|
Przykładem systemu umożliwiającego wizualizację i analizę termalną jest program TermoLab. Powstał on w Zakładzie Technik Mikroprocesorowych, Automatyki i Pomiarów Cieplnych Wydziału Elektrycznego Politechniki Częstochowskiej jako alternatywa dla wbudowanego oprogramowania firmowego dostarczonego wraz z kamerą ThermaCAM PM 595 przez firmę FLIR. System TermoLab można traktować jako system pomiarowo - informacyjny, w którym wyróżnia się następujące etapy przetwarzania informacji:
a) detekcja promieniowania podczerwonego dokonywana przez matrycę detektorów,
b) wyznaczenie rozkładu temperatury na powierzchni badanego ciała dokonywane przez oprogramowanie kamery.
Detekcja promieniowania podczerwonego w kamerze termowizyjnej stanowi ona sprzętowy etap przetwarzania danych pomiarowych. Drugim etapem przetwarzania jest etap programowy. Jest on realizowany zarówno w trybie on-line (oprogramowanie zintegrowane z kamery, jak i off-line (oprogramowanie działające pod kontrolą zewnętrznego systemu komputerowego). Do analizy off-line stosowane s4 zazwyczaj komputery osobiste wykorzystujące specjalizowane oprogramowanie. W takim przypadku etapy b, c są realizowane jako procedury obliczeniowe systemów analizy termalnej.
Do najważniejszych funkcji oprogramowania systemu TermoLab należy zaliczyć:
• Korygowanie wpływu emisyjności obiektu, promieniowania otoczenia, atmosfery. Funkcje tą realizują procedury obliczeniowe uwzględniające dane z pliku w formacie AFF (ang. AGEMA File Format) - odczyt emisyjności, wilgotności powietrza itp,
• korygowanie promieniowania własnego elementów kamery. System posiada funkcje kalibrujące odczyty z detektora za pomocą współczynników kompensujących promieniowanie elementów kamery,
• filtracja termogramów – alternatywnie zastosowano zobrazowanie pół temperatury przy użyciu rożnych palet barwnych, przez co osiąga się optymalne dopasowanie skali barwnej termogramu do zakresu temperatury,
• wyznaczanie obszarów izotermicznych,
• wyznaczanie histogramów – system umożliwia tworzenie histogramów liczebności temperatury dla dowolnych podobszarów termogramu,
• wyznaczanie wartości temperatury minimalnej, maksymalnej i średniej dla dowolnych podobszarów termogramu,
• nakładanie termogramów – możliwa jest analiza korelacyjna z wyznaczaniem obszarów niezgodności,
• automatyzacja procesów decyzyjnych.
W praktyce, aby zapewnić przepływ informacji pomiędzy oprogramowaniem kamery (etap b) a oprogramowaniem działającym na komputerze zewnętrznym (etap c), stosuje się specjalizowane interfejsy komunikacyjne oraz formaty zapisu danych. Interfejsy i formaty zapisu są ściśle związane z konkretnymi typami kamer. W związku z tym analiza danych jest możliwa jedynie z zastosowaniem programu dedykowanego przez konkretnego producenta. Ponieważ dostępne na rynku kamery termowizyjne znacząco różnią się parametrami, oprogramowanie do analizy termogramów jest ściśle związane z konkretnym typem kamery.
TermoLab posiada wbudowany uniwersalny interfejs macierzowy (UIIv1) umozliwiający odczyt danych jako macierzy wartości temperatur (pliki w formacie Matlab - dowolny typ kamery) lub bezpośrednich wartości sygnału z detektora (tylko kamery AGEMA). Dzięki powyższemu rozwiązaniu możliwa jest analiza danych pochodzących z pomiaru dowolną kamerą obrazującą rozkład temperatur w sposób macierzowy. Opracowany system umożliwia analiza statystyczną danych termowizyjnych. Dodatkowo dostępna jest graficzna prezentacja rezultatów analiz. W trakcie pracy systemu są generowane raporty zawierające wyniki pomiarów i obliczeń. Wyniki to mogą być również zapisane w formacie Matlab i, jeśli to konieczne, dalej przetwarzane wewnątrz tego środowiska. Jako format danych wejściowych w programie wykorzystano format AFF (AGEMA File Format), który jest oryginalnym produktem firmy FLIR. Dlatego system TermoLab umożliwią bezpośrednią współpracę z kamerami AGEMA.
