دوربین حرارتی چیست؟

 آشنایی با دوربین حرارتی

دوربین حرارتی یا ترموویژن، یک دستگاه الکترونیکی دستی با صفحه‌نمایش یکپارچه است که انرژی گرمایی را تشخیص می‌دهد. دوربین‌های حرارتی مجهز به حسگرهای حرارتی و لنز ویژه‌ای هستند که می‌توان با فناوری استاندارد ثبت تصویر از آن استفاده کرد. سپس مهندسان می‌توانند منابع گرما یا مناطقی با دمای اضافی را به‌سرعت شناسایی نمایند. ما فقط می‌توانیم بخش کوچکی از طیف الکترومغناطیسی را ببینیم (نور مرئی). حسگرهای روی دوربین‌های تشخیص حرارتی به کاربران این امکان را می‌دهند که طیف مادون‌قرمز بین نور مرئی و امواج مایکروویو را مشاهده کنند که در غیر این صورت نامرئی است.

تصویربرداری حرارتی یک تکنیک پیچیده و غیرمخرب است که از فناوری مادون‌قرمز برای تشخیص انتشار گرما از اجسام مختلف استفاده می‌کند. این فرآیند انرژی مادون‌قرمز را که برای چشم انسان نامرئی است به یک نمایشگر نور مرئی تبدیل می‌کند. انرژی مادون‌قرمز (IR) یا انرژی حرارتی از تمام اجسام بالاتر از دمای صفر مطلق ساطع می‌شود و تغییراتی که در این انتشار رخ می‌دهد، اساس تصویربرداری حرارتی است. از جمله بهترین برندهایی که در زمینه تولید دوربین حرارتی و ترموویژن می توان به آنها اشاره کرد فلوک، فلیر و تستو هستند.

 نحوه عملکرد دوربین حرارتی

در محیط‌های صنعتی، تصویربرداری حرارتی جزء حیاتی استراتژی‌های نگهداری پیشگیرانه است. با فعال‌کردن تشخیص الگوهای حرارتی غیرعادی، مانند موارد ناشی از اضافه‌بار یا خرابی‌های قریب‌الوقوع تجهیزات، تصویربرداری حرارتی می‌تواند به طور قابل‌توجهی کارایی و ایمنی عملیات را افزایش دهد. تصویربرداری حرارتی یک فناوری قدرتمند، همه‌کاره و فعال است که کاربردهای ضروری در صنایع مختلف است. این سیستم با ارائه تصویر واضحی از ناهنجاری‌های حرارتی، به تشخیص زودهنگام مشکلات احتمالی، به حداکثر رساندن راندمان عملیاتی، ایمنی و صرفه‌جویی در هزینه‌ها کمک می‌کند.

 یک تصویرگر حرارتی یا ترموگرام، خروجی بصری تولید شده توسط فرایندهای تصویربرداری حرارتی است. تصاویر حرارتی با استفاده از یک دستگاه تخصصی گرفته می‌شود که اغلب به‌عنوان دوربین حرارتی یا دوربین مادون‌قرمز شناخته می‌شود. تصاویر حرارتی مشخصاً با یک عکس معمولی متفاوت است. درحالی‌که عکس معمولی نور مرئی منعکس شده از اجسام را می‌گیرد، تصویر حرارتی سطوح مختلفی از تابش مادون‌قرمز ساطع شده توسط اشیاء را نشان می‌دهد.

 تفسیر یک تصویر حرارتی توسط یک پالت رنگ تسهیل می‌شود. جایی که هر رنگ محدوده خاصی از دما را نشان می‌دهد. به‌عنوان‌مثال، سایه‌های آبی اغلب دمای سردتر را نشان می‌دهند درحالی‌که سایه‌های قرمز نشان‌دهنده مناطق گرم‌تر است؛ بنابراین یک تصویر حرارتی یک نقشه دمایی دقیق از منطقه مورد بررسی را ارائه می‌کند و نقاط داغ و ناهنجاری‌های بالقوه را که ممکن است به بررسی بیشتر نیاز داشته باشند، برجسته می‌سازد.

