Termokaamera

Termokaamera (ka infrapunakaamera, soojuskaamera ja termograafiline kaamera) on seade, mis sarnaneb tavalise digitaalkaameraga, kuid kasutab nähtava valguse diapasooni asemel infrapunadiapasooni, et kujutist moodustada. 

Termokaamerates kasutatakse lainepikkust 0,8–14 mikromeetrit. Termokaamerate kasutusvaldkonda nimetatakse termograafiaks.

Ajalugu

Eellugu

Tänu mitmele kuulsale teadlasele sai alguse tänapäeval väga laialt kasutatav haru termograafia. 1672. aastal avastas Isaac Newton, et värvid ei ole ainult heleda ja tumeda segu. Ta suunas päikesekiire läbi klaasprisma ekraanile. Seetõttu sai ta jälgida seda, et päikesevalgus sisaldab eri värve: lilla, sinine, roheline, kollane, oranž ja punane. Newton järeldas sellest, et valgus koosneb eri "tüüpidest" (meile teada kui lainepikkused).

Järgmise suurema avastuse autor oli Sir Frederick William Herschel, kes 1800. aastal avastas infrapunakiirguse. Asetades igasse värviribasse termomeetri ning tehes seda ka värvide äärealades, leidis ta, et temperatuurid tõusid sinisest värvist punase poole. Liikudes punasest edasi (inimesele nähtamatus osas), oli temperatuur veelgi kõrgem. Herschel järeldas sellest, et nähtamatu energia osa selles piirkonnas peab tegema tööd ning et päike kiirgab "nähtamatut" kiirgust nähtavast valguse piirkonnast väljaspool. Ta nimetas selle kiirguse "ultrapunaks" (meile tuntud kui "infrapuna").

19. sajandi teisel poolel avastati, et soojuskiirgus ja teised elektromagnetilised lained, näiteks nähtav valgus või raadiolained, olid olemuselt sarnased. Sellele järgnes kiirituse seaduse avastamine Kirchhoffi, Stefani, Boltzmann, Wieni ja Plancki poolt .

Termokaamerate kasutuselevõtt

Termokaameraid kasutas kõigepealt Korea sõjas Ameerika Ühendriikide sõjavägi, et jälgida vastaseid. Neid hakati hoogsalt välja töötama 1970. aastatel, mil valitsused (eriti Ameerika Ühendriigid ja Prantsusmaa) hakkasid investeerima termokaamerate uurimisse ja arendamisse. Eesmärgiks oli tõsta nende kvaliteeti ja vähendada suurust, et saada eelis lahinguväljal. Esimesed termokaamerad olid viletsa töökindlusega ja lühiealiseks kasutamiseks. Esialgu oli suurim termokaamerate tootja ja arendaja Rootsi firma Agema, millest hiljem kasvas välja suurim termograafiakontsern Flir Systems. Teiste tootjate seas on Raytek, mis arendab just tööstuslike infrapunatermomeetrite ja portatiivsete infrapunatermomeetrite tootmist ja tehnoloogiat. Nüüdseks kuulub Raytek ühte maailma suurimasse korporatsiooni Fluke. Fluke on oma kaubamärgi alla koondanud sellised termokaamerate ja infrapunatermomeetrite tootjad ja arendajad nagu Irtec, Raytek, Infrared Solutions, Hawk International.

Infrapuna termograafia ja termomeetria füüsikalised elementaartõed 

Infrapuna termograafia põhimõte põhineb füüsikalisel nähtusel, et iga keha, mis on temperatuurilt üle absoluutse nulli (−273,15 °C), kiirgab elektromagnetilist kiirgust. Seal on selge seos keha pinna ja keha kiirguse intensiivsuse ja spektraalkompositsiooni vahel. Määrates kindlaks objekti kiirguse intensiivsuse, saame seega kokkupuuteta määrata objekti temperatuuri.

