Разновидности, назначение и применение тепловизоров

Что такое тепловизор?
Тепловизор – измерительный прибор, который позволяет видеть тепловое (инфракрасное) излучение окружающих объектов в любое время суток, измерять температуру в любой точке на поверхности с точностью 0,1°С и выше. Основное предназначение тепловизора - бесконтактное измерение температуры объектов живой и неживой природы, поиск неисправностей оборудования и электрики, недочётов строительства. Тепловизионные камеры создают чёткие тепловые изображения, основываясь на разнице температур. А сложные алгоритмы простых с виду камер считывают с этих изображений температурные значения. Самые горячие места окрашиваются в красный, жёлтый и оранжевый цвета, холодные в синий и чёрный. Популярность тепловизоры обрели благодаря возможности применения во всех отраслях жизнедеятельности человека. Самые популярные области применения это строительство, охота, медицина и промышленность. Всё чаще тепловизоры используются и в быту для обследования квартир и частных домов, позволяют находить места утечек тепла и неполадки в электрике.

Принцип работы тепловизора

Принцип работы тепловизора основан на регистрации и анализе температур поверхности объектов. У каждого из материалов своя отражающая и поглощающая инфракрасное излучение способность. Неравномерность нагрева одной и той же поверхности позволяет формировать картину распределения температуры на ней, ассоциируя цвет на дисплее с температурой. При этом температурное разрешение составляет величину 0,05-0,1 градуса. Особенности спектрального диапазона 8-14 мкм и 3-5,5 мкм, в котором работают тепловизоры, таковы, что приземные слои атмосферы наиболее прозрачны для данной длины волны, при этом обеспечивается наибольшая дальность наблюдения объектов, излучающих в диапазоне температур от -50 до +500 градусов. В данном диапазоне частот наименьшие помехи от атмосферных явлений — туман, дождь, снег, дым.

Что видит тепловизор

Человеческий глаз видит очень маленькую часть электромагнитного спектра. Наши «детекторы» несовершенны, мы воспринимаем только видимый свет, инфракрасное излучение находится за пределами возможностей наших глаз. Видимый свет занимает диапазон длин волн электромагнитного излучении от 0,38 до 0,76 мкм, причем середина этого диапазона приходится на длину волны 0,55 мкм, которая соответствует максимуму солнечного излучения. Поскольку весь диапазон электромагнитного излучения простирается от ангстрем до сотен километров и фактически не ограничен ни «слева», ни «справа», человеческая цивилизация на протяжении своей технологической истории стремится освоить те диапазоны излучения, где глаз человека бессилен.

ИК-излучение находится в диапазоне между видимым светом и СВЧ- диапазоном электромагнитного спектра. Инфракрасное (ИК) излучение занимает диапазон длин волн от 0,76 до 1000 мкм. Основным источником инфракрасного излучения является тепло или тепловое излучение. Любой предмет с температурой выше абсолютного нуля (-273,15 °C или 0 градусов Кельвина) испускает излучение в ИК-области. Даже объекты, которые нам кажутся очень холодными, такие как кубики льда, испускают ИК-лучи. Иными словами, если бы глаз человека видел в ИК диапазоне, то мы могли бы оценивать температуру объектов, не прикасаясь к ним.

Тепло солнечных лучей, костер или радиатор отопления - все это ИК-излучение. Хотя глаза его не видят, наша подкожная нервная система ощущает это излучение как тепло. Чем теплее объект, тем больше ИК-излучение он испускает. Инфракрасное излучение, исходящее от объекта, фокусируется объективом тепловизора на инфракрасном детекторе. Этот детектор передает сигнал в электронный блок для обработки изображения. Электронный блок преобразует сигналы, поступающие от датчика, в тепловизионное изображение, которое отображается в видоискателе, на стандартном мониторе или ЖК-дисплее. А за счёт преобразования инфракрасного изображения в радиометрическое, считываются температурные значения с тепловизионного изображения.

Что может тепловизор?

В процессе тепловизионной диагностики, а также при выполнении энергоаудита, с помощью тепловизора выявляют места с аномальным отклонением температур, то есть чаще всего используют прибор в качестве индикатора. Большинство тепловизоров могут не только получать тепловизионные изображения объектов, но и определять поверхностную температуру в отдельных точках.

Выявляя «перегретые» элементы, тепловизор позволяет обнаруживать неправильно функционирующие узлы механических агрегатов, которые подвержены повышенному трению, дефекты контактных соединений, коммутационной аппаратуры и токопроводящих линий силового электрооборудования. В строительной сфере тепловизионная съемка используется для энергоаудита, проверки качества строительно-монтажных работ (в том числе для контроля правильности монтажа оконных блоков, теплоизоляции и пр.), поиска протечек и скрытых дефектов, выявления мест, где может появляться плесень, диагностики электросетей и коммутационного оборудования, проверки работы систем отопления и пр.

Классификация измерительных тепловизоров по применению:
- для обследования электрооборудования и электрики;
- для поиска утечек тепла-холода;
- для поиска утечек газа/разливов нефти;
- для контроля и автоматизации технологических процессов;
- для научных исследований.

Основные характеристики и цена тепловизора

В наибольшей степени цена тепловизора зависит от разрешения ИК матрицы, температурного диапазона, дальности действия (большие германиевые объективы стоят дороже) и дополнительных измерительных функций. Самый недорогой тепловизор сегодня можно купить за 19000 рублей, за эту цену вы получите простой прибор, который подойдёт для повседневных нужд в быту. Самые дорогие модели - профессиональные тепловизоры с большой матрицей для энергоаудита, технической и промышленной диагностики стоят от миллиона и выше. Рассмотрим основные характеристики этих приборов.

Разрешение инфракрасного детектора – основная характеристика, определяющая функциональность конкретной модели и «результативность» термографирования. Самыми доступными по цене являются модели с разрешением 60х60, тепловизоры верхнего ценового диапазона имеют разрешение свыше 640х480. Важно не путать разрешение ИК-детектора с характеристиками встроенной камеры видимого диапазона и разрешением дисплея прибора.

Разрешение тепловизора – это количество отдельных «точек измерения» по горизонтали и вертикали, отображаемых на термограмме. Внешне похожие модели с одинаковым размером экрана, но с разным разрешением ИК-матрицы, в процессе съемки будут показывать похожие «картинки», однако при детальном рассмотрении термограммы на компьютере (или после распечатки полноформатного снимка) разница будет заметна – чтобы получить качество 120х120 при помощи тепловизора с разрешением 60х60 необходимо сделать 4 снимка с близкого расстояния.

В большинстве случаев базовые модели с низким разрешением используются для оперативной диагностики электромеханического оборудования, коммутационной и электросиловой аппаратуры, поиска протечек, определения источников теплопотерь в помещениях и т.п. С задачами энергоаудита зданий высотой до 5 этажей успешно справляются модели тепловизоров разрешением 120х120. Для тепловизионного обследования крупных объектов обычно используют модели с разрешением 320х240 (для зданий до 16 этажей) и 640х480.

Тепловизоры с высоким разрешением позволяют получать «за один раз» термограммы высокого качества, однако, даже имея модель более низкого класса (со «слабым» разрешением), можно получить такие же результаты, выполнив серию снимков и «сшив» их при помощи соответствующего программного обеспечения (некоторые приборы имеют специальную функцию панорамирования, которая упрощает эту задачу).

Дополнительная «оптика» (сменные объективы) позволяют расширить возможности тепловизора, выполняя тепловизионное обследование общего плана с использованием широкоугольного объектива, такая оптика удобна, если объект находится вплотную к оператору и следует просматривать как можно большую площадь (научные исследования, строительство и энергетика). Для детальных снимков удаленных объектов или отдельных элементов (например, верхних этажей зданий, опор ЛЭП, дымовых труб, ИК съемка с борта вертолета) – применяя телеобъектив.

В профессиональных тепловизорах ИК объектив является сложным узлом, включающим набор линз и зеркал из хрупких, дорогостоящих и требующих прецизионной обработки материалов типа кремния, германия и специальных ИК стекол. Основными параметрами объективов, которые важны для потребителя, являются фокусное расстояние и угол зрения.

Температурный диапазон, в котором тепловизор может выполнять измерения, (или диапазон контролируемых температур) определяет сферу применения прибора. Для термографирования зданий вполне подойдут тепловизоры с верхним температурным диапазоном до +100°C, для диагностики электроустановок и промышленных агрегатов требуются приборы, способные выполнять измерения до +350°C, а для проверки котлов, теплогенераторов и пр. необходимы более «высокотемпературные» модели (до +650°C). В литейной, стекольной, химической промышленности, в энергетике, где температуры могут достигать до +1200°C (или выше) используются модели тепловизоров с соответствующим температурным диапазоном.

Выбирая тепловизор, конечно же, следует «оставлять» определенный «температурный запас», однако чрезмерно завышать требования к температурному диапазону не стоит - это неразумное расходование средств.

Чувствительность – это величина минимального температурного перепада, которую способен определять тепловизор. От этой характеристики зависит «контрастность» получаемого изображения. Для энергоаудита вполне достаточно чувствительности в 0,1°C. Для обнаружения «перегретых» узлов электросилового или механического оборудования могут использоваться и менее чувствительные модели. Повышенная чувствительность требуется для выявления участков с повышенной влажностью, протечек, скрытых дефектов и т.п.

Точность измерений (погрешность). Почти все тепловизоры (с неохлаждаемой болометрической матрицей) обеспечивают точность измерений не ниже 2%, что вполне достаточно для решения большинства задач по диагностике и энергоаудиту. Более высокую точность обеспечивают модели с азотным охлаждением, которые чаще используются для научных исследований и при контроле технологических процессов.

Спектральный диапазон. Для выполнения большинства задач (например, по термографированию зданий) используют тепловизоры со спектральным диапазоном 7-14 микрон. Съемку зданий со сплошным остеклением обеспечивают модели со спектральным диапазоном 3-5 мкм (с охлаждаемой матрицей), которые позволяют определять поверхностную температуру стеклоподобных объектов и при этом не учитывают их отражающую способность.

Размер экрана тепловизора имеет значение при оперативном тепловизионном обследовании, когда нужно быстро и без ошибок выявить неисправность на месте. Для энергоаудита эта характеристика важна не в такой мере, ведь при составлении отчетов качество снимков определяется только разрешением ИК-датчика.

Дополнительные функции

Большинство тепловизоров (кроме бюджетных моделей) оснащаются встроенными видеокамерами с функцией сохранения изображения, благодаря чему имеется возможность наложения (полного или в режиме «картинка в картинке») изображений инфракрасного и видимого спектров. Модели верхнего ценового диапазона позволяют производить видеозапись.

Для более эффективной обработки результатов тепловизионной диагностики полезными оказываются функции аннотирования термограмм, а также их позиционирование (с использованием встроенного компаса или GPS). Для диагностики и выявления мест образования плесени оказываются востребованными функции температурной сигнализации и обнаружения участков с максимальными и минимальными температурными показателями.

Выбирая тепловизор, в обязательном порядке следует ознакомиться с возможностями программного обеспечения (если оно поставляется в комплекте с прибором), или же приобрести специальный софт отдельно.