Prvně je zapotřebí říct, že všechny věci na světě** vydávají nějaké záření, toto záření obecně označujeme elektromagnetické záření . Toto záření (chcete-li vlnění) má různou vlnovou délku a dělíme jej na různé díly, nejznámější jsou infračervené záření (760 nm - 1 mm), ultrafialové záření (400 nm - 1 nm), viditelné světlo (390 - 760 nm) a jiné, pro lepší pochopení stačí shlédnout obrázek č. 1. Elektromagnetické záření je také podrobněji rozebráno v článku zabývajícím se nočními viděními (ke shlédnutí zde). Termovize pozoruje objekty a sleduje jejich infračervené záření. Infračervené záření má rozsah od 760 nm do 1 mm různě teplé objekty vyzařují různé vlnové délky. Zjednodušeně řečeno stačí různým vlnovým délkám přiřadit různé barvy a ty poté zobrazit na displeji termovize a máme tzv termogram tedy obraz zobrazený termovizí. Úvodní velmi zjednodušenou definici termovize máme pojďme se na toto velmi sofistikované zařízení podívat hlouběji. Než si konkrétně popíšeme z čeho se termovize skládá a co znamenají její parametry je nezbytná trocha teorie. Možná se na první pohled může zdát, že této teorie je víc než dost, bohužel obor Termografika a Termodynamika jsou opravdu velmi rozsáhle obory a my si tak nastíníme pouze špičku ledovce.
Obrázek č. 1 - Elekromagnetické spektrum
Trocha historie
V roce 1800 objevil Sir William Herschel při výrobě dalekohledu existenci infračervené části elektromagnetického spektra. Při zkoušení různých barevných skel, která velmi podobně snižovala jas, bylo zjištěno, že některými skly prochází málo slunečního tepla a jinými naopak hodně. Když jsme již věděli o existenci infračerveného záření přišel na řadu druhý fyzik Max Planck (1900). Max Planck zjistil, že existuje souvislost mezi teplotou tělesa a intenzitou jím vyzařovaného infračerveného záření. Na základě těchto informací započal vývoj nástroje který by za pomocí těchto informací změřil nebo jinak zachytil teplotu pozorovaného tělesa.
Teploměr, bolometr (mikrobolometr), termočlánek.
Všechny součástky zmíněné v nadpisu této kapitoly byly vyvinuty na základě informací v předchozím odstavci a dali perfektní podklad pro vývoj termovize jak jí známe dnes. Leopoldo Nobili vymyslel první termočlánek v roce 1829. Termočlánek je zdroj elektrického proudu, používaný především jako čidlo teploty. Využívá principu termoelektrického jevu*.Skládá se ze dvou kovů zapojených do série se dvěma spoji (kov A – spoj AB – kov B – spoj BA – kov A). Mají-li spoje navzájem různou teplotu, vzniká na každém ze spojů odlišný elektrický potenciál, který je zdrojem proudu. Bolometr (1878 - Samuel Pierpont Langley) je zařízení pro měření výkonu dopadajícího elektromagnetického záření prostřednictvím ohřevu materiálu. Zhotovuje se jako vhodně tvarovaný tenký pásek z čistého kovu (platina) s vývody na galvanometr(měřící přístroj pro měření malých elektrických napětí a proudů).Pohlcováním dopadajícího záření se mění odpor bolometru, na základě čehož se vypočítá množství pohlcené energie. Bolometr je vhodný pro velmi přesné měření teploty. Moderní konstrukce mají namísto kovového pásku termistor. Bolometr v dnešním moderním provedení často nazývaný mikrobolometr (v sérii zapojené bolometry tvořící jeden celek) je právě samotné jádro celé termovizní kamery. Díky bolometru bylo možno v roce 1880 detekovat teplo z živého skotu na vzdálenost 400 m.
Obrázek č. 2 - ukázky různých typů bolometrů a mikrobolometrů.
Emisivita, černé těleso a další důležité pojmy.
Velice důležité je si uvědomit, že termokamery neměří přímo povrchovou teplotu, ale že je povrchová teplota dopočítávána na základě změřeného Infračerveného záření a okrajových podmínek zadaných přímo do kamery, popřípadě později do vyhodnocovacího programu. Tedy jednoduše řečeno přístroji řeknete, že těleso které vyzařuje vlnovou délku XY má teplotu 25°C. Přesnost tohoto měření ovlivňuje hned několik faktorů:
emisivita povrchu, odražená teplota, vzdálenost mezi objektem a kamerou, relativní vlhkost a teplota vnějšího i vnitřního vzduchu.
