서모그래피

Thermography
이 기사는 적외선 이미징 기술에 대한 것입니다.서모그래피라고 하는 인쇄 기술에 대해서는, 서모그래피 인쇄를 참조해 주세요.의학 서모그래피는 비접촉 서모그래피를 참조하십시오.
배경에는 전통 건물, 앞에는 패시브 하우스의 온도그램

적외선 서모그래피(IRT), 서멀 비디오 및/또는 서멀 이미징은 적외선 이미징 과학의 예인 프로세스에서 물체로부터 방출되는 적외선을 이용하여 열 카메라가 물체의 이미지를 캡처하여 생성하는 과정이다.서모그래피 카메라는 일반적으로 전자기 스펙트럼의 장적외선 범위(대략 9,000-14,000나노미터 또는 9-14μm)의 방사선을 검출하여 온도그램이라고 하는 방사선의 이미지를 생성합니다.적외선은 흑체방사선법에 따라 절대영도 이상의 모든 물체에 의해 방출되기 때문에 서모그래피는 가시광선이 있든 없든 사람의 환경을 볼 수 있게 한다.물체에 의해 방출되는 방사선의 양은 온도에 따라 증가하기 때문에 온도조영법을 통해 온도변화를 볼 수 있다.열화상 카메라를 통해 보면 따뜻한 물체는 차가운 배경에 비해 눈에 잘 띄며, 사람과 그 밖의 온혈동물은 낮이든 밤이든 환경으로부터 쉽게 볼 수 있습니다.그 결과, 서모그래피는 군대와 다른 감시 카메라 사용자에게 특히 유용합니다.

고양이의 체온도

사람과 다른 온혈 동물들의 일부 생리학적 변화도 임상 진단 중에 열 영상으로 관찰할 수 있습니다.체온조영술은 알레르기 검출과 수의학에서 사용된다.FDA의 경고에도 불구하고 일부 대체의학자들은 유방조영술 대신 이 방법을 선택하는 사람들은 암을 조기에 발견할 수 있는 기회를 놓칠 수 있다.[1]정부와 공항 직원들은 2009년 [2]대유행 당시 신종플루 의심환자를 발견하기 위해 보온법을 사용했다.

서멀 이미징 카메라와 스크린.열영상촬영은 바이러스 H1N1(스위인플루엔자)의 징후 중 하나인 높은 체온을 감지할 수 있다.

서모그래피는 오랜 역사를 가지고 있지만, 지난 50년간 [3]상업 및 산업 분야와 함께 사용이 급격히 증가했습니다.소방관들은 연기를 투시하고, 사람을 찾고, 화재의 기지를 특정하기 위해 온도계를 사용한다.유지보수 기술자는 과열된 접합부 및 전원선의 단면을 찾기 위해 서모그래피를 사용합니다.이것은 곧 고장날 징조입니다.건축 기술자는 단열재 결함으로 인한 열 누출을 나타내는 열 신호를 확인하고 그 결과를 사용하여 난방 및 에어컨 장치의 효율을 개선할 수 있습니다.

현대의 서모그래피 카메라의 외관과 작동 방식은 종종 캠코더와 유사합니다.종종 라이브 서모그램은 온도 변화를 너무 명확하게 드러내므로 사진을 분석할 필요가 없습니다.따라서 기록 모듈이 항상 내장되어 있는 것은 아닙니다.

전문 열화상 카메라는 장파장(중장파장 적외선)에 반응하는 초점면 어레이(FPA)를 사용한다.가장 일반적인 유형은 InSb, InGaAs, HgCdTe 및 QWIP FPA입니다.최신 기술은 저비용의 냉각되지 않은 마이크로볼로미터를 FPA 센서로 사용합니다.해상도는 옵티컬(광학식) 카메라의 해상도보다 상당히 낮습니다.대부분 160x120 또는 320x240 픽셀, 가장 비싼 모델의 경우 최대 1280x1024[4] 픽셀입니다.열화상 카메라는 가시 스펙트럼 카메라보다 훨씬 비싸고 고급 모델은 이 기술에 대한 군사용으로 인해 수출이 제한되는 경우가 많습니다.InSb와 같이 오래된 열량계나 더 민감한 모델에서는 일반적으로 소형 스털링 사이클 냉장고 또는 액체 질소를 사용하여 극저온 냉각이 필요합니다.

열에너지

열화상(위)과 일반 사진(아래)의 비교.비닐봉투는 대부분 장파장 적외선으로 투명하지만 남성의 안경은 불투명하다.
이 온도 그래프는 산업용 전기 퓨즈 블록의 단자에 과도한 열이 가해지는 것을 보여줍니다.

열영상 또는 온도그램은 실제로 물체에 의해 방출, 전송 및 반사되는 적외선 에너지의 양을 시각적으로 표시하는 것입니다.적외선의 에너지원은 여러 개이기 때문에 이 방법으로는 물체의 정확한 온도를 측정하기가 어렵다.서멀 촬상 카메라는, 그 데이터를 해석해 화상을 작성하는 알고리즘을 실행할 수 있습니다.이 이미지는 뷰어에 오브젝트가 동작하고 있는 온도의 근사치를 나타내지만, 카메라는 실제 온도를 [5]검출하는 것이 아니라 오브젝트 주위의 영역에 근거해 복수의 데이터 소스를 사용하고 있습니다.

이 현상은 다음 공식을 고려할 때 더욱 명확해질 수 있다.

입사 복사 전력 = 방출 복사 전력 + 송신 복사 전력 + 반사 복사 전력

여기서 입사 복사 전력은 열 이미징 카메라를 통해 보았을 때의 복사 전력 프로파일입니다.방사된 복사전력은 일반적으로 측정되는 것입니다.전송된 복사전력은 원격 열원에서 피사체를 통과하는 복사전력입니다.반사된 복사전력은 원격 열원에서 물체 표면에 반사되는 복사전력량입니다.

이런 현상은 어디에서나 항상 일어난다.복사 전력 × 시간은 복사 에너지와 같기 때문에 복사 열 교환이라고 하는 프로세스입니다.단, 적외선 서모그래피의 경우 사용 중인 열화상 카메라의 스펙트럼 파장 통과 대역 내의 복사 파워를 설명하기 위해 위의 방정식을 사용한다.방정식에 설명된 복사열 교환 요건은 전자파 스펙트럼의 모든 파장에 동일하게 적용된다.

물체가 주위보다 높은 온도로 복사하는 경우, 동력 전달이 일어나고 열역학 제2법칙에 명시된 원리에 따라 온기에서 냉기로 복사됩니다.서모그램에 차가운 부분이 있으면그 물체는 따뜻한 물체에 의해 방출되는 방사선을 흡수합니다

방사하는 물체의 능력을 방사율이라고 하고, 방사선을 흡수하는 것을 흡수율이라고 합니다.실외 환경에서는 정확한 온도 판독값을 얻기 위해 바람으로부터의 대류 냉각을 고려해야 할 수도 있습니다.

열영상 카메라는 일련의 수학적 알고리즘을 사용합니다.카메라는 사람의 눈으로 감지할 수 없는 전자파 복사만 볼 수 있기 때문에, 뷰어에 사진을 만들고, 눈에 보이는 사진을 보통 JPG 형식으로 기록할 것이다.

비접촉 온도 기록 장치의 역할을 수행하기 위해 카메라는 방사율 설정에 따라 보는 물체의 온도를 변경합니다.

측정에는 전송 매체(일반적으로 공기)의 전송 능력 및 해당 전송 매체의 온도 등 다른 알고리즘을 사용할 수 있습니다.이러한 모든 설정은 표시 중인 객체의 온도에 대한 최종 출력에 영향을 미칩니다.

이 기능을 통해 열 이미징 카메라는 산업 및 상업에서 전기 및 기계 시스템을 유지관리하는 데 뛰어난 도구가 됩니다.적절한 카메라 설정을 사용하고, 화상을 촬영할 때에 주의하는 것으로, 전기 시스템을 스캔 해, 문제를 찾아낼 수 있습니다.증기 가열 시스템에서 증기 트랩의 결함을 쉽게 찾을 수 있습니다.

에너지 절약 영역에서는 서멀 이미징 카메라로 더 많은 작업을 수행할 수 있습니다.물체가 무엇을 향해 복사하고 있는지 뿐만 아니라 물체의 유효 복사 온도를 볼 수 있기 때문에 열 누출 및 과열 영역의 위치를 파악하는 데에도 도움이 됩니다.