 بهترین زمان استفاده از ترموویژن

ترموویژن ها در شب بهتر کار می‌کنند، اما ربطی به روشن یا تاریک بودن محیط اطراف ندارد. در عوض، ازآنجایی‌که دمای محیط و مهم‌تر از آن، دمای هسته اجسام و محیط‌هایی که در غیر این صورت گرم نمی‌شوند، تقریباً همیشه در شب به طور قابل‌توجهی کمتر از ساعات نور خورشید است، سنسورهای تصویربرداری حرارتی می‌توانند مناطق گرم را با کنتراست بالاتر نشان دهند. حتی در روزهای نسبتاً خنک، انرژی گرمایی خورشید به‌تدریج توسط ساختمان‌ها، جاده‌ها، پوشش گیاهی و مصالح ساختمانی جذب می‌شود.

علاوه بر این، هر درجه‌ای که این نوع اجسام در دمای محیط در طول روز به دست می‌آورند، تشخیص آنها را از سایر اجسام گرمی که سنسور دوربین تشخیص می‌دهد دشوارتر می‌کند. به همین دلیل، اکثر دوربین‌های تصویربرداری حرارتی، اجسام گرم را پس از چندین ساعت تاریکی به‌جای غروب خورشید، با کنتراست واضح نمایش می‌دهند. حتی در ساعات کامل روز، معمولاً در اوایل صبح مؤثرتر از وسط ظهر هستند.

 بررسی انواع دوربین‌های حرارتی (مادون‌قرمز)

خوب است بدانید که دوربین حراراتی انواع مختلفی دارد. در این قسمت از مقاله شما را با انواع گوناگون این دوربین‌ها یعنی دوربین‌های خنک‌کننده و خنک نشده و همچنین دوربین‌های مادون‌قرمز با موج‌بلند، موج متوسط و موج‌کوتاه آشنا می‌کنیم و اصول کار، مزایا، معایب و کاربردهای رایج آنها را بررسی می‌نماییم.

1. دوربین های مادون قرمز خنک شونده

دوربین‌های مادون قرمز خنک‌شونده از مکانیزم خنک‌کننده برای افزایش حساسیت و تشخیص مؤثرتر سیگنال‌های مادون قرمز ضعیف استفاده می‌کنند. علیرغم پیچیده تر و گران بودن آنها، در کاربردهای خاصی برتری دارند.

مزایا:

• افزایش حساسیت و کیفیت تصویر
• مناسب برای تشخیص دوربرد
• نرخ فریم بالاتر برای نظارت در زمان واقعی

معایب:

• نیاز به سیستم های خنک کننده (خنک کننده برودتی)
• گرانتر و حجیم تر در مقایسه با دوربین های خنک نشده

کاربردهای رایج:

• برای نظارت دوربرد
• تحقیق و تحلیل علمی
• بازرسی های صنعتی پیشرفته

 2. دوربین های مادون قرمز خنک نشده

از سوی دیگر، دوربین‌های مادون قرمز خنک‌نشده، که به‌عنوان دوربین‌های تصویربرداری حرارتی نیز شناخته می‌شوند، بدون مکانیزم خنک‌کننده عمل می‌کنند. این امر آن‌ها را جمع و جورتر، مقرون‌به‌صرفه‌تر و مناسب‌تر برای کاربردهای عمومی می‌کند.

مزایا:

• بدون نیاز به مکانیزم خنک کننده
• مصرف برق کمتر
• طراحی فشرده و قابل حمل

معایب:

• حساسیت و کیفیت تصویر کمتر در مقایسه با دوربین های خنک شده
• قابلیت های دوربرد محدود

کاربردهای رایج:

• بازرسی ساختمان و ممیزی انرژی
• نگهداری و عیب یابی HVAC
• عملیات اطفاء حریق و جستجو و نجات

3. دوربین های مادون قرمز موج بلند (LWIR)

دوربین‌های حرارتی موج‌بلند تشعشعات حرارتی را در طیف موج‌بلند تشخیص داده و تجسم می‌کنند و داده‌های دمایی ارزشمندی را ارائه می‌دهند. ماژول حسگر دوربین حرارتی InfiRay® Uncooled LWIR می‌تواند تصاویر حرارتی واضح و شفاف را در شرایط دمایی معمولی ارائه دهد. این ابزار مجهز به آشکارسازهای مادون‌قرمز خود توسعه‌یافته و لنزهای مختلف اختیاری است و در زمینه‌هایی مانند اندازه‌گیری دمای صنعتی، پهپاد و نظارت امنیتی کاربرد دارد.