Černé těleso a emisivita povrchu - Absolutně černé těleso je ideální těleso, které pohlcuje veškeré záření všech vlnových délek a jeho vyzařování je maximální možné(takové těleso neexistuje). Reálné černé tělesa umíme vyrobit mají 99% vlastností Absolutního černého tělesa. Tyto černé tělesa se využívají ke kalibraci termovizí při jejích výrobě. Nyní se dostáváme k druhému pojmu - Emisivita. Emisivita určuje schopnost tělesa vyzařovat teplo. Absolutní černé těleso má emisivitu rovnu 1, všechny ostatní tělesa mají nižší emisivitu.Vzhledem k tomu, že neznáme emisivitu pozorovaných objektů nemůžeme tedy z jistotou přesně určit jejich teplotu. Každé těleso, krom toho že vysílá svou teplotu tak také přijímá teplotu z okolních objektů. K tomu se váže Odražená teplota - Emisivita a odražená teplota jsou dvě veličiny, které spolu úzce souvisí, čím je emisivita povrchu větší, tím se snižuje vliv odražené teploty a naopak. Pokud se chybně zadá emisivita povrchu nebo odražená teplota, může činit chyba měření až několik set procent. Vzdálenost mezi objektem a kamerou, relativní vlhkost - Ze vzdálenosti mezi objektem a kamerou a relativní vlhkosti se dopočítávají parametry atmosféry (tato hodnota se někdy uvádí jako propustnost atmosféry v %). Při dobré viditelnosti (bez mlhy) a pokud neprší, obdržíme při chybném zadání relativní vlhkosti nebo vzdálenosti mezi objektem a kamerou chyby v řádech procent, při mlze a dešti se ale chyba zvětšuje na desítky až stovky procent a měření prakticky nelze provádět, což je způsobeno tím, že voda není pro IČ záření transparentní. Samozřejmě při použití v myslivosti nepotřebujeme znát teplotu pozorované zvěře, nicméně v technických oborech kde se často termovize využívají je potřeba na tyto podmínky pamatovat.
Obrázek č. 3 - obecné schéma složení termovizní kamery.
Z čeho se skládá termovize?
Nyní, když již máme teoretický základ za sebou, se můžeme kouknout jak to vypadá uvnitř takové termovizní kamery. I když je termovize složitý elektrooptický systém lze jej rozdělit do čtyřech oddílů: Optický systém, senzor infračerveného záření, A/D převodník, uživatelský interface (displej).
Opticky systém
Jedná se o systém, který je téměř naprosto shodný s běžnými objektivy, používaným i u kamer nebo fotoaparátů. Jediným podstatným rozdílem je materiál vlastního optického systému. Ten je tvořen z germaniového skla, které propouští infračervené záření. Pro získání záběrů lepší kvality je povrch čoček ošetřen antireflexními vrstvami. Tato položka také ovlivňuje koncovou cenu výrobku, jelikož germaniové sklo je podstatně dražší než sklo používané např. u nočních vidění nebo u denní optiky. Možné je do optické soustavy použít také rovná a zakřivená zrcadla které také odráží infračervené záření.
Senzor infračerveného záření (mikrobolometr)
Mikrobolometr mění energii dopadajícího infračerveného záření na elektrický signál, který je dále digitalizován a číslicově zpracován v termogram. Zářivá energie je na bolometr soustředěna optickým systémem tak, aby na povrch detektoru dopadalo tepelné záření z jednoho či více objektů, jejichž povrchová teplota je pozorována. Bolometr je jádrem infračerveného zobrazovacího systému (termovizní kamery) a velkou měrou ovlivňuje jeho výsledné parametry. Typům bolometrů a jejich parametrům bude věnována samostatná kapitola.
A/D převodník
Převodník přeadí analogový signál ze senzoru infračerveného záření na digitální signál, který je poté zpracován ve výsledný termogram. Ten je poté zobrazen na obrazovce termokamery.
Uživatelský interface (UI)
Uživatelský interface má za úkol zobrazit uživateli termogram v co nejlepší podobě. UI se velmi lišší u jednotlivých výrobců termokamer. Udává také jaké palety pro termogram umí termovizní kamera zobrazit. Z nejznámějších palet např.: železo, duha, stupně šedi. Palety udávají jakou barvu bude mít teplé těleso a jakou barvu naopak studené těleso. UI se také liší např. v možnosti zobrazit stav baterie, digitálním zvětšení obrazu, nebo nahrávání a ukládání fotek či videí z termogramu. Uživatelský interface je také dost často významnou položkou při výběru termovizní kamery.
Obrázek č. 4 - Palety termovizní kamery (stupně šedi, železo, duha a jiné.)
Chlazené a nechlazené detektory/bolometry - bolometry obecně.