방사율

방사성은 종종 오해되고 오용되는 용어이다.이것은 열복사를 방출하는 물질의 능력을 나타내며 물질의 광학적 특성입니다.

물질마다 방사율이 다르며 온도와 적외선 [6]파장에 따라 다를 수 있습니다.예를 들어 깨끗한 금속 표면은 긴 파장에서 감소하는 방사율을 가지며, 석영(SiO2), 사파이어(AlO23), 플루오르화칼슘(CaF2) 등 많은 유전체 재료는 긴 파장에서 증가하는 방사율을 가지며, 산화철23(FeO)과 같은 단순 산화물은 적외선 스펙트럼에서 상대적으로 평평한 방사율을 보인다.

물질의 방사율은 이론적인 0.00(완전히 방출되지 않음)에서 이론적인 1.00(완전 방출)까지 다양합니다.방출률이 낮은 물질의 예로는 방출률 계수가 0.02인 은을 들 수 있다.방출률이 높은 물질의 예로는 방출률 계수가 0.98인 아스팔트가 있습니다.

흑체는 그 접촉 온도의 열복사 특성을 방사하는 방사율 1의 이론적인 물체이다.즉, 열적으로 균일한 흑체 라디에이터의 접촉 온도가 50°C(122°F)인 경우 흑체는 50°C(122°F)의 열 방사 특성을 방출합니다.

사람이 들고 있는 뱀의 온도 기록

일반 물체는 이론상의 흑체보다 적은 적외선을 방출한다.이론적인 방출(흑체)에 대한 실제 방출의 비율은 방사율(또는 방사율 계수)입니다.

적외선 이미저를 사용하여 물체의 온도를 측정하려면 물체의 방사율을 추정하거나 결정해야 합니다.신속한 작업을 위해 온도 기록자는 특정 유형의 물체에 대한 방사율 표를 참조하여 해당 값을 이미저에 입력할 수 있습니다.그런 다음 이미저는 테이블에서 입력한 값과 이미저가 감지한 물체의 적외선 방사선을 기준으로 물체의 접촉 온도를 계산합니다.

보다 정확한 온도 측정을 위해 온도학자는 알려진 높은 방사율을 가진 표준 물질을 물체의 표면에 적용할 수 있습니다.표준 재료는 산업용 방사율 스프레이처럼 복잡하거나 표준 검은색 절연 테이프처럼 단순할 수 있으며 방사율은 약 0.97입니다.그 물체의 알려진 온도는 표준 방사율을 사용하여 측정할 수 있습니다.원하는 경우, 이미저의 설정을 알려진 온도로 조정하여 물체의 실제 방사율(표준 물질로 덮여 있지 않은 물체의 부분)을 확인할 수 있습니다.그러나 위험하거나 접근할 수 없는 조건 때문에 방사율 시험을 할 수 없는 상황이 있다.이러한 경우 온도 조절기는 테이블을 사용해야 합니다.

적외선 필름과의 차이점

적외선 필름은 250~500°C(482~932°F) 범위에서 적외선(IR) 방사선에 민감하며, 열 촬영 범위는 약 -50~2000°C(-58~3,632°F)입니다.따라서 IR 필름이 온도학적으로 작동하려면 250°C(482°F)를 초과하거나 최소한 그 정도로 뜨거운 물체에서 나오는 적외선을 반사해야 합니다.

야간 투시 적외선 장치는 가시 스펙트럼 바로 너머의 근적외선으로 영상을 촬영하며, 완전한 시각 어둠 속에서 근적외선으로 방출되거나 반사되는 것을 볼 수 있습니다.그러나 다시 말씀드리지만, 고온 요건으로 인해 일반적으로 서모그래피에는 사용되지 않고 활성 근적외선 소스와 함께 사용됩니다.

별빛형 야간 시력 장치는 일반적으로 주변 조명만 확대합니다.

패시브 서모그래피와 액티브 서모그래피

절대 영점 온도(0K) 이상의 모든 물체는 적외선을 방출합니다.따라서 열변화를 측정하는 가장 좋은 방법은 적외선 비전 장치, 보통 초점면 어레이(FPA) 적외선 카메라를 사용하는 것으로, MWIR 및 LWIR로 표시되는 중간(3~5μm) 및 긴(7~14μm)파 적외선 대역의 방사선을 검출할 수 있다.물체 표면의 비정상적인 온도 프로파일은 잠재적인 [7]문제를 나타냅니다.

