A hőkamera 1-100 mikron közötti hosszúhullámú infravörös sugárzást méri. Minden 0 K-nál melegebb test infratartományban elektromágneses sugárzást bocsát ki, minél melegebb annál többet, melyet a hőkamera érzékel, és a feldolgozást követően saját színskálájának megfelelően különböző színnel ábrázol.
Tehát a hőkamera nem a hőmérsékletet, hanem az infra tartományú sugarakat (hősugárzást) érzékeli. Ezt nevezzük termográfiának.
A hőkamera működéséhez szükséges alap elemeit az alábbi ábra szemlélteti.
1. ábra A hőkamera működéséhez szükséges alapelemek
forrás: http://midra.uni-miskolc.hu/document/28371/24077.pdf
Szükség van megfelelő lencsére, ami képes egy külső tárgyról képet alkotni termikus hullámhossz tartományba eső sugárzás segítségével. Majd a beérkező sugárzást a detektor digitális jellé alakítja, amit pedig a processzor videójellé konvertál. Végül pedig szükséges egy kijelző, ami megjelenti termikus képet.
Hődetektoros vidicon rendszer
„A termográfia történeti fejlődésében a hődetektoros vidicon csővel – azaz az infravörös fényre érzékeny vákuumcsővel – készült termográf berendezés nagyon korán megjelent. Ezek a berendezések infravörös fényre érzékeny célanyagokkal, mint például triglicin-szulfáttal készültek, hasonlóan az akkori idők televíziós felvevőcsöveihez. Miközben ezek a berendezések nem igényeltek semmilyen fizikai detektorhűtést, nem nyújtottak elégséges stabilitást a hőmérsékletmérés számára, többnyire csak megfigyelési célra szolgáltak. E technológia ma alig érdemel továbbfejlesztési figyelmet, mindemellett használják – például a lövészetben –, mivel nem foglal nagy teret és olcsó.” [forrás: http://www.termokamera.hu/ szakma_2011-03.htm]
Letapogató hőkamerák
A letapogató (szkennelő) kamerák egyelemű (pont-) detektort használnak az infravörös sugárzás átalakítására, és a mérendő tárgyat egy mechanikus tükör-, illetve lencserendszerrel érzékelik.
Előnyei:
Hátrányai:
Mátrixdetektoros (Focal Plane Array, FPA) hőkamerák
A mátrixdetektoros kamerákban a hőkép minden egyes pontját egy-egy érzékelő alakítja át. Ennek következtében jelentős mennyiségű valós idejű jelfeldolgozás szükséges a szenzorkülönbségek kompenzálásához. Azonban a kompenzálást követően sem érhető el a letapogató rendszerek képhomogenitása, viszont a legtöbb esetben az elért minőség már megfelelő. Az elfogadható képminőségnek, az egyszerűbb és kisebb kialakításnak (nincs szükség mechanikai kitérítőegységre), illetve az olcsóbb gyártási technológiának köszönhetően a mátrixdetektoros hőkamerák kiszorították a letapogató kamerákat a piacról.
2. ábra: Mátrixdetektoros hőkamerák (1 detektor, 2 objektív, 3 tárgy)
A mátrixdetektoros hőkamerák az érzékelők típusai szerint két csoportba sorolhatók. A termikus érzékelők működési elve, hogy az infrasugárzás, azaz egy elektromágneses hullám energiája hatására felmelegszenek, és ennek következtében valamely fizikai (villamos) paraméterük megváltozik. A másik típus a fotondetektorok, melyek a fotonok számával arányos villamos jelet adnak. A termikus érzékelőkkel ellentétben a megfelelő működéshez elengedhetetlen a hűtés, ugyanis a rendezetlen elektronmozgás gátolná a kihasználandó fizikai effektus létrejöttét.
Bolométer
A bolométer termikus típusú érzékelő, melynek az elektromos ellenállása változik az infravörös sugárzás hatására, így a kismértékű hőmérsékletkülönbség detektálására is alkalmas.
