Kamery termowizyjne i kamery internetowe - cechy wspólne

Zobaczyć miejscowy wzrost temperatury, a tym samym wrażliwe punkty w naszym otoczeniu, było zawsze bardzo fascynującym zadaniem w nowoczesnej technologii obrazowania termalnego. Bazując na coraz bardziej efektywnej technologii wytwarzania optycznych sensorów obrazów na podczerwień, rezultatem jest ogromna poprawa stosunku cena / wydajność tych kamer. Urządzenia te zmalały, stały się bardziej wytrzymałe i bardziej ekonomiczne w zużyciu energii. Od pewnego czasu dostępne są termograficzne systemy pomiarowe, które – podobnie jak kamery internetowe – są kontrolowane tylko przez port USB.

Kamery na podczerwień działają jak normalne kamery cyfrowe: posiadają obszar obserwacji, tzw. pole widzenia (FOV – field of view), które może standardowo wynosić od 6° dla teleskopów optycznych, a 48° dla optyki szerokokątnej. Najbardziej standardowa optyka pokazuje pole widzenia 23°. Im dalej obiekt się znajduje, tym większy będzie obserwowany obszar. Ale również część obrazu zwiększy się, co jest reprezentowane przez pojedynczy piksel. Ciekawe jest to, że gęstość promieniowania jest niezależna od dystansu, biorąc pod uwagę dostatecznie duży obszar pomiaru. W związku z tym, w szerokim zakresie na pomiary temperatury nie ma wpływu odległość od mierzonego obiektu.

Zależność pola pomiarowego (FOV) od odległości przy standardowej soczewce 23° x 17°

W środku widma podczerwieni, ciepło promieniowania może być skupione tylko soczewkami zrobionymi z germanu, stopów germanu, soli cynku lub z luster powierzchniowych. Te powlekane soczewki wciąż stanowią istotny składnik kosztowy urządzeń termalnych w porównaniu do zwykłych, produkowanych w dużych ilościach soczewek do światła widocznego. Są one projektowane jako sferyczne układy trzech soczewek lub asferyczne układy dwóch soczewek. Szczególnie dla kamer z wymienną optyką, każda soczewka musi być osobno kalibrowana dla każdego pojedynczego piksela, aby pomiary były poprawne.

W prawie wszystkich systemach termograficznych na świecie, sercem tych kamer jest detektor ogniskowej matrycy (FPA – focal plane area), zintegrowany czujnik obrazu z wielkościami od 20.000 do 1 miliona pikseli. Każdy piksel o rozmiarze od 17 x 17 µm² do 35 x 35 µm² jest wielkim mikro bolometrem. Te grube na 150 mm detektory termalne są podgrzewane przez promieniowanie cieplne w ciągu 10 ms do około piątej części różnicy temperatury pomiędzy temperaturami obiektu a chipa. Ta niezwykle wysoka czułość jest osiągana dzięki bardzo niskiej pojemności cieplnej w połączeniu z doskonałą izolacją do obwodu krzemowego. Absorpcja półprzezroczystego obszaru odbiornika jest poprawiana przez interferencję nadawanego i na powierzchni odczytywanego obwodu odbijanej fali świetlnej z następną falą świetlną.

Kamery USB IR można podłączyć do niemal każdego komputera z systemem Windows

Aby wykorzystać ten efekt interferencji własnej, obszar bolometra musi być ustawiony w odległości około 2 μm od odczytywanego obwodu. W celu ustrukturyzowania zastosowanego tlenku wanadu lub amorficznego materiału silikonowego należy zastosować specjalne techniki wytrawiania. Specyficzna wykrywalność opisanych detektorów ogniskowej matrycy osiąga wartości 10⁹ cm Hz ½ / W. Jest zatem o jedną wielkość lepsza niż inne detektory termiczne, które są używane na przykład w pirometrach. Ze swoistą temperaturą bolometru jego oporność się zmienia. Ta zmiana generuje elektryczny sygnał napięciowy. Szybkie konwertery 14 - bitowe A/D digitalizują wzmacniany i serializowany sygnał video. Cyfrowe przetwarzanie sygnału oblicza wartość temperatury dla każdego piksela. W czasie rzeczywistym generuje znane fałszywe obrazy kolorów. Kamery termowizyjne wymagają wykonywania kalibracji, w której występuje pewna liczba wartości czułości przydzielona do każdego piksela na innym chipie i czarny ciele temperatury. W celu zwiększenia dokładności pomiaru bolometru, detektory ogniskowej matrycy są często ustabilizowane na określonym chipie temperatur z wysoką dokładnością kontroli. Ze względu na produkowanie coraz bardziej wydajnych, mniejszych i w tym samym czasie tańszych laptopów, notebooków i tabletów PC, obecnie możliwe jest użycie ich:

• dużych wyświetlaczy do atrakcyjnych prezentacji obrazów termowizyjnych;

• zoptymalizowanych akumulatorów litowo jonowych jako źródła zasilania;

• mocy obliczeniowej do wyświetlania wysokiej wartości  sygnału czasu rzeczywistego;

• ogromnej pamięci do zapisywania praktycznie nieograniczonej liczby nagrań podczerwieni i

• sieci Ethernet, bluetooth, WLAN i interfejsów programowych do integracji systemów termowizyjnych z aplikacjami środowiska w którym działają.

Zestandaryzowany i ogólnie dostępny interfejs USB 2.0 zapewnia transmisje danych z prędkością:

• 30 Hz z rozdzielczością obrazu 320 x 340 pikseli oraz

• 120 Hz z wielkością obrazu 20.000 pikseli.

Wprowadzony w roku 2009 interfejs USB 3.0 jest jeszcze bardziej przystosowany do rozdzielczości obrazów termowizyjnych o częstotliwości do 100 Hz. Wykorzystanie idei kamery internetowej w obszarze termografii zapewnia zupełnie nowe funkcje produktu ze znaczącą poprawą stosunku ceny do wydajności. Kamera na podczerwień jest połączona interfejsem Hi-Speed USB 2.0 (480 Mbps) w czasie rzeczywistym z komputerem z system Windows, którym w tym samym czasie dostarcza potrzebnego zasilania.

W przeszłości, interfejs USB był uważany za interfejs czysto komunikacyjny, wykorzystywany w biurze. Ale w przeciwieństwie do interfejsu FireWire, jego bardzo szerokie użycie zapoczątkowało wiele zastosowań przemysłowych, a zatem zwiększoną użyteczność urządzeń korzystających kamery USB.

Te nowe produkty to:

• wytrzymałe do 200°C kable USB o długościach do 10 m, stosowane również jako nośniki kablowe;

• CAT5E (Ethernet) długie na 100 m przedłużacze kablowe ze wzmacniaczami sygnału;

• włókno optyczne do modemów USB o długości kabla światłowodowego do 10 km.

Zaawansowane koncepcje interfejsów umożliwiają integrację kamery termowizyjnej w sieciach i zautomatyzowanych systemach

Opierając się na wysokiej przepustowości magistrali USB, można połączyć do 6 kamer termowizyjnych o częstotliwości 120 Hz za pomocą standardowego huba poprzez 100 m kabel Ethernet do laptopa.

Wodoszczelne, odporne na wibracje i wstrząsy urządzenia termowizyjne posiadają stopień ochrony NEMA 4, a zatem również nadają się do wymagających zastosowań w kabinach testowych. Rozmiar 45 x 45 x 62 milimetrów sześciennych i waga 200 g znacznie zmniejszają energie potrzebną do chłodzenie obudów i powietrza.

Ze względu na dryft termiczny bolometrów i ich przetwarzania sygnału wizyjnego, wszystkie kamery pomiarowe na podczerwień dostępne na rynku wymagają korekty przesunięcia co kilka minut. Te korekty wykonywane są przez napędzany silnikiem ruch metalowej części z przodu czujnika obrazu. W ten sposób do każdego elementu obrazu odwołuje się ta sama temperatura. Podczas tych kalibracji offsetowych kamery termowizyjne są oczywiście ślepe. W celu zminimalizowania tego zakłócającego efektu, korekcja przesunięcia może być zainicjowania przez zewnętrzny trzpień kontrolny w odpowiednim momencie. Jednocześnie kamery są zaprojektowane tak, aby zminimalizować czas ich kalibracji. Jest to porównywalne z czasem trwania ruchu powieki i dlatego jest akceptowalne dla procesów pomiarowych. Podczas pracy przenośnika taśmowego muszą być wykrywane punkty krytyczne, szybko generowane „dobre” obrazy odniesienia mogą często być wykorzystywane jako dynamiczne obrazy różnicowe. W ten sposób możliwy jest tryb ciągły bez elementu poruszanego mechanicznie.

Dla kompensacji przesunięcia całe pole widzenia matrycy czujników podczerwieni jest przez krótki czas zamykane przez silnik liniowy

Zwłaszcza w zastosowaniach, w których stosuje się lasery 10,6 μm-CO2, sterowane zewnętrznie zamknięcie kanału optycznego jest korzystne w związku z niezależną sygnalizacją tego trybu „z własną ochroną”. W oparciu o dobry filtr blokujący wszystkie inne lasery pracujące w zakresie spektralnym między 800 nm a 2,6 μm, umożliwiają one pomiary temperatury podczas ich pracy.

Główne obszary zastosowania opisanego urządzenia do termicznego przetwarzania obrazu to:

• analiza dynamicznych procesów termicznych podczas[nbsp] rozwoju produktu i procesu

• stacjonarne zastosowanie do ciągłego monitorowania i sterowania procedurami ogrzewania i chłodzenia oraz

• okazjonalne wykorzystanie w konserwacji elektrycznej i mechanicznej oraz do wykrywania wycieków ciepła w budynkach.

W przypadku zastosowania w obszarze badawczo-rozwojowym bardzo przydatna jest możliwość nagrywania wideo o częstotliwości 120 Hz. Procesy termiczne wyświetlane przez krótki czas w polu widzenia kamery mogą być analizowane w zwolnionym tempie. Następnie z takiej sekwencji wideo mogą być generowane pojedyncze obrazy w pełnej rozdzielczości geometrycznej i termicznej. Ponadto wymienna optyka, a w tym akcesoria do mikroskopu oferuje wiele możliwości dostosowania aparatu do różnych zadań pomiarowych. O ile optyka 9° nadaje się raczej do monitorowania detali z większej odległości, do pomiaru obiektów o wymiarach 5,5 x 4,2 mm² przy rozdzielczości geometrycznej 35 x 35 μm² można użyć akcesoriów mikroskopu.

Do korzystania online z kamer USB IR korzystny jest optycznie izolowany interfejs procesowy. Informacje o temperaturze generowane z obrazu termicznego mogą być dostarczane jako sygnał napięciowy. Ponadto, emisyjność obszaru oraz kontaktowo lub bezdotykowo mierzona temperatura odniesienia może być transmitowana przez wejście napięciowe do systemu kamer. W celu dokumentacji dodatkowe wejście cyfrowe może inicjować migawki i sekwencje wideo. Te obrazy termiczne mogą być przechowywane automatycznie na serwerach centralnych. Dokumentowanie każdego pojedynczego elementu temperatury partii produkcyjnej, a zwłaszcza informacji o jednolitości może być monitorowane z różnych komputerów w sieci.

Oprogramowanie do analizy termicznej gwarantujące elastyczność

Nie występuje potrzeba instalacji jakiegokolwiek sterownika, ponieważ kamery USB IR używają sterowników z systemu Windows XP lub wyższego. Korekcja danych wideo w czasie rzeczywistym i korekta temperatury są wykonywane na komputerze PC. Imponująca jakość obrazu jest osiągnięta przez złożony algorytm renderowania oparty na oprogramowaniu, który oblicza tablice temperatury w formacie VGA. Oprogramowanie aplikacyjne charakteryzuje się wysoką elastycznością i przenośnością. Oprócz funkcji, które są standardowe dla oprogramowania termograficznego, istnieją zaawansowane funkcje, takie jak:

• mieszanie palety kolorów z izotermami,

• wiele funkcji eksportu danych i obrazów termalnych do wsparcia raportów i analiz offline,

• wyświetlacze linii poziomej i pionowej,

• nieograniczona liczba obszarów pomiarowych z osobnymi alarmami,

• wyświetlanie wideo różnicowego na podstawie obrazów referencyjnych,

• diagramy temperatury/czasu dla różnych obszarów zainteresowań.

