Главная \ Публикации

Тепловизоры и тепловизионное обследование диагностика

Известно, что для тепловидения (термографии) в условиях поверхности Земли и ее атмосферы оптимальны диапазоны длин волн 3-5 и 8-14 мкм. Для первого из них уже в середине 60-х гг. в НИИПФ были разработаны многоэлементные ФП на основе антимонида индия, работоспособные при температуре жидкого азота (77К). Несколько позже они были применены в лаборатории П. Ф. Тимофеева в ВЭИ его сотрудником А. И. Горячевым, конструктором первого в стране тепловизора на диапазоне 3-5 мкм. Дальнейшая деятельность А. И. Горячева проходила в НИИПФ, где он создал прототип тепловизора, который мог бы послужить основой опытно-конструкторской разработки в специализированном КБ или НИИПФ

Параллельно фирмы Японии вели разработки тепловизора того же спектрального диапазона с использованием линейных и матричных ФПУ с чувствительными элементами на основе силицидов металлов группы платины. Они также требуют охлаждения до температуры жидкого азота. Важным достоинством силицидов является полная совместимость технологии чувствительного элемента с хорошо развитой технологией кремниевых интегральных микросхем.

Для диапазона 8-14 мкм еще в 70-х гг. в Государственном оптическом институте (ГОИ) имелись ФП, а позже и ФПУ с чувствительными элементами из германия, легированного ртутью, работоспособные при температуре 30 К, т. е. при значительно более глубоком охлаждении, чем получаемое при охлаждении жидким азотом.

Такие ФПУ были успешно использованы в тепловизоре "Прогресс", дающем отличное изображение. Фирмы США ряд лет использовали аналогичные тепловизоры в бортовых авиационных системах переднего обзора, хотя в то время в США уже имелись высококачественные тепловизоры (ИК-камеры в американской терминологии) на основе антимонида индия. Рефрижераторы на температуру 30 К значительно сложнее, чем на 77 К, и отечественные конструкторы сочли тепловизоры ГОИ неперспективными для массового применения в танках и противотанковых комплексах вооружения, и достижения ГОИ остались невостребованными. Заметим, что конструкторы микрокриогенных машин в США успешно продолжили работы по их миниатюризации, снижению потребления мощности и увеличению ресурса работоспособности, и современные рефрижераторы на 30 К вполне могли бы удовлетворить конструкторов бортовой тепловизионной аппаратуры. Однако развитие тепловидения пошло другим путем.

Во время войны во Вьетнаме, когда проблема ночного видения стала крайне острой, появился поток информации об успешных разработках в США ФП для диапазона 8-14 мкм на основе полупроводникового соединения, получившего в нашей стране аббревиатуру КРТ (твердый раствор теллуридов кадмия и ртути). При составе 22 % по кадмию он оптимален для диапазона 8-14 мкм, а при составе 30 % - для диапазона 3-5 мкм.

Только одна фирма "Хониуэлл" сосредоточила усилия на альтернативном решении и много лет вела работы по созданию фотоматриц с чувствительными элементами в виде микроболометров, не требующих охлаждения. Другие фирмы вели работы по фотоматрицам с пироэлектрическими чувствительными элементами для ИК-камер и передающих телевизионных трубок типа видикон. Будучи тепловыми фотоприемниками, и те, и другие реагируют на нагревание сигналом излучения и поэтому чувствительны ко всему оптическому диапазону спектра. Область чувствительности аппаратуры определяется оптическими компонентами аппаратуры и фотоматрицы. Важнейшим преимуществом тепловых фотоприемников и фотоматриц является работоспособность при обычных температурах. Отсутствие необходимости в системе охлаждения резко упрощает и удешевляет аппаратуру.

Фотоматрица фирмы "Хониуэлл", имеющая около 80 тыс. чувствительных элементов размером 50х50 мкм, представляет собой кремниевую пластинку, служащую базой и содержащую на верхней стороне чувствительные элементы, а на нижней - интегральную схему электронного тракта. Микроболометры, являющиеся чувствительными элементами, состоят из тонкого слоя окиси ванадия на пленке из нитрида кремния. Окись ванадия имеет большой коэффициент изменения электрического сопротивления с ростом температуры и преобразует оптический сигнал в электрический, передаваемый на нижнюю сторону базовой пластинки.

Тепловизоры и их применение

Тепловизоры — это приборы, способные видеть инфракрасное (ИК) или тепловое излучение. Те объекты, которые излучают тепло, имеют на дисплее приборов желто-оранжево-красные цвета, а все холодные объекты почти неразличимы.

