적외선 온도계와 열화상 카메라 측정 원리

전기·설비

2022.03.22

열화상 카메라는 픽셀 하나가 적외선 온도계 하나의 역할을 합니다.

적외선 온도계와 열화상 카메라는 물체가 방사하는 적외선을 센서로 감지해 표면 온도를 측정하는 장비입니다. 이 글은 적외선의 정의와 두 장비의 측정 원리, 방사율과 D:S 개념, 자주 묻는 질문을 정리합니다.

적외선

적외선은 가시광선과 마이크로파 사이 영역입니다

스펙트럼에서 적외선 영역을 나타낸 그림.

적외선은 스펙트럼에서 적색 바깥쪽 영역, 곧 가시광선과 마이크로파 사이를 말합니다. 일반적으로 가시광선보다 파장이 길고, 전자레인지 같은 전자기기에 쓰이는 마이크로파보다 파장이 짧습니다.

지구의 모든 물질은 고유의 절대 온도(-273.15℃ 이상)를 가지며 고유의 적외선을 방사합니다. 그래서 적외선 센서로 대상의 온도를 측정할 수 있습니다.

장비

적외선 온도계와 열화상 카메라는 출력이 다릅니다

적외선 온도계: 물체가 방사하는 적외선을 센서로 감지해 대상의 표면 온도를 측정합니다.
열화상 카메라: 같은 방식으로 적외선을 감지해 대상의 표면 온도를 이미지로 나타냅니다.

측정 원리

방사율과 D:S를 알아야 원리를 이해합니다

방사율은 한 물체가 외부 광 에너지를 흡수한 뒤 일부를 재방사하거나, 표면 반사가 일어날 때 다시 복사하는 에너지의 비율입니다. 반사가 일어나지 않는 물체를 흑체(Black body)라 하고 방사율 값을 1로 규정합니다.

그래서 방사율은 1을 넘지 않으며, 물체의 표면 상태(광택, 거칠기, 산화 등)에 따라 0 ~ 1의 값을 갖습니다. 인간의 신체는 보통 0.95의 높은 방사율을 갖습니다.

D:S(Distance : Spot)는 거리(물체에서 센서까지) 대 스팟(스팟 크기)을 나타내는 용어로, 한 부위의 정확한 온도를 측정하기 위한 거리를 뜻합니다. 스팟 크기가 물체의 표면 면적보다 넓으면 정확한 온도를 측정할 수 없으므로, 올바른 온도값을 얻으려면 알맞은 거리에서 측정해야 합니다.

Fluke 열화상카메라 D:S 계산기로 거리별 스팟 크기를 확인할 수 있습니다.

적외선 온도계의 스팟 측정과 열화상 카메라의 화소별 측정을 비교한 그림.

화소

열화상 카메라는 픽셀마다 온도를 측정합니다

적외선 온도계 하나는 하나의 스팟 온도를 측정합니다. 열화상 카메라는 물체의 온도를 이미지로 만들기 때문에 픽셀 하나가 스팟 하나의 온도를 측정합니다.

예를 들어 120 × 90(10800) 픽셀 열화상 카메라는 적외선 온도계 10800개를 쓰는 것과 같습니다. 이 점이 물체의 정확한 온도와 문제점을 안전하고 빠르게 찾는 데 쓰입니다.

열화상 카메라로 찍은 열화상 이미지 예시.

질문

고객이 자주 묻는 질문 세 가지

열화상 카메라로 유리창 뒤에 있는 물체의 온도를 측정할 수 있느냐는 질문의 답은 측정되지 않는다는 것입니다. 일반 유리는 상온에서 물체 표면이 방사하는 적외선의 투과를 차단하고 가시광선만 통과시키기 때문에, 유리창 너머의 물체는 적외선 온도계나 열화상 카메라로 측정할 수 없습니다.

방사율을 모르는 물체의 대략적인 방사율은 인터넷 검색으로 알 수 있습니다. 정확한 방사율이 필요하면 접촉식 온도계가 필요하며, 다음 순서로 확인합니다.

방사율을 알고 싶은 대상의 온도를 접촉식 온도계로 측정합니다.
접촉식 온도계로 잰 온도값과 같아지도록 열화상 카메라의 방사율을 조정합니다.

이렇게 맞춘 방사율 값이 그 물체의 방사율입니다. 열화상 카메라의 교정은 보통 1년 주기로 하며, 방법은 다음과 같습니다.

방사율이 1인 흑체를 기준점으로 정한 온도까지 올리거나 내립니다.
교정 시설에서 쓰는 열화상 카메라와 교정 대상 열화상 카메라로, 기준점 온도에 맞춘 흑체의 온도를 각각 측정합니다.
두 기기의 온도차로 피교정체의 오차율을 알 수 있습니다.