Pomiar temperatury za pomocą kamery termowizyjnej

Podobnym zróżnicowaniem cechuje się rynek kamer termowizyjnych. W ofertach producentów znaleźć można układy kosztujące kilkaset złotych, jak i takie, których cena wynosi kilkadziesiąt tysięcy.

 

Rys. 1. Obszar kanalików łzowych pozwala na najdokładniejszy pomiar temperatury ciała z całej dostępnej powierzchni ludzkiej twarzy

W przypadku konstruowania systemu przeznaczonego do bezkontaktowego pomiaru temperatury w oparciu o kamery termowizyjne należy mieć świadomość, że jest to zagadnienie wysoce złożone i skomplikowane. Sama kamera jest jedynie jednym z elementów systemu – rejestrowane przez nią pomiary muszą być następnie w odpowiedni sposób przetworzone i analizowane. Pomiar temperatury ludzkiego ciała jest dużo trudniejszy niż w przypadku obiektów martwych, takich jak np. metalowa obudowa urządzenia przemysłowego. Zapewnienie wysokiej precyzji i niezawodności pomiarów w zmieniających się warunkach otoczenia wymaga uwzględnienia wpływu dużej liczby zróżnicowanych zjawisk fizycznych, znajomości zasad optyki, praw termodynamiki, kompensacji dryft u temperaturowego oraz wielu innych zagadnień.

Kamery termiczne nie są w stanie wykryć gorączki ani zdiagnozować żadnej choroby. Ich rola polega na pomiarze natężenia promieniowania podczerwonego emitowanego przez obserwowane przez nie powierzchnie. Jeśli nakierowane są na ludzką twarz, mierzą promieniowanie emitowane przez ludzką skórę. Powierzchnia twarzy jest jednak dość złożona i w dużej mierze zależy od indywidualnych cech osobniczych. To również wpływa na dokładność uzyskanego pomiaru. Badania naukowe pokazują, że temperatura znakomitej większości powierzchni skóry twarzy nie jest zbyt dobrze skorelowana z temperaturą ciała. Na całej powierzchni twarzy obszarem o temperaturze najbardziej zbliżonej do rzeczywistej temperatury ciała są kanaliki łzowe. Jest to obszar o względnie niedużej powierzchni, o szerokości od ok. 5 do 7 mm. W przypadku korzystania z kamery termowizyjnej obszar ten musi być pokryty odpowiednią liczbą pikseli, pozwalającą na wykonanie precyzyjnych pomiarów. W praktyce realizacja w miarę dokładnego pomiaru wymaga zapewnienia wartości długości krawędzi piksela nie mniejszej niż 1,5 mm, co wymaga odpowiedniej rozdzielczości obrazu.

Rozdzielczość kamery a rozmiar obrazu

Inaczej niż w przypadku systemów widzenia maszynowego lub monitoringu wizyjnego, kamery termiczne charakteryzują się z reguły dużo mniejszą rozdzielczością. Typowa wartość tego parametru w przypadku większości modeli to 320×240 lub 640×480 pikseli. Uwzględniając wymóg zapewnienia pokrycia obszaru na poziomie nie mniejszym niż 1 piksel/1,5 mm, możliwe jest obliczenie pola widzenia w systemie bezkontaktowego pomiaru temperatury. W przypadku matrycy o rozdzielczości 320×240 pikseli maksymalna szerokość pola widzenia wynosi 480 mm (320×1,5) – patrz tabela 1.

Na rysunku 2 przedstawiono badanie dokładności kamery termowizyjnej o rozdzielczości 464×384 pikseli. Temperatura ciała badanej osoby zmierzona została za pomocą termometru medycznego i wynosiła 37°C. Pomiary termowizyjne były wykonane na dystansie od 0,5 do 6 m. Maksymalna zmierzona temperatura dla każdej z tych odległości została zarejestrowana na wykresie. Uzyskane wyniki pokazują istotny spadek temperatury wraz ze wzrostem odległości do badanej osoby. Do badań wykorzystano kamerę wysokiej jakości – spadek dokładności przy użyciu gorszego sprzętu byłby zapewne jeszcze bardziej widoczny.

 

Rys. 2. Zależność mierzonej wartości temperatury od odległości obiektu od rejestratora

Dokładność kamery

Bezwzględna dokładność pomiarów kamer termowizyjnych jest jednym z podstawowych ograniczeń podczas konstruowania systemu do bezkontaktowego pomiaru temperatury. Tego typu kamery wykonane są w oparciu o tzw. mikrobolometry, czyli czujniki zamieniające energię promieniowania podczerwonego na zmianę temperatury, to zaś przekłada się na zmianę rezystancji elementu pomiarowego. Każdy piksel wyposażony jest w układ pomiarowy wykonany w technologii MEMS. Niewątpliwą wadą tego typu rozwiązania jest bardzo silna zależność wyników pomiarów od temperatury układu i otoczenia. Każda zmiana temperatury detektora przekłada się na zaburzenie otrzymanych wyników pomiarowych. Pod wpływem temperatury silnie zmieniają się też właściwości elementów optycznych.

Zjawiska te, sumując się, wpływają na całkowitą wartość błędu pomiarowego. Typowa realna wartość bezwzględnej dokładności pomiarowej dla kamer termowizyjnych wynosi ok. ±2°C. Kontrola dryft u temperaturowego wymagana do osiągnięcia lepszej dokładności wiąże się z koniecznością implementacji skomplikowanych układów chłodzenia i ogrzewania, utrzymujących temperaturę systemu na stałym poziomie. Konstrukcja takich mechanizmów może znacząco zwiększyć koszt całego rozwiązania.

Niektórzy producenci podają znacznie lepsze katalogowe wartości dokładności osiąganej przez ich produkty, w granicach ok. ±0,5°C, należy jednak podchodzić do interpretacji takich danych z dużą ostrożnością. Często wynika to z niezbyt rzetelnego sposobu pomiaru tego parametru, np. poprzez prowadzenie rejestracji przez stosunkowo krótki czas.

Zwiększanie dokładności pomiaru

Istnieją dwie podstawowe metody bezkontaktowego pomiaru temperatury z użyciem kamery termowizyjnej. Jedna z nich korzysta ze skalibrowanego źródła temperatury odniesienia (ciała doskonale czarnego), druga zaś używa metod statystycznych.

Użycie ciała doskonale czarnego pozwala na bieżąco dokonywać korekty dryft u temperaturowego, umożliwiając osiąganie dokładności pomiarów lepszej niż ±0,5°C. W tym celu obiekt odniesienia musi być cały czas obecny w polu widzenia kamery, na tej samej odległości od obiektywu co badany obiekt.

Druga z metod wykorzystuje powtarzalność pomiarów kamery i uśrednianie uzyskanych wyników. Możliwa jest także kombinacja obu technik, co pozwala na uzyskiwanie jeszcze lepszych rezultatów.

Na dokładność pomiaru realizowanego za pomocą kamery termowizyjnej wpływa również wiele czynników niezależnych od samej konstrukcji kamery, takich jak emisyjność badanej powierzchni, kąt obserwacji kamery, odbicia od powierzchni, tłumienie atmosferyczne oraz rozmycie obrazu związane z ruchem obiektów. Dla uzyskania precyzyjnych pomiarów konieczne jest uwzględnienie wszystkich z nich. Na wartość pomiaru temperatury rejestrowaną przez kamerę wpływa energia odbita, emitowana oraz transmitowana przez badany obiekt. Uzyskana temperatura jest sumą tych trzech rodzajów energii. Energia transmitowana to energia przepuszczana przez obiekt, zaś energia odbita to energia promieniowania padającego na powierzchnię obiektu i odbijanego w kierunku detektora. Trzecia składowa to energia promieniowania podczerwonego generowanego przez obiekt – jedynie ta wielkość zależy od temperatury badanego obiektu. Dwie pozostałe wartości zaburzają wyniki pomiarów temperatury.

Jeśli obiektyw kamery umieszczony jest pod kątem w stosunku do badanego obiektu, pewna część promieniowania emitowanego przez obiekt nie zostanie zarejestrowana przez detektor, co wpłynie na zwiększenie wartości błędu pomiarowego. Optymalnym rozwiązaniem jest zatem rozmieszczenie obiektywu kamery równolegle do powierzchni badanego ciała.

Kolejnym ze źródeł błędu jest promieniowanie odbite, stanowiące, jak już wspomniano, niepożądany składnik sygnału rejestrowanego przez detektor. Jeśli w pobliżu badanego obiektu znajdować się będą przedmioty o wysokiej temperaturze, to emitowane przez nie promieniowanie może zakłócać wynik pomiaru.

Promieniowanie podczerwone podlega tłumieniu w atmosferze. Obecność w powietrzu pewnych rodzajów cząstek może wpłynąć na znaczne zwiększenie wartości współczynnika tłumienia, również powodując wzrost błędu pomiarowego.

Damian Tomaszewski