Jak wybrać dobrą kamerę termowizyjną do pomiaru temperatury ciała.

Dziś opowiem:

•  Jak działa sprzęt termowizyjny

• Które parametry są kluczowe

• Jakie normy należy stosować w przesiewowym badaniu osób

Przesiewowa kontrola temperatury „na ” czy „w„

Na początek należy rozróżnić temperaturę na powierzchni ciała od temperatury wewnątrz ciała.

W poprzednim wpisie pokazałem jak prosta kamera termowizyjna może być pomocna przy mierzeniu temperatury dzieciom w domu. Tym razem szczegółowo chciałbym się zająć tematem masowego wykrywania gorączki.

Wewnętrzna temperatura człowieka jest w zasadzie dobrze znana. Wiele badań klinicznych zostało już przeprowadzonych. Poczynając od pionierskich badań Dr Carl’a Wunderlich’a, który w roku 1868 przeprowadził badania nad ustaleniem jak temperatura ciała wiąże się ze stanem zdrowia pacjentów, a skończywszy na polskich badaniach Wojskowego Instytutu Medycyny z użyciem kamer termowizyjnych zespołu Ring, Jung, Kalicki et. all w 2015 roku, który dowiódł, że standardy ISO/TR 13154:2009 ISO/TR 80600 doskonale się sprawdzają.

Temperatura wewnętrzna człowieka wynosi 36,6^oC, jest to fakt znany każdemu z nas.

Wg. badań Stanford Health Care:

dla 65% badanych temperatura wynosiła 36,6 +/-0,3 ^oC 

a dla aż 85% badanych 36,6 +/-0,5 ^oC 

Aby uzyskać pomiar z dokładnością +/-0,3^oC musimy dysponować sprzętem pomiarowym o dokładności pomiaru 1% wartości zmierzonej.

Tak wysoka dokładność pomiarowa wymaga specjalnej stabilizacji termicznej kamery oraz dokładnego procesu kalibracji.

Stabilizacja termiczna kamery oraz kompensacja źródeł promieniowania zakłócających poprawny pomiar temperatury radiacyjnej jest skomplikowanym procesem. Dostępna jest tylko w kamerach z najwyższej półki.

Opcjonalnie stosuje się zewnętrzny referencyjny wzorzec promieniowania tzw. Black Body. Jednak w tym przypadku krytyczne jest, aby dryft termiczny wzorca nie przekraczał +/- 0,1^oC. Zmiana temperatury promiennika wzorcowego bezpośrednio wpływa na wynik pomiaru kamery z nim stowarzyszonej. Obniżenie temperatury Black Body powoduje natychmiastowy wzrost odczytu kamery termowizyjnej. Podobnie w drugą stronę. Jeżeli wzorzec będzie poza polem ostrości kamery, jego odczytana temperatura promienna będzie niższa, co spowoduje zawyżenie odczytów temperatury badanych osób.

Mając system termowizyjny z zewnętrznym wzorcem konieczna jest okresowa kalibracja zarówno kamery jak i wzorca.

Na dokładność pomiaru temperatury zarówno kamerą termowizyjną, jak i pirometrem, ma wpływ wiele czynników. Wiele osób wie, że parametr emisyjności jest ważny, jednakże w celu uzyskania dokładnego pomiaru, menu profesjonalnych kamer termograficznych posiada aż 7 parametrów kompensacyjnych.

Przy pomiarze kamerą termowizyjną najważniejsze są dwa parametry: temperatura odbita i emisyjność.

Emisyjność jest parametrem, który mówi o tym, jak dobrze dana powierzchnia emituje promieniowanie w podczerwieni w odniesieniu do ciała doskonale czarnego, przy tej samej długości fali. Niektóre materiały mają wysoką emisyjność np. PCV, guma, a także ludzka skóra. Dla suchej skóry emisyjność monochromatyczna przy długości fali 8-14µm wynosi 0,98. Jeżeli na powierzchni skóry pojawi się tłuszcz i inne zabrudzenia emisyjność może spaść do 0,96.
Dla niskich wartości emisyjności czyli poniżej 0,5 właściwy odczyt temperatury powierzchni będzie determinowany przez odpowiednio wyznaczoną temperaturę odbitą. Niestety temperatura odbita zmienia się wraz z kątem obserwacji, więc nie można jej zmierzyć przy użyciu np. dokładnego termometru. Procedura wyznaczania temperatury odbitej szczegółowo jest ćwiczona na prowadzonych przeze mnie kursach.

Biorąc pod uwagę powyższe, pomiar temperatury ciała człowieka nie jest trudny, z uwagi na znakomitą emisyjność badanej powierzchni (skóra). Współczynnik emisyjności monochromatycznej skóry człowieka wynosi 0,98, co oznacza, że współczynnik odbicia wynosi 0,02 czyli kamera termograficzna weźmie do wyliczenia właściwej temperatury parametr: „temperatura odbita z wagą 0,02”. Zakładając, że odległość od badanej osoby będzie rzędu 1-2 m, a wilgotność względna powietrza będzie w granicach 40-50%, to również tłumienie atmosferyczne będzie znikome. Co za tym idzie, pomiar będzie wykonany z dużą precyzją w granicach dokładności jakie daje nam posiadana kamera termograficzna.

Aby system pomiaru radiacyjnego mógł właściwie zmierzyć promieniowanie emitowane z powierzchni skóry, musi być zapewniona odpowiednia rozdzielczość detektora i obiektyw o właściwym kącie widzenia. Parametrem określającym optyczną zdolność rozróżniania szczegółów jest IFOV oraz MFOV.

Jest takie powiedzenie: jak nie możesz tego zobaczyć to nie możesz tego zmierzyć.

I tu wielu dostawców wymyśla różne chwyty, aby nie podawać prawdziwej rozdzielczości przestrzennej kamery termowizyjnej czy pirometru zastosowanych w bramkach termowizyjnych, a przecież jest to podstawa dobrej jakości pomiaru. Co więcej, na wielu prezentacjach czy broszurach można znaleźć parametr „zakres działania” lub „zakres detekcji”. Najczęściej mieszczą się one w przedziale 4-10m! Co jest wierutną bzdurą. Dlaczego? Otóż, jeżeli obiektyw termowizyjny stałoogniskowy i kamera mają stałą aperturę zazwyczaj 1,1-1,3, oznacza to, że głębia ostrości wynosi ok 2m, więc nie jest możliwe, aby pomiar był tak samo dokładny z odległości 4 jak i z 10 metrów. Kolejna sprawa to wielkość projekcji piksela na powierzchnię twarzy, czyli rozdzielczość przestrzenna termogramu – IFOV.

Zgodnie z ISO 13154 temperatura ciała powinna być mierzona w kącikach oczu.

Zaleca się, aby na powierzchni kącika oka znajdowało się 9-16 pikseli (Ring, Jung, Kalicki et.all 2015). Jest to najczęściej powierzchnia jaką zakreśla narzędzie punktu pomiarowego w wielu kamerach termowizyjnych. Wynika to z faktu, że nie wszystkie piksele w matrycy są sprawne, a w razie gdy piksel jest uszkodzony to w czasie startu kamery, firmware zastępuje jego odczyt średnią z otaczający go pikseli. Zatem jeden piksel to za mało, aby zmierzyć temperaturę. Dlatego dobrą praktyką jest przyjmowanie odległości pomiarowej tak, aby na badaną powierzchnię przypadało 9 pikseli. Jest to tak zwane mierzalne chwilowe pole widzenia MFOV =3* IFOV.

Bezpłatny kalkulator

W celu wyliczenia odległości na jakiej powinna być umieszczona kamera termowizyjna, aby zachować odpowiednią do prawidłowego pomiaru rozdzielczość przestrzenną, przygotowałem prosty kalkulator IFOV.

W arkuszu należy wpisać: ogniskową obiektywu termograficznego, odległość z jakiej wykonywany będzie pomiar oraz wielkość piksela (pitch). O ile dwa pierwsze parametry są łatwe do ustalenia, tak wymiar piksela (pitch) nie zawsze jest podawany w broszurach kamer termograficznych. W momencie pisania tego artykułu (grudzień 2020). Kamery dostępne na rynku posiadają piksele 17 lub 12 mikrometrów, niektóre starsze modele detektorów mogą mieć piksel 20 mikrometrów.

Bramki wejściowe

Podałem wiele technicznych aspektów które determinują dobór kamery termograficznej. Jest jeszcze jeden ważny aspekt przy tworzeniu systemów zdalnej detekcji gorączki. Mam tu na myśli miejsce, w którym będzie wykonany pomiar oraz temperatura otoczenia. Zazwyczaj pierwsza myśl jaka przychodzi osobom zajmującym się zabezpieczeniem obiektu to umieszczenie kamery wykrywającej osoby o podwyższonej temperaturze ciała tuż na wejściu do budynku, czy też przy bramie wejściowej. W sumie wydaje się to logiczne. Jednak z punktu widzenia prawidłowego pomiaru radiacyjnego stanowi to największy problem, ponieważ w chłodne dni osoby wchodzące do budynku będą wychłodzone a co za tym idzie, ich skóra na twarzy będzie wskazywać niższą wartość. Dlatego istotną częścią procedury poprawnego skanowania osób przechodzących przez bramkę pomiarową jest, aby od momentu wejścia z zewnątrz do chwili pomiaru temperatury ciała upłynęło kilkanaście minut. W tym czasie system krwionośny zdąży przywrócić „normalną” temperaturę danej osoby, a wychłodzone lub przegrzane powierzchnie „wrócą do normy”. Wymagany czas relaksu został nawet wpisany do zaleceń amerykańskiej agencji FDA 2020

W czasie konferencji Securitech & Defense 2020 przedstawiłem koncepcję doboru oraz przygotowania systemu detekcji osób z podwyższoną temperaturą. Procedurę przygotowania osób i skanowania przedstawiłem na poniższej grafice.

Jeżeli chcesz zapisać tę procedurę tu możesz pobrać wersję lepszej jakości możesz ją sobie wydrukować lub przekazać osobie odpowiedzialnej za wdrożenie systemu nadzoru temperatury w Twojej firmie.

Nagranie wystąpienia na konferencji możesz obejrzeć poniżej

Podsumowanie

Dość długi wpis mi się z tego zrobił, z czego nie jestem dumny, bo sam raczej skanuję teksty a skupiam się na interesujących mnie fragmentach. Natomiast w tym przypadku uważam, że każdy kto zajmuje się bezpieczeństwem, zarządza firmą lub planuje zakupić system detekcji gorączki, powinien mieć wyżej wymienioną wiedzę aby podjąć świadomą decyzję. Zastosowanie kamer termowizyjnych czy pirometrów nie ustrzeże nas przed covid19 ale wg. moich obserwacji pozytywnie wpływają na poczucie bezpieczeństwa osób.

• Osoby z podwyższoną temperaturą skóry (EST) mogą mieć podwyższoną temperaturę ciała (EBT).
• Niektóre osoby z wysoką temperaturą skóry mogą mieć gorączkę.
• Cześć osób z gorączką może mieć koronawirusa.

A Ty co sądzisz o bramkach termowizyjnych i mierzeniu temperatury przy wejściu? Zostaw proszę swój komentarz poniżej.