Elektromagnetilise spektri piirkond 
Infrapunakiirgus on osa elektromagnetilisest spektrist, mis on vahetult külgnev punasele valgusele (umbkaudu 760 nm), hõlmab nähtava spektri pikalainelise osa ning ulatub umbes 1 mm lainepikkuseni. Lainepikkuse ulatus 1–20 μm-ni on tähtis temperatuuri mõõtmise juures IR-termomeetritega ja termokaameratega.

Mõõteprintsiibid 
Infrapunaenergiat kiirgavad kõik materjalid üle 0 °K. Infrapuna osa spektrist ulatub lainepikkuselt 0,7–1000 mikromeetrini. Selle laineala piirides, ainult sagedusi vahemikus 0,7–20 mikronit, kasutatakse praktilisteks-igapäevasteks temperatuuri mõõtmisteks. See on sellepärast, et käesoleval ajal toodetavad IR-andurid ei ole piisavalt tundlikud tabamaks väga väikesi energiakoguseid 20 mikronist kaugematel lainepikkustel. Kuigi IR-kiirgus ei ole nähtav palja silmaga, kehtivad ka selles piirkonnas sellised mõõteprintsiibid nagu nähtavas valgusalas. Infrapunaenergia kandub sirge joonena allikast ning võib peegelduda või neelduda materjalide pindadesse, mis jäävad kiirguse teele ette. Keha poolt neeldunud energiast osa taaskiirgab ning osa peegeldub seespidiselt. See kehtib ka materjalide kohta, mis on silmale läbipaistvad, gaasid ning õhukesed läbipaistvad plastid, kuid lisaks läheb osa IR energiast läbi keha. Osa materjalide korral läbib aga IR-kiirgus selle materjali. Selliseid materjale kasutatakse käesoleval ajal termokaamerate ja IR-termomeetrite läätsedes. Nendeks on teatud liiki plastkiled (plastist Fresneli läätsed), looduslik vilgukivi, Amtir-safiir. Materjalid, mis ei peegelda ega anna edasi infrapuna energiat, kutsutakse mustkehadeks ning teadaolevalt looduslikult neid ei eksisteeri. Teoreetiliste arvutuste otstarbeks on mustkehale omistatud väärtus 1.0. Lähim lähend mustkeha kiirgusele, mida leidub päris elus, on IR läbipaistmatu, ümmargune õõnsus väikese torukujulise sissepääsuga. Sellise sfääri sisepinna kiirgustegur oleks 0,998.

Eri tüüpi materjalidel ja gaasidel on erinevad kiirgustegurid ning seetõttu on nende infrapunakiirgus erineva tugevusega antud temperatuuril. Materjali või gaasi kiirgustegur on funktsioon selle molekulaarstruktuuri ja pinna iseloomust. Enamus kattevärvidel on sama emissioonitegur kui materjalil endal. Metalle sisaldavate värvide emissioonitegur on tunduvalt erinev, eriti alumiiniumil. Mida läikivam on metall, seda väiksem on selle materjali emissioonitegur (näiteks: nikkel, kroom, poleeritud vask). Osa metallide emissioonitegur muutub termilise töötlemise käigus (alumiinium ja vask). Analoogia võib siinkohal tuua nähtava valgusega: mida rohkem lihvitud pinnad on, seda rohkem IR-energiat pinnas peegeldab. Materjali pinna omadused mõjutavad seega pinna emissioonitegurit. Temperatuuri mõõtmisel on see kõige nähtavam mattide infrapunamaterjalide korral, millel on loomupäraselt madal emissioonitegur. Seega eriti poleeritud roostevaba terase tükil on märksa madalam emissioonikiirgus kui samasugusel karedal töödeldud pinnasel. See on seetõttu, et masintöötlemisel tekkinud süvendid ennetavad suurema osa IR-energia peegeldumist. Lisaks molekulaarstruktuurile ja pinna seisundile, tuleb mängu ka kolmas tegur: see on anduri enda tundlikkuse piirkond mingis lainealas ehk spektraalalas. Nagu märgitud, ainult IR lainepikkusi vahemikus 0,7–20 mikronit kasutatakse praktiliselt temperatuuride mõõtmiseks. Seni ei ole tehnoloogia veel nii kaugele jõudnud, et andurid hõlmaksid kogu infrapunaspektrit. Seetõttu mõõdavad nad kitsamat spektraalala, näiteks 0,78–1,06 või 4,8–5,2 mikronit. See piirkond sõltub anduri materjali füüsikalistest omadustest, fototundlikust pinnast, filtritest nende ees jne. Kuni 2 μm lainepikkusega andureid kasutatakse sulametallide ja kõrgetemperatuuriliste rakenduste korral. Klaasi ja plasti rakenduste korral kasutatakse 4–7,5 μm lainepikkusega andureid. Üldistes rakendustes kasutatakse 8–14 μm lainepikkusega andureid.

Temperatuuri mõõtmine infrapunatehnoloogial põhinevate seadmetega

Valemid, millel põhineb infrapuna temperatuuri mõõtmine, on vanad, hästi tõestatud ja välja kujunenud. On enam kui selge, et kasutajad ei vaja mõõtmisteks valemeid, vaid oskust mõõta.

Tähtsamad valemid on järgmised:
 Kirchoffi seadus: kui objekt on soojuslikus tasakaalus, siis neelduva energia kogus võrdub kiiratava energia kogusega.
 Stephan Boltzmanni seadus: mida soojem on objekt, seda rohkem kiirgub infrapunakiirgust (soojuskiirgust).
 Wieni nihkeseadus: musta keha maksimaalse kiirguse lainepikkus on pöördvõrdeline selle temperatuuriga.
 Plancki seadus kirjeldab spektraalse emissiooniteguri, temperatuuri ja kiirgava energia suhet (kui musta keha temperatuur suureneb, kasvab sekundis kiiratava valguse hulk ning spektri lainepikkus muutub sinisemaks).

Termokaamera ülesehitus

Termokaamera on oma olemuselt nagu tavaline infrapunatermomeeter, kuid ühe anduri asemel on kaameral andurite maatriks. Mida suurem on elementide arv maatriksis sama pindala kohta, seda suurema teravusega on pilt. Termokaamerad sarnanevad seega paljuski digifotoaparaatidega. Tänapäevastes termokaamerates kasutatakse jahutuseta mikrobolomeeter lamemaatriksandureid (FPA – Focal Plane Array). Enamasti on nende maatriksite materjaliks vanaadiumoksiid (VOx).

Termokaamera koosneb läätsest, mida läbiv infrapunakiirgus koondatakse maatriksi (FPA) elementidele. Sealt edasi saadetakse kogutud info analoog-digitaalmuundurisse, kus maatriksilt saadud pingenivood muundatakse digitaalkoodiks. Edasi töötleb videoprotsessor saadud informatsiooni inimesele vastuvõetavale kujule ning saadab info edasi LCD-ekraanile termopildi kujutisena. Kokkuleppeliselt on kujutisel valitavad erinevad värvipaletid (mingile temperatuurile vastab teatud värv inimsilmale nähtavas piirkonnas). Näiteks halliskaala (hallid toonid), rauapalett (sinised toonid esindavad jahedamaid temperatuure ja punased kuumemaid), vikerkaar, kuum metall jne.

Termokaamerad on tavaliselt kas madala resolutsiooniga (160×120 või 60×60, 80×80), keskmise resolutsiooniga (320x240) või kõrge resolutsiooniga (640×480, 1024×768). Mida suurem on pikslite arv, seda teravam on pilt ning seda täpsemini on võimalik eristada uuritava objekti anomaaliaid.

Üheks termokaamerate omaduseks on vaateväli (FOV – field of view), mis näitab millise nurga all toimub uuritava objekti pildistamine. Enamasti on selleks kuni 25° horisontaalselt. Tähtis parameeter termokaamerate juures on veel termotundlikkus, mis näitab, kui teravalt suudab kaamera eristada võimalikult väikesi temperatuurierinevusi objektil. Enamasti on selleks suuruseks 50...250 mK (0,05...0,25 °C). Suurema osa rakenduste jaoks piisab 100 mK tundlikkusest. 5 °C temperatuuririba laiuse korral on juba vajalik 70 mK, kuna nii kitsas ribas ei suudaks 100 mK tundlikkusega detektor kõiki temperatuuri nüansse eristada.

Tänapäevastel termokaameratel on mitmeid lisafunktsioone, mis aitavad paremini saada ülevaadet uuritavast objektist. Objektist on võimalik teha videot, kus jälgitakse objekti temperatuurilisi muutusi ajas. Osa termokaameratel on lisaks termopildile võimalik teha tavaline värvi-digitaalfoto ning sellele fotole kanda uuritava objekti termopilt. Tarkvaraga on võimalik termopilte töödelda: kanda peale isoterme (sama temperatuuriga piirkondade eristamine), kriitiliste punktide väärtusi, eristada uuritavaid piirkondi, koostada histogramme ja 3D-pilte jne.

Rakendused

Tööstuslik/elektriline 
Pidevate protsesside tootmiskvaliteedi jälgimine, kütte- ja jahutussüsteemide jälgimine, elektrisüsteemide jälgimine (ülekuumenenud kontaktid alajaamas, ülekoormused), suuremate probleemide ennetamine (nt mootorite laagrite kontroll ja väljavahetamine enne rikke tekkimist).

Küte ja ventilatsioon 
Hoonete küttesüsteemide balansseerimine (ühtlase temperatuuri häälestus eri ruumides), hoonete soojuskadude avastamine (külmasildade ja soojalekete avastamine), niiskuskollete avastamine (niiskuskolded on tavaliselt madalama temperatuuriga).

Toiduainete ohutus 
Külmutatud ja kuumutatud toiduainete kontroll ja jälgimine nii tootmisel, ladustamisel, transportimise kui ka riknevuse jälgimisel (normaalse toiduaine temperatuur erineb riknenud toiduaine temperatuurist), temperatuuride ühtluse jälgimine (toote ühtlase kvaliteedi tagamine).

Autotööstus-liiklusohutus 
Uuematel autodel on paigaldatud termokaamerad, mis avastavad pimedas liiklemisel ulukeid ja teel liiklevaid jalgrattureid, asfaldi temperatuuri kontroll paigaldamisel (asfaldi paigaldustemperatuur peab olema vahemikus 160–180 °C). Autode värvimise temperatuuri mõõtmine kvaliteedi tagamiseks. Vormelitel autoratta laagrite ja velgede temperatuuride mõõtmine (näha ülekuumenemist), automootori silindrite, laagrite, autorataste-velgede efektiivsuse märkamine.

Sõjavägi, tuletõrje 
Vaenlase avastamine pimedas, inimese jälgede märkamine, tuletõrjes inimeste ja tulekollete avastamine ning hilisemate tulekollete avastamine.

Veterinaaria-põllumajandus  
Hobuste ja traavlite liigese- ja lihasepõletike avastamine, kasvuhoonete pinnase õige temperatuuri reguleerimine.

Meditsiin  
Termokaameraid kasutatakse varajaste eelkliiniliste diagnooside määramiseks. Meditsiinilised termograafiavahendid koosnevad enamasti kaamerast, arvutiprogrammist ja monitorist. Programmi kaasabil on võimalik eristada soovitud piirkondi, neid suurendada, lisada isoterme, lisada mingitele piirkondadele temperatuuri maske, lisada mingitele punktidele pildil temperatuuriväärtused jne. Enamasti on meditsiinilised infrapunarakendused mõõtepiirkonnas +10...– 55 °C, täpsusega 0,1 °C. Termograafia meditsiinilised rakendused on laiaulatuslikud, eriti reumatoloogia, neuroloogia, onkoloogia, füsioteraapia ja spordimeditsiini valdkonnas.

Viited

Mõõteriistad