Στο 1ο μέρος του άρθρου μας περιγράφονται με συνοπτικό και απλό τρόπο οι βασικές έννοιες και οι αρχές λειτουργίας των θερμικών καμερών καθώς και τα χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την ποιότητα των θερμικών εικόνων. Στο 2ο μέρος γίνεται παρουσίαση των χρήσεων και εφαρμογών των θερμικών καμερών στα Drones αλλά και συγκεκριμένων προϊόντων της ελληνικής αγοράς που χρησιμοποιούνται για τις παραπάνω εφαρμογές.
ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ
Θερμότητα είναι η ενέργεια που μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο λόγω της διαφορετικής τους θερμοκρασίας ενώ θερμοκρασία είναι το μέγεθος που περιγράφει πόσο θερμό ή ψυχρό είναι ένα σώμα. Η ενέργεια που σχετίζεται με τη θερμότητα είναι αποτέλεσμα της ταλάντωσης των μορίων, ατόμων ή ιόντων ενός σώματος και ονομάζεται θερμική ενέργεια.
Κάθε σώμα έχει θερμική ενέργεια η οποία σύμφωνα με τον 2ο νόμο θερμοδυναμικής (Αρχή του Carnot) ρέει από το θερμότερο σώμα στο ψυχρότερο. Η ροή της θερμικής ενέργειας γίνεται με 3 τρόπους:
- Αγωγή: Αποτελεί τον κύριο τρόπο ροής θερμικής ενέργειας στα στερεά, μέσω της επαφής σωμάτων. Τα μόρια του θερμότερου σώματος μεταδίδουν την κινητικής του ενέργεια στα μόρια του ψυχρότερου σώματος
- Μεταφορά: Αποτελεί τον κύριο τρόπο ροής θερμικής ενέργειας σε υγρά και αέρια. Χαρακτηριστικό παράδειγμα η ροή θερμικής ενέργειας από το ένα θερμαντικό σώμα μέσω του αέρα στον χώρο ενός σπιτιού
- Ακτινοβολία: Η ακτινοβολία μεταφέρει θερμική ενέργεια χωρίς κάποιο μέσο. Κατ’ αυτό τον τρόπο θερμαίνει ο ήλιος τον πλανήτη μας. Πρόκειται για ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στο υπέρυθρο φάσμα.
ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ
Η θερμική αγωγιμότητα είναι η ιδιότητα ενός υλικού να επιτρέπει τη ροή θερμότητας μέσα από τη μάζα του. Υπάρχουν υλικά που επιτρέπουν με μικρή αντίσταση τη ροή θερμοκρασίας και υλικά που προβάλουν μεγάλη αντίσταση σε αυτή. Για παράδειγμα: Αν υποθέσουμε ότι σε ένα δωμάτιο με θερμοκρασία 20ο C έχουμε δύο αντικείμενα μάζας 1m3. Το ένα είναι συμπαγές ξύλο και το άλλο συμπαγές ατσάλι. Επίσης, υποθέτουμε ότι τα υλικά αυτά έχουν μείνει τον απαραίτητο χρόνο μέσα στο δωμάτιο ώστε έχουν την ίδια θερμοκρασία με αυτό. Αν αγγίξουμε το ξύλο με το ένα χέρι και το ατσάλι με το άλλο, θα αισθανθούμε ότι το ατσάλι είναι ψυχρότερο από το ξύλο, παρότι έχουν την ίδια θερμοκρασία. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το ατσάλι «κλέβει» πιο γρήγορα θερμοκρασία από το σώμα μας σε σχέση με το ξύλο. Προβάλει, λοιπόν, μικρότερη αντίσταση στη ροή θερμοκρασίας σε σχέση με το ξύλο. Εφόσον η ροή θερμοκρασίας γίνεται με 3 διαφορετικούς τρόπους (αγωγή, μεταφορά, ακτινοβολία), οι ιδιότητες ενός υλικού που σχετίζονται με τη ροή θερμοκρασίας επηρεάζουν αντίστοιχα και τους 3 τρόπους μετάδοσης αυτής.
