Termisk kamera

Et termisk billedkamera (også kendt som termografi , termisk eller infrarødt kamera eller i militæret som en termisk billeddannelsesenhed , WBG) er en enhed, der ligner et konventionelt kamera , men som modtager infrarød stråling og - i modsætning til et pyrometer - IR-strålingen som et billede af objektet gengives. Sommetider bruges udtrykket FLIR om Forward Looking Infrared , som også er et brand.

Den infrarøde stråling er i bølgelængdeområdet fra ca. 0,7 µm til 1000 µm. På grund af de typiske emissionsbølgelængder i nærheden af ​​omgivelsestemperaturen bruger termiske billedkameraer imidlertid spektralområdet fra ca. 3,5 til 15 µm (medium og langbølget infrarød ). Dette område er også velegnet til måling og visualisering af temperaturer i omgivelsestemperaturområdet, hvis emissiviteten er kendt. Imidlertid , afhængigt af materiale, varierer mellem 0,012 og 0,98 - temperaturen opgave kan være tilsvarende upræcis.

Da den normale atmosfære i dette område stort set er gennemsigtig, forstyrrer den laterale bestråling af solen og kunstige lyskilder næppe, så længe afstanden kun er få meter. Ved større afstande kan luftens naturlige stråling forfalske resultatet.

teori

Termografi er en kontaktfri billeddannelsesproces, der gør synlig varmestråling (mid- infrarød ) fra en genstand eller krop, der er usynlig for det menneskelige øje . Med termografi registreres og vises temperaturfordelinger på overflader og genstande. Ud over den passive temperaturmåling kan aktiv bestråling med infrarøde emittere også finde sted. Metoder til materialetest er for eksempel baseret på dette.

Varmebilledapparatet evaluerer kun forskelle i den modtagne effekt , hvorfor genstande med meget forskellige emissionsfaktorer kan resultere i en stor målefejl (tilsyneladende temperaturforskel). Den antagne emissionsfaktor kan vælges på forhånd på hvert termisk billedkamera. Strålingsmålinger bør derfor ses med forsigtighed.

teknologi

Gråtonebillede
Falske farvede termiske billeder af en hund
Infrarød film af en sovende nyfødt baby

I princippet er kameraet struktureret som et normalt elektronisk kamera til synligt lys, men sensorerne adskiller sig i struktur og funktionalitet afhængigt af den bølgelængde, der skal detekteres. Det er ikke muligt at optage meget langbølget stråling med konventionelle film, fordi den lysfølsomme emulsion vil blive "udsat" for den iboende termiske stråling, selv når den er pakket.

Billeder, der genereres af infrarøde kameraer, er oprindeligt tilgængelige som intensitetsinformation. Termiske billedkameraer viser normalt disse i grå niveauer, almindelige kameramodeller er i stand til at løse op til 256 (8 bit) grå niveauer. Det er imidlertid ikke muligt for den menneskelige observatør at løse sådanne fine gråtoner; det er derfor nyttigt at producere falske farvebilleder , som næsten alle termiske kameraer er i stand til. Øjets komplette synlige farverum tilbyder mere differentiering end rene (grå) forskelle i lysstyrke. På billedet farvet på denne måde er “lysstyrken”, som indikerer en termisk anomali, repræsenteret af en ændring i den viste farve i stedet for ved forskellige gråtoner. Forskellige farvepaletter er normalt tilgængelige til farvning af gråværdibillederne. Ofte bliver den lyseste (varmeste) del af billedet hvid, de mellemliggende temperaturer vises i gule og røde toner, og de mørke (lige så koldere) dele af billedet vises i blå toner. I den militære applikation anvendes normalt ikke en falsk farvedisplay, da dette reducerer billedobjektets synlighed for den menneskelige observatør.

Den geometriske opløsning af kommercielle termografiske kameraer er betydeligt lavere end for kameraer i det synlige spektrale område. Det er typisk 160 × 120, 320 × 240 eller 384 × 288 billedpunkter ( pixels ). Detektorer med 640 × 480 pixels er også for nylig blevet brugt. Med mikroscanning kan kameraets opløsning forbedres op til 1280 × 960. Opløsningen bestemmer interaktionen med de indsatte linser eller synsfeltet ( synsfelt ) på kameraet, det mindste definerbare målested for termografisystemet. De første termiske billedkameraer er også tilgængelige i smartphones

optik

Et billede projiceres på en elektronisk billedsensor gennem en linse med linse (r).

Konventionelle kameraer fungerer passivt (dvs. uden deres egen lyskilde) i bølgelængdeområdet fra 8 til 14  µm og bruger optik lavet af germanium , som er gennemsigtig i dette interval, men omkring 100 gange dyrere end linser. Derudover er monokrystallinske halvledermaterialer, såsom silicium eller zinkselenid , også egnede, men fugtfølsomme salte, såsom natriumchlorid (bordsalt), sølvsalte eller chalcogenider er uegnede til praktiske anvendelser .

Transducermaterialer

Der er forskellige metoder, hvormed infrarøde billedsensorer fungerer.

Typer

Termografiske kameraer kan opdeles i to typer:

Afkølede infrarøde detektorer

Afkølede infrarøde detektorer arbejder på den interne fotoeffekt , dvs. de består af en række fotomodtagere. De detektorer er normalt anbragt i et vakuum forseglet hus og er kryogenisk afkøles. Detektorens arbejdstemperatur er typisk mellem 4  K og 110 K, hvor den sædvanlige værdi er omkring 80 K (lidt over nitrogenets kogepunkt). Dette betyder, at detektorerne normalt er meget koldere end de objekter, der skal observeres, hvilket væsentligt øger termografisystemets termiske følsomhed (temperaturopløsning) sammenlignet med ukølede systemer. En ulempe ved denne metode: Hvis detektorens afkøling mislykkes, er det termografiske system blint.

Yderligere ulemper ved afkølede systemer er de øgede erhvervelses- og driftsomkostninger samt de undertiden lange opstartstider, indtil systemet har afkølet detektoren ned til driftstemperatur. På den anden side er der den enestående billedkvalitet sammenlignet med ukølede systemer.

De infrarøde detektorer i afkølede systemer består normalt af specielle halvledermaterialer .

Detektorerne, der fungerer i henhold til den fotoelektriske effekt, afkøles til temperaturer i området 70 K, så kameraets og detektorens naturlige stråling ikke påvirker målingen. Tidligere blev flydende nitrogen eller kuldioxid ofte brugt til afkøling, moderne kameraer arbejder for det meste med Peltier-elementer , meget præcise modeller til videnskabelige anvendelser og mange enheder i militærsektoren bruger på den anden side Stirling-kølere .

Ikke-afkølede infrarøde detektorer

Ikke-afkølede termografiske kameraer bruger infrarøde sensorer, der holdes ved en konstant temperatur af termoelektriske kølere, Peltier-elementer , for at reducere signaldrift fra modtagerelementerne. De termostateres normalt tæt på omgivelsestemperaturen . Alle moderne ukølede systemer arbejder på princippet om ændringer i modstand , spænding eller strømstyrke, når detektoren opvarmes af den infrarøde stråling. Disse ændringer måles og sammenlignes med værdierne ved driftstemperatur. Dette bruges til at bestemme mængden af ​​absorberet stråling og - ved hjælp af en forudindstillet emissionsfaktor - beregnes en temperatur.

Ikke-afkølede detektorer bruger pyroelektriske eller mikrobolometriske arrays . De fås som kompakte moduler (såkaldte termiske billedsensorer). Disse kompakte modulers opløsninger spænder typisk fra 320 × 240 pixels til 1.024 × 768 pixels med måleafstande i området fra ca. 1 til 10 m. Billedaflæsningsfrekvenser går op til ca. 50 Hz. Ud over klassiske analoge billedsignaler ( PAL, NTSC), digitale grænseflader bruges også (USB, LAN, WLAN, Bluetooth) understøttet.

Fysiske grundlæggende

Detektorcellen i et mikrobolometerarray består af en strålingsfølsom disk kun få mikrometer tyk, som holdes over selve detektoren af ​​to buede kontakter (såkaldte mikrobroer). Skiverne er lavet af et materiale med en stærkt temperaturafhængig modstand (f.eks. Vanadiumoxid). Den indfaldende infrarøde stråling absorberes og fører til en stigning i temperaturen på disken, hvilket igen ændrer modstanden. Det målte spændingsfald udsendes som et målesignal.

Pyroelektriske sensorer leverer derimod kun en spænding med en meget høj kildeimpedans, når temperaturen ændres.

Både mikrobolometerarrays og pyrometriske sensorer kræver en mekanisk lukker eller i det mindste periodisk skygge af billedsensoren. Årsagen til pyrometriske sensorer er, at de kun kan reagere på temperaturændringer. I bolometerarrays bruges lukkeren til at opnå et mørkt billede, der trækkes fra det optagede billedpixel for pixel som en sensorspecifik reference (hver pixel har en individuel forskellig modstand).

Typiske anvendelsesområder

Bygningstermografi: uisoleret ydre væg
defekt kabelforbindelse til en kontaktor (et specielt relæ )

Udviklingen af ​​nye teknologier og det tilhørende fald i priserne på termografiske systemer har ført til spredning af denne teknologi. Forbedringen af ​​de anvendte linser og udviklingen af ​​professionel software til analyse og rapportering udvider løbende mulighederne for infrarød termografi.

Civil brug

En brandmand søger med et termisk billedkamera til hot spots
Mobilt termisk billedkamera

I den civile sektor anvendes overvejende ukølede infrarøde detektorer. Der er håndholdte enheder, der f.eks. Dækker temperaturområdet fra -20 ° C til 900 ° C og giver en temperaturopløsning på 0,025 K. Ofte kan der anvendes linser med forskellige åbningsvinkler ; billederne kan gemmes eller overføres til en pc .

Ansøgninger:

  • Byggeindustri / bygningstermografi: Test af varmeisolering , detektion af kuldebroer i huse , bygningsdiagnostik / energicertifikat og kontrol af flade tage, strukturanalyse af murværk, fugtdetektering i vægge og tage, forløb af gulvvarme og lokalisering af revner i rørledninger . Bygningernes lufttæthed og lækage af betinget gas fra containere kan også kontrolleres ved hjælp af termografisk undersøgelse .
  • Solceller : fejlfinding som f.eks B. Kontaktmodstand ved cellekontakterne eller i modulets forbindelsesbokse. Solmoduler, der er inaktive, viser en lidt højere temperatur end dem, der drives i MPP (Maximum Power Point). Dette giver dig mulighed - z. B. med en termografidron - find modulstrenge, der ikke er i drift.
  • Industri og fremstilling: Måling af fordelingen af ​​effekttab i elektroniske enheder (f.eks. Overophedning af halvlederelementer), test af elektriske systemer (f.eks. Overbelastede sikringer) og mekaniske systemer.
  • Brandvæsen : Opdage gløder efter brande, søge efter mennesker i røgfyldte bygninger eller omfattende områder i mørke. I dette område anvendes gråtonebilleder, der farver det hotteste punkt i rødt fra en bestemt temperatur.
  • Klimatologi : overfladetemperaturland eller have .
  • Arkæologi : Påvisning af underjordiske, skjulte strukturer på grund af forskellig termisk diffusivitet.
  • Grænsebeskyttelse : Stationære og mobile termiske billedkameraer til at opdage ulovlige grænseovergange af mennesker, farlige dyr og for nylig forladte lejre.
  • Humanmedicin : termiske billedkameraer til diagnostiske formål til at detektere lokale inflammationskilder, til masseundersøgelser af mennesker for feber (se EN 80601-2-59 ), til at undersøge blodcirkulationen og kredsløbssygdomme og til at opdage brystkræft .
  • Veterinærmedicin : blodcirkulation i hestens ben og bevis for doping i hestesport .
  • Infrarød fotografi: Kunstnerisk anvendelse i fotografi.
  • Trafik teknologi: Påvisning af mennesker og køretøjer i trafikken lysstyring (særlig fordelagtig i sammenligning med konventionel video og induktionssløjfen teknologi ved detektering cyklister)
  • Bil nattesyn assistent : Førerhjælpesystemer , f.eks systemet fra Autoliv installeret på BMW , der kan genkende mennesker og dyr bedre på grund af deres varmestråling end konventionelle kameraer i det nærinfrarøde, som kun kan trænge tåge bedre.
  • Ikke-destruktiv materialetest (NDT): Materialer og komponenter opvarmes målrettet, så skjulte defekter kan identificeres gennem forskellig termisk adfærd. NDT-metoder er puls-termografi, lock-in-termografi og termoelastisk stressanalyse. Særligt hurtige infrarøde kameraer med høj opløsning er nødvendige for at udføre disse metoder.
  • Sikkerhedsteknologi: I moderne perimeterbeskyttelse reducerer termiske billedkameraer antallet af krævede sensorkomponenter. Det høje kontrastniveau (varmeforskel mellem mennesker og miljøet) danner et pålideligt grundlag for videoanalyse til detektion.
  • Jagt: Dyrelivsobservation med permanent installerede, automatiske varmekameraer eller med håndholdte observationsenheder. Brugen af ​​riflescopes med indbygget termisk billeddannelsesteknologi til jagt reguleres forskelligt i forskellige lande.