수동 서모그래피에서 관심 있는 특징은 자연히 배경보다 더 높거나 낮은 온도입니다.패시브 서모그래피는 현장에서의 사람 감시 및 의료 진단(특히 열학)과 같은 많은 응용 분야를 가지고 있습니다.

액티브 서모그래피에서는 관심 특징과 배경 사이에 열적 대비를 일으키기 위해 에너지원이 필요합니다.검사된 부품이 일반적으로 주변과 평형 상태에 있다는 점을 고려할 때 많은 경우에 능동적 접근이 필요하다.흑체 복사의 초선형성을 고려할 때 활성 서모그래피는 또한 회절 한계를 넘어 영상 시스템의 분해능을 향상시키거나 초해상도 현미경을 [8]얻기 위해 사용될 수 있다.

이점

그것은 넓은 지역의 온도를 [9][10][11]비교할 수 있도록 시각적인 그림을 보여준다.움직이는 표적을 실시간으로 [9][10][11]포착할 수 있다.고장 전에 열화, 즉 고온 구성 요소를 찾을 수 있습니다.다른 방법으로는 접근이 불가능하거나 위험한 영역에서 측정하거나 관찰하는 데 사용할 수 있습니다.비파괴 검사법입니다.샤프트, 파이프 및 기타 금속 또는 플라스틱 [12]부품의 결함을 발견하는 데 사용할 수 있습니다.어두운 영역에 있는 물체를 감지하는 데 사용할 수 있습니다.의학적으로 응용할 수 있습니다. 기본적으로 물리치료에서요.

제한 및 단점

더 싸고 더 비싼 다양한 카메라들이 있다.고품질 카메라는, 픽셀 어레이가 큰(최신 사양의 1280 x 1024) 때문에, 가격이 높은(종종 3,000달러 이상) 것이 많은 반면, 보다 저렴한 모델(최대 160 x 120 픽셀의 픽셀 어레이)도 구입할 수 있습니다.픽셀 수가 적을수록 영상 화질이 저하되어 동일한 시야 내에서 근접 대상을 식별하기가 더 어려워집니다.

리프레시 레이트에도 차이가 있습니다.일부 카메라의 경우 새로 고침 값은 5~15Hz이며, 다른 카메라(예: FLIR X8500sc[4])는 풀 윈도우 모드가 아닌 경우 180Hz 이상일 수 있습니다.

또, 렌즈 일체화도 가능합니다.

많은 모델에서는 출력 이미지를 구성하는 데 사용되는 방사선 강도 측정을 제공하지 않습니다. 방사율, 거리, 주변 온도 및 상대 습도에 대한 올바른 보정이 없으면 결과 이미지가 본질적으로 잘못된 [13]온도 측정이 됩니다.

액티브한 서멀 [14]이미징에서는 이 문제가 경감되지만 특정 물체, 특히 온도가 불규칙한 물체를 기준으로 하면 이미지를 정확하게 해석하기 어려울 수 있습니다.

서모그래피 카메라는 [15]받는 복사열에너지를 바탕으로 열화상을 만듭니다.방사선 수준은 측정 대상 표면에서 나오는 햇빛과 같은 방사선과 반사에 의해 영향을 받기 때문에 [16]측정 시 오류가 발생합니다.

  • 대부분의 카메라는 온도 측정 정확도가 ±2% 이상이고 접촉 [9][10][11]방식만큼 정확하지 않습니다.
  • 방법 및 기기는 표면 온도를 직접 감지하는 것으로 제한됩니다.

적용들

잔디가 깔린 운동장 위/아래에서 특징을 드러내는 카이트 공중 온도 기록.열 관성 및 차동 증산/증발과 관련이 있습니다.
스위스 태양광 패널 어레이의 UAS 열 이미지
AR-15 소총에 장착된 AN/PAS-13 열소총 스코프

열화상 카메라는 적외선 파장의 에너지를 가시광선 디스플레이로 변환합니다.절대영도 이상의 모든 물체는 열적외선 에너지를 방출하기 때문에 열 카메라는 주변 빛에 관계없이 모든 물체를 수동적으로 볼 수 있습니다.그러나 대부분의 열 카메라는 -50°C(-58°F)보다 따뜻한 물체만 봅니다.

