Тепловізори. Принцип роботи. Ціни. Застосування.

Тепловізор – це безконтактний пристрій, призначений для візуалізації розподілу температури на поверхні досліджуваного об’єкту. Така візуалізація відбувається шляхом перетворення теплового випромінювання (в інфрачервоному спектральному діапазоні), у видиме зображення, що з’являється на екрані дисплея тепловізора. Іншими словами, тепловізор фіксує «тепловий профіль» об’єктів і навколишнього середовища.

Тепловізор може працювати навіть у повній темряві, оскільки не потребує жодного розсіяного світла чи додаткового освітлення. Дія приладів нічного бачення ґрунтується на підсиленні слабкого освітлення від зірок, місяця, інших слабких джерел, тоді як принцип роботи тепловізора полягає у безпосередній реєстрації теплового випромінювання від досліджуваних об’єктів і створенні електронного зображення. Тепловізійна камера може працювати в умовах обмеженої видимості (дим, туман, імла) чи повної темряви, що робить його незамінним пристроєм для рятувальних чи пошукових операцій.

Перший тепловізор було розроблено для військових задач, однак з часом його унікальні діагностичні можливості почали використовувати і для найрізноманітніших мирних задач. Найбільша перевага тепловізора в тому, що за його допомогою можна проводити діагностику обладнання в робочому стані, не перериваючи технологічний процес і не зупиняючи виробництво, без фізичного контакту. Можна контролювати температурний стан об’єктів під напругою, агресивних середовищ. Медичні діагностичні методики ґрунтуються на вивченні теплового профілю людського тіла. Ну і звичайно незамінний він у криміналістиці, військовій справі.

Як правило ціна тепловізорів досить висока, проте останнім часом на ринку з’явились недорогі, однак достатньо повнофункціональні моделі, що значно розширило коло користувачів тепловізорів. Ось неповний перелік можливих застосувань тепловізорів:

  • Будівництво (енергоаудит будівель та виявлення місць витоку тепла, виявлення вологи у стінах та дахах, структурний аналіз цегляної кладки стін, виявлення теплотрас та пошкоджень теплотрас, тощо);
  • Контроль технологічних процесів;
  • Контроль транспортних засобів;
  • Рання діагностика можливих неполадок технічних пристроїв (місця перегріву технічних вузлів і деталей);
  • Пошуково-рятувальні операції;
  • Пожежні операції, датчики полум’я;
  • Військові задачі;
  • Огляд на контрольно-пропускних пунктах;
  • Медична термографія, ветеринарія;
  • Екологія (аналіз стічних вод, виявлення джерел інвазій);
  • Наукові задачі, метеорологія.

Що таке інфрачервоне випромінювання? Фізичні основи діагностики за інфрачервоним випромінюванням

Розглянемо більш детально фізичні принципи, на яких ґрунтується принцип роботи тепловізорів.

Якщо подивитись на загальний спектр електромагнітного випромінювання, то побачимо, що видиме випромінювання, тобто таке, що його бачить людське око без додаткових технічних засобів, займає дуже вузеньку смужку. Тому очевидно, що для отримання більш повної інформації про оточуючі нас об’єкти потрібно навчитись «бачити» і в інших частотних діапазонах.

Як видно зі схеми, досить широка ділянка спектру, що іде одразу після видимого, відноситься до інфрачервоного випромінювання, яке ще називають тепловим. Природа цього електромагнітного випромінювання у збудженні атомів і молекул під час співударів у процесі їх теплового руху. Унікальність і важливість цього діапазону полягає в тому, що будь-яке тіло, температура якого вища абсолютного нуля (0 ºК, або -273,15 ºС, температура, коли припиняються хаотичні рухи атомів та молекул і стає неможливою передача енергії), випромінює в інфрачервоному діапазоні спектру.

