Θερμικές κάμερες Αρχές λειτουργίας

Θερμικές κάμερες Αρχές λειτουργίας Thermal camera principles

Θερμικές κάμερες Αρχές λειτουργίας ,Κάθε αντικείμενο με θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν σημείο (0 Kelvin = -273,15 ° C) εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία (IR). Το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να το αντιληφθεί αυτό, καθώς είναι λίγο πολύ τυφλό σε αυτό το μήκος κύματος. Δεν συμβαίνει το ίδιο και με την θερμική απεικόνιση. Το κεντρικό στοιχείο της, ο θερμικός ναιχνευτήςανιχνευτής, είναι ευαίσθητος στην υπεριώδη ακτινοβολία. Με βάση την ένταση της υπεριώδους ακτινοβολίας, καθορίζει τη θερμοκρασία της επιφάνειας του αντικειμένου και το καθιστά ορατό για το ανθρώπινο μάτι με θερμική εικόνα. Αυτή η διαδικασία αναφέρεται ως θερμογραφία.

Προκειμένου να γίνει ορατή η ακτινοβολία υπερύθρων, ο ανιχνευτής την καταγράφει, τη μετατρέπει σε ηλεκτρικό σήμα και δίνει σε κάθε σήμα ένα συγκεκριμένο χρώμα το οποίο στη συνέχεια εμφανίζεται στην οθόνη της θερμικής εικόνας. Ουσιαστικά, οι θερμικοί απεικονιστές μεταφράζουν έτσι τα μήκη κύματος από το υπέρυθρο φάσμα(που δεν είναι ορατό στο ανθρώπινο μάτι) σε μήκη κύματος που είναι ορατά σε αυτό (χρώματα).

Παρεμπιπτόντως, σε αντίθεση με μια σχετικά κοινή λανθασμένη αντίληψη, δεν μπορεί κανείς να κοιτάξει μέσα σε ένα αντικείμενο με θερμική απεικόνιση, μπορεί όμως να οπτικοποιήσει  τη θερμοκρασία της επιφάνειάς του.

Η ακτινοβολία που καταγράφεται από έναν θερμικό απεικονιστή αποτελείται από την εκπομπή(transmition), μετάδοση(emition) και ανάκλαση (reflection) της υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπεται από αντικείμενα στο περιβάλλον της θερμικής απεικόνισης

.
Εκπομπή, ανάκλαση και μετάδοση

Μετάδοση (t)
Η μετάδοση είναι η ικανότητα ενός υλικού να επιτρέπει την διάδοση της ακτινοβολίας IR . Ένα λεπτό πλαστικό φύλλο, για παράδειγμα, έχει πολύ υψηλή μεταδοτικότητα – που σημαίνει ότι εάν κάποιος θέλει να χρησιμοποιήσει μια θερμική απεικόνιση για να καταγράψει τη θερμοκρασία ενός λεπτού πλαστικού φύλλου που κρέμεται μπροστά από έναν τοίχο σπιτιού, κάποιος μετρά τη θερμοκρασία του τοίχου και όχι αυτό του φύλλου. Τα περισσότερα υλικά δεν επιτρέπουν την διαδοση υπέρυθρης ακτινοβολίας, έτσι ώστε ο βαθμός μεταδοτικότητας ενός υλικού να είναι κατά κανόνα σχεδόν 0, και έτσι μπορεί να αγνοηθεί.
Εκπομπή (ε)
Η εκπομπή είναι η ικανότητα ενός υλικού να εκπέμπει υπεριώδη ακτινοβολία. Αυτή η ικανότητα εκφράζεται στο επίπεδο εκπομπής. Εξαρτάται, μεταξύ άλλων, από το ίδιο το υλικό και την επιφανειακή του δομή. Ο ήλιος, για παράδειγμα, έχει εκπομπή 100%. Ωστόσο, αυτή η τιμή δεν εμφανίζεται διαφορετικά. Το σκυρόδεμα, από την άλλη πλευρά, είναι κοντά, με εκπομπή 93%. Αυτό σημαίνει ότι το 93% της υπεριώδους ακτινοβολίας εκπέμπεται από το ίδιο το σκυρόδεμα.
Αντανάκλαση (ρ)
Το άλλο 7% είναι ανακλάσεις από το περιβάλλον του υλικού / του αντικειμένου που κάποιος επιθυμεί να μετρήσει, δηλαδή τη θερμοκρασία που αντανακλάται από το αντικείμενο. Κάποιος μπορεί να εισαγάγει τον βαθμό εκπομπής και την ανακλώμενη θερμοκρασία σε έναν θερμικό απεικονιστή προκειμένου να αποκτήσει όσο το δυνατόν ακριβέστερη θερμική εικόνα.

