تکنولوژی ترموگرافی و کارکرد دوربینهای حرارتی
دوربین های ترموگرافی یا دوربینهای حرارتی از تکنولوژی تصویربرداری استفاده میکنند که اجسام را بر اساس تابش حرارتی آنها به تصویر می کشند. این دوربینها انواع تغییرات حرارتی را در قالب نقشههای حرارتی نشان میدهند، که شدت رنگها نشاندهندهی سطوح گرمای ساطع شده از اجسام است. کاربرد اصلی آنها بر مبنای تشخیص و نمایش تغییرات دمایی در اجسام، جستجوی مشکلات و نقص های حرارتی در جهت بهینه سازی مصرف انرژی، جلوگیری از حوادث ناشی از نقصهای حرارتی در صنایع، حفاظت و امنیت، تشخیص بیماریها در پزشکی و غیره است.
تصاویر حرارتی در دوربینهای ترموگرافی به واسطه تکنولوژی تشدید حرارتی تولید میشوند. این تکنولوژی بر اساس تابش حرارتی اجسام عمل میکند. اجسام و محیطها در اطراف ما به صورت طبیعی انرژی حرارتی از خود تابانده و جذب میکنند. هر جسم در دمایی مشخص قرار دارد و این دما نشان دهندهی میزان حرارت آن است.
دوربینهای ترموگرافی با استفاده از سنسورهای حرارتی یا مادون قرمز، این تابش حرارتی را تشخیص میدهند و آن را به تصویر در میآورند. در این تصاویر، هر رنگ نمایانگر دمایی مختلف است. به عنوان مثال، معمولاً نقاط گرمتر با رنگهای قرمز یا سفید نمایش داده میشوند و نقاط سردتر با رنگهای آبی یا مشکی نشان داده میشوند. در برخی دوربین های ترموگرافی مانند تستو این پالت رنگی به راحتی قابل تغییر و انتخاب است.
پالت رنگ
پالت به معنی تخته است و اصطلاحاً به تخته ای گفته میشود که نقاشها برای مخلوط کردن و تهیه رنگ مورد نظر برای تابلوهای نقاشی از آن استفاده میکنند در بازرسی ترموگرافی نیز به دلیل اینکه الگوی توزیع حرارت متناسب با توزیع رنگ پردازش و آشکارسازی میشود میتوان با استفاده از طیف رنگهای مختلف میزان گویا بودن وضعیت توزیع دما را در تصویر حرارتی بهبود بخشید گزینه پالت روی منوی دوربین و نرم افزار تحلیل تصاویر به همین منظور قرار داده شده است. ملاک انتخاب پالت در آنالیز تصاویر حرارتی تا حد زیادی سلیقه ای و یا به عبارتی تجربی است؛ اما واضح است برخی پالت ها برای بعضی موضوعات و اهداف و نماهای خاص مناسب تر هستند سه تصویر ترموگرام زیر از یک تجهیز و با مشخصات و تنظیمات یکسان گرفته شده ولی با سه پالت متفاوت نمایش داده شده است.

بررسی اجزای داخلی دوربینهای ترموگرافی و نقش هر قسمت در تصویربرداری
در دوربینهای ترموگرافی، اجزای داخلی مختلفی به منظور تصویربرداری حرارتی بکار میروند:
سنسور حرارتی
این قسمت مسئول تشخیص تابش حرارتی اجسام است و اطلاعات حرارتی را به تصویر تبدیل میکند.
برای ساخت سنسورها در اندازه گیری دما به روش غیر تماسی از عناصری استفاده میشود که به تابش حرارت مادون قرمز حساس هستند مقاومت الکتریکی چنین عناصری با دریافت پرتو حرارتی تغییر یافته و چنانچه به عنوان بخشی از یک مدار الکتریکی ،باشند تغییرات مقاومت آنها در عملکرد مدار الکتریکی تأثیر میگذارد از چنین خاصیتی در طراحی و ساخت دتکتورهای مادون قرمز که در دوربینهای ترموگرافی به کار رفته استفاده شده است.
بیشترین پیشرفتهای حاصل شده در طراحی و ساخت دتکتورهای مادون قرمز روی دو نوع دتکتور آرایه فاصله کانونی و آرایه نردبانی یا پلکانی (SAD بوده است با جایگزین شدن دتکتورهای آرایه ای به جای دتکتورهای تک المانی ، تکنولوژی ساخت دتکتورها دگرگون شد در تکنولوژی ساخت دتکتورهای آرایه ای تعداد زیادی از دتکتورها در کنار هم قرار داده میشوند و بدین ترتیب هر دتکتور میتواند دمای بخشی از سطح مورد نظر را سنجش نماید تعداد دتکتورهای قرار گرفته در هر آرایه بیانگر میزان کیفیت یا رزولوشن دوربین ترموگرافی است به عنوان مثال با قرار دادن تعداد ۴۸۰۰ عدد دتکتور در کنار هم به رزولوشن ۸۰ ۶۰ دست مییابیم که این مقدار رزولوشن در بین دوربینهای نسل جدید رزولوشن نسبتاً پایینی است.
با افزایش فوق رزولوشن دوربین دقت و کیفیت تصویر نشان داده شده توسط دوربین نیز افزایش مییابد از طرف دیگر با افزایش رزولوشن دتکتور قیمت دوربین نیز به میزان قابل ملاحظه ای افزایش خواهد یافت مقدار رزولوشن مناسب برای کاربردهای صنعتی و بازرسی های روتین پایش وضعیت مقدار 320 240 است با انجام فوکوس دقیق انتخاب زاویه و فاصله مناسب از هدف با این مقدار رزولوشن میتوان تصاویر نسبتاً واضح و دقیقی ثبت نمود.


زوم و فوکوس
لنزها در دوربینهای ترموگرافی برای کنترل و تنظیم میزان تابش حرارتی و تمرکز نور استفاده میشوند.
برخی سازندگان دوربینهای ترموگرافی برای جلوگیری از تحمیل هزینه های اضافی جهت تأمین لنزهای مختلف لنزهایی با قابلیت تغییر زوم ارائه نموده اند عملکرد زوم در سیستمهای اپتیک مانند دوربینهای دیجیتال با کاهش نوسان تقویت کننده خروجی اسکنر دوربین انجام میشود این عملکرد باعث متمرکز شدن میدان دید دوربین در یک ناحیه محدود و در نتیجه ارائه جزئیات بیشتر از جسم مورد نظر خواهد شد. در واقع با انجام عملیات ،زوم رزولوشن طیفی یا میزان تقویت کنندگی اپتیکال لنز تغییر کرده و با بهبود میزان وضوح شواهد و جزئیات بیشتری از تصویر ارائه میگردد در سیستم های زوم دیجیتال عملیات زوم در مقایسه با سیستمهای زوم اپتیکال اندکی متفاوت است. در این سیستم ها که عملیات زوم به صورت الکترونیکی انجام میشود ناحیه ای از هدف که در صفحه نمایش دوربین قرار دارد به اصطلاح Expand یا باز میشود و با محدودتر شدن میدان دید موجب نمایش بزرگ تر تصویر خواهد شد.
در حال حاضر نمیتوان گفت دقت لنزهای موجود روی دوربینهای ترموگرافی به میزان ۱۰۰ است؛ زیرا اولاً عملیات زوم که توسط کاربر انجام میشود ممکن است با اندکی خطا همراه باشد، ثانیاً در برخی موارد به دلیل وجود فاصله زیاد از هدف احتمال دیده نشدن و از دست رفتن برخی جزئیات حرارتی وجود دارد. در چنین مواردی استفاده از لنز فاصله دور یا تله فوتو در کاهش احتمال خطا کمک زیادی خواهد کرد.
هر دو تصویر زیر با تنظیمات یکسان و از فاصله یکسان گرفته شده اند تصویری که اتصال معیوب ترانس با دمای ۱۰۴,۴۴۰ مشخص شده با لنز استاندارد و تصویر پایینی که بزرگتر بوده و جزئیات بیشتری از وضعیت عیب در آن آشکار شده و دمای اتصال معیوب ۱۲,۶۳ به ثبت رسیده با لنز تله فوتو گرفته شده است. همان طور که در جزئیات تصاویر مشخص شده استفاده از لنز تله فوتو باعث شده تا علاوه بر افزایش دقت دما در حدود C جزئیات بیشتری از الگوی حرارتی و محل دقیق عیب در تصویر ثبت شده با لنز تله فوتو آشکار گردد.

راه حل مناسب دیگر کم کردن فاصله دوربین از هدف است که البته بایستی با رعایت موارد ایمنی انجام شود. انجام فوکوس تصویر با هدف کانونی کردن با قرار دادن دقیق تصویر روی کانون لنز و دتکتور انجام میشود هر قدر هنگام فوکوس کردن روی تصویر دقت بیشتری اعمال گردد جزئیات دمایی و الگوی حرارتی آشکار شده روی صفحه نمایش دقیق تر خواهد بود.


طول موج کوتاه و طول موج بلند مادون قرمز
پرتو مادون قرمز در مطالعات و محاسبات انتقال حرارت بر اساس طول موج به چهار دسته تقسیم میشود که شماتیک ساده ای از آن در زیر نشان داده شده است. در این دسته بندی فقط دو محدوده طول موج کوتاه و طول موج بلند از باند مادون قرمز است که به میزان بیشتری کاربردی است. در طبقه بندی دوربینهای ترموگرافی نیز پارامتر طول موج از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده و یکی از پارامترهای فنی دوربین است که در برگه اطلاعات و مشخصات فنی آنها درج می گردد.
دوربینهای ترموگرافی در مقایسه با دوربینهای عکاسی و فیلم برداری دیجیتال به دلیل بالا بودن تکنولوژی ساخت پیچیدگی عملکرد و گستردگی کاربرد دارای قیمت بالاتری هستند. اصلی ترین و گران قیمت ترین المانهای دوربینهای ترموگرافی دتکتور و لنز آنها است لنز هر دوربین ترموگرافی منحصر به همان دوربین بوده و امکان نصب آن روی دوربین دیگر حتی با مدل و مشخصات مشابه وجود ندارد.
دوربینهای ترموگرافی معمولاً در دو نوع کلی با طول موج کوتاه (3-6µm) و بلند (8-14µm) ساخته میشوند امکان نصب لنزهای با طول موج کوتاه روی دوربینهای با طول موج بلند وجود ندارد؛ زیرا هر یک از این لنزها در حیطه طول موجی که دریافت میکنند قابلیت دریافت سایر طول موجها را ندارند. از طرف دیگر برای تولید کنندگان دوربینهای ترموگرافی نیز ساخت دوربینهایی که هر دو طول موج بلند و کوتاه را پشتیبانی نماید مقرون به صرفه نیست سازندگان دوربینهای ترموگرافی امروزی عمدتاً دوربینهای با طول موج بلندی ارائه میکنند که به دتکتورهای بدون نیاز به خنک کاری مجهز هستند و راندمان و کیفیت آنها نیز روز به روز در حال بهبود است. سازندگان بر این باورند که دوربینهای ترموگرافی با طول موج بلند دارای مشخصات عملکرد و راندمان بهتری در کاربردهای عمومی و صنعتی نسبت به مدلهای مشابه با طول موج کوتاه هستند.
البته یادآوری این نکته ضروری است که دوربینهای با طول موج کوتاه نیز دارای کاربردهای انحصاری و خاصی هستند که انجام آنها با دوربینهای با طول موج بلند امکان پذیر نیست. در شکل زیر منحنی پلانک رابطه بین دما و طول موج را به خوبی نمایش داده است با توجه به منحنی در مقادیری که دوربینهای با طول موج کوتاه حساسیت بیشتری به میزان انرژی حرارتی بالا دارند، دوربینهای با طول موج بلند حساسیت کمتری از خود نشان میدهند.

با وجود اینکه دوربینهای ترموگرافی ابزارهای مناسبی برای ارزیابی الگوهای حرارتی و بررسی مقادیر دما هستند؛ اما انتخاب دوربین ترموگرافی متناسب با محدوده دمایی مورد نیاز یکی دیگر از مهمترین عوامل تأثیر گذار در دقت و صحت نتایج بازرسی به شمار میرود دوربینهای با طول موج کوتاه حساسیت قابل قبولی در دریافت انرژی حرارتی زیاد از سطوح داغ را دارند و این دوربینها برای بازرسی سطوح و تجهیزات دمای بالا صنایع ذوب ریخته گری …. مناسب تر هستند. از دیگر کاربردهای مهم دوربینهای با طول موج کوتاه در تشخیص نشت گاز در تجهیزات فرایندی مانند صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و پالایشگاه است که انجام اینگونه ارزیابیها با دوربینهای با طول موج بلند امکان پذیر نیست؛ اما به کارگیری این دوربینها در ترموگرافی محیطهای باز مانند تجهیزات هوایی خطوط انتقال برق بررسی پوشش عایقی تجهیزات فرایندی و موارد مشابه با مشکلاتی همراه است. دوربینهای ترموگرافی با طول موج بلند حساسیت کمتری نسبت به مقادیر دمای کم داشته و الگوی حرارتی و مقادیر دمای دقیق تری را در این طول موج ارائه میدهند این دوربینها ابزارهای مناسبی در ترموگرافی محیط باز بوده و در مقایسه با دوربینهای با طول موج کوتاه حساسیت کمتری نسبت به انعکاس دارند.
حساسیت حرارتی:
حساسیت حرارتی به کوچکترین اختلاف دمایی اشاره دارد که دوربین تصویربرداری حرارتی قادر به تشخیص و ثبت آن است. به عنوان مثال، دوربینی که حساسیت ۰٫۰۵ درجه را نشان میدهد به این معنی است که میتواند تفاوت بین دو سطح را با اختلاف دمای پنج صدم درجه تشخیص دهد.
همچنین محدوده دمایی دوربین تصویربرداری حرارتی را نیز هنگام انتخاب در نظر داشته باشید. محدوده دمایی حداقل و حداکثر دمایی که دوربین میتواند اندازهگیری کند را مشخص میکند. محدوده دمای معمولی منفی ۱۵ درجه سانتیگراد تا ۱۲۰۵ درجه سانتیگراد است.
فیلتر حرارتی
این فیلتر، تابش نور قابل رویت را حذف میکند و فقط امواج مادون قرمز را به سنسور میرساند.
تصویربرداری و پردازش
اطلاعات حرارتی از سنسور توسط واحد تصویربرداری به تصویر تبدیل شده و در فرمتهای مختلفی ذخیره میشود.
نمایشگر
تصاویر حرارتی روی نمایشگر دوربین به کاربر نمایش داده میشود تا بتواند تغییرات دمایی محیط را ببیند و تحلیل کند.