Hűtött vs hűtés nélküli hőképalkotás

Hűtött vs hűtés nélküli hőképalkotás

Fedezze fel a különbséget! A tudósok, kutatók és kutató-fejlesztő szak­emberek régóta alkalmazzák széles körben a munkájuk során a hőkamerákat, beleértve az ipari K+F területeket, egyetemeket és kutatóintézményeket, a roncsolásmentes anyagvizsgálat részterületeit, illetve a hadi- és űripari célokat.

Azonban nem minden hőkamera tudása egyenlő és alkalmas bizonyos speciális területekre vagy rendelkezik nagy sebességű mozgás kimerevítő képességgel a pontos mérések érdekében.

A hűtött detektorral rendelkező hőkamerák éles hőképet adnak a gyorsan mozgó eseményekről is.

 

A tudományos és K-F célokra használatos hőkép alkotó kamerák hatékony és nem invazív eszközök. Egy hőkamera segítségével korán, már a tervezési ciklusban azonosíthatja, dokumentálhatja és javíthatja a problémákat, mielőtt komolyabbá és költségesebben javíthatóvá válnának.

 

HŐKÉP ALKOTÁS K+F KÖRNYEZETBEN

A hőkamerák hőmérsékleti sugárzást használnak, ami emberi szemmel nem érzékelhető, de vizuális képpé alakítható, amely képes ábrázolni a termikus változásokat egy tárgyon vagy pillanatban. Az elektromágneses spektrum egy részét lefedve, minden tárgy hőenergiát bocsát ki, aminek a hőmérséklete az abszolút nulla fok feletti, és a sugárzás mennyisége növekszik a hőmérséklettel.

A FLIR hőkamerákat használják hőmérséklet-eloszlás és valós idejű hőmérsékletváltozások rögzítésére és tárolására, lehetővé téve a mérnökök és kutatók számára, hogy láthassák és pontosan mérhessék a hőmintákat, hőveszteséget, hőszivárgást és más hőmérsékleti tényezőket a berendezések-ben, termékekben és folyamatokban. Néhány ezek közül a kamerák közül olyan finom hőmérsékleti különbségeket is meg tud különböztetni, mint 0.02°C. Jellemzőjük a legkorszerűbb detektor technológia és egy fejlett matematikai algoritmus a nagy teljesítményű és precíz mérésekhez -80°C-tól +3000°C-ig. A K+F infrakamera tartományok egyesítik a rendkívül magas minőségű képalkotási teljesítményt és a precíz hőmérséklet-méréseket egy hatékony eszköztárral, illetve egy elemző- és riportszoftverrel.

Ez a kombináció teszi őket ideálissá kutatási, hőmérséklet vizsgálati és termék ellenőrző alkalmazásra.

 

HŰTÖTT ÉS HŰTETLEN KAMERÁK

Sokféle választási lehetőség van, amikor hőkamera rendszereket szeretnének alkalmazni K-F/tudományos célokra. Gyakran kérdezik: “Hűtött vagy hűtetlen hőkamerát kellene-e inkább használnom, és melyik a költséghatékonyabb?”

Valóban, napjainkban kétféle típusa van a piacon elérhető hőkamera rendszereknek: hűtött és hűtetlen. Az összetevők ára nagyon különböző ennél a két típusnál, ezért rendkívül fontos eldönteni, melyiket válasszuk.

           

FLIR A6700sc - kompakt hűtött hőkamera                 FLIR T650sc hűtetlen kutatási kamera

 

HŰTÖTT HŐKÉPALKOTÓ KAMERÁK

A modern hűtött hőkamerák kriogén hűtővel integrált képalkotó szenzorral rendelkeznek.