Cyfrowe systemy przetwarzania danych termowizyjnych w trybie off-line, w wersjach dla komputerów osobistych, są zazwyczaj przeznaczone dla konkretnych typów kamer. Jest to związane ze stosowaniem przez rożne firmy rożnych detektorów promieniowania, układów optycznych oraz algorytmów przetwarzania zarejestrowanych danych.
System TermoLab prezentuje bardziej uniwersalne podejście, umożliwiają analizę pól temperatury zarejestrowanych kamerą termowizyjną dowolnego typu. Jedynym wymogiem nakładanym na urządzenie rejestrujące jest macierzowy format danych wyjściowych- (macierz temperatur). Dane wejściowe dla TermoLab są zorganizowane zgodnie z formatem systemu Matlab. Powoduje to zwiększenie obszaru zastosowań systemu. Oprogramowanie firmowe oferuje typowo inżynierską analizę (obliczanie temperatur, wizualizacja) oraz podstawową analiza statystyczną (średnia, maksimum itd.). W ramach programu dedykowanego możliwe jest także udokumentowanie procesu pomiarowego w postaci raportów. TermoLab umożliwia zaawansowaną analizę statyczną zarejestrowanych termogramów, co pozwala na zastosowanie go w pracach badawczych. Nowością w stosunku do rozwiązań firmowych jest tez zastosowanie zaawansowanych technik cyfrowego przetwarzania obrazu (filtracja, odszumienie i inne) oraz analiza porównawcza grup termogram6w z wyznaczaniem obszarów niezgodności (zastosowania diagnostyczne). Możliwa jest dalsza rozbudowa systemu w zależności od konkretnego zapotrzebowania.
Pakiet oprogramowania składa się z dwóch niezależnych modułów programowych: głównego (interfejs użytkownika, wizualizacja) oraz przetwarzania wsadowego.
Moduł główny systemu TermoLab
Podczas projektowania Systemu TermoLab wykorzystano dwa środowiska programistyczne. Interfejs użytkownika oraz funkcje dotyczące prezentacji termogramów zaimplementowano w języku Object Pascal (środowisko projektowe Delphi firmy Inprise). Procedury obliczeniowe napisano w języku Matlab, będącym integralną częścią pakietu Matlab firmy MathWorks. Do kompilacji elementów kodu źródłowego języka Matlab (skryptów) zastosowano zewnętrzny kompilator Matcom. W wyniku kompilacji uzyskano plik wykonywalny obliczania wartości temperatury oraz dynamiczne biblioteki DLL (ang. Dynamic Link Library) niezbędne do jego działania. Stworzone biblioteki DLL pozwoliły na bezpośrednie wykorzystanie wysokowydajnych funkcji matematycznych środowiska Matlab do implementacji algorytmów obliczeniowych systemu TermoLab. W nowej wersji pakietu planuje sib zrezygnować ze środowiska Matcom z uwagi na wydajny kompilator (Matlab Compiler), wbudowany w najnowsze wersje środowiska Matlab.
W oknie głównym modułu głównego możliwe jest odczytanie wartości temperatur w punktach na zarejestrowanych termogramach, dokonanie prostych przeliczeń temperatur oraz wyznaczanie prostych statystyk (temperatura średnia, minimalna, maksymalna) zaznaczonego obszaru. Oprócz funkcji obliczeniowych system TermoLab umożliwia wizualizację termogramów w różnych skalach barwnych (paletach). Możliwe jest też stworzenie własnych skal barwnych, najlepiej odwzorowujących badany proces.