Bolometr jakožto srdce celé termovize se dělí na dvě skupiny: chlazené a nechlazené bolometry. Chlazené bolometry - jsou nejčastěji usazeny ve vakuu, nebo tekutém dusíku, jejich provozní teplota je velmi nízká někde okolo - 200 °C. Chlazené termokamery jsou velmi drahé jak pro výrobní procesy, tak pro jejích údržbu a provoz. Chlazení detektoru je taky energeticky a časově náročné. Chlazené detektory poskytují velmi kvalitní obraz termogramu a mají mnohem lepší rozlišení než nechlazené detektory. Díky větší citlivosti chlazených detektorů lze také použít lepší objektivové čočky které mají mnohem větší clonu (F-číslo). A lze tak s těmito přístroji pozorovat rozdíly teplot i na obrovské vzdálenosti (vesmír). Chlazené detektory se nejčastěji používají pouze pro vědecké a výzkumné nebo vojenské účely, používají se také jiné technologie detekce tepla tzv. fotonové detektory.
Nechlazené bolometry - tyto bolometry Vás budou rozhodně zajímat více, jelikož, jsou používány v termokamerách pro civilní sektor. Fungují na principu změny elektrických vlastností v závislosti na intenzitě dopadajícího infračerveného záření. Nejčastěji používané je tzv. mikrobolometrické pole, což je velké množství mikrobolometrů rozmístěných do 2D pole (o délce hrany nejobvykleji 1 až 2 cm), je dnes nejčastějším typem detektoru u termokamer a setkáme se s ním minimálně v 95 % případů. Mikrobolometrické pole je typ tepelného detektoru, který mění svůj elektrický odpor v závislosti na intenzitě dopadajícího infračerveného záření. (doslova se dopadajícím zářením ohřívá) Mikrobolometrické pole se skládá z řady malých detektorů (mikrobolometrů), jak je znázorněno na obrázku č. 5 Zde je nakreslen jednak mikrobolometr (obrázek vlevo), jednak snímek z mikroskopu, který ukazuje rozmístění mikrobolometrů do mikrobolometrického pole. Tento typ tepelného detektoru je v současné době u termokamer nejobvyklejší. V další části si zmíníme důležité parametry mikrobolometrů a také termokamer obecně.
Obrázek č. 5 - Mikrobolometr a mikrobolometrické pole.
Parametry termokamer
Odstavec, který bude zajímat asi většinu čtenářů, důležitost a vysvětlení jednotlivých parametrů termovizí. Častý problém je, že výrobci spoustu parametrů ani neudávají, nebo je udávají nepřesně.
Rozlišení bolometru - základní parametr, který naleznete u každé termovize. Rozlišení bolometru udává počet detektoru na řádku x sloupci. Optika (čočka) promítá infračervené záření na tzv. detektor(bolometr). Ten se skládá z mnoha tzv. pixelů, což jsou samostatné detektory, které převádějí dopadající infračervené záření na elektrický signál a následně na teplotu. Počet pixelů výsledného obrazu je pak dán právě počtem pixelů tohoto detektoru. Na obrázku č. 6 vlevo je ilustrativní nákres detektoru o rozlišení 6×6, na obrázku vpravo pak snímek z části povrchu skutečného detektoru z mikroskopu. V současné době se u termokamer setkáme běžně s rozlišením: 160x120, 240x180, 320x240, 384x288, 400x300, 640x480 a 1024x768, výjimkou ale nejsou i jiná rozlišení. Jednoduše řečeno čím vyšší číslo rozlišení tím kvalitnější obraz (vidíme více detailů).
Obrázek č. 6 - Ukázka rozlišení bolometru, detail pixelů, reálný mikrobolometr
Velikost bolometru (14µm,17µm 45µm a jiné) - někdy také velikost jádra. Tento rozměr v nanometrech udává velikost jednoho bolometru nebo chcete-li pixelu popsaného výše. S zmenšováním velikosti pixelu a zvětšování rozlišení dochází ke
Bohužel článek není z časových důvodů, kompletní. Slibuju, že ho dodělám :).
Výrobci / výrobky
Závěr
Vysvětlivky:
* - termoelektrický jev je přímou přeměnou rozdílu teplot na elektrické napětí a naopak. Tedy popisuje souvislost mezi elektrickým napětím a teplotou např. kovů, které sou tímto napětím ovlivňovány.
** - Elektromagnetické záření vydává každé těleso s teplotou vyšší než absolutní nula - tj. mínus 273,15 °C
Náš tým odborníků je připraven vám s výběrem pomoci.
V rámci tohoto sortimentu vám nejlépe poradí:
