تصویربرداری حرارتی چیست؟

تصویربردار های حرارتی، دما (انرژی گرمایی) را به دقیق ترین شکل ممکن به نور مرئی تبدیل می کنند تا کاربر بتواند به راحتی محیط اطراف خود را آنالیز کند. این خصوصیت، ترموویژن ها را به تجهیزی همه کاره بدل می کند.

موجودات زنده و تجهیزات مکانیکی، از خود گرما ساطع می کنند. این ویژگی، آن ها را (حتی در تاریکی) برای تجهیزات شناسایی حرارتی، قابل مشاهده می کند.

دوربین های حرارتی می توانند بسیار دقیق عمل کنند و برای کارکرد موثر، تنها نیاز به مقدار اندکی گرما دارند.

عملکرد دوربین های حرارتی

نور های مرئی به طور گسترده ای توسط انسان و سایر موجودات زنده مورد استفاده قرار می گیرند. اما نور های مرئی، تنها بخش کوچکی از طیف الکترومغناطیس را تشکیل می دهند. این در حالی است که تشعشعات مادون قرمز (تشعشعاتی که توسط گرما ایجاد می شوند)، فضای بیشتری را در طیف الکترومغناطیس به خود اختصاص می دهند.

سطح تابش گرمایی مسطع از یک جسم را اثر حرارتی آن جسم می گویند. هرچه جسم مدنظر داغ تر باشد، تشعشعات بیشتری را به محیط ساطع می کند.

ترموویژن ها قادر به تشخیص منابع گرمایی و تغییرات بسیار کوچک در تابش حرارتی اند. ترموویژن اطلاعات دمایی را در یک “نقشه حرارتی” کامل که با سطوح گرما متمایز می شود، جمع آوری می کند.

میزان حساسیت حرارتی قابل شناسایی، عبارت است از توانایی ترموویژن ها در تفکیک دو نقطه با حرارت های متفاوت. برای مثال، دستگاهی با حساسیت 0.01° ، می تواند اجزائی را با اختلاف دمایی یک صدم درجه، تشخیص دهد.

کم ترین و بیشترین دمای قابل اندازه گیری هم فاکتور مهمی است که برای انتخاب دوربین حرارتی می بایست به آن توجه نمود.

تعدادی محدودیت اساسی برای استفاده از دوربین های حرارتی وجود دارد: برای مثال، به علت خاصیت بازتاب مواد، نمی توان داخل شیشه را مورد ارزیابی حرارتی قرار داد.

همچنین به وسیله دوربین های حرارتی می توان داخل دیوار را (تا عمق مشخصی که حرارت برای ترموویژن قابل تشخیص باشد) مشاهده کرد. اما پشت دیوار را نه!

با این حال، نقش دوربین های تصویربرداری حرارتی، در زمینه های مختلف صنعتی و نظامی، غیرقابل انکار است.

دوربین حرارتی، با استفاده از تشعشعات مادون قرمز (فروسرخ) مسطع از جسم و در فرایندی که تصویربرداری حرارتی نامیده می شود، از یک جسم عکس گرفته و ذخیره می کند. عکس گرفته شده، دمای شی مورد نظر را نمایش می دهد.

هر دو طیف نور مرئی و مادون قرمز قسمتی از طیف الکترومغناطیس هستند. اما برخلاف نور مرئی، انسان نمی تواند تابش مادون قرمز را درک کند. که این مساله به صورت واضح توضیح می دهد که چرا یک دوربین حرارتی وابسته به میزان نور محیط نیست و می تواند حتی در یک محیط کاملا تاریک، تصویر حرارتی واضحی از یک شی را به کاربر نمایش دهد.

تمام پروسه ی تصویربرداری حرارتی در تبدیل تابش مادون قرمز به سیگنال های الکتریکی و ساخت یک تصویر به کمک این اطلاعات خلاصه می شود.

اولین دوربین حرارتی چه سالی ساخته شد؟

بررسی منشا دوربین های حرارتی به صورت دقیق امکان پذیر نیست. تعداد زیادی تصویربرداری حرارتی از دهه ی 1800 موجود است که هیچ مخترعی ندارد. اولین دوربین های ترموگرافی اسکنر های خط مادون قرمز بودند که بعد ها با پیشرفت تکنولوژی، به ترموویژن های رایج امروزی تبدیل شدند.