Практическое применение такому эффекту нашли давно.

В медицине ИК-термография выявляет опухоли и воспалительные процессы, нарушения кровообращения, травмы и даже анализирует психические процессы.

В криминалистике тепловизорами обнаруживают оружие, стреляные гильзы, трупы, тайники, определяют подлинность произведений искусства.

На станциях автосервиса без разборки двигателя определяются плохая работа клапанов и системы впрыска топлива, состояние охлаждающей и масляной систем (пробки в радиаторе, засоренные масляные каналы и т.д.), отсутствие смазки в подшипниках.

А теперь данная методика инфракрасного контроля с успехом применяется в промышленности и строительстве. Перед тем как выйти из строя, все, что использует или передает энергию, нагревается. Поэтому инфракрасная томография является эффективной технологией профилактического технического обслуживания для быстрого, точного и безопасного (не надо ничего останавливать и демонтировать) обнаружения проблем до того, как произойдет отказ. Это позволяет избежать дорогостоящих затрат на ремонт. Поэтому термографы быстро окупаются.

Например, на крупном сталелитейном заводе обнаружили повышение температуры в одном из своих 69 кВ выключателей. Если бы проблему вовремя не устранили, завод понес бы убытки в размере полутора миллионов рублей в час, а при полном отключении электроэнергии сумма увеличилась бы в пять раз. При новом строительстве тепловизоры позволяют выявить дефекты стыка панелей, различные трещины, обрыв арматуры, утерянные трубы, ухудшение теплоизоляционных свойств, участки инфильтрации воды.

Наиболее часто этот метод используется для оценки энергоэффективности всего здания и отдельных его конструкций (кровель, дымовых труб, окон, дверей и т.д.). Снимки в ИК-лучах позволяют точно определить количество теплопотерь. Различные конструктивные элементы здания имеют разные теплоудерживающие способности. Авария на теплотрассах зимой в сильный мороз стала большой проблемой. И чтобы ее предотвратить, стали заранее ремонтировать потенциально опасные участки. Но как их определить? С помощью все тех же тепловизоров. Пионером в использовании этого метода выступила столица, а вслед за ней Санкт-Петербург и другие города.

Для просмотра теплотрасс тепловизоры устанавливают на летательном аппарате на специальной платформе и исследуют район с воздуха. Сканированное изображение запоминается и затем анализируется. На фото хорошо видны участки аварийного состояния коммуникаций. Применяемые у нас тепловизоры, как правило, отечественные и производства США: ТН-4604МП, ТКВр-ИФП, «Искра», «Сыч», «Сосна», «Радуга-4», ИРТИС-2000, ТВ-04, «TermaCAM 545», «TermaCAM 695», «TermaCAM SC 3000», «TermaCAM 390». Существуют крупные и мощные приборы стоимостью до 100 тысяч долларов и более дешевые, но не менее эффективные ручные приборы, напоминающие цифровую видеокамеру. Мощные приборы используют для своих целей все крупнейшие мировые производители машин и оборудования. Несмотря на дороговизну, они позволяют экономить колоссальные средства. Так, например, исследование печатной платы какого-либо электронного устройства на тепло-холод способно выявить брак на ранней стадии и сэкономить миллионы долларов.

Тепловизоры используются в повседневной практике техническими специалистами, перед которыми стоят задачи контроля температурных режимов оборудования, поиска и устранения неисправностей, предотвращения аварий и остановок производства. Встроенное запоминающее устройство удерживает в памяти до 50 показаний. Для хранения большей информации применяется компьютер. Поэтому тепловизоры чаще всего используются в паре с компьютером. Импортные переносные камеры имеют PCMCI, PAL или флеш-карты и подключаются к компьютеру через порты USB. Они также могут записывать звук. Файлы записываются в формате JPEG. Они могут пересылаться по электронной почте и их всегда можно просмотреть в текстовом редакторе Word.

Камеры работают в длинноволновом диапазоне ИК-спектра и обладают высокой чувствительностью (измеряют температуру до 900°С). Приборы просты в применении: стоит направить детектор в сторону объекта, например, в сторону контактов трансформатора или работающего насоса, как сразу на дисплее отображаются горячие участки. Они могут быть очагами возникновения и развития дефектов. Предусмотрена цветовая сигнализация, показывающая участки с температурами выше или ниже установленного уровня. Использование тепловизоров в строительстве и эксплуатации зданий позволяет выйти на новый уровень их технического обслуживания.