Сучасний стан тепловізійної техніки
Макальський Л.М., МЕІ(ТУ)
При визначенні стану енергетичних об'єктів та комунікацій потрібна реєстрація зміни інтенсивності теплового випромінювання. Як прилади реєстрації теплового випромінювання використовуються, як було вже сказано, пірометри, тепловізори та теплосканери. Інфрачервоні приймачі теплового випромінювання зазвичай працюють у спектральних діапазонах 3...5,5 або 8...14 мкм. Фотонні теплоприймачі часто працюють з кріогенним охолодженням чутливих елементів (наприклад, з рідким азотом T=77 K). Це різко знижує по-іншому теплові шуми, що не усуваються, і відповідно покращує порогову чутливість. Використання мікропроцесорних або термоелектричних систем охолодження при більш високих температурах погіршує ці параметри, проте, чутливість тепловізійних приладів, як правило, досягає 0,1 °С.
Пірометри сприймають теплове випромінювання від нагрітого майданчика в межах порівняно малого тілесного кута, за допомогою оптичної системи направляють випромінювання на термоелектричні перетворювачі і здійснюють реєстрацію електричного сигналу за допомогою вимірювальних перетворювачів, що показують, проградуйованих у показниках температури.
Безпосереднє відтворення «теплових портретів» стало можливим лише з появою тепловізорів — двомірних перетворювачів зображень середньохвильового інфрачервоного діапазону у видиме на екрані тепловізійного монітора зображення. Найбільш значні успіхи в ІЧ-техніці досягнуті в останні роки в області автономних переносних пошукових і діагностичних тепловізійних систем з приймачами випромінювання, що охолоджуються і неохолоджуються. Тепловізор з одиничним приймачем (сканером) містить прецизійну систему оптико-механічного сканування (OMC) простору, що спостерігається з подальшим відтворенням отриманих сигналів у вигляді кадру.
Візуалізація об'єктів у русі потребує швидкої зміни кадрів і здійснюється за допомогою тепловізійної швидкісної камери. Для швидкісної камери, що швидко діє, перевага надається приймачеві з квантовим механізмом реакції на ІЧ-випромінювання, так як швидкодія фотонних приймачів становить близько 1 мкс. Через труднощі створення надшвидкодіючих систем ЗМС такі тепловізори працюють у малокадровому режимі, використовують протяжні лінійки ідентичних приймачів. У ряді випадків застосовуються дорогі матричні (до 106 елементів) квантові приймачі, що дозволяє виключити ОMC у системах спостереження.
В даний час пірометри є загальнодоступними реєстраторами температури окремих елементів та вузлів об'єкта. Пірометри забезпечують вимірювання температур у широкому діапазоні від -40 до +300 °З, а спеціальні фільтри дозволяють розширити діапазон виміру до 1500 °З. Сучасні пірометри додатково забезпечені пристроями, що формують лазерні мітки, що показують майданчик, температура якого усереднена цифровим індикатором приладу, що реєструє.
В основі роботи тепловізора та теплосканера лежить принцип перетворення потоку ІЧ-випромінювання від об'єкта, що приймається чутливим елементом, електричний сигнал, пропорційний тепловій спектральної потужності потоку випромінювання. Тепловізори та тепловізійні сканери формують зображення об'єкта на екрані, що реєструє. Кожна точка об'єкта фіксується зі своєю температурою, а рівень температур кожної точки визначається різним кольором. Інфрачервоне зображення об'єкта найчастіше значно відрізняється від зображення у видимій оком частині спектру, тому окремі тепловізійні прилади додатково мають звичайні телевізійні камери, зображення з яких також відображається на екрані. У лінійних вимірювальних сканерах ІЧ-випромінювання реєструється вздовж лінії візування та виводиться у вигляді графіка розподілу радіаційної температури на вбудований кольоровий монітор приладу.
Структурну схему названих телевізійних приладів наведено на рис. 1.
Рис. 1. Структурна схема тепловізора (сканера)
Потік інфрачервоного випромінювання від об'єкта потрапляє в об'єктив, відображається дзеркалом вузла сканування УС (у тепловізора цей вузол відсутній) і потрапляє на приймач випромінювання ПІ. Приймачем випромінювання для тепловізора є ІЧ-чутлива матриця, а для тепловізійного сканера - точковий приймач. Приймач випромінювання ПІ перетворює енергію падаючого на нього потоку ІЧ-випромінювання електричну напругу. Вузол обробки УО перетворює сигнал з приймача випромінювання ПІ в масив значень радіаційної температури відповідно до індивідуальної градуювальної характеристикою приладу, що зберігається в енергонезалежній пам'яті, і показаннями вбудованих датчиків температури і відображає цей масив на кольоровому рідкокристалічному моніторі.
Одночасно з виведенням графіка розподілу радіаційних температур на вузол індикації УІ додатково надходить зображення об'єкта у видимому спектральному діапазоні, яке формується телевізійним каналом, що складається з мініатюрної ТБ камери з варіооб'єктивом.
Програмними засобами температура виводиться на монітор у вигляді цифрового значення і може бути скоригована з урахуванням коефіцієнта випромінювання об'єкта та температури фону (довкілля).
Серед зарубіжних і вітчизняних розробок тепловізорів з одиничними або матричними квантовими приймачами ІЧ-випромінювання, що охолоджуються, найбільшого поширення набули прилади, що забезпечують точність вимірювання 1...2 °С, представлені в табл. 1.
Зазначені прилади мають великий набір сервісних операцій та спеціальне програмне забезпечення.
До теперішнього часу тепловізійні обстеження не мали масового застосування через їхню велику вартість. З появою над ринком російських і зарубіжних інфрачервоних сканерів (ІКС) різних моделей ІЧ-діагностика перестала бути монополією великих компаній, і виявляється практично доступною аудиторських контор і виробничих фірм. Інфрачервоні сканери мають мінімальне співвідношення ціна/якість, порівняно з приладами інших типів, що використовуються для тепловізійних обстежень різних об'єктів.
У табл. 2 наведено порівняльні характеристики найбільш поширених у Росії ІКС російського та зарубіжного виробництва.
Ростехнаглядом Москви проведено спільні випробування в натурних умовах тепловізора AGEMA (Thermovision 550 - Швеція), тепловізора Inframetrics-750 (США) та ІКС "Аврора" (Росія). Порівняльні випробування показали ідентичність проведених вимірювань температурних полів.
Зазначимо, що досить часто пропоновані для використання в Росії закордонні прилади не сертифіковані Держстандартом Росії. Інфрачервоний сканер «Аврора» зареєстрований ВНДІстандартом (ТУ 4276-001-49881450-01) та сертифікований Держстандартом Росії як вимірювальний прилад (сертифікат RU.C32.010A № 8157). Наведені дані свідчать про те, що прилад ІКС «Аврора» має найкраще співвідношення ціна/якість порівняно з іншими представленими приладами. Крім того, цей прилад добре зарекомендував себе під час обстеження енергетичних об'єктів.
Інфрачервоний лінійний сканер «Аврора» має два основні режими роботи:
- режим побудови теплового профілю з відображенням значень мінімальної, максимальної та середньої температури вздовж лінії сканування;
- режим побудови тепловізійного кадру, що дозволяє отримати термокадр, аналогічний зображенню, що отримується за допомогою тепловізора. У цьому режимі на екран монітора виводиться телевізійне зображення об'єкта, що досліджується, його термозображення і колірна шкала температур.
Поєднання телевізійного зображення з лінією сканування і термокадром дозволяє ототожнювати значення вимірюваної температури з видимим зображенням об'єкта, що спостерігається. На кадрі відтворюється температура у заданій точці, розподіл температур вздовж довільної лінії поля сканування. Може бути проведене суцільне обстеження теплового поля об'єкта з фіксацією мінімальної та максимальної температури.
Інфрачервоний сканер ІКС «Аврора» добре зарекомендував себе під час проведення тепловізійних обстежень енергоустановок МЕМ Центру ФСК ВАТ РАО «ЄЕС Росії», Східних електричних мереж ВАТ «Мосенерго», Володимирської ПС 750 кВ, ПС 500 кВ «Білий Рост» (Московська обл.) Московського енергетичного інституту, Московського нафтопереробного заводу, комплексу будівель Московської мерії, Заводу ім. Лихачова (ЗІЛ, Москва), ВАТ «Спортивний комплекс «Олімпійський» (Москва), будівельних та промислових підприємств Калузької області, ВАТ «НIIII Електрогідродинамічних агрегатів» (Москва) та ін. Крім того, ІКС «Аврора» активно використовувався в Краснодарському центрі енергозбереження при тепловізійних обстеженнях підприємств промисловості та комунально-побутової сфери.