فناوری زیربنایی دوربین های حرارتی برای اولین بار برای استفاده در ارتش توسعه یافت. با این وجود، اختراع دوربین حرارتی مربوط به تاریخچه ی ترموگرافی است که در سال 1960 توسط “سر ویلیام هرشل” فضانوردی که نور مادون قرمز را کشف کرد، آغاز شد.

در سال 1860، ستاره شناس آمریکایی – ساموئل پیرپونت لنگلی – بولومتر (bolometer) را اختراع کرد که دستگاهی برای سنجش تابش مادون قرمز یا حرارتی است.

و در سال 1929، فیزیک دان مجارستانی – کالمان تیهانوی – دوربین الکترونیکی حساس به تابش مادون قرمز را اختراع کرد که قادر به عکس برداری حرارتی بود. و به منظور دفاع ضد هوایی در بریتانیا استفاده شد.

تمامی دوربین های حرارتی که امروزه به صورت رایج مورد استفاده قرار می گیرد،  مبتنی بر فناوری است که در ابتدا برای ارتش توسعه یافته بود. این تکنولوژی در زمان عرضه، انقلابی بزرگ بود، اما امروزه استفاده از آن به طور چشمگیری رایج است.

دوربین های حرارتی چگونه کار می کنند؟

امروزه استاندارد رایج برای دوربین های حرارتی به این صورت است که نقاط گرم تر با رنگ “زرد – نارنجی” نمایش داده می شوند و هرچه اشیاء داغ تر شوند، رنگ ها روشن تر می شوند. اشیاء سرد تر، به رنگ آبی یا بنفش نمایش داده می شوند. تابش مادون قرمز دارای طول موجی است که از حدود 700 نانومتر آغاز شده و تا حدود 1 میلی متر گسترش می بابد. طول موج های کمتر از این مقدار، با چشم غیرمسلح قابل دیدن است.

دوربین های حرارتی از این تابش مادون قرمز برای خلق تصاویر حرارتی استفاده می کنند. لنز دوربین حرارتی، تابش مادون قرمز را بر روی مجموعه ای از آشکارساز ها متمرکز می کند. سپس یک الگوی دقیق به نام ترموگرام (thermogram) ایجاد می کنند. سپس ترموگرام به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شود تا تصویر حرارتی ایجاد شود که کاربر می تواند آن را مشاهده و تفسیر نماید.

امکانات دوربین حرارتی:

تصویربرداری حرارتی به شما این امکان را می دهد که حرارت مسطع از یک جسم را مشاهده نمائید. ترموویژن ها دمای اشیاء مختلف را در یک فریم ثبت می کنند، و سپس بر اساس تنظیمات اولیه دستگاه، به هر دما، یک رنگ اختصاص می دهند که به شما این امکان را می دهد که میزان حرارت مسطع از هر جسم را در مقایسه با اجسام اطراف آن مشاهده کنید. دوربین های حرارتی، دما را با تشخیص و ثبت سطوح مختلفی از نور مادون قرمز شناسایی می کنند. همانطور که پیش تر گفته شد، این تابش توسط چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیست اما اگر شدت حرارت به اندازه ی کافی زیاد باشد، می تواند به صورت گرما احساس شود.

همه ی اجسام، نوعی از تابش مادون قرمز را ساطع می کنند که یکی از راه های انتقال گرما است. هرچه یک شیء گرم تر باشد، میزان بیشتری از امواج مادون قرمز را ساطع می کند. ترموویژن ها بر اساس ساختار پیشرفته ای که دارند، می توانند این امواج را دریافت و سپس آن ها را به تصاویری قابل مشاهده برای کاربر تبدیل نمایند.

دوربین های حرارتی دارای دستگاه های اندازه گیری داخلی به نام میکروبولومتر (microbolometer) هستند که تابش های مادون قرمز را دریافت می کنند. در این بخش، میکروبولومتر، دما را ثبت و سپس هر پیسکل را به رنگ متناسب با دمای آن در می آورد. که در نهایت برای کاربر بر روی صفحه نمایش قابل مشاهده است.