Відкриття інфрачервоного випромінювання належить видатному астроному і досліднику зоряних систем та туманностей Фрідріху Вільгельму Гершелю. Розщепивши сонячне світло призмою, він розмістив термометр одразу після червоного випромінювання і показав, що покази термометра і надалі зростають. Інфрачервоний – означає розміщений позаду червоного, він охоплює частоти від 0,76 аж до 2000 мкм (частоти від 300 до 0.3 ТГц). Інфрачервоний діапазон прийнято поділяти на ближній (0,7–2,5 мкм), середній (2,5–50 мкм) і далекий (50–2000 мкм)

Кількісно теплове випромінювання описується чотирма основними законами.

Закон Кірхгофа пр теплове випромінювання говорить про те, що за умови теплової рівноваги, випромінювальна здатність ε будь-якого тіла рівна його коефіцієнту поглинання на заданій довжині хвилі за певної температури, іншими словами, більше випромінює те, що більше поглинає: ε (λ, Т) = α (λ, Т).

Закон Стефана – Больцмана встановлює зв’язок між загальною енергією теплового випромінювання тіла та його температурою: F=δT4 – загальна енергія теплового випромінювання тіла пропорційна четвертій степені його температури.

А довжина хвилі, на яку припадає максимум енергії теплового випромінювання визначається законом зміщення Віна: при зростанні температури максимум випромінювання зсувається в короткохвильову область. Максимум теплового випромінювання тіла людини (температурою 36 ºС, або 309 ºК) знаходиться в інфрачервоному діапазоні на довжині хвилі порядку 10 μм, а об’єкти температурою порядку 700–800 °С випромінюють уже у видимому діапазоні.

І четвертий закон розподілу інтенсивності за довжиною хвилі при різних температурах – закон Планка. На цих законах базується практична термографія, що дозволяє визначати температуру досліджуваного об’єкту без фізичного контакту з ним і з високою точністю – порядку десятих Кельвіна.

Робочий діапазон тепловізійних камер лежить в середній області ІЧ-спектра. Особливо цікавим є діапазон 8–14 мкм, він співпадає з найбільш широким вікном прозорості атмосфери, а також відповідає максимальній випромінювальній здатності об’єктів з температурою від -50 до +500 °С. 

Конструктивні особливості тепловізорів

Основними конструктивними елементами тепловізора є оптична система, ситема реєстрації, болометрична матриця для вимірювання температури, силовий блок, корпус. Для моделей з розширеними функціональними можливостями цей список може доповнити додаткове обладнання (лампа підсвітки, лазер, тощо).

Мікроболометрична матриця

Принцип роботи пірометрів може ґрунтуватись на піро- (емнісних) чи сегнетоелектричних (поляризаційних), фероелектричних або ж болометричних (резистивних) технологіях – під дією інфрачервоного випромінювання у приймачі повинна змінюватись кількість носіїв, які в свою чергу впливають на електричні властивості матеріалу, зміни в яких фіксує електронна система пірометра.

Якщо контролювати зміну опору, то такий термочутливий елемент називається болометр. Перші тепловізори працювали на одному болометрі з охолодженням та з використанням горизонтальної і вертикальної розгортки. В подальшому були розроблені лінійні системи з кількох болометрів з покадровою розгорткою. Сучасні ж прилади працюють на основі багатоелементних (матричних) твердотільних FPA – FocalPlateArea – приймачів. Є два типи болометричних матриць – з охолодженням і без охолодження.

Неохолоджувані інфрачервоні датчики працюють при температурі навколишнього середовища і не потребують громіздких систем охолодження. Можуть бути додатково стабілізовані до температури навколишнього середовища для зменшення шумів.

На рисунку представлено схематичне зображення напівпровідникового болометра без охолодження на основі двох термісторів. Коли ІЧ-випромінювання потрапляє на активний термістор, температура його змінюється, і відповідно змінюються електричні характеристики (у даному випадку опір), що фіксується електричною схемою і представляється графічно у вигляді зображення. Кількість елементів в матриці може сягати 640х480, тобто 307 200 елементів, а їх лінійні розміри порядку довжини хвилі ІЧ випромінювання (17–25 мкм).

