Использование электромагнитного излучения в НК. Тепловизоры

I. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТЕПЛОВИЗОРОВ

1.1. Устройство

Тепловизор относятся к оптико-электронным приборам пассивного типа. В них невидимое глазом человека излучение переходит в электрический сигнал, который подвергается усилению и автоматической обработке, а затем преобразуется в видимое изображение теплового поля объекта для его визуальной и количественной оценки.

Упрощенно, тепловизор состоит из оптической системы (объектива), фокусирующего тепловой поток от объекта на чувствительный элемент – приемник инфракрасного излучения  (ИКИ) и  блока обработки (усиления) для представления тепловой карты (термограммы) объекта в виде, удобном для анализа. По способу получения термограмм тепловизионные приборы  подразделяются на  сканеры и тепловизор. Термосканеры имеют один чувствительный элемент, на который системой сканирования  подается ИКИ от элементов объекта в соответствии с заданным алгоритмом и с шагом, при котором формируется матрица значений поступивших сигналов. Чувствительным элементом Термосканеры  может быть элемент, изготовленный по различным технологиям. Тепловизоры имеют много  чувствительных элементов, размещенных на  одной подложке -  матрицу (160х120, 320х240, 640х480). Каждый элемент формирует выходной  сигнал в зависимости от величины сигнала ИКИ, поступившего на него с  единицы поверхности объекта.  Чувствительные элементы матриц могут быть  изготовлены по различным технологиям.

1.1.1. Приемники ИК-излучения

По принципу действия в зависимости от типа чувствительного элемента приемники ИК-излучения  подразделяются на: болометрические; пироэлектрические; термоэлектрические; фотонные. В современных  тепловизорах  используются болометрические и фотонные приемники ИКИ. Болометр представляет собой резистор, у которого изменяется сопротивление в зависимости от мощности падающего на него теплового потока.  Из элементарных болометров формируются болометрические матрицы. Наибольшее распространение находят болометрические матрицы  на оксиде ванадия  и на аморфном кремнии.  Такие матрицы  не требуют  охлаждения, т.е. тепловизоры практически всегда  готовы к работе и  отсутствуют требования по безопасности при работе с жидким азотом. Спектральная чувствительность таких матриц  в диапазоне от 1 до 14 мкм  одинакова.

Приемники на основе фотоэффекта  представляют наибольший коммерческий интерес. Но у них есть недостаток: необходимость охлаждения  до низких температур (как правило, с использованием жидкого азота), что создает определенные ограничения при использовании в удалённых малонаселенных местах. Спектральная чувствительность таких приемников на 1-2 порядка выше болометрических, однако, они имеют ограниченный спектральный диапазон чувствительности с явно выраженным максимумом.

1.1.2. Объективы

Главное требование к объективу  тепловизора – он должен быть  прозрачным  для инфракрасного излучения. Объективы для тепловизоров изготавливают из  германия. К качеству объектива предъявляются практически те же требования (просветление), что и к объективам для видимого света (фотосъемки) и они вносят такое же искажение (абберация) при передаче теплового излучения объекта на болометрическую матрицу.Объективы постоянные и сменные изготавливаются для каждого типа тепловизора индивидуально с учетом его конструкции и характеристик матрицы (размера пикселя).

Использование сменных объективов позволяет, не меняя точки съемки,  делать «панорамные» и   «детальные» термограммы объектов. Несмотря на то, что конкретные объективы можно использовать только с конкретным типом тепловизора, сменные объективы должны быть рекомендованной принадлежностью каждого тепловизора. Все это делает  объективы  достаточно дорогим элементом тепловизора.  В настоящее время стоимость объектива составляет примерно 45% стоимости всего прибора, еще 45% – матрица.

