تصویربرداری حرارتی روشی برای اندازه‌گیری دمای اجسام با استفاده از طول‌موج‌های نور مادون قرمز است. ما این را به‌صورت گرما درک می‌کنیم و به همین دلیل، به آن ترموگرافی مادون قرمز نیز گفته می‌شود.
دوربین‌های حرارتی دستگاه‌هایی هستند که معمولاً برای شناسایی نور مادون قرمز استفاده می‌شوند. این راهنما به‌طور کامل دوربین‌های حرارتی را بررسی می‌کند، نحوه عملکرد آن‌ها و کاربردهای رایجشان را توضیح می‌دهد.
تصویربرداری حرارتی چیست؟
تصویربرداری حرارتی فناوری بدون تماس است که امواج مادون قرمز را به تصاویری تبدیل می‌کند که دما را نشان می‌دهند. دامنه دمای اجسام در تصویر با استفاده از طیفی از رنگ‌ها متمایز می‌شود.
تصویربرداری حرارتی فناوری‌ای کارآمد، ایمن و آسان برای استفاده است. شناسایی افزایش دما، ناپایداری‌ها یا نقاط داغ در چند ثانیه می‌تواند خرابی‌های احتمالی در تجهیزات یا سیستم‌ها را قبل از ایجاد خسارت‌های پرهزینه، توقف کار یا از دست دادن انرژی شناسایی و مشخص کند. این فناوری در مناطقی که تجهیزات را نمی‌توان خاموش کرد یا به‌راحتی به آن‌ها دسترسی نداشت، بسیار ارزشمند است. همچنین در موقعیت‌هایی که تماس فیزیکی با جسم دمای آن را تغییر داده و نتایج را منحرف می‌کند، مفید است.
یافتن نقاط داغ یا سرد با تصویربرداری حرارتی سریع است. این فناوری از طریق تشخیص و اندازه‌گیری سریع بدون خاموش کردن تجهیزات یا فرآیندهای تولید، به حفظ بهره‌وری کمک می‌کند.
علاوه بر این، ایمنی افزایش‌یافته از طریق اندازه‌گیری دما از راه دور حاصل می‌شود - ایده‌آل برای حذف خطر در کاربردهایی که شامل قطعات متحرک، سطوح بالای گرما یا محیط‌های خطرناک هستند.
دوربین‌های حرارتی چیستند؟
دوربین حرارتی دستگاه الکترونیکی دستی با نمایشگر یکپارچه است که انرژی گرمایی را شناسایی می‌کند.
دوربین‌های حرارتی به حسگرهای گرما و لنز ویژه‌ای مجهز هستند که می‌توانند با فناوری استاندارد تصویربرداری استفاده شوند. مهندسان می‌توانند منابع گرما یا مناطق با دمای بیش از حد را به‌سرعت شناسایی کنند. برای مثال، بازرسی یک ساختمان برای یافتن شکاف‌های احتمالی در عایق حرارتی یا قطعاتی که بیش از حد گرم شده‌اند.
ما تنها بخش کوچکی از طیف الکترومغناطیسی - نور مرئی - را می‌بینیم. حسگرهای موجود در دوربین‌های شناسایی حرارتی به کاربران امکان می‌دهند طیف مادون قرمز بین نور مرئی و امواج مایکروویو را مشاهده کنند، که در غیر این صورت نامرئی است.
دوربین‌های مادون قرمز مدرن اغلب این را به‌صورت رنگی نمایش می‌دهند. با این حال، نمایش‌های سیاه‌وسفید برای برخی کاربردها ترجیح داده می‌شوند زیرا آشفتگی بصری را کاهش داده و جزئیات دقیق‌تری را بهتر ثبت می‌کنند.
در نمایش رنگی دما، مناطق گرم‌تر به رنگ‌های زرد، نارنجی و قرمز نشان داده می‌شوند، در حالی که مناطق خنک‌تر به رنگ‌های آبی و بنفش ظاهر می‌شوند. رنگ سبز نشان‌دهنده مناطق با دمای اتاق است. در محیط‌های بسیار تاریک یا مبهم، دوربین‌های حرارتی می‌توانند با شناسایی تابش مادون قرمز به‌جای نور مرئی، منابع گرما را شناسایی کنند.
در میان دوربین‌های حرارتی باکیفیت موجود در بریتانیا، آن‌هایی هستند که طراحی ارگونومیک و کاربرپسند دارند و می‌توانند دامنه وسیعی از دماها را شناسایی کنند. واحدهای پاسخ اضطراری، پزشکان، تولیدکنندگان محصولات، مهندسان و کارکنان نگهداری در صنایع مختلف از استفاده از آن‌ها بهره‌مند می‌شوند.