3. ábra: Amorf szilícium mikrobolométer egy pixel méretű érzékelője
forrás http://oktel.hu/szolgaltatas/kamerarendszer/hokamerak/
Három részből épül fel:
A szubsztrát tartalmaz egy integrált kiolvasó áramkört is, ami méri az ellenállás-változást, majd ezt a jelet átalakítja a képfeldolgozó áramkör számára. A légréses elválasztásra azért van szükség, mert a kiolvasó elektronika működés közben hőt termel, ami a szenzor érzékenységét jelentősen ronthatja.
A vanádium-oxid alapú mikrobolométer mellett 2000 környékén jelent meg a szériagyártású amorf szilícium alapú mikrobolométer is, amely bizonyos tekintetben kedvezőbb paraméterekkel rendelkezett. Az amorf szilícium összetételében nem figyelhetőek meg eltérések, ami pixel szinten rendkívül egységes kialakítást jelent. Kiszámíthatóbban viszonyul a hőmérsékletváltozásokhoz, ezért az érzékelő könnyebben beállítható. Energiafogyasztása alacsony, aminek elsősorban a hordozható hőkamera esetén van jelentősége. Nem elhanyagolható tény, hogy amorf szilíciumból magas érzékenységű szenzorokat lehet gyártani. Minden kamera esetében cél, hogy az általa alkotott kép minél inkább közelítsen az élőképhez. Jelenleg 25 frame/sec esetén lehetünk elégedettek. Hűtés nélküli hőkamera esetén ez nehezen valósítható meg, hiszen számos típus csak 8 frame/sec képfrissítésre képes. Amorf szilícium érzékelőkkel azonban könnyebb gyors képfrissítési sebességet elérni, hiszen a termikus időállandó legalább 30-40%-kal alacsonyabb, mint a VOx érzékelőké. Az amorf szilícium érzékelőjű mikrobolométer előállítási költsége ugyanakkor magasabb, mint a vanádium-oxid érzékelőt tartalmazóké. [forrás: http://oktel.hu/szolgaltatas/kamerarendszer/hokamerak]
Foton-detektorok (kvantumdetektorok)
A foton-detektorokat nagy stabilitás és pontosság, illetve nagy termikus érzékenység és felbontás jellemzi, ezen jó tulajdonságaik ellenére a hűtési igény miatt mégsem szorították ki a piacról a termikus érzékelőket. A hűtésre azért van szükség, hogy az alkotott képből érkező jel szintje alá csökkentse a termikusan indukált zajt, ezzel növelve a kamera érzékenységét. Folyékony nitrogén helyett a hűtést ma már miniatűr hűtőkompresszor vagy Peltier-hűtés biztosítja.
Stirling-hűtés
A Stirling-körfolyamat négy részből áll, egy izotermikus expanzióból, egy izochor hűtési folyamatból, egy izotermikus kompresszióból és egy izochor hőközlésből. Hűtés során a munkaközeg (Hélium gáz) az állandó térfogaton történő expanzió során lehűl, következő lépésben a lehűlt munkaközeg hőt von el a detektortól, így biztosítva a hűtését. Harmadik lépésben az állandó térfogaton történő komprimálás következtében a gáz felhevül, végül a környezet felé történő hőleadással lehűl. A zárt körfolyamat pedig újra és újra ismétlődik. A berendezés mozgó alkatrészeket (dugattyúk) tartalmaz, így korlátozott az élettartama, illetve a méreteiből kifolyólag nem alkalmazható kisméretű kamerákban.
Peltier-elemes hűtés
A hűtés alapja, az 1834-ben megfigyelt Peltier-hatás. Jean Peltier francia fizikus megfigyelte, hogy ha kétféle anyagból álló hőelektromos elemen át áramot vezetünk, az érintkezési helyek felmelegszenek vagy lehűlnek, aszerint, hogy az áram milyen irányban halad keresztül rajta.
Előnyei, hogy nem tartalmaz mozgó alkatrészt, így az élettartama kedvező, illetve csendes a működése. Hátrányai viszont, hogy jelentős az energiafogyasztása és kevésbé alacsony hőmérséklet érhető el vele.
4. ábra: Peltier-elem
forrás: http://minihuto.hu/page/Cikkek/cikk/Termoelektromos-mukodesi-elv
Hőkamerák csoportosítása az érzékelt hullámhossz alapján
Az infravörös sugárzás hullámhossza 760 nm-től az 1 mm-es spektrumig terjedhet. A hőkamerák a 7,5-14 µm-es valamint a 3-5 µm-es hullámhossz tartományban érzékelnek. Ez alapján megkülönböztetünk hosszúhullámú (LWIR), és közepes hullámhosszú (MWIR) hőkamerákat.