Ρύθμιση της εκπομπής

Η διασφάλιση της σωστής ρύθμισης εκπομπής είναι ιδιαίτερα σημαντική όταν υπάρχουν μεγάλες διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ του αντικειμένου μέτρησης και του περιβάλλοντος μέτρησης.

Ρύθμιση της εκπομπής
Όταν η θερμοκρασία του αντικειμένου μέτρησης είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος:

Οι εκπομπές θέτουν πολύ υψηλό αποτέλεσμα σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες στη θερμική εικόνα.
Οι εκπομπές ρυθμίζουν πολύ χαμηλό αποτέλεσμα σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες στη θερμική εικόνα.

Όταν η θερμοκρασία του αντικειμένου μέτρησης είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος:

Οι εκπομπές θέτουν πολύ υψηλό αποτέλεσμα σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες στη θερμική εικόνα.
Οι εκπομπές ρυθμίζουν πολύ χαμηλό αποτέλεσμα σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες στη θερμική εικόνα.

Θερμικές κάμερες Αρχές λειτουργίας στην πράξη

Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας του αντικειμένου μέτρησης και της θερμοκρασίας περιβάλλοντος και οσο χαμηλότερα εκπέμπει το αντικείμενο  , τόσο μεγαλύτερα είναι τα σφάλματα μέτρησης. Αυτά τα σφάλματα αυξάνονται εάν η ρύθμιση εκπομπής είναι λανθασμένη.
Πολλά υλικά που είναι διαφανή για το ανθρώπινο μάτι, όπως το γυαλί, δεν είναι διαπερατά για υπέρυθρη ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος.
Μεταξύ των λίγων μεταδοτικών υλικών είναι, για παράδειγμα, λεπτά πλαστικά φύλλα και γερμανίου, το υλικό από το οποίο κατασκευάζονται οι φακοί και το προστατευτικό γυαλί μιας θερμικής απεικόνισης .
Εάν είναι απαραίτητο, αφαιρούμε οποιοδήποτε κάλυμμα πάνω από το αντικείμενο μέτρησης, διαφορετικά η θερμική απεικόνιση θα μετρήσει μόνο τη θερμοκρασία επιφάνειας του καλύμματος.

Εάν στοιχεία που βρίσκονται κάτω από την επιφάνεια επηρεάζουν την κατανομή θερμοκρασίας της επιφάνειας του αντικειμένου μέτρησης μέσω θερμικής αγωγής, μπορεί κανείς να αναγνωρίσει συχνά δομές από το εσωτερικό του αντικειμένου μέτρησης στη θερμική εικόνα. Ωστόσο, η θερμική απεικόνιση μετρά μόνο τη θερμοκρασία της επιφάνειας. Δεν είναι δυνατή η ακριβής δήλωση σχετικά με τις τιμές θερμοκρασίας των στοιχείων μέσα στο αντικείμενο μέτρησης.

Οπτικό πεδίο, μικρότερο αναγνωρίσιμο αντικείμενο και σημείο μέτρησης

Το οπτικό πεδίο (FOV) field of view
Το οπτικό πεδίο (FOV) περιγράφει την ορατή περιοχή με θερμική απεικόνιση. Εξαρτάται από τον φακό που χρησιμοποιείται. Οι ευρυγώνιοι φακοί είναι κατάλληλοι για μεγάλα οπτικά πεδία, τηλεφακοί για καλή χωρική ανάλυση. Όσο μεγαλύτερο είναι το οπτικό πεδίο, τόσο περισσότερο βλέπετε. Ειδικά όταν χρησιμοποιείτε τη θερμική απεικόνιση σε εσωτερικό χώρο, είναι χρήσιμο ένα ευρύ οπτικό πεδίο (> 30 °),

Το μικρότερο μετρήσιμο αντικείμενο / το σημείο μέτρησης spot (IFOVmeas)                                                                             Το μικρότερο μετρήσιμο αντικείμενο περιγράφει το μικρότερο αντικείμενο που όχι μόνο μπορεί να αναγνωριστεί, αλλά του οποίου η θερμοκρασία μπορεί επίσης να μετρηθεί με ακρίβεια.                                                                                                                    Σε χωρική ανάλυση του φακού 3,5 mrad και απόσταση μέτρησης 1 m, το μικρότερο αναγνωρίσιμο αντικείμενο έχει μήκος άκρου 3,5 mm και εμφανίζεται στην οθόνη του ως pixel.                                                                                                                              Για μια ακριβή μέτρηση, το αντικείμενο μέτρησης πρέπει να είναι 2 έως 3 φορές μεγαλύτερο από το μικρότερο αναγνωρίσιμο αντικείμενο. Κατά κανόνα, για το μικρότερο μετρήσιμο αντικείμενο (IFOVmeas): IFOVmeas ≈ 3 x IFOVgeo