Στην περίπτωση των θερμοκαμερών, μας ενδιαφέρει η ροή θερμικής ενέργειας μέσω ακτινοβολίας μιας και οι μετρήσεις γίνονται χωρίς επαφή με τα αντικείμενα. Οι σύγχρονες θερμικές κάμερες ενσωματώνουν σειρά ρυθμίσεων ανάλογα το υλικό που θερμογραφούμε κάθε φορά ώστε να λάβουν υπόψη τους τις φυσικές ιδιότητες των υλικών που σχετίζονται με την εκπομπή της θερμικής ενέργειας. Στο παρακάτω παράδειγμα γίνεται εύκολα αντιληπτό το πρόβλημα:
Ενώ το δαχτυλίδι έχει την ίδια θερμοκρασία με το χέρι στη θερμική εικόνα δείχνει πιο ψυχρό από το χέρι. Το πρώτο συμπέρασμα ότι το δακτυλίδι είναι πιο κρύο από το χέρι είναι λάθος. Απλά, το μέταλο προβάλει μικρότερη αντίσταση στη εκπομπή θερμικής ενέργειας από το δέρμα χωρίς να σημαίνει ότι έχει άλλη θερμοκρασία από αυτό.
ΘΕΡΜΟΚΑΜΕΡΕΣ
Οι θερμοκάμερες είναι συσκευές παθητικών αισθητήρων που καταγράφουν την ακτινοβολούμενη – εκπεμπόμενη θερμική ενέργεια. Αποτελούνται από ειδικούς φακούς που δεν φιλτράρουν την υπέρυθρη ακτινοβολία και που τη συγκεντρώνουν μεταφέροντάς την σε έναν αισθητήρα καταγραφής. Η καταγραφή μετασχηματίζεται σε μια ασπρόμαυρη εικόνα όπου με έντονο λευκό χρώμα αποτυπώνονται περιοχές με υψηλή θερμική ακτινοβολία (άρα και θερμοκρασία) ενώ με μαύρο χρώμα περιοχές με χαμηλή θερμική ακτινοβολία. Συνήθως και για να γίνει πιο εύκολα αντιληπτή στο ανθρώπινο μάτι η διαφορά θερμοκρασίας, οι θερμοκάμερες παρουσιάζουν την θερμική ακτινοβολία με ψευδοχρωματικές εικόνες.
Τα υλικά κατασκευής των φακών και αισθητήρων αποτελούν το πιο σημαντικό ανελαστικό κόστος σε μια σύγχρονη θερμοκάμερα. Επιπλέον, η τεχνολογία των καμερών επηρεάζει σημαντικά το κόστος μιας θερμοκάμερας. Στην αγορά υπάρχουν 2 βασικές τεχνολογίες θερμοκαμερών:
Cooled IR Cameras: Στην κατηγορία αυτή, οι αισθητήρες καταγραφής της υπέρυθρης ακτινοβολίας βρίσκονται σε κενό αέρος και ψύχονται μεταξύ -213ο C και -173ο C ώστε να καταγράφουν με πολύ υψηλή ακρίβεια την εκπεμπόμενη υπέρυθρη ακτινοβολία. Το πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι η εξαιρετικά μεγάλη ακρίβεια, ανάλυση και ευκρίνεια των θερμικών εικόνων που παράγουν. Ως μειονεκτήματα, καταγράφονται το υψηλό κόστος, φυσικό μέγεθος και οι μεγάλες καταναλώσεις ενέργειας για την ψύξη του αισθητήρα.
