Trwa weekend rabatów! Zamów zestaw do kursu Forbota i zacznij naukę w praktyce. Sprawdź listę zestawów i e-booków »

Kamera termowizyjna dla elektronika? Czy to ma sens?

Kamera termowizyjna dla elektronika? Czy to ma sens?

Kamery termowizyjne, dzięki którym z łatwością poznamy temperaturę otaczającego nas świata, są coraz tańsze i mniejsze.

Czy zakup kamery w formie małej przystawki do telefonu ma sens? O czym warto pamiętać przed zakupem kamery i gdzie może się ona przydać?

Kamera termowizyjna to urządzenie, które do niedawna spotykane było wyłącznie na filmach lub pokazach naukowych. Sam pamiętam, jakie zainteresowanie wzbudzał taki sprzęt na Pikniku Naukowym Polskiego Radia, każdy zapewne kojarzy też sceny pościgów i sylwetki przemytników filmowanych z policyjnych śmigłowców. Oczywiście mówimy tu o sprzęcie profesjonalnym, który dalej pozostaje poza zasięgiem finansowym przeciętnego pasjonata elektroniki.

Kieszonkowa kamera termowizyjna?

Sytuacja na rynku zmieniła się jednak drastycznie m.in. dzięki dwóm firmom: Seek Thermal oraz Flir One. Ich produkty, chociaż parametrami nie dorównują rozwiązaniom wojskowym, pozwoliły wejść technologii termowizyjnej pod strzechy amatorów. W tym artykule skupię się na wykorzystaniu oraz wyborze sprzętu do naszego domowego warsztatu.

Przykładowy obraz z kamery firmy Seek Thermal

Przykładowy obraz z kamery firmy Seek Thermal

Jak działa kamera termowizyjna?

Kamera termowizyjna posiada tzw. przetwornik bolometryczny, który jest zbudowany podobnie do innych przetworników obrazu, z tą różnicą, że zamiast półprzewodnikowych detektorów światła mamy tu termistory. Optyka również musi być trochę inna, bo nie można stosować zwykłego szkła – dlatego używa się np. soczewek germanowych.

Przechwycony obraz RAW z kamery Seek Thermal. Źródło: https://www.eevblog.com/forum/thermal-im[...]00/

Przechwycony obraz RAW z kamery Seek Thermal. Źródło: https://www.eevblog.com/forum/thermal-im[...]00/

Ważnym problemem jest też odseparowanie przetwornika, tak aby nie nagrzewał się od pozostałych komponentów. W profesjonalnym sprzęcie jest sporo miejsca i można dodać system termostatowania (chociażby z użyciem ogniw Peltiera). W małej „zabaweczce” nie można sobie pozwolić na takie luksusy. Sytuację ratuje tu zastosowanie w przetworniku specjalnych termistorów kompensacyjnych, dodatkowo jest też mechaniczna przysłona, która zasłania przetwornik, umożliwiając pozyskanie klatki wzorcowej.

Gdy procesor i przetwornik są umieszczone na tym samym kawałku laminatu, oczywiste jest również powstawanie gradientu temperatury, który bez kompensacji programowej znacząco zakłócałby pomiar. Użytkownicy forum EEVblog w jednym z tematów przyjrzeli się budowie kamery SeekThermal, więc można tam znaleźć wskazówki dotyczące komunikacji i obróbki obrazu, a także autorskie rozwiązania programowe. Jednym z problemów, który został dostrzeżony przez użytkowników tamtego forum, jest pojawiający się na obrazie gradient, z którym kamera sobie nie radzi.

Gradient zaobserwowany przez użytkowników forum EEVblog. Źródło: https://www.eevblog.com/for[...]75/

Gradient zaobserwowany przez użytkowników forum EEVblog. Źródło: https://www.eevblog.com/for[...]75/

Jaką kamerę wybrać?

Na rynku dostępna jest bogata oferta modelowa, a ceny zaczynają się od 1300 zł. Produkty mają formę:

  • przystawki do telefonu (musi on obsługiwać tryb USB OTG),
  • gotowego urządzenia z wyświetlaczem LCD,
  • wbudowanych do telefonu modułów (rozwiązania firmy CAT).

Telefony firmy CAT są reklamowane jako produkt dla profesjonalistów, jednak ze względu na małe doświadczenie macierzystej firmy w branży radiokomunikacyjnej cierpią one na problemy z zasięgiem, GPS i Bluetooth; wodoszczelność też pozostawia wiele do życzenia (to prywatna opinia na podstawie kilku egzemplarzy używanych w firmie). Z kolei gotowe kamery z wbudowanym LCD nie są znacząco droższe od przystawek, jednak trudno spodziewać się wyświetlacza i procesora porównywalnego z tym w telefonie komórkowym.

W związku z tym w niniejszym poradniku postaram się skupić na popularnych przystawkach, gdyż są to moim zdaniem urządzenia optymalne do zastosowań amatorskich.

Co wybrać: Flir One czy Seek Thermal?

Obaj producenci różnie podeszli do zagadnienia. We Flir One postawiono na dwa przetworniki obrazu (bolometryczny i CCD) w jednej obudowie oraz unikatową, opatentowaną technologię łączenia obrazu z obu przetworników.

Kamera FLIR ONE PRO podłączona do iPhone’a

Kamera FLIR ONE PRO podłączona do iPhone’a

Wizualnie obraz wydaje się świetny, pełen detali i na pierwszy rzut oka lepszy. Jednak wprowadzone przesunięcie nie pozwala jednoznacznie identyfikować drobnych elementów, więc podczas pracy jesteśmy zmuszeni zatykać jeden obiektyw palcem. Rozdzielczość właściwego przetwornika nie jest porażająca – to dość istotny mankament.

Urządzenia ze stajni Flir One stanowią wyposażenie wspomnianych telefonów CAT i z taką wersją miałem do czynienia. Istotnym ograniczeniem tańszej wersji kamerki i starszego modelu telefonu jest zakres pomiaru temperatury – tutaj aplikacja zaczyna pokazywać przekroczenie limitu powyżej 120°C.

Z kolei produkt firmy Seek Thermal to czysta termowizja – 206 × 156 px lub 320 × 240 px w bogatszej wersji. Jest tu również lepsze odświeżanie: 9 Hz i 15 Hz. Należy jednak wspomnieć, że produkty z wyższym odświeżaniem są objęte ograniczeniami eksportu przez rząd USA jako technologia militarna.

Kamera Seek Thermal CompactPRO podłączona do iPhone’a

Kamera Seek Thermal CompactPRO podłączona do iPhone’a

Nawet najtańsza wersja urządzenia tej firmy zmierzy temperaturę do 300°C, co w elektronice nie jest wartością niespotykaną. Kamera nie posiada wbudowanego akumulatora, więc musi być zasilana z telefonu. Aplikacja sterująca uruchamia się automatycznie po podpięciu do telefonu (testowałem na Androidzie). Posiadacze nowszych telefonów muszą dokupić przejściówkę z USB typu C na microUSB. 

Grot lutownicy widziany okiem kamery firmy Seek Thermal

Grot lutownicy widziany okiem kamery firmy Seek Thermal

W przypadku tej kamery nie uświadczymy za to algorytmu scalania obrazów, ale rozdzielczość modelu podstawowego pozwala na zobaczenie nawet drobnych elementów SMD.

No i małe zestawienie kamer – przystawek:

Porównanie kamer termowizyjnych (*kompatybilność zależna od wersji)

Porównanie kamer termowizyjnych (*kompatybilność zależna od wersji)

Jakie kolory widzi kamera termowizyjna?

Kamera termowizyjna daje obraz, który nazwalibyśmy „czarno-białym”. Przetwornik nie rozpoznaje długości fali, więc oprogramowanie może jedynie sztucznie „pokolorować” nasz obraz. Aplikacje są pod tym względem bogate i oferują wiele filtrów. Chociaż kolory ładnie wyglądają na zdjęciu, człowiek zdecydowanie ostrzej widzi w czerni i bieli – nie bez przyczyny operatorzy kamer w studiach telewizyjnych pracują na wizjerach B/W, a kolorem zajmują się realizatorzy przy konsoli.

Po co nam kamera termowizyjna?

Po zakupie kamery, kiedy już zrobimy zdjęcie wszystkiemu dookoła i dostrzeżemy, jak długo pozostają ślady termiczne naszych palców na różnych powierzchniach, zaczniemy się zastanawiać, do czego to się przyda. Bo to jednak spory wydatek jak na kilka godzin zabawy…

Szukanie zwarć za pomocą kamery

Pierwsze i podstawowe zastosowanie to próby zwarciowe – dzisiejsze urządzenia posiadają sporo rozbudowanych sekcji zasilania i gdy dochodzi do zwarcia, multimetr nie pozwala go zlokalizować. Prowizoryczne metody, takie jak np. sprężony gaz lub izopropanol, pozwalają wprawdzie stwierdzić, co się nagrzewa, jednak aby nie pogłębić uszkodzeń, staramy się zmniejszać prąd do minimum. Kamera umożliwia odnalezienie w ciągu sekundy uszkodzonego elementu.

Należy tylko pamiętać, aby ograniczyć napięcie poniżej znamionowego dla danej sekcji – wiadomo, że pod obciążeniem zasilacz ograniczy napięcie, ale gdy zwarcie odpuści (np. przepalimy bezpiecznik), reszta obwodu może zostać uszkodzona (szczególnie procesory zasilane napięciem poniżej 2 V).

Jeżeli po podaniu napięcia zaświeci się nam stabilizator lub tranzystor kluczujący, nie wymieniajmy go bez sprawdzenia, czy nie zasila on kolejnego zwarcia. Tutaj możemy przenieść nasz punkt zasilania na wyjście stabilizatora, pamiętając o napięciu.

Uszkodzony układ TTL w praktyce

Uszkodzony układ TTL w praktyce

Nie każdy układ, który nagrzewa się odmiennie, jest uszkodzony – układy CMOS lub TTL wydzielają więcej ciepła, gdy pracują z większą częstotliwością, jednak mając dwa identyczne moduły i porównując ich obrazy, można dostrzec nieprawidłowości. Na przykład udało mi się namierzyć w taki sposób uszkodzony układ 82c55, w którym nie pracowała część jednego portu.

Testy czujników i przekaźników

W podczerwieni pracują też różne czujniki i fotoelementy stosowane np. w robotach. Wiadomo, że ich światło można zobaczyć za pomocą zwykłej kamery telefonu, jednak kamera termowizyjna pozwala nam podejrzeć także transoptory (szczególnie te z żółtą lub białą obudową). Oczywiście można zmierzyć napięcie i tak określić, czy transoptor świeci, jednak gdy mamy np. szynę wejściową 8 transoptorów, szybki podgląd stanu wejść może być przydatny.

Kolejny przykład elementu, którego stan możemy podejrzeć, to przekaźnik – jego cewka wytwarza ciepło. W taki sposób zdiagnozowałem trudny do namierzenia problem z przełącznikiem typu gwiazda–trójkąt. Układ sporadycznie zatrzymywał się i blokował proces. Z uwagi na brak schematu i scholastyczny charakter usterki diagnostyka była utrudniona.

Olśnienie przyszło, gdy zobaczyłem załączony przekaźnik, który był jednocześnie chłodny. Okazało się, że styki ulegały sklejeniu – oczywiście można było mierzyć napięcie na cewce, ale ze względu na liczne szyny zasilania dostęp był utrudniony.

Różne zastosowania podczerwieni – przegląd rozwiązań
Różne zastosowania podczerwieni – przegląd rozwiązań

Promieniowanie podczerwone ma bardzo szerokie zastosowanie w robotyce. Jest wykorzystywane między innymi w czujnikach czy komunikacji. Prawie... Czytaj dalej »

Poszukiwanie instalacji w ścianach i podłodze

Nic tak nie napawa strachem jak wiercenie w podłodze z ogrzewaniem podłogowym. Oczywiście ogrzewanie z rurek PEX i 16 otworów do wywiercenia – tutaj też kamera sprawdziła się wyśmienicie.

Kolejnym przypadkiem, już bardziej amatorskim, był problem z instalacją elektryczną w wynajmowanym mieszkaniu. Okresowo dochodziło do aktywacji zabezpieczenia nadprądowego w obwodzie kuchni – usterka występowała sporadycznie, odłączenie odbiorników nie pomagało.

Wizja kucia i zrywania płytek oraz plątanina przedłużaczy zmusiły mnie do poszukiwania nietypowych rozwiązań. W miejsce bezpiecznika włączyłem toster 2 kW i czekałem. Drugiego dnia testów lampka tostera się zapaliła i można było szukać – lekka poświata widoczna w termowizji zdradziła miejsce uszkodzenia, a kucie ograniczyło się do jednej płytki. Spalony kabel został naprawiony.

Gdzie jeszcze?

Zastosowanie w robotyce amatorskiej, dronach i samochodowych systemach bezpieczeństwa to tylko nieliczne pomysły – do kamer dostępnych na rynku można znaleźć alternatywne oprogramowanie, np. dla dobrze znanej Malinki.

Nie stanowi więc problemu napisanie aplikacji monitorującej temperaturę ludzi w pomieszczeniach (temat na czasie). Sam kupiłem Seek Thermal z myślą o budowie przystawki do drona – obraz z kamery termowizyjnej i kamery Raspberry Pi nakładany programowo wysyłany byłby do nadajnika, zainspirowany wspomnianymi scenami poszukiwań. Możliwości są tu niemalże nieograniczone!

Autor: satanistik

CIRTIS – tania, domowa tomografia z użyciem IR?
CIRTIS – tania, domowa tomografia z użyciem IR?

Badania tomograficzne większości z nas kojarzą się ze szpitalem i drogim sprzętem. Jonathan Whitaker udowadnia, że zalążek tej technologii... Czytaj dalej »

kamera, temperatura, termowizja, wizja

Trwa ładowanie komentarzy...