고속 열화상 카메라 - 속도가 필요할 때

열전대나 스팟 (spot) 고온계로 열을 측정할 경우 장치의 열 특성에 대한 만족스러운 결과물을 얻을 수 없습니다. 기존 방법은 고속 열 분야의 요구를 완벽하게 충족시키기 위해 필요한 해상도나 속도를 제공하지 못했습니다. 하지만 적외선 카메라는 수 천 개의 고속 열 측정 점을 캡쳐해 어디에서 얼마나 빨리 열이 발생하는지 정확하게 보여줍니다. 적절한 적외선 카메라를 통해 신뢰할 수 있는 측정 결과를 얻어 연구를 위한 설득력 있는 데이터를 생성할 수 있습니다.

열화상 적외선 카메라 타입

일반적으로 두 가지 타입의 열화상 적외선 카메라가 사용되고 있습니다. 바로 고성능 냉각식 광자 계수 카메라와 저렴한 비냉각식 마이크로볼로미터 기반 카메라입니다.

현재 시장에 있는 대부분의 온도 기록 냉각식 카메라는 안티몬화 인듐 (InSb)으로 제작된 감지기를 사용합니다. 냉각식 카메라는 일반적으로 약 3-5 μm의 중파장 적외선 대역과 같은 특정 주파대에서 에너지의 광자를 계수해 작동합니다. 광자는 픽셀과 충돌하고 전자로 변환되어 통합 캐패시터에 저장됩니다. 이 픽셀은 통합 캐패시터를 열거나 쇼팅(shorting)해 전자식으로 제어됩니다. FLIR 안티몬화 인듐 (InSb) 카메라에서 -20°C ~ 350°C 물체를 위한 일반적인 노출 시간은 카메라 모델에 따라 약 6 ms ~ 50 µs 범위 입니다. 이렇게 짧은 노출 시간으로 인해 "스톱 모션"이 가능하며 매우 빠른 과도상태를 정확하게 측정할 수 있습니다.

FLIR 안티몬화 인듐 (InSb) 냉각식 열 카메라로 촬영한 FA-18 호넷의 스톱 모션 이미지

기존 열전대의 열화상 이미지

비냉각식 카메라는 냉각식에 비해 가격이 저렴하고, 크기가 작고 가벼우며 전력 소비가 낮습니다. 비냉각식 카메라의 픽셀은 온도에 따라 저항이 급격하게 변하는 재료로 제작됩니다. 이 분야를 위한 가장 일반적으로 재료는 산화바나듐 (VOx)이나 비결정성 실리콘입니다. 열 에너지는 픽셀에 집중되고 이 픽셀은 물리적으로 가열 또는 냉각됩니다. 픽셀의 저항이 온도에 따라 변하기 때문에 해당 값은 측정 후 보정 과정을 통해 표적 온도에 따라 다시 매핑될 수 있습니다. 픽셀의 질량은 유한하기 때문에 이는 열시간 상수입니다. 최신 마이크로볼로미터 기반 카메라의 시간 상수는 일반적으로 8-12 ms 입니다. 이는 픽셀이 8-12 ms 마다 검침되어 정확한 답을 제공할 수 있음을 의미하지는 않습니다! 일반적으로 단계별 입력에 응답하는 첫 번째 시스템은 안정된 상태에 도달하기 까지 5개의 시간 상수를 취합니다.

시간 상수와 사고 실험

마이크로볼로미터 감지기의 시간 반응에 대한 재미 있는 생각은 당신이 물 양동이 2개를 가지고 있는 척 해야 한다는 점입니다. 양동이 하나는 0°C 얼음물이, 다른 하나엔 100°C의 끓는물이 있습니다. 마이크로볼로미터를 얼음물을 향하도록 한 후 즉시 끓는물(100°C 단계 입력) 방향으로 전환하고 결과 온도를 기록합니다. 좀더 간편한 계산을 위해 10 ms의 열 시간 상수를 절반 시간으로 변환하면 약 7 ms를 얻게 됩니다.

그림 1 - 0°C ~ 100°C 변환에 대한 시스템 반응, tau = 10 ms, half time = 7 ms

그림 3 - 열과도에 대한 안티몬화 인듐 (InSb) 대 마이크로볼로미터

그림 2 - 가열된 롤러를 남기는 종이의 열 이미지

여기에서 우리는 마이크로볼로미터가 7 ms 또는 1 하프타임에서 50°C를, 2 하프타임에서 75°C, 3 하프타임에 87.5°C를 보고하고 있음을 알 수 있습니다. 100 프레임/초 또는 10 ms?에서 마이크로볼로미터를 검침하는 경우 어떤 일이 발생할까요? 카메라는 63°C를 보고하며 37°C의 오류를 갖게 됩니다. 카메라는 픽셀의 온도를 정확하게 보고하지만 픽셀은 바라보고 있는 장면의 온도에 도달하지 못할 것입니다. 일반적으로 약 30 프레임/초보다 빠르게 마이크로볼로미터를 실행하는 것은 올바른 선택이 아닙니다.

실제 데이터

종이 한장을 60°C까지 가열하기 위해 필요한 인쇄 프로세스를 예로 들어 봅시다. 종이는 127cm/초 단위로 롤러에서 빠져나오며 너비와 길이 모두 온도가 균일해야 합니다.

냉각식 광자 계수 카메라와 마이크로볼로미터 카메라를 나란히 설치해 데이터를 캡쳐했습니다. 그림 3은 두 카메라의 데이터가 완전히 다르게 보인다는 점을 보여줍니다. 마이크로볼로미터의 데이터는 길이를 따라 온도에서 크고 상대적으로 안정된 범프를 보여줍니다. 광자 계수 카메라의 데이터는 지속적으로 온도가 상당히 변화됨을 보여줍니다. 냉각식 카메라는 최초 회전 동안 종이와 접촉해 가열된 롤러 조립체가 냉각됨을 보여줍니다. 뱅뱅 컨트롤러는 온도 하강을 감지했으며 이에 대한 반응으로 히터 컨트롤러를 다시 켰습니다. 그 결과 롤러는 설정점에 도달할 때까지 가열된 후 차단되고 프로세스가 반복되었습니다. 이 그래프 하나만으로도 R&D 엔지니어에게 두 가지를 확신시킬 수 있습니다. 첫 번째는 제품 시험을 위해 광자 계수 카메라가 필요하며 두 번째는 원하는 설계 목적에 부합하는 경우 단순한 뱅뱅 컨트롤러 대신 가열된 롤러에 PID 제어 시스템이 장착되어 있어야 한다는 점입니다.

광자 계수 감지기 카메라(66 μs 노출 시간)

마이크로볼로미터 감지기 카메라(8 ms 시간 상수)

1 ms 노출 시간으로 60 Hz 기록

12 ms 노출 시간으로 60 Hz 기록

두 번째 샘플에서 우리는 빠르게 회전하는 선풍기의 날을 보면서 선풍기 날의 스톱 모션을 촬영해 정확한 온도 측정을 시도했습니다. 예상했듯이 충분히 빠른 노출 시간이 없는 경우 이미지는 흐려지며 스톱 모션을 촬영할 수 없는 정확한 온도 검침을 얻을 수 없을 것입니다. (그림 4 참조)

냉각식 카메라가 제공하는 빠른 노출 시간으로 선풍기 날의 스톱 모션을 촬영할 수 있어 히팅 코일 뿐만 아니라 날 표면의 온도를 정확하게 측정할 수 있었습니다. 반면 선풍기 날은 너무 빠르게 움직여 비냉각식 카메라로는 기록할 수 없습니다. 코일이 움직이는 선풍기 날에 의해 실제로 차단되기 때문에 코일에서 촬영된 온도 측정은 너무 낮을 수 있습니다.

이와 같은 문제점을 가진 또 다른 예로 회전하는 헬리콥터 날개의 열 효과를 측정하는 것입니다. 바람과의 마찰은 날개 끝을 향이 이동하면서 날개를 따라 증가하는 열경사를 생성합니다. 마이크로볼로미터 감지기를 사용할 경우 물체의 스톱 모션을 효과적으로 촬영할 수 없어 실제 온도를 정확하게 측정할 수 없습니다. (그림 5 및 6 참조)

작업에 적합한 도구

이와 같이 작업에 적합한 열 감지기를 사용해야 합니다. 반응이 느린 감지기를 선택하고 고속 프레임으로 검침하는 경우 불량 데이터가 나올 수 있습니다. 일반적으로 최대 50 fps까지의 프레임 속도를 위해 마이크로볼로미터를 사용할 수 있습니다. 빠른 열과도나 프레임 속도 요구조건을 가진 테스트의 경우 고성능 냉각식 광자 계수 카메라를 선택해야 합니다. 그러나 고속 프레임이 필요하지 않은 경우 비냉각식 마이크로볼로미터 카메라를 통해 비용을 절감할 수 있습니다.