LowCost hőkamerák kis méretű objektívei legfeljebb 100 mK érzékenységet tesznek lehetővé 50 Hz képfrissítés mellett, jobb termikus felbontás (pl. 80 vagy 60 mK) elérése érdekében növelni kell az integrálási időt - tehát csökkenteni kell a képfrissítési gyakoriságot 30, 25 vagy csak 9 Hz-re. Professzionális hőkamerák nagy méretű objektívei a hőkamera-gyártó képességeitől függően 50 Hz (vagy akár még 240 Hz) képfrissítés mellett is akár 30 mK termikus felbontást tesznek lehetővé. Persze az sem mintegy, hogy egy LowCost hőkamera lencséje legfeljebb néhány százezer forintos költségű, profi készülékek esetén a termográfiai optikák árai pedig az egymillió forint fölötti árszinten mozognak. Csereobjektívek szükségessége és választéka A termográfiai mérések esetén az értékelésnek megfelelő megfigyelési látómező méretén túl a legfontosabb a korrekt hőmérséklet-érzékeléshez elengedhetetlen geometriai fel­bontás biztosítása. Például egy 2 mrad geometriai fel­bontást nyújtó "standard" objektív esetén 5 m távolságból csak minimum 30 mm méretű tárgyak (vagy tárgyrészletek) hőmérséklete érzékelhető még biztosan. Kisebb tárgyak méréséhez vagy kisebb mérési távolságot, vagy más opti­kát kell választanunk. (Máshogyan a termográfiai felvétel nem tudna a bennünket érdeklő kis tárgy hőmérsékletét ki­mutatni.) Kicseréljük tehát az előbbi "standard" lencsét egy teleobjektívre, akkor 1 mrad geometriai felbontás mellett 5 m távolságból 15 mm méretű tárgyakat is mérhetünk. Elsősorban a professzionális hőkamerák esetén létezik nagy választék csereobjektívekből, melyek a könnyed cserélhetőség érdekében sok esetben bajonettel csatlakoznak a hőkamerához. A lencsék elektronikus kódolással is rendelkeznek, hogy a hőkamera magától vegye észre, hogy éppen melyik objektívvel dolgozunk és automatikusan töltse be az objektívhez tartozó kalibrálási adatfájlt. Ez utóbbi azért szükséges, mert minden hőkamera esetén annak kalibrálása mindig az éppen felszerelt lencsével együtt történik meg a lencse és a hőkamera karakterisztikájának együttes meghatározása és korrekciója érdekében. Tehát ha kicseréljük az objektívet, más kalibrálási adatfájl szükséges a sugárzás-érzékelés korrekciójához. (Ebből az is következik, hogy egy utólagosan vásárolt objektív az ezzel együtt történő gyártói hőkamera-újrakalibrálást von maga után. Valamint az is, hogy azonos hőkamerák között sem cserélhetjük ki még "egyforma" objektíveket sem büntetlenül.)

A legelterjedtebb lencséket és szerepüket (ill. "mellékhatásukat") a következő felsorolás mutatja be: • Standardlencse A hőkamera detektorának pixelfelbontásától függően ezekkel az objektívekkel nagyságrendileg 20x15° ... 30x25° látómezők mellett 2,4 ... 0,6 mrad geometriai felbontások érhetők el. • Teleobjektív A standardlencsékkel összehasonlítva tipikusan a látómező mindkét dimenziójának megfelezése mellett dupla olyan jó (számszerűen megfeleződött) geometriai felbontások érhetők el. Vannak még "nagyobb" teleobjektívek is, melyek a látómező méretei és a geometriai felbontás negyedelését vagy akár tizedelését nyújtják, ugyanilyen mértékben javítva a geometriai felbontást.

• Nagy látószögű lencse A standardlencsékhez viszonyítva tipikusan a látómező mindkét dimenziójának megduplázása érhető el, de e mellett felére csökken (számszerűen megduplázódik) a geometriai felbontás. Vannak ún. szuper-széles nagy látószögű lencsék is, melyekkel a látómező méretei négyszerezése érhető el (a geometriai felbontás negyedére való lerontása mellett). • Előtétlencsék, makrólencsék E lencséknek az elsődleges szerepe a standardlencsék ill. teleobjektívek legkisebb mérési távolság (minimális fókusztávolság) csökkentése, ezzel lehetővé téve, hogy nagyon kicsi tárgyakat is meg lehessen mérni a geometriai felbontás követelményének megfelelő kis távolságokból. • Mikroszkóplencsék A mikroszkóplencsék különleges kis tárgyak mérésére használatosak, megjelenítési képességeik az optikai mikroszkópokhoz hasonlóak. Hátrányai a nagy méretük, súlyuk és költségük mellett a minimális mélységélesség.

Külön felhívnánk a figyelmet a nagy látószögű lencsék gyakran teljesen téves alkalmazására! Ha például az volt a gondunk, hogy a geometriai felbontás korlátjának betartása mellett meghatározott maximális mérési távolságból a mérendő tárgy (pl. kapcsolószekrény) csak egy részét lehetett egy-egy hőképen rögzíteni, akkor a látómező megnövelése céljából beszerzett nagy-látószögű lencsének alkalmazása nemhogy NEM oldja meg a problémánkat, hanem még ront is a helyzetünkön. Ugyanis a mindkét irányban kétszeres látómezőt eredményező nagy látószögű lencse révén felére lerontott geometriai felbontás miatt a mérésünk már csak legfeljebb az eddigi távolság feléből végezhető el. A mérésünk látómezeje ennek folyamán tehát valójában mégsem nő meg (ugyanis pont ugyanakkora maradt), viszont a kép torzítása mellett a tárgyfelület megtekintési szöge - elsősorban a széle felé - eléggé ferde is lehet. Ez pedig további negatív hatással van a mérésünk pontosságára és kiértékelhetőségére. (Megjegyzés: Leginkább csak az épületek beltéri termográfiája esetén van igazi létjogosultsága a nagy látószögű objektíveknek. Más szakmákban való alkalmazásuk előtt gondosan kell átgondolni, hogy az elért nagyobb látómező mellett nem keletkezik-e más, akár nagyságrendekkel súlyosabb optikai ill. méréstechnikai hátrány.)

Mobil hőkamerák helyszíni kiértékelési funkciói

A termográfia - mint "képalkotó" érintésmentes hőmérséklet-mérési eljárás - során első lépésként a mérési adatok (sugárzásintenzitás digitalizált értéke mindegyik pixelről) gyűjtésére kerül sor. Ezek az értékek akár rögtön a mérés során (a hőkamerában) vagy a későbbi kiértékelés során megfelelően feldolgozandók, matematikailag korrigálandók (hőmérsékletre átszámolandók) és ezután megjelenítendők. A konkrét mérési feladattól függően igen különbözőek a hőképek kiértékelésére vonatkozó követelmények. Amíg egyes esetekben egy-egy képpont konkrét hőmérsékletének számszerű meghatározása elegendő, úgy máskor pedig az egész hőkép minden egyes pixelének emisszióértékének korrekciója vagy akár teljes képsorozatok felvétele és kiértékelése szükséges a kívánt hőmérséklet-összefüggések ill. folyamatok (például hőmérséklet-idő-diagram formájában történő) kiértékeléséhez. Gyakran már a mérés közben (akár valós időben) szükséges az adatok kiértékelése és hőmérséklet­értékként "feldolgozott" megjelenítése. Az ún. élő kiértékelés gyakorlatilag a hőkamerákban lévő kezelői szoftver részét ill. „beépített“ bővítését jelenti, így kezelése is beintegrálódik a hőkamera üzemeltetésének folyamatába. A következő táblázat felsorolja a modern (professzionális) hőkamerákba beépített / beépíthető "automatikus" segédfunkciókat és valós idejű kiértékelési lehetőségeket (teljesség igénye nélkül):

Funkció	Magyarázat
Autófókusz	a hőkép fókuszálása a legmeredekebb hőmérséklet-gradiens alapján
Automatikus méréshatár	mérés- (kalibrálási) tartomány beállítása az aktuális mérés szerint
Automatikus hőkép-skálázás	megjelenítés-skálázás az aktuálisan mért min/max értékek alapján
Hőmérséklet-színskála	több választható szín- és/vagy szürke-skála értékfeltüntetéssel
Képpont-hőmérséklet kijelzése	a hőkép középső pixelének hőmérsékletének élő kijelzése
Kurzoros hőmérséklet-kijelzés	egy vagy több mozgatható kurzor hőmérsékletének élő kijelzése
Min/Max hőmérséklet-kijelzés	a leghidegebb / legmelegebb pixel helyének és értékének kijelzése
Többfelületes hőmérséklet-kijelzés	definiálható felületek átlag-, csúcs-, vagy minimumérték kijelzése
Izotermák kijelzése	definiált hőmérséklet-tartományú pixelek egyszínű kiemelése
Különbségképző képmegjelenítés	hőmérséklet-eltérések ábrázolása referencia-hőképhez képest
Hőképátlagolás	több hőkép átlagának képzése (zajelnyomás, érzékenységnövelés)
Hőmérséklet-riasztás	vizuális / akusztikus riasztás minimum ill. maximum túllépése esetén
Automatikus tárolás	hőmérséklet-érték függően triggerelt automatikus mérés-tárolás
Kompozit képmegjelenítés	vizuális kép (fénykép) és hőkép  folyamatos (élő) egymásra vetítése
Hőképsorozat tárolása	hőképadat sorozat-tárolása a hőkamerában (PC csatlakozás nélkül)
Digitális hangrögzítés	akusztikai kommentár hozzáfűzése a tárolt hőkép-adatokhoz
GPS-adatok kezelése	földi és légi járműves hőképfelvételek térképészeti hozzárendelése
Távvezérelhetőség	hőkamera-funkciók távvezérelhetősége (kábellel vagy kábel-nélkül)

Minél több ilyen funkciót találunk a hőkameránkban, annál sokoldalúbb annak alkalmazhatósága és annál kényelmesebb és hatékonyabb a helyszíni munkavégzés. Az említett kiértékelési lehetőségekből kiemelnénk a mérések tárolásának hőmérséklet­függő indítását, mely gyakran ez igen sokat segít a nem előre látható időpontú termikus események rögzítésénél. Gyors folyamatok esetében pedig a hőképsorozat-rögzítési funkció jelenti a megoldás, kihasználva a termográfia utolérhetetlen előnyét: még akár másodpercek töredéke alatt lezajló termikus folyamatok rögzítésére is van mód. A hőkamerába beépített kompozit (egyes cégeknél "fúzió"-nak is elnevezett) képmegjelenítésnek köszönhetően pedig nem kell már a dokumentációhoz külön fényképeket készíteni és befűzni, ami igen számottevő időmegtakarítási lehetőség. Sőt, az így megvalósított hőkép és fénykép egymásra vetítésénél nem lehet jobban és könnyebben felismerhetően dokumentálni a tárgy hőmérséklet-összefüggéseit.

Rahne Eric okl. villamosmérnök (BME) rezgésdiagnosztikai szakértő termográfiai szakértő (Thermograph Level3) 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.