Pirometry i kamery termowizyjne

Pirometr

Termometry na podczerwień, czyli pirometry, mierzą temperaturę powierzchni obiektu z odległości, wykrywając emitowane przez niego promieniowanie podczerwone. Są one powszechnie używane do bezkontaktowych pomiarów temperatury w jednym punkcie. Wszystkie pirometry mają podobną podstawową zasadę działania: układ optyczny (soczewka) zbiera promieniowanie cieplne z obiektu docelowego i skupia je na detektorze podczerwieni. Detektor, który jest czuły na określone pasmo długości fal podczerwieni, przekształca promieniowanie na niewielki sygnał elektryczny proporcjonalny do temperatury obiektu docelowego. Sygnał ten jest następnie przesyłany do układu elektronicznego urządzenia w celu wzmocnienia i przetworzenia. Przetworzony sygnał jest wyświetlany jako odczyt temperatury na wbudowanym wyświetlaczu lub za pośrednictwem interfejsów analogowo-cyfrowych w celu integracji z innymi systemami.

 
Rysunek 1: Schemat blokowy pirometru. Obiekt emituje promieniowanie podczerwone, skupiając je na detektorze z soczewką optyczną. Zanim przetwornik analogowo-cyfrowy zdigitalizuje sygnały, są one wzmacniane. Dane kalibracyjne przekształcają niewielki sygnał w poprawne informacje o temperaturze.

Rysunek 1 ilustruje typowy tor sygnału pirometru: emisja podczerwieni obiektu jest skupiana przez soczewkę na detektorze, generując słaby sygnał elektryczny. Sygnał ten jest następnie wzmacniany i digitalizowany przez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). Dane kalibracyjne i algorytmy linearyzacji są stosowane w mikroprocesorze w celu przekształcenia zdigitalizowanego sygnału na dokładną wartość temperatury, która może być wyświetlana lub przesyłana jako sygnał wyjściowy. Dodatkowy czujnik otoczenia monitoruje temperaturę własną pirometru w celu jej kompensacji. Cała sekwencja pomiarowa odbywa się niemal natychmiastowo i może być stale aktualizowana.

Nowoczesne pirometry realizują trzy główne etapy przetwarzania wewnętrznego:

1. Konwersja podczerwieni na sygnał elektryczny: Detektor przetwarza promieniowanie podczerwone na sygnał elektryczny.
2. Kompensacja tła: Korekty są stosowane w celu uwzględnienia wpływów tła, takich jak temperatura własna urządzenia lub promieniowanie otoczenia, za pomocą czujnika referencyjnego lub algorytmów kalibracyjnych.
3. Linearyzacja i wyjście: Surowy sygnał (zazwyczaj nieliniowy względem temperatury) jest linearyzowany względem znanych krzywych kalibracyjnych w celu uzyskania dokładnego odczytu temperatury. Wynik jest następnie przesyłany w żądanym formacie (odczyt cyfrowy, analogowe napięcie/prąd itp.).

Pirometry często zawierają funkcje ułatwiające celowanie w odpowiedni punkt oraz uwzględniające rozmiar i odległość obiektu. Wiele urządzeń wykorzystuje wbudowany celownik laserowy do wskazania punktu pomiaru. Na przykład, podwójne lasery mogą utworzyć na obiekcie celownik krzyżowy, oznaczający środek i granice obszaru pomiaru. Jest to szczególnie przydatne w przypadku pomiaru z dużej odległości, ponieważ operator dokładnie wie, jaki obszar uśrednia czujnik. Zaawansowane systemy wykorzystują dwie diody laserowe z generatorami liniowymi ustawionymi pod kątem 90°, aby utworzyć krzyż krzyżowy, który pozostaje dokładny niezależnie od odległości, wyraźnie wskazując rozmiar i położenie obiektu. Niektóre wysokiej klasy pirometry zastępują nawet lunety optyczne modułami kamery wideo, co umożliwia precyzyjne ustawienie obiektu.

Pirometry są dostępne z optyką o stałej lub regulowanej ogniskowej. Pirometr o stałej ogniskowej jest wstępnie ustawiony na określoną odległość (zapewniając optymalną ostrość i rozmiar plamki w tym zakresie). Może mierzyć z innych odległości, ale z niższą rozdzielczością optyczną (większy rozmiar plamki w stosunku do odległości). Natomiast pirometry o zmiennej ogniskowej pozwalają użytkownikowi na ciągłą regulację ostrości do żądanej odległości pomiaru. Zapewnia to najmniejszą możliwą plamkę i najlepszą rozdzielczość optyczną dla każdej odległości, co jest korzystne podczas pomiaru obiektów o różnych rozmiarach lub w różnych odległościach. Poprzez regulację ostrości, urządzenie utrzymuje określony stosunek odległości do plamki (D:S) w wybranej odległości, poprawiając dokładność pomiaru małych lub odległych obiektów.

Nowoczesne pirometry na podczerwień obejmują szeroki zakres pasm widmowych, zakresów temperatur i szybkości reakcji, aby sprostać różnorodnym zastosowaniom przemysłowym. Dostępne są kompaktowe, ekonomiczne modele, a także wysokowydajne urządzenia z zaawansowaną optyką i detektorami. W zależności od modelu, interfejsy wyjściowe mogą obejmować sygnały analogowe (np. pętla prądowa 4–20 mA lub 0–10 V) oraz cyfrową komunikację fieldbus do integracji z systemami sterowania procesami. Wybierając odpowiednie filtry długości fali i typy detektorów, pirometry można zoptymalizować pod kątem konkretnych materiałów lub środowisk.

Kamera termowizyjna

Kamera termowizyjna to urządzenie generujące obraz, w którym każdy piksel reprezentuje temperaturę niewielkiego obszaru sceny. W przeciwieństwie do pirometru punktowego, który daje jeden odczyt temperatury, kamera termowizyjna tworzy dwuwymiarową mapę temperatury całego pola widzenia.

Kamery termowizyjne są zazwyczaj klasyfikowane jako systemy niechłodzone i chłodzone. Kamery niechłodzone, najpopularniejszy typ do ogólnego użytku, wykorzystują mikrobolometry termiczne wykonane z tlenku wanadu (VOx) lub krzemu amorficznego, które działają w temperaturze pokojowej lub zbliżonej. Są mniejsze, nie wymagają chłodzenia kriogenicznego i są bezobsługowe, ale zazwyczaj mają niższą czułość i wolniejszy czas reakcji niż kamery chłodzone. Z kolei chłodzone kamery podczerwone wykorzystują detektory kwantowe wykonane z InSb lub HgCdTe, zamknięte w próżniowym zbiorniku Dewara i zazwyczaj chłodzone do niskich temperatur kriogenicznych, aby osiągnąć bardzo wysoką czułość i szybką reakcję. Kamery chłodzone mogą wykrywać niewielkie różnice temperatur i rejestrować szybkie zjawiska termiczne, ale są większe, droższe, a ich układy chłodzenia wymagają zasilania i okresowej konserwacji.

Podstawowa zasada działania jest analogiczna do konwencjonalnego aparatu cyfrowego, ale zamiast światła widzialnego wykorzystuje promieniowanie podczerwone emitowane przez obiekty. W kamerze termowizyjnej soczewka podczerwieni skupia padające światło podczerwone na matrycę detektorów w płaszczyźnie ogniskowej (FPA). Ta matryca detektorów to siatka wielu małych elementów (pikseli) wrażliwych na podczerwień; typowe rozdzielczości to 160×120, 320×240, do 640×480 pikseli lub więcej. Każdy detektor pikseli generuje sygnał elektryczny proporcjonalny do natężenia podczerwieni z odpowiedniego punktu sceny. Ponieważ wszystkie obiekty o temperaturze powyżej zera absolutnego emitują promieniowanie cieplne, kamera może rejestrować różnice temperatur nawet w całkowitej ciemności.