Moduł przetwarzania systemu TermoLab
W związku z potrzebą przetwarzania większej ilości termogramów oraz wyznaczania na ich podstawie wartości promieniowania cieplnego w systemie TermoLab opracowano moduł przetwarzania wsadowego (ang. Batch Processing Module) wielu termogramów. Zaimplementowano w nim również funkcję pomiarową umożliwiającą wyznaczanie wartości natężenia promieniowania cieplnego dla każdego piksela termogramu. Moduł przetwarzania wsadowego systemu TermoLab został opracowany w związku z nawiązaniem współpracy Politechniki Częstochowskiej – Zakład Technik Mikroprocesorowych, Automatyki i Pomiarów Cieplnych z King's College London – Environmental Monitoring & Modelling Group. Jest to samodzielna aplikacja działająca pod kontrolą systemu Windows 9x/2000. Podstawowym zadaniem modułu jest przetwarzanie wsadowe termogramów.
Z uwagi na to, że w Environmental Monitoring & Modelling Group prowadzone są satelitarne badania natężenia promieniowania cieplnego powierzchni ziemi oraz rozkładu natężenia promieniowania wysyłanego z płomieni (np. podczas pożaru lasu), zaistniała potrzeba przetwarzania bardzo dużej ilości termogramów. System TermoLab w wersji do przetwarzania wsadowego umożliwia konwersję danych pomiarowych zawartych w termogramach do formatu tekstowego CSV (ang. Comma Separated Vector). Następnie dane pomiarowe mogą być przetwarzane z wykorzystaniem dowolnego oprogramowania do analizy i przetwarzania danych. Kamera termowizyjna rejestrująca termogramy zapisuje dane pomiarowe w postaci cyfrowej jako wartości sygnałów z detektora podczerwieni. Następnie, wykorzystując specjalizowane oprogramowanie (zgodnie z określonym algorytmem oraz zastosowaniem odpowiedniego modelu pomiaru), możliwe jest przeliczenie sygnału z detektora na odpowiednie wartości temperatury Ti.
W praktyce pomiarowej często zachodzi potrzeba wykorzystania bezpośrednich wartości sygnału z detektora. Jest tak na przykład wtedy, gdy poszukuje się rozkładu natężenia promieniowania cieplnego. Tor pomiarowy kamer termowizyjnych jest tak konstruowany, aby wartości sygnału ui z matrycy detektorów podczerwieni po kalibracji były proporcjonalne do kierunkowego natężenia promieniowania Mi. Moduł przetwarzania wsadowego TermoLab umożliwia zapis wartości. uzyskanych po linearyzacji, wprost z matrycy detektorów do plików tekstowych w formacie CSV. Objaśnienie istoty takiego przetwarzania, na przykładzie pomiaru wartości kierunkowego natężenia promieniowania w poszczególnych pikselach matrycy detektorów, przedstawiono na rys. 9.8.. Dodatkowo możliwy jest zapis macierzy wartości temperatur Ti wyznaczanych z wykorzystaniem parametrów zawartych w termogramie (emisyjność obiektu, odległość kamera – obiekt możliwy jest zapis macierzy wartości temperatur Ti wyznaczanych z wykorzystaniem parametrów zawartych w termogramie (emisyjność obiektu, odległość kamera – obiekt itd.). Procedura przetwarzania modułu jest wtedy analogiczna jak przedstawiona na rysunek poniżej.
Rys. Objaśnienie istoty pomiaru wartości kierunkowego natężenia promieniowania w poszczególnych pikselach matrycy detektorów przez moduł przetwarzania wsadowego systemu TermoLab
Podsumowując, należy stwierdzić, ze system TermoLab może być wykorzystany jako profesjonalne narzędzie przetwarzania termogramów. Został on zaprojektowany do zastosowań inżynierskich oraz naukowych i jako taki może być wykorzystany do analizy wielu problemów dotyczących pomiarów termowizyjnych.
INDU-SCAN® termografia w podczerwieni w automatyzacji procesów przemysłowych.
Spośród dużej liczby obszarów zastosowań, termowizja potwierdza swoją przydatność także jako efektywna, bezstykowa metoda pomiarów rozkładów temperatur. Aby korzyści płynące z jej stosowania uczynić przydatnymi w procesach dozoru przemysłowego, InfraTec oferuje modułowy system kontrolny INDU-SCAN (rys. poniżej), bazujący na kamerach termowizyjnych różnych typów. System przeznaczony jest do stacjonarnych zastosowań w optymalizacji procesów przemysłowych.
Posiadając system złożony z wielu wypróbowanych w przemyśle komponentów, umożliwiających jego swobodne konfigurowanie, firma InfraTec jest w stanie zaoferować rozmaite rodzaje rozwiązań opartych na zintegrowanych systemach termowizyjnych, optymalnie dopasowanych do zadań pomiarowych. Naturalnie systemy umożliwiają obróbkę obrazów w czasie rzeczywistym.
Rys. Widok okna głównego oprogramowania INDU-SCAN
Kamera termowizyjna montowana jest w bezpośrednim sąsiedztwie obserwowanego procesu. Aby móc kompensować niekorzystny wpływ otoczenia kamerę umieszcza się w obudowie ochronnej, często wentylowanej powietrzem. Jeżeli jest to konieczne, można ją także zamontować na ruchomej głowicy, umożliwiając w ten sposób obserwację obiektów o dużych powierzchniach. Wykorzystanie cyfrowego wyjścia danych oferuje znakomite założenia bezpieczeństwa przeciwzakłóceniowego i stabilności długoczasowej w późniejszej obróbce wszystkich temperaturowych wartości pomiarowych danego obrazu. Możliwa jest również synchronizacja częstotliwości pobierania obrazów z taktem procesu. Uzyskane dane są transmitowane łączami o zmiennej długości, w razie potrzeby dostępnymi także w postaci łącz światłowodowych, do jednostki opracowującej, bazującej na przemysłowym komputerze PC z kolorowym wyświetlaczem.
Jednostka opracowująca realizuje analizę bieżących danych według zadanych kryteriów. Statystyczne parametry, takie jak wartość średnia, maksymalna, minimalna lub odchyłka standardowa, dotyczące poszczególnych elementów obrazu mogą być także dozorowane jako pojedyncze punkty pomiarowe. W najprostszym przypadku dane pomiarowe są na bieżąco protokołowane, możliwa jest więc zatem ciągła dokumentacja przebiegów temperaturowych podczas określonych stadiów obróbki. Ponadto , przy przekroczeniu dolnej lub górnej granicy wcześniej zadanych wartości, na zewnątrz mogą być wyprowadzone sygnały, używane np. jako sygnały ostrzegawcze. Jeżeli mierzone temperatury potrzebne są do regulacji wielkości procesowych, można je wyprowadzić jako sygnały analogowe lub cyfrowe.
Typowym zastosowaniem jest dozór krytycznych temperatur poszczególnych stadiów procesów, w których sposób wytwarzania zależy od temperatury czułych na jej odchyłki elementów konstrukcyjnych. Innym, dającym kompleksowe wyniki obszarem zastosowań kontroli jakościowej jest np. końcowe testowanie elektronicznych, elektromechanicznych lub mechanicznych elementów konstrukcyjnych lub urządzeń.
Możliwości stosowania systemu INDU-SCAN są tak różnorakie, jak różne są obszary stosowania samej termografii. Jednakże system, w przeciwieństwie do aplikacji niestacjonarnych, poprzez pobieranie i automatyczną obróbkę obrazów termowizyjnych odgrywa ważną rolę, często będąc jedynym środkiem do przemysłowej obróbki obrazów.
Materiał został opracowany na podstawie monografii:
Minkina W.: „Pomiary termowizyjne – przyrządy i metody”
Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2004, ISBN 83-7193-237-5,
243 str. |
|
Termowizja & Termografia