1.1.3. Растровая структура

Практически все тепловизоры, имеющиеся на рынке, представляют собой цифровые измерительные приборы. Новые аналоговые модели тепловизоров, в настоящее время, больше не разрабатываются. Для отображения температурного поля в тепловизоре используется матрица, подобная применяемым матрицам в цифровых фотоаппаратах. Отличие в том, что если каждый пиксель матрицы цифрового фотоаппарата несет информацию о яркости и цвете объекта, то в тепловизоре каждый пиксель - это температура в данной точке контролируемого объекта. Таким образом, на экране тепловизора отображается распределение температуры по объекту. При этом для удобства оператора точки с разной температурой отображаются различным цветом. Например, если максимально допустимая температура составляет 80°С, то точки с температурой 60°С и ниже будут отображаться синим цветом, 70°С - желтым, 75°С - оранжевым, а с температурой 80°С и выше - красным. Это позволяет очень быстро определить места локального перегрева объекта.

Для отображения на экране чаще всего используются такие палитры цветов: цвета нагрева железа, сине-красная, высокого контраста, желтая, цвета нагрева метала и серая.

Тепловая «фотография» объекта, сделанная в инфракрасном диапазоне, выводится на экран тепловизора или записывается в его память в виде растровой картинки с разрешением, например, 160x120 пикселей.

1.2. Принцип работы

Инфракрасное излучение концентрируется системой специальных линз и попадает на фотоприемник, который избирательно чувствителен к определенной длине волны инфракрасного спектра. Попадаемое на него излучение приводит к изменению электрических свойств фотоприемника, что регистрируется и усиливается электронной схемой. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке и это значение передается на блок отображения информации. Блок отображения информации имеет цветовую палитру, в которой каждому значению сигнала присваивается определенный цвет. Например, если максимально допустимая температура составляет 80°С, то точки с температурой 60°С и ниже будут отображаться синим цветом, 70°С - желтым, 75°С - оранжевым, а с температурой 80°С и выше - красным. Это позволяет очень быстро определить места локального перегрева объекта. Для отображения на экране чаще всего используются такие палитры цветов: цвета нагрева железа, синекрасная, высокого контраста, желтая, цвета нагрева метала и серая. После этого на экране монитора появляется точка, цвет которой соответствует численному значению инфракрасного излучения, которое попало на фотоприемник. Сканирующая система (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит последовательный обход всех точек в пределах поля видимости прибора и в результате мы получаем видимую картину инфракрасного излучения объекта. Чувствительность  детектора  к  тепловому  излучению  тем  выше, чем  ниже  его  собственная  температура, поэтому  его  помещают  в  специальное  устройство – «холодильник». Наиболее примитивный, неудобный и самый распространеннный  вид охлаждения  с помощью жидкого азота. Это, конечно, позволяет охладить детектор до низких температур,но  носить с собой сосуды  дюара  очень неудобно. Другой вид – посредством элементов Пельтье (полупроводники,  дающие перепад температур (тепловой насос) при пропускании через них тока). Есть еще один вид "неохлаждаемых тепловизоров", работающих   по  другому  принципу, но характеристики их пока заметно хуже, зато они намного мобильнее.

Таким образом, на экране тепловизора мы видим значения мощности инфракрасного излучения в каждой точке поля зрения тепловизора, отображенные согласно заданной цветовой палитре (черно-белой или цветной). Тепловая «фотография» объекта, сделанная в инфракрасном диапазоне, выводится на экран тепловизора или записывается в его память в виде растровой картинки с разрешением, например, 160x120 пикселей.

Высокая  чувствительность  тепловизоров  реализуется  благодаря  наличию  высокочувствительных  полупроводниковых  приемников  излучения  из  антимонида  индия  InSb, ртуть-кадмий-теллура Hg-Cd-Te  и  др.

Рисунок 3 – Упрощенная схема устройства тепловизора

2. Конструктивные характеристики и функциональное оснащение

2.1. Конструктивные характеристики

Эффективное использование тепловизора, как впрочем, и любого другого прибора, определяется рациональностью  выбора конкретной модели или модификации в зависимости от требуемых технических характеристик. Условно все характеристики тепловизоров можно разделить на три  группы: технические, сервисные и конструктивные. К конструктивным  характеристикам относятся те, которые обязательно присутствуют в любой марке тепловизора, а именно:

·         Тип матрицы \ детектора – определяет быстродействие, чувствительность;

·         Размер матрицы – говорит о количестве элементарных болометров и, косвенно, о  величине   iFOV;

·         Оптическое поле зрения, по горизонтали и по вертикали (FOV-Field of View) – позволяет рассчитать фактические размеры объекта, которым соответствует получаемое термоизображение (для определенного положения тепловизора относительно объекта);

·         Фокусное расстояние  - говорит о минимальном расстоянии до объекта съёмки, при котором можно получить четкие термограммы (стандартно 01, 0,3м);

·         Пространственное разрешение  - (мгновенное поле зрения IFOV) из условия   измерения температуры одним элементом (пикселем) без осреднения – характеризует размер площади поверхности объекта, «приходящуюся на один пиксель», с учетом положения тепловизора относительно объекта; (телесный угол, под которым один пиксель «видит» объект). Этот параметр, характеризует способность тепловизора различать мелкие предметы на большом расстоянии, по существу представляет собой поле зрения каждого элемента матрицы ИК камеры. Зависимость IFOV от размеров матриц и оптического поля зрения (FOV) приведена ниже в таблице 1.

·         Охлаждение матрицы – охлаждаемые матрицы имеют более высокую температурную чувствительность, но требуют периодическую заливку жидкого азота, а неохлаждаемые обеспечивают более высокую готовность тепловизора к работе;

·         Диапазон измерений температуры, °С – рабочий диапазон должен перекрывать максимальную  температуру объекта на 25%. Верхний предел должен быть не менее 200 град. - для контроля электрооборудования. При обследовании тепломеханического оборудования, этот порог имеет смысл увеличить до 500 град.

·         Порог температурной чувствительности  - практически характеризует собственные шумы матрицы (детектора) и определяет минимальную различимую разность температур объекта и его фона. Должен быть не хуже 0,1 град. при температуре +30 град. Большинство приборов удовлетворяют этому требованию

·         Погрешность измерения температуры – интегральная характеристика тепловизора, зависящая от методов обработки сигналов – у большинства  тепловизоров с неохлаждаемой матрицей  составляет  -+ 2%;

·         Частота развертки изображения, кадров/с. Это важная характеристика тепловизора, характеризующая число изображений получаемых в секунду. Современные тепловизоры имеют одну из двух частот развертки изображения:  9 Гц или 50(60) Гц. В зависимости от теплотехнических свойств объекта для съёмки надо выбирать тепловизор «медленный» с частотой смены кадров 9 Гц,  или «быстрый» с частотой смены кадров 50 Гц. Быстрая развертка необходима при регистрации высоко-динамичных тепловых процессов и при съёмке с    автомобиля или вертолёта;

·         Распознавание типа объективов – отдельные камеры оснащены функцией автоматического распознавания типа объектива (короткофокусный, длиннофокусный или стандартный)

·         Режим фокусировки – ручной или автоматический. Рекомендуется использовать камеры, оснащенные, в том числе, и ручным управлением фокуса. Оно лучше моторизированного по быстроте, плавности и надежности, и, кроме того, снижает энергопотребление камеры. В качестве примера можно привести профессиональную фототехнику, которая всегда оснащена ручным приводом фокуса.

·         Автокомпенсация воздействия внешних факторов. Внешние факторы вносят погрешности в измерения, ручная поправка в показания тепловизоров достаточно сложна.  На показания тепловизора оказывают влияние  температура окружающей среды, влажность воздуха, фактическая излучательная способность объекта. Современные тепловизоры оснащены автоматической компенсацией температуры окружающей среды, настройкой излучательной  способности объекта от 0,20 до 1,00 (с шагом 0,01) и компенсацией влажности воздуха. (Влажность особенно влияет в диапазоне 8-14мкм)

·         Система наведения/указания. Данная система упрощает выбор  и контроль области съёмки объекта. Практически во всех марках тепловизоров для этих целей применяется полупроводниковый AIGalnP диодный лазер, 1мВт / 635 нм, красное свечение, Класс 2. (система малой мощности) не создает непосредственной опасности при случайном прямом взгляде на луч.

2.2. Функциональное оснащение

Крайне важным критерием для выбора тепловизора является функциональное оснащение прибора. Функциональное оснащение, а также комплектация прибора позволяют настолько расширить область применения, что тепловизор сможет перейти в новые нетрадиционные области проведения измерений. Например, автоматическое отображение самой горячей точки позволяет во время эпидемии гриппа выявлять больных при входе на предприятие, и тем самым не допустить массового заболевания сотрудников. Применение приближающего телеобъектива (zoom) позволяет выполнять энергоаудит зданий на расстоянии или дистанционно оценить состояние элементов ЛЭП, когда она проложена в труднодоступной местности.

Ряд тепловизоров оснащен такими удобными функциями, как:

• измерение влажности на поверхности (поиск влажных мест и мест, где может конденсироваться влага);

• наложение ИК изображения на видимое изображение (TwinPix у тепловизоров фирмы testo);

• функция изотермы (отображение одним цветом заданного температурного диапазона, например 40...50°С) и другими.

Ряд дорогих моделей тепловизоров имеет такие функции, как запись видео в ИК изображении или высокая частота обновления кадров (свыше 40 Гц). На практике это применяется крайне редко в силу дополнительных технических проблем возникающих при редактировании и обработке потокового ИК видео.

Указанные выше две функции используются лишь в рекламно-демонстрационных целях возможностей тепловизора и не имеют распространенных практических применений.

Ряд фирм использует в своих тепловизорах технологию IR-Fusion, позволяющую выполнить одновременную съемку объекта в инфракрасном и видимом диапазонах с совпадением изображений с точностью до одного пикселя, а также оптимизировать полученные изображения в нескольких режимах просмотра, как прямо на камере, так и с помощью компьютерной программы. Возможность отображения на изображениях точки лазерного устройства наводки облегчает точную идентификацию неисправных компонентов в исследуемых объектах.

Очень часто дорогие модели тепловизоров комплектуются объективами с возможностью приближения объекта 2...6х. Такой объектив не только увеличивает массу тепловизора, но и весьма существенно повышает его цену.

III. ПРИМЕНЕНИЕ

3.1. Влияние среды на тепловизионную съемку

Для получения объективных количественных данных, необходимо  проводить измерения в соответствии с определенными методическими рекомендациями, которые учитывают как особенности объекта, так и особенности окружающей среды, в которой производится съемка. В частности, необходимо учитывать, что  пары воды (Н20); углекислый газ (С02); озон (О3)  в атмосфере заметно поглощают (ослабляют) оптическое излучение, причем количественные зависимости ослабления принимаемого сигнала для каждого тепловизора индивидуальны. Кроме того, хотя атмосферный воздух  достаточно сильно поглощает инфракрасное излучение, в нем  существуют так называемые окна прозрачности, т. е. области, внутри которых поглощение очень слабое. Эти окна расположены в  следующих интервалах длин волн:

·         0,4—1,0 мкм,

·         1,2—1,3 мкм,

·         1,5—1,8 мкм,

·         2,1—2,5 мкм,

·         3—5 мкм,

·         8—13 мкм.