موارد استفاده از دوربین حرارتی

دوربین های حرارتی از زمان “جنگ کره” مورد استفاده هستند و در ابتدا برای جستجو و نبرد در شب استفاده می شدند.

از آن زمان تا کنون، این تجهیزات برای استفاده توسط آتش نشان ها، تکنسین های برق، افسران مجری قانون و تیم های نجات در مناطق فاجعه زده پیشرفت های زیادی داشته است. علاوه بر موارد ذکر شده، دوربین های حرارتی به صورت گسترده در بازرسی های ساختمانی، تعمیرات و نگه داری، بهینه سازی و عایق کردن مورد استفاده قرار می گیرند.

تعمیر و نگهداری:

استفاده از دوربین های حرارتی برای تعمیر و نگهداری الکتریکی بسیار گسترده است. برای مثال، تکنسین های خطوط برق برای تشخیص محل دقیق اتصالات و قسمت هایی که در معرض گرمای بیش از حد (overheating) از این تجهیز استفاده می کنند. همچنین ترموویژن ها برای شناسایی اتصالات سست و یا تجهیزاتی که در حال تخریب هستند، قابل استفاده می باشند.

لوله کشی:

لوله کش ها از تصویربردار های حرارتی برای بازرسی محل های نشت احتمالی در دیوار ها و لوله ها استفاده می کنند. از آن جایی که دوربین های حرارتی را می توان از فاصله ی دورتری نسبت به محل مورد ارزیابی استفاده کرد، آن ها برای مشاهده مشکلات احتمالی در تجهیزات و نقاطی که دسترسی به آن ها سخت است و یا ممکن است آسیب های جانبی برای کارگران به همراه داشتهع باشد، ایده آل اند.

مکانیک ها و معماران:

تکنسین های مکانیک و معمار های ساختمان های در حال ساخت که با پروسه ی عایق سازی سر و کار دارند، از تصویربردار حرارتی برای تشخیص سریع رخنه و نشتی استفاده می کنند. که برای تنظیم دمای متناسب یک ساختمان امری مهم محسوب می شود.

در یک نگاه، این تکنسین ها می توانند ساختار یک ساختمان را ارزیابی کرده و خطا ها را شناسایی کنند. اتلاف گرمایی از طریق دیوار ها، تجهیزات HVAC (سیستم های سرمایش، گرمایش و تهویه مطبوع)، در ها و پنجره ها، اشکالات رایج عملکرد حرارتی هستند که به راحتی توسط دوربین حرارتی تشخیص داده می شوند.

حیوانات:

استفاده از دوربین حرارتی در زمینه ی مدیریت حیوانات و آفات، بسیار گسترده است. آن ها می توانند به شناسایی آفات یا حیوانات در مناطق غیر قابل دسترس سقف (پشت بام) و بدون نیاز به بالا رفتن از آن کمک شایانی کنند. همچنین ترموویژن ها می توانند فعالیت احتمالی موریانه را شناسایی کنند. دوربین های حرارتی همچنین برای انجام آسان تر بررسی های حیات وحش به صورت کاملا سرزده (بدون آگاه شدن حیوانات مورد بررسی) و غیر تهاجمی (بدون خطرات ناشی از نزدیک شدن به حیوانات وحشی) به کار می روند.

حمل و نقل:

استفاده از ترموویژن در حمل و نقل ناوی، مزایای متعددی را برای کاربران به همراه دارد؛ به خصوص در سفر های شب. برای مثال، ناوبری دریایی از آن برای مشاهده ی کشتی های دیگر، افراد و موانع در شب استفاده می کنند.

در سال های اخیر، خودروساز های مطرح شروع به استفاده از دوربین های مادون قرمز در خودرو های خود کرده اند تا راننده را از خطرات احتمالی مثل برخورد با حیوانات یا عابران پیاده آگاه سازند.

پزشکی:

دوربین های حرارتی همچنین در مراقبت های بهداشتی و پزشکی کاربرد دارند. مواردی مانند : تب سنجی و ناهنجاری های دمایی در بدن.

استفاده از این دوربین ها به خصوص در فرودگاه ها – که در آن ترموویژن ها می توانند به سرعت و با دقت بالا تمامی مسافران خروجی یا ورودی را تب سنجی کنند – بسیار حائز اهمیت است. که این امر در طی همه گیری های سال های گذشته (شیوع سارس، ابولا و کووید19) بسیار حیاتی بود.

به علاوه، استفاده از تصویربردار های حرارتی در تشخیص طیف گسترده ای از اختلالات مرتبط با گردن، پشت و اندام ها و همچنین مشکلات گردش خون بسیار کمک کننده است.

آتش نشانی:

آتش نشان ها از دوربین های حرارتی برای مشاهده موانع و اهداف در فضای مملو از دود استفاده می کنند. به خصوص در ماموریت های نجات، هنگامی که در جستجوی افراد در یک محیط نامعلوم و خطرناک هستند.

آتش نشان ها همچنین برای شناسایی سریع آتش سوزی های نقطه ای از این دوربین ها استفاده می کنند تا قبل از گسترش بتوانند عملیات اطفا را انجام دهند.

نظامی:

پلیس و سایر سازمان های مجری قانون، از ترموویژن ها در مجموعه تجهیزات نظارتی خود استفاده می کنند. مواردی اعم از : بررسی مکان مظنونین به خصوص در شب، بررسی صحنه های جرم و همچنین برای عملیات های جستجو و نجات.

دوربین های حرارتی نسبت به دوربین های دید در شب برتری بزرگی دارند. زیرا آن ها نیازی به هیچ نور محیطی ندارند و همچنین تحت تاثیر نور ها شدید (مثل روشنایی حاصل از انفجار) قرار نمی گیرند.

مراکز تحقیقاتی:

مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی بدون شک، بخش هایی هستند که استفاده از تصویربردار های حرارتی در روند تحقیقات و مطالعات آن ها تاثیرگذار است. برای مثال، تجسم دقیق الگوهای گرمایی مثل نیمه تاریک ماه.

سایر موارد استفاده از دوربین های ترموگرافی عبارتند از تاسیسات سرمایش، گرمایش و تهویه مطبوع، کنترل کیفی در فرایند هایی مانند تولید شیشه و مواردی از این دست.

بین تمام قابلیت هایی که یک دوربین حرارتی در اختیار شما می گذارد، قطعا قابلیت ذخیره پول جزو آن ها نیست. اما هنگامی که به تمام کار هایی که ترموویژن قادر به انجام دادن آن است فکر کنید، متوجه خواهید شد صرفه جویی در هزینه ها هم یکی از چیز هایی است که یک ترموویژن می تواند برای شما به ارمغان بیاورد.

پس از هزینه اولیه ای که برای خرید دستگاه پرداخت می کنید، دوربین های حرارتی می توانند میلیون ها تومان در هزینه های نگهداری یا تعمیرات احتمالی در کسب و کار یا خانه ی شما، صرفه جویی کنند. تشخیص ایراداتی که در صورت عدم شناسایی آن ها، باعث شکستگی، نشت، انفجار و یا سایر مشکلاتی می گردند که برای شما هزینه های گزافی در پی خواهد داشت.

با این حال، مهم است که بدانیم در حالی که عکس برداری حرارتی تمامی این امکانات را در اختیار کاربر می گذارد، اما اغلب بهتر است از ابزار های اضافی در صورت لزوم برای تایید نتایجی که ترموویژن به شما می دهد، استفاده کنید.

همچنین لازم به ذکر است که دوربین های حرارتی قادر به ادراک و نمایش اشیاء از پشت دیوار نیستند. بلکه فقط حرارتی را که از دیوار یا اشیاء دیگر ساطع می شود را می توانند به نمایش بگذارند.

امکانات ویژه برخی دوربین های حرارتی

• قابلیت PIP (تصویر در تصویر) :

برخی از دوربین های حرارتی، علاوه بر لنز مادون قرمز، دارای یک لنز دیجیتالی معمولی هم هستند که مشابه با دوربین های فیلمبرداری عمل می کند. داشتن تصویر عادی از محل مورد ارزیابی به صورت مادون قرمز، به کاربر این امکان را می دهد که دو تصویر را در کنار یک دیگر قرار داده و به صورت دقیق مقایسه نماید.

در برخی از تصویربردار های حرارتی دارای دو لنز، قابلیتی تحت عنوان picture in picture وجود دارد. این قابلیت به آن معناست که دوربین، یک تصویر حرارتی از محیط مورد سنجش و همچنین یک تصوویر عادی از آن را با یکدیگر ترکیب کرده و نتیجه را بر روی نمایشگر به کاربر نشان می دهد. تصویری که کاربر مشاهده می کند، تصویری یک لایه است که در واقع متشکل از دولایه است. لایه نخست، عکس معمولی از محیط و لایه دوم عکس حرارتی از محیط.

• قابلیت تعویض لنز:

برخی از دوربین های حرارتی فوق حرفه ای به علت تکنولوژی ساخت پیشرفته، قابلیت تعویض لنز دارند. قابلیت تعویض لنز به دلایلی اعم از : قابلیت بزرگنمایی و زوم بیشتر، افزایش محدوده ی حرارتی قابل اندازه گیری، افزایش وضوح و… صورت می گیرد.

• مقاومت در برابر ضربه، پاشیده شدن آب و انفجار
• قابلیت نمایش سردترین و گرم ترین نقطه در هر محیط
• قابلیت مانیتورینگ (نمایش پیوسته بدون وقفه): برخی از دوربین های حرارتی که به صورتغیر پرتابل و با فناوری های بسیار گران قیمت ساخته می شوند، این امکان را دارند که به صورت 24 ساعته و بی وقفه به دمای محیط نظارت کنند. این قابلیت برای طیف کوچکی از کارخانجات و آزمایشگاه ها که نیاز به چک کردن بی وقفه دما در آن ها به صورت تصویربرداری حرارتی است، مورد استفاده قرار می گیرد.

انواع دوربین حرارتی

• ترموویژن ها از نظر استفاده میدانی، به دو دسته ی پرتابل (قابل حمل) و غیر قابل حمل (نصبی) تقسیم می شوند. موارد قابل حمل خود به دو دسته یگجت و دستگاه کامل تقسیم می شوند. گجت ها دارای لنز های مادون قرمزی هستند که تصاویر حرارتی را ثبت می کنند ولی نمایشگری برای نمایش ندارند. با اتصال این گجت به موبایل، می توانید از آن به عنوان یک ترموویژن استفاده کنید.
• تصویربردار های حرارتی از نظر محدوده ی دمایی قابل سنجش، به دو دسته ی normal temperature (قابل استفاده در دمای عادی) و high temperature (قابل استفاده در دما های بالا) تقسیم می شوند.
• دوربین های حرارتی از نظر وضوح به دو دسته ی low resulotion (وضوح تصویر پایین) و high resulotion (وضوح تضویر بالا) تقسیم می شوند.

اجزاء ترموویژن

• سیستم اپتیکال (نوری)
• آشکارساز
• تقویت کننده سیگنال
• پردازنده سیگنال
• نمایشگر

طریقه استفاده:

این تجهیز می تواند بسیار جمع و جور و کوچک و در عین حال بسیار کارامد باشد.

ساده ترین دوربین های حرارتی، منابع گرمایی را که در یک جفت خط متقاطع متمرکز هستند را ارزیابی می کنند. سیستم های پیچیده تر، چندین نقطه مقایسه را در اختیار قرار می دهند تا کاربر بتواند شرایط محیطی را تجزیه و تحلل کند.

امروزه هم زمان پیشرفت سریع تکنولوژی، ملاک رابط کاربری آسان هم روز به روز بیشتر مورد توجه قرار می گیرد. از این رو، استفاده از ترموویژن های امروزی، برای تکنسین هایی که تجربه ی بسیار اندکی از کار با تجهیزات صنعتی دارند، به راحتی امکان پذیر است. بیشتر این دوربین ها، از سیستم عامل اندروید و یا سیستم عاملی مشابه با اندروید استفاده می کنند. که استفاده از آن بسیار آسان است.

منوی دستگاه شامل تنظیم موارد محدودی است: اعم از نوع نمایش تصویر (تصویر حرارتی، تصویر واقعی، PIP)، تنظیمات مرتبط با پالت رنگی، تنظیمات مرتبط با شناسایی دما و تنظیمات مرتبط با ذخیره سازی تصاویر و ویدیو ها.

نکته : پالت ها (رنگ های قابل نمایش) در ترموویژن ها بسیار متفاوت است، از “پالت تک رنگ” تا “پالت رنگین کمان”.

طریقه نگهداری:

دوربین های حرارتی، تجهیزاتی بسیار حساس هستند که در صورت استفاده ی نادرست، یا هزینه های تعمیر قابل توجهی را برای کاربر به همراه دارد و یا قابلیت تعمیر به کلی وجود ندارد. مواردی اعم از:

• استفاده از ترموویژن در شرایط مرطوب و یا غوطه ور شدن در آب
• استفاده از ترموویژن در شرایط دمایی نامناسب (دمای بسیار بالا یا بسیار پایین)
• ضربه به بدنه ترموویژن به خصوص موتور لنز (در اکثر موارد ضرباتی که به لنز دوربین های حرارتی بدون قابلیت تعویض لنز می خورد، منجر به بلااستفاده شدن این این دستگاه به طور کامل می گردد)

کدام دوربین حرارتی برای کار من مناسب است؟

این مساله که شما به چه ترموویژنی احتیاج دارید، کاملا به محیطی که قصد ارزیابی آن را دارید، بستگی دارد. اما دو حوزه کلیدی وجود دارد که تعیین کننده ی کیفیت نهایی دوربین های حرارتی هستند: وضوح آشکارساز و حساسیت حرارتی.

همانند سایر نمایشگر ها، وضوح (رزولوشن)، نشانگر تعداد پیکسل ها است. برای مثال، یک نمایشگر با وضوح 160×120 دارای 19,200 پیکسل است.

هر پیکسل جداگانه، دارای اطلاعات حرارتی مختص خود است. بنابراین نمایشگر های بزرگ تر، تصاویر واضح تری تولید می کنند.

کمپانی های مطرح در زمینه تولید دوربین های حرارتی

فلوک

کمپانی فلوک در زمینه ی تجهیزات فوق العاده پیشرفته و خاص مهندسی فعالیت می کند. کیفیت بالای محصولات فلوک و لوازم جانبی های همراه تجهیزات، این کمپانی آمریکایی را به یکی از بزرگ ترین فروشندگان تجهیزات مهندسی بدل کرده است. ترموویژن های فلوک نیز از این قاعده مستثنی نیستند و کیفیت بالای آن ، قیمت نجومی آن را توجیه می کند.

فلیر

کمپانی فلیر در اواخر دهه ی 1980 میلادی آغاز به فعالیت نمود. این کمپانی اکنون به نام تله داین فلیر فعالیت می کند و سازنده ی تجهیزات فوق العاده حساس و دقیق در زمینه ی تسلیحاتی، نظامی و مهندسی است. دوربین های حرارتی موجود در این شرکت از کیفیت ساخت بالایی برخوردارند.

الیپ

برند الیپ، یک برند آلمانی است که در زمینه تجهیزات خاص مهندسی فعالیت می کند. دوربین های حرارتی این کمپانی از کیفیت ساخت بالایی برخوردار اند.

سی ای ام

کمپانی چینی سی ای ام که در سال 1991 شروع به فعالیت کرد، در زمینه ی تولید تجهیزات ابزار دقیق با قیمت هایی مقرون به صرفه، فعالیت می کند. ترموویژن های این کمپانی نسبت به رقبای خود کیفیت ساخت پایین تری دارند اما به همین نسبت با قیمت بسیار مقرون به صرفه تری هم به فروش می رسند.

یونیتی

برند یونیتی از برند های هنگ کنگی نام آشنا در بازار تجهیزات ابزار دقیق ایران است. کیفیت قابل قبول محصولات در عین قیمت مناسب، محصولات این کمپانی را به انتخابی معقول برای مهندسین تبدیل می کند.