Termovize v boji proti požárům 2. díl

V minulém díle jsme se zmínili o fyzikálních zákonech a základních principech, na jejichž základě funguje bezkontaktní měření teploty pomocí termovizních systémů. Tato část seriálu bude zaměřena na diskuzi o termovizních kamerách, jejich parametrech, využití a konstrukci.

Termovizní kamery (infračervené kamery nebo jen termokamery) jsou zobrazovací systémy, které podobně jako klasické kamery, zaznamenávají obraz. Zásadní rozdíl je ten, že zatímco klasické kamery zaznamenávají spektrum elektromagnetického záření v rozsahu vlnových délek cca 100nm až 750nm (tj. viditelné světlo), termokamery (alespoň ty „běžné“) zaznamenávají elektromagnetické spektrum v rozsahu vlnových délek 0.8μm až 14μm (část infračerveného záření).

Je sice pravda, že z Planckova a dalších zákonů vyplývá, že těleso vyzařuje na všech vlnových délkách, a že dopad elektromagnetického záření o libovolné vlnové délce způsobí jeho ohřev, termokamery (v drtivé většině případů) pracují v oblasti vlnových délek 0.8μm až 14μm, protože předměty s teplotou blízkou pokojovým teplotám (a ty u řady aplikací měříme nejčastěji) emitují nejvíce záření v pásmu cca 8 až 12 μm.

Blokové schéma termokamery

Schematická konstrukce termokamery je prakticky shodná s klasickou kamerou, pouze se (v některých případech značně) liší princip a konstrukce jednotlivých částí. Optika

Úkolem optiky je soustředit dopadající infračervené záření na detektor. Vedle toho optika zároveň funguje jako filtr a potlačuje elektromagnetické záření o vlnových délkách, které by mohly při dopadu na detektor způsobit nežádoucí interakci a tedy i chybu měření.

Detektor
Detektor (přesněji obrazový detektor infračerveného záření) převádí dopadající elektromagnetické záření na elektrickou veličinu (nejčastěji proud nebo napětí), která je dále digitalizována.

Zmíníme se zde krátce o principu detektorů. Protože je úkolem detektoru zaznamenat obraz, jedná se principiálně o 2D senzor. Jak naznačuje schematický obrázek (kde je 6×6 samostatných detektorů), je tento senzor tvořen množstvím malých buněk, z nichž každá odpovídá ve výsledném obrazu jednomu tzv. pixelu (tj. bodu o stejné barvě/teplotě).

Čím větší počet buněk detektor termokamery obsahuje, tím větší má kamera rozlišení a tím menší detaily je schopna zaznamenat. Je to stejné jako u fotoaparátů u nichž se snažíme (do jisté, fyzikálně únosné, meze) o co největší počet „Mpx“ (megapixelů), abychom dostali dostatečně jemné fotografie.

Na obrázku je mikroskopický snímek mikrobolometru firmy Sofradir. Jednotlivé čtverečky odpovídají samostatným senzorům ve 2D poli. Jedná se o příklad obrazového detektoru infračerveného záření, který pracuje na základě ohřevu mikrostruktury dopadajícími fotony infračerveného záření.

Obvod digitalizace Data z detektoru jsou v A/D (analogově/di­gitálním) převodníku digitalizována a v digitální podobě připravena pro záznam (například na SD kartu) nebo k zobrazení na display termokamery.

Základní parametry termokamery
U každého typu zařízení lze definovat základní parametry, podle nichž poznáme, zda je daný typ zařízení (pro jistý účel) pravděpodobně vhodnější než jiný typ. I u termokamer lze podobné parametry nalézt a i když pro některou z aplikací mohou být důležitější jiné, než zde neuvedené, pracujeme s těmito parametry při výběru termokamery prakticky vždy.

Rozlišení detektoru Rozlišení detektoru udává rozlišení výsledného termogramu (termovizního snímku). Technicky se jedná o počet jednotlivých bodů, do nichž je digitalizován obraz, který je termokamerou zabírán. Fyzicky odpovídá rozlišení detektoru počtu jednotlivých buněk obrazového infračerveného detektoru. Běžně se tento parametru pohybuje v hodnotách 60×60, 80×80, 120×120, 320×240, 640×480.

Rozlišení termovizních kamer je tedy řádově menší než rozlišení současných fotoaparátů a klasických kamer.

Teplotní citlivost
Teplotní citlivost určuje, jaké nejmenší rozdíly v teplotě budou termokamerou ještě zaznamenatelné. Běžně se tento parametru pohybuje v hodnotách 0.1 až 0.01 °C.

Přesnost Přes st udává, s jakým nejhorším rozdílem oproti skutečné teplotě daného předmětu musíme počítat, při měření danou termokamerou. Parametr platí v ideálních podmínkách a při dodržení správné metodiky měření. Běžně se tento parametr pohybuje v hodnotách 4°C až 1°C. I když se tato přesnost může zdát velmi malá (rozdíl v teplotě člověka 37°C a 41°C je velmi dramatický) je třeba si uvědomit, že skutečná nepřesnost bývá mnohem menší a že při měření termokamerou nás zajímají především rozdíly teploty. Tedy pro řadu aplikací je podstatnějším parametrem teplotní citlivost.

Teplotní rozsah
Udává rozsah teplot, v němž je daná termokamera schopna správně určit teplotu. Běžně se jedná o teploty v intervalu –20 až 1200 °C.

Rozsah vlnových délek
Parametr udává rozsah vlnových délek infračerveného záření, který je termovizní kamerou zaznamenáván za účelem určení povrchové teploty měřeného objektu. Běžně se tento parametr pohybuje v rozsahu vlnových délek: 0.8μm až 14μm.

Zorné pole
Zorné pole je část prostoru, které je termokamera schopna zachytit a ze kterého do ní přicházejí paprsky infračerveného záření.

Příklady termovizních kamer
Termokamera FLIR i7 pro inspekci elektrických rozvaděčů, elektrických zařízení, rozvodů tepla a budov. Rozlišení detektoru: 120×120, citlivost: 0.1 °C, přesnost: 2°C, teplotní rozsah: –20°C až 250°C.

Termokamera Flir T335 s podobným využitím jako termokamera FLIR i7, ale s výrazně lepšími parametry: rozlišení detektoru: 320×240, citlivost: 0.05 °C, přesnost: 2°C, teplotní rozsah: –20°C až 650°C.

Termokamera HS307 pro práci v terénu (hledání lidí, lokalizace drobných požárů, vidění přes kouř apod.). Parametry: rozlišení detektoru: 320×240, citlivost: 0.05 °C, přesnost:, teplotní rozsah: –20°C až 250°C.

Aplikacím termovizních kamer v oblasti boje a předcházení požárů se budeme věnovat v následujících dvou článcích.

Ing. Jan Sova, www.termogram.cz