تاریخچه دوربین‌های حرارتی
با توسعه فناوری ترموگرافی، دوربین‌های حرارتی دستی در سال‌های اخیر برای اکثر کاربردها در دسترس‌تر شده‌اند. با این حال، مشاهده گرما به‌عنوان طیف مادون قرمز مفهوم جدیدی نیست.
ویلیام هرشل، ستاره‌شناس بریتانیایی-آلمانی که مادون قرمز را هنگام مطالعه نور مرئی با استفاده از منشور کشف کرد، اصل اساسی ترموگرافی را در سال ۱۸۰۰ بنیان نهاد.
همان‌طور که هرشل کشف کرد، می‌توان دماسنجی را درست فراتر از انتهای نور قرمز طیف قرار داد. با استفاده از این روش، او می‌توانست وجود نوار نامرئی‌ای را که گرم‌تر از نور مرئی است، شناسایی کند. امروزه، این به‌عنوان تابش مادون قرمز شناخته می‌شود.
در حالی که دوربین‌های حرارتی هنوز توسعه نیافته بودند، کار هرشل منجر به ایجاد ماژول‌های نوع ترموکوپل شد که حسگرهای آن‌ها قادر به شناسایی گرمای ساطع‌شده از فواصل قابل‌توجه بودند. در سال‌های بعد، مخترعان، مهندسان و فیزیکدانان دیگر کشف اولیه او را توسعه دادند.
فناوری در دهه ۱۹۷۰ به‌سرعت به سمت آرایه‌های تصویربرداری حرارتی حالت‌جامد پیشرفت کرد و در نهایت به دستگاه‌های تصویربرداری تک‌کریستالی هیبریدی رسید. برخلاف واحدهای مکانیکی اولیه، واحدهای دستی توسعه‌یافته در دهه‌های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ همه‌کاره‌تر، آسان‌تر برای استفاده و بدون نیاز به خنک‌سازی فعال بودند.
امروزه، دوربین حرارتی یکی از ابزارهای محبوب در بسیاری از جعبه‌ابزارهای حرفه‌ای است.
دوربین‌های مادون قرمز چگونه کار می‌کنند؟
دوربین مادون قرمز تابش مادون قرمز ساطع‌شده توسط اجسام - امضای حرارتی - را شناسایی و اندازه‌گیری می‌کند.
فرکانس‌های مادون قرمز از طریق لنزی که توسط دوربین تجهیز شده است، عبور می‌کنند. این لنز فرکانس‌های مادون قرمز را بر روی آرایه‌ای از حسگرها برای شناسایی و خواندن متمرکز می‌کند.
آرایه‌های حسگر از پیکسل‌هایی تشکیل شده‌اند که طول‌موج‌های مادون قرمز را با واکنش به آن‌ها به سیگنال‌های الکترونیکی تبدیل می‌کنند. این سیگنال‌ها به پردازنده‌ای در داخل بدنه اصلی دوربین منتقل می‌شوند. این پردازنده با استفاده از الگوریتم‌ها آن‌ها را به نقشه رنگی‌ای تبدیل می‌کند که مقادیر دمای مختلف را نشان می‌دهد. نمایش این نقشه بر روی صفحه‌نمایش انجام می‌شود.
دوربین‌های حرارتی اغلب دارای حالت استاندارد برای نور مرئی هستند، درست مانند دوربین‌های دیجیتال استاندارد. کاربر می‌تواند با مقایسه دو عکس یکسان گرفته‌شده در حالت مادون قرمز و حالت عادی، به‌سرعت مناطق مشکل‌دار خاص را شناسایی کند.
سؤالات مربوط به استفاده از دوربین حرارتی
علاوه بر سؤالات مربوط به نحوه عملکرد کلی دوربین‌های حرارتی، سؤالات رایجی نیز در مورد سناریوهای استفاده خاص وجود دارد. این سؤالات عمدتاً مربوط به اثربخشی فناوری در محیط‌ها یا کاربردهای خاص هستند.
در این بخش، به چند پاسخ بهتر و دلایل پشت آن‌ها می‌پردازیم.
چرا دوربین‌های حرارتی در شب بهتر کار می‌کنند؟
دوربین‌های حرارتی تمایل دارند در شب بهتر کار کنند، اما این هیچ ارتباطی با روشن یا تاریک بودن محیط اطراف ندارد.
در عوض، به این دلیل است که دمای محیط - و مهم‌تر از آن، دمای هسته اجسام و محیط‌هایی که به‌طور طبیعی گرم نمی‌شوند - تقریباً همیشه در شب به‌طور قابل‌توجهی پایین‌تر از ساعات روز است، حسگرهای تصویربرداری حرارتی می‌توانند مناطق گرم را با کنتراست بالاتری نمایش دهند.
