Z JAK DUŻEJ ODLEGŁOŚCI MOŻNA MIERZYĆ? 

     Kluczowy jest stosunek odległości do wielkości plamki pomiarowej 

Jeśli niedawno została zakupiona kamera termowizyjna, możesz się zastanawiać, z jak dużej odległości można nią wykonywać pomiary. Enewntualnie chcesz kupić kamerę, ale nie masz pewności, która będzie dokładnie mierzyć cel i jednocześnie zmieści się w budżecie. Odpowiedź na pytanie „Z jak dużej odległości można mierzyć?” zależy od takich czynników, jak rozdzielczość, chwilowe pole widzenia (IFOV), obiektywy, wielkość obiektu i innych. 

Można to porównać do badania wzroku w gabinecie lekarskim. Gdy spojrzysz na tablicę do badania wzroku z krzesła w gabinecie, możesz być w stanie zobaczyć litery w najmniejszym wierszu – ale z jakiej maksymalnej odległości będzie można je odczytać (czyli „zmierzyć” je)? Jeśli masz doskonały wzrok (20/20), możesz odczytać najmniejsze litery z większej odległości. W takim przypadku wzrok 20/20 odpowiadałby kamerze termowizyjnej o wysokiej rozdzielczości. Jeśli Twój wzrok nie jest doskonały, możesz poprawić go okularami (czyli dodać szkło powiększające do kamery) lub podejść bliżej tablicy do badania wzroku (czyli zmniejszyć odległość od celu). 

Ważne jest zrozumienie, czym jest stosunek odległości do wielkości plamki pomiarowej. Stosunek odległości do średnicy plamki pomiarowej to wartość informująca o tym, jak daleko można być od celu o określonych wymiarach i nadal uzyskiwać dokładny pomiar temperatury. 

W miarę oddalania się od mierzonego obiektu tracona jest zdolność do dokładnego pomiaru temperatury

Aby zapewnić najdokładniejszy pomiar temperatury, na celu powinno być skupionych jak najwięcej pikseli detektora kamery. Zapewni to więcej szczegółów na obrazie termowizyjnym. W miarę oddalania się od mierzonego obiektu tracona jest zdolność do dokładnego pomiaru temperatury. Im większa rozdzielczość kamery (większa liczba pikseli w celu), tym bardziej prawdopodobne jest uzyskanie dokładnych wyników z większej odlegości. Zoom cyfrowy nie poprawia dokładności, więc wyższa rozdzielczość lub wąskie pole widzenia ma kluczowe znaczenie. 

Załóżmy, że chcesz uzyskać dokładny pomiar temperatury 20-milimetrowego celu znajdującego się w odległości 15 metrów od kamery termowizyjnej. Jak dowiedzieć się, czy dana kamera może to zrobić? Trzeba sprawdzić dane techniczne kamery – pole widzenia i rozdzielczość. Załóżmy, że rozdzielczość kamery wynosi 320 × 240, a obiektyw ma 24-stopniowe pole widzenia w poziomie. 

IFOV jest rzutem kątowym jednego piksela detektora na obrazie w podczerwieni. Powierzchnia, jaką może widzieć każdy piksel, zależy od odległości od celu dla danego obiektywu.

Najpierw trzeba obliczyć IFOV w miliradianach (mrad) z następującego wzoru: 

IFOV = (FOV/liczba pikseli*) × [(3,14/180)(1000)]

* Użyj liczby pikseli, która odpowiada polu widzenia Twojego obiektywu (w poziomie/ pionie) 

Jako że obiektyw ma 24 stopnie FOV w poziomie, należy podzielić 24 przez poziomą rozdzielczość kamery w pikselach – w tym przypadku 320. Następnie trzeba pomnożyć tę liczbę przez 17,44, co jest wynikiem (3,14/180) (1000) z powyższego równania. 