3.2. Области применения теплового контроля

Тепловидение нашло применение во многих сферах человеческой деятельности. Например, тепловизоры  применяются в целях военной разведки и охраны объектов. В ручной тепловизионный  ночной  визир человека можно увидеть в полной  темноте  на  расстоянии  300  м.  Объекты  обычной  военной техники видны  на расстоянии  2-3 км. На сегодняшний день созданы видеокамеры данного микроволнового диапазона с выводом изображения на экран компьютера, чувствительностью (разрешаемой способностью разницы температур отдельных участков поверхности) в несколько сотых градуса.  Это значит, что если вы при входе всвою  парадную взялись за ручку двери, чтобы открыть ее, то ваш тепловой отпечаток будет виден на этой ручке  целых полчаса.  Даже дома при выключенном свете вы будете светить как маяк даже через занавеску.  В метро можно спокойно отличить людей, которые только  что  вошли. А наличие насморка у человека и   занимался ли он чем-нибудь интересным до этого  можно наблюдать на расстоянии в несколько сотен  метров.  О распознавании  недавно выключенной  машины или  о  том,  кто и когда сидел на данном кресле  даже  нечего  и  говорить.

Перспективно использование тепловизоров для нахождения дефектов в различных установках.  Естественно, когда в какой-нибудь установке или узле  наблюдается  повышение или  понижение тепловыделения  при каком-нибудь процессе в местах, где этого не должно быть, или  тепловыделение (теплопоглощение) в подобных узлах сильно различается, то  неполадку  можно  своевременно  исправить.  Иногда некоторые дефекты  можно заметить только с помощью тепловизора. Например, на мостах  и тяжелых опорных конструкциях при старении металла или нерасчетных деформациях начинает выделяться  больше энергии, чем должно. Появляется возможность диагностировать состояние объекта, не нарушая его целостности, хотя могут возникнуть  трудности, связанные с  не очень высокой точностью, вызванной   промежуточными конструкциями.

Таким образом, тепловизор  можно использовать как оперативный и, пожалуй, единственный контроллер состояния безопасности многих объектов и предотвращать катастрофы. Проверка  функционирования  дымоходов, вентиляции, процессов тепло-  и  массообмена, атмосферных  явлений   становиться  на  порядки  удобнее, проще, информативнее.

Широкое применение тепловидение нашло в медицине.

В современной медицине тепловизионное обследование представляет мощный диагностический метод, позволяющий выявлять такие патологии, которые плохо поддаются контролю другими способами. Тепловизионное обследование служит для диагностики на ранних стадиях (до рентгенологических проявлений, а в некоторых случаях задолго до появления жалоб больного) следующих заболеваний: воспаление и опухоли молочных желез, органов гинекологической сферы, кожи, лимфоузлов, ЛОР-заболевания, поражения нервов и сосудов конечностей, варикозное расширение вен; воспалительные заболевания желудочно-кишечного тракта, печени, почек; остеохондроз и опухоли позвоночника. Как абсолютно безвредный прибор тепловизор эффективно применяется в акушерстве и педиатрии.

У здорового человека  распределение  температур  симметрично относительно средней линии тела. Нарушение этой симметрии  и  служит основным критерием тепловизионной диагностики заболеваний. По участкам тела с аномально высокой или низкой температурой можно распознать симптомы более 150 болезней на самых ранних стадиях их возникновения.

Тепловизионный мониторинг и диагностика конструкций и объектов применимы практически во всех областях ЖКХ: в электроснабжении, теплоснабжении, водоотведении и водоснабжении, городском и лифтовом хозяйстве, малоэтажном и типовом строительстве, а также в строительстве и реконструкции дорог.

Во время войны во Вьетнаме армия США использовала аналоговые (в то время) тепловизоры для обнаружения вьетнамских партизан в густых джунглях. Очень эффективно применение тепловизора и для обнаружения утечек тепла из здания или, наоборот, утечек холода их холодильной системы. Обнаружение точного места утечки позволяет легко ее предотвратить и заметно повысить энергоэффективность здания или иного сооружения.

На электроподстанции установлено множество разнородных элементов: силовые и измерительные трансформаторы, выключатели, гирлянды изоляторов и, главное, множество электрических соединений. Непрерывно контролировать состояние каждого из них традиционными электроизмерительными приборами очень дорого и трудоемко. Здесь приходит на помощь тепловизор: если температура какого-либо выключателя или трансформатора превышает заданную, то он явно работает не в номинальном режиме и нуждается в тщательной проверке или ремонте.

Это же относится и ко всем электрическим соединениям. В этом случае превышение температуры свидетельствует о плохом контакте и о скором выходе соединителя из строя.

Эффективно использование тепловизора и для контроля состояния элементов в распределительном электрошкафу. В этом случае неисправный автомат или перегруженный провод, некачественное контактное соединение или место утечки тока обнаруживаются очень быстро.

Термография — метод  функциональной  диагностики, основанный на регистрации инфракрасного излучения человеческого тела, пропорционального его температуре. Распределение и  интенсивность теплового излучения в  норме  определяются  особенностью физиологических процессов, происходящих  в  организме, в  частности как в поверхностных, так и в глубоких органах. Различные  патологические состояния характеризуются  термоасимметрией  и  наличием температурного градиента между зоной повышенного или  пониженного излучения и симметричным участком тела, что отражается на  термографической картине. Этот факт имеет немаловажное диагностическое и прогностическое  значение, о  чем  свидетельствуют  многочисленные клинические исследования.

Выделяют два основных вида термографии:

1.Контактная холестерическая термография.

2.Телетермография.

Телетермография основана на преобразовании инфракрасного излучения тела человека в электрический  сигнал, который  визуализируется на экране тепловизора.

Контактная холестерическая термография опирается на оптические свойства холестерических жидких кристаллов, которые проявляются изменением окраски в радужные цвета при нанесении их  на  термоизлучающие поверхности. Наиболее  холодным  участкам   соответствует красный  цвет, наиболее  горячим — синий. Нанесенные  на  кожу композиции  жидких  кристаллов, обладая  термочувствительностью  в пределах 0.001 С, реагируют на тепловой  поток  путем  перестройки молекулярной структуры.

После рассмотрения  различных  методов  тепловидения  встает вопрос о способах интерпретации термографического изображения. Существуют визуальный и количественный способы оценки  тепловизионной картины.

Визуальная (качественная) оценка термографии позволяет определить расположение, размеры, форму и структуру очагов  повышенного излучения, а также ориентировочно оценивать величину  инфракрасной радиации. Однако при визуальной оценке невозможно  точное  измерение температуры. Кроме того, сам  подъем  кажущейся  температуры в термографе оказывается зависимым от скорости развертки и  величины поля. Затруднения для клинической оценки результатов  термографии заключаются в том, что подъем температуры на небольшом по площади участке оказывается малозаметным. В результате  небольшой  по размерам патологический очаг может не обнаруживаться.

Радиометрический подход весьма перспективен. Он  предполагает  использование самой современной техники и может найти применение  для  проведения массового профилактического  обследования, получения  количественной информации о патологических процессах в исследуемых участках, а также для оценки эффективности термографии.

Некоторые  применения  тепловизионных  устройств  в  промышленности:

Энергетика

•состояние  дымовых  труб  и  газоходов

•состояние  статоров  генераторов

•проверка  маслонаполненного  оборудования

•теплоизоляция  турбин, паро- и  трубопроводов

•обнаружение  мест  присосов  холодного  воздуха

•контроль  состояния  теплотрасс

Нефтегазовый  комплекс

•проверка  состояния  электрооборудования

•контроль  технологических  линий

•поиск  энергопотерь

•обнаружение  утечек  из  газопроводов

•предотвращение  пожаров

Энергосбережение

•диагностика  ограждающих  конструкций

•обнаружение  теплопотерь  во  внутренних  помещениях  и  снаружи  зданий  и  сооружений

•определение  теплоизоляционных  свойств  материалов

Химическая  промышленность

•проверка  герметичности  и  изоляции  емкостей   для  хранения  различных  жидкостей  и  газов

Машиностроение

•контроль  подшипников, зубчатых  передач, валов, муфт  и  т. д.

•обнаружение  несосности  оборудования

•контроль  температурных  режимов  сварки

•термоэластический  анализ  напряжений

Микроэлектроника

•контроль  качества  сборки  печатных  плат