حتی در روزهای نسبتاً خنک، انرژی گرمایی از خورشید به‌تدریج توسط ساختمان‌ها، جاده‌ها، پوشش گیاهی و مواد ساختمانی جذب می‌شود هر زمان که در خارج از منزل نور روز باشد. علاوه بر این، هر درجه‌ای که این نوع اجسام در دمای محیط در طول روز افزایش می‌یابند، آن‌ها را از سایر اجسام گرم که حسگر دوربین شناسایی می‌کند، متمایزتر می‌کند.
به همین دلیل، اکثر دوربین‌های حرارتی اجسام گرم را با کنتراست واضح‌تری پس از چند ساعت تاریکی نمایش می‌دهند، نه بلافاصله پس از غروب خورشید. حتی در ساعات کامل روز، آن‌ها معمولاً در اوایل صبح مؤثرتر از اواسط بعدازظهر هستند.
این دما توسط طیف های گوناگون بر روی دستگاه قابل مشاهده است. هر چه دما گرم تر باشد طیف نشان داده شده به رنگ قرمز نزدیکتر بوده و دمای خنک معمولا طیف آبی رنگی را دارد. لازم بذکر است گونه ای از این دستگاه ها برای نشت یابی گاز و نیز یافتن اجساد کاربرد دارد.
در طراحی و تولید این دستگاه کمپانی های مطرحی فعالیت دارند که اعم آن ها عبارتند از فلوک و فلیر.
کمپانی فلیر FLIR امریکا جز قدرتمندترین کمپانی های سازنده انواع دوربین ترموویژن، کاربرد ترموگرافی می باشد. به همین دلیل است که به جرات می توان گفت که اکثر محصولات تولیدی این کمپانی بزرگ ترموویژن و دوربین های دید در شب می باشد.
این دستگاه را با نام های دیگر نیز می شناسند که در اینجا به چند نمونه اشاره می کنیم. دوربین های حرارتی، دوربین تصویر برداری حرارتی، ترمال کمرا، گرمانگار، ترموگرافی، دوربین مخصوص موبایل، دوربین حرارتی پزشکی، دوربین حرارتی فردی، دوربین حرارتی دید در شب، دوربین حرارتی شکار، دوربین حرارتی نظامی، دوربین حرارتی ساختمانی و ....
کاربرد دوربین حرارتی در تابلو برق
یکی از رایج‌ترین و مهم‌ترین کاربردهای دوربین حرارتی، بررسی و پایش تابلوهای برق صنعتی و ساختمانی است. در این نوع تجهیزات، وجود اتصالات نامناسب یا بارهای غیرمتعادل می‌تواند منجر به افزایش دما، آتش‌سوزی و خرابی تجهیزات شود. با استفاده از ترموویژن، می‌توان قبل از وقوع حادثه، نقاط پرخطر را شناسایی و اقدامات پیشگیرانه انجام داد.
در ادامه به مهم‌ترین مواردی که با دوربین حرارتی در تابلو برق قابل شناسایی است اشاره می‌کنیم:
- شل بودن، خوردگی یا اتصالات ضعیف: یکی از رایج‌ترین عوامل ایجاد گرما در تابلو برق، اتصالات ضعیف یا شل است. این اتصالات با افزایش مقاومت الکتریکی، به‌سرعت گرم می‌شوند که به‌راحتی با دوربین حرارتی قابل تشخیص است.
- خرابی در کلیدها، فیوزها و کنتاکتورها: کنتاکت‌های آسیب‌دیده یا فرسوده باعث افزایش دما در نقاط خاصی می‌شوند. ترموویژن امکان تشخیص سریع این نقاط داغ را فراهم می‌کند.
- نامتعادلی بار بین فازها: در صورتی که بار به صورت نامتوازن بین فازها توزیع شده باشد، شاهد افزایش دما در یکی از فازها خواهیم بود. این عدم تعادل با تصویربرداری حرارتی به خوبی قابل شناسایی است.
- شناسایی اضافه‌بارها و داغی کابلشوها: وقتی جریان بیش از حد مجاز از یک مسیر عبور می‌کند، به‌ویژه در کابلشوها و اتصالات، افزایش دما رخ می‌دهد. این موارد در تصاویر حرارتی به صورت نقاط داغ (Hot Spot) مشخص هستند.
- بررسی وضعیت عایق‌ها، کابل‌ها و سیم‌ها: کابل‌هایی که در حال پارگی یا خرابی هستند، معمولاً حرارت غیرطبیعی از خود نشان می‌دهند. با استفاده از دوربین حرارتی، می‌توان این خرابی‌ها را بدون نیاز به قطع سیستم، شناسایی کرد.
- بازرسی دقیق اتصالات شین‌ها: شین‌های مسی یا آلومینیومی ممکن است در اثر اتصالات نامناسب، گرمای ناهمگونی تولید کنند. ترموویژن این موارد را در لحظه نشان داده و تعمیرکاران می‌توانند بدون تماس فیزیکی، محل دقیق عیب را بیابند.