Przykłady różnych możliwości analizy wideo w podczerwieni i analizy obrazu

Co więcej, oprogramowanie oferuje tryb układu, który zapamiętuje różne dostosowania wyświetlaczy. Zintegrowane oprogramowanie wideo umożliwia edycję radiometrycznych plików AVI. Takie pliki mogą być również analizowane przy użyciu wielu równolegle wykorzystywanych programów. Tryby nagrywania wideo umożliwiają także przerywane rejestrowanie wolnych procesów termicznych i ich szybkie wyświetlanie. Przesyłanie danych w czasie rzeczywistym do innych programów odbywa się przez kompleksową udokumentowaną bibliotekę DDL w ramach pakietu programistycznego. Za pomocą tego interfejsu DDL można sterować wszystkimi innymi funkcjami kamery. Alternatywnie, oprogramowanie może komunikować się z portem szeregowym. Korzystając z tego łącza danych, adaptery RS 422 można podłączyć bezpośrednio.

Przykłady zastosowania

W następnym rozdziale omówiono trzy typowe zastosowania. Reprezentują one przykłady z szerokiego zakresu wykorzystania kamer. Produkcja elementów z tworzyw sztucznych, takich jak butelki PET, wymaga określonego podgrzania, tzw. „przedformowania”, w celu zagwarantowania jednorodnej grubości materiału podczas formowania z rozdmuchiwaniem.

Testy są wykonywane tylko z kilkoma półfabrykatami o grubości 20 mm z pełna prędkością roboczą około 1m/s. Aby zmierzyć profil temperaturowy tzw. preformy, należy zarejestrować sekwencję wideo z częstotliwością 120 Hz, ponieważ moment może się różnić, gdy te puste pola znajdują się w polu widzenia. Kamera jest ustawiona w taki sposób, że podąża za ruchem materiału pod kątem ukośnym – podobnie jak w przypadku ostatniego wagonika poruszającego się pociągu. Wreszcie, sekwencja wideo w podczerwieni zapewnia właściwy profil temperatury, który jest ważny dla regulacji wszystkich parametrów ogrzewania.

Skanowanie liniowe na linii do hartowania szkła: po tym jak okulary budowlane były często przycinane do ich ostatecznego kształtu, musi być hartowana ich powierzchnia. Odbywa się to w piecach do hartowania szkła, w których przycięte szkła są podgrzewane do temperatury około 600°C. Po rozgrzaniu, ruchome rolki transportują materiał z pieca do sekcji chłodzącej. Tutaj powierzchnia jest szybko chłodzona z tą samą szybkością. W ten sposób wytwarzana jest krystaliczna, utwardzona struktura, co jest szczególnie ważne w przypadku okularów ochronnych. Ich ostateczna struktura, a zwłaszcza wytrzymałość szkła, zależy od jednolitego wzoru grzania i chłodzenia dla wszystkich częściowych obszarów szkła.

Ponieważ obudowa piekarnika i sekcja chłodzenia znajdują się blisko siebie, możliwe jest tylko monitorowanie szklanych powierzchni przez małą szczelinę. W rezultacie materiał na obrazie w podczerwieni jest wyświetlany tylko w kilku liniach. Oprogramowanie wyświetla szklana powierzchnie jako obraz wygenerowany z linii lub grup linii. Te linie są usuwane z każdych 8 ms zarejestrowanych obrazów termicznych. Kamera mierzy szczelinę w trybie diagonalnym, pozwalając, z optyką 48°, na ogólne pole widzenia 60°. Szkło posiada różną emisyjność w zależności od powłoki. Termometr na podczerwień mierzy dokładną temperaturę po niepowleczonej dolnej stronie przy tych powierzchniach o optymalnej długości fali 5 μm. W wyniku tego skorygowana emisyjność jest obliczana dla ogólnego obrazu pomiarowego. Na koniec, te obrazy pomiarowe umożliwiają dokładne dopasowanie wszystkich sekcji grzewczych w koniec, te obrazy pomiarowe umożliwiają dokładne dopasowanie wszystkich sekcji grzewczych w piecu, zapewniając dobrą jednorodność termiczną.

Pomiar obrazu termicznego na szklanej linii do hartowania za pomocą kamery IR i pirometru wzorcowego

Wnioski

Nowa technologia obrazowania w podczerwieni stanowi nowość pod względem elastyczności i ilości możliwych zastosowań. Oprócz zaawansowanej analizy temperatury po podłączeniu do tabletów, urządzenie może być również wykorzystywane do wykonywania prostych zadań konserwacyjnych. Z wyjątkiem głowic pomiarowych kamer USB IR, dwa znaczące inne elementy systemu termograficznego – oprogramowanie Windows i sprzęt komputerowy – można również zaktualizować później.

Źródło: materiały firmy Optris GmbH