FLIR – hetare finns inte

Skriven av

Värmekameror, det är väl kameror som ser värme, eller hur? Det är en överförenkling. De kan användas till att se människor och stridsvagnar på nätterna, de kan se olika utpysande gaser, avfallshögar som ligger och pyr, djur som har inflammation, fukt inne i en vägg, dolda elektriska överslag, heta strömskenor med hög spänning som det inte ens går att komma i närheten av, servrar och elskåp som är på väg att bli överhettande, felbalanserade trefasanläggningar, cancertumörer med mera. AGA Thermovision var begynnelsen till en unik svensk industrigren.

Historik

Värmekameran ser våglängder som är betydligt längre än vad det mänskliga ögat kan uppfatta. Ända sedan astronomen William Herschel upptäckte den infraröda strålningen i februari år 1800 och hans son John Herschel dessutom producerade den första värmebilden 1840, har vi försökt dra nytta av upptäckten. Den första infraröda bilden trycktes i en tidning år 1910 och 1930 hade både Kodak, Agfa och Ilford infraröd svartvit film till salu. 1940 kom den infraröda färgfilmen, för falskfärgning av IR-bilder. IR-film klarar emellertid bara infraröda våglängder mellan 700 och 900 nanometer och det är nästan helt odugligt för termografering.

Den infrarödkänsliga elektroniska TV-kameran uppfanns redan 1929 av ungraren Kálmán Tihanyi och användes för luftförsvar i Storbritannien. Tyskarna började med militära nattkameror med ljusförstärkare omkring år 1939 och de fanns tillgängliga i tyska Panther-stridsvagnar från 1944 och framåt. Dessa anordningar faller inom ramen för nattkameror av generation 0.

Här är en tidig rysk variant kallad NSP-2 monterad på en Kalasjnikov AK-M. Siktet är infrarödkänsligt och strålkastaren ovanpå har ”svart” filter (nedfällt i bilden) och strålar bara infrarött ljus. Dessutom tillkommer en redig batteripack. Utrustningen är snarast att beteckna som en nattkamera som ser infrarött ljus för att fienden, då, inte hade möjlighet att upptäcka infrarött.

Kikarsiktet ser alltså reflekterad strålning från den egna strålkastaren, medan AGA Thermovisions idé var att se den strålning som objekten själv utstrålar.

Den kommersiella värmekameran var en miljonkronorsapparat när den togs fram av AGA omkring år 1963, från att ha börjat sin utveckling 1958 som ett passivt infrarödsikte för stridsvagnar. Svenskarna var inte ensamma om idén utan företaget FLIR (Forward Looking Infrared) bildades 1978 i USA, blev till FLIR Systems Inc, och arbetade med infrarödsystem huvudsakligen för flygtillämpningar. 1997 förvärvades AGEMA, med sitt ursprung i AGA.

Denna inledande beskrivning kan få det att låta som att FLIRs produkter inte är speciella. Det är klart de är speciella! Ingen tillverkar så avancerade värmekameror som FLIR. Värmekameror finns idag för snart sagt alla yrkesgrupper och branscher, som polis, vetenskap, rymdforskning, militär, kemi, industri, materialprovning, energiutvinning och -distribution, avfallshantering, djurhållning med mera.

AGA Thermovision 661, världens första kommersiella infrarödsystem från mitten av 1960-talet. Systemet måste kylas med flytande kväve, som fick hällas i upptill. Inklusive bildskärm vägde alltihop 50 kilo. Sensorn var en enda pixel och videosignalen åstadkoms genom att bilden som fångades upp av spegelteleskopet sveptes förbi sensorn i X- och Y-led av två roterande prisman i germanium.

AGA Thermovision 680 kom år 1968 och fanns i en kortvågsversion (SWIR) och en långvågsversion (LWIR). Båda fick kylas med flytande kväve. Den typ vi ser här, kallades Medical och var den första kamera som användes för bröstcancerdiagnostik.

Omkring år 1970 kom AGEMA med sin Superviewer, främst avsedd för kraftbolag som ville kontrollera sina kraftledningar från helikopter. Enheten bestod av en värmekamera Thermovision 750 (K) monterad på den bildformande enheten (B). Alltihop stod i sin tur på ett avfjädrat stativ som monterades i helikoptern. Det var den första kamera som kunde blanda en visuell och infraröd bild, även om det sköttes på optomekanisk väg.

AGEMA gick vidare och uppfann den första okylda bolometerkameran, som i och med detta blev mycket enklare att transportera och använda.

Många av de första applikationerna som felsökning, energibesparing och energihushållning gäller fortfarande och är en del av FLIRs framgångsrecept. FLIR är också duktiga på att sprida spektakulära bilder på Internet. Gaskameran kom omkring år 2000.

