온도 측정 건 vs 열화상 기술

• 스팟(spot) 고온계는 단지 수치를 제공하지만 열화상 카메라는 이미지를 제공합니다.
• 스팟(spot) 고온계는 단일점의 온도를 검침하지만 열화상 카메라는 전체 열화상 이미지의 각 픽셀에 대한 온도 검침을 제공합니다.
• 첨단 광학 렌즈 덕분에 열화상 카메라는 먼 거리에서도 온도를 측정할 수 있습니다. 이를 통해 넓은 영역을 신속하게 검사할 수 있습니다.

스팟(spot) 고온계는 온도 측정 건이나 적외선 온도계로도 알려져 있습니다. 열화상 카메라와 동일한 물리적 원리에 따라 작동하기 때문에 스팟(spot) 고온계는 하나의 픽셀만을 가진 열화상 카메라로 간주될 수 있습니다. 이 도구는 여러 작업에 매우 유용할 수 있지만 한 지점의 온도만 측정하기 때문에 사용자는 중요한 정보를 놓칠 수도 있습니다. 고장이 임박했거나 수리가 필요한 중요 구성품의 온도 상승을 간과할 수도 있습니다.

온도 측정 건은 한 지점의 온도만 측정합니다.

FLIR E40sc 열화상 카메라는 19,200개 스팟의 온도를 측정합니다.

수 천 대의 스팟(spot) 고온계를 동시에 사용

열화상 카메라는 스팟(spot) 고온계와 마찬가지로 비 접촉식 온도 측정을 제공합니다. 하지만 스팟(spot) 고온계와는 달리 열화상 카메라는 하나가 아닌 열화상에서 픽셀 당 1개의 검침에 해당하는 수 천 개의 온도 검침 결과를 동시에 만듭니다. 따라서 한 대의 열화상 카메라로 수 천 대의 스팟(spot) 고온계 역할을 할 수 있습니다. FLIR E40sc 열화상 카메라는 160 x 120 픽셀의 이미지 해상도를 제공하기 때문에 한 번 촬영으로 19,200개의 온도 검침을 제공합니다. 산업용 R&D/과학 분야를 위한 최상위 모델 중 하나인 FLIR T1030sc은 1024 x 768 픽셀의 이미지 해상도를 제공하며 한 번에 786,432개의 온도 검침을 제공합니다.

스팟(spot) 고온계 검침

열화상 카메라 검침

스팟(spot) 고온계 검침

열화상 카메라 검침

신속하게 열 관찰

열화상 카메라는 수 천 개의 온도 검침 결과를 제공할 뿐만 아니라 이러한 검침 결과를 열화상 이미지로 변환합니다. 이미지로의 변환을 통해 검사된 장비 전체를 확인할 수 있으며 운영자는 스팟(spot) 고온계로 쉽게 놓칠 수 있는 작은 과열점을 즉각 확인할 수 있습니다. 열화상 카메라를 이용해 시간을 줄일 수 있습니다. 스팟(spot) 고온계로 여러 구성품의 넓은 영역을 스캔하기 위해서는 모든 구성품을 별도로 스캔해야 하기 때문에 상당히 많은 시간이 소요됩니다. 열화상 카메라를 사용해 인쇄회로기판에서 열방산을 확인하거나 품질을 점검하거나 자동차 영역에서 열 영향을 검사하거나 실험실에서 고장 분석을 수행할 수 있습니다.

스팟(spot) 고온계로 물체의 온도를 정확하게 측정하기 위해서는 측정 스팟이 표적 물체 전체를 담아야 합니다. 따라서 온도를 정확하게 측정할 수 있는 거리가 제한적입니다.

온도 측정 건과 비교되는 열화상 카메라의 또다른 이점은 다양한 거리에서 온도를 정확하게 측정할 수 있다는 점입니다. 특정 스팟(spot) 고온계가 주어진 크기의 표적을 측정할 수 있는 거리는 거리 대 스팟 크기 비율"(D:S) 또는 '스팟 크기 비율'(SSR)로 표현되기도 합니다. 그러나 그러한 값은 어떻게 도출되며 무엇을 의미할까요? 스팟(spot) 고온계의 "스팟 크기"는 장치로 정확하게 측정될 수 있는 가장 작은 영역입니다. 즉, 온도를 측정하고 싶은 물체는 전체 스팟 크기 안으로 맞춰야 합니다. 표적이 방출하는 적외선 방출은 스팟(spot) 고온계의 광학 창치를 통과해 감지기로 투사됩니다. 물체가 스팟 크기보다 작은 경우 감지기는 물체의 주변에서 나오는 방출의 일부를 수신하기도 합니다. 따라서 장치는 물체의 온도 뿐만 아니라 물체와 주변의 온도 혼합까지도 검침하게 됩니다.

스팟(spot) 고온계를 측정하고자 하는 물체에서 멀리 이동할수록 광학 장치의 특성 상 스팟 크기가 더 커집니다. 결과적으로 표적이 작아질수록 온도를 정확하게 측정하기 위해서는 스팟(spot) 고온계를 더 가깝게 유지해야 합니다. 따라서 스팟 크기를 예의주시하고 표적이 전체 스팟 크기 내에 들어오도록 가깝게 서 있어야 하며 실질적으로 안전 여백을 만들기 위해 예상보다 더 가깝게 유지해야 합니다. 스팟 크기 비율은 주어진 거리 대 표적을 위한 스팟(spot) 고온계의 스팟 크기를 정의합니다.

예를 들어, 스팟(spot) 고온계의 스팟 크기 비율 (SSR)이 1:30인 경우 직경 1cm 크기 스팟의 온도는 30cm 거리에서 정확하게 측정할 수 있습니다. 4cm 크기 스팟의 온도는 120cm(1.2미터) 거리에서 측정할 수 있습니다. 대부분의 스팟 (spot) 고온계에는 1:5와 1:50 사이의 스팟 크기 비율 (SSR)을 가집니다. 즉, 대부분의 스팟(spot) 고온계는 5 - 50 cm 거리에서 직경 1cm 표적의 온도를 측정할 수 있습니다. 열화상 카메라는 이미지의 단일 픽셀이 온도 측정 결과와 일치하며 적외선 방출이 감지기 매트릭스로 투사된다는 점에서 스팟(spot) 고온계와 매우 유사합니다.

열화상 카메라는 일반적으로 해당 제품의 공간 해상도를 설명하기 위해 스팟 크기 비율 (SSR) 값을 지정하지 않지만 대신 순간 시야각 (IFOV, Instantaneous Field of View)을 사용합니다. 순간 시야각 (IFOV)는 카메라 탐지기 어레이의 단일 탐지기 요소의 시야각으로 정의됩니다.

이론적으로 순간 시야각 (IFOV)는 열화상 카메라의 스팟 크기 비율을 직접 결정합니다. 표적이 방출하는 적외선 방출이 광학 렌즈를 통과해 탐지리로 투사될 때 투사된 적외선 방출은 적어도 하나의 탐지기 요소를 완전히 가려야 하며 이는 열화상 이미지에서 하나의 픽셀에 해당합니다. 따라서 이론 상 열화상 이미지에서 하나의 픽셀을 완전히 가려야만 정확한 온도 측정이 보장됩니다. 순간 시야각 (IFOV)는 일반적으로 밀리라디안으로 표시됩니다(라디안의 1/1000).

열화상 카메라를 통해 열을 확인할 수 있습니다.

라디안은 호와 반경 간 비율입니다. 1 라디안은 원의 호의 길이가 원의 반경과 일치할 때 형성되는 각으로 정의됩니다. 원주는 반경의 2 π 배와 일치하기 때문에 1 라디안은 원의 1/(2 π)와 같거나 약 57.296 각도와 1 mrad 0.057 각도와 같습니다. 열화상 카메라를 사용해 특정 표적의 온도를 측정하는 상황에서 표적까지의 거리는 원의 반경과 일치하며 표적이 다소 평평하다고 가정합니다. 단일 감지기 요소의 시야각이 작기 때문에 이 각의 탄젠트는 라디안 값과 동일하다고 가정합니다. 따라서 스팟 크기는 순간 시야각 (IFOV) (mrad 단위)를 1000으로 나누고 표적까지의 거리를 곱해 계산됩니다.

여기에서 순간 시야각 (IFOV)의 단위는 mrad입니다.

이상적이며 디테일한 광학 렌즈

공식을 이용해 1.4 mrad의 IFOV를 가진 카메라가 이론 상 1:714의 스팟 크기 비율 (SSR)을 가진다고 계산할 수 있기 때문에 이론상 7미터 이상의 거리에서 직경 1cm의 물체를 측정할 수 있어야 합니다. 그러나 앞서 언급했듯이, 실제 광학 렌즈가 절대 완벽할 수 없다는 사실을 고려하지 않기 때문에 이러한 이론 상의 값은 실제 상황에서는 일치하지 않습니다. 적외선 방출을 감지기에 투사하는 렌즈는 확산 및 다른 형태의 광학적 수차를 일으킬 수 있습니다. 해당 표적이 정확하게 하나의 단일 감지기 요소에 투사되도록 보장할 수는 없습니다. 투사된 적외선 방출은 근접한 감지기 요소에서 번질 수도 있습니다. 즉, 표적을 둘러싼 표면의 온도가 온도 검침에 영향을 미칠 수도 있습니다.

표적이 스팟 크기 전체를 가려서는 안 될뿐만 아니라 스팟 크기 주변의 안전 여백을 가려야 하는 스팟(spot) 고온계와 마찬가지로 온도 측정을 위해 마이크로볼로미터 열화상 카메라를 사용할 때 안전 여백을 사용해야 합니다. 이러한 안전 여백 (safety margin)은 측정 시야각(MFOV)으로 캡쳐됩니다. 측정 시야각 (MFOV)은 정확한 온도 검침을 위한 즉 가장 작은 측정 영역인 열화상 카메라의 실제 측정 스팟 크기를 만듭니다. 이는 일반적으로 단일 픽셀의 시야각인 다수의 순간 시야각 (IFOV)로 표시됩니다.

일반적으로 사용되는 마이크로볼로미터 카메라를 위한 가이드라인은 광학 렌즈 수차를 고려하기 위해 표적이 순간 시야각 (IFOV)의 최소 3배 영역을 가려야 한다는 점입니다. 다시 말해, 열화상에서 표적은 정확한 측정을 위해 하나의 픽셀 뿐만 아니라 주변 픽셀도 가려야 합니다. 이 가이드라인을 준수하는 경우 실제 광학 렌즈의 요인을 고려해 스팟 크기 비율을 결정하기 위한 공식을 채택할 수 있습니다. 1x순간 시야각 (IFOV)를 사용하는 대신, 3x순간 시야각 (IFOV) 가이드라인을 사용해 보다 실질적인 공식을 채택할 수 있습니다:

여기에서 순간 시야각 (IFOV)의 단위는 mrad입니다.

이 공식을 근거로 1.4 mrad 순간 시야각 (IFOV) 카메라는 1:238의 SSR을 가지게 되고 2.4미터 미만의 거리에서 직경 1cm 물체를 측정할 수 있어야 합니다. 이러한 이론상의 값은 안전 여백으로 인해 보수적인 값입니다. 따라서 실제 스팟 크기 비율 (SSR)은 더 높지만 이러한 보수적인 스팟 크기 비율값을 이용함으로써 온도 측정 검침의 정확도가 보장됩니다.

투사된 표적이 최소 하나의 픽셀을 가리는 것이 가장 이상적입니다. 정확한 검침을 보장하려면 투사의 광학적 분산을 고려하기 위해 더 넓은 영역을 가려야 합니다.

물체에서 나오는 적외선 에너지(A)는 적외선 탐지기(c)의 광학 렌즈(B)로 초점을 맞춥니다. 감지기는 이미지 처리를 위해 이 정보를 센서 전자장치(D)로 전송합니다. 전자장치는 감지기에서 나오는 데이터를 뷰파인더나 표준 비디오 모니터 또는 LCD 화면에서 확인할 수 있는 이미지(E)로 변환합니다.

스팟(spot) 고온계는 일반적으로 1:5와 1:50 사이의 스팟 크기 비율 (SSR)을 가집니다. 저렴한 대부분의 모델의 스팟 크기 비율 (SSR)은 1:5 ~ 1:10이며 고가의 최신 모델의 경우 1:40 또는 1:50의 스팟 크기 비율을 가집니다. 그러나 스팟(spot) 고온계 역시 광학 렌즈와 관련해 열화상 카메라와 동일한 문제를 가질 수도 있습니다. 스팟(spot) 고온계 사양을 비교할 때 스팟 크기 비율 (SSR) 값이 이론상의 값인지 광학 렌즈의 불완전성을 위해 보정된 값인지를 알고 있어야 합니다.

원거리에서 온도 탐지

이상적인 광학 렌즈 대 현실적인 광학 렌즈 요소를 고려하는 경우라도 측정 거리에서 열화상 카메라와 스팟(spot) 고온계 간 차이는 매우 큽니다. 대부분의 스팟(spot) 고온계는 1 cm 표적을 가정할 때 10 ~ 50 cm 떨어져 고정될 수 없습니다. 대부분의 열화상 카메라는 수 미터에서 이 크기(1cm) 표적의 온도를 정확하게 측정할 수 있습니다. 2.72 mrad의 IFOV를 가진 FLIR E40 열화상 카메라조차 120 cm 이상 떨어진 거리에서 이 크기(1cm)의 스팟 온도를 측정할 수 있습니다. FLIR T1030sc 열화상 카메라는 산업용 검사를 위한 FLIR의 가장 최신 모델 중 하나로 표준 28° 렌즈로 7 미터 이상의 거리에서 이 크기의 표적 온도를 측정할 수 있습니다. 이 값은 표준 렌즈를 사용한다는 가정 하에 계산됩니다.

대부분의 최신 열화상 카메라에는 교환식 렌즈가 사용됩니다. 다른 렌즈를 사용하는 경우 순간 시야각 (IFOV)가 변경되어 스팟 크기 비율에 영향을 미칩니다. 예를 들어, FLIR T1030sc 열화상 카메라의 경우 FLIR는 표준 28° 렌즈뿐만 아니라 12° 망원 렌즈로 제공합니다. 원거리 관찰을 위해 특수하게 고안된 이 렌즈에서 스팟 크기 비율을 훨씬 더 커집니다. 12° 망원 렌즈를 장착한 경우 FLIR T1030sc 열화상 카메라의 순간 시야각 (IFOV)는 0.20 밀리라디안입니다. 이 렌즈를 사용한 동일한 열화상 카메라는 거의 17미터 거리에서 동일한 크기의 표적의 온도를 정확하게 측정할 수 있습니다.

더 가까이 이동할 필요가 있는지 확인

열화상 카메라는 SSR 값과 관련해 스팟(spot) 고온계보다 분명 우수한 성능을 제공하지만 SSR 값은 정확한 온도를 측정할 수 있는 거리만을 의미합니다. 실제 과열점 탐지에서 항상 정확한 온도 검침이 요구되지는 않습니다 표적이 열화상 이미지에서 한 픽셀만 가리는 경우라도 열화상 이미지에서 과열점을 구분할 수 있습니다. 온도 검침이 완벽하지 않을 수도 있지만 과열점이 감지되고 운영자가 더 가까이 이동할 수 있다면 표적이 열화상 이미지에서 더 많은 픽셀을 포함할 수 있어 온도 검침이 정확해집니다.

스팟(spot) 고온계 역시 작은 물체의 온도 측정에서 어려움이 있습니다. 이 능력은 전자장치 검사에서 중요성이 증가하고 있습니다. 장치가 처리 속도에서 지속적으로 더 빨라지고 더 작은 패키지에 장착해야 하는 상황에서 열을 방출하고 과열점을 식별하기 위한 방법을 찾는 것이 가장 중요한 과제입니다. 온도 측정 건은 효과적으로 온도를 감지하고 측정할 수 있지만 스팟 크기가 너무 큽니다. 그러나 클로즈업 광학 렌즈가 장착된 열화상 카메라는 픽셀 당 5μm (마이크로미터) 미만의 스팟 크기까지 초점을 맞출 수 있습니다. 이를 통해 엔지니어와 기술자들은 매우 작은 단위까지 측정을 수행할 수 있습니다.

추측이 아닌 확인 하라

스팟(spot) 고온계는 수치만을 제공할 수 있습니다. 이 수치는 부정확할 수도 있어 추측에 가까운 검침입니다. 열화상 카메라는 열을 확인하고 온도 측정 뿐만 아니라 열 분포에 관한 즉각적인 이미지를 제공합니다. 이러한 시각적 정보와 정확한 온도 측정 결과의 조합을 통해 고장을 신속하고 정확하게 찾을 수 있습니다. 추측은 멈추고 FLIR 시스템의 열화상 카메라로 업그레이드해 보다 빠르고 간편하게 문제점을 찾을 수 있습니다.

클로즈업 렌즈와 현미경 렌즈는 우수한 이미지 디테일을 제공하기 때문에 작은 스팟을 측정할 수 있습니다. 이러한 측정은 스팟(spot) 고온계에서는 매우 어렵습니다. 위 이미지는 4배 접사 렌즈로 촬영되었으며 아래 이미지는 15 마이크론 렌즈로 촬영되었습니다.