Hoe ver kun je meten met een warmtebeeldcamera?

Als u onlangs een warmtebeeldcamera hebt gekocht, vraagt u zich misschien af hoe ver u hiermee kunt meten. Of misschien bent u van plan er binnenkort een te kopen, maar twijfelt u welk model nauwkeurige meetresultaten oplevert én binnen uw budget past. Het antwoord op de vraag "Hoe ver kunt u meten?" is afhankelijk van factoren als de resolutie, de IFOV (Instantaneous Field of View), de lenzen, de grootte van het object, en meer.

Vergelijk het met een oogonderzoek bij de dokter: wanneer u vanuit de onderzoeksstoel naar de letterkaart kijkt, ziet u waarschijnlijk wel dat er letters op de kleinste regel staan – maar vanaf welke afstand kunt u die letters nog lezen (oftewel: kunt u ze 'meten')? Bij een gezichtsscherpte van 6/6 kunt u de kleinste letters vanaf grotere afstanden herkennen. In deze vergelijking komt een gezichtsscherpte van 6/6 overeen met een warmtebeeldcamera met een hoge resolutie. Als u geen perfecte gezichtsscherpte hebt, kunt u deze verbeteren met een bril (oftewel: een vergrootglas toevoegen aan de camera) of dichter bij de letterkaart gaan staan (oftewel: de afstand tot het doel verkleinen).

Het is belangrijk dat u goed begrijpt wat de spotverhouding inhoudt. Dit is namelijk het getal dat aangeeft op welke afstand van een doel van een bepaalde grootte u zich kunt bevinden, terwijl u toch een nauwkeurige temperatuurmeting verkrijgt.

Naarmate u zich verder van het object af beweegt, wordt het steeds lastiger om de temperatuur nauwkeurig te meten.
Voor een zo nauwkeurig mogelijke temperatuurmeting wilt u dat het doel wordt bedekt door zo veel mogelijk pixels van de cameradetector. Zo krijgt u namelijk een warmtebeeld met meer details. Naarmate u zich verder van het object af beweegt, wordt het steeds lastiger om de temperatuur nauwkeurig te meten. Hoe hoger de resolutie van uw camera, hoe groter de kans dat er vanaf een grotere afstand meer pixels op een doel passen en hoe nauwkeuriger dus uw resultaten. Digitale zoom levert geen betere nauwkeurigheid op. Daarom is een hogere resolutie of smal beeldveld hierbij van cruciaal belang.

Stel dat u met een warmtebeeldcamera vanaf een afstand van 15 meter een nauwkeurige temperatuurmeting wilt verkrijgen van een doel met een grootte van 20 millimeter. Hoe komt u erachter of uw camera dit kan? U moet de specificaties van de camera controleren en weten wat het beeldveld en de resolutie zijn. In dit voorbeeld gaan we ervan uit dat u een camera met een resolutie van 320 x 240 heeft en een lens met een horizontaal beeldveld van 24 graden.

De IFOV is een hoekvormige projectie van één detectorpixel in het IR-beeld. Het gebied dat elke pixel kan 'zien', is afhankelijk van de afstand tot het doel voor een bepaalde lens.
Eerst moet u met de volgende formule de IFOV in milliradialen (mrad) berekenen:

IFOV = (FOV/aantal pixels*) x [(3,14/180)(1000)]

*Gebruik het aantal pixels dat overeenkomt met de richting (horizontaal/verticaal) van uw beeldveld

Aangezien de lens een horizontaal beeldveld van 24 graden heeft, deelt u 24 door de horizontale pixelresolutie van de camera; in dit geval is dat 320. Vervolgens vermenigvuldigt u dat getal met 17,44 – oftewel het resultaat van (3,14/180) (1000) in de bovenstaande vergelijking.

(24/320) x 17,44 = 1,308 mrad

Nu u weet dat de IFOV 1,308 mrad is, moet u de IFOV in millimeters bepalen. Dat doet u met deze formule:

IFOV (mm): (1,308/1000) x 15000* mm = 19,62 mm

*De afstand vanaf uw doel

Wat betekent dit getal nu eigenlijk? De spotverhouding is 19,62:15000. Dit getal is de meetbare grootte van één pixel (1 x 1). Eenvoudiger gezegd: na deze berekening weet u dat de camera een punt van 19,62 mm kan meten vanaf een afstand van 15 meter.

