Лекция 8. Принципы получения термографического изображения. Тепловизоры и их назначение.
8.1. Принципы получения термографического изображения.
Термография – это метод контроля состояния электрической и механической аппаратуры, на основе получения и анализа теплового изображение аппаратуры. Этот метод контроли базируется на факте, что большинство элементов установок проявляют увеличение своей температуры при неисправной работе. Увеличение температуры в объекте может быть результатом возникшего дефекта в аппаратуре. Наблюдая зоны высокой температуры в элементах функционирующей системы, можно оценить серьезность возникших дефектов.
Физические основы получения термографического изображения состоят в следующем. Все предметы в нагретом состоянии излучают электромагнитную энергию. На рис. 8.1 представлен типичный спектр всех видов электромагнитного излучения, которые различаются длинами волн.
Рис. 8.1. Типичный спектр всех видов электромагнитного излучения
Человеческий глаз реагирует на видимый свет в диапазоне электромагнитного спектра 0,4 – 0,75 микрон. Большая часть инфракрасных температурных измерений производится в диапазоне 0,2 - 20 микрон.
Количество излучаемой энергии связано с температурой объекта. Для большинства промышленных применений эта энергия излучается в диапазоне инфракрасных длин волн, который используется, чтобы определить температуру объекта. На рис. 8.2 показано распределение энергии, излучаемой объектом при различных температурах. Чем выше температура объекта, тем выше пиковый энергетический уровень. Длина волны, у которой наблюдается пик энергии становится короче при увеличении температуры. При низких температурах пик энергии - в диапазоне длинных длин волн.
Рис. 8.2. Распределение энергии, излучаемой объектом при различных температурах.
Инфракрасное излучение как любое электромагнитное излучение может отражаться, проходить, поглощаться или испускаться. На рис. 8.3 показана типичная картина преобразования энергии инфракрасного излучения.
Рис.8.3 Типичная картина преобразования энергии инфракрасного излучения.
Количество энергии, излучаемой от объекта зависит от его температуры и его коэффициенте излучения. Объект, который имеет способность излучать максимально возможную энергию данной температуры известен как абсолютно черное тело.
Коэффициент излучения объекта - соотношение излучаемой им энергии, к той энергии, которую объект излучал бы, если он был бы абсолютно черным телом.
Для непрозрачного объекта коэффициент излучения + отражательная способность = 1.0 следовательно, очень рефлексивный материал – это неполный излучатель инфракрасной энергии, поэтому он будет иметь низкое значение коэффициента излучения. Для многих материалов существуют таблицы значений коэффициентов излучения. Хотя таблицы значений коэффициентов излучения могут быть полезными для того, чтобы понять, как будет вести себя материал, в действительности при попытке учесть коэффициент излучения большинства поверхностей с низким коэффициентом излучения, ошибки могут быть недопустимо большими. Температуры неокрашенных и неокисленных металлов трудно определить на тепловом изображении, поскольку они слабо испускают и сильно отражают излучение.
Таблица 8.1 Типичные коэффициенты излучения материалов
| Материал | Коэффициент излучения |
| Сталь полированная Сталь оксидированная | 0,18 0,85 |
| Медь полированная Медь оксидированная | 0,10 0,61 |
| Алюминий полированный Алюминий оксидированный | 0,05 0,30 |
| Бетон | 0,90 |
| Асфальт | 0,90 |
| Красный кирпич | 0,93 |
| Графит | 0,85 |
| Ткань | 0,85 |
Поверхности с низким коэффициентом излучения необходимо каким-то образом изменить, например, с помощью изоленты или краски, чтобы повысить их коэффициент излучения. Это сделает как интерпретацию, так и измерения точными и подходящими для практических задач.
8.2. Тепловизоры и их назначение.
Основной инструмент контроля, используемой при термографии - тепловизор.
Это сложный прибор, который измеряет естественное инфракрасное излучение от нагретого предмета и воспроизводит его тепловое изображение. Поскольку физический контакт с исследуемой установкой не требуется, процесс контроля может быть осуществлен в ходе полной эксплуатации установки без всякой остановки технологического процесса. На рис. 8.4 представлена типичная конструктивная схема инфракрасного тепловизора.
Рис. 8.4. Типичная схема инфракрасного тепловизора.
Тепловизор фокусирует энергию этого излучения через оптическую систему на детектор. Детектор преобразовывает инфракрасную энергию в электрическое напряжение, которое после того, как пройдут процессы усиления и обработки комплексного сигнала используются, чтобы построить тепловое изображение, видимое оператором на видоискателе тепловизора.
Оптическая система термометра должна быть разработана так, чтобы она была способна к передаче полного диапазона длин волны в пределах точно установленной спектральной чувствительности. Если, например, тепловизор имеет спектральную чувствительность 8-11,5 мкм, то оптическая система должна быть способна пропустить поток излучения в этом диапазоне длин волны. Если бы оптические элементы этого инструмента были сделаны, например, из кварца, то тепловизор не смог бы видеть объект правильно.
Тепловизор определяет точно температуру объекта только при наличии его коэффициента излучения. Температура предмета не может быть определена, просто измеряя его излучаемую инфракрасную энергию.
Во многих тепловизорах можно произвести коррекцию как коэффициента излучения, так и температуры фона. Коэффициент излучения предмета может быть определен либо с помощью консультации с литературой изготовителя, либо оценкой коэффициента излучения объекта лабораторным методом.
Одним из путей преодоления проблемы незнания коэффициента излучения является прием математического исправления температурного значения измерения. Это обычно выполняется в ходе процессорной обработки сигналов тепловизора. Современные тепловизоры имеют функцию установки компенсации, которая может быстро и легко быть установлено оператором.
Обычный тепловизор имеет несколько общих для всех подобных приборов компонентов, включающих объектив, крышку объектива, дисплей, приемник излучения и обрабатывающую электронику, органы управления, устройства хранения данных, а так же программное обеспечение для обработки данных и создания отчетов. Эти компоненты могут изменяться в зависимости от типа и модели тепловизионной системы.
Объективы. Тепловизоры имеют как минимум один объектив. Объектив тепловизора собирает инфракрасное излучение и фокусирует его на приемнике излучения. Приемник излучения выдает сигнал и создает электронное (тепловое) изображение или термограмму. Объектив тепловизора используется для того, чтобы собрать и сфокусировать приходящее инфракрасное излучение на приемнике излучения. Объективы большинства длинноволновых тепловизоров изготовлены из германия. Пропускание объективов улучшается за счет тонкопленочных просветляющих покрытий.
Дисплеи. Тепловое изображение отображается на жидкокристаллическом дисплее, расположенном на тепловизоре. Дисплей должен иметь большой размер и высокую яркость, чтобы изображение на нем можно было легко увидеть в различных условиях освещенности в различных местах работы. На дисплее часто отображается дополнительная информация, такая как уровень заряда аккумулятора, дата, время, температура объекта (в °F, °C, или K), видимое изображение и цветовая шкала температур.
Приемник излучения и схемы обработки сигнала. Приемник излучения и схемы обработки сигнала используются для превращения инфракрасного излучения в полезную информацию. Тепловое излучение от объекта фокусируется на приемнике излучение,который обычно изготовлен из полупроводниковых материалов. Тепловое излучениегенерирует измеряемый сигнал на выходеприемника излучения. Сигнал обрабатываетсяэлектронными схемами внутри тепловизора,чтобы на дисплее прибора появилось тепловое изображение.
Органы управления. С помощью органов управления можно выполнить разнообразные электронные настройки для улучшения теплового