Kamery termowizyjne do pomiaru temperatury - jakie wybrać i co brać pod uwagę?

W tym artykule omówiliśmy główne aspekty, które warto wziąć pod uwagę kupując kamery termowizyjne do pomiaru temperatury. Na rynku jest tak wiele opcji, że można się pogubić, tym bardziej że ceny czasami sięgają aż 30 tys. Warto przeczytać ten poradnik, zwłaszcza gdy nie masz doświadczenia w używaniu kamer termowizyjnych do monitorowania podwyższonej temperatury ciała lub w innych sytuacjach.

Na rynku jest wiele produktów opakowanych w ładne zdjęcia z astronomiczną ceną, a producenci chcą wykorzystać sytuację pandemii koronawirusa do zbicia fortuny. Wiele firm inwestuje obecnie znaczne sumy pieniędzy w technologie, których nie rozumieją. Wielu sprzedawców nawet nie wiedziało, jak kamera termowizyjna działała dwa miesiące temu i teraz nazywają siebie ekspertami.

Kamery termowizyjne do wykrywania spodziewanej gorączki? - MIT

Na przykład badanie przesiewowe podwyższonej temperatury ciała wymaga nie tylko dogłębnej wiedzy na temat termografii, ale także solidnego zrozumienia fizjologicznych skutków działania organizmu człowieka. W szczególności, jak organizm reguluje temperaturę. Niektóre firmy promują swoje rozwiązania jako kamery „chroniące przed gorączką”. Jest to mylące stwierdzenie, ponieważ żadna kamera termowizyjna nie została dopuszczona przez FDA do badań przesiewowych w kierunku gorączki. Kamery te mogą jedynie wykryć zmiany temperatury powierzchni skóry. Nie mówiąc już o umiejętności interpretacji specyfikacji technicznych kamer termowizyjnych. Dodajmy teraz do tego złożoność fizjologii człowieka i to, jak termoregulacja organizmu może wypaczyć wyniki przyrządu optycznego używanego do pomiaru temperatury.

Zdobycie kompleksowej wiedzy na temat pomiarów temperatury człowieka i ich interpretacji jest wyjątkowo czasochłonne. W internecie znajdziemy głównie "literaturę marketingową" która zamiast dostarczać rzetelnych informacji, skupia się na reklamowaniu marżowych produktów.

Jak działa kamera termowizyjna?

Kamera termowizyjna przechwytuje wypromieniowaną energię podczerwoną z powierzchni ciała stałego. Przechwycona energia jest następnie matematycznie przetwarzana na odczyt temperatury. Odczyt temperatury każdego piksela kamery jest następnie kojarzony z kolorem reprezentującym temperaturę.

Bezwzględna dokładność kamery termowizyjnej zależy od wielu czynników. Biorąc pod uwagę wszystkie czynniki (emisyjność, rozdzielczość przestrzenną, szum detektora i systemu, dryft temperatury itp.), Oczekiwana dokładność tych kamer nigdy nie będzie lepsza niż ± 2 ° Celsjusza. Wynika to z faktu, że detektor obrazu w kamerze, obiektyw i elektronika nagrzewają się i tworzą dryft temperaturowy. Bez aktywnej kompensacji temperatury ten dryf w dużym stopniu przyczynia się do osiągalnej dokładności w tych kamerach. Wszystkie oferowane kamery do monitoringu podwyższonej temperatury ciała są oparte na detektorach typu mikrobolometrycznego.

Czy istnieją termowizory z pomiarem temperatury +/- 0,5 ° C ?

Na rynku można znaleźć kamery, które deklarują dokładność kamery na poziomie +/- 0,5 ° C bez użycia zewnętrznego czarnego ciała, tj. skalibrowanego źródła odniesienia temperatury. Potwierdzają to twierdzenie faktem, że cały skalibrowany zakres temperatur został zoptymalizowany pod kątem temperatury ludzkiego ciała. Prawdą jest, że użycie mniejszego zakresu dynamicznego może potencjalnie pomóc w uzyskaniu dokładności. Jednak wymaga to również wyższego stopnia wzmocnienia. Wraz ze wzmocnieniem pojawia się dodatkowy szum. Jeśli detektor ma NETD 0,05k (50mK) przy 30C. Najlepsza teoretyczna osiągalna dokładność to około 10 razy NETD. Więc 0,05 K x 10 = 0,5 K lub 0,5 ° C, ignorując wszystkie inne źródła błędów. Dowiedz się więcej o NETD, sprawdzając nasz artykuł - termowizja pytania i odpowiedzi. Typowe zakresy dynamiczne detektorów mikrobolometrycznych wymagają 14-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego. Aby więc wykorzystać znacznie zmniejszony zakres dynamiki, należałoby wzmocnić sygnał z detektora. Wzmocni to również szum detektora, a tym samym wpłynie negatywnie na osiągalną dokładność. Nic z tego nie pomaga i nie rozwiązuje problemu dryfu temperatury. Podsumowując uzyskanie pomiaru temperatury +/- 0,5 ° C jest możliwe albo w warunkach laboratoryjnych (Aktywne chłodzenie i kontrola temperatury soczewki, detektora), albo z wykorzystaniem zewnętrznego źródła odniesienia temperatury (inaczej czarnego ciała). W tym drugim przypadku musiałaby być to cała stacja pomiarowa termowizji, dużo większa niż jakakolwiek ręczna kamera termowizyjna.  

Co może wykryć kamera termowizyjna?

Kamera termowizyjna może jedynie wykrywać, mierzyć i dokumentować zmiany temperatury powierzchni skóry. Kamera termowizyjna nie może wykryć ani zdiagnozować - czy ktoś ma gorączkę, czy jest chory lub zdrowy, czy ktoś ma jakąkolwiek infekcję oraz czy ktoś jest zakażony. Decyzję diagnostyczną może wydać tylko pracownik służby zdrowia, stosując inne metody rozpoznania - w przypadku zakażenia Covid-19 są to wymazy. Kamera termowizyjna może jedynie służyć jako pomocnicze narzędzie przesiewowe do pomiarów temperatury powierzchni skóry. Nigdy nie powinna być używana samodzielnie do podejmowania żadnych decyzji diagnostycznych.

Jak prawidłowo mierzyć podwyższoną temperaturę ciała?

Badania naukowe pokazują, że większość temperatury skóry twarzy nie jest nawet tak blisko skorelowana z temperaturą wewnętrzną ciała. Organizm ludzki termoreguluje swoją temperaturę wewnętrzną za pomocą złożonego biologicznego układu zamkniętego. Wydziela nadmiar ciepła, konserwuje je lub utrzymuje równowagę i czyni to jako mechanizm przetrwania. Regulacja ta powoduje, że temperatura skóry zmienia się w zależności od warunków otoczenia (pasywne ogrzewanie lub chłodzenie w wyniku ekspozycji na żywioły), wysiłku fizycznego lub innych procesów biologicznych.

Badania pokazują, że wewnętrzny kąt oka (obszar kanału łzowego) reprezentuje najdokładniejszą część twarzy, jeśli chodzi o optyczny pomiar temperatury (Pokazaliśmy to na rysunku powyżej).

Jakiej rozdzielczości termowizor potrzebujemy do pomiaru temperatury?

Obszar kanału łzowego wynosi około 5 mm. Potrzebujemy co najmniej 3 pikseli, aby pokryć ten obszar i uzyskać dokładny pomiar. 5 mm / 3 piksele = 1,6 mm / piksel Używając kamery termowizyjnej z 320 pikselami, możemy uchwycić rozmiar obrazu 320 pikseli x 1,6 mm / piksel = ok 50 cm. Analogicznie rozdzielczość 160 pikseli, da nam rozmiar obrazu ok. 25 cm. Dlatego skierowanie aparatu na tłum w celu wykrycia podwyższonej temperatury ciała nie zadziała. Bo urządzenie nie będzie w stanie wykryć kanału łzowego. Zakładając rozmiar obrazu 1,5 metra, wymagałby kamery termowizyjnej o rozdzielczości> 12 megapikseli, a takich po prostu nie ma. Odpowiadając na pytanie kamera termowizyjna z sensorem 160 × 120 px w zupełności wystarczy do pomiaru temperatury pojedynczej osoby z bliskiej odległości.