Το μικρότερο αναγνωρίσιμο αντικείμενο (IFOVgeo)
Το μικρότερο αναγνωρίσιμο αντικείμενο είναι η μικρότερη διάσταση που μπορεί να αναγνωριστεί από ένα pixel. Ένα εικονοστοιχείο είναι ένα στοιχείο στον ανιχνευτή θερμικής εικόνας που καταγράφει την υπεριώδη ακτινοβολία και τη μετατρέπει σε ηλεκτρικά σήματα. Κάθε εικονοστοιχείο αντιστοιχεί σε μία τιμή μέτρησης.

Γενικές παρατηρήσεις  σχετικές με τα αντικείμενα μέτρησης
1. Υλικό και εκπομπή.
Μια θερμική απεικόνιση μετρά την υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα αντικείμενο. Η ποσότητα της υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπεται (από το ίδιο το αντικείμενο), εξαρτάται από την επιφάνεια του υλικού.Κάθε επιφάνεια υλικού έχει μια συγκεκριμένη εκπομπή.

2. Χρώμα
Το χρώμα της επιφάνειας δεν έχει σημαντική επίδραση στην υπέρυθρη ακτινοβολία μεγάλου κύματος που εκπέμπεται από το αντικείμενο μέτρησης. Ο κρίσιμος παράγοντας είναι η θερμοκρασία. Για παράδειγμα, ένα θερμαντικό σώματος βαμμένο μαύρο εκπέμπει ακριβώς την ίδια ποσότητα υπέρυθρης ακτινοβολίας μεγάλου κύματος με ένα καλοριφέρ που είναι εξίσου ζεστό και βαμμένο λευκό

3. Δομή επιφάνειας του αντικειμένου μέτρησης
Στη θερμογραφία, η δομή της επιφάνειας του αντικειμένου μέτρησης παίζει καθοριστικό ρόλο.Η εκπομπή της επιφάνειας ποικίλλει ανάλογα με τη δομή της επιφάνειας, ή την επικάλυψη.
Κατά κανόνα, η εκπομπή λείων, λαμπερών, ανακλαστικών και / ή γυαλισμένων επιφανειών είναι κάπως χαμηλότερη από εκείνη των ματ, δομημένων, τραχιών επιφανειών των ίδιων υλικών.

Σημείωση: Κατά τη μέτρηση λείων επιφανειών, δώστε ιδιαίτερη προσοχή στις πιθανές πηγές ακτινοβολίας στη γύρω περιοχή (π.χ. ήλιος, θέρμανση κ.λπ.). Το νερό, το χιόνι και ο παγετός έχουν σχετικά υψηλή εκπομπή (περίπου 0,85 <ε <0,96), γι ‘αυτό η μέτρηση αυτών των ουσιών γενικά δεν αποτελεί πρόβλημα. Ωστόσο, πρέπει να έχετε κατά νου ότι η θερμοκρασία του αντικειμένου μέτρησης μπορεί να παραμορφωθεί με φυσικές επενδύσεις αυτού του είδους. Επειδή η υγρασία ψύχει την επιφάνεια του αντικειμένου μέτρησης όταν εξατμίζεται και το χιόνι έχει καλές μονωτικές ιδιότητες.                                                            Συμπερασματικά αν είναι δυνατόν, αποφεύγουμε  τη μέτρηση σε βρεγμένες, χιονισμένες ή παγετές επιφάνειες.                           Οι ακαθαρσίες και τα ξένα σώματα όπως η σκόνη, η αιθάλη ή τα λιπαντικά στην επιφάνεια αυξάνουν συνήθως την εκπομπή της επιφάνειας. Για το λόγο αυτό, η μέτρηση βρώμικων αντικειμένων είναι γενικά μη προβληματική.                                            Ωστόσο, η θερμική απεικόνιση σας μετρά πάντα τη θερμοκρασία της επιφάνειας, δηλαδή τη βρωμιά και όχι την ακριβή θερμοκρασία της επιφάνειας του αντικειμένου μέτρησης από κάτω.

