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Wärmebildkameras – verstehen, wie sie funktionieren und Bolometer-Technologie

Wie eine normale Kamera nutzt eine Wärmebildkamera Infrarot-Wärmewellen, um auf ein Material (amorphes Silizium oder Vanadiumoxid) einzuwirken und dadurch seinen Widerstand zu verändern. Allerdings im Gegensatz zu einer normalen Kamera, die ein CMOS-Array verwendet, um Photonen zu erkennen, die den Fokussierungseffekt einer Linse durchlaufen haben. In diesem Punkt sogar eine preisgünstige Wärmebildkamera verwendet eine andere Konfiguration.

Der Bildsensor einer Wärmebildkamera wird Bolometer genannt.

Da Bolometer im Vergleich zu einer visuellen Kamera oft sehr große Pixel enthalten, kann die Auflösung einer Wärmebildkamera bis zu 640 x 480 betragen, was für eine visuelle Kamera eine relativ niedrige Auflösung ist. Es ist wichtig zu bedenken, dass bei thermischer Energie Wärme über verschiedene elektromagnetische Spektren transportiert wird, aber nur eines dieser Spektren – das Infrarotspektrum – für die thermische Bildgebung erfasst wird.

In diesem Spektrum verhält sich thermische Energie ähnlich wie sichtbare Lichtenergie, da sie große Entfernungen zurücklegen und mit einer Linse ohne Glas auf das Bolometer fokussiert werden kann. Darüber hinaus kann diese Infrarotstrahlung wie sichtbares Licht von Spiegeln reflektiert werden.

Das erste, was Sie bei der Verwendung einer Wärmebildkamera verstehen müssen, ist, dass Wärme eine starke Zeitabhängigkeit vom Bild hat. Im sichtbaren Spektrum ist Licht entweder vorhanden oder nicht vorhanden. In einer thermischen Umgebung wird die Temperatur eines Objekts ständig auf andere Objekte im Bild übertragen.

Zwei Bilder desselben Objekts, die in geringem Abstand aufgenommen wurden, haben den Effekt, dass sie eine wahrnehmbare Variation zeigen. Wenn Sie Ihre Hand einfach auf den Tisch legen und wieder von ihm nehmen, entsteht ein Handabdruck, dessen Abkühlung auf Raumtemperatur einige Sekunden dauern kann.

Daher ist bei einer Wärmebildkamera der Zeitpunkt der Aufnahme sowie die Kontrolle der Gesamttemperatur der Szene von entscheidender Bedeutung. Abhängig von der Dicke des heißversiegelten Materials kann die Temperatur zum Zeitpunkt des Heißsiegelns 180 °F (180 °F) betragen, zwei Sekunden später 150 °F (150 °F) und in nur 10 Sekunden nahe der Raumtemperatur, was die Anzahl der Sekunden zwischen den Heißsiegelungen kritisch macht Dichtungsvorgang und Inspektion.

Um wertvolle Informationen zu gewinnen, ist es notwendig, die Untersuchung eines Wärmebildes entsprechend dem thermischen Ereignis genau zu planen. Darüber hinaus kann der Inhalt des Beutels die Heißsiegeltemperatur schnell senken.

Wärmebildkameras im Hinblick auf Reflexionsvermögen und thermische Opazität

Wärmereflexion und Opazität sind das nächste Problem der Wärmetechnik. In Hollywood-Filmen wird einer Wärmebildkamera die Fähigkeit zugeschrieben, durch Barrieren zu sehen. Da transparentes Glas und die Oberfläche einer Pfütze thermisch undurchsichtig sind, kann eine Wärmebildkamera in der realen Welt nicht einmal durch sie hindurch messen.

Da das Wasser in der Luft außerdem eine Temperatur hat, die im Infrarotspektrum übertragen wird und die thermische Signatur hinter dem Wassermolekül verbirgt, können Wärmebildkameras in einer besonders feuchten Umgebung nicht effektiv funktionieren. Dampf oder Nebel liegen auf halbem Weg zwischen thermischer Transluzenz und Opazität, während normale trockene Luft thermisch transparent ist.

Dies erschwert die Wärmebildaufnahme in einer feuchten oder nassen Umgebung. Die Wärmesignatur von Objekten, die sich in seinem optischen Weg befinden, und nicht die Wärmesignatur des Metalls selbst, wird von einem glänzenden Metallstück reflektiert, das oft thermisch reflektierend ist. Unerwarteterweise ist dies der Grund, warum Folie im Ofen eine gute Leistung erbringt; Es teilt die thermische Umgebung in zwei Teile und ermöglicht nur die Konvektion/Leitung von Wärmeenergie, während es IR-Strahlung abweist.