Таблиця 1. Характеристики найпоширеніших тепловізорів
Прилад, фірма-виробник, країна | Характеристика | ||||
Діапазон вимірюваних температур, °C | Точність вимірювання температур, °С | Робочий спектральний діапазон, мкм | Фокальна | Габаритні розміри камери, мм | |
Thermovision R 550, AGEMA, Швеція | -20...+450 | ±2 | Охолодження | 320x240 | Маса, приладу, кг |
ThermaCAM SC1000, Inframetrix, США | -20...+450 | ±1 | 3,4...5 Рідкий азот | 256x256 | 210x114x90 |
Model 760 Inframetrix, США | -10...+250 | ±1 | 8...14 | 194 | 216x127x180 |
Thermo Tracer TH5104, NEC, Японія | -10...+800 | ±1 | 3,0...5,3 | 233x256 | 198x93x210 |
Prism DS FLIR Systems Ins., США | -20...+450 | ±1 | 3,6...5,0 | 320x244 | 222x127x140 |
Термограф «ІРТІС-2000», ТОВ «ІРТІС», Росія | -20...+200 | ±1 | 3,0...5,0 Рідкий азот | 256x256 | 100x140x210 |
Таблиця 2 Характеристики найпоширеніших інфрачервоних сканерів
Технічні дані | Компактний ІКС Varioscan-3022 | Комп'ютерний термограф «ІРТІС-2000» | ІКС «Аврора» |
Виробник | «InterEng Mebtechnik GmbH» | ТОВ «ІРТІС» | НВФ «Євросервіс-XXI століття» |
Країна | Німеччина | Росія | Росія |
Спектральний діапазон, мкм | 2...5 | 3...5 | 3...5 ^ |
Тип датчика | HgCdTe | HgCdTe | HgCdTe |
Охолодження | Термоелектричне | Рідкий азот2* | Термоелектричне |
Час формування кадру, з | 1,23 * | 23* | 1,5 |
Температурна роздільна здатність при 30 °С, °С | 0,12 | 0,05 | 0,05 |
Діапазон вимірів, °С | -40 ... +1200 | -20...+200 | -20...+200 |
Геометрична роздільна здатність, мрад | 3,0 | 2,0 | 5,0 |
Поле зору, град | 30x20 | 25x20 | Змінюване: 45x33, 38x28, 32x24, 25x18 |
Мінімальна віддаленість від об'єкта, м | 0,2 | 0,2 | 0,3 |
Робоча температура, °С | -10...+40 | -10...+40 | -20...+40 |
Температура зберігання, °С | -25...+70 | Немає даних | -25...+70 |
Потужність, Вт | 12 | 12 | 18 |
маса, кг | 4,6 | 1,8 | 1,4 |
Габаритні розміри, мм | 240x192x200 | 200x140x100 | 120x102x103 |
Дисплей | 11,5 см кольоровий РКД | Ні | 6,2 см кольоровий РКД |
Внутрішній блок пам'яті, кількість термограм | 25 | Ноутбук | 30 |
Інтерфейси | RS 232 | RS232 | RS432 |
Системне програмне забезпечення | З вбудованою функцією аналізу термограм | З вбудованою функцією аналізу термограм | Із вбудованою функцією аналізу термограм4* |
Орієнтовна ціна на території РФ, тис. дол. | 50,0 | 19,0 | 15,0 |
*Наявність видимого зображення об'єкта, повністю поєднаного з ІЧ-зображенням, суттєво спрощує дешифрування ІЧ-зображень і не вимагає застосування додаткових пристроїв реєстрації (відеокамер, фотоапаратів, диктофонів).
**Необхідно мати спеціальне обладнання для виробництва та зберігання рідкого азоту. У комплект приладу має входити термос, наповнений рідким азотом. Вартість експлуатації збільшується на вартість рідкого азоту.
***Зйомка проводиться тільки зі штатива.
**** Звіти, що генеруються програмним забезпеченням, передбачають повну сумісність із файлами середовища Windows-95 і вище.