Termovize

Termografie je zobrazovací metoda, která umožňuje zviditelnit infračervené spektrum, které je pro lidské oko jinak neviditelné. Zařízení, kterým může být tato část elektromagnetického spektra pozorována je termovize.

Díku tomu, že všechna tělesa o teplotě vyšší, než je absolutní nula (-273,15°C = 0 K) – prakticky tedy všechna reálná tělesa na Zemi, vyzařují tepelné záření, lze s pomocí termovize měřit povrchovou teplotu jakéhokoli objektu.

Každé těleso na Zemi vyzařuje elektromagnetické záření ze svého povrchu, které proporcionálně odpovídá jeho teplotě, kterou lze zachytit prostřednictvím termovizní kamery.

Termovize principiálně funguje tak, že s využitím optických čoček je paprsek, vyzařovaný pozorovaným tělesem, fokusován do detektoru, který generuje elektrický signál, jenž je proporcionální k vyzařovanému záření. Signál je zesílen s využitím postupného zpracování digitálního signálu a transformován do výstupního signálu, který odpovídá teplotě tělesa.

Termovizní kamera označuje celý komplex aparatury využívané od detekce signálu, přes jeho zpracování až po jeho interpretaci ve formě zveřejnění informace.

Konkrétní využití termovize záleží mimo jiné na tom, zda se jedná o model s kvantovým, či tepelným detektorem, přičemž kamery s tepelným detektorem jsem k dostání mnohem častěji vzhledem k možnostem jejich širokého využití, stejně jako vzhledem k pořizovací ceně, která je u termovizních kamer s tepelným detektorem podstatně nižší.

Termovize v dnešní době má nezastupitelné místo v mnohých odvětvích průmyslu, při pozorování přírody a zvěře, v medicíně i ve výzkumných aplikacích a ve vědě, v boji s požáry a při zajišťování bezpečnosti nebo v kombinaci s bezpilotními letouny, tzv. drony.

Využití v boji s požáry:

Své časté využití termovizní kamera nachází při zjišťování tepelných ztrát ve stavebnictví a strojírenství, prediktivní údržbě elektrických strojů a zařízení, vyhledávání poškozených fotovoltaických panelů, vadných ložisek.

Vhodné je také zmínit pojem aktivní termovize, která se zabývá defektoskopií a diagnostikou materiálů v letectví, metalurgií, výrobou kompositních materiálů a dalšími podobnými aplikacemi.

Termovizní zobrazování je možné aplikovat na vzdálenost několika desítek metrů, stejně jako na vzdálenost několika centimetrů. Některé termovizní kamery jsou schopné také v případě zaznamenaného rizika vysílat varovné signály ať už zvukové, či optické, což dále rozšiřuje použití termovize.

Mezi nejznámější výrobce termovizních systémů s dlouhou historií patří společnost Teledyne FLIR (dříve FLIR systems), který nabízí nejrůznější termovizní kamery, přičemž vždy umožňuje vybrat takovou kameru, která padne na míru konkrétní aplikaci dle potřeby uživatele.

Termovize ve stavebnictví

Tepelné ztráty budov významně ovlivňují celkové náklady na provoz a teplota uvnitř místností zase tepelnou pohodu. Kontrola termovizí ve stavebnictví patří mezi nejzákladnější aplikace termovizních systémů.

Volba vhodné termovize pro stavebnictví

Za vhodnou termovizní kameru střední třídy lze považovat model FLIR E54. Pro účely využití termovize ve stavebnictví lze však vybírat z velmi širokého portfolia termovizních systémů, protože to je velmi univerzální aplikace. Jednat by se mohlo například o termovize: FLIR E6-xt, FLIR E8 Pro, FLIR E76 a další.

Termovize při diagnostice elektrických zařízení

Termovizní kamery jsou často využívány pro diagnostiku elektrických rozvodů, zařízení a rozvodů vysokého napětí. Vedle využití termovizních kamer ve stavebnictví lze právě tuto aplikaci považovat za stěžejní, která je s termokamerami již od doby jejich prvních průmyslových nasazení. I když se jednalo původně o značně drahou technologii, lze dnes pro tuto aplikaci vhodné modely termokamer pořídit za několik málo desítek tisíc korun.

Zkušenosti z praxe značí, že v provozech, které nejsou pravidelně termovizní kamerou monitorovány, se vyskytuje 3 až 15 potenciálně nebezpečných závad s rizikem vzniku požáru.

Princip funkce

Nejčastěji se termovizní pro kontrolu elektrických instalací používá metoda, založená na porovnávání aktuální povrchové teploty dané části elektrické instalace a tzv. referenční teploty. V případě třífázových rozvodů (které jsou v průmyslu nejčastější) je tedy vhodným postupem systematické sledování všech tří fází souběžně s cílem vyhodnotit, zda se naměřené povrchové teploty na sledované součásti odlišují od jiných částí, kde je očekáván bezporuchový stav. Tato metoda vychází ze skutečnosti, že všechny tři fáze jsou stejně zatíženy a mají tedy stejnou či alespoň přibližnou teplotu. Tento postup je založen na normě ISO 18434-1, který také přináší metodické informace k diagnostice elektrických strojů a zařízení.

Volba vhodné termovize

Při výběru vhodné termovize pro kontrolu elektrických zařízení je nutné brát v potaz především na rozlišení a parametry objektivu. Pokud budeme diagnostikovat jen blízké objekty menších rozměrů (tj. například rozvodné skříně ve výrobním podniku) u nichž můžeme stát dostatečně blízko, bude stačit i termokamera s menším rozlišením, jako například termovize FLIR E6xt či FLIR E8 Pro. Pokud naopak budete diagnostikovat rozsáhlejší technologie, které jsou navíc vzdálené, budete potřebovat termokameru s vyšším rozlišením jako např. termovize FLIR E96. Pro diagnostiků rozvodů vysokého napětí, velmi vzdálených nebo velmi rozlehlých objektů, pak lze doporučit termovize FLIR T540 nebo dokonce termovizní kameru s HD rozlišením FLIR T1020.

Termovize pro hasiče a požární bezpečnost

Princip využití termovizních kamer v systémech brzké detekce rizika požáru je založen na vyhodnocení teplotních trendů snímaných objektů. Měřící systém termovize musí být schopen vyhodnotit neobvyklé oteplení a teplotní trendy. Ty se před vznikem požáru objevují hodiny, dny a často i týdny (například vlivem opotřebení ložiska na dopravníku uhlí dochází k nárůstu povrchové teploty s následným rizikem vzniku požáru).

Specifické obrazové funkce termovizí FLIR významným způsobem usnadňují lokalizaci závad. Tyto funkce jsou především MSX a obraz v obraze, případně teplotní prolnutí. Funkce kombinují reálnou fotografii a termogram (termovizní snímek) tak, aby na fotografii bylo zřetelné, kde se jednotlivé prvky topné soustavy nacházejí.

Vhodnými termovizními kamerami pro tuto aplikaci jsou především stacionární modely. Tj. termovize, které nejsou určeny jako osobní, přenosné měřicí přístroje, ale jako přístroje, které jsou obvykle na pevném místě a trvale monitorují předem vybrané objekty v režimu 24/7.

Přímo pro zásahová vozidla hasičů, a také jako jejich osobní výbava, se však hodí rozdílné termovizní systémy založené právě na jejich mobilitě. K tomuto účelu jsou speciálně navrženy termovizní kamery FLIR řady K. Tyto termovize jsou cenově dostupné, ale plně profesionální pro hasičské zásahy, a to se všemi náležitostmi, které jsou pro toto užití nezbytné.

Mezi přednosti termovizních kamer FLIR řady K patří ergonomický design s možností snadného ovládání i v zásahových rukavicích, obrazové funkce pro zvýraznění scény (MSX a další) i vysoká teplotní odolnost. Dle konkrétního modelu disponují tyto termovize pádovou odolností 2 metry, stupněm krytí IP67 a schopností plného provozu i při okolních teplotách až +500 °C. Navíc je lze snadno ovládat i v rukavicích.

Termovizní kamera pro hasičská vozidla

Základem celého systému je termovizní kamera, která může být ovládána pomocí motorů PTZ systému. Kamera tak může být ovládána vzdáleně, přímo z kabiny automobilu, a to prostřednictvím vzdáleného připojení z tabletu. Samozřejmostí je dostatečně robustní krytí termovizní kamery.

Termovize k detekci úniku plynů

Moderní termovizní kamery mohou velmi efektivně detekovat také unikající plyny, které jsou lidskému oku neviditelné. Některé plyny, které se používají v průmyslu, poškozují životní prostředí a jejich úniky navíc společnosti stojí značné částky.

Termovize při využití pro detekci plynů je rychlý, bezdotykový měřící nástroj, který lze použít i v těžko dostupných místech. Termovize může detekovat malé úniky vzdálené několik metrů, stejně jako velké úniky vzdálené stovky metrů.

V současné době je nejčastější nasazení MWIR termovizních kamer, které mají odezvu detektoru 3-5 μm, ten je dále spektrálně přizpůsoben přibližně na 3,3 μm pomocí chlazeného filtru. Toto je základní vlastnost, které umožňuje kameře detekci plynů, které se běžně vyskytují v petrochemickém průmyslu. Termovizní kamera může detekovat mnoho plynů, ale nejčastěji je používána pro kontrolu úniku těchto plynů: Benzen, Butan, Ethan, Etylbenzen, Etylen, Heptan, Hexan, Izopren, MEK, Metan, Metanol, MIBK, Octan, Pentan, 1-Pentan, Propan, Propylen, Toluen, Xylen.

Termovizní kamery pro pozorování přírody a detekci zvěře

Mezi základní výhody využití termovize pro pozorování přírody patří to, že termovize „vidí“ i v úplné tmě nebo skrze porost. Díky použití termovizní kamery lze pozorovat ať už volně žijící zvířata, či přírodu také skrz mlhu, kouř a částečně i skrze porost. Oproti noktovizorům však vyžadují teplotní nebo materiálový kontrast mezi pozorovaným objektem a okolím. Teplotní kontrast však stačí nepatrný, tj. 0.03 °C.

V posledních letech se stále zrychluje tempo celé společnosti, a tak ruku v ruce s tím jde také zrychlování zemědělských strojů i velikost obdělané půdy v rekordně krátkém čase, s tím bohužel ale také souvisí často nechtěné zabití zvěře, která na polích žije. Z třídy savců jsou těmito zemědělskými operacemi nejvíce zasažena mláďata zajíce polního a srnce obecného (“srnčata”), která se v nebezpečí přitisknou k zemi, a tím se snaží ochránit před predátory.

Tento problém lze poměrně efektivně řešit využitím moderního termovizního systému.

Použití termovize je možné a výhodné proto, že termovizní kamera pracující v pásmu LWIR částečně „vidí“ skrze porost. Vyhledávání značně pomáhá teplotní kontrast mezi zvěří a okolím. Za určitých okolností a při podrobném průzkumu lze při použití termokamery snadno docílit úspěšnosti nalezení 100%. Pro úspěšné použití termovizního systému je právě teplotní kontrast mezi vyhledávanou zvěří a okolím tím nejdůležitějším parametrem.

Volba vhodné termovize pro pozorování přírody

Při vybírání termovize za účelem pozorování, přírody a zvěře lze volit termovizní kamery buďto ruční, nesené na žacích strojích nebo také termovize umístěné na dronu.

Základní parametry, kterým se jednotlivé modely termovizních kamer liší je rozlišení detektoru a kvalita optiky.

Nejjednodušší je vybírat termovizní kameru, podle předpokládaného “dosahu”, tj. na jakou vzdálenost je potřeba detekovat jak velký předmět. Mezi nejzákladnější ruční modely, vhodné pro tuto aplikaci patří, termovizní kamera FLIR Scout – malá a velmi lehká přenosná termovize.

Termovizní kamery pro medicínu a veterinární medicínu

Termovizní zobrazování má vysokou míru diagnostické specificity, kdy je schopno vyhodnocovat zdravé subjekty stejně jako první odchylky od ideálního zdravého stavu. Povrchová teplota každého organismu úzce souvisí s jeho zdravotním stavem, což je předpoklad pro využití termovize v medicíně. Všechny zánětlivé změny úzce souvisí se změnou teploty buďto lokální nebo případně celkové tělesné teploty. Již od dob Hippokrata byla teplota považována za jeden z nejdůležitějších parametrů pro hodnocení zdraví člověka.

Na základně řady výzkumů bylo zjištěno, že lidské tělo je tzv. teplotně symetrické, a proto je možné porovnávat povrchovou teplotu na pravé a levé straně (ruka, noha, tváře..) s použitím termovizní kamery.

Průměrná tělesná teplota na povrchu kůže zdravého člověka se pohybuje v rozmezí přibližně 35,8 °C až 37 °C (tzv. přirozená teplota). Termovize tak mohou být, ve spojitosti s nárůstem povrchové teploty kůže, použity pro detekci prakticky všech typů virových či bakteriálních onemocnění u lidí (ptačí chřipka, prasečí chřipka, SARS, coronavirus apod.).

Termovizní kamera může být schopna schopna zaznamenat teplotní změny 0.05 °C nebo dokonce 0.03 °C. Zjistit změnu teploty u nemocného člověka (při porovnání s referencí) o velikosti 1 °C nebo dokonce 2 °C je poměrně jednoduchou záležitostí i při započtení všech myslitelných nejistot.

Termovizní systémy jsou natolik citlivé na změny teploty na povrchu lidské kůže, že jsou často a s velkými úspěchy nasazovány v onkologii i sportovní medicíně, kde jsou vyhodnocovány řádově menší změny teploty (desetiny) než v případě screeningu infekčních onemocnění.

Využití termovize ve veterinární medicíně

Termovizní kamery mohou být efektivně použity pro monitoring zdravotního stavu zvířat, tedy ve veterinární medicíně, stejně jako v humánní medicíně. Jedno z klasických využití termovize je v oblasti diagnostiky zdravotního stavu končetin. Termovizní kamery jsou v současné době nejčastěji používány pro detekci a lokalizaci zánětlivých onemocnění, která se projevují znatelným nárůstem povrchové teploty v nejbližším okolí místa zánětu.

Pokud je termovizní kamera zvolena vhodně, tj. s odpovídajícím objektivem a rozlišením, lze monitoring pomocí termokamer provádět z dostatečné (bezpečné) vzdálenosti, bez rizika zdravotního ohrožení od monitorovaného zvířete.

Výběr termovize pro využití ve zdravotnictví

Pro mnoho nemocnic a lékařů, obdobně jako pro mnoho veterinářů, hřebčínů nebo dokonce zoologické zahrady, bylo pořízení termovize do nedávna často cenově nedostupné. Nyní jsou v nabídce přístroje s dostatečným rozlišením i teplotní citlivostí tak, aby našly i praktické uplatnění v těchto oborech.

V zásadě se používají dva typy termovizního řešení kamer FLIR, tj. ruční termovize a stacionární termovizní systém. Oba systémy fungují na stejném fyzikálním princip, používají stejné typy přístrojů, liší se však svým provedením a obslužností (možností záznamu, specifickými funkcemi apod.).

Mezi hlavní výhody mobilní termovize patří její snadná přenosnost, dlouhá výdrž baterie i nižší pořizovací cena. Výhodami stacionárního termovizního systému jsou pak vyšší přesnost na úkor vyšší pořizovací ceny.