Deze meting van één pixel noemen we de 'theoretische spotverhouding'. Sommige fabrikanten vermelden de theoretische spotverhouding in hun productspecificaties. Hoewel dit inderdaad kan worden beschouwd als de werkelijke spotverhouding, is dit toch ietwat misleidend. Het is namelijk niet noodzakelijkerwijs de meest nauwkeurige waarde. Dat kan komen doordat u hiermee enkel de temperatuur van een zeer klein gebied binnen één pixel achterhaalt. Zoals eerder gezegd, wilt u voor de best mogelijke nauwkeurigheid dat het doel wordt bedekt door zo veel mogelijk pixels.

Eén of twee pixels zijn misschien wel genoeg om kwalitatief vast te stellen dat er sprake is van een temperatuurverschil. Maar mogelijk is dit niet genoeg om de gemiddelde temperatuur van een gebied nauwkeurig voor te stellen. De meting van één pixel kan om verschillende redenen onnauwkeurig zijn:

• Er kunnen slechte pixels ontstaan in warmtebeeldcamera's
  
• Objecten reflecteren – een krasje of reflectie van de zon kan vals-positieve waarden en een onterecht hoge meting opleveren
  
• Het object dat heet is (bijvoorbeeld een schroefkop), kan bijna dezelfde breedte als een pixel hebben; pixels zijn echter vierkant terwijl een schroefkop zeshoekig is
  
• Geen enkele lens is absoluut perfect – in optische systemen is altijd sprake van enige vervorming die metingen beïnvloedt

Wegens een verschijnsel dat we 'optische dispersie' noemen, geeft de straling van een zeer klein gebied één detectorelement niet voldoende energie voor een correcte waarde. Daarom raden we aan te zorgen dat de hete locatie waarvan de spotwaarde gewenst is, minstens 3 x 3 pixels groot is. Hiervoor vermenigvuldigt u de theoretische spotverhouding in millimeters eenvoudigweg met drie, zodat u een spotverhouding van 3 x 3 pixels krijgt in plaats van 1 x 1. Dit getal zal een stuk nauwkeuriger zijn.

Als u de IFOV in mm (19,62) vermenigvuldigt met 3, krijgt u dus: 58,86 mm

Dit betekent dat u een punt van 58,86 millimeter kunt meten vanaf een afstand van 15 meter.

Stel nu dat u een punt van 20 millimeter wilt meten. Vanaf welke afstand kunt u die specifieke spotgrootte nauwkeurig meten? Hiervoor moet u een kleine kruislingse vermenigvuldiging maken:

IFOV in mm: Afstand in mm
(15 m = 15000 mm)
58,86:15000
20 mm : x
15000*20 = 58,86*x
300000/58,86 = x
x = 5096,8 mm of circa 5,1 m

Een illustratie van het beeldveld bij 2,6 mrad vergeleken met 1,36 mrad. Met dank aan het Infrared Training Center.

Met uw camera met een resolutie van 320 x 240 kunt u een punt van 20 mm op ongeveer 5 m vanaf het doel meten

Andere fabrikanten gebruiken dit getal mogelijk niet wanneer zij het hebben over de IFOV of SSR. Maar eerlijk is eerlijk: u verkrijgt hiermee een nauwkeurigere temperatuurmeting in geval van afwijkingen.

Uiteindelijk is de spotverhouding van belang omdat u daarmee beter kunt bepalen of uw warmtebeeldcamera in staat is de temperatuur nauwkeurig te meten op de benodigde afstand. Als u kleine doelen vanaf grote afstanden moet meten, is het van cruciaal belang dat u op de hoogte bent van de spotverhouding van de camera en weet of u binnen een nauwkeurig meetbereik staat.

In een ideale situatie moet het geprojecteerde doel minstens één pixel bedekken. Om nauwkeurige metingen te waarborgen, is het raadzaam om een groter gebied te bedekken, om zodoende rekening te houden met de optische dispersie van de projectie.
Als u een thermografisch onderzoek plant, bedenk dan of u dicht genoeg bij uw doel kunt komen voor een nauwkeurige meting. Nauwkeurig dient hierbij te worden opgevat als 'goed genoeg voor een juiste interpretatie'. Dit hoeft niet eens binnen de nauwkeurigheidsspecificatie van de camera te betekenen. Als u geen rekening houdt met de spotverhouding, loopt u het risico dat u er enkele (of zelfs enkele honderden) graden naast zit met uw meting.

Om deze berekeningen sneller te kunnen maken, vindt u voor alle FLIR-camera's een FOV-calculator op http://flir.custhelp.com. Als u klikt op de FLIR-cameraserie die u gebruikt, verschijnt er een lijst met alle camera's uit die serie. Klik vervolgens op 'FOV Calc.' naast de juiste camera en u ziet meteen wat de spotverhouding van dat model is.