У 2013 році DARPA (DefenseAdvancedResearchProjectsAgency – агентство передових оборонних дослідницьких проектів) анонсувало вихід нової низькочастотної інфрачервоної камери з FPAматрицею 1280х720 пікселів. Однак для пересічного користувача це поки з області фантастики. На практиці буває достатньо матриці набагато меншої роздільної здатності, тим більше що це основна складова вартості тепловізора. Найбільш поширеним і дешевим є мікроболометр з аморфного кремнію, також з оксиду ванадію, сплавів різних металів, та ін.

До переваг неохолоджуваних матриць можна віднести їх дешевизну, високу надійність, дають хорошу контрастність зображення в нічний час, однак вони безперечно поступаються чутливістю охолоджуваним матрицям.

Охолоджувані інфрачервоні датчики як правило ізольовані від оточуючого середовища у герметичній вакуумній упаковці з кріогенним охолодженням. Охолодження необхідне для роботи напівпровідникової матриці, вона є настільки чутливою, що без охолодження буде просто «засліплена» власним тепловим випромінювання. Діапазон робочих температур може сягати від 4 °К практично до кімнатної температури, найбільш поширений діапазон від 60 до 100 °К. Як систему охолодження використовують кріокулери Стірлінга, альтернативою може бути використання теплообмінників, що охолоджуються стиснутими газами, наприклад азотом. Такі системи можуть бути застосовані в польових умовах.

Звичайно, система охолодження є досить громіздкою та дорогою, для початку роботи потрібно кілька хвилин, щоб охолодити матрицю, крім того, охолоджувані датчики мають обмежений строк служби. Однак ці незручності повністю компенсує надзвичайно висока чутливість та бездоганна якість зображення. Перевагою є також можливість використанні лінз з більшими фокусними відстанями, а отже – можна працювати на більших відстанях.

Найбільш чутливі тепловізори, що використовуються для наукових задач, працюють на надпровідних технологіях (ефект Джозефсона) та можуть зареєструвати одиничні фотони. Найбільш широковживаними матеріалами для охолоджуваних матриць є ртуть-телурид кадмію (HgCdTe) (1–2 мкм, 3–5 мкм, 8–12 мкм), антимонід індію (InSb) (3–5 мкм) та ін.

Оптичні елементи

Звичайні скляні лінзи для тепловізорів не підходять, оскільки скло (оксид кремнію SiO2) не прозоре в ІЧ-діапазоні. Тому використовуються кремній, германій, сульфід цинку, селенід цинку, фториди лужних металів, специфічні пластмаси.
Германій, завдяки своїм оптичним властивостям (прозорий від 2 до 16 мкм, має високий показник заломлення), помірній ціні та хорошими експлуатаційним характеристикам набув найбільшої популярності для виготовлення оптичних елементів тепловізорів.
Для забезпечення високоякісної дискретизації зображення, важливою є також оптична схема об’єктива. Використання трилінзової системи дозволяє позбутися аберацій та отримати чітке зображення.
Однак варто пам’ятати, що хоча германій і достатньо твердий, доглядати за об’єктивом потрібно дуже обережно, все ж таки він значно дорожчий за скляний чи пластмасовий. Також, при підвищенні температури до 100 °С, германій втрачає половину своєї прозорості. 
Для очищення германієвого об’єктива в польових умовах можна скористатись злегка зволоженою бавовняною ганчіркою, для видалення жирних плям підійде етиловий спирт чи ацетон. Протирати потрібно легкими зигзагоподібними рухами, не прикладаючи надмірних зусиль.

Формування зображення

Датчики в тепловізійних камерах не розрізняють довжини хвиль інфрачервоного випромінювання – а оже і кольору , фіксуються лише зміни електричних властивостей від інтенсивності опромінення. Тому тепловізори мають одноколірний канал і формують монохромні зображення, де інтенсивність випромінювання (а отже і температура) відображаються відтінками сірого – вища температура відповідає світлішому відтінку.

