자동화 애플리케이션을 위한 열화상 카메라 응용 방법
FLIR
수년 동안 열화상 카메라는 공장 자동화에 적용돼 왔다. 제조 및 공정 엔지니어링 전문가는 자동화된 검사, 프로세스 제어, 상태 모니터링, 화재 예방 및 탐지, 그리고 연속 광학 가스 이미징을 포함한 실질적으로 모든 자동화 애플리케이션에 성공적으로 사용했다. 그러나 모든 자동화 카메라가 같은 결과를 내는 것은 아니며 일부 고속 자동화 애플리케이션 전용의 첨단 열화상 카메라가 필요하다.
자동화 환경에서의 열 이미징
열화상 카메라는 사람의 눈으로는 감지할 수 없는 열방사를 사용하지만 물체, 또는 장면에서 열 변화를 나타내는 시각적 이미지로 변환할 수 있다.
일부 전자기 스펙트럼은 열에너지가 절대 온도가 0보다 높은 온도에서 모든 물체에 의해 방출되며, 복사 에너지는 온도에 따라 증가한다. 열화상 카메라나 적외선(IR) 카메라는 대상 물체의 열화상을 캡처하고 정확한 비접촉 온도 측정을 제공한다.
어떤 경우에는 열 감지 카메라를 스마트 센서로 사용한다. 이러한 경우 열화상 카메라에는 사용자가 입력한 온도 데이터와 측정된 온도를 비교할 수 있는 로직 및 분석 기능이 내장되어 있다. 또한, 디지털 I/O 인터페이스가 있어 차등 온도(differential temperature)를 알람 및 제어 기능에 사용할 수 있다.
냉각 및 비냉각 카메라
자동화 애플리케이션을 위한 열화상 카메라 시스템은 많은 선택의 여지가 있다. 따라서 자주 묻는 질문은 “냉각 또는 비냉각 열화상 시스템을 사용해야 한다면 비용 면에서 어느 것이 가장 효율적인가?”이다.
현재 시판되는 열화상 카메라 시스템에는 냉각 및 비냉각 시스템의 두 가지 종류가 있다. 이 두 종류의 시스템에 대한 구성 요소 비용은 매우 다를 수 있으므로 어떤 방법을 선택해야 하는지 결정하는 것이 매우 중요하다.
냉각된 열화상 카메라
현대식 냉각 열화상 카메라에는 저온 냉각기와 통합된 이미징 센서가 있다. 이것은 센서 온도를 저온으로 낮추는 장치다. 센서 온도의 감소는 열로 유발되는 노이즈를 이미징되는 장면의 신호보다 낮은 수준으로 줄이기 위해 필요하다.
냉각된 열화상 카메라는 가장 민감한 유형의 카메라이며 물체 사이의 가장 작은 온도 차이를 감지할 수 있다. 그것은 흑체 물리학(blackbody physics)으로 인해 열 콘트라스트가 높은 스펙트럼의 중간 파장 적외선, 또는 MWIR 대역에서 이미지를 생성할 수 있다. 열 콘트라스트는 목표 온도의 변화에 따른 신호 변화다. 열 콘트라스트가 높을수록 물체보다 차갑거나 뜨거울 수 없는 배경에 대해 물체를 쉽게 감지할 수 있다.
비냉각 열화상 카메라
냉각되지 않은 적외선 카메라는 이미지 센서가 극저온 냉각을 필요로 하지 않는 카메라다. 일반적인 검출기 설계는 표면적이 크고 열용량이 적으며 열 분리가 좋은 실리콘 요소에 큰 온도 계수를 갖는 작은 바나듐 산화물 저항(vanadium oxide resistor)인 마이크로볼로미터(microbolometer)에 기반을 둔다. 현장 온도의 변화는 전기 신호로 변환되어 이미지로 처리되는 볼로 미터 온도의 변화를 일으킨다. 냉각되지 않은 센서는 긴 파장의 적외선, 또는 LWIR 대역에서 작동하도록 설계되었다.
냉각되지 않은 카메라는 일반적으로 냉각된 적외선 카메라보다 훨씬 저렴하다. 센서는 냉각된 센서에 비해 높은 수율로써 더 적은 제조 단계로 만들 수 있으며, 비냉각 카메라는 매우 값비싼 장치인 저온 냉각기가 필요하지 않다. 냉각되지 않은 카메라는 움직이는 부품이 적고 유사한 작동 조건에서 냉각된 카메라보다 수명이 훨씬 길다.
자동화 애플리케이션용 냉각 카메라
“언제 자동화 애플리케이션에 냉각 열화상 카메라를 사용하는 것이 더 좋은가?”에 대한 대답은 애플리케이션에 따라 다르다는 것이다. 미세한 온도 차이를 확인하는 경우, 최상의 이미지 품질이 필요한 경우, 열 프로필을 보거나 매우 작은 목표의 온도를 측정해야 하는 경우, 전자기 스펙트럼의 특정 부분에 열적 물체를 가시화하려는 경우, 또는 열화상 카메라를 다른 측정 장치와 동기화하려는 경우에는 냉각된 열화상 카메라를 선택해야 한다.
속도
냉각된 카메라는 냉각되지 않은 카메라보다 이미징 속도가 훨씬 빠르다. FLIR의 A66xx 시리즈와 같은 자동화 카메라는 최대 초당 480프레임의 이미지 속도를 가질 수 있으므로 고속 열 이벤트 및 이동 대상 캡처에 이상적이다. 예를 들어, 고속 컨베이어 벨트 애플리케이션의 제조 품질을 모니터링해야 하는 경우(그림 2) 흥미로울 수 있다.
냉각되지 않은 열화상 카메라의 캡처 속도가 너무 느리므로 일부 컨베이어 벨트 애플리케이션의 속도를 캡처할 수 없다. 냉각된 카메라는 매우 빠른 응답 시간을 가지며 글로벌 셔터를 사용한다. 즉, 냉각되지 않은 카메라의 경우와 같이 라인 단위로 읽는 것과 달리 모든 픽셀을 동시에 읽는다. 이렇게 하면 냉각된 카메라가 움직이는 물체를 훨씬 잘 처리할 수 있다.
공간 해상도
냉각된 카메라는 일반적으로 비냉각 카메라보다 더 큰 적외선 파장을 감지하기 때문에 확대 기능이 뛰어나다. 더 큰 감도 특성을 갖기 때문에 더 많은 광학 요소, 또는 더 두꺼운 요소가 있는 렌즈를 신호 대 잡음비를 떨어뜨리지 않고 사용할 수 있으므로 더 나은 배율 성능을 얻을 수 있다.
그림 3의 열화상은 냉각 및 비냉각 카메라 시스템에서 얻을 수 있는 최상의 확대 배율을 비교한다. 왼쪽 이미지는 4x 근접 렌즈와 13μm 피치 냉각 카메라 조합으로 찍은 결과 3.5μm 스폿 크기가 되었다. 오른쪽 이미지는 1x 클로즈업 렌즈와 25μm 피치 비냉각 센서로 찍은 결과 25μm 스폿 크기가 되었다.
감광도
20mK 감도 열화상 카메라와 비교하여 50mK 감도 비냉각 열카메라의 이점을 어떻게 알 수 있을까? 빠른 감도 실험을 통해 이를 설명한다(그림 4-1, 4-2, 4-3, 4-4 참조). 이 비교를 위해 열 손자국을 만들기 위해 몇 초간 손을 댄다.
처음 두 이미지는 손을 뗀 직후 손자국을 보여준다. 두 번째 이미지 세트는 2분 후에 열 손자국의 특징을 보여준다. 냉각된 카메라는 손자국 대부분의 열 특징을 볼 수 있지만 냉각되지 않은 카메라는 손자국의 일부만 보여준다.
냉각된 카메라는 냉각되지 않은 카메라보다 더 작은 온도 차이와 더 긴 지속 시간을 감지할 수 있다.
스펙트럼 필터링
냉각형 열화상 카메라의 가장 큰 장점 중 하나는 냉각되지 않은 열 감지 카메라로는 달성할 수 없는 측정을 스펙트럼 필터링으로 수행할 수 있다는 것이다. 먼 곳이나 접근하기 어려운 구역에 있는 가스 시설에서 냉각된 카메라를 사용하여 유리를 통과하거나 벤젠, 에탄올, 메탄올 및 옥탄과 같은 위험한 가스를 탐지할 수 있다. 또 다른 애플리케이션은 플라스틱 캘린더 링 프로세스의 품질 모니터링이다(그림 6).
동기화
스냅 샷 모드에서 작업하면 FLIR A66xx는 열 이벤트의 모든 픽셀을 동시에 등록할 수 있다. 이것은 표준 IR 카메라가 이미지 흐림을 겪을 수 있는 빠른 움직이는 물체를 모니터링할 때 특히 중요하다.
그림 5의 이미지가 좋은 예다. 동전을 떨어뜨리고 카메라가 이미지를 찍도록 센서를 작동시킨다. 동일한 동전을 두 번 떨어뜨리면 동시에 카메라가 작동하여 매번 같은 위치에 물체를 놓게 된다.
FLIR A66xx: 냉각형 InSb가 장착된 소형 열화상 카메라 탐지기
FLIR A66xx는 고속 열처리 및 움직이는 대상에 이상적이며 냉각된 인듐 안티몬(InSb, Indium Antimonide) 검출기를 내장한다.
카메라는 640x512의 선명한 열 화상을 생성하고 20mK 미만의 높은 열 감도를 구현한다. FLIR A66xx는 최상의 이미지 세부 정보 및 온도 차이 정보를 캡처할 수 있다. 이 카메라는 윈도우 모드에서 작동할 때 초당 최대 480프레임의 이미지 프레임 속도를 지원한다. 특정 스펙트럼 탐지 및 측정을 위한 사용자 지정 콜드 필터링 옵션을 사용할 수 있다.
자료 제공: FLIR(www.flir.com)