(24/320) × 17,44 = 1,308 mrad

Wiedząc, że IFOV wynosi 1,308 mrad, trzeba obliczyć IFOV w milimetrach z następującego równania:

IFOV (mm): (1,308/1000) × 15 000* mm = 19,62 mm

* Odległość od celu 

Co oznacza ta liczba? Stosunek odległości do średnicy plamki pomiarowej wynosi 19,62:15 000. Ta wartość jest mierzalną wielkością jednego piksela (1 × 1). Mówiąc w uproszczeniu, wynik informuje, że kamera może zmierzyć plamkę pomiarową 19,62 mm z odległości 15 metrów.  

Ten pomiar pojedynczego piksela nazywany jest „teoretycznym stosunkiem odległości do wielkości plamki pomiarowej ” (SSR). Niektórzy producenci podają teoretyczny stosunek odległości do średnicy plamki pomiarowej w danych technicznych produktów. Chociaż można to uznać za rzeczywisty stosunek odległości do średnicy plamki pomiarowej, jest to zwodnicze, ponieważ nie musi to być najbardziej dokładna wartość. Jest tak dlatego, że informuje tylko o temperaturze bardzo małego obszaru w obrębie pojedynczego piksela. Jak wspomniano wcześniej, w celu zapewnienia największej dokładności należy uzyskać jak najwięcej pikseli w celu. Jeden lub dwa piksele mogą wystarczyć, aby jakościowego ustalenia , że istnieje różnica temperatur, ale mogą nie wystarczyć do zapewnienia dokładnego odwzorowania średniej temperatury danego obszaru.  

W idealnej sytuacji odwzorowywany cel powinien pokrywać co najmniej jeden piksel.W celu zapewnienia dokładniejszych odczytów należy pokryć większy obszar, aby uwzględnić dyspersję optyczną rzutowania. 

Pomiar jednopikselowy może być niedokładny z różnych powodów:

• Kamery termowizyjne mogą mieć złe piksele.
• Obiekty odbijają światło – zadrapanie lub odbicie światła słonecznego mogłoby spowodować wynik fałszywie pozytywny oraz fałszywie wysoki odczyt.
• Obiekt gorący – na przykład łeb śruby – może być niemalże tej samej szerokości, co piksel, ale piksel jest kwadratowy, a łeb śruby sześciokątny.
• Żaden układ optyczny nie jest doskonały – zawsze występują jakieś zniekształcenia, które wpływają na pomiary. 

Ze względu na zjawisko zwane dyspersją optyczną promieniowanie z bardzo małej powierzchni nie zapewni jednemu elementowi detektora wystarczająco dużo energii, aby umożliwić uzyskanie poprawnej wartości. Należy upewnić się, że gorący obszar odczytu wartości punktowej ma co najmniej 3 × 3 piksele. Wystarczy pomnożyć teoretyczny stosunek odległości do wielkości plamki pomiarowej w milimetrach przez trzy, co pozwoli uzyskać stosunek plamki pomiarowej 3 × 3 piksele zamiast 1 × 1. Taka wartość będzie dokładniejsza.  

Po pomnożeniu IFOV w mm (19,62) przez 3 uzyskujemy 58,86 mm.

Oznacza to, że można zmierzyć obiekt o średnicy 58,86 milimetra z odległości 15 metrów. 

A teraz załóżmy, że chcemy zmierzyć obiekt o średnicy 20 milimetrów. Z jakiej maksymalnej odległości można dokładnie zmierzyć powierzchnię tej wielkości? Trzeba zastosować mnożenie krzyżowe: 

IFOV w mm: Odległość w mm

(15 m = 15 000 mm)

58,86:15 000

20 mm : x

15000*20 = 58,86*x

300 000/58,86 = x

x = 5096,8 mm, czyli około 5,1 m

Kamerą o rozdzielczości 320 × 240 pikseli można zmierzyć obiekt o średnicy 20 mm z odległości około 5 m od celu.

Ilustracja pola widzenia przy 2,6 mrad i 1,36 mrad. Udostępniona przez Infrared Training Center.

Inni producenci mogą nie używać tej wartości, gdy omawiają IFOV lub SSR, ale w praktyce zapewnia ona dokładniejszy odczyt temperatury anomalii. 

Stosunek odległości do średnicy plamki pomiarowej jest ważny, ponieważ pomaga zrozumieć, czy kamera termowizyjna jest w stanie dokładnie mierzyć temperaturę z wymaganej odległości. Jeśli chcesz mierzyć małe cele z dużej odległości, znajomość stosunku odległości do wielkości plamki pomiarowej czyli odległości dokładnego pomiaru ma kluczowe znaczenie. 

Jeśli planujesz badanie termograficzne, zastanów się, czy możesz podejść wystarczająco blisko celu, aby uzyskać dokładny odczyt. Dokładny znaczy tyle, co wystarczająco dobry dla prawidłowej interpretacji. Niekoniecznie nawet musi to oznaczać „w zakresie dokładności kamery”. Jeśli nie uwzględnisz stosunku odległości do średnicy plamki pomiarowej, możesz uzyskać odczyt odchylony o kilkadziesiąt, a nawet kilkaset stopni.

W ramach wielu projektów charytatywnych np. dla potrzebujących rodzin rumuńskich ArcelorMittal opracował rozwiązania oparte na konstrukcji domów ze stali. Domy muszą być proste, bezpieczne, przyzwoite, a przede wszystkim dobrze izolowane. To waśnie tam kamera termowizyjna FLIR odgrywa bardzo ważną rolę. Specjaliści w zakresie badań i rozwoju ArcelorMittal Liège wykorzystują kamery termowizyjne FLIR w celu optymalizacji tego rozwiązania mieszkaniowego.

Ponad 1,1 miliarda ludzi na całym świecie żyje w nieodpowiednich warunkach mieszkaniowych. Centrum Narodów Zjednoczonych dla Osiedli Ludzkich (UNCHS) szacuje, że istnieje potrzeba stworzenia 21 milionów nowych mieszkań każdego roku. Jedną z organizacji, która zajmuje się rozwiązaniem tego problemu jest Habitat for Humanity. Ich celem jest budowanie prostych, przyzwoitych i niedrogich domów na całym świecie. ArcelorMittal postanowił pomóc Habitat for Humanity w osiągnięciu tego celu poprzez zastosowanie rozwiązań opartych na konstrukcji ze stali dla potrzebujących rumuńskich rodzin.

ArcelorMittal jest największym na świecie producentem stali w ponad 60 krajach, działający we wszystkich głównych światowych rynkach stalowych - włączając rynek samochodowy, budowlany, artykułów gospodarstwa domowego oraz opakowań. Zajmuje wiodącą pozycję w dziedzinie badań i rozwoju oraz technologii, jak również posiada znaczne złoża surowców i sieć dystrybucji.

"Dobry Dom"

W trakcie trzech miesiący rozwoju powstał prototyp o nazwie "Casa Buna", co w języku rumuńskim oznacza "Dobry Dom". Ten prototyp składa się z dwupiętrowego domu dla czterech rodzin, który został łatwo skonstruowany przez niewykwalifikowanych lub pół-wykwalifikowanych wolontariuszy i ma żywotność co najmniej 20 lat. Model ten wykorzystuje uproszczoną metodę projektowania dla lekkich konstrukcji stalowych, który został opracowany przez ArcelorMittal Liège Research w Belgii.

Prototyp został zbudowany w zakładzie ArcelorMittal w Pantelimon, w Bukareszcie. Wykorzystuje on lekką konstrukcję ramową ze stali, stalowy system odprowadzania wody deszczowej i okładzinę elewacyjną stalową z pomalowanej części walcowanej.