Μετρηση σε συνάρτηση με το περιβάλλον Thermal camera principles

.Η Θερμοκρασία περιβάλλοντος παίζει μεγάλο ρόλο ωστε να λάβουμε μετρήσεις με ακρίβεια
Θα πρέπει επίσης να λάβετε υπόψη τη ρύθμιση της ανακλώμενης θερμοκρασίας (RTC) καθώς και τη ρύθμιση εκπομπής (ε) έτσι ώστε ο θερμικός σας απεικονιστής να μπορεί να υπολογίσει σωστά τη θερμοκρασία της επιφάνειας.

Σε πολλές εφαρμογές μέτρησης, η ανακλώμενη θερμοκρασία αντιστοιχεί στη θερμοκρασία περιβάλλοντος.
Η διασφάλιση της σωστής ρύθμισης εκπομπής είναι σημαντική όταν υπάρχει μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του αντικειμένου μέτρησης και του περιβάλλοντος μέτρησης.
Πηγές ακτινοβολίας και παρεμβολών
Αντικείμενα με μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας από το αντικείμενο μέτρησης μπορούν να διαταράξουν τη μέτρηση υπέρυθρων ως αποτέλεσμα της δικής τους ακτινοβολίας. Πρέπει να αποφεύγουμε η να απενεργοποιούμε πηγές παρεμβολών αυτού του είδους όπου είναι δυνατόν..

Υγρασία αέρας
Εάν ο φακός (ή το προστατευτικό γυαλί) της θερμικής απεικόνισης έχει συμπύκνωση από υψηλή σχετική υγρασία, η υπέρυθρη ακτινοβολία δεν μπορεί να ληφθεί πλήρως. Λόγω του νερού, η ακτινοβολία δεν φτάνει εντελώς στον φακό της υπερύθρης εικόνας.  Βεβαιωθείτε ότι η σχετική υγρασία του αέρα στο περιβάλλον μέτρησης είναι χαμηλή. Αυτό σας επιτρέπει να αποφύγετε τη συμπύκνωση στον αέρα (ομίχλη), στο αντικείμενο μέτρησης, στο προστατευτικό γυαλί ή στο φακό της θερμικής εικόνας.      Ροη αέρα
Ως αποτέλεσμα της ανταλλαγής θερμότητας (μεταφοράς), ο αέρας κοντά στην επιφάνεια είναι η ίδια θερμοκρασία με το αντικείμενο μέτρησης. Εάν υπάρχει ρεύμα, αυτό το στρώμα αέρα «φουσκώνεται» και αντικαθίσταται από ένα νέο στρώμα αέρα που δεν έχει ακόμη προσαρμοστεί στη θερμοκρασία του αντικειμένου μέτρησης.                                                                           Ως αποτέλεσμα της μεταφοράς, η θερμότητα απομακρύνεται από το θερμό αντικείμενο μέτρησης ή απορροφάται από το ψυχρό αντικείμενο μέτρησης έως ότου οι θερμοκρασίες του αέρα και της επιφάνειας του αντικειμένου μέτρησης προσαρμοστούν μεταξύ τους.                                                                                                                                                                                                Αυτό το αποτέλεσμα της ανταλλαγής θερμότητας αυξάνει όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της επιφάνειας του αντικειμένου μέτρησης και της θερμοκρασίας περιβάλλοντος.

Ετσι καταλήγουμε στο οτI ο άνεμος ή ένα ρεύμα στο δωμάτιο μπορεί να επηρεάσει τη μέτρηση της θερμοκρασίας με τη θερμική απεικόνιση.
Το φως ή ο φωτισμός δεν έχουν σημαντική επίδραση στη μέτρηση με θερμική απεικόνιση. Μπορείτε επίσης να κάνετε μετρήσεις στο σκοτάδι, καθώς η θερμική απεικόνιση μετρά την υπέρυθρη ακτινοβολία μεγάλου κύματος. Ωστόσο, ορισμένες πηγές φωτός εκπέμπουν οι ίδιες την υπέρυθρη θερμική ακτινοβολία και μπορούν έτσι να επηρεάσουν τη θερμοκρασία των αντικειμένων που βρίσκονται κοντά τους. Επομένως,δεν μετράτε σε άμεσο ηλιακό φως ή κοντά σε μια λάμπα θερμού φωτός.
Οι πηγές κρύου φωτός, όπως οι λυχνίες LED ή οι λαμπτήρες νέον, είναι μη κρίσιμες: Μετατρέπουν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που χρησιμοποιείται σε ορατό φως και όχι σε υπέρυθρη ακτινοβολία.

Γιά θερμικές κάμερες επιλέξτε εδώ