Melihat pemanasan lokal dan titik lemah di lingkungan kita selalu menjadi hal yang paling menarik dalam teknologi pencitraan termal modern. Berdasarkan teknologi manufaktur yang lebih efisien untuk sensor gambar optik IR, kamera-kamera tersebut menghasilkan peningkatan drastis dalam rasio harga-kinerja. Perangkat menjadi lebih kecil, lebih kuat, dan konsumsi dayanya lebih ekonomis. Untuk beberapa waktu sekarang, sistem pengukuran termografi telah tersedia, yang – mirip dengan webcam tradisional – dikontrol dan ditenagai hanya oleh port USB.
Kamera IR berfungsi seperti kamera digital biasa: Mereka memiliki area pengamatan, yang disebut bidang pandang (FOV), yang biasanya dapat bervariasi antara 6° untuk optik teleskopik dan 48° untuk optik sudut lebar. Kebanyakan optik standar menunjukkan FOV 23°. Semakin jauh jarak benda, maka luas wilayah pengamatannya akan semakin besar. Namun bagian gambarnya juga bertambah yang mewakili satu piksel. Hal baiknya adalah kerapatan radiasi tidak bergantung pada jarak mengingat area pengukuran yang cukup luas. Oleh karena itu, pengukuran suhu secara luas tidak dipengaruhi oleh jarak ke objek pengukuran. [1]
Di tengah jangkauan inframerah, radiasi panas hanya dapat difokuskan dengan optik yang terbuat dari germanium, paduan germanium, garam seng atau dengan cermin permukaan. Optik berlapis tersebut masih mewakili faktor biaya yang signifikan dalam pencitra termal dibandingkan dengan optik biasa yang diproduksi dalam volume besar untuk cahaya tampak. Mereka dirancang sebagai tiga lensa bulat atau sebagai pengaturan dua lensa asferis. Khusus untuk kamera dengan optik yang dapat ditukar, setiap optik harus dikalibrasi untuk setiap piksel agar mendapatkan pengukuran yang benar.
Di hampir semua sistem termografi yang digunakan di seluruh dunia, inti dari kamera tersebut adalah fokal plane array (FPA), sensor gambar terintegrasi dengan ukuran 20.000 hingga 1 juta piksel. Setiap pikselnya sendiri adalah bolometer mikro besar berukuran 17 x 17 μm2 hingga 35 x 35 μm2. Detektor termal setebal 150 mm tersebut dipanaskan oleh radiasi panas dalam waktu 10 ms hingga sekitar seperlima perbedaan suhu antara suhu benda dan suhu chip. Sensitivitas yang sangat tinggi ini dicapai dengan kapasitas termal yang sangat rendah sehubungan dengan insulasi yang sangat baik pada sirkuit silikon dan lingkungan yang dievakuasi. Penyerapan area penerima semitransparan ditingkatkan dengan interferensi gelombang cahaya yang ditransmisikan dan pada permukaan rangkaian pembacaan yang dipantulkan dengan gelombang cahaya berikutnya [2]
Untuk menggunakan efek interferensi mandiri ini, area bolometer harus ditempatkan pada jarak sekitar 2 μm dari rangkaian pembacaan. Teknik etsa khusus harus digunakan untuk menyusun struktur bahan vanadium oksida atau silikon amorf yang diterapkan. Detektifitas spesifik dari FPA yang dijelaskan mencapai nilai 109 cm Hz1/2 / W. Oleh karena itu, satu magnitudo lebih baik dibandingkan detektor termal lain yang misalnya digunakan dalam pirometer.
Dengan suhu intrinsik bolometer, resistansinya berubah. Perubahan ini menghasilkan sinyal tegangan listrik. Konverter A/D 14 bit yang cepat mendigitalkan sinyal video yang diperkuat dan diserialisasi. Pemrosesan sinyal digital menghitung nilai suhu untuk setiap piksel. Secara real time ini menghasilkan gambar berwarna palsu yang diketahui. Kamera pencitraan termal memerlukan kalibrasi yang relatif ekstensif di mana sejumlah nilai sensitivitas dialokasikan ke setiap piksel pada suhu chip dan benda hitam yang berbeda. Untuk meningkatkan akurasi pengukuran bolometer, FPA sering kali distabilkan pada suhu chip tertentu dengan akurasi kontrol yang tinggi.
Karena perkembangan laptop, UMPC, netbook, dan PC tablet yang berkinerja lebih baik, lebih kecil dan sekaligus lebih murah, saat ini dimungkinkan untuk menggunakan teknologi tersebut.
• layar besar untuk presentasi gambar termal yang menarik,
• baterai isi ulang Li-Ion yang dioptimalkan sebagai catu daya,
• kapasitas komputasi untuk tampilan sinyal real-time yang fleksibel dan bernilai tinggi,
• kenangan besar untuk rekaman video inframerah praktis tak terbatas dan
• Ethernet, Bluetooth, WLAN dan antarmuka perangkat lunak untuk integrasi sistem termografi ke dalam lingkungan aplikasinya.
Antarmuka USB 2.0 yang terstandarisasi dan tersedia di mana saja menjamin kecepatan transmisi data
• 30 Hz dengan resolusi gambar 320 x 340 piksel dan
• 120 Hz dengan ukuran gambar 20.000 piksel.
Teknologi USB 3.0 yang diperkenalkan tahun 2009 bahkan cocok untuk resolusi gambar termal XGA hingga frekuensi video 100 Hz. Di bidang termografi, penggunaan prinsip webcam memungkinkan fitur produk yang benar-benar baru dengan peningkatan rasio harga-kinerja yang signifikan. Kamera inframerah terhubung melalui antarmuka 480 MegaBaud secara real time dengan komputer berbasis Windows yang sekaligus mensuplai daya yang dibutuhkan.
Perangkat keras kamera USB IR
Di masa lalu, USB dipandang sebagai media komunikasi kantor murni. Namun berlawanan dengan FireWire, penggunaan yang sangat luas telah memulai sejumlah pengembangan untuk meningkatkan penerapan industri dan kegunaan untuk sejumlah perangkat akhir USB 2.0 – terutama kamera USB. Pengembangan produk baru tersebut adalah:
• Kabel USB yang kokoh dan dapat digunakan hingga suhu 200°C dengan panjang hingga 10 m, juga berlaku pada pembawa kabel [3]
• Ekstensi kabel CAT5E (Ethernet) sepanjang 100 m dengan penguat sinyal
• Modem fiber optik ke USB untuk panjang kabel fiber hingga 10 km [4]
Berdasarkan bandwidth bus USB yang tinggi, hingga enam kamera IR 120 Hz dapat dihubungkan melalui hub standar melalui kabel Ethernet 100 m ke laptop.
Perangkat pencitraan termal yang kedap air, tahan getaran dan guncangan diberi peringkat NEMA 4 sehingga juga cocok untuk aplikasi berat di ruang pengujian. Ukuran 45 x 45 x 62 milimeter kubik dan berat 200 gram mengurangi upaya pendinginan rumah dan pembersihan udara secara signifikan.
Karena penyimpangan termal bolometer dan pemrosesan sinyal pada chipnya, semua kamera IR pengukur yang dipasarkan di seluruh dunia memerlukan koreksi offset setiap beberapa menit. Koreksi ini dilakukan dengan gerakan yang digerakkan oleh motor dari potongan logam yang menghitam di bagian depan sensor gambar. Dengan cara ini, setiap elemen gambar direferensikan dengan suhu yang sama. Selama kalibrasi offset tersebut, kamera pencitraan termal tentu saja buta. Untuk meminimalkan efek yang mengganggu ini, koreksi offset dapat dimulai oleh pin kontrol eksternal pada titik waktu yang sesuai.
Pada saat yang sama, kamera dirancang untuk meminimalkan durasi kalibrasi mandiri: Dalam kamera IR USB yang dibahas di sini, penggunaan aktor cepat yang sesuai memungkinkan referensi mandiri dalam waktu 250 ms. Hal ini sebanding dengan durasi gerakan kelopak mata dan oleh karena itu dapat diterima untuk banyak proses pengukuran. Proses sabuk konveyor di mana titik panas yang tiba-tiba harus dideteksi secara tepat waktu dan menghasilkan pemindaian gambar referensi yang “baik” sering kali digunakan sebagai gambar perbedaan dinamis. Dengan cara ini mode kontinu dapat dilakukan tanpa komponen yang dipindahkan secara mekanis.
Terutama dalam aplikasi di mana laser 10,6 μm-CO2 digunakan, penutupan saluran optik yang dikontrol secara eksternal lebih baik dalam kaitannya dengan sinyalisasi independen dari mode perlindungan diri ini. Berdasarkan filter yang baik yang memblokir semua laser lain yang biasanya dalam rentang spektral antara 800 nm dan 2,6 μm, laser yang berfungsi memungkinkan pengukuran suhu selama pengoperasiannya.
Area aplikasi utama perangkat pencitraan termal yang dijelaskan adalah:
• Analisis proses termal dinamis selama pengembangan produk dan proses,
• Penggunaan stasioner untuk pemantauan terus menerus dan pengendalian prosedur pemanasan dan pendinginan dan
• Penggunaan sesekali dalam pemeliharaan listrik dan mekanik dan untuk mendeteksi kebocoran panas pada bangunan.
Untuk penerapan di bidang Penelitian dan Pengembangan, kemungkinan perekaman video 120 Hz sangat menguntungkan. Proses termal yang hanya ditampilkan di bidang pandang kamera dalam waktu singkat dapat dianalisis dalam gerakan lambat. Setelah itu, gambar tunggal dapat dihasilkan dalam resolusi geometris dan termal penuh dari rangkaian video tersebut. Selain itu, optik yang dapat ditukar termasuk aksesori mikroskop menawarkan banyak kemungkinan untuk menyesuaikan kamera dengan tugas pengukuran yang berbeda. Meskipun optik 9° lebih cocok untuk memantau detail dari jarak yang lebih jauh, aksesori mikroskop dapat digunakan untuk mengukur objek berukuran 5,5 x 4,2 mm2 dengan resolusi geometris 35 x 35 μm2.
Untuk penggunaan online kamera USB IR, antarmuka proses yang diisolasi secara optik lebih menguntungkan. Informasi suhu yang dihasilkan dari gambar termal dapat diberikan sebagai sinyal tegangan. Selain itu, demistivitas referensi area dan suhu referensi terukur kontak atau non-kontak dapat ditransmisikan melalui input tegangan ke sistem kamera. Untuk keperluan dokumentasi, input digital tambahan dapat menginisialisasi snapshot dan rangkaian video. Gambar termal tersebut dapat disimpan secara otomatis di server pusat. Mendokumentasikan setiap bagian dari suhu tempat produksi dan terutama informasi keseragaman dapat dipantau dari komputer yang berbeda dalam jaringan.
Perangkat lunak analisis termal menjamin fleksibilitas
Tidak diperlukan instalasi driver karena kamera IR USB sudah menggunakan kelas video USB standar dan driver HID yang sudah ada di Windows XP dan terintegrasi lebih tinggi. Koreksi data video secara real-time terkait piksel tunggal dan penghitungan suhu dilakukan di PC. Kualitas gambar yang mengesankan hanya dengan 20.000 piksel sensor dicapai melalui algoritma rendering berbasis perangkat lunak yang kompleks yang menghitung susunan suhu dalam format VGA. Perangkat lunak aplikasi dicirikan oleh fleksibilitas dan portabilitas yang tinggi. Selain fungsi standar perangkat lunak termografi, terdapat fitur-fitur canggih seperti:
• campuran palet warna terukur dengan isoterm,
• banyak fungsi ekspor data dan gambar termal untuk mendukung laporan dan analisis offline,
• tampilan garis horizontal dan vertikal,
• area pengukuran dalam jumlah tak terbatas dengan opsi alarm terpisah,
• perbedaan tampilan video berdasarkan gambar referensi,
• diagram suhu/waktu untuk berbagai wilayah yang diminati.
Selain itu, perangkat lunak ini menawarkan mode tata letak yang menyimpan berbagai penyesuaian tampilan. Perangkat lunak video terintegrasi memungkinkan pengeditan file AVI radiometrik. File tersebut juga dapat dianalisis secara offline berdasarkan beberapa perangkat lunak yang dapat digunakan secara paralel. Mode akuisisi video juga memungkinkan perekaman proses termal lambat secara intermiten dan tampilan cepatnya.
Transfer data real-time ke program lain dilakukan melalui DLL terdokumentasi komprehensif sebagai bagian dari kit pengembangan perangkat lunak. Melalui antarmuka DLL ini semua fungsi kamera lainnya juga dapat dikontrol. Alternatifnya, perangkat lunak dapat berkomunikasi dengan port serial. Dengan menggunakan data link ini, adaptor RS422 dapat dihubungkan secara langsung.
Selain itu, perangkat lunak ini menawarkan mode tata letak yang menyimpan berbagai penyesuaian tampilan. Perangkat lunak video terintegrasi memungkinkan pengeditan file AVI radiometrik. File tersebut juga dapat dianalisis secara offline berdasarkan beberapa perangkat lunak yang dapat digunakan secara paralel. Mode akuisisi video juga memungkinkan perekaman proses termal lambat secara intermiten dan tampilan cepatnya.
Transfer data real-time ke program lain dilakukan melalui DLL terdokumentasi komprehensif sebagai bagian dari kit pengembangan perangkat lunak. Melalui antarmuka DLL ini semua fungsi kamera lainnya juga dapat dikontrol. Alternatifnya, perangkat lunak dapat berkomunikasi dengan port serial. Dengan menggunakan data link ini, adaptor RS422 dapat dihubungkan secara langsung.
Contoh aplikasi
Pada bab berikutnya, tiga penerapan umum akan dibahas. Mereka mewakili contoh dari berbagai bidang penggunaan kamera.
Mengoptimalkan Proses Produksi
Produksi komponen plastik, seperti botol PET, memerlukan pemanasan tertentu yang disebut preforms untuk menjamin ketebalan bahan yang homogen selama pencetakan tiup. Uji coba dilakukan hanya dengan beberapa blanko setebal 20 mm dengan kecepatan kerja penuh sekitar 1 m/s. Untuk mengukur profil suhu suatu rangkaian video preform dengan 120 Hz harus direkam karena momen dapat bervariasi di mana bagian kosong tersebut berada dalam bidang pandang. Kamera diposisikan sedemikian rupa sehingga mengikuti pergerakan material pada sudut miring – mirip dengan tampilan gerbong terakhir kereta yang sedang berjalan. Terakhir, urutan video IR memberikan profil suhu yang tepat yang penting untuk penyesuaian semua parameter pemanasan.
Pemindaian garis pada garis ketangguhan kaca
Setelah kaca konstruksi cukup sering dipotong hingga menjadi bentuk akhirnya, permukaannya harus dikeraskan. Hal ini dilakukan dalam tungku pengerasan kaca dimana kaca yang dipotong dipanaskan hingga sekitar 600°C. Setelah pemanasan, gulungan bergerak mengangkut bahan dari oven ke bagian pendingin. Di sini permukaannya didinginkan dengan cepat dengan kecepatan yang sama. Dengan cara ini dihasilkan struktur kristal halus yang mengeras, yang sangat penting untuk kacamata pengaman. Struktur halus dan terutama kekuatan pengereman kaca bergantung pada pola pemanasan dan pendinginan yang seragam untuk seluruh area parsial bahan kaca.
Karena rumah oven dan bagian pendingin terletak berdekatan satu sama lain, maka hanya mungkin untuk memantau oven meninggalkan permukaan kaca melalui celah kecil. Akibatnya pada gambar inframerah material hanya ditampilkan dalam beberapa baris. Perangkat lunak ini menampilkan permukaan kaca sebagai gambar yang dihasilkan dari garis atau kelompok garis. Garis-garis tersebut diambil dari setiap gambar termal yang direkam dengan durasi 8 ms. Kamera mengukur slot dalam mode diagonal yang memungkinkan, dengan optik 48°, bidang pandang keseluruhan 60°. Kaca memiliki emisivitas yang berbeda-beda tergantung pada lapisan pelapisnya. Termometer IR mengukur suhu yang tepat pada sisi bawah yang tidak dilapisi pada panjang gelombang optimal permukaan tersebut yaitu 5 μm. Hasilnya, emisivitas terkoreksi dihitung untuk keseluruhan gambar pengukuran. Terakhir, gambar pengukuran tersebut memungkinkan penyesuaian yang tepat pada semua bagian pemanas dalam oven untuk memastikan homogenitas termal yang baik.
Kesimpulan
Teknologi pencitraan IR baru mewakili hal baru dalam hal fleksibilitas dan luasnya kemungkinan penerapannya. Selain analisis suhu yang canggih saat dihubungkan ke PC tablet, perangkat ini juga dapat digunakan untuk menyelesaikan tugas perawatan sederhana. Dengan pengecualian perangkat keras kepala pengukur kamera IR USB itu sendiri, kedua komponen penting lainnya dari sistem termografi yang dijelaskan – perangkat lunak Windows dan perangkat keras PC – juga dapat diaktualisasikan nanti. Hal ini dilakukan di satu sisi dengan mengunduh pembaruan dan ekstensi perangkat lunak secara sederhana. Dan di sisi lain karena antarmuka USB standar, sistem pengukuran dapat dilengkapi dengan perangkat keras PC yang dikembangkan lebih lanjut secara teknologi dan fungsional kapan saja.
Referensi :
1. VDI/VDE Richtlinie, Technische Temperaturmessungen - Spezifikation von Strahlungsthermometern, Juni 2001, VDI 3511 Blatt 4.1
2. Trouilleau, C. et al.: High-performance uncooled amorphous silicon TEC less XGA IRFPA with 17 μm pixel-pitch; “Infrared technologies and applications XXXV”, Proc. SPIE 7298, 2009
3. Schmidgall, T.; Glänzend gelöst – Fehlerdetektion an spiegelnden Oberflächen mit USB 2.0 - Industriekameras, A&D Kompendium 2007/2008, S. 219
4. Icron Technology Corp.; Options for Extending USB, White Paper, Burnaby; Canada, 2009