Måling av termisk synstemperatur (radiometriske) Kameraer: Teknologi, teori og applikasjoner

Innhold

1. Grunnleggende teori og teknologier

2. Målepresisjonskontroll

3. Ulike temperaturområder (gir)

4. Måling av høyhastighets temperatur

5. Industrielle applikasjoner

6. Andre interessante emner

1. Grunnleggende teori og teknologier

Blackbody Radiation Theory

• Blackbody: Et teoretisk objekt som absorberer all innfallende stråling og avgir energi basert på dens temperatur.
• Plancks lov: Beskriver den spektrale utstrålingen til en svartkropp som en funksjon av bølgelengde og temperatur.

Hvor:

B (λ, T): Spektral utstråling.

λ: bølgelengde.

T: Absolutt temperatur.

H: Plancks konstant.

C: Lyshastighet.

K: Boltzmann konstant.

• Stefan-Boltzmann Law: Sier at den totale energien som er strålende av en svartkropp er proporsjonal med den fjerde kraften til dens absolutte temperatur.

Hvor:

E: total energi utstrålt.

σ: Stefan-Boltzmann konstant

T: Absolutt temperatur.

(Blackbody Radiation Chart, fra Wikipedia)

(Blackbody Color by Theory, fra Wikipedia)

Nøkkelteknologier

• Langbølge infrarød (LWIR):

Opererer i 8–14 um bølgelengdeområdet.

Ideell for å måle temperaturer fra -20 grad til 1000 grad.

Ofte brukt i industrielle og medisinske anvendelser.

• Midtbølge (mwir) /Shortwave (SWIR)/ Nær (nir) infrarød:

Opererer i 3–5 um eller til og med kortere (SWIR, NIR) bølgelengdeområde.

Passer for målinger av høye temperaturer (opptil 3000 grader).

Brukt i applikasjoner som forbrenningsanalyse og romfart.

• Quantum Well Infrared Photodetectors (QWIP):

Avansert detektorteknologi ved bruk av kvantebrønner for å forbedre følsomheten.

Tilbyr høy oppløsning og nøyaktighet, spesielt i MWIR.

2. Målepresisjonskontroll

• Emissivity

Definisjon: Emissivity (ε) er forholdet mellom strålingen som sendes ut av et objekt til strålingen som sendes ut av en svartkropp ved samme temperatur.

• Emissivitetsverdier:

Perfekt Blackbody: ε = 1.

Ekte gjenstander: ε <1 (varierer etter materiale og overflatetilstand).

(Et eksempel Emmisivity Table of Common Objects)

Parameterinnstillinger under måling

Emissivitetsinnstilling:

• Juster kameraets emissivitetsinnstilling for å matche materialet som måles.
• Feil emissivitetsinnstillinger kan føre til unøyaktige temperaturavlesninger.

Reflektert temperatur:

• Regnes for infrarød stråling reflektert av gjenstanden fra omgivelsene.
• Viktig for skinnende eller reflekterende overflater.

Avstand og atmosfæriske forhold:

• Still avstanden mellom kameraet og objektet.
• Juster for atmosfæriske faktorer som luftfuktighet og lufttemperatur.

Kalibrering ved bruk av BlackBody

Blackbody: En enhet med en kjent og innlagt strålingstemperatur, som brukes til å kalibrere termiske kameraer, og for å eskalere måleresultatpresisjonen.

Kalibreringsprosess:

• Pek kameraet på Blackbody.
• Juster kameraets avlesninger for å matche Blackbody's temperatur.
• Sikrer nøyaktige temperaturmålinger i applikasjoner i den virkelige verden.

(En typisk svartkropp som brukes til kalibrering)

3. Ulike temperaturområder (gir)

Nedenfor er grove divisjonsgir, som ofte brukes i den radiometriske applikasjonen.

• Lav/vanlig temperaturområde (-20 grad til 100 grader -200 grad): Brukes i HVAC, bygningsinspeksjoner og medisinske applikasjoner.
• Middels temperaturområde (150 grader til 500 grader): Vanlig i industrielle prosesser som elektronikkproduksjon og matprosessering.
• Høytemperaturområde (500 grader til 3000 grader):

     Underutstyr1: (500 grader til 1000 grad): Bruk i plast / glassproduksjon / lavtmelkpunktmetallurgi

     Underutstyr 2:(1000 grader til 3000 grader): Brukt i metallurgi (f.eks) jern og romfart.

• Spesielt utstyr:Menneskets kroppstemperatur

Under Covid -19 pandemien ble radiometriske termiske kameraer mye brukt forFeber screening. Disse kameraene måler hudtemperatur (typisk 30 grader til 40 grader) med høy presisjon, noe som muliggjør rask og ikke-kontakt screening, og brukerBlackbody -kalibreringFor å oppnå en veldig høy presisjon (rundt ± {{0}}. 1 grad - ± 0,01 grad @ 2m -20 m avstand).

I løpet av den pandemiske perioden har imidlertid nye teknologier blitt fremstilt og oppfunnet med avansert algoritme, hvor det gjør måleprosessen uten Blackbodys kalibreringshjelp, for å kutte ned prisen og forbedre den virkelige applikasjonsopplevelsen.

Radiometriske kameraer støtter vanligvis en eller to (under-) gir blant de ovennevnte områdene, på grunn av den forskjellige måleteknologien som ble brukt og måle resultat presisjonskontroll.

4. Måling av høyhastighets temperatur

Applikasjoner

1). Høyhastighetstog:

• Bremsesystemer: Overvåk temperaturer for bremseskiven for å forhindre overoppheting og sikre sikkerhet.
• Hjullager:Oppdage unormale varmesignaturer som indikerer slitasje eller svikt.

2). Flygende fugler:

• Økologisk forskning: Studer de termiske signaturene til fugler på flukt for å forstå deres energiforbruk og atferd.
• Bevaring:Overvåk fuglebestander og migrasjonsmønstre.

3). Blanding av forskjellige temperaturvæsker:

• Industrielle prosesser: Analyser temperaturfordeling og blandingseffektivitet i kjemiske reaktorer eller matprosessering.
• Forske: Studer varmeoverføring og væskedynamikk i sanntid.

4). Automotive testing:

• Motorkomponenter:Overvåk temperaturen til stempler, eksosanlegg og turboladere under høyhastighets testing.
• Aerodynamikk: Studer varmefordeling på kjøretøyoverflater for å optimalisere design.

5). Luftfart:

• Rakettmotorer: Overvåk forbrenningstemperaturer under testfyringer.
• Flykomponenter:Oppdag overoppheting i motorer, bremser og avionikk.

Utfordringer

• Bildefrekvens: Applikasjoner med høy hastighet krever kameraer med høye bildefrekvenser (f.eks. 60 Hz eller høyere).
• Databehandling: Rask temperaturendringer krever avanserte algoritmer for nøyaktig måling.
• Romlig oppløsning: Kameraer med høy hastighet må opprettholde tilstrekkelig oppløsning for å fange fine detaljer.

5. Industrielle applikasjoner

1). Glass/plastproduksjon

• Smeltet glassstemperaturkontroll: Radiometriske kameraer overvåker temperaturen på smeltet glass (opptil 1500 grader) for å sikre jevn kvalitet i glassflaskeproduksjon.Presis temperaturkontroll forhindrer defekter som sprekker eller bobler.

2). Elektronikkproduksjon

• PCB -inspeksjon:Termiske kameraer oppdager overopphetingskomponenter på trykte kretskort (PCB) under testing.Dette hjelper til med å identifisere feil komponenter og forbedre produktets pålitelighet.

3). Energisektor

• Inspeksjon av solcellepanel: Termiske kameraer identifiserer hot spots i solcellepaneler, noe som indikerer potensielle defekter eller ineffektivitet.
• Monitoring av strømlinje: Oppdager overoppheting i kraftledninger og transformatorer for å forhindre feil.

4). Matbehandling

• Temperaturovervåking: Sikrer riktig matlaging, kjøling og lagringstemperatur for å opprettholde matsikkerhet og kvalitet.

6. Andre interessante emner

1). Medisinske applikasjoner

• Feber screening: Radiometriske kameraer ble mye brukt under Covid -19 pandemien for ikke-kontakt temperaturmåling.
• Sårheling: Termisk avbildning overvåker blodstrømmen og betennelsen i sår for å vurdere helbredende fremgang.

2). Miljøovervåking

• Wildlife Research: Termiske kameraer sporer dyrebevegelser og studerer deres termiske oppførsel.
• Deteksjon av skogbrann: Oppdager varmesignaturer fra skogbranner, noe som muliggjør tidlig intervensjon.

3. Bilindustri

• Motorestesting: Termiske kameraer overvåker motorkomponenter for overoppheting under testing.
• Bremsesystemanalyse: Måler bremseskivemperaturer for å optimalisere ytelse og sikkerhet.

4. Vitenskapelig forskning

• Materialanalyse: Studerer de termiske egenskapene til materialer under forskjellige forhold.
• Luftfart: Overvåker den termiske ytelsen til romfartøy og flysomponenter.