Militær anvendelse

Model af en PARS 3 LR med en passiv IR-CCD-sensor i spidsen af ​​raketten til målretning

I den militære sektor anvendes termiske billeddannelsesapparater (WBG) til observation og rekognoscering i mørke eller i dårlig sigtbarhed. WBG i kamptank Leopard 2 er for eksempel baseret på en detektor af kviksølvcadmium tellur (engl.: Kviksølvcadmium tellurid MCT), som afkøles til ca. -190 ° C, hvilket kræver en ledetid på ca. 15 minutter. Skærmen er grøn-monokrom med en valgbar polaritet i sort eller hvid, så varmekilder ser særligt lyse eller mørke ud. Hvis der er tilstrækkelig temperaturforskel mellem individuelle objekter, kan en observeret del af terrænet genkendes meget godt.

Termiske billeddannelsesenheder har fordelen i forhold til nattesyn, at der hverken er resterende lys eller et infrarødt spotlight, som igen meget let kan detekteres og slukkes. Desuden kan genstande, der er optisk godt camoufleret i løbet af dagen, i mange tilfælde let genkendes på grund af varmesignaturen. At skjule varmekilder - især ved lave udetemperaturer - er kun muligt med en stor indsats.

Der er dog grænser for brugen af ​​WBG i kraftig regn , tåge eller sne .

Fordele, ulemper, grænser

Grænser for sensorteknologi

IR-strålingen, der registreres og måles af sensoren, består af flere komponenter, der ikke kan adskilles med kapaciteterne i de nuværende termiske billedkameraer ved at evaluere sensorbilledet alene:

  • Måleobjektets naturlige stråling påvirkes af to faktorer:
    • Overfladetemperaturen som årsag til strålingen, hvilket skaber en karakteristisk spektral fordeling (sort legemsstråling, Stefan-Boltzmanns lov ).
    • Den emissivitet af overfladen, hvilket forårsager reduceret stråling. Emissiviteten af ​​mange materialer ændres med bølgelængden. Små emissionsværdier, f.eks. Med polerede metaloverflader, øger målefejlene, hvis de antages forkert, og fordi eksternt lys har en stærkere indflydelse på målingen.
  • Den naturlige stråling af luftspalten
  • Korrekt fokus på målet
  • Eksternt lys (solstråling, dagslys, lamper af enhver art) kan nå sensoren på forskellige måder og påvirke målingen:
    • Stråling reflekteret fra overfladen , hvorved indflydelsen kan reduceres ved at måle i mørket
    • Stråling transmitteret gennem overfladen (f.eks. Visse briller, plast) overlejrer overfladens naturlige stråling

Indflydelsen af ​​det udvendige lys kan også afhænge af observationsvinklen til overfladen. Prøveskygge for små måleobjekter kan give information om indflydelsen af ​​fremmed lys.

Selve sensoren måler kun en lille del af det udsendte spektrum, så nogle af effekterne behøver ikke at være synlige i synligt lys:

  • En stærk infrarød kilde kunne gå ubemærket hen af ​​observatøren, men den kunne generere betydeligt fremmed lys i sensorens måleområde.
  • Overfladen, som er uigennemsigtig i synligt lys, er gennemsigtig eller gennemskinnelig inden for målebølgelængdeområdet ; Dette kan f.eks. Bruges til at måle et objekt i et hus lavet af polyethylen (PE), fordi PE stort set er gennemsigtigt i måleområdet for de termiske billedkameraer.

fordele

De største fordele er:

  • Temperaturfordelingen over et stort område kan overvåges på samme tid - en tidsfordel sammenlignet med punkt-for-punkt registrering med termometre.
  • I tekniske systemer kan punkter med øget temperatur detekteres, f.eks. B. opvarmning af slidte friktionspunkter.
  • Målingen udføres kontaktløs selv over lange afstande, for eksempel i højspændingssystemer eller med roterende komponenter.
  • Objekter med forskellige temperaturer dukker også op i et mørkt miljø (se også pitorgan ).

ulempe

Ulemperne er:

  • Høj enhedspris stiger kraftigt med sensorernes opløsning
  • Hvis emissionsfaktoren er ukendt, er billederne vanskelige at fortolke. Stoffer med forskellige emissionsgrader kan installeres på større overflader såsom eksterne facader, så temperaturforholdene i et billede ikke gengives korrekt.
  • Refleksioner forstyrrer nøjagtigheden
  • Bare metaloverflader og glas er vanskelige at måle; et klistermærke med en kendt emissivitet kan hjælpe her
  • Nøjagtigheden er normalt mindre end ± 2% og dermed betydeligt lavere end ved kontaktmåling med et termometer.
  • Du kan kun måle overfladetemperaturer, som også påvirkes af f.eks. Luftstrømme nær overfladen (vind).
  • Hvis overfladen udsættes for sollys eller har en fugtig overflade, falder målenøjagtigheden betydeligt (refleksion af fremmed lys).
  • Snefald eller regn reducerer luftens transmissionsfaktor, hvorfor temperaturen næppe knytter sig til overfladerne "bag".
  • Påvisningen af ​​hurtige bevægelser er begrænset af den ofte lave billedhastighed (<50 Hz). Dette kræver specielle højhastigheds termografisystemer med over 1000 billeder i sekundet.

litteratur

  • Werner Brügel: Fysik og teknologi til ultrarød stråling . Vincentz, Hannover 1961.
  • Helmut Israel: Måling og lokalisering med infrarød . Franzis, München 1988.
  • Thomas Zimmermann: Lærebog til infrarød termografi . Fraunhofer IRB, Stuttgart 2012.
  • Keller, Maass, Reichard, Witte: WBK træningsmanual til brandvæsenet . Köln 2012.
  • Dietrich Schneider: Introduktion til praktisk infrarød termografi. 2. korrigeret udgave, Shaker Verlag, Aachen 2019.

Weblinks

Commons : Termografi  - samling af billeder, videoer og lydfiler
Wiktionary: Termisk billedkamera  - forklaringer på betydninger, ordets oprindelse, synonymer, oversættelser

Individuelle beviser

  1. Tysk patent- og varemærkekontor, ord- / figurmærker nr. 003256567, 003256567 af FLIR Systems Inc, Wilsonville, USA
  2. Dr. André Schaller: Hård fyr med et varmt blik . I: c't . Ingen. 23/2020 . Heise-Verlag, 2020, ISSN  0724-8679 , s. 118-119 . , Rapport om Cat S62 Pro
  3. Ulrich Harten: Fysik . 7. udgave. Springer-Verlag GmbH, Tyskland 2017, ISBN 978-3-662-49753-1 , 5.3.3 Varmestråling, s. 161 ff .
  4. Jörg Böttcher: Compendium-målingsteknologi og sensorteknologi: egenskaber ved termiske billedsensorer. Hentet 19. september 2019 .
  5. L BB Lahiri, S. Bagavathiappan, T. Jayakumar, John Philip: Medicinske anvendelser af infrarød termografi: En gennemgang . I: Infrarød fysik og teknologi . bånd 55 , nr. 4 , 1. juli 2012, s. 221-235 , doi : 10.1016 / j.infrared.2012.03.007 .
  6. Hsin Wang, Dwight R. Wade Jr, Jack Kam: IR-billeddannelse af blodcirkulationen hos patienter med vaskulær sygdom . I: Proc. SPIE 5405, Thermosense XXVI . bånd 5405 . International Society for Optics and Photonics, 2004, s. 115-123 , doi : 10.1117 / 12.545899 .
  7. Hairong Qi, PT Kuruganti, Zhongqi Liu: Tidlig påvisning af brystkræft ved hjælp af kort med termisk tekstur . I: Proceedings IEEE International Symposium on Biomedical Imaging . 2002, s. 309-312 , doi : 10.1109 / ISBI.2002.1029255 .
  8. EY -K. Ng: En gennemgang af termografi som lovende ikke-invasiv detektionsmodalitet for brysttumor . I: International Journal of Thermal Sciences . bånd 48 , nr. 5 , 1. maj 2009, s. 849-859 , doi : 10.1016 / j.ijthermalsci.2008.06.015 .
  9. Mobilt termisk billedkamera til antidopingbrug. Badische Zeitung, 22. september 2008, adgang til den 13. september 2014 .
  10. Andreas Griesinger: Termisk styring inden for elektronik . Springer-Verlag GmbH, Tyskland 2019, ISBN 978-3-662-58681-5 , 17.5 termisk billedkamera, s. 287 ff .