Men den stora framgången är att priset kunnat sänkas så att var och en kan bli ägare till en värmekamera, i och med att de numera finns som tillsatser till, eller inbyggda i mobiltelefoner. I och med detta är det mycket viktigt att du faktiskt förstår vad du ser på värmebilden. Se den här artikeln som en grundkurs.

Nya produkter – nya användningsområden

FLIR har utvecklat en stor mängd produkter för både civilt och militärt bruk. Utöver rena värmekameror finns det kombinationsprodukter, som tångamperemetrar med värmekamera, och produkter för detektering av annat än IR, nämligen radioaktiv strålning och olika kemikalier. Det är ingen hejd på vad man kan detektera. Slutligen utvecklar FLIR givetvis vilken specialprodukt du vill och bygger in den i valfritt hölje, med eller utan servomotorer. Låt oss bara titta på de läckraste.

Man gör inte längre någon skillnad på olika kameror för olika användningsområden. Men kamerornas upplösning, formfaktor eller tillbehör kan göra dem mer eller mindre lämpliga för olika applikationer. Vill man se väldigt små variationer i temperatur, eller se väldigt smala våglängdsband måste man välja en kamera med kyld sensor. För alla andra tillämpningar duger en okyld sensor bra.

Flaggskeppet T1020

På sin webbplats skriver FLIR ”Den här har vi strävat efter i 50 år: värmekameran du alltid velat ha” och det är bara att hålla med.

IR-sensorns användbara upplösning: 786×432
Närgräns: 0,4 meter
Spektralt omfång: 7,5–14 µm
Temperaturområde: –40 till +2000°C

Låt oss börja med paradprodukten T1020. Den är lagom tung och ligger bra i handen. Det första man kan konstatera är att bilderna från FLIRs dyraste produkter numera är högupplösta och knivskarpa, från att tidigare ha haft 320 bildpunkters bredd. En bildupplösning på 1024 bildpunkter, som förut var en militär angelägenhet, är numera åtkomlig för alla (nåja), även om alla de 1024 bildpunkterna inte kan användas för mätning. Allt vi kommit att vänja oss vid från vanliga digitalkameror finns nu också i värmekameran, som autofokus, spotmätning, pekskärm, strömning av video, HDMI-anslutning, wifi och något som proffsfotograferna länge önskat, nämligen utbytbara objektiv, eftersom optiska zoomobjektiv ännu inte är möjliga att göra för värmekameror. Den är din för minimala USD 12.000.

Utbytbara objektiv av typen AutoCal

Värmebilden visar en roterande överföring till en motor i ett stålverk där en kabelsko är aningen överhettad. Bildupplösningen är numera utmärkt. Riktigt så varmt som det ser ut att vara i bilden, är det inte. Det är inget som glöder på riktigt, utan den högsta temperaturen är 66,1 grader. Färgskalan som används, kallas för “smält järn” och är populär för falskfärgning av värmebilder.

Bilden är tagen med 12-graders teleobjektiv och visar en anslutning till en ledare i ett högspänningsställverk som är på väg att bli överhettad. Det är bäst att fixa det innan något allvarligt händer.

Mobilkameran FLIR One Pro

IR-sensorns användbara upplösning: 160×120
Närgräns: 0,15 meter
Spektralt omfång: 8–14 µm
Temperaturområde: –20 till +400°C

Var och en kan bli värmefotograf idag. Skaffa en FLIR One Pro och tryck fast på mobiltelefonen och du är ett vandrande felsökningslabb. Glöm bara inte att skaffa kunskaper i termografering också. Du kan till exempel hitta läckor och trasig isolation i ditt eget hus, hitta bortsprungna djur, inkräktare på natten eller varför inte låna ut dina tjänster till bostadsrättsföreningen som vill bättra på ekonomin genom att hitta hus som läcker värme? Du kan också bara ta läckra bilder i största allmänhet för att lägga upp på sociala media. Enheten finns för både Android- och Apple-telefoner.

Värmebilden visar en isolerande garagedörr som inte var så isolerad. Värmebilden håller tämligen låg upplösning men bilden skärps upp av en inlagd visuell konturbild kallad MSX (Multi Spectral Dynamic Imaging).

Enhandsgrepp med Ex-serien

IR-sensorns användbara upplösning: 80×60 … 320×240
Närgräns: 0,5 meter
Spektralt omfång: 7,5 – 13 µm
Temperaturområde: –20 till +250°C

Termografering har gått från att vara svårt, till att vara något man gör med vänster hand bakbunden. Ex-serien klarar det med ett enhandsgrepp. Serien omfattar olika modeller med olika geometrisk upplösning. Gemensamt för dem är att de har wifi-anslutning för snabb uppladdning av bilder.

Med MSX påslaget kan du läsa texten på exempelvis små överhettade säkringar, trots att värmebilden inte alls håller samma upplösning.

För att inte verka som en reklambroschyr, övergår vi till de mera exotiska tillämpningarna.

GFx320 – detekterar naturgasläckor

IR-sensorns användbara upplösning: 320×240
Närgräns: 0,3 m (med standardobjektiv 24°)
Spektralt omfång (naturgas): 3,2–3,4 μm
Temperaturområde: –20 till +350°C

Det mänskliga ögat kan inte se naturgas som pyser ut ur en läckande ventil eller en spricka i ett rör. Det kan inte värmekameran heller, men gasen absorberar värmestrålning på ett lite annat sätt än den omgivande luften och dessutom bara inom ett smalt infrarött våglängdsband, men emitterar mer eller mindre över hela spektrum. OGI (Optical Gas Imaging) går till så att man ser man en starkare absorption inom bandet 3,2–3,4 μm där exempelvis naturgas absorberar IR-strålning. Andra gaser har andra emissions- och absorptionsband. Gasen ser ut som ett svart moln i en i övrigt helt vanlig värmebild. Den möjligheten gillas både av industripersonal som kan råka bli förgiftade, och oljeprospekteringsföretag som vill se var gasen, deras inkomster, pyser ut.

Gas pyser ut där den inte ska pysa ut. Här är det uppenbart att gasen slukar upp värmestrålningen från himlen bakom, som är varmare, och ser ut att vara kallare. Komprimerad gas som expanderar ut i atmosfärstryck förlorar alltid energi till utloppsmunstycket och blir kall. Det är för övrigt själva principen bakom kylskåpet.

Helikopter och drönare, UltraForce 350-HD

IR-sensorns användbara upplösning: 640×512
Spektralt omfång: 3-5 μm

Polisen och Försvaret vill gärna kunna se bra på natten och gärna från helikopter. Problemet är att en helikopter skakar och gungar och en användare vill helst ha en stabil bild. FLIR tillverkar kardanupphängda moduler färdiga att bara skruva fast på din helikopter, som klarar av att zooma på en bil på en motorväg och hålla bilden på registreringsplåten absolut still. Den har en HD-kamera för synligt ljus för dagoperationer och en infraröd nattkamera för 3-5 μm, auto-tracker, laserpekare, laseravståndsmätare och en massa annat godis.

Ska de här killarna verkligen lasta lådor just här, mitt i natten?

Militärt, Recon B2-FO

IR-sensorns användbara upplösning: 640×480
Spektralt omfång: 3-5 μm

För att avsluta med ett verkligt teknikfyrverkeri väljer jag ”kikaren” Recon B2-FO som är en informationsinsamlare för militära spaningstrupper. Det finns civila varianter också, men just B2-FO toppar allt. Den kan antingen användas handhållen, eller monteras på stativ och riktas med fjärrkontroll.

Hollywood har försökt men inte ens kommit i närheten.

Luke Skywalker ligger i lä med sin unkna digitala Macrobinocular från första Star Wars-filmen.

Vad Skywalker såg i sin kikare. Löjligt. Avståndsmätning, kompassriktning och lite bildförbättring i synligt ljus. Tacka vet jag FLIR Recon B2-FO.

Recon kan visa synlig och infraröd bild och en blandning av dem, och kan zooma och skärpa bilderna elektroniskt, har GPS-positionering och elektronisk karta på skärmen, magnetisk kompass, laseravståndsmätare och laserpekare. Vad kan en tekniknörd mera begära? Och det här är på riktigt. Inte Hollywood!

Det råder inget tvivel om vad fienden håller på med. Du ser dem, men de ser inte dig.

Läs den här broschyren. Efteråt vill du bara ha: flir-tactical-vision-brochure.pdf!

Rapportering

Det är precis lika viktigt att kunna rapportera sina mätresultat på ett nöjaktigt sätt som att ha verktyg att fånga upp verkligheten. FLIR har en mängd olika program som kan hämta bilder och video från värmekameror och ändra temperaturnivå och -intervall på radiometriska bilder, ändra färgpalett eller justera parametrar som emissivitet, reflekterad temperatur, lägga till mätverktyg som punkter, områden, cirklar, linjer, temperaturdifferenser och textkommentarer och redigera bildbeskrivningar. De vanligaste programmen är utan tvekan FLIR Tools och Tools+.

Har du en mobiltelefon utrustad med FLIR One kan du skaffa en app kallad FLIR Tools Mobile och göra ungefär samma sak, nämligen bläddra bland bilder, sätta olika mätpunkter och se hur de skiljer sig under en längre tid, lägga till GPS-position och skapa rapporter.

Tillverkning

FLIRs tillverkningsprocess skiljer sig inte så mycket från andra företags processer eller metoder. De flesta kameratillverkare gör exakt likadant. I fabriken i Täby norr om Stockholm ägnar man sig åt sammansättning, provning, kalibrering och slutmontering. FLIR slipar dessutom sina egna linser på en särskild optikavdelning.

