Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Thermographic Measurements of Hot Materials Using a Low- to High-speed RGB-camera: Prospect of RGB-cameras Within the Field of Thermographic Measurements
Luleå University of Technology, Department of Computer Science, Electrical and Space Engineering, Space Technology.
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Monitoring the thermal behavior of material while heated or cooled is of great importance in order to understand the structural behavior of materials. This thesis aims to investigate the prospects for imaging hot materials using an RGB-camera. The main motivation of using an RGB-camera is the very simple set-up and, in comparison to thermal IR-cameras, low price.

A method and code enabling thermographic measurements in the temperature range of 800°C up to 1500°C has been produced. Calibration of the RGB-camera was made, the accuracy was predicted to be poor within the temperature range of 1000°C up to about 1200°C. The poor accuracy of the calibration within this range has its source in the non-linear (and irregular) response of the CMOS sensor prohibiting a valid exposure time function to be accurately determined. The calibration is thus performed with different settings (i.e different exposure times and aperture settings) but without any correction for the setting change. The validation experiments were performed in (or very close to) the temperatures where the temperature error was predicted to be the largest. An under-estimation of approximately 30-50°C in the temperature range between 950°C and 1015°C could be seen corresponding to an absolute error of about 3-5% in this temperature range. The accuracy is however thought to increase with the temperature above a temperature of approximately 1250°C . It is possible to perform a temperature transform of target images with temperatures above 1500°C since the Look-up-table produced for the temperature transform extends to about 3000°C . However, the accuracy is unknown since no calibration or validation experiments within these ranges were performed.

The result of the calibration and experiments along with the theoretical assessment within the thesis gave background to the discussion of optimal imaging system for thermographic measurements. In order to receive more accurate temperature measurements, a CCD-sensor is to prefer since producing more uniform images with a more linear and predictable response. This would most likely enable the implementation of the camera setting influence. To receive better color accuracy but mainly to prevent channel overlap a system using three sensors instead of one (as for the current imaging system) is to prefer. This would result in larger freedom of channel choice and thus, the temperature transform can somewhat be customized for the specific measured temperature ranges. A brief discussion concerning the overall choice of camera was also brought up. Since the temperature range is large and the red, green and blue channels are sensitive to temperature changes the demands on the sensor dynamic range will be high in order to receive a linear response, or even a fully predictable response, across the whole temperature range. A suggested option to the RGB-camera, still offering the very simple set up, is a dual-wavelength camera in the near (or medium wavelength) infrared range.

Abstract [sv]

Kartläggning av materialförändringar vid uppvärmning eller nedkylning är av stor betydelse för förståelsen för ett materials strukturella beteende. Denna masteruppsatts syftar till att utforska utsikterna för termisk avbildning av varma material med en RGB-kamera. I detta inkluderas kalibrering av kamera, validerings experiment och teoretiska efterforskningar. Det huvudsakliga motivet för användning av en RGB-kamera är den enkla uppställningen (endast en kamera där de olika färg-lagren är alignerade) och det, i jämförelse med många IR-kameror, låga priset.

En metod och en kod som möjliggör termografiska mätningar (både video och stillbild) inom temperaturområdet 800°C till 1500°C har tagits fram där kalibrering av kameran är inkluderat. Efter utförd kalibrering förutspåddes att noggrannheten av mätningarna mest troligt skulle vara bristfälliga i området 1000°C upp till cirka 1200°C.  Denna bristfälliga noggrannheten har sin grund i den icke-linjära (och i vissa fall oregelbundna) sensorresponsen vilket, i huvudsak, försvårade bestämning av exponeringstidens signalinflytande. Med anledning av detta gjordes en kalibrering med fixa inställningar, det vill säga; fixa exponeringstider och bländarinställningar för mätningar inom specifika temperaturområden, men utan korrigering vid förändring av kamerainställningar. Valideringsexperimenten som utfördes var i (eller mycket nära) det temperaturområde där de största temperaturavvikelserna förutspåddes vara.  Utförd validering av metod för temperaturavbildning visade att mätningen med RGB-kameran underskattade temperaturerna med cirka 30-50°C i temperaturområdet mellan 975-1015° motsvarar ett absolut fel på cirka 3-5% inom detta temperaturområde. Det är dock troligt att noggrannheten av mätningarna ökar då temperaturerna av det avbildade objektet är större än 1250°C då man i kalibreringsprocessen kunde se mindre avvikelser i detta område.  Med producerad look-up table (skapad i kalibreringsprocessen) är det möjligt att utföra temperaturtransformationer för avbildningar av objekt som har temperaturer över 1500°C, dock med okända osäkerheter då varken kalibrerings- eller valideringsexperiment har utförts för så pass höga temperaturer. 

Resultatet av kalibreringen och experimenten, tillsammans med en teoretisk utredning av begränsningar och möjliga förbättringar vid termografiska mätningar, lade grunden till diskussion gällande optimalt bildsystem. Rekommendationer för att i framtiden utföra mer exakta termografiska mätningar med en RGB-kamera togs fram där en 3-CCD kamera föreslogs för att förbättra mätresultaten.  En CCD sensor är att föredra framför en CMOS sensor då de icke-verkliga pixel-avvikelserna inte är lika kritiska för en CCD-sensor som för en CMOS-sensor. CCD-sensorn är dessutom i många aspekter mer tillförlitlig vid vetenskapliga mätningar och har oftast mer linjär och förutsägbar respons vilket mest troligt skulle möjliggöra inkludering av exponeringstidens signalinflytande.  En kort diskussion gällande val av kanaler (våglängdsområden) som kan användas vid temperaturmätningar tas även upp i avhandlingen. Eftersom temperatur-mätområdet är stort och den röda, gröna och blå kanalen är känsliga för temperaturförändringar (liten förändring av temperatur ger stor förändring i uppmätt emission) så kommer kravet på det dynamiska omfånget av sensorn vara högt.  Ett alternativ till RGB-kameran, som fortfarande har en enkel uppställning, är en dubbel-sensor-kamera med ett dubbelt bandpass-filter i det när-infraröda (NIR) området. Detta kräver dock en utredning för hur sensorer i detta område påverkar den uppmätta signalen.

 

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 81
Keywords [en]
RGB-camera, thermographic measurements, calibration, temperature transform, thermal behavior, dual-wavelenght
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-74655OAI: oai:DiVA.org:ltu-74655DiVA, id: diva2:1326161
Educational program
Space Engineering, master's level
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-06-18 Created: 2019-06-17 Last updated: 2019-06-18Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(6266 kB)21 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 6266 kBChecksum SHA-512
2bfee48cf6ebdb7753c8e2c450d9d10a06d20653de801689eb2bfbb3325d6dbd00d47833861441ac486f732cf7a8809cb3ce5d933bcc5551c0e266a7a38ea829
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Berndtsson, Therese
By organisation
Space Technology
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 21 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 47 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf