تجهیزات ترموگرافی

همانطور که قبلا اشاره شد، ترموگرافی بر مبنای اندازه گیری دما بصورت غیر تماسی استوار می‌باشد. بدین منظور، نیاز به استفاده از تجهیزات خاصی می‌باشد تا‌بتوان دما را بر‌اساس تشعشعات الکترومغناطیسی در محدوده امواج مادون قرمز ثبت کرد. بطور کلی، تجهیزاتی که بدین منظور مورد استفاده قرار می‌گیرند تغییرات شدت تشعشع مادون قرمز را ثبت و ضبط می‌کنند. اما در عین حال، خروجی آنها به صورت تصاویری که در آن تغییرات دما نمایش داده می‌شود، ارائه می‌گردد.

فرآیند تبدیل تشعشعات مادون قرمز به دما به یکی از دو روش زیر انجام می گیرد :

  • تبدیل داخلی (توسط خود تجهیزات اندازه گیری)
  • پردازش خارجی (توسط نرم افزاهای مخصوص)

 در‌‌هر‌دو حالت، پردازش تشعشعات و تبدیل آنها به دما فرآیند پیچیده ای دارد که شامل بکارگیری معادلات فیزیکی به همراه در نظر گرفتن خصوصیات تشعشعاتی جسم تحت بررسی، محیط اطراف، و اتمسفر می‌باشد. حاصل عملیات پردازش و تبدیل تشعشعات بصورت تصاویری ارائه می‌گردند که دماها بر روی آنها قابل خواندن است؛ این تصاویر اصطلاحا ترموگرام (Thermogram) نامیده‌ می‌شوند. در‌حال‌ حاضر، دوربین‌های ترموگرافی (Thermographic Camera) -که دوربین‌های مادون قرمز یا حرارتی نیز نامیده می‌شوند- متداول ترین تجهیزاتی هستند که برای ثبت تشعشعات مادون قرمز مورد استفاده قرار می‌گیرند. همانند دوربین‌های معمولی که تشعشعات نور مرئی (محدوده طول موج 4/0 تا 7/0 میکرومتر) را ثبت و نمایش می‌دهند، دوربین های ترموگرافی تشعشعات مادون قرمز (عموما محدوده طول موج 9 تا 14 میکرومتر) را ثبت و مورد استفاده قرار می‌دهند.

برخی از خصوصیات دوربین های ترموگرافی که در انتخاب آنها برای یک کاربرد خاص بایستی مد نظر قرار گیرند، عبارتند از :

  • تعداد پیکسل (Number of pixels)
  • سرعت فریم (Frame rate)
  • جواب گویی (Responsivity)
  • توان معادل نویز (Noise-equivalent power)
  • اختلاف دمای معادل نویز (Noise-equivalent temperature difference)
  • باند طیفی (Spectral band)
  • نسبت فاصله به نقطه (Distance-to-Spot Ratio)
  • مینیمم فاصله فوکوس (Minimum Focus Distance)
  • عمر سنسور (Sensor lifetime)
  • مینیمم اختلاف دمای قابل حل (Minimum resolvable temperature difference)
  • میدان دید (Field of view)
  • محدوده حرکتی (Dynamic range)
  • توان ورودی (Input power)
  • وزن و حجم (Mass and volume)

از نظر مکانیسم عملکرد، دوربین‌های ترموگرافی به دو دسته کلی زیر تقسیم می‌شوند :

  • دوربین‌های با ردیاب بدون خنک کاری
  • دوربین‌های با ردیاب دارای خنک کاری

دوربین‌های با ردیاب بدون خنک کاری (Uncooled infrared detectors)

