einfache Thermo Kamera

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.

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.

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<<

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.

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

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


Während die warme Hand gut abgebildet wird verhindert die niedrige Auflösung eine detailierte Potraitaufnahme		Eine Person ist ganz gut zu erkennen. Besonders die nicht abgedeckten Körperpartien, Gesicht und Hände, strahlen viel Wärme ab.

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.