27  Tietoja kalibroinnista

Lämpötilan mittaaminen edellyttää lämpökameran kalibrointia. Kalibrointi määrittää tulosignaalin ja mitattavan fysikaalisen suureen välisen suhteen. Termi kalibrointi ymmärretään usein väärin laajasta ja toistuvasta käytöstään huolimatta, ja paikalliset ja maiden väliset merkityserot sekä kääntämiseen liittyvät ongelmat aiheuttavat lisää hämmennystä.

Epäselvä terminologia voi vaikeuttaa kommunikointia ja käännösvirheitä, mistä seuraa väärinkäsitysten aiheuttamia virheellisiä mittaustuloksia ja pahimmassa tapauksessa oikeusjuttuja.

Kansainvälinen paino- ja mittatoimisto Bureau international des poids et measures 7 määrittää kalibroinnin 8 seuraavasti:

an operation that, under specified conditions, in a first step, establishes a relation between the quantity values with measurement uncertainties provided by measurement standards and corresponding indications with associated measurement uncertainties and, in a second step, uses this information to establish a relation for obtaining a measurement result from an indication.

Kalibrointi voidaan ilmaista eri muodoissa: laskelmana, funktiona, diagrammina 9 , käyränä 10 tai taulukkona.

Kalibroinnista puhuttaessa viitataan usein vain edellä kuvatun määritelmän ensimmäiseen vaiheeseen. Tämä ei kuitenkaan aina riitä.

Kun tarkastellaan lämpökameran kalibrointia, ensimmäinen vaihe määrittää lähetetyn säteilyn (määrän arvon) ja sähköisen lähtösignaalin (lukema) välisen suhteen. Kalibroinnin ensimmäinen vaihe koostuu homogeenisen (tai yhtenäisen) vasteen saamisesta, kun kamera asetetaan laajennetun säteilylähteen eteen.

Kun säteilyä lähettävän referenssilähteen lämpötila tunnetaan, saatu lähtösignaali (lukema) voidaan toisessa vaiheessa suhteuttaa referenssilähteen lämpötilaan (mittaustulos). Toiseen vaiheeseen sisältyvät poikkeaman mittaus ja kompensointi.

Tarkasti ottaen lämpökameran kalibrointia ei ilmaista lämpötilan kautta. Lämpökamerat ovat herkkiä infrapunasäteilylle, joten ensin saadaan säteilyvastaavuus ja sitten säteilyn ja lämpötilan välinen suhde. Bolometrikameroille, joita käyttävät muut kuin tuotekehitystä tekevät asiakkaat, ei ilmaista säteilyä vaan pelkästään lämpötila.

Ilman kalibrointia lämpökamera ei pystyisi mittaamaan säteilyä tai lämpötilaa. FLIR Systems suorittaa mittausominaisuudella varustettujen jäähdyttämättömien mikrobolometrikameroiden kalibroinnin sekä tuotannon että huollon aikana. Fotoni-ilmaisimilla varustettujen jäähdytettyjen kameroiden kalibroinnin tekevät usein käyttäjät erikoisohjelmiston avulla. Tällaisilla ohjelmistoilla käyttäjät voisivat teoriassa kalibroida myös tavalliset kädessä pidettävät jäähdyttämättömät lämpökamerat. Useimmilla käyttäjillä ei kuitenkaan ole kyseistä sovellusta, sillä se ei sovellu raportointitarkoituksiin. Vain kuvaamiseen käytettävät muut kuin mittalaitteet eivät vaadi lämpötilakalibrointia. Toisinaan tämä näkyy myös alan terminologiassa, kun infrapunakameroita verrataan lämpökameroihin, joilla tarkoitetaan nimenomaan mittauslaitteita.

Riippumatta siitä, onko kalibroinnin tehnyt FLIR Systems vai käyttäjä, kalibrointitiedot tallentuvat kalibrointikäyrinä, jotka ilmaistaan matemaattisilla funktioilla. Kun säteilyn voimakkuus muuttuu sekä lämpötilan että kohteen ja kameran välisen etäisyyden mukaan, eri lämpötila-alueille ja vaihdettaville linsseille luodaan erilaisia käyriä.

FLIR Systemsin käyttämät vertailulähteet ovat itsessään kalibroituja ja jäljitettävissä olevia. Tämä tarkoittaa sitä, että jokaisen kalibrointeja suorittavan FLIR Systemsin toimipaikan lähteitä valvoo riippumaton kansallinen viranomainen. Kameran kalibrointitodistus vahvistaa tämän. Se on todiste siitä, että kalibroinnin on suorittanut FLIR Systems ja että kalibroinnissa on käytetty kalibroituja vertailukohteita. Joillakin käyttäjillä on pääsy akkreditoituihin vertailukohteisiin, mutta tällaisia käyttäjiä on hyvin vähän.

Toinen menetelmien välinen ero on tekninen. Käyttäjän tekemässä kalibroinnissa poikkeama on usein (joskaan ei aina) kompensoimaton. Tällöin tuloksessa ei oteta huomioon kameran sisäisen lämpötilanvaihtelun aiheuttamaa mahdollista muutosta kameran antamissa arvoissa. Tämä kasvattaa tulosten epävarmuutta. Poikkeaman kompensointiin käytetään hallituissa ilmasto-olosuhteissa saatuja tietoja. Kaikkien FLIR Systems -kameroiden poikkeama kompensoidaan ennen asiakkaalle toimittamista ja FLIR Systems -huolto-osastojen suorittaman uudelleenkalibroinnin yhteydessä.

Yleinen väärinkäsitys on sekoittaa kalibrointi todennukseen tai säätöön. Kalibrointia vaaditaankin todennuksessa, jonka avulla vahvistetaan, että määritetyt vaatimukset täyttyvät. Todennus antaa objektiivista todistusaineistoa siitä, että kohde täyttää tarvittavat vaatimukset. Todennusta varten mitataan kalibroitujen ja jäljitettävien referenssilähteiden määritetyt lämpötilat (lähetetty säteily). Mittaustulokset ja poikkeama kirjataan taulukkoon. Todennustodistus osoittaa, että mittaustulokset ovat määritettyjen vaatimusten mukaisia. Toisinaan yritykset tai organisaatiot tarjoavat ja markkinoivat tällaisia todennustodistuksia kalibrointitodistuksina.

Aito todennus – ja täten myös kalibrointi ja/tai uudelleenkalibrointi – voidaan saada aikaan vain, jos noudatetaan validoitua protokollaa. Prosessi vaatii enemmän kuin kameran asettamisen mustien kappaleiden eteen ja kameran tuottamien arvojen (esimerkiksi lämpötilan) ja alkuperäisen kalibrointitaulukon vastaavuuden tarkistamisen. On helppo unohtaa, että kamera ei tunnista lämpötilaa vaan säteilyn. Lisäksi kamera on kuvausjärjestelmä eikä yksittäinen anturi. Tämän seurauksena huono tai väärin kohdistettu optinen asetus, jonka kautta kamera ”kerää” säteilyä, mitätöi todennuksen (tai kalibroinnin/uudelleenkalibroinnin) arvon.

Todennusta tehtäessä on esimerkiksi varmistettava, että mustan kappaleen ja kameran välinen etäisyys ja mustan kappaleen aukon halkaisija vähentävät hajasäteilyä ja lähteen koon vaikutusta.

Yhteenvetona voidaan todeta, että validoidun protokollan on otettava huomioon myös säteilyä eikä vain lämpötilaa koskevat fysiikan lait.

Kalibrointia tarvitaan myös säädössä eli mittausjärjestelmälle tehtävissä toimenpiteissä, joiden avulla järjestelmä antaa määritettyjä arvoja vastaavat lukemat. Arvot saadaan yleensä mittausstandardeista. Yksinkertaistettuna säätö on laitteiden manipulointia tavalla, joka takaa määritysten mukaiset mittaustulokset. Arkikielessä termiä kalibrointi käytetään usein silloin, kun kyse on todellisuudessa mittauslaitteiden säätämisestä.

Kun lämpökameran näytössä lukee Calibrating… (Kalibroidaan), se säätää poikkeamaa kunkin yksittäisen ilmaisinelementin (pikselin) mukaisesti. Lämpökuvauksessa tätä kutsutaan kuvan tasapainotukseksi (NUC). Kyseessä on poikkeaman päivitys, ja vahvistus pysyy muuttumattomana.

Eurooppalainen standardi EN 16714-3, Non-destructive Testing—Thermographic Testing—Part 3: Terms and Definitions määrittelee kuvan tasapainotuksen (non-uniformity correction, NUC) seuraavasti: NUC on kameran ohjelmiston suorittama kuvan tasapainotus, joka kompensoi ilmaisinosien ja muiden optisten ja geometristen häiriöiden erilaisia herkkyyksiä.

Kuvan tasapainotuksen (poikkeaman päivityksen) aikana, sisäinen suljin asetetaan optiselle polulle, ja kaikki ilmaisinelementit altistuvat samalle sulkimesta lähtöisin olevalle säteilymäärälle. Tällöin kaikkien elementtien pitäisi ihanteellisissa oloissa antaa sama lähtösignaali. Kullakin elementillä on kuitenkin oma vaste, joten tulokset eivät ole yhtäpitäviä. Poikkeama ihanteellisesta tuloksesta lasketaan ja sitä käytetään kuvan matemaattiseen korjaamiseen, jolla käytännössä korjataan näytettyä säteilysignaalia. Joissakin kameroissa ei ole sisäistä suljinta. Tässä tapauksessa poikkeama on päivitettävä manuaalisesti erityisellä ohjelmistolla ja ulkoisella, yhtenäisellä säteilylähteellä.

Kuvan tasapainotus tehdään esimerkiksi käynnistyksen yhteydessä, mittausalueen vaihtuessa tai kun ympäristön lämpötila muuttuu. Joissakin kameroissa käyttäjä voi käynnistää tasapainotuksen myös manuaalisesti. Tästä toiminnosta on hyötyä, jos on tehtävä kriittinen mittaus mahdollisimman vähäisillä kuvan häiriöillä.

Jotkut käyttävät termiä kuvan kalibrointi viitatessaan kuvan lämpökontrastin ja kirkkauden säätämiseen, jolla korostetaan tiettyjä yksityiskohtia. Tämän toimenpiteen aikana lämpötila-alue asetetaan siten, että kaikilla saatavilla olevilla väreillä kuvataan pelkästään (tai pääasiassa) halutun alueen lämpötiloja. Oikea termi tälle manipuloinnille on lämpökuvan säätäminen, lämpösäätäminen tai joissakin kielissä käytettävä lämpökuvan optimointi. Tämä voidaan tehdä vain manuaalitilassa, sillä muuten kamera asettaa näytettävän lämpötila-alueen ala- ja ylärajat automaattisesti kohteen pienimmän ja suurimman lämpötilan mukaisesti.