Sygnały z matrycy detektorów są następnie wzmacniane, digitalizowane i przetwarzane przez układ elektroniczny kamery termowizyjnej w celu wygenerowania spójnego obrazu. W niechłodzonych kamerach termowizyjnych, wykorzystujących mikrobolometry termiczne, zazwyczaj znajduje się mechaniczna migawka lub podobny mechanizm kalibracyjny, który okresowo zamyka się przed matrycą detektorów. Po zamknięciu migawka zapewnia jednorodne odniesienie temperatury dla wszystkich pikseli; kamera termowizyjna rejestruje przesunięcia detektora w tym momencie, uwzględniając dryft i nierównomierności w czujniku, i wykorzystuje te dane do korekcji kolejnych obrazów. Czujnik otoczenia monitoruje temperaturę kamery termowizyjnej w celu jej kompensacji. Ten proces, znany jako korekcja nierównomierności (NUC), zapewnia minimalizację szumu o stałym wzorze, a odczyty temperatury na obrazie są dokładne i spójne. Migawka może aktywować się automatycznie zgodnie z harmonogramem lub w przypadku zmiany temperatury wewnętrznej kamery. Po kalibracji i digitalizacji oprogramowanie kamery termowizyjnej interpretuje dane dla każdego piksela, aby obliczyć temperaturę za pomocą krzywych kalibracyjnych.

Utworzony obraz termowizyjny można następnie wyświetlić z paletą fałszywych kolorów, gdzie różne temperatury są odwzorowane na określone kolory. Na przykład, obszary cieplejsze mogą być wyświetlane jako białe/żółte, temperatury pośrednie jako czerwone lub zielone, a obszary chłodniejsze jako niebieskie. Ta reprezentacja fałszywych kolorów pozwala użytkownikom szybko wizualnie zidentyfikować punkty gorące, strefy zimne lub gradienty temperatury w scenie. Wiele kamer termowizyjnych umożliwia również odczyt temperatury w określonych punktach lub regionach i może generować alarmy w przypadku przekroczenia progu temperatury.

Rysunek 2: Schemat blokowy kamery termowizyjnej. Obiekt emituje promieniowanie podczerwone, które jest ogniskowane na matrycy detektorów z wbudowanym obiektywem optycznym. Migawka służy do regularnej korekcji przesunięcia i jest sterowana przez moc obliczeniową kamery lub dodatkowego komputera. Zanim przetwornik analogowo-cyfrowy zdigitalizuje sygnały, są one wzmacniane. Dane kalibracyjne służą do konwersji surowych danych na informacje o temperaturze. Pliki konfiguracyjne zawierają ustawienia kamery dla poszczególnych zastosowań.

W niechłodzonych kamerach termowizyjnych używanych do inspekcji przemysłowej powszechnie stosuje się zmotoryzowane mechanizmy regulacji ostrości, umożliwiające precyzyjną regulację płaszczyzny ogniskowej. Chociaż autofokus jest powszechnie stosowany w przenośnych kamerach termowizyjnych – gdzie użytkownicy często zmieniają położenie urządzenia i korzystają z automatycznej regulacji ostrości – w stacjonarnych systemach przemysłowych jest on zazwyczaj pomijany. Wynika to z faktu, że kamery stacjonarne zazwyczaj monitorują stałe pole widzenia, co sprawia, że ​​ręczne lub zdalnie sterowane ustawianie ostrości jest bardziej odpowiednie i niezawodne. W przeciwieństwie do kamer światła widzialnego, które opierają się na ostrych krawędziach i wysokim kontraście w widmie widzialnym, sceny termowizyjne często charakteryzują się brakiem wystarczającego kontrastu temperaturowego, szczególnie podczas inspekcji jednolicie ciepłych lub jednorodnych powierzchni. Algorytmy autofokusa mogą nie być w stanie zidentyfikować prawidłowej metryki ostrości, co prowadzi do suboptymalnej ostrości obrazu. W takich przypadkach ręczna lub wspomagana programowo regulacja ostrości oparta na klarowności sygnału lub predefiniowanych pozycjach zapewnia bardziej wiarygodne wyniki w krytycznych zadaniach monitorowania temperatury.

Kamery termowizyjne występują w różnych klasach wydajności, z różnymi zakresami widmowymi, czułością (różnicą temperatur ekwiwalentu szumu, NETD), liczbą klatek na sekundę i rozdzielczością dostosowaną do zastosowań.

Detektory podczerwieni

Działanie pirometrów i kamer termowizyjnych opiera się na ich detektorach podczerwieni, czyli urządzeniach, które przetwarzają promieniowanie cieplne na sygnały elektryczne. Istnieją dwie szerokie kategorie detektorów podczerwieni, różniące się zasadą działania: detektory termiczne i detektory kwantowe. Każdy typ ma kilka podtypów i unikalne cechy. Obie klasy detektorów są ważne w praktyce. Warto zauważyć, że pomimo wyższej szybkości detektorów kwantowych, detektory termiczne pozostają bardzo użyteczne w wielu scenariuszach ze względu na swoją niezawodność, pracę w warunkach otoczenia i szerokie pokrycie widmowe.

Termostosy

Termostosy to zasadniczo wiele termopar połączonych szeregowo w celu wzmocnienia napięcia indukowanego temperaturą. Wykorzystuje on zjawisko termoelektryczne: gdy złącze dwóch różnych metali jest podgrzewane, generowane jest napięcie w wyniku zjawiska Seebecka. W termostosie, układ wielu małych złącz termopar, na przykład par bizmut/antymon, jest wytwarzany na chipie i termicznie połączony z obszarem absorbującym promieniowanie podczerwone. Gdy promieniowanie podczerwone jest absorbowane przez ten obszar, temperatura złączy rośnie, generując mierzalne napięcie wyjściowe proporcjonalne do padającego promieniowania. Wiele termopar w termostosach zapewnia większy sygnał wyjściowy niż pojedyncza termopara, co poprawia czułość.

Detektory oparte na termostosach są używane do bezkontaktowego pomiaru temperatury od dziesięcioleci. Nie wymagają one przerywaczy ani modulacji; mogą mierzyć stały poziom promieniowania, dzięki czemu nadają się do pomiaru temperatury bezwzględnej obiektów. Sygnałem wyjściowym jest napięcie stałe proporcjonalne do temperatury docelowej po kalibracji. Oferują one dobrą stabilność i działają w temperaturze pokojowej, ale ich czas reakcji wynosi dziesiątki milisekund.

Rysunek 3: Termostos TS80 firmy Optris

Detektory piroelektryczne

Detektory piroelektryczne wykorzystują kryształy materiału piroelektrycznego, takiego jak siarczan triglicyny lub tantalan litu, które wykazują spontaniczną polaryzację elektryczną zmieniającą się wraz z temperaturą. Gdy temperatura kryształu zmienia się w wyniku absorpcji promieniowania podczerwonego, zmiana polaryzacji powoduje chwilowy ładunek powierzchniowy. Zasadniczo efekt piroelektryczny przekształca wahania temperatury w sygnał elektryczny. Detektor jest skonstruowany z elektrodami umieszczonymi na powierzchni kryształu, które rejestrują tę zmianę ładunku; sygnał jest następnie wzmacniany przez wbudowany tranzystor polowy (FET) lub przedwzmacniacz.

Kluczową cechą detektorów piroelektrycznych jest to, że reagują one jedynie na zmiany promieniowania padającego. Jeśli promieniowanie jest stabilne, sygnał wyjściowy spadnie do zera po przejściu, gdy kryształ osiągnie równowagę termiczną i ruch ładunku ustanie. Dlatego czujniki piroelektryczne są zazwyczaj stosowane z przerywaczem podczerwieni (choperem) lub w obwodach zapewniających modulowany sygnał wejściowy. Poprzez okresowe przerywanie promieniowania podczerwonego, na przykład za pomocą obrotowej przesłony lub za pomocą środków elektronicznych, detektor jest utrzymywany w stanie dynamicznym, generując sygnał przemienny (AC), który może być wzmacniany za pomocą elektroniki sprzężonej prądem przemiennym. Zastosowanie przerywacza podczerwieni i wzmocnienia AC pomaga również zredukować szum o niskiej częstotliwości i poprawić stosunek sygnału do szumu (SNR). Detektory piroelektryczne są bardzo powszechne w detektorach ruchu, gdzie samo poruszające się źródło powoduje zmianę promieniowania padającego, a także w niektórych analizatorach gazów lub instrumentach z modulowanymi źródłami podczerwieni (IR).

Czujniki piroelektryczne charakteryzują się szybkim czasem reakcji i działają w temperaturze pokojowej. Często zapewniają dobry kompromis między czułością i szybkością w zastosowaniach takich jak spektroskopia w podczerwieni. Ponieważ jednak wymagają one zmiennego sygnału, nie są wykorzystywane do pomiaru statycznych poziomów temperatury – tę rolę lepiej spełniają termopile lub bolometry.

Bolometry

Bolometry to detektory rezystancyjne zależne od temperatury. Bolometr składa się z elementu absorpcyjnego, wykonanego z materiału o wysokim temperaturowym współczynniku rezystancji, który nagrzewa się podczas absorpcji promieniowania podczerwonego, powodując zmianę jego rezystancji elektrycznej. Poprzez polaryzację tego elementu w obwodzie, często mostku lub w układzie scalonym odczytującym, można zmierzyć zmianę napięcia lub prądu odpowiadającą zmianie rezystancji, a tym samym wywnioskować natężenie padającego promieniowania.

Materiały stosowane w bolometrach obejmują niektóre metale lub półprzewodniki o wysokich współczynnikach temperaturowych. Wczesne bolometry wykorzystywały zaczernione paski metalowe; współczesne bolometry, szczególnie do obrazowania, wykorzystują cienkie warstwy, takie jak tlenek wanadu (VOx) lub krzem amorficzny (a-Si), osadzone na mikromostku. Te cienkowarstwowe bolometry to termicznie izolowane mikrostruktury, które nagrzewają się pod wpływem padającego światła podczerwonego, ale charakteryzują się minimalnym przewodzeniem ciepła do podłoża, zapewniając mierzalny wzrost temperatury. Są one wytwarzane w matrycach, tworząc czujniki mikrobolometrycznych matryc ogniskowych w niechłodzonych kamerach termowizyjnych. Dzięki postępowi w technologii MEMS, bolometry FPA w dużej mierze zastąpiły starsze skaningowe kamery termowizyjne, umożliwiając w pełni elektroniczne, półprzewodnikowe kamery termowizyjne.

Bolometry zazwyczaj działają w temperaturze pokojowej (niechłodzone) i mają czas reakcji rzędu kilkudziesięciu milisekund w porównaniu z detektorami fotonów, ale mogą osiągnąć dobrą czułość w zastosowaniach obrazowania. Wydajność bolometru jest często charakteryzowana przez jego NETD (różnicę temperatur równoważnych szumom); dzięki ulepszeniom materiałowym i miniaturyzacji pikseli, nowoczesne kamery mikrobolometryczne mogą osiągać NETD rzędu kilkudziesięciu mK. Typowe rozdzielczości matryc bolometrycznych obejmują obecnie 160×120, 320×240 i 640×480 pikseli, przy czym odstępy między pikselami (raster) zmniejszyły się z ~35 µm w starszych modelach do 17 µm, a nawet 12 µm w nowszych konstrukcjach. Wymagają one kalibracji i często wykorzystują technikę przesłony wewnętrznej w celu utrzymania dokładności w czasie i przy zmiennych warunkach.

Detektory fotonowe

Detektory kwantowe bezpośrednio przekształcają padające fotony na sygnały elektryczne poprzez interakcje w półprzewodniku. Zasadniczo dzielą się na dwie podklasy: detektory fotoprzewodzące, w których przewodność zmienia się wraz z absorpcją fotonów, oraz detektory fotowoltaiczne, w których absorpcja fotonów generuje napięcie, jak w fotodiodach. Materiały te to zazwyczaj półprzewodniki o wąskiej przerwie energetycznej, które mogą absorbować fotony podczerwone. Typowe przykłady obejmują antymonek indu (InSb) do średniej podczerwieni o długości fali 3–5 µm, tellurek kadmu i rtęci (MCT lub HgCdTe), który można zaprojektować do średniej lub długiej podczerwieni, arsenek indu i galu (InGaAs) do bliskiej i krótkiej podczerwieni, a także specjalistyczne konstrukcje, takie jak fotodetektory podczerwieni ze studniami kwantowymi (QWIP) i detektory supersieciowe typu II do różnych pasm podczerwieni.

Gdy foton podczerwieni uderza w detektor, wybija elektron z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa lub pomiędzy dozwolone poziomy energetyczne w strukturze studni kwantowej. Powoduje to mierzalną zmianę elektryczną: w fotodiodzie prąd płynie proporcjonalnie do strumienia fotonów; w fotoprzewodniku rezystancja materiału spada wraz z oświetleniem. Detektory te generują sygnał niemal natychmiast po nadejściu fotonów – nie opierają się na termicznej stałej czasowej, dlatego ich reakcja jest szybsza niż detektorów termicznych.

Generują jednak również szum termiczny z powodu nośników wzbudzonych termicznie. Aby osiągnąć najlepszą czułość i odróżnić nośniki generowane przez fotony od nośników generowanych termicznie, większość detektorów fotonów do obrazowania w podczerwieni długofalowej wymaga chłodzenia. Na przykład detektory MCT w długofalowych kamerach IR są zazwyczaj chłodzone do 77 K lub wykorzystują chłodnice z obiegiem zamkniętym, aby osiągnąć podobnie niskie temperatury. Chłodzenie radykalnie poprawia stosunek sygnału do szumu poprzez tłumienie prądu ciemnego.

Podsumowując, integracja optyki specyficznej dla długości fali, fizyki detektorów i algorytmów przetwarzania sygnałów w nowoczesnych pirometrach i kamerach termowizyjnych stanowi podstawę precyzyjnych, bezkontaktowych systemów pomiaru temperatury do przemysłowych zastosowań w monitorowaniu temperatury, a każde zastosowanie preferuje inne typy detektorów i układy systemów.

Podsumowanie

• Pirometry przekształacają skupione promieniowanie podczerwone na sygnał elektryczny, stosują kompensację tła i linearyzują sygnał wyjściowy za pomocą danych kalibracyjnych.
• Kamery termowizyjne dokonują konwersji sygnału podczerwonego na elektryczny, korekcji przesunięcia za pomocą przesłon oraz linearyzacji za pomocą danych kalibracyjnych, aby uzyskać dokładne obrazy temperatury.
• Detektory sa sklasyfikowane jako termiczne (termostos, piroelektryczne, bolometr) oraz kwantowe. Detektory termiczne działają bez chłodzenia i reagują na zmiany temperatury, natomiast detektory kwantowe wykorzystują efekt fotoelektryczny i wymagają chłodzenia dla uzyskania wysokiej czułości i szybkiej reakcji.

Źrodła

1. Hecht, Eugene. Optik, Berlin, Boston: De Gruyter, 2018. https://doi.org/10.1515/9783110526653
2. Miller, J. L., Friedman, E., Sanders-Reed, J. N., Schwertz, K., & McComas, B. (2020). Photonics rules of thumb (No. PUBDB-2021-03249). Bellingham, Washington: SPIE Press. https://doi.org/10.1117/3.2553485
3. De Witt, Nutter: Theory and Practice of Radiation Thermometry, 1988, John Wiley & Son, New York, https://doi.org/10.1002/9780470172575