Uncooled IR cameras: Στην κατηγορία αυτή εντάσσονται όλες οι γνωστές κάμερες του εμπορίου που χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορες εφαρμογές. Οι αισθητήρες τους δεν χρειάζονται ψύξη και λειτουργούν σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Βασική προϋπόθεση για τη λήψη ορθών θερμικών εικόνων είναι η θερμοκρασιακή σταθεροποίηση του αισθητήρα σε μια θερμοκρασία λειτουργίας που επιτυγχάνεται θέτοντας σε λειτουργία την κάμερα για μερικές δεκάδες δευτερόλεπτα πριν τη λήψη. Τα πλεονεκτήματα αυτών των καμερών είναι η χαμηλές τιμές, φορητότητα και χαμηλές ενεργειακές απαιτήσεις. Ως μειονεκτήματα αναφέρονται η χαμηλή ανάλυση των αισθητήρων, η σχετικά μικρή ακρίβεια και ευαισθησία και οι «θορυβώδεις» και μειωμένης ευκρίνειας θερμικές εικόνες που παράγουν.
ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ
Με δεδομένη τη χρήση της τεχνολογίας Uncooled IR Cameras, υπάρχουν μια σειρά από παράγοντες που επηρεάζουν τη σωστή θερμική αποτύπωση ενός αντικειμένου. Παράγοντες που σχετίζονται με το κατασκευαστικό σκέλος της κάμερας, των ρυθμίσεων αλλά και των λήψεων από τη μεριά του χρήστη.
Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά και ρυθμίσεις
Φυσική Ανάλυση του αισθητήρα: Η φυσική ανάλυση του αισθητήρα αποτελεί την πρώτη σημαντική παράμετρο που επηρεάζει την ποιότητα της θερμικής εικόνας αλλά και την τιμή της κάμερας. Ο πλέον καταξιωμένος κατασκευαστής θερμικών καμερών παγκοσμίως, η εταιρεία Flir, διαθέτει στην αγορά αισθητήρες με ανάλυση από 80 x 60 pixels έως 640 x 512 pixels. Όσο χαμηλότερη είναι η ανάλυση και με δεδομένη την απόσταση λήψης, τόσο χαμηλότερη είναι η ποιότητα της θερμικής εικόνας που θα πάρουμε. Χαμηλής ανάλυσης αισθητήρες χρησιμοποιούνται είτε για λόγους κόστους, είτε για χονδροειδής μετρήσεις και ενδείξεις, είτε σε περιπτώσεις που μπορούμε να πλησιάσουμε πολύ κοντά στο αντικείμενο που θέλουμε να μελετήσουμε.
Θερμοκρασία λειτουργίας: Στην τεχνολογία Uncooled IR cameras, είναι σημαντική παράμετρος η θερμοκρασία λειτουργίας της κάμερας. Η λειτουργία μιας κάμερας έξω από τα όρια που θέτει ο κατασκευαστής έχει ως αποτέλεσμα κακής ποιότητας και αναξιόπιστες λήψεις μιας και ο αισθητήρας δεν μπορεί να ανταποκριθεί σωστά.
Θερμοκρασία αισθητήρα: Ο χειριστής μιας θερμοκάμερας θα πρέπει να μελετά σωστά τις οδηγίες του κάμε κατασκευαστή σχετικά με το χρόνο που θέλει ο αισθητήρας να σταθεροποιήσει την εσωτερική του θερμοκρασία ώστε να παράγει θερμικές εικόνες χωρίς θόρυβο και με ακρίβεια. Συνήθως, σε φτηνές θερμοκάμερες και σε θερμοκρασία δωματίου αυτός ο χρόνος δεν ξεπερνά τα 50-70sec.
Δυναμικό Εύρος αισθητήρα: Αποτελεί κάτω και άνω θερμοκρασιακό εύρος μέτρησης του αισθητήρα. Για παράδειγμα: -20ο C έως +450ο C.