Mind a két típusú hőkamera rendelkezik előnyökkel és hátrányokkal, a kiválasztás attól függ, mire szeretnénk használni. Míg a közepes hullámhosszon működő hőkamera a jóval fagypont alatt lévő hideg testeket nem képes érzékelni, addig a hosszúhullámú hőkamera a meleg és hideg testeket egyaránt érzékeli. Azonban a közepes hullámhosszon működő hőkamera nagy előnye, hogy képes az üvegen keresztül történő megfigyelésre, hiszen az üveg 4 µm-ig engedi át az infrasugarakat. A lángok vagy az égési gázok a hosszúhullámú hőkamera számára átlátszóak, így azok hőmérséklete csak MWIR hőkamerákkal határozható meg. Az LWIR a szabadban, nagy távolságoknál történő mérésre igen alkalmas, mivel az atmoszféra többnyire tökéletesen átereszti a hosszúhullámú hősugárzást. Az atmoszféra elemei (vízpára, széndioxid, szénhidrogének, stb.) a rövidhullámú tartományt már néhány méteres távolságon túl képesek erősen befolyásolni (csillapítani).
Korlátok
Emissziós tényező
A hőképek értelmezéséhez fontos ismerni a hőkamera működését és a valóságban lejátszódó folyamatokat, a hősugárzás (radiáció) folyamatát.
A radiáció a hőenergia elektromágneses sugárzás révén történő terjedése, függ a hőt elnyelő (abszorbeáló) vagy kibocsátó (emittáló) test hőmérsékletétől, anyagi szerkezetétől, geometriájától. Minden test a saját hőmérsékletén sugároz, a sugárzás intenzitása arányos a test hőmérsékletével, viszont olyan hullámhossz tartományokon történik a sugárzás, mely az emberi szem számára nem érzékelhető. A hőkamera, mint optikai berendezés ezen a sugárzási hullámhossz tartományon működik, érzékeli a tárgyak által kibocsátott, a hőkamerába érkező sugárzást.
Egy testre beeső sugárzással három dolog történhet: áthalad a testen (transzmisszió), elnyelődik (abszorpció) a testben, vagy visszaverődik (refelexió) a test felületéről, vagy ezen folyamatok keveréke. Az előbbi tulajdonságok alapján különböző csoportok határozhatóak meg. Abszolút fekete testnek nevezzük, ha a testre érkező energia teljes egészében elnyelődik, abszolút fehér testnek, ha teljes egészében visszaverődik, és abszolút átbocsátó (átlátszó) testnek, ha áthalad rajta. Ezen szélsőséges állapotok között találhatóak az úgynevezett színes testek. Az energiamegmaradás értelmében az (1) egyenletnek teljesülnie kell.
a+t+r=1 (1)
Ahol,
a – abszorpciós tényező [-]
t – transzmissziós tényező [-]
r – reflexiós tényező [-]
Ezek a tényezők adják meg, hogy a beérkező sugárzás hányad része fog visszaverődni, elnyelődni, áthaladni. A Kirchhoff-féle sugárzási törvény szerint egy test azonos hullámhosszra vonatkozó abszorpciós és emissziós tényezője megegyezik:
a=ε (2)
A hőkamera által látható infrasugárzás az alábbiakból áll:
5. ábra: Hőkamera által látható infrasugárzás összetétele
forrás http://www.bruel.hu/diagnosztika_hokamerakkal
A legtöbb anyag nem transzmisszív a hosszúhullámú infra sugárzás tekintetében, tehát nem engedi át a sugarakat. Így az (1) képlet az alábbiak szerint módosul:
ε+r=1 (3)
A termográfia szempontjából ez azt jelenti, hogy minél alacsonyabb az emisszió, annál magasabb a visszavert infrasugárzás mértéke, annál nehezebb pontos hőmérsékletmérést végezni, mert a környezeti hőmérséklet kerül előtérbe a vizsgált tárgy sugárzásával szemben, ez főként a nagy hőmérséklet-különbség esetén jelentős. A mai kamerák többségében már van lehetőség az emissziós tényező manuális beállítására, így kiküszöbölhető ez a probléma, azonban ehhez szükség van az ε minél pontosabb ismeretére.
Befolyásoló tényezők
A mérés kimenetelét sok egyéb tényező is befolyásolja, mely a mérést megelőző pontos beállításokkal javarészt kiküszöbölhetők, így a mérés végeredménye a valóságnak fog megfelelni. A mérés előtt be kell állítani a mérendő anyag felületének fajtáját (fa, fém, műanyag, különböző falfelületek, stb.), a mért felület kialakítását (sima, tükröződő, porózus, stb.), illetve a mérési körülményeit (napsugárzás, ködös idő, por, stb.).
A mérés pontosságát erősen befolyásolja a mérendő felület infravörös sugárzást visszaverő képessége. Mindig figyelembe kell venni, a mérendő test vagy felület környezetében található infravörös sugárzást kibocsátó test által kibocsátott, a mérendő felületről a kamerába visszaverődő sugárzás mértékét.
Az alábbi ábra jól szemlélteti a környezeti sugárzás (mérő személy keze) visszaverődésének hatását.
 | |
6. ábra: Környezeti sugárzás visszaverődésének hatása
Geometria
Hőkamerás felvétel készítésekor a hőkamerát merőlegesen irányítjuk a felületre, így a felületről merőleges, felületnormális irányban kiinduló sugárzást látja a kamera. Mivel egy domború felület jobban szór, emiatt a hőkamerába kevesebb foton érkezik, kisebb intenzitást lát, ezáltal a felületet hidegebbnek érzékeli. Míg egy homorú felületet, amely koncentrálja a sugárzást, melegebbnek lát a hőkamera. Valós példa erre a sarokrész, mely lehet domború és homorú is, ilyen esetben körültekintően kell eljárni a kiértékelés során.
Hőtehetetlenség
A hőképek értékelésénél fontos az anyag hőtehetetlensége. Különböző anyagok, különböző hőkapacitásúak, emiatt egyes anyagok gyorsabban, egyes anyagok lassabban melegednek fel és hűlnek le. A gyakorlatban példa erre, amikor egy nyílászárót kinyitnak szellőztetés céljából, majd a hőkamerás vizsgálat előtt nem sokkal becsukják. Így a mérés során a nyílászáró környékén hőfolt figyelhető meg, mely az anyag hőtehetetlenségéből adódik. Ilyen esetekben körültekintően kell végezni a mérést és kiértékelést
Alkalmazások
A hőkamerák által készített felvételek az élet széles területén használhatók. Termikus képalkotás alkalmazható minden olyan esetben, ahol látni, mérni szeretnénk a hőmérséklet különbségeket. A hőmérséklet különbségek utalhatnak valamilyen műszaki meghibásodásra (pl.: zárlat), tervezési vagy kivitelezési pontatlanságra (pl.: nem megfelelő szigetelés) vagy esetleg szándékos Az alábbi területeken hatékony segítséget jelent a hőkamera a megfigyelésben.
A továbbiak során részletesebb bemutatásra kerül néhány alkalmazási terület.
Elektromos rendszerek vizsgálata
A termográfia, mint érintésmentes diagnosztika, kiválóan alkalmas villamos berendezések rendellenes működéseinek detektálására, csatlakozások és kötések felülvizsgálatára. Egy hőkép alapján következtetések vonhatók le az elektromos rendszer működésére, az alkatrészek elhasználódottsági fokára vonatkozóan, valamint egyszerűen és gyorsan megtalálhatók a kritikus túlmelegedések, elkerülve ezzel az esetleges tűzkárokat.
A háromfázisú rendszerek vizsgálata termográfia segítségével egyszerűen elvégezhető, a fázisok közötti kiegyensúlyozatlanság vagy túlterhelés, azonnal megmutatkozik a hőképen. A nem egyenletes terhelést probléma is okozhatja: csatlakozási hibák, feszültség aszimmetria vagy például a háromfázisú motor szigetelési hibája. Már kisebb feszültség aszimmetria is hibás működéshez vezethet, a kimeneti feszültség csökkenése, motorok vagy egyéb háromfázisú berendezések nyomatékának csökkenését vonják maguk után és ez előbb utóbb hibás működéshez vezethet. A nem egyenletes terhelés a biztosítékok tönkremenetelét is eredményezheti. A hibák megállapításakor az alkatrészek, csatlakozási pontok vizsgálatánál a kiugró hőmérsékleti értékekre kell figyelni és különböző terhelési viszonyok között vizsgálni a kritikus pontokat. Ideális esetben üzemi körülmények között, eltávolított burkolatok mellett, teljesen felmelegedett egyensúlyi állapotban érdemes a vizsgálatot végezni min. 40% terhelés mellett, mivel így valósíthatók meg leginkább az üzemi körülmények. Azonos terhelés mellett kb. azonos hőmérsékleti értékeket kell kapnunk, nem egyenletes terhelés esetén pedig általában a leterhelt fázis(ok) magasabb hőmérsékletű(ek), viszont az aszimmetrikus működés, túlterhelés vagy a nem megfelelő csatlakozások is hőmérséklet-emelkedést vonnak maguk után. Nem működő vagy kisebb terhelésű fázis, alkatrész esetén pedig általában alacsonyabb hőmérséklet tapasztalható [forrás:http://www.muszeroldal.hu/news2/Teso2013 szept.pdf?type=INFOM12]
7. ábra: Elektromos rendszerek hőkamerás felvételei
Épület vizsgálatok
Az épületek feltérképezésében is fontos szerepet játszanak a hőkamerák. A hőkamerás felvételek segítségével roncsolás mentesen feltárhatók olyan problémák, amik szabad szemmel nem láthatók. Ilyen lehet többek között a gyenge vagy nem megfelelő szigetelés, huzat, fűtés és vízvezeték problémák, víz által okozott károk, szivárgás, páralecsapódás, penészesedés. Ezek a problémák csökkentik a komfortérzetet és növelhetik az épület üzemeltetési költségeit.
A hőkamerás vizsgálatok szakszerű elvégzésnek egyik feltétele, hogy a belső és külső hőmérséklet közötti különbség legalább 10 °C legyen.
A szigetelés hiányosságai eredhetnek a szigetelésnek az idő folyamán elszenvedett zsugorodásából, ami miatt a falban lévő hézagot nem tölti ki teljesen. Az infravörös kamera láthatóvá teszi a szigetelési anomáliákat, mivel ezek a területek eltérő hővezető képességgel rendelkeznek, ami hőmérséklet különbséget eredményez.
8. ábra: Nem megfelelően szigetelt tető
Főként a régebbi házakban tapasztalhatunk a falszerkezetben repedéseket, leggyakrabban a nyílászárók körül. Sok esetben jelentős energiamegtakarítás érhető el a levegő betörési pontok megszüntetésével is.
Az épületek felmérése során sok szemmel nem látható vagy az építészeti tervek alapján nem beazonosítható probléma feltárható hőkamerás vizsgálattal. Jó példa erre a gépészeti berendezések meghibásodása, a fűtési vagy hűtési rendszer esetleges szivárgásai vagy a vízszigetelés hiányosságából adódó beázások.
9. ábra: Fűtőcső szivárgása
A gépészeti rendszerek felmérésére nem csak a hibák felderítése miatt lehet szükség, erre jó példa a padlófűtés csöveinek elhelyezkedése lehet, melynek felmérése más módszerrel (roncsolásmentesen) nagyon nehéz feladat lenne.
10. ábra: Padlófűtés felmérése
Napelempark vizsgálatok
Az elmúlt időben a támogatásoknak, illetve a környezet tudatos gondolkozás terjedésének köszönhetően Magyarországon is egyre több napelempark létesül, melyek állapotfelmérése megkönnyíthető termográfiai képek készítésével. A hőképek segítségével bemutatható a napelemek felületén lévő szennyeződések hatásai.
11. ábra: Napelem felületén madárürülék hatása
A napelemekről készült hőkamerás felvételek segítségével könnyedén beazonosíthatók a panelek meghibásodott cellái, amik a meghibásodás hatására túlmelegszenek. Egy jó felbontású hőkamera segítségével már nagy távolságból is beazonosíthatók a hibás cellák.
12. ábra: Felmelegedett cella a modul sarkában
Ipari alkalmazások
A hőkamerákat széleskörűen alkalmazzák ipari berendezések roncsolásmentes vizsgálataihoz. A hőkamerás felvételek segítségével könnyen azonosíthatók az esetleges túlmelegedések, szigetelés hibák, csapágy hibák, melyek túlterhelésre, nem megfelelő üzemeltetésre vagy akár kezdetleges meghibásodásra is utalhatnak.
13. ábra: Forgódobos alumínium kemence hőkamerás vizsgálata
Az ipari berendezések felmérése mellett hőkamerás felvételekkel ellenőrizhetők a berendezésekhez tartozó elosztók (magas-, közép- és kisfeszültségű hálózatok), hő-elosztók, hő-távvezetékek, cső- és berendezésszigetelések is.
14. ábra: Csővezeték, szivattyú, villanymotor hűtőbordáinak vizsgálata
A hőkamerás felvételek a megelőző karbantartásokban is fontos szerepet játszhatnak, ugyanis nagy előnyük, hogy az ellenőrzés során a termelés leállása nélkül vizsgálhatók meg a berendezések.
Használható például nagynyomású gőzt szállít csővezetékek karbantartásakor is. Az általában 565 °C-os, 158 bar nyomású gőzt a második túlhevítő kazánból a turbinába 450 mm külső átmérőjű, 60–90 mm falvastagságú csöveken vezetik át. A hőmérsékleti gradiensek nagyon nagyok, különösen az induló szakaszon, ezért fennáll a hőfáradási repedések kialakulásának veszélye a furatban. A hőszigetelés alkalmazása nemcsak a hőhasznosítás hatékonyságát javítja, hanem csökkenti a gradiens nagyságát is. A különösen nagy gradiensek a hőkamerával azonosíthatók, és szükség esetén az adott helyeket más, alternatív technológiákkal is át lehet vizsgálni annak érdekében, hogy működés közben ne következzen be baleset. A helyi körülményeket is figyelembe kell venni: pl. a szénfűtésű erőművek környékén lerakódó finom por megváltoztatja a csőfelületek emisszivitását (hőkibocsátó képességét), és egyben szigetelőrétegként is szolgál. [forrás:http://www.omikk.bme.hu/ collections/mgi_fulltext/uzem/2006/02/0208.pdf16]
Orvostudomány
Ma már az orvosi vizsgálatok során is alkalmaznak hőkamerákat. A hőtérkép elkészítése segít kimutatni az egészséges szervezethez képest mutatkozó hiányokat és többleteket, alulműködéseket és túlműködéseket, szabályozási zavarokat. A vizsgálat során a bőrfelszíni hőeloszlásból a mélyebb rétegek hőmérsékleti viszonyaira lehet következtetni. Előnye, hogy nem veszélyes gyermekekre, kismamákra és korlátlanul megismételhető, így követhető és összehasonlítható a változás. Illetve nem jár fájdalommal, káros behatással vagy sugárzással.
Hőkamerával megállapítható a gyulladásos gócok helye, ismeretlen eredetű fájdalmak okára is fény derülhet (pl.: mozgásszervi fájdalom), nagyon korán kimutathatók az izmok, ízületek túlzott terhelésére, gyulladására utaló jelek. Termográfiai vizsgálattal akár az is megállapítható, hogy milyen eredetű a fájdalom (idegi, reumatológiai vagy más eredetű).
15. ábra: Emberi test hőtérképes vizsgálata
A termográfiai vizsgálatokat az állatgyógyászatban is előszeretettel alkalmazzák. Itt azonban limitáltak az alkalmazási lehetőségek, mivel az állatok jellemzően hőszigetelő réteget viselnek a bőrfelületük felett, ami korlátozza a hőkamerás vizsgálatokat. Állatgyógyászatban emiatt jellemzően nagytestű és rövidszőrű állatok termográfiai vizsgálata az elterjedtebb.
16. ábra: Ló jobb első lábának termográfiai vizsgálata
forrás: https://hokep.ibituba.hu/index.php?oldal=BC
Írta: Lengyel Gabriella és Horváth Áron, 2018. szeptember
Hőkamerás vizsgálatokhoz lépjen kapcsolatba velünk!