열복사의 스펙트럼과 양은 물체의 표면 온도에 따라 크게 달라진다.이를 통해 열화상 카메라는 물체의 온도를 표시할 수 있습니다.그러나 다른 요인도 방사선에 영향을 미쳐 이 기법의 정확성을 제한한다.예를 들어 방사선은 물체의 온도뿐만 아니라 물체의 방사율에도 영향을 미칩니다.또, 방사선은 주위로부터 발신되어 물체에 반사되며, 물체로부터의 방사선과 반사된 방사선은 대기의 흡수에 의해서도 영향을 받습니다.

표준

ASTM International (ASTM)
  • ASTM C1060, 프레임 건물의 엔벨로프 공동 내 단열 설비의 온도계 검사를 위한 표준 프랙티스
  • ASTM C1153, 적외선 이미징을 이용한 지붕 시스템의 습식 단열 위치 표준 프랙티스
  • ATSM D4788, 적외선 서모그래피를 이용한 교량 바닥판 박리 검출 표준 시험 방법
  • ASTM E1186, 건물 외피 및 방공벽 시스템의 공기 누출 현장 탐지를 위한 표준 사례
  • ASTM E1934, 적외선 서모그래피를 사용한 전기 및 기계 기기 검사 표준 가이드
  • 전기계통 및 회전기기의 적외선 검사기준
  • 단열지붕 적외선 검사기준
  • 건물 외피 적외선 검사 기준
  • 해충 및 해충 관련 피해 검출을 위한 적외선 검사 기준
  • 태양광발전시스템 적외선 검사기준
  • 섬유유리강화플라스틱복합재료로 제작된 레저요트 및 소형선박의 적외선 검사기준
  • 말의 적외선 열영상 표준
  • 적외선 촬영 방사계를 이용한 방사량 측정 및 보정 표준
  • 적외선 이미징 방사계를 이용한 반사온도 측정 및 보정
  • 적외선 촬영 방사계를 이용한 감쇠 매체의 투과율 측정 및 보정 기준
  • 적외선 촬영 방사계의 거리/표적 크기 측정 기준
국제 표준화 기구(ISO)
  • ISO 6781, 단열 – 건물 봉투의 열 이상 정성적 검출 – 적외선 방법
  • ISO 18434-1, 기계의 상태 모니터링 및 진단 – 서모그래피 – 파트 1: 일반 절차
  • ISO 18436-7, 기계의 상태 모니터링 및 진단 – 자격 및 직원 평가를 위한 요건 – 파트 7: 서모그래피

생물학적 대응물

온도조영술은 정의상 기구(아티팩트)에 의한 것이지만, 일부 생물은 열영상계에 대항하는 기능을 하는 자연 기관을 가지고 있기 때문에 열영상술의 조잡한 유형(열감지)을 가지고 있다.가장 잘 알려진 예 중 하나는 뱀의 적외선 감지이다.

CCD 및 CMOS 서모그래피

CMOS 카메라로 측정한 연무연료의 온도 윤곽선.

비전문 CCD 및 CMOS 센서는 가시광선 파장 범위에서 스펙트럼 감도의 대부분을 갖는다.그러나 스펙트럼 감도의 "추적" 영역, 즉 근적외선(NIR)이라 불리는 적외선 스펙트럼의 일부를 사용하고 기성 CCTV 카메라를 사용하면 특정 상황에서 약 280°C(536°F) [27]이상의 온도에서 물체의 진정한 열 이미지를 얻을 수 있다.

600°C 이상의 온도에서 가시 스펙트럼의 열 측정에는 CCD 및 CMOS 센서를 갖춘 저렴한 카메라가 사용되었다.그것들은 화염의 그을음, 석탄 입자의 연소, 가열된 물질, SiC 필라멘트 및 [28]연소에 사용되어 왔다.이 열측정법은 외부 필터 또는 센서의 바이엘 필터만 사용하여 수행되었습니다.색비, 그레이스케일 및/또는 양쪽의 하이브리드를 사용하여 수행되었습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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