Tillverkningsprocessn börjar från vänster

Skillnaden mot andra kameratillverkare är att FLIR dessutom tillhandahåller olika specialmontage, som väderskydd och kardanupphängning.

Många av de ingående delarna, som sensorer, höljen, metalldelar, kretskort mm kommer från underleverantörer och sätts samman i Täby. Råmaterialet till linserna kommer också från olika underleverantörer, men slipas, poleras och efterbehandlas i Täby. Provningen efter sammansättning blir lite speciell vid tillverkning av värmekameror eftersom varje kamera eller utbytbart objektiv måste kalibreras mot en rad objekt (svartkroppar) med olika temperatur. Det har FLIR löst med en automatiserad provbana.

Optiktillverkning

För att kunna göra en kamera behöver man linser av rätt typ. Det finns ett antal material som har bra transmissionsegenskaper i långvågigt infrarött, ända ned till 50 mikrometer, men få material har så bra brytningsindex som germanium (n = 4).

Cesiumjodid (CsI, n = 1,8) klarar ända ned till 50 mikrometer, vilket är helt fantastiskt, men tyvärr är det vattenlösligt och gör sig därför inte så bra i atmosfären (men väl i skyddsatmosfär). Många vardagliga material man inte skulle tänka sig, har också bra optiska egenskaper, som natriumklorid (salt) men det är som bekant vattenlösligt. Kalciumfluorid (CaF2, 0,15 – 10 µm), bariumfluorid (BaF2, 0,15 – 12 µm) och zinkselenid (ZnSe, 0,5 – 20 µm) är andra potentiella material med bra transmission, men de är antingen sköra eller fuktabsorberande. Vanligt glas (kiseldioxid) upphör att fungera vid 3 mikrometer och är absolut värdelöst för infrarött bruk, och så är även linserna i din digitalkamera.

Valet brukar stå mellan zinksulfid (ZnS, 1 – 14 µm) med ett brytningsindex på 2,2 och germanium (Ge, 2 – 14 µm) och valet faller i de flesta fall på germanium. Dess utmärkta brytningsindex innebär att linserna kan göras mindre buktiga med germanium än med andra material. De flesta tillverkare av värmekameror använder germanium till sina linser.

Linsämnen, sk blanks, köps i stora mängder från underleverantörer. När de levereras är de helt matta och oxiderade och måste genomgå en mycket tidskrävande behandling, i form av slipning, polering, diamantsvarvning och ytbehandling.

Här är en typisk blank som ska bli frontglas till en värmekamera. Du ser att den är helt ogenomskinlig och matt.

Sfäriska linser, alltså där linsens kurvatur är en del av en sfär, kan slipas i en roterande slipmaskin. Materialet bearbetas med en skålformig slipdetalj av mjuk plast och påförd slippasta. Materialet kyls hela tiden med rinnande kylmedel. Efter slipningen har linsens yta fått en noggrannhet ned på ett par mikrometer.

Asfäriska linser, som alltså inte är en del av en sfär, svarvas istället med diamantsvarv. Även diamantsvarven kan komma ned till en ytjämnhet på mindre än en mikrometer och även här kyls materialet kontinuerligt med rinnande kylmedel.

En mikrometer kommer man inte långt med. Efter slipningen sätts linsämnena in i en polermaskin, som polerar ytan spegelblank, till en noggrannhet på delar av våglängder, vilket betyder omkring 50 nanometer. Denna maskin är helt robotiserad. Poleringen pågår bakom rutan till höger, medan en matris med linsämnen ligger i en fixtur bakom rutan till vänster. Därifrån hämtas ämnena av en robot, poleras och läggs tillbaka.

Här är en färdigpolerad germaniumlins. Germanium är dubbelt så tungt som glas. Just detta exemplar är kasserat. Annars hade jag inte fått hålla det i handen utan handskar. Linser i så stora format som denna är avsedda för militär användning.

Den färdiga linsen måste kontrollmätas för att man ska se att den önskade kurvaturen uppnåtts. Just denna bild visar en mekanisk mätmaskin, men FLIR använder allt mera laserbaserad mätutrustning för att inte bara få linsens kurvatur och avvikelser utan även samla statistik kring produktionen.

Germanium oxiderar i luft och kommer snabbt att bli obrukbart om det får ligga framme på en arbetsbänk. Därför mellanlagras färdigpolerade linser i ett särskilt skåp fyllt med kvävgas.

Sedan vidtar antireflexbehandlingen. Det går till så att man i en vakuumkammare förångar på ett antal olika lager av germanium och andra ämnen på linsens båda ytor, i skikt som bara är delar av våglängder tjocka. Efter behandlingen har linsens transmission ökat från cirka 30% till 98%, oxiderar inte längre och eftersom skikten dessutom är hårda blir linsen också reptålig. Den blir också vackert blåskimrande.

Linserna hamnar hos en montör som sätter samman dem med olika metalldetaljer, ringformiga kretskort och dito autofokusmotorer, till ett objektiv. De nyaste utbytbara objektiven har sina kalibreringskurvor i ett minne i själva objektivet och när det monteras på kameran behöver man inte kalibrera om systemet. Det underlättar för kunder som byter optik på sina kameror eller flyttar optiken mellan flera kameror.

Alltihop slutar i form av ett objektiv som ser ut så här om man plockar isär det.

Sammansättning och provning

Till fabriken kommer, utöver germaniumblanks. även en hel mängd förfabricerade detaljer som ska sättas samman och utprovas.

En typisk kamera drivs av ett par starka mikroprocessorer. FLIR är ingalunda ensamma om att använda specialtillverkade gate-arrayer på sitt ”moderkort” till kameran. I kontaktdonet närmast ansluter man objektiv-sensor-modulen (nedan).

Infraröda sensorer köps färdiga från olika sensortillverkare och skiljer sig till utseendet inte mycket från sensorer till vanliga digitalkameror. För okylda sensorer är halvledarmaterialet vanadiumoxid (VOx), barium-strontium-titanat (BST) eller vanligt amorft kisel. För kylda sensorer används materialen indium-antimonid (InSb) eller kvicksilver-kadmiun-tellurid (MCT) och slutligen för sensorer baserade på kvantfenomen av typen QWIP (Quantum Well Infrared Photon-detektor) är materialet AlGaAs (aluminium-gallium-arsenid).

Kylning kan ske med två metoder. Antingen används en kylare med peltierelement (bakvända termoelement) eller om man vill ha kallare sensorer tar man till små stirlingmotorer som ”körs baklänges” och alstrar kyla. Bilden ovan föreställer den kylda sensorn Neutrino. Indium-antimonid-sensorn (3,4-5,1 μm) befinner sig inuti den gula, värmeisolerade burken, medan den åttkantiga enheten bakom är själva stirlingmotorn. Den tar ned sensorn till arbetstemperatur på 70K (–200°C) på 6 minuter.

Eller ta den okylda sensorn Muon, som klarar våglängder mellan 7,5-15 μm och består av vanadiumoxid (VOx). Den kan antingen köpas så här, monterad i en magnesiumram, av den som vill bygga en egen värmekamera, eller också går den vidare i produktionen och blir till en färdig FLIR-kamera. Den innehåller allt: sensorchip, utläsningselektronik och färdig videoutgång. Kretsen är i detta stadium redan kalibrerad.

På fabriken sätts de flesta delarna samman manuellt och provas av människor. Det rör sig om många olika typer av kameror och det är inte hög produktionstakt som är huvudmålet utan absolut högsta kvalitet.

Objektivet (O) och dess autofokusmekanism, motorer mm, byggs ihop med kretskortet med sensorn (S) i ett gjutet metallchassi och allting monteras på det kretskort med elektronik (E) som formaterar videosignalen. Det blå kablaget går vidare till styrkortet, kamerans ”moderkort” (ovan). Denna maskindel kallas inte för ”kamera” utan för ”core”.

Här är ett annat exempel på ett sammanbyggt objektiv och drivelektronik. Fokusmotorn är den utstickande delen uppe till vänster.

När en ”core” är i detta stadium går den vidare och förses med någon typ av hölje.

Provning

Kameror som ska sitta utomhus måste tåla olika temperaturer, regn och fukt osv. Dessa produkter testas i en klimatkammare där temperaturer och fuktnivåer kan varieras upp och ned i cykler.

Objektiven och sensorerna är inte helt linjära direkt vid tillverkningen utan måste kalibreras. Man låter kameran titta på ett antal svartkroppar av olika känd temperatur och registrerar de temperaturer som kameran uppfattar och sparar en kompensationsfaktor i kameran eller objektivet. Varje kamera ska titta på 18 svartkroppar i serie och det sköts med en robotiserad provningslinje.

När kameran är kalibrerad och försedd med programvara och användarmenyer på lämpligt språk, förpackas den och läggs på lager före leverans.

Teoridel – spektrum

Allt eftersom ett föremål blir varmare flyttas dess utstrålningsmaximum mot kortare våglängder. När maximum ligger runt 700 nanometer syns den för det mänskliga ögat, vilket exempelvis är fallet med glödlampor. Glödlampor lyser även i ultraviolett, men det kan vi inte se.

Banden

Man indelar det infraröda spektrum i fem band, som har distinkt olika användning. Tyvärr använder olika branscher olika indelningar och olika namn. Se detta avsnitt som en slags utredning.

NIR, Near Infrared ligger nära det synliga ljuset och har ungefär samma användning. Det är i detta band man överför data i optiska nätverk eftersom optiska fibrer av helt vanligt glas råkar ha ett passband runt 1550 nanometer där ljus kan passera tämligen obehindrat i flera hundra kilometer. Det är också passbandet för infraröd fotografisk film och infraröda jordresurssatelliter, men har föga användning inom termografering.

SWIR, kortvågig infraröd strålning (Short Wave Infrared) är lite för kortvågig för att vara till nytta i termografiska undersökningar.

MWIR: Det är i det mellanlånga infraröda bandet (Mid Wave Infrared) som det intressanta börjar hända. Detta band lämpar sig bäst för spaning nattetid eftersom människokroppen och bilmotorer etc syns i detta band. Atmosfären har ett passband här och släpper igenom strålning bra på långt håll. Ett antal vanliga industrigaser har sina absorptionsband där varför bandet fått användning vid gasdetektering.

LWIR, långvågigt infrarött är huvudsakligt band för termografi, eftersom kroppar av alla temperatur har bra utstrålning där, människokroppen, såväl som varmvatten, kraftledningar, cancertumörer och masugnar. Bandet lämpar sig också för nattseende kameror på fordon eftersom det penetrerar dimma. Bandet brukar också kallas det termiska infraröda bandet.

FIR, Far Infrared är bara intressant för astronomerna, ända tills vi kommer ned till våglängder kring 100-1000 mikrometer. Detta senare band kallas terahertzbandet och har blivit allt intressantare inom säkerhetsbranschen eftersom olika kemiska ämnen och matvaror reflekterar i detta band.

Strålare

Varma kroppar, såsom människokroppen, en ugn eller en bilmotor, strålar infraröd strålning i en kontinuerligt band från mikrovågor och upp till synligt ljus. Värmekameran försöker fånga så stor del av den utsända infraröda strålningen som möjligt och kvantifiera den i en bild. Ju varmare föremålet är, desto längre upp mot det synliga ljuset sträcker sig strålningen. När kroppen blir rödglödande syns strålningen som rött ljus.

När föremål blir väldigt mycket varmare, som exploderande supernovor, sträcker sig den utsända strålningen uppåt röntgenområdet.

Astronomi

Astronomerna är intresserade av strålning i olika infraröda band. Det synliga universum är egentligen inte så intressant. Det infraröda universum döljer mycket mera. Det är därför man byggt det nya James Webb Space Telescope, ett gigantiskt rymdteleskop som ska skickas upp i början av 2019. JWST ser i våglängdsområdet 0,6 μm (orange) till 28,5 μm (FIR) och kan därför se igenom allt damm som spärrar det synliga ljuset i rymden.

Vintergatans centrum är ganska trist egentligen för det skyms av en hel massa damm.

Tittar man i infrarött ljus är det en helt annan sak. Dammet är som bortblåst och väldigt många nya egenskaper, stjärnor, gasmoln osv syns.

Alla gaser har absorptionsband i infraröda spektrum. Det fungerar på Jorden likväl som i rymden. Vill man hitta förekomster av gaser i rymden ska man spana efter gasernas emissions- och absorptionsband, vilka naturligtvis är desamma som används i FLIRs gaskamror.

Astronomerna letar med spektrometer efter olika absorptionsband i världsrymden för att se förekomster av de gaser som bildar livets byggstenar, såsom syre, kväve, koloxid, metan, ammoniak etc. Man tittar helt enkelt på en stjärna, vars spektrum är känt (eftersom alla stjärnor av samma typ har samma spektrum) och letar efter mörka hål i spektrum där gaser som ligger i vägen mellan oss och stjärnan och absorberar stjärnljuset. Spektroskopi är mycket viktigare än vanlig ljus-astronomi om man vill förstå universums uppbyggnad.

Gå inte i emissivitetsfällan

Emissiviteten (ε) för ett material är kvoten mellan dess utstrålade energi och utstrålad energi från en svart kropp vid samma temperatur och våglängd. Det är ett mått på ett materials förmåga att absorbera och avge energi i form av elektromagnetisk strålning. En ideal svartkropp har ε = 1 medan verkliga material har 0 < ε < 1.

En kommersiellt tillverkad svart kropp (vänster) har ε = 0,99, medan människokroppen har ε ~0,98. Solen är också en svart kropp. Tro det eller ej.

Hur ska det förstås? Titta på en spegel med ögonen. Ser du spegeln eller ser du bilden i den? Du ser inte spegeln alls, utan bara den reflekterade bilden (ε = 0 i synligt ljus). Undersöker du spegeln med en värmekamera vill du se spegelns temperatur och inte temperaturen i de delar av rummet som reflekteras i spegeln.

Titta istället på en tapetserad vägg. Ser du någon bild i den? Nej. Du ser bara tapeten. Är det ε = 1? Inte det det heller. Tapeten är inte svart. Den är upplyst av ljuset från rummet. Det du ser är ändå en diffus reflektion av ljuset i rummet, medan en svart kropp inte får reflektera något ljus alls.

Där skiljer sig vanliga material mellan synligt och infrarött ljus. Tapet är konstruerad för att återkasta ljuset i rummet. Hade tapeten varit svartmålad, hade belysningen i rummet varit utan betydelse och du hade sett tapetens sanna utstrålning (ε = 1). Vilken råkar vara noll i det synliga spektrum.

Detsamma gäller för värmekameran. Man råkar bara ha olika syften med en vanlig kamera och en värmekamera. Med en vanlig kamera vill man se världen som den ser ut runt omkring oss, i synliga våglängder, med reflektioner och allt. Med värmekameran vill man helst inte se reflektioner utan bara föremålens egen utstrålning. Med värmekameran skulle allting fungera som allra bäst om hela världen var målad med en färg med ε = 1, exempelvis svart. Tyvärr är den inte det, utan vi får ta vad som bjuds: nästan-svart. Som tur är, är målad metall, betong, målarfärg, trä, människohud osv nästan-svart i infrarött ljus, varför värmekameran fungerar tillfredsställande i verkliga världen.

Blanka ytor emitterar mycket lite egen infraröd strålning (ε ~0). Den här värmebilden föreställer avgasröret på en moped. Röret är blankförnicklat och högglanspolerat och som du ser är det svart (kallt), medan resten av mopeden är varm. Det beror på att röret istället reflekterar natthimlens kyla in i värmekameran.

Du känner givetvis värmen när du tar på röret för då leds energin över till fingret. På undersidan tycks röret dock stråla (brun-orange) men det reflekterar istället markens värme. Rörets kortändor är rostiga och visar den korrekta temperaturen (ε ~1).

I den andra bilden är hela avgassystemet svartmålat (ε = 1) och du ser att det strålar lika mycket som själva motorn. Nu förstår du också varför den blankslitna sadeln är –25 grader ovanpå, liksom de blanka fälgarna.

Värmekameran kan kompensera för avvikelser i emissivitet i det objekt man tittar på, om man vet dess emissivitet, omgivningstemperaturen och avståndet till objektet och matar in dessa parametrar i kameran.

De flesta icke-metaller har emissivitetsvärden nära 0,9 vilket innebär att 90 % av den uppmätta strålningen kommer från strålning från målobjektet. De flesta polerade metaller har emissivitetsvärden i området nära 0,05 till 0,1. Matta, oxiderade eller i övrigt korroderade metaller har emissivitetsvärden mellan 0,3 och 0,9 (beroende på oxideringens eller korrosionens omfattning). Material med en emissivitet under 0,7 är svåra att mäta och material med en emissivitet under 0,2 är nästan omöjliga att mäta utan att man på något sätt har ökat emissivitetsvärdet. Det ”svarta” avgasröret och fälgarna i bilderna ovan ligger kring 0,1.

Vet man inte emissiviteten kan man artificiellt skapa en emissivitet nära 1 genom att klistra på en matt beläggning på objektet, som isoleringsband, eller bara helt enkelt använda smuts. En vattenkran av polerad metall har mycket låg emissivitet, men fingrar man på den så den blir fet, ökar genast emissiviteten.

Om man inte bryr sig om att kompensera en bild för emissiviteten blir den helt missvisande och i stort sett värdelös om man vill göra kvalitativ eller kvantitativ analys.

Detektera gaser

Människan kan inte se gaser som läcker ut i atmosfären. Ändå måste man snabbt kunna upptäcka naturgas (metan), koloxid med flera, om de skulle läcka ut ur industrianläggningar. Om gasen bara får läcka oupptäckt kan den leda till fara för människor, explosionsrisk och ekonomiska förluster. Svavelhexafluorid (SF6) är en särskild typ av gas som används för kylning av transformatorer i och med att den är obrännbar, inert och ofarlig för människan. Det är likafullt trist om den läcker ut, eftersom den är en växthusgas. Därför måste man ha en gaskamera som kan se den.

Värmekameran kan bara se värmestrålning och inte gasen som sådan. Men temperaturskillnader i omgivningen kan vara sanna eller virtuella. En gas med samma temperatur som den omgivande atmosfären absorberar energi på ett annat sätt än luften. Betraktar man gasen inom det smala område där den absorberar energi blir skillnaden mot luften större.

Här ser man en gasläcka från en ventil. Gasen är svart. Beror det på att den är kall, eller på att den hindrar och absorberar strålningen från marken bakom? Både och, och vilket spelar egentligen ingen roll.

Olika gaser absorberar i olika våglängdsband, men det är inte så att man kan skilja dem åt med en gaskamera, eftersom absorptionsbanden ligger väldigt nära varandra eller överlappar. Gaskameran är inte till för att identifiera en gas utan för att hitta läckställen. Man är tvungen att veta vilken gas man letar efter. Det är viktigt att man förstår att svartkroppsstrålare också emitterar i dessa band, så att man inte förväxlar de båda fenomenen.

FLIR har ett flertal kameror med olika filter för banden i diagrammet ovan. Var kamera har en lång lista på gaser den kan detektera, ibland uppåt 10-20 stycken, som alltså absorberar i ungefär samma våglängdsband. Namnen i diagrammet är bara exempel. Köldmedier hamnar för sig och kolväten hamnar för sig.

Gaskameran GFx320 kan till exempel visa fler än 400 olika gaser (exemeplvis bensen, butan, etan, etanol, etylbensen, etylen, heptan, hexan, isopren, metan, metanol, oktan, pentan, propan, propylen, toluen och xylen) i bandet 3,2–3,4 μm, men det går inte att skilja dem åt.

Oseriösa reportage kring gaskameror har förekommit i media på det senaste. Om man inte förstår hur gaskameran fungerar kan man inte heller tolka bilderna rätt. Skribenten i följande artikel är närmast förhäxad av värmebilderna och tror att allt han ser är koldioxid medan det i själva verket är varma gaser från flygplansmotorer, stearinljus och bussar, eller helt enkelt kroppsvärme från människor. En masugn som brakar på med 100 megawatt är betydligt lyskraftigare i infrarött än lite koldioxid, även inom koldioxidens smala passband.

Ett tydligt bevis för det är hur värmen från lucians ljus förklaras som en koldioxidfara, fast det ljusa på bilden är lågornas värmestrålning. Det ser man tydligt på hur värmen reflekteras i stjärngossens stjärna och luciatågets kläder, till exempel.

Ska man vara sanningsenlig, framställs stearin ur djur- och växtfetter och växterna är redan koldioxidneutrala och djuren äter dessa koldioxidneutrala växer och är alltså också koldioxidneutrala.

Läs med en nypa salt: https://www.expressen.se/nyheter/qs/klimat/reportage/kameran-avslojar-dolda-hotet-mot-manskligheten/

FLIR Infrared Training Center (ITC) har kurser i termografering i flera nivåer och det kan vara lämpligt för Expressens och andra journalister att lära sig hur de använder kameran innan de skriver skrämselartiklar som de inte själva förstår.

Kurser: http://www.irtraining.eu/en/courses/course-details.html

Avslutning

Vad är på gång? Det vill FLIR inte gå in på riktigt, men den allmänna inriktningen för utvecklingsavdelningen är bättre, snabbare, snyggare och billigare kameror.

FLIR är ett oerhört intressant teknikföretag, kanske först och främst för att dess rötter är svenska och härstammar från Gustaf Dahléns AGA på Lidingö. Runt om i FLIRs byggnad i Täby står väldigt många intressanta teknikprylar som visar att allt kul inte kommer från Kalifornien. AGA försåg världen med fyrar, trafikljus och flygfyrar och var pionjärer inom infraröd flygbesiktning av kraftledningar, eftersom Sverige är ett långt land, med tillhörande långa kraftledningar. Sedan följde medicinska tillämpningar, gaskameror och nu de små personliga mobilvärmekamerorna.

Läs mer

FLIR Systems – gotta dig på webben! http://www.flir.se/home/

Läs FLIR-historiken: http://www.flir.se/about/display/?id=55679

Läs AGA-historiken: http://www.aga-museum.nl/page/thermovision

Viktigt dokument om termografi för bygg- och energibranschen: http://www.flirmedia.com/MMC/THG/Brochures/T820325/T820325_SE.pdf

Viktigt dokument om emissivitet och vad du gör åt den: http://www.flirmedia.com/MMC/THG/Brochures/RND_044/RND_044_SV.pdf

Tabell över emissiviteter: http://support.flir.com/DocDownload/Assets/web/hu4b/sv-SE/index.html#styler-id1.3.38.1

Alkor har allt inom IR-optik: http://www.alkor.net/index.html

IRnova är en svensk tillverkare av IR-sensorer: http://www.ir-nova.se/

Oändligt läckra infraröd-filmer: https://app.nimia.com/search/?q=flir&page=1&limit=60

Om infraröd strålning, historik etc: https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared

Om termografi: https://en.wikipedia.org/wiki/Thermography

Om svartkroppsstrålning: https://sv.wikipedia.org/wiki/Svartkropp

James Webb Space Telescope: https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope

Om zoomobjektiv: https://www.idg.se/2.1085/1.524049/zoomobjektivet-objektivt-sett

Om tidiga nattkameror: https://en.wikipedia.org/wiki/Night_vision_device

Tack till

Författaren vill säga tack till FLIRs pressavdelning, utbildare, processtekniker med flera, som hjälpte till att göra det här reportaget till vad det blev. De allra flesta bilder i detta reportage är ©FLIR, utom de som författaren tagit själv, vid sitt besök. Författaren har också ritat alla spektra och systemskisser. Några av bilderna kommer dessutom från Wikipedia och är public domain. Wikipedia är en utmärkt källa till teknisk information.

Märken på artiklar:

Kommentarer

Lämna en kommentar

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *