Тепловизоры как средства измерения инфракрасного излучения

Тепловизоры как средства измерения инфракрасного излучения
Содержание
Введение ....................................................................................................................... 3
1. Описание тепловизоров .......................................................................................... 4
2. Принцип действия тепловизоров........................................................................... 5
3. Принцип работы тепловизоров .............................................................................. 7
4. Технические характеристики тепловизора ......................................................... 11
Заключение ................................................................................................................ 13
Список используемой литературы .......................................................................... 14
2
Введение
Актуальность
темы.
Применение
тепловизора
-
быстро
расширяющаяся область с почти неограниченным потенциалом. Любой объект
излучает энергию, причем большая часть энергии приходится на невидимое
человеческому глазу инфракрасное излучение.
Тепловизор широко применяется в военной сфере. Для операций в
условиях плохой видимости или в ночное время суток.
Применение тепловизора в медецине для диагностики не только даёт
возможность определить, болен пациент или здоров, но и с высокой точностью
указать источник проблемы и поставить диагноз.
Тепловизоры применяют пожарные и спасательные службы для поиска
пострадавших, выявления очагов горения, анализа обстановки и поиска путей
эвакуации.
Широкое
применение
тепловизоры
нашли
в
химической
промышленности и металлургии.
Объект исследования - это сбор данных и анализ принципа работы
тепловизора как средства измерения инфракрасного излучения.
Предметом исследования служит изучение практических свойств
тепловизора.
Цель исследования: изучить и проанализировать действие тепловизоров
при измерении инфракрасного излучения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
- изучить описание тепловизоров;
- рассмотреть принцип действия тепловизоров;
- проанализировать принцип работы тепловизоров;
- исследовать технические характеристики тепловизоров.
Структура реферата: введение, четыре параграфа, заключение и
список используемой литературы.
3
1. Описание тепловизоров
Первым тепловизионным прибором, появившимся в конце 20-х годов,
был эвапорограф, принцип действия которого основан на визуализации
фазового рельефа масляной пленки, образующейся на поверхности мембраны
при проекции на противоположную сторону этой мембраны теплового
изображения1.
Эвапорогафы имели низкую пороговую чувствительность, большую
инерционностью и давали изображение с очень малым контрастом.
В 40-е годы наметились две тенденции в развитии тепловизионных
приборов. К первой группе приборов относятся тепловизоры, в которых для
преобразования оптического сигнала ИК-диапазона в электрический сигнал
используется принцип оптико-механического сканирования (ОМС), а ко второй
группе
приборов
тепловизорах
-
тепловизоры
первого
типа
с
электронным
используются
сканированием.+
одноэлементные
В
или
многоэлементные инфракрасные приемники излучения мгновенного действия,
а в тепловизорах второго типа в качестве приемников излучения используются
инфракрасные видиконы, пириконы, а сейчас уже и матричные приемники
излучения, так называемые фокальные матрицы, работающие в режиме
накопления зарядов и основанные на различных физических принципах.
Тепловизоры имеют как минимум один объектив. Объектив тепловизора
собирает инфракрасное излучение и фокусирует его на приемнике излучения.
Приемник излучения выдает сигнал и создает электронное (тепловое)
изображение или термограмму. Объектив тепловизора используется для того,
чтобы собрать и сфокусировать приходящее инфракрасное излучение на
приемнике излучения. объективы большинства длинноволновых тепловизоров
изготовлены из германия. Пропускание объективов улучшается за счет
тонкопленочных просветляющих покрытий.
Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т.5: Кн.1: Тепловой контроль.
/В.П. Вавилов. Москва, МАШИНОСТРОЕНИЕ, 2021, - с. 542.
1
4
Современные
специальных
тепловизоры,
матричных
как
датчиков
правило,
температуры
строятся
-
на
основе
болометров.
Они
представляют собой матрицу миниатюрных тонкопленочных терморезисторов.
Инфракрасное
излучение,
собранное
и
сфокусированное
на
матрице
объективом тепловизора, нагревает элемент матрицы в соответствии с
распределением температуры наблюдаемого объекта2.
2. Принцип действия тепловизоров
Принцип действия современных тепловизоров основан на способности
некоторых материалов фиксировать излучение в инфракрасном диапазоне.
Посредством оптического прибора, в состав которого входят линзы,
изготовленные
с
применением
редких
материалов,
прозрачных
для
инфракрасного излучения (таких как германий), тепловое излучение объектов
проецируется на матрицу датчиков, чувствительных к инфракрасному
излучению. Далее сложные микросхемы считывают информацию с этих
датчиков, и генерируют видеосигнал, где разной температуре наблюдаемого
объекта соответствует разный цвет изображения. Шкала соответствия цвета
точки на изображении к абсолютной температуре наблюдаемого объекта может
быть выведена поверх кадра. Также возможно указание температур наиболее
горячей и наиболее холодной точки на изображении.
Точность изображения и другие характеристики тепловизора обычно
определяются
сферой
его
использования.
используются
более
сложные
конструкции,
В
научных
имеющие
за
лабораториях
счет
узкой
специализации наименьший шаг измеряемой температуры. Для обеспечения
безопасности на различных объектах используются модели, фиксирующие
тепловое излучение с чуть меньшей точностью, однако работающие на более
широком диапазоне частот и с более чем достаточной для эффективного
выполнения своих функций точностью.
2
Ллойд Дж. Системы тепловидения./Пер. с англ. под ред. А.И. Горячева. - М.: Мир, 2020, - с. 416.
5
Существует
множество
схем
сканирующих
тепловизоров,
различающихся методами сканирования, обработки сигналов и представления
выходного изображения. Эти различия, во многом, обусловлены топологией
приемников, используемых в тех или иных приборах. В частности, в
тепловизорах с системами ОМС могут использоваться как одноэлементные, так
и многоэлементные приемники в виде линеек или матриц. Кроме этого, в
качестве видеоконтрольного устройства, помимо широко применяемых ТВмониторов,
используются
различного
рода
устройства
с
линейками
светодиодов и оптико-механическими системами развертки3.
Различают следующие методы сканирования пространства предметов и
развертки при формировании выходного изображения: последовательное,
параллельное
и
параллельно-последовательное.
При
последовательном
сканировании или развертке осуществляется изменение направления визирной
оси и преобразование сигнала поочередно вдоль каждой из строк изображения
с последующим переходом на каждую следующую строку. Такое сканирование
или развертка могут осуществляется при использовании одноэлементных
приемников, или приемников в виде линеек, элементы которых ориентированы
вдоль строки.
При параллельном сканировании или развертке площадки приемники,
выполненные в виде линейки, ориентированы перпендикулярно направлению
движения визирной оси. При параллельно-последовательном сканировании или
развертке используются приемники в виде линеек или матриц, а обзор поля
производится последовательно по зонам.
Тепловизорам требуется достаточно дорогое калибрование, при котором
каждому пикселю для различных температур микросхемы или чёрного
излучателя
требуется
присвоить
ряд
величин
чувствительности.
Для
повышения точности измерения матрицы в фокальной области болометра
Инфракрасная термография в энергетике. Технические средства приема инфракрасных излучений. Учебное
пособие: Афонин А.В., Таджибаев А.И., Сергеев С.С. - СПб: Изд. ПЭИПК, 2021. - 60 с.
3
6
термостатируются при определённых температурах с большой точностью
регулирования.
По причине термического смещения болометров и их обработки
сигналов на микросхеме всем выполняющим измерения инфракрасным
камерам требуется с интервалом в несколько минут корректировка смещения. С
этой целью зачернённая металлическая деталь с помощью электропривода
перемещается перед датчиком изображения. Благодаря этому каждый элемент
изображения настраивается на одинаковую, известную температуру. Конечно, в
ходе выполнения такого калибрования смещения тепловизоры не работают.
Чтобы как-то снизить негативное действие подобного процесса, активацию
корректировки смещения в определённое время можно настроить посредством
установки внешнего управляющего контакта.
К тому же камеры разработаны так, что самокалибровка выполняется
максимально быстро: Установка относительно быстрых исполнительных
элементов позволяет выполнять самонастройку в течение 250 мс. Это можно
сравнить с длительностью смыкания век и поэтому приемлемо для многих
процессов
измерения.
На
конвейерах,
где
необходимо
обнаруживать
неожиданные места перегрева, часто могут использоваться созданные в
реальном масштабе времени "хорошие" контрольные изображения в рамках
динамичного измерения разности изображений. За счёт этого возможен
длительный режим работы без задействования механического элемента4.
Именно при использовании камеры технологии лазерной обработки
сигналов CO2 с длиной волны 10,6 мкм хорошо себя зарекомендовала
возможность закрывания оптического канала за счёт внешнего управления при
одновременно независимой сигнализации оптомеханического защищённого
режима работы камеры.
3. Принцип работы тепловизоров
4
Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы. Техника. Применение. М.: Мир, 2019. - 416 c.
7
В наше время применение тепловизор нашёл во многих сферах,
важнейшей из которых, естественно, стало военное дело. Одним из важнейших
препятствий для военных операций всегда была ночь. Не лучше обстоят дела в
условиях плохой видимости: в тумане, дыму, при снегопаде и других подобных
явлениях, когда привычным образом наблюдение невозможно. Ранее для
обнаружения противника в темноте в армии использовали так называемые
приборы ночного видения, с которыми часто путают тепловизор. Однако,
принцип работы тепловизора даёт ему значительные преимущства. Дело в том,
что ПНВ улавливает видимый свет и усиливает сигнал и, таким образом,
позволяет видеть при плохом освещении. Но, в отличие от тепловизора, такой
прибор абсолютно бесполезен при плохой видимости - он просто сделает туман
ярче - да и в полной темноте, например, в помещении ПНВ не покажет
абсолютно ничего5.
Для
нужд
армии выпускаются
тепловизоры
в виде
биноклей,
монокуляров, прицелов для оружия, ими оснащают различное оборудование,
системы наведения и многое другое, ведь формат прибора и применение
тепловизора при решении специфических задач критически важно для такого
тепловизора. Как правило, приборы, используемые военными, имеют самые
современные матрицы с высоким разрешением, обеспечивающие наилучшее
качество изображения и высокую частоту смены кадров. Другой важной
особенностью таких тепловизоров является возможность работы на больших
дистанциях, для чего они всегда оснащаются мощной оптикой.
Другим важным аспектом человеческой деятельности всегда была
медицина. Применяются тепловизоры и здесь. Температура нашего тела отличный показатель общего здоровья. Изменение температуры, как известно,
сигнализирует о неполадках в работе организма, именно поэтому при
первичном обследовании пациенту всегда ставят градусник. Но следует
понимать, что обычный контактный термометр всегда измеряет температуру в
Гобрей Р., Чернов В., Удод Э.. Диагностирование электрооборудования 0,4—750 кВ средствами инфракрасной
техники. К.: "КВІЦ", 2020. - 374 с.
5
8
одном и том же месте. Но на самом деле температура тела неоднородна, и для
каждого органа характерна своя. Устройство тепловизора даёт возможность
значительно углубить температурный анализ здоровья.
Обследование
тепловизором
человека
помогает
найти
область
воспаления с точностью до мм и определить, например, патогенный процесс в
одном из органов без внедрения различных зондов или оперативного
вмешательства.
Таким образом, применение тепловизора для диагностики не только даёт
возможность определить, болен пациент или здоров, но и с высокой точностью
указать источник проблемы и поставить диагноз. Основной областью
применения таких приборов является диагностика опухолей и различных
проблем с кровеносной системой.
Современный
медицинский
тепловизор
-
это,
как
правило,
диагностическая система, состоящая из собственно детектора излучения и
компьютера для быстрой обработки полученного сигнала. Одно из важнейших
достоинств медицинского тепловизора является его полная безопасность для
пациента
в
виду
отсутствия
постороннего
излучения,
оперативного
вмешательства. Принцип работы медицинского тепловизора полностью
аналогичен работе других приборов этого типа6.
Также тепловизоры активно используются для выделения из толпы лиц
инфицированных различными вирусами, например гриппом.
Широкое
применение
тепловизоры
нашли
в
химической
промышленности и металлургии - области производства, в которых нередко
используются высокотемпературные процессы, сложные системы охлаждения и
агрегаты. На каждом крупном объекте регулярно проводится обследование
тепловизором зданий, инфраструктуры и оборудования. Устройство помогает в
решении множества задач и позволяет, например7:
- провести диагностику доменных печей;
Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. Москва, ИД Спектр, 2019. 544 стр.