دوربین‌‌های بدون‌ خنک‌‌کاری‌ از سنسورهایی استفاده می‌کنند که در دمای محیط عمل می‌کنند. تقریبا همه انواع پیشرفته این ردیاب‌ها از سنسورهایی بهره می‌برند که حین گرم شدن در اثر تشعشع مادون قرمز مقاومت، ولتاژ، و یا جریان آنها تغییر می‌کند. این تغییرات اندازه گیری شده و با مقادیر مربوط به دمای کاری سنسورها مقایسه می‌شوند. برای افزایش کیفیت و کاهش نویز تصاویر این دوربین ها را می‌توان برای استفاده در یک دمای کاری خاص تنظیم کرد. بدلیل عدم استفاده از سیستم خنک کاری، این نوع دوربین ها از اندازه و قیمت پایین تری برخوردارند؛ اما بایستی توجه داشت که رزولوشن و کیفیت تصاویر آنها در مقایسه با دوربین های دارای خنک کاری پایین تر است. در تولید دوربین های بدون سیستم خنک کاری غالبا از خصوصیات مواد پیرو الکتریک و فرو الکتریک و یا تکنولوژی میکروبولومتر (microbolometer) استفاده می‌شود. این مواد برای ایجاد پیکسل هایی با خواص دمایی (وابسته به دما) بالا که از نظر حرارتی از محیط اطراف ایزوله شده اند و بصورت الکترونیکی داده برداری می‌کنند، بکار گرفته می‌شوند.

دوربین های با ردیاب دارای خنک کاری (Cooled infrared detectors)

ردیاب این دوربین ها عموما در محفظه خلاء ای که بصورت برودتی خنک کاری می‌شود، قرار دارد؛ چرا که فرآیند خنک کاری برای عملکرد بهینه مواد نیمه هادی بکار رفته در ساختار آنها ضروری می‌باشد. بر اساس تکنولوژی بکار رفته در ردیاب این دوربین ها، دمای خنک کاری آنها در محدوده 4 کلوین تا دماهای زیر دمای اتاق متغیر می‌باشد. بعنوان مثال، نمونه های مدرن این ردیاب ها در دمای حدود 60 تا 100 کلوین کار می‌کنند. علت استفاده از سیستم خنک کاری در این دوربین ها اینست که بدون خنک کاری، ردیاب های آنها توسط تشعشعات خود ردیاب اصطلاحا کور می‌شوند. همین موضوع باعث شده است که هم تولید و هم بکارگیری این نوع دوربین ها گران تر از سایر انواع دوربین باشد؛ چرا که خنک کاری در عین مصرف انرژی، عملیات ترموگرافی را زمان بر نیز می‌کند. برای مثال، خنک شدن این دوربین ها ممکن است چندین دقیقه طول بکشد تا آماده کار شوند. با وجود اینکه سیستم خنک کاری باعث گران و حجیم تر شدن این دوربین ها می‌شود، اما کیفیت تصاویر آنها به مراتب بالاتر از انواع دیگر دوربین می‌باشد. بعلاوه، حساسیت بالاتر دوربین های دارای سیستم خنک کاری امکان استفاده از لنزهای با عدد کانونی بالاتر را فراهم می‌کند که این امر باعث کوچکتر و ارزان تر شدن لنزهای فاصله کانونی بالا می‌شود. متداول ترین سیستم خنک کاری مورد استفاده در این دوربین ها موتور دوار استرلینگ می‌باشد. به عنوان آلترناتیو برای این موتور، می‌توان از گازهایی نظیر نیتروژن (تحت فشارهای بالا) استفاده کرد. در اینصورت، گاز فشرده از طریق یک اریفیس میکرو منبسط و از یک مبدل حرارتی مینیاتوری عبور کرده و منجر به خنک کاری تجدید پذیر می‌شود. در این نوع سیستم خنک کاری، برای تامین گاز فشرده در کاربردهای صنعتی بایستی تمهیدات لازم در نظر گرفته شود.

برخی از مواد مورد استفاده برای ردیابی امواج مادون قرمز در دوربین های با سیستم خنک کاری عبارتند از :

  • ایندیوم آنتیمونید (indium antimonide)
  • ایندیوم آرسنید (indium arsenide)
  • مرکوری کادمیوم تلراید (mercury cadmium telluride)
  • سولفید سرب (lead sulfide)
  • سلنید سرب (lead selenide)

دانلود مقاله ترموگرافی_بخش دوم

print