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Daher sind Wärmebildtechnik und visuelle Bildtechnik sehr unterschiedlich, weisen jedoch einige Gemeinsamkeiten auf. Oberflächenreflexion, Wetter, Luftfeuchtigkeit und Auflösung sind Faktoren, die die Wärmebildgebung beeinflussen. Ein Ingenieur hat bereits viel zu tun, aber das ist noch nicht alles.

Bolometer

Welches Bolometer sollten Sie verwenden – ein günstigeres ungekühltes Bolometer oder ein teureres gekühltes Bolometer? Was ist der Unterschied ?

Ein gekühltes Bolometer erzeugt im Vergleich zu einem ungekühlten Bolometer ein äußerst rauschfreies Bild (aus der Dokumentation von Teledyne FLIR). Jedes Pixel Ihrer Daten enthält Rauschen, also eine zufällige Variation. Meiner Erfahrung nach beträgt das Rauschen eines typischen ungekühlten Bolometers normalerweise weniger als 5 Grad.

Ein ungekühltes Gerät ist sehr nützlich und funktioniert wahrscheinlich einwandfrei, wenn Sie Entscheidungen im Bereich von zehn Grad oder mehr treffen, was im Allgemeinen in der Mitte des Erfassungsbereichs der Sensoren liegt. Auch wenn sich Ihr Objekt schnell bewegt, ist ein gekühltes Bolometer die beste Option. Dargestellt ist ein Reifen, der sich mit 20 Meilen pro Stunde dreht, mit einem ungekühlten (links) und gekühlten (rechts) Bolometer (Teledyne FLIR-Literatur).

Das Rad scheint im linken Bild stationär zu sein, da die kurze Belichtung des gekühlten Bolometers es für das ungekühlte Bolometer schwierig macht, die Position der Felge zu erkennen.

Die Tatsache, dass für die Wärmebildaufnahme keine zusätzliche „Beleuchtung“ oder Strom erforderlich ist, ist ein Vorteil. Sie können Ihre Wärmebilder jedoch verbessern, indem Sie irgendwo im Bild eine Quelle für Schwarzkörperstrahlung einbauen. Da die thermische Signatur dieser Geräte so präzise und zuverlässig ist, können Sie die thermische Drift Ihres Sensors berücksichtigen, was entscheidend ist, wenn Sie mit einem gekühlten Bolometer eine Genauigkeit von einem Grad oder weniger erreichen möchten.

Bedenken Sie, dass das Bild nach der Aufnahme nur ein Graustufenbild ist, wobei wärmere Objekte weißer und kühlere Objekte dunkler erscheinen.

Abgesehen von der Möglichkeit, die Temperatur in Grad für jedes Pixel im Bild quantitativ zu berechnen, funktionieren alle Ihre Vision-Tools, einschließlich Formanpassung, Übergänge zwischen Hell und Dunkel und sogar Tropfenanalyse, genau wie in einem klassischen Vision-System. Aufgrund der insgesamt geringen Bildauflösung geht die Verarbeitung eines Wärmebildes meist recht schnell vonstatten.

Es ist vergleichbar mit einem 640480- oder 320240-Kamerabild, was bedeutet, dass ein guter Computer normalerweise bei der höchsten Bildrate der Kamera eine vollständige Reaktion auf jedes Bild erhalten kann. Wir haben herausgefunden, dass wir das System häufig reibungslos auslösen können, wenn wir eine Kamera im Free-Frame-Capture-Modus und ein Vision-System verwenden, um anhand des Vorhandenseins eines Hinweises zu bestimmen, welches Bild verwendet werden soll.

Dies löst nicht nur ein erhebliches Problem in der Lebensmittelindustrie, wo die Synchronisierung der Bilderfassung aufgrund der Anforderungen an Sauberkeit schwierig ist, sondern verbessert auch Systeme, die in gefährlichen Umgebungen eingesetzt werden. Darüber hinaus können Sie durch die Zeit reisen und die Wärmeverlusteigenschaften Ihres Materials direkt messen. Darüber hinaus kann die Thermoschock-Bildgebung Defekte im Material aufdecken, die mit anderen Methoden schwer zu erkennen sind.

Es gibt Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Standard-Vision-Kameras und Wärmebildkameras.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Wärmebildkamera einer Standard-Bildkamera sowohl ähnlich als auch anders ist. Durch das Verständnis dieser Unterschiede und die Nutzung der einzigartigen Fähigkeiten der Kamera und des Energiespektrums bei gleichzeitiger Abmilderung von Einschränkungen können Funktionen erreicht werden, die mit anderen, traditionelleren Methoden nicht einfach reproduziert werden können. Der Einsatz eines qualifizierten Systemintegrators, der über spezielle Erfahrung mit der thermischen Integration verfügt, kann Ihnen wirklich dabei helfen, die Vorteile der Wärmebildtechnik für Ihren Prozess zu nutzen, ohne selbst in die Fallstricke zu geraten.