Вавилов В. П., А. Н. Александров. Инфракрасная термографическая диагностика в строительстве и
энергетике. — М.: НТФ "Энергопрогресс" 2020. — 76 с.
6
7
9
- теплоизоляции агрегатов;
- проверить герметичность;
- динамически контролировать температурные изменения в химическом
реакторе.
Промышленный тепловизор - это всегда переносной прибор, как
правило,
выполненный
в
формате
"пистолетной
ручки".
Устройство
тепловизора этого типа рассчитано на сравнительно небольшую рабочую
дистанцию, но оснащён матрицей с большим разрешением и работает в
широком температурном диапазоне. Приборы этого класса рассчитаны на
регулярное использование и позволяют на месте выявить неполадки в
оборудовании при анализе теплового изображения на экране прибора.
Тепловизионные приборы широко применяются в энергетике, причём
как на больших предприятиях, так и в работе электрика в ЖЭК. При их помощи
проводится диагностика высоковольтных линий и вышек, как с земли, так и с
воздуха, а обследование тепловизором трансформатора или электрощитка
позволяет выявить и оперативно устранить многие неисправности.
В строительстве зданий применение тепловизоров, в основном, сводится
к поиску слабых мест в теплоизоляции через обнаружение точек с перепадами
температур.
Процесс изготовления пластмасс, напр., полиэтиленовых бутылок,
требует определённого нагрева так называемой преформы, чтобы при
формовании выдувом бутылки гарантировать однородную толщину материала.
Технологическая линия в тестовых рабочих режимах обрабатывает заготовки
толщиной только лишь 20 мм при полной рабочей скорости около одного метра
к секунду. Поскольку время прохода испытуемого образца может меняться,
необходима
запись
видеоряда
с
частотой
120
Гц,
чтобы
измерить
температурный профиль преформы. При этом камера располагается так, что
движение материала она записывает под косым углом - подобно последнему
вагону движущегося поезда. В результате этого получают важный для
10
настройки
параметров
нагрева
температурный
профиль
на
основании
на
крупных
инфракрасного видеоряда.
Тепловизоры
нашли
широкое
применение
как
промышленных предприятиях, где необходим тщательный контроль за
тепловым
состоянием
объектов,
так
и
в
небольших
организациях,
занимающихся поиском неисправностей сетей различного назначения. Так,
сканирование тепловизором может безошибочно показать место отхода
контактов в системах электропроводки.
Особенно широкое применение тепловизоры получили в строительстве
при оценке теплоизоляционных свойств конструкций. Так, к примеру, с
помощью тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в
строящемся доме и сделать вывод о качестве применяемых строительных
материалов и утеплителей.
Особняком
стоит
тепловизионная
аэрофотосъёмка,
на
больших
площадях позволяющая выявлять очаги пожаров, в том числе и тлеющие без
дыма. Это значительно упрощает работу службе МЧС. Кроме того,
тепловизионная аэрофотосъёмка помогает выявить утечки на трубопроводах,
экономя массу средств и времени транспортникам. Основное требование к
приборам, применяемым для съёмки с воздуха, аналогично таковому и для
других камер - это высокая разрешающая способность. Так же важен
небольшой размер и вес камеры, если речь идёт о съёмке с беспилотного
аппарата.
4. Технические характеристики тепловизора
Основными техническими характеристиками тепловизора, на которые
обращают внимание специалисты, являются такие параметры, как тип матрицы,
фокусное
расстояние,
чувствительность
матрицы,
углы
обзора
и
температурный диапазон работы.
11
В зависимости от модели тепловизоры различаются по величине шага
измеряемой температуры. Современные технологии позволяют различать
температуру объектов с точностью до 0,05-0,1 К8.
Благодаря хорошей блокировке фильтров измерения температуры могут
проводиться "по месту" для всех других обрабатывающих лазеров, работающих
в диапазоне от 800 нм до 2,6 мкм.
Для корректного измерения температуры объекта необходимо, что бы он
полностью попадал в пиксель.
Физически изображение объекта проецируется на детекторе, при этом,
чем дальше тепловизор находится от объекта, тем больше "размыто"
изображение.
Поэтому чем больше будет в детекторе пикселей, тем более четкое
изображение мы будем получать. Иногда стандартное поле зрения можно
изменить. Для этого применяют телеобъектив. У таких объективов угол поле
зрения меньше стандартного и они как бы приближают объект к тепловизору. В
некоторых объективах тепловизорах используются особая конструкция линз,
которая обеспечивает более широкое поле зрения. Эти объективы называются
широкоугольными и обозначаются. Такие объективы находят применение,
когда нет возможности отойти на достаточное расстояние, чтобы охватить
объект изменения.
Бажанов С.А. Тепловизионный контроль электрооборудования в эксплуатации. Часть 1,2. М.: НТФ
"Энергопрогресс", 2021, Библиотека электротехника, приложение к журналу "Энергетик"; Вып. 5 (77) - 80 с.,
Вып. 6 (78) - 64 с.
8
12
Заключение
Последние
достижения,
такие,
как
технология
детального
обследования, объединение ИК и визуального изображения, автоматические
настройки и развитие программного обеспечения для инфракрасных камер,
позволяют найти оптимальное решение для проведения анализа температурных
показаний.
Совершенно очевидно, что тепловизоры еще только в начале своего
пути на рынок видеонаблюдения. Но уже сейчас их использование позволяет
создавать технически и экономически эффективные системы. С течением
времени
применение
тепловизоров
станет
еще
более
экономически
эффективным, и тогда они уже прочно займут свою нишу в спектре средств
безопасности, потеснив видеокамеры и технические средства безопасности.
Системы управления зданием также скоро начнут пользоваться
низкостоимостными тепловизорами. Управление системами отопления и
кондиционирования станет более интеллектуальным и энергоэффективным.
Помимо
собственно
температуры
в
помещениях,
тепловизоры
дают
информацию о наличии и числе людей, их перемещениях и скоплениях.
Охранные и пожарные датчики получат новые возможности для анализа
обстановки и совмещения своих функций с видеонаблюдением, в том числе в
полной темноте даже без ИК-подстветки - ведь тепловизоры работают только
на принципе приема теплового излучения в диапазоне от 3 до 15 мкм.
Сейчас, даже сложно представить, какие новые алгоритмы и
интеллектуальные
возможности
будут
открыты
при
интегрировании
тепловизоров в системы безопасности зданий и системы управления
энергоэффективностью зданий.
13
Список используемой литературы
1. Бажанов С. А. Инфракрасная диагностика электрооборудования
распределительных устройств. — М.: НТФ "Энергопрогресс", 2021. — 76 с.
2. Бажанов С.А. Тепловизионный контроль электрооборудования в
эксплуатации. Часть 1,2. М.: НТФ "Энергопрогресс", 2021, Библиотека
электротехника, приложение к журналу "Энергетик"; Вып. 5 (77) - 80 с., Вып. 6
(78) - 64 с.
3. Вавилов В. П., А. Н. Александров. Инфракрасная термографическая
диагностика в строительстве и энергетике. — М.: НТФ "Энергопрогресс" 2020.
— 76 с.
4. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль.
Москва, ИД Спектр, 2019. 544 стр.
5.
Гобрей
Р.,
Чернов
В.,
Удод
Э..
Диагностирование
электрооборудования 0,4—750 кВ средствами инфракрасной техники. К.:
"КВІЦ", 2020. - 374 с.
6.
Госсорг
Ж.
Инфракрасная
термография.
Основы.
Техника.
Применение. М.: Мир, 2019. - 416 c.
7. Инфракрасная термография в энергетике. Технические средства
приема инфракрасных излучений. Учебное пособие: Афонин А.В., Таджибаев
А.И., Сергеев С.С. - СПб: Изд. ПЭИПК, 2021. - 60 с.
8. Ллойд Дж. Системы тепловидения /Пер. с англ. под ред. А.И.
Горячева. - М.: Мир, 2020, - с. 416.
9. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В.
Клюева.
Т.5:
Кн.1:
Тепловой
контроль.
/В.П.
Вавилов.
Москва,
МАШИНОСТРОЕНИЕ, 2021, - с. 542.
10. Ткаченко Ю.А., Голованова М.В., Овечкин А.М. Клиническая
термография (обзор основных возможностей). Ростов-на-Дону, 2018. - 270 с.
14