Co to jest ciało czarne?

Ciało czarne lub skalibrowane źródło odniesienia jest urządzeniem aktywnie kontrolowanym temperaturą. Ciała czarne zwykle stanowią źródło odniesienia do kalibracji kamer termowizyjnych i innych optycznych czujników temperatury, takich jak pirometry. Urządzenia te składają się z aktywnej powierzchni ze specjalną powłoką o wysokiej emisyjności, wewnętrznego czujnika temperatury i regulatora temperatury z zamkniętą pętlą. Niektóre czarne ciała mają regulowany regulator temperatury, prostsze urządzenia mają pojedynczą, stałą temperaturę. Do specjalnych zastosowań wysokotemperaturowych dostępne są czarne korpusy typu wnękowego. Nazwa ciała doskonale czarnego pochodzi z fizyki - promieniowanie ciała doskonale czarnego. Nazwę nadano, ponieważ wyidealizowana wersja ciała doskonale czarnego pochłania całe promieniowanie o wszystkich długościach fal.

Prawo Plancka opisuje promieniowanie ciała doskonale czarnego. Im wyższa energia wypromieniowana, tym krótsza długość fali. Zjawisko to można zaobserwować podczas podgrzewania kawałka metalu. Ciepło nie jest widoczne, dopóki nie osiągnie określonego poziomu energii, po czym kawałek metalu zaczyna lekko świecić na czerwono. Wraz ze wzrostem energii czerwony staje się pomarańczowy, pomarańczowy staje się jasnożółty. Długość fali przesuwa się z obszaru podczerwieni do obszaru widzialnego i staje się dostrzegalna dla ludzkiego wzroku (400 nm do 700 nm). Na podobnej zasadzie działa termowizor ze skalibrowanym źródłem odniesienia

Jakie są zatem najlepsze termowizory do pomiaru temperatury?

Na rynku jest bardzo dużo nowych kamer termowizyjnych producentów, które pojawiły się znikąd. Warto przed zakupem zadać sobie pytanie: Czy producent ma doświadczenie w kamerach termowizyjnych. Nie będzie zaskoczeniem, jeżeli powiemy, że producent FLIR jest liderem w produkcji termowizorów. Posiada największą ofertę zarówno na termowizję przemysłową jak i na termowizory myśliwskie. Swoje kamery wykorzystuje również w dronach łącząc siły z firmą DJI by stworzyć najbardziej profesjonalne kamery Zenmuse XT2.

Drugą firmą z dużym doświadczeniem w produkcji termowizji jest firma Hikvision. Posiada kompleksową ofertę na monokulary termowizyjne oraz termowizyjne kamery przemysłowe. Dla służb wojskowych czy medycznych wystarczającym termowizorem jest budżetowy termowizor  Hikvision DS-2TP31-3AUF gdyż spełnia swoje zadanie zwiększając (nie gwarantując) wykrycie podwyższonej temperatury. Inwestowanie dużych pieniędzy w zautomatyzowane systemy nie ma racji bytu gdyż już wyjaśniliśmy wcześniej, że nie są one w stanie skutecznie wykryć temperatury wewnętrznej człowieka mimo bardziej precyzyjnego pomiaru. Co najważniejsze pamiętaj o fałszywych twierdzeniach jakoby termowizja miałaby skutecznie wykrywać gorączkę, zapobiegać rozprzestrzenianiu się infekcji czy też ogólnikowo zapewniać bezpieczeństwo.