Termocamere: capire come funzionano e tecnologia bolometrica

Come una normale fotocamera, una termocamera utilizza le onde termiche infrarosse per influenzare un materiale (silicio amorfo o ossido di vanadio), modificandone così la resistenza. Tuttavia, a differenza di una normale fotocamera, che utilizza un array CMOS per rilevare i fotoni che sono passati attraverso l’effetto di messa a fuoco di un obiettivo. Anche su questo punto una termocamera a basso budget utilizza una configurazione diversa.

L’imager di una termocamera è chiamato bolometro.

Poiché i bolometri spesso contengono pixel molto grandi rispetto a quelli di una telecamera visiva, la risoluzione di una telecamera termica può arrivare fino a 640 x 480, che è una risoluzione relativamente bassa per una telecamera visiva. È importante tenere presente che nell’energia termica, il calore viene trasportato su una varietà di spettri elettromagnetici, ma solo uno di questi spettri, lo spettro infrarosso, viene campionato per l’imaging termico.

In questo spettro l’energia termica si comporta in modo simile all’energia luminosa visibile, in quanto può percorrere grandi distanze e può essere focalizzata sul bolometro con una lente non di vetro. Inoltre, come la luce visibile, questa radiazione infrarossa può riflettersi sugli specchi.

La prima cosa che devi capire quando usi una termocamera è che il calore ha una forte dipendenza dal tempo dell’immagine. Nello spettro visibile la luce è presente o assente. In un ambiente termico, la temperatura di un oggetto viene costantemente trasmessa ad altri oggetti nell’immagine.

Due immagini dello stesso oggetto riprese a distanza ravvicinata hanno l’effetto di mostrare una variazione percettibile. Semplicemente posizionando la mano dentro e fuori dal tavolo si lascia un’impronta che potrebbe richiedere diversi secondi per raffreddarsi a temperatura ambiente.

Pertanto, con una termocamera, il momento dell’acquisizione è fondamentale, così come il controllo della temperatura complessiva della scena. A seconda dello spessore del materiale termosaldato, la temperatura può essere di 180°F al momento della termosaldatura, 150°F due secondi dopo e vicina alla temperatura ambiente in soli 10 secondi, rendendo critico il numero di secondi tra le termosaldature operazione di sigillatura e ispezione.

Per acquisire informazioni preziose è necessario programmare con precisione l’esame di un’immagine termica in base all’evento termico. Inoltre, il contenuto della busta può abbassare rapidamente la temperatura di termosaldatura.

Termocamere in termini di riflettività e opacità termica

La riflettività termica e l’opacità sono il prossimo problema di ingegneria termica. Nei film di Hollywood, una telecamera termica viene presentata come dotata della capacità di vedere attraverso le barriere. Poiché il vetro trasparente e la superficie di una pozzanghera sono termicamente opachi, una termocamera non può nemmeno misurare attraverso di essi nel mondo reale.

Inoltre, poiché l’acqua nell’aria ha una temperatura che si trasmette nello spettro infrarosso, nascondendo la firma termica dietro la molecola d’acqua, le termocamere non possono funzionare efficacemente in un ambiente particolarmente umido. Il vapore o la nebbia sono a metà strada tra la traslucenza e l’opacità termica, mentre l’aria secca ordinaria è termicamente trasparente.

Ciò rende difficile l’imaging termico in un ambiente umido o bagnato. La firma termica degli oggetti che si trovano nel suo percorso ottico, piuttosto che la firma termica del metallo stesso, viene riflessa da un pezzo di metallo lucido, che spesso riflette termicamente. Inaspettatamente, questo è il motivo per cui il foglio si comporta bene nel forno; divide l’ambiente termico in due, consentendo solo la convezione/conduzione dell’energia termica mentre respinge la radiazione IR.

Pertanto, l’imaging termico e l’imaging visivo sono molto diversi, ma presentano alcune somiglianze. La riflettività della superficie, le condizioni meteorologiche, l’umidità e la risoluzione sono tutti fattori che influenzano l’imaging termico. Un ingegnere ha già molto da fare, ma non è tutto.

Bolometri

Quale bolometro dovresti usare: un bolometro non raffreddato più economico o un bolometro raffreddato più costoso? Qual è la differenza ?

Un bolometro raffreddato produce un’immagine estremamente priva di rumore rispetto a un bolometro non raffreddato (dalla documentazione Teledyne FLIR). Ogni pixel dei tuoi dati contiene rumore, che è una variazione casuale. Nella mia esperienza, il rumore di un tipico bolometro non raffreddato è solitamente inferiore a 5 gradi.

Un dispositivo non raffreddato è molto utile e probabilmente funzionerà bene se prendi decisioni nella regione dei dieci gradi o più, che generalmente si trova al centro del raggio di rilevamento dei sensori. Inoltre, se l’oggetto si muove rapidamente, un bolometro raffreddato sarà l’opzione migliore. Viene mostrato un pneumatico che ruota a 20 mph con un bolometro non raffreddato (a sinistra) e raffreddato (a destra) (documentazione Teledyne FLIR).

La ruota sembra ferma nell’immagine a sinistra perché la breve esposizione del bolometro raffreddato rende difficile per il bolometro non raffreddato discernere la posizione del cerchione.

Il fatto che la termografia non richieda « illuminazione » o alimentazione aggiuntiva è un vantaggio, ma è possibile migliorare le fotografie termiche incorporando una fonte di radiazione del corpo nero in qualche punto dell’immagine. Poiché la firma termica di questi dispositivi è così precisa e affidabile, puoi tenere conto della deriva termica del tuo sensore, che è fondamentale quando si cerca di ottenere una precisione di un grado o meno utilizzando un bolometro raffreddato.

Ricordare che l’immagine è solo un’immagine in scala di grigi dopo l’acquisizione, con gli oggetti più caldi che appaiono più bianchi e gli oggetti più freddi più scuri.

Fatta eccezione per la capacità di calcolare quantitativamente la temperatura in gradi per qualsiasi pixel dell’immagine, tutti gli strumenti di visione, inclusa la corrispondenza delle forme, le transizioni tra luce e buio e persino l’analisi delle gocce, funzionano esattamente come in un classico sistema di visione. A causa della bassa risoluzione complessiva dell’immagine, l’elaborazione di un’immagine termica è solitamente piuttosto veloce.

È paragonabile al frame di una fotocamera 640480 o 320240, il che significa che un buon computer può solitamente ottenere una risposta completa a ciascun frame al frame rate più alto della fotocamera. Abbiamo scoperto che utilizzando una fotocamera in modalità di acquisizione di fotogrammi liberi e un sistema di visione per determinare quale immagine utilizzare in base alla presenza di un segnale, spesso possiamo attivare il sistema senza problemi.

Ciò non solo risolve un problema significativo nell’industria alimentare, dove la sincronizzazione dell’acquisizione delle immagini è difficile a causa dei requisiti di pulizia, ma migliora anche i sistemi utilizzati in ambienti pericolosi. Inoltre, ti permette di viaggiare nel tempo e misurare direttamente le caratteristiche di perdita termica del tuo materiale. Inoltre, l’imaging con shock termico può rivelare difetti nel materiale che sono difficili da vedere con altri mezzi.

Esistono somiglianze e differenze tra le telecamere di visione standard e le termocamere.

In sintesi, una telecamera termica è simile e allo stesso tempo diversa da una telecamera per visione standard. Comprendendo queste differenze e utilizzando le capacità uniche della fotocamera e dello spettro energetico, mitigando al contempo le limitazioni, è possibile ottenere funzionalità che non possono essere facilmente replicate utilizzando altri metodi più tradizionali. Rivolgersi a un integratore di sistemi qualificato, che abbia esperienza specifica con l’integrazione termica, può davvero aiutarti a realizzare i vantaggi della termografia per il tuo processo senza cadere nelle trappole dell’implementazione stessa.