مزایا:

• نفوذ بهتر در شرایط جوی (گرد و غبار، مه)
• ایده آل برای استفاده عمومی
• وضوح دمای خوب

معایب:

• وضوح فضایی محدود
• برای کاربردهای با دمای بالا کمتر مناسب است

کاربردهای رایج:

• بازرسی های الکتریکی و مکانیکی
• تشخیص ساختمان و ممیزی انرژی
• دامپزشکی

4. دوربین های مادون قرمز موج متوسط ​​(MWIR)

دوربین‌های حرارتی (مادون قرمز) با موج متوسط ​​در محدوده طول موج خاصی کار می‌کنند که به منطقه طیفی مادون قرمز در محدوده طول موج 3-5 میکرومتر اشاره دارد.

مزایا:

• دمای مناسب و وضوح فضایی
• مناسب برای کاربردهای با دمای بالا
• موثر در تشخیص نشت گاز

معایب:

• مستعد تداخل جوی
• گران تر در مقایسه با دوربین های LWIR

کاربردهای رایج:

• صنعت نفت و گاز
• بازرسی کارخانه های شیمیایی
• تشخیص نشت گاز

5. دوربین های مادون قرمز موج کوتاه (SWIR)

دوربین‌های مادون قرمز موج کوتاه از طول موج‌های کوتاه‌تر استفاده می‌کنند و قابلیت‌ها و کاربردهای منحصربه‌فردی را ممکن می‌سازند.

مزایا:

• وضوح فضایی عالی
• قابلیت دید از میان برخی مواد (شیشه، پلاستیک)
• برای بازرسی سلول های خورشیدی موثر است

معایب:

• هزینه بالاتر در مقایسه با دوربین های LWIR و MWIR
• در دسترس بودن محدود برنامه های کاربردی SWIR

کاربردهای رایج:

• بازرسی پنل خورشیدی
• کیفیت غذا و مرتب سازی
• صنایع نیمه هادی و الکترونیک

براین‌اساس دوربین‌های مادون‌قرمز خنک‌شده حساسیت بیشتری را ارائه می‌کنند و برای نظارت دوربرد و تحقیقات علمی ایده‌آل هستند. دوربین‌های مادون‌قرمز خنک نشده، درحالی‌که حساسیت کمتری دارند، مقرون‌به‌صرفه‌تر هستند و برای کاربردهای عمومی مناسب‌ترند. دوربین‌های مادون‌قرمز موج‌بلند برای نفوذ در شرایط جوی مناسب هستند. درحالی‌که دوربین‌های مادون‌قرمز موج متوسط و موج‌کوتاه به ترتیب در کاربردهای دمای بالا و بازرسی مواد خاص برتری دارند.

 مهم‌ترین کاربردهای دوربین‌های حرارتی

دوربین‌های حرارتی در بسیاری از کاربردها استفاده می‌شوند و فقط به کاربردهای خانگی محدود نمی‌شوند. برخی از رایج‌ترین کاربردهای دوربین‌های حرارتی عبارت است از: تعمیر و نگهداری سیم‌کشی برق، بررسی تجهیزات 3 فاز، آتش‌نشانی و خدمات ایمنی، امنیت، بهداشت حیوانات، تأسیسات مکانیکی و تشخیص گاز.

 تعمیر و نگهداری سیم‌کشی برق

سیم‌کشی برق شامل بسیاری از اتصالات فیزیکی گسسته بین کابل‌ها و کانکتورهای مختلف و بین کانکتورها و پایه‌های نصب روی تجهیزات است. ویژگی بارز اتصال الکتریکی باکیفیت بالا، مقاومت الکتریکی بسیار کم در بین مواردی است که توسط اتصالات با یکدیگر مرتبط می‌شوند. ادامه بازده الکتریکی به این مقاومت تماس کم بستگی دارد. عبور جریان از هر نوع مقاومت الکتریکی مقداری از توان الکتریکی را از بین می‌برد. توان تلف شده خود را به‌صورت گرما نشان می‌دهد. اگر کیفیت اتصال کاهش یابد، با افزایش مقاومت الکتریکی، در واقع به یک دستگاه اتلاف‌کننده انرژی تبدیل می‌شود. با افزایش مقاومت، کانکتور یا خط اتصال پدیده‌ای به نام گرمایش اهمی را نشان می‌دهد. برق‌کارها و تکنسین‌های تعمیر و نگهداری از دوربین ترموگرافی برای یافتن این نقاط داغ در تابلوهای برق و سیم‌کشی استفاده می‌کنند. اجزای الکتریکی گرم شده به‌صورت نقاط روشن در ترموگرام تابلو برق ظاهر می‌شوند.

 بررسی تجهیزات 3 فاز

تجهیزات برق سه‌فاز از طریق سه سیم به منبع تغذیه متصل می‌شوند. جریان عبوری از هر سیم مدار باید از نظر وسعت برابر باشد. بااین‌حال، ممکن است عدم تعادل در فازها وجود داشته باشد. در این مورد، جریان در یکی از فازها به طور قابل‌توجهی با فازهای دیگر متفاوت است. در نتیجه، اختلاف دما بین سه اتصال وجود دارد. دوربین‌های ترموگرافی می‌توانند این عدم تعادل را به‌راحتی و به طور چشمگیری نشان دهند. یک ترموگراف می‌تواند به‌آسانی اتصالات الکتریکی بالای سر یا ترانسفورماتورهای روی قطب را از یک مکان دورافتاده و امن روی زمین بازرسی نماید.

 آتش‌نشانی و خدمات ایمنی

دوربین‌ حرارتی به دلیل توانایی در جداسازی نقاط موردعلاقه از نویز، ابزاری ضروری برای آتش‌نشانان است. به‌عبارت‌دیگر، دوربین‌های حرارتی به آتش‌نشانان کمک می‌کنند تا فراتر از ابرهای غلیظ دود را ببینند و آنچه را که در پشت آن است آشکار کنند. این امر کمک بزرگی برای یافتن افرادی است که در داخل یک ساختمان گیر افتاده‌اند یا برای شناسایی یک نقطه ورودی جهت نجات که دمای نسبتاً پایینی دارد.

 امنیت

تقریباً تمام نیروهای نظامی در جهان در حال حاضر از فناوری تصویربرداری حرارتی به شکل دوربین‌های یکپارچه استفاده می‌کنند که روی پهلوی فرد یا روی وسایل نقلیه نصب می‌شوند. در سال‌های اخیر، تصویرگرهای حرارتی نیز به طور فزاینده‌ای در امنیت خانه استفاده می‌شوند. ازآنجایی‌که تصویر حرارتی می‌تواند نقطه داغ را حتی در شب‌های تاریک آشکار کند، شناسایی خلاف‌کاران که پشت بوته‌ها یا پوشش‌های نازک پنهان شده‌اند آسان است.

 بهداشت حیوانات

حیوانات خون‌گرم، حرارت تولید می‌کنند. هنگامی که آنها بیمار هستند، درجه حرارت اغلب در نوسان است. تصویرگرهای حرارتی برای بررسی دمای بدن حیوانات و بررسی اینکه آیا دمای یکنواختی دارند یا خیر استفاده می‌شود. این معاینات بیشتر بر روی حیوانات خانگی انجام می‌شود.

 تأسیسات مکانیکی (نگهداری پیشگیرانه)

تأسیسات مکانیکی نیاز به دقت معینی دارند وگرنه ماشین‌آلات در معرض ارتعاشات ناخواسته یا تنش‌های موجی قرار خواهند گرفت. یک تصویرگر حرارتی قادر است گرمای ایجاد شده توسط نیروهایی مانند اصطکاک را دریافت کند. این امر دید جامع و مناسبی از سلامت ماشین‌آلات را به کاربران می‌دهد.