Domy mają być przyjazne dla środowiska, gdyż wyniki konstrukcji stalowej mają bardziej trwałą strukturę, która jest bardziej trwała niż w innych modelach o podobnej cenie. Mogą być również łatwo zdemontowane, rozebrane i prawie wszystkie materiały można poddać recyklingowi. Domy te są odporne na trzęsienia ziemi i zgodne z europejskimi normami odporności na ogień.

Szczegółowea kontrola termograficzna

ArcelorMittal poszukuje także modelu, który będzie energooszczędny ze względów ekologicznych i ekonomicznych, ale również, musi zapewnić komfort biorąc pod uwagę fakt, że temperatura na zewnątrz w Rumunii może spaść do -20 °C. Prototyp musiał zostać dokładnie sprawdzony. To było zadanie Franciszka Lamberga, eksperta termografii w ArcelorMittal Liège Research.

 "Tu, w Centrum Badawczym w Liège używamy kamery termowizyjnej podczas budowy do prób izolacji, ale także dla testów ścinania w warunkach laboratoryjnych."

Kamerę termowizyjną Lamberg wykorzystywał do audytu energetycznego prototypu Casa Buna - była to kamera termowizyjna FLIR S65 .

"Używam tego aparatu regularnie i to naprawdę świetne narzędzie do audytów energetycznych. Urządzenie jest lekkie, kompaktowe, łatwe w użyciu i zapewnia dokładnie te dane, które są potrzebne do tego typu kontroli. "

Wiodąca w branży jakość obrazu i funkcje specjalne

Kamera termowizyjna FLIR S65 zawiera detektor mikro-bolometryczny, który wytwarza obrazy termiczne o rozdzielczości 320 x 240 pikseli. Obecnie FLIR Systems nie sprzedaje tego modelu aparatu. Został on zastąpiony przez kamerę termowizyjną FLIR B660 o rozdzielczości 640 x 480, o czułości poniżej 30 mK (0,03 ° C). Najlepsza termowizja oferuje nowoczesną technologię, czyli geo-odniesienie, komentarze, funkcja nagrywania głosu i obrazu termalnego w obrazie. To wszystko zawiera najlepsza kamera termowizyjna służąca do inspekcji budowlanych na rynku. Jednak audyty energetyczne wymagają więcej niż tylko dobrago aparatu do badań termograficznych.

"Potrzeba odpowiedniego szkolenia i dobrego oprogramowania. Bez odpowiedniego treningu można bardzo łatwo wyciągnąć fałszywe wnioski. Oprogramowanie ma również kluczowe znaczenie, ponieważ pozwala analizować dane termiczne w najdrobniejszych szczegółach. "

Wady izolacji

Dane termiczne zebrane przez Lamberga wykazały, że prototyp miał kilka początkowych wad konstrukcyjnych izolacji. Lamberg udowodnił, że w ramach okiennych oraz w wewnętrznych ścianach działowych wykonanie izolacji było niedoskonałe.

"Znaleźliśmy kilka mostków termicznych w trakcie kontroli. Mostek termiczny jest to obszar o mniejszej izolacji. Ciepło podąża drogą najmniejszego oporu. Często ciepło powoduje "zwarcie" przez element, który ma znacznie wyższą przewodność niż otaczający go materiał. Jest to tak zwany mostek termiczny ".

Na szczęście problemy z izolacją łatwo było rozwiązać.

"Po uwzględnieniu zmian została stworzona nowa wersja. Po powtórnej kontroli kamery termowizyjne wykazały, że nowy prototyp nie wykazywał żadnych mostków termicznych".

Lamberg jest bardzo zadowolony ze wsparcia FLIR. Jakość aparatu, obsługa posprzedażowa – ten cały pakiet oferuje właśnie FLIR.

"Kamera termowizyjna FLIR S65 jest nadal używana  przez Lamberga i doskonale się sprawdza. Ale jeśli Lamberg będzie potrzebował dodatkowej kamery termowizyjnej, jego wybór dostawcy aparatu będzie oczywisty. To będzie FLIR. "