Для диференціації довжин хвиль потрібні більш складні конструкції датчиків. Однак принципово в цьому немає жодної необхідності. По перше, людське око однаково їх не може розрізнити, з іншого боку пам’ятаємо, що чутливість зорової системи людини різна на різних частотах видимого діапазону (крива спектральної світлової ефективності має максимум у зеленій області).

Тому для зручності оператора зображення відображаються у псевдо-кольорі, де вищим температурам присвоюється більш яскравий відтінок, а більш холодні ділянки – темніший (від білого аж до чорного). Шкала показується збоку на екрані, разом з похибкою. Хоча у людського зору набагато більший динамічний діапазон виявлення інтенсивності, а не кольору, представлення зображення у псевдо-кольорі виявляється корисним для визначення відмінностей у яскравих, чи навпаки, дуже темних областях.

Пошукові та вимірювальні тепловізори

За призначенням та застосуванням, тепловізори поділяються на пошукові та вимірювальні

Пошукові тепловізори використовують для виявлення віддалених теплових об’єктів та візуалізації їх на екрані тепловізора у певній кольоровій шкалі без вимірювання температури. Для більш ефективного використання, пошукові тепловізори можуть бути оснащені додатковими пристроями, наприклад далекоміром, приладом нічного бачення. Їх головна задача – побачити замаскований чи прихований об’єкт, не залежно від рівня природного освітлення, рівня прозорості атмосфери, через листяний покрив дерев, шар ґрунту, маскувальні елементи, тощо. Пошукові тепловізори в основному використовуються для охорони, контролю на пунктах пропуску та таможнях, для пошуково-рятувальних операцій, для військових задач націлювання, розвідки, спостереження, тощо.

Вимірювальні (або радіометричні) тепловізори більше призначені для технічних задач, для діагностики обладнання, промислових  та виробничих систем, будівель, споруд, для медичної термографії, для наукових досліджень, аерофотозйомки, тощо. Крім візуалізації теплового зображення, кожному кольоровому відтінку присвоюється певна температура. Таким чином ми отримаємо карту температурного розподілу. Крім того, тепловізори можуть бути портативними (пістолетного типу), переносними, стаціонарними, чи тимчасово встановлюватись на тримачах, з поворотними системами.

Технічні параметри, за якими оцінюють якість тепловізора, це:

  • Діапазон вимірюваних температур;
  • Роздільна здатність по температурі;
  • Поле зору;
  • Миттєве поле зору (просторова роздільна здатність);
  • Робочий спектральний діапазон;
  • Розмір матриці (кількість елементів у приймачі випромінювання).

Вимірювальні тепловізори пістолетного типу

Дуже зручними і практичним в застосуванні є тепловізори пістолетного типу. Хоча вони і належать до найдешевших моделей, однак простота в експлуатації, надійність в роботі, а також досить демократична ціна сприяють зростанню популярності таких тепловізорів. Особливо затребуваними вони є в галузі технічного обслуговування та нагляду за високотехнологічним обладнанням, для огляду ліній електропередач, для діагностики транспортних засобів. Незамінними будуть також на будівництві.

Звичайно, для здешевлення конструкції тут стоїть порівняно невелика матриця (60х60 в моделі IR-60 та 80х60 в моделі Walcom IR-80), однак це не заважає досягнути досить високого рівня теплової чутливості (0,15 °С в моделі IR-60 та 0,08 °С в моделі Walcom IR-80), та точності вимірювання температури порядку 2 %. Робочий частотний діапазон 8–14 мкм, налаштування коефіцієнта емісії, робочий температурний діапазон від -20 до +300 °С – такі технічні параметри є цілком достатніми для широкого кола задач.

Зображення, отримані в процесі досліджень, можна зберегти на знімну карту пам’яті та перенести на комп’ютер, для подальшої обробки чи статистичного аналізу. Енергоощадливі елементи живлення (батарейки чи акумулятори) дозволяють працювати безперервно до 6 годин, а наявність функції автоматичного вимкнення може ще продовжити час роботи.

Спеціалісти маркету SIMVOLT нададуть вичерпну інформацію та проконсультують у всіх питаннях вибору, експлуатації та зберігання тепловізорів.