 تشخیص گاز

دوربین حرارتی یا مادون قرمز به طور گسترده در صنایع به‌عنوان وسیله‌ای برای تشخیص نشت گاز استفاده می‌شود. هنگامی که یک دوربین IR به سمت سطحی که دارای نشتی گاز است نشانه می‌رود، تفاوت دما را در نقطه نشتی ناشی از واریانس فشار نشان می‌دهد.

 سایر کاربردهای دوربین حرارتی

اتلاف حرارت با افزایش دما به‌صورت غیرخطی افزایش می‌یابد؛ زیرا تلفات تابشی به‌راحتی می‌تواند از تلفات همرفتی و رسانایی در دماهای بالاتر بیشتر شود. به‌عنوان‌مثال، بلوک نسوز نصب شده در داخل یک کوره، دیگ بخار یا کوره برای به‌حداقل‌رساندن اتلاف حرارت به محیط در نظر گرفته شده است. ترموگرافی می‌تواند به‌سرعت هر گونه نقص نسوز را شناسایی کند. یکی دیگر از کاربردهای این فناوری، کوره بلند است که مقدار زیادی دیرگداز دارد.

ترموگرافی در بازرسی عرشه پل‌های بتنی و سایر سطوح سنگ‌فرش شده کاربرد زیادی دارد. عیوب موردنظر شامل حفره‌ها و لایه‌لایه شدن داخل و بین لایه‌های مختلف مصالح روسازی هستند. هوا یا آب موجود در فضاهای بین لایه‌ای دال روسازی (pavement slab) بر هدایت حرارتی کلی آن تأثیر می‌گذارد. تصویرگر IR می‌تواند این عیوب را تشخیص دهد.

سطوح رنگ شده زمانی به کامپوزیت‌های چندلایه تبدیل می‌شوند که یک پل یا مخزن ذخیره بارها در طول عمر مفید خودرنگ آمیزی شود. در اینجا نیز احتمال زنگ‌زدگی پنهان، تاول‌زدن، ترک‌خوردگی و سایر عیوب لایه‌برداری بین لایه‌های رنگ مجاور، بازرسی عینی بصری را دشوار می‌کند. تکنیکی به نام ترموگرافی گذرا (transient thermography)، ارزیابی دقیق یک پروژه رنگ‌آمیزی پرهزینه را ممکن می‌سازد. توجه کنید که تصویرگرهای حرارتی را نباید با دماسنج‌های مادون‌قرمز اشتباه گرفت.

 کلام پایانی

با پیشرفت تکنولوژی، انتظار می‌رود دوربین‌های حرارتی و مادون‌قرمز کاربردی‌تر و در دسترس تر شوند. ما می‌توانیم پیشرفت‌هایی را در حساسیت، وضوح و قابلیت حمل پیش‌بینی کنیم که امکان ادغام آن‌ها با دستگاه‌های مصرف‌کننده را فراهم می‌کند. علاوه بر این، پیشرفت‌ها در هوش مصنوعی و ماشین لرنینگ، تجزیه‌وتحلیل و تفسیر داده‌های حرارتی را بهبود می‌بخشد. با تحقیق و توسعه مداوم، آینده امکانات هیجان‌انگیزی برای تصویرگرهای حرارتی دارد.

دوربین‌های مادون‌قرمز انقلابی در نحوه درک و تجزیه‌وتحلیل ما از تغییرات دما ایجاد کرده‌اند و نقشی حیاتی در صنایع متعدد ایفا می‌کنند. آشنایی با انواع مختلف ترموویژن، مزایا، معایب و کاربردهای آن به ما این امکان را می‌دهد که قبل از خرید، نوع مناسب دوربین مادون‌قرمز را برای خود انتخاب کنیم و بتوانیم به ما این امکان را دهیم که به طور مؤثر از قدرت آنها استفاده کنیم.