Απόλυτη ακρίβεια του αισθητήρα: Η απόλυτη ακρίβεια του αισθητήρα είναι ακόμη μια σημαντική παράμετρος που σχετίζεται με την τιμή της θερμοκάμερας. Η απόλυτη ακρίβεια ενός αισθητήρα σχετίζεται με τη θερμοκρασία του σώματος που φωτογραφίζουμε και την εξωτερική θερμοκρασία. Παράδειγμα ακρίβειας: ±2% σε εξωτερική θερμοκρασία μεταξύ 15ο C έως 35ο C και για αντικείμενο με θερμοκρασία πάνω από 0o C
Ρύθμιση συντελεστή υλικών: Για μια σωστή θερμική αποτύπωση, είναι σημαντικό να ρυθμιστεί η κάμερα με τον κατάλληλο συντελεστή εκπομπής του υλικού που φωτογραφίζουμε ώστε να οδηγηθούμε σε λογικά συμπεράσματα. Ο συντελεστής εκπομπής παίρνει τιμές μεταξύ 0.0 και του 1.0. Ένα φυσικό αντικείμενο με συντελεστή 1.0 είναι ένας τέλειος πομπός θερμικής ακτινοβολίας. Στο πραγματικό κόσμο δεν υπάρχει ο τέλειος πομπός κάτι που καθιστά ιδιαίτερα δύσκολη τη χρήση των θερμικών καμερών για ασφαλή εξαγωγή υψηλής ακρίβειας ποσοτικών μετρήσεων. Όλες οι σύγχρονες θερμοκάμερες έχουν ενσωματωμένους συντελεστές βασικών υλικών και οι πιο ακριβές επιτρέπουν στον χρήστη να θέσει και τον δικό του συντελεστή ανάλογα με το υλικό που φωτογραφίζει.
Ορθές Πρακτικές από τη μεριά του Χρήστη
Υπάρχουν μια σειρά από πολλές μεταβλητές που μπορεί να καταστρέψουν το αποτέλεσμα μιας θερμικής αποτύπωσης ή να το αναδείξουν. Ανάλογα την περίπτωση (εσωτερικοί – εξωτερικοί χώροι, θερμοκρασίες, γωνίες, προσπίπτουσα ακτινοβολία, υλικά) χρειάζεται αρκετή εμπειρία και βασική εκπαίδευση ώστε να πετύχουμε το βέλτιστο αποτέλεσμα. Ενδεικτικά αναφέρονται μερικές παράμετροι που μπορεί να επηρεάσουν το αποτέλεσμα μιας θερμικής αποτύπωσης.
Γωνία λήψης: Η σωστή γωνία λήψης αποτελεί βασική παράμετρο για την ακρίβεια της θερμικής εικόνας. Η σωστή θέση της κάμερας έχει σχέση με το υλικό που φωτογραφίζουμε. Σε ένα υψηλής ανάκλασης υλικό όπως τα πλακίδια μπάνιου, είναι πιθανό να μετρήσουμε τη δική μας ανάκλαση πάνω σε αυτά όταν η κάμερα είναι εμπρός μας και κάθετη στα πλακίδια.
Θερμή και ψυχρή εξωτερική επίδραση: Θα πρέπει η θερμική εικόνα να μην επηρεάζεται από την ύπαρξη αλλοιώσεων που οφείλονται σε εξωγενείς παράγοντες που επιδρούν στην επιφάνεια που φωτογραφίζουμε. Για παράδειγμα, η θερμική εικόνα ενός τοίχου που πέφτει πάνω του ο ήλιος ή φυσάει πάνω του ένα κλιματιστικό.
Σε περιπτώσεις που θέλουμε να συγκρίνουμε 2 διαφορετικά στιγμιότυπα, θα πρέπει η εξωτερική θερμοκρασία των λήψεων να είναι το δυνατόν ίδια και η κάμερά μας να έχει τον ίδιο συντελεστή υλικού και στις 2 λήψεις.
Για περισσότερες πληροφορίες για τα προϊόντα θερμικών καμερών, τις εφαρμογές τους καθώς και τον συνδυασμό τους με drones, επικοινωνήστε με την εταιρεία GeoSense στα τηλέφωνα 2310 953353 και 350 καθώς και επισκεφτείτε τον δικτυακό τόπο www.geosense.gr
Διαβάστε το 2ο Μέρος του άρθρου : “Θερμικές Κάμερες. Χαρακτηριστικά και Εφαρμογές τους στα Drones.”