Главная \ Публикации

Тепловизионное изображение это больше, чем просто красивые картинки

"Зачем нужно тепловизионное изображение? Мы ведь всегда можем получить значения температуры при помощи термопар или измерительных щупов". Просто удивительно, как часто менеджеры отвечают таким образом на запросы инженеров, стремящихся усовершенствовать способ измерения температуры! Старый способ измерения температуры был достаточен, когда электронные устройства были просты, а все их компоненты доступны для измерений температуры, но времена изменились.

Сегодня электронные устройства намного компактнее, более сложные и рассеивают больше тепла на квадратный сантиметр, чем прежние поколения электронной техники. Это означает, что традиционный точечный контактный способ измерения может привести к ошибкам из-за малых масс и теплоотвода. Кроме того, контактный способ измерения может быть недостаточно практичным для сложных механических конструкций или перемещающихся материалов, такая ситуация встречается в целлюлозно-бумажной и металлургической промышленности.

Современной альтернативой контактному точечному измерению температуры является инфракрасное изотермическое изображение, выводимое на дисплей тепловизора. Такой тип дистанционного бесконтактного измерения позволяет измерить температуру поверхности, абсолютные температуры измеряются с точностью лучше 3%, где относительная температура измеряется с точностью лучше 1%.

Что такое тепловизор?

Тепловизоры, или инфракрасные камеры, являются прибором, предназначенным для создания изотермического изображения. Тепловизоры измеряют излучаемую ИК-энергию и преобразуют данные в соответствующие изотермы. Современные тепловизоры выводят данные по температуре по каждому пикселю, обычно курсоры можно расположить в отдельной точке с соответствующими температурными показаниями и вывести их на дисплей. Изображения создаются в цифровом виде, их можно сохранять, преобразовывать, обрабатывать и распечатывать. Широко распространенный формат файла изображения, TIFF, позволяет обрабатывать данные при помощи всех возможных пакетов программ.

Предыстория появления тепловизора

Разработки тепловизоров были инициированы военными. Во время Второй Мировой войны ИК-детекторы использовались для целенаведения, слежения, направления снарядов и в целях разведки. Во время войны во Вьетнаме область применения расширилась до наблюдения и вторжения, а вскоре и до космической разведки недр, мониторинга загрязнения окружающей среды и астрономии. Недавно область применения тепловизоров расширили до измерений температуры, составления карт, обнаружения и тушения лесных пожаров, наблюдения и создания спектрального изображения земли и т.д.

Некоторые измерения производятся на очень большом расстоянии от объекта, через атмосферу, при этом поглощение ИК-энергии является неотъемлемым фактором работы системы. Тепловизоры военного и космического применения, в основном, содержат матрицу с длиной волны 8-15 микрон, что минимизирует поглощение энергии в атмосфере. Тепловизоры для других областей применения работают в диапазоне 9-300микрон.

Благодаря тому, что изначально разработки тепловизоров были инициированы военными, неудивительно, что сенсоры были оптимизированы для минимизации поглощения энергии в атмосфере. Чувствительность, скорость распознавания и различения шумов от помех были повышены, при этом цена прибора не была решающим фактором. Основным достижением является то, тепловизоры теперь применяются не только в военной области, но и в коммерческой. Сначала тепловизоры попали в исследовательские лаборатории, затем стали использоваться для превентивного контроля неисправностей, слежения за воздушными судами.

На чем основан принцип измерений тепловизорами?

Принцип измерений основан на том, что любой объект, температура которого выше 0К излучает инфракрасную энергию. Количество энергии зависит от температуры объекта и соответствующей теплоизлучающей способности. Излученная энергия пропорциональна температуре объекта. Например, черное тело (излучательная способность 100%) при 30оС имеет плотность излучения 5,4мВт/см2. Плотность излучения того же самого черного тела при температуре 150оС составит 139,2мВт/см2. Такая излученная энергия может быть измерена, при этом прибор должен быть настроен на измерение температуры именно этого объекта. Приборы, которые сканируют объекты и создают изображение, плоское или пространственное, в изотермах относят к классу тепловизоров. На современном этапе развития тепловизионной техники применяется большое разнообразие технологий сканирования, а также ИК-сенсоров.

Разрешающая способность, высокая точность 0,1° C, возможность измерения температур на небольших площадях размером до 15микрон. Высокая чувствительность измерений температуры и большой диапазон измерений обеспечивают измерения любых температур. Область применения тепловизоров – от микроэлектроники до сканирования больших площадей на поверхности Земли. Размещенные на воздушных судах тепловизоры могут быть использованы для определения области лесных пожаров сквозь дым. Портативные приборы используются для превентивного контроля оборудования. При принятии решения о покупке или лизинге тепловизора необходимо четко сформулировать требования к измерениям. Условия и требования к эксплуатации продиктуют необходимый тип системы. В некоторых случаях температура меняется достаточно резко, в некоторых случаях изменение температуры происходит медленно или не происходит вовсе. При испытаниях на нагрев, в частности, испытаниях на надежность оборудования, необходимы результаты измерения при переходных процессах и при стабилизации. Анализ устойчивого процесса обычно используется для определения параметров надежности. При таком анализе необходимы измерения температуры в диапазоне 0° C-150° C, в некоторых случаях необходимо измерение температуры в диапазоне -40° C to 1500° C.

Сенсоры

Обычно применяют два типа сенсоров. Принцип работы первого типа сенсоров основан на температурных эффектах, такие сенсоры содержат термопары, болометры, термобатареи и пироэлектрические сенсоры. Принцип работы второго типа сенсоров основан на квантовых эффектах, такие сенсоры содержат фотопроводники и фотоэлектрические диоды. Сегодня большинство коммерческих тепловизионных систем основано на квантовых сенсорах. Эти устройства могут быть изготовлены с различными конфигурациями в соответствии с областью применения. Сенсоры устанавливают по одному или массивами в линию, если требуется измерение перемещающихся перед камерой объектов. Примером может служить мониторинг процесса изготовления бумаги для обеспечения необходимого содержания влаги в бумаге. Другим примером линейных сканнеров является "Synthetic Aperture IR Systems". Такие системы устанавливают на воздушных судах или спутниках Земли. Перемещение носителя вперед определяет одну из осей изображения. Такие системы используются для разведки недр и обнаружения лесных пожаров.

Сенсоры, изготовленные с применением квантового эффекта, представляют собой матрицу FPA. Как и предыдущие поколения тепловизоров, тепловизоры с сенсорами FPA были вначале разработаны для военного применения. Такие сенсоры изготовляют из материалов, таких, как ртуть-кадмий-теллурид (HgxCdxTe) или силицид платины (PtSi). Такие материалы обеспечивают высокую скорость сканирования и превосходную температурную чувствительность.

Квантовые сенсоры в некоторых случаях требуют криогенного охлаждения для обеспечения правильности работы. Могут быть использованы твердотельные кулеры или термоэлектрические, в зависимости от рабочей температуры сенсора. Они работают в диапазоне волн 3-5 и 8-12 микрон и обеспечивают большую гибкость. Такие измерительные системы обычно стоят более 50000 USD. Другие квантовые сенсоры способны работать при высоких температурах. Двух- шестиступенчатых термоэлектрических кулеров будет достаточно для обеспечения стабильной работы тепловизора. Цена тепловизоров с таким сенсорами может быть значительно ниже цены высокотехнологичных камер с сенсорами, которым требуется твердотельные кулеры.

На сегодняшний момент на рынке доступны системы с изображение с высоким разрешением, где используется сенсор с единственным элементом. Снижение цены достигается компромиссом по скорости сканирования. При тестировании надежности оборудования, когда требуется анализ в состоянии покоя, небольшая скорость сканирования достаточно приемлема для получения нужного результата. Системы с использованием такого сенсора могут стоить около 10000USD.

Детекторы с обычным сенсором, т.е. термопарой и болометром, могут эксплуатироваться при комнатной или близкой к ней температуре. В некотором смысле это относится к явным преимуществам, т.к. исключается неудобство применения сжиженного газа или дорогостоящего кулера замкнутого цикла Стерлинга. Однако, такие типы детекторов обычно используются при измерении в одной точке и при прямом контакте с измеряемым объектом.