einfache Thermo Kamera
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Thermokameras
die im Bereich um 10µm Wellenlänge empfindlich sind waren und sind
heute noch zum Teil sehr teure Geräte. Früher arbeiten diese Geräte
meist mit mechanischen Bildzerlegern wie Nipkow-Scheiben oder rotierenden Spiegelsystemen
und Einzeldetektoren. Die Detektoren meist aus HgCdTe mussten auch noch tiefgekühlt
werden. Auch spezielle Vidikons (>Pyroelektrische
Vidicons<) kamen zum Einsatz, insgesamt teure und aufwendige Techniken.
Heute werden meist Sensoren mit Arrays mit Mikrobolometern eingesetzt. Diese
können direkt das Bild ohne Scanning Anordnungen aufnehmen und müssen
auch nicht gekühlt werden. Zudem erlaubt die moderne Halbleitertechnologie
die relativ günstige Fertigung. So kosten heutzutage gute Kameras mit genannten
Mikrobolometern nur um die 2000€, etwa ein Zehntel des früheren Preises.
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Auch
für den Bastler gibt es erschwingbare Bauteile. So bekommt man einen Bildsensor
>MLX90640< mit 32x24 Pixel und fest eingebauter Germaniumlinse für
unter 100€. Als Betriebspannung sind 3,3V zulässig. Rechts ist eine
Breakout-Platine mit dem Sensor zu sehen. Da die Bilddaten mittels I2C
ausgelesen werden können eignen sich der Sensor gut für ein Projekt
mit einem Arduino. Von Adafruit ist auch eine passende Library (Adafruit_MLX90640.h
) erhältlich. Die Ausgabe der Pixeldaten erfolgt als Temperaturwerte °C
im floating point Format. In wie weit die gemessenen Werte wirklich den Temperaturen
der abgebildeten Oberflächen entsprechen wäre zu prüfen. Es müßte
noch die Emissivität der Oberfläche berücksichtigt werden. Es haben
aber viele Materialien, außer Metallen, im entsprechenden Bereich um die
10µm Wellenlänge einen Wert der nahe eins liegt. Das Objektiv der Kamera
hat eine extrem kurze Brennweite sodass der erfasste Winkel 110° beträgt. | | |
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Neben
dem Sensor und dem Arduino wird natürlich noch ein Display benötigt.
Der Controller ist ein Teensy 4.1. Natürlich könnte auch ein deutlich
leistungsschwächerer Controller eingesetzt werden, da die Bildrate des MLX-Sensors
nur vier Hertz beträgt. Das TFT-Display wird über SPI angesteuert, die
Bildsensor über I2C sodass nur wenige IO-Pins gebraucht werden. Die Steuerung
der ganzen Schaltung erfolgt mit einer Infrarot-Fernsteuerung. Zusätzlich
wurde noch ein Buzzer eingebaute der bei Überschreitung eines Temperaturschwellwertes
Alarm gibt. | >>Schaltplan
im PDF-Format<< |
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Der
Controller übeträgt im wesentlichen die Daten des der Kamera in den
Speicher und nach einer Verarbeitung weiter ins Display. Im Speicher werden
die Daten von 32 x 24 Pixel auf 64 x 48 Pixel durch eine Mittelung expandiert.
Die der Minimal- und Maximalwert der Temperaturwerte werden bestimmt und angezeigt.
Mit der Fernbedienung können veschiedene Parameter geändert oder
Optionen ausgewählt werden. Die Zuordnung ist in der rechten Tabelle zu sehen.
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Codes der Fernbedienung | 1,2,3,4 | | Farbtabelle
1,2,3,4 | 0 | | Bild
auf SD-Karte speichern | 7,8 | | Alarm
einschalten, ausschalten | *, # | | Automode,
Manueller Mode | <, > | | obere
Grenze erniedrigen, erhöhen | ∧,∨ | | untere
Grenze erniedrigen, erhöhen | OK | | kurz
in Automodus > Werte anpassen | 9 | | Frameserie
abspeichern, max. 250 Frames |
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Die
Temperaturwerte dienen als Input für eine Farbtabelle deren Output die Farbe
der einzelnen Pixel bestimmt. Mit der Fernsteuerung können drei Farbtabellen
ausgewählt werden. Der Aussteuerbereich der Kann automatisch angepasst oder
manuell eingestellt werden und wird auch mit einem Graukeil angezeigt. Vier verschiedene
Farbtabellen können ausgewählt werden. |
Farbtabelle 1 | | Farbtabelle
2 | | Farbtabelle
3 | | Farbtabelle
4 | |
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| | In
einem Versuch wurde die Temperaturanzeige der Kamera überprüft. Dazu
wurde eine mattschwarz lackierte Blechdose mit heißem Wasser von etwa 70°C
gefüllt. Die Dose wurde vor die Kamera gestellt sodaß sie das Gesichtsfeld
voll ausfüllt und dann die Abkühlkurve gemessen. Die Temperatur des
Wassers wurde mit einem eingetauchten Fühler gemessen. Man sieht das die
mit der Kamera gemessenen Werte nicht so falsch sind, im Bereich von 25° bis
70° liegt die Abweichung bei ca. ± 1°C. Möglicherweise liegt
der Fehler an der nicht genau bekannten Emissivität der schwarzen Dose. Besser
zur Messung geeignet wäre ein wirklich schwarzer Strahler, z.B. ein Hohlraumstrahler. |
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