Ez egy olyan eszköz, ami csökkenti a szenzor hőmérsékletét, kriogén hőmérsékletre. Ez a csökkenés a szenzor hőmérsékletben szükséges ahhoz, hogy a termikusan indukált zaj lecsökkenjen az alkotott képből érkező jel szintje alá. A kriogén hűtőknek vannak olyan mozgó kopóalkatrészei, amiket rendkívül szoros mechanikai tűréshatárokkal terveztek, valamint idővel a hélium gáz is kikezdi a gáztömítéseket.

A hűtött hőkamerák a legérzékenyebb típusok mind közül, és képesek érzékelni az objektumok közötti legkisebb hőmérséklet különbségeket. Ezekből képet lehet alkotni a spektrum középhullámú infravörös (MWIR) sávján és a hosszú hullámú infravörös (LWIR) sávján, ahol a hőkontraszt magas a feketetest fizika miatt. A hőkontraszt a céltárgy hőmérsékletében beállt változás megjelenése a jelben. Minél magasabb hőkontraszt, annál könnyebb felismerni a tárgyakat a háttérben, ami talán nem sokkal hidegebb vagy melegebb, mint a tárgy maga.

 

HŰTETLEN HŐKÉPALKOTÓ KAMERÁK

Egy hűtetlen infravörös kamerában a szenzor nem igényel kriogén hűtést. Az egyszerű szenzorkialakítás alapja a mikrobolométer, egy parányi vanadium-oxid ellenállás nagy hőmérsékleti együtthatóval egy szilícium elemen nagy kiterjedésű felszínnel, alacsony hőkapacitással és jó hőszigeteléssel. A kép hőmérsékletében történt változás változást okoz a bolométer hőmérsékletében, ami elektronikus jelekké konvertálódik és képként feldolgozható. A hűtetlen szenzorok a hosszúhullámú infravörös sávban (LWIR) való munkára lettek kifejlesztve, ahol a földi hőmérsékleti célpontok a legtöbb infravörös energiát bocsátják ki. A hűtetlen kamerák általában sokkal olcsóbban beszerezhetők, mint a hűtött infrakamerák. A szenzorokat kevesebb lépés során gyártják le, és nagyobb példányszámban, mint a hűtött szenzorokat, illetve kevesebb drága vákuumcsomagolással, és a hűtetlen kamerák nem igényelnek kriogén hűtőket, amik nagyon költséges eszközök. A hűtetlen kamerák kevesebb mozgó alkatrésszel rendelkeznek, és sokkal hosszabb élettartamúak, mint a hűtött kamerák hasonló munkafeltételek mellett.

1. Ábra:

Hűtött hőkamera képe egy forgó kerékről

Hűtetlen hőkamera képe egy forgó kerékről

 

HŰTÖTT KAMERÁK KUTATÁSI ÉS FEJLESZTÉSI ALKALMAZÁSRA

A hűtetlen kamerák előnyei válaszul szolgálnak a kérdésre: Mikor ajánlatosabb hűtött hőkamerákat kutatási és fejlesztési vagy tudományos célokra? A válasz: ez az alkalmazási követelményektől függ.

Ha szeretné látni a percenkénti hőmérséklet különbségeket, ha a legjobb kép minőségre van szüksége, ha gyorsan mozgó vagy melegedő célpontjai vannak, ha szeretné látni a hőprofilt vagy nagyon apró pontokon szeretne hőmérsékletet mérni, ha szeretné megjeleníteni a célpontokat az elektromágneses spektrum nagyon speciális részén, vagy ha szeretné szinkronizálni a hőkameráját más mérőeszközökkel, akkor a hűtött hőkamera a legjobb választás az Ön számára.

2. Ábra

Hűtött hőkamera képe egy áramköri lapról

Hűtetlen hőkamera képe egy áramköri lapról

GYORSASÁG

A hűtött kameráknak sokkal magasabb a képalkotási sebességük, mint a hűtetleneknek. A nagy sebességű hőképalkotás mikroszekundumnyi expozíciós időt tesz lehetővé, ami lelassítja a látszólagos mozgást dinamikus jelenetekké, és másodpercenként több mint 62.000 képkocka rögzítését teszi lehetővé. A lehetséges alkalmazási területek közé tartozik a sugárhajtású motorok turbinalapátjainak hő- és dinamikai elemzése, a járműiparban gumiabroncsok és légzsákok vizsgálata, szuperszonikus lövedékek és robbanások vizsgálata, csak hogy néhányat említsünk.

A hűtött kameráknak nagyon gyors a reakcióideje, és globális zárszerkezettel működnek. Ez azt jelenti, hogy egyszerre olvassák ki a pixeleket, nem pedig soronként, ahogyan a hűtetlen kamerák teszik. Ez lehetővé teszi a hűtött kamerák számára, hogy képeket rögzítsenek és méréseket végezzenek mozgó tárgyakról képelmosódás nélkül.

Az 1. Ábrán látható IR képek összehasonlítják a rögzített eredményeket a 20mph-val forgó keréken. A felső kép egy hűtött hőkamerával készült. Az egyikről azt hihetnénk, hogy nem forog, de ez a hűtött hőkamera nagyon gyors rögzítési sebességének eredménye, ami “leállította” a kerék mozgását. A hűtetlen hőkamera rögzítési sebessége egyszerűen túl lassú, hogy rögzítse a forgó kereket, ezáltal a küllők forgása szinte átlátszónak és homályosnak tűnik (lenti kép). Homályos képen nem lehet pontos hőmérést végezni.

 

TÉRBELI FELBONTÁS

A hűtött kamerák jellemzően nagyobb nagyításra képesek, mint a hűtetlen kamerák, mert a rövidebb hullámhosszt is érzékelik. Mivel a hűtött kamerák magasabb érzékenységi jellemzőkkel bírnak, a lencsék több optikai elemmel rendelkeznek vagy vastagabb elemek használhatók a jel-zaj arány romlása nélkül, nagyobb nagyítási teljesítményt tesz lehetővé.

A 2. Ábra hőképeinek összehasonlításával látható a legjobb közeli nagyításban, hogy mi érhető el egy hűtött és egy hűtetlen kamerarendszerrel. A baloldali kép egy 4× közeli objektív és 15μm-es pixel látóterű hűtött kamera kombinációjával 3.5μm pont mérettel készült.  A jobboldali kép pedig 1× közeli lencsével és 25μm pixel látóterű, hűtetlen szenzorral 25μm pont mérettel készült.

 

ÉRZÉKENYSÉG

Gyakran bonyolult teljesen kiértékelni a fejlett érzékenységű hűtött hőkamerák értékeit. Hogyan érezheti az 50mK érzékenységű hűtetlen hőkamera előnyeit a 20mK érzékenységű hűtött hőkamerával szemben? Hogy segítsünk illusztrálni az előnyöket, futtatunk egy gyors érzékenységi kísérletet (Lásd 3. Ábra).  Az összehasonlításhoz egy falra helyeztük a tenyerünket pár rövid másodperc erejéig, hogy egy termikus kézlenyomatot hozzunk létre. Az első két kép mutatja a tenyérlenyomatot közvetlenül a kéz elvételét követően.

A második két rögzített képen a termikus tenyérlenyomat helye látható két perc elteltét követően. A hűtött kamera még mindig látja a termikus tenyérlenyomat legnagyobb részét, míg a hűtetlen kamerák csak részleges maradványokat mutatnak a lenyomatból. A hűtött kamerák tisztán érzékelik a kisebb hőmérséklet különbségeket is, és tovább is, mint a hűtetlen kamerák. Ez azt jelenti, hogy a hűtött kamera részletesebb képet biztosít a célpontról, és segít detektálni a leghalványabb termikus anomáliákat is.

 

Hűtött hőkamera képe egy tenyérlenyomatról a falon – eredeti kép

Hűtetlen hőkamera képe egy tenyérlenyomatról a falon – eredeti kép

 

Hűtött hőkamera képe egy tenyérlenyomatról a falon – 2 perc elteltével

 

Hűtetlen hőkamera képe egy tenyérlenyomatról a falon – 2 perc elteltével

 

SPEKTRÁLIS SZŰRŐ

A hűtött hőkamerák egyik nagy előnye, hogy képesek könnyedén alkalmazni a spektrális szűrést, olyan részletek feltárása és mérések végzése érdekében, amelyek másképpen megvalósíthatatlanok lennének hűtetlen hőkamerákkal. A 4. Ábrán látható első példán egy spektrális szűrőt használtunk vagy egy szűrőtartóban is elhelyezhetjük a lencse mögött a dewar detektor-szerelvény elé beépítve annak érdekében, hogy a lángon keresztül is lásson. A felhasználó szeretné mérni és jellemezni az égés során a szén részecskéket a lángon belül. Egy “lángon átlátó” spektrális infravörös szűrő használatával, a hűtött kamerával leszűrjük arra a spektrális sávszélességre, ahol a láng áteresztő, így képesek leszünk megjeleníteni a szén részecskék égését. Az első kép a lángszűrő nélkül készült, így mindaz, amit láthatunk, a láng maga. A második láng szűrővel készült, így tisztán láthatjuk, a szén részecskék égését.

4. Ábra:

                               

Hűtött hőkép spektrális szűrő nélkül          Hűtött hőkép spektrális szűrővel

 

SZINKRONIZÁCIÓ

A pontos kamera szinkronizáció és triggerelés ideálissá teszi a kamerát a nagy sebességű, nagy érzékenységű alkalmazásokhoz. Pillanatfelvétel módban a FLIR A6750sc képes minden pixelt egyszerre regisztrálni egy termikus eseményből. Ez különösen akkor jelentős fontosságú, amikor gyorsan mozgó tárgyakat kell ellenőrizni, ahol a sztenderd hűtetlen infravörös hőkamera elmosódott képet alkotna.

Az 5. ábra képei jó példával szolgálnak. Leejtettünk egy érmét, és érzékelőt léptettünk működésbe a kamerában, hogy rögzítse a képet. Ugyanazon érme kétszeri leejtése ugyanabban az időben indította el a kamerát, illetve minden alkalommal ugyanabban a pozícióban láthattuk a tárgyat. Egy hűtetlen mikrobolométeres kamerával egyáltalán nem kapnánk el az érmét, mivel képtelenek volnánk beindítani az ilyen típusú érzékelőt, ha mégis volna olyan szerencsénk, akkor pedig sajnos homályos lenne a kép.

5. Ábra:

  

Egyazon érme kétszeri leejtésekor a kamera ugyanabban az időben mindig ugyanabban a pozícióban ad képet a tárgyról

 

FLIR HŐKAMERÁK

A nagyobb teljesítményű A6750sc, A8300sc, SC6000, SC7000, SC8000, X6000sc és X8000sc hűtött kamerák ultragyors, ultra érzékeny teljesítményt kínálnak az MWIR és LWIR spektrális sávban, míg a FLIR A6250sc a NIR spektrális sávban működik. Ezek a kamerák kiváló mérési képességekkel rendelkeznek az olyan kihívást jelentő beállítások esetén, mint például a gyors mozgással járó termikus események, széles hőmérséklettartomány, kis amplitúdójú jelenségek, multi-spektrális elemzések vagy nagyon kis tárgyak értékelése.

A FLIR természetesen hűtetlen hőkamerák széles skáláját is kínálja, a kezdő szintű próbakészlettől a nagyobb teljesítményű kamerarendszerekig, mint például a FLIR T650sc. A speciális lencsék és szoftverek alkalmazkodnak a konkrét alkalmazásokhoz. Ha segítségre van szüksége, hogy pontosan melyik hűtött vagy hűtetlen hőkamerára van szüksége, kérjük, vegye fel a kapcsolatot a FLIR hivatalos magyarországi disztribútorával.