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온도 측정이 가능한 열화상 카메라, 어떻게 작동할까요?
오늘은 FLIR 제품 설명에서 자주 등장하는 Radiometric(라디오메트릭) 개념과 함께
열화상 카메라가 어떻게 온도를 측정하는지 그 원리를 간단히 소개해 드리려고 합니다.
복사열을 수치화해 온도로 바꾸는 기술, 방사율 개념, 그리고 흑체 이론까지
기초 원리부터 카메라에서 출력되는 데이터 형태까지 알기 쉽게 정리해보았습니다.
지금 바로 확인해보세요! 🔥
FLIR 온도 계측용 제품에서 자주 등장하는 단어가 라디오메트릭(Radiometric)이 있습니다.
단어에서 유추를 하실 수 있겠지만 복사열(Radiation)을 수치화(Metric)을 해주는 기능으로
온도 계측용(Temperature Measurement) 제품에 들어가 있는 기능 입니다.
따라서 온도 측정이 가능한 제품은 온도 측정 영역, 측정 정확도가 수치화 되어 있습니다.
열복사의 원리
카메라에서 측정이 되는 복사 에너지는
1) 물체가 고유하게 방출하는 에너지, 2) 물체가 반사하는 에너지, 3) 물체를 투과해서 들어오는 에너지
수식적으로 표현을 하면, 1 = α(흡수량) + ρ(반사량) + τ(투과량) 입니다.
키르히호프의 법칙에 따라 α(흡수량) = ε(방사량)
흡수량=방사량인 이유는 에너지 보존 법칙에 의해서 에너지가 늘어나거나 줄어들 수 없기 때문 입니다.
그리고 열화상 카메라에서 표면 온도 측정을 목적으로 하기 때문에
일반적으로 투과되는 물체의 온도를 측정을 할 수 없습니다.(기체/화염 등)
따라서 정리하면 1 = ε(방사율) + ρ(반사율)의 관계를 갖습니다.
흑체의 온도 특성
흑체(Black Body)란 완전 흡수체의 이상적인 물질로 &rho=0 인 물체 입니다.
아래는 플랑크 법칙의 흑체 복사 스펙트럼 입니다. 자세한 내용은 아래 링크를 참고하세요.
보이기 사이드바로 이동 숨기기 위키백과, 우리 모두의 백과사전. 흑체 복사 스팩트럼 플랑크 법칙 ( 독일어 : Plancksches Strahlungsgesetz )은 물리학 에서 온도 의 흑체 로부터 나오는 모든 파장 의 복사 를 설명한다. 플랑크 법칙을 주파수 의 함수로 나타내면, [ 1 ] 이 함수는 표면의 단위면적당 단위 입체각당 단위 주파수당 방출되는 파워(단위 시간당 에너지)를 나타낸다. 종종, 플랑크 법칙은 모든 입체각에 대해 적분하여 방출되는 파워에 대해 로 표현된다. 또는, 단위 부피에 대한 에너지에 대해, 로 표현...
ko.wikipedia.org
플랭크의 법칙(Planck's Law)
수식을 통해서 얻을 수 있는 내용은 복사 곡선은 일정한 파장에서 뚜렷한 최대값을 갖는다는 것 입니다.
최대값은 빈의 변위법칙(Wien's displacement law)로 계산할 수 있습니다.
λmax(최대 복사 강도 파장) = 2898/T(흑체 온도 K)
예) 섭씨 1000도 --> 1273K를 계산해보면 2898/1273 = 2.27um의 파장에서 최고값을 갖음
위의 차트에서 대해서 추가적으로 설명을 드리면 300도의 온도는 3um 이하에서
에너지를 방출 할 수 없기 때문에 SWIR(~1.9um)의 카메라로 300도 이하의 온도 측정이 불가능함
LWIR(8~14um)의 카메라는 모든 대역의 온도를 다 커버하기 때문에
측정은 가능하지만 최대점 파장 대비해서 정확도가 떨어질 수 있음
슈테판-볼츠만의 법칙(Stefan-Bolzmann Law)
위의 내용은 최종적으로 슈테판-볼츠만의 법칙을 설명하기 위한 내용 입니다.
W(흑체 표면의 단위 면적당 복사하는 에너지) = σ(슈테판-볼츠만 상수) * T(온도)^4 (W/m^2)
슈테판-볼츠만 상수
해당 수식은 흑체에 대해서 적용이 가능하며 간단하게 아래와 같이 정리 됩니다.
총방출능(emissive power)은 같은 온도의 흑체의 방출능에 비하면 해당 물체의 방사율에 비례하여 감소 됩니다.
따라서 흑체 교정로에 온도에 따른 복사강도 커브를 얻으면 방사율에 따른 온도로 치환할 수 있습니다.
열화상 카메라에서는 제조사에 따라서 아래의 값들을 얻을 수 있습니다.
항목
의미
단위
온도와 관계
비고
Count
센서 ADC 디지털 값
없음 (ADC 수치)
비선형, 직접적 아님
하드웨어 종속적
Raw
보정이 거의 없는 초기 센서 값
없음 (ADC 수치)
간접적 (추가 연산 필요)
내부 온도 보정, Offset 등 처리
Radiation
물체가 방출하는 적외선 복사 에너지량
W/m²/sr/μm
물리 법칙에 의해 연결
플랑크 법칙 적용 필요
NUC Map, Planck
Temperature
온도로 변환된 값
K/C/F
직접적
방사율 데이터 반영
Count는 센서에서 입력된 Level 값으로 카메라의 해상도에 따라서 14bit, 16bit 등의 값을 같습니다.
Raw는 Count와 거의 유사하지만 카메라 내부의 온도 보정이나 센서 레벨의 차이 등 약간의 보정이 들어간 데이터들 입니다.
Radiation은 각 픽셀간의 기울기나 오프셋의 기준을 맞춘 복사에너지로 환산한 데이터 입니다.
Temperature는 최종적으로 방사율, 환경 정보 등을 감안하여 온도로 변환한 데이터 입니다.
카메라 제조사 마다 출력되는 값들의 차이가 있을 수 있지만
일반적으로 FLIR사의 제품은 Count, Radiation, Temperature 값 출력이 가능 합니다.
상세한 내용이 있는 플리어 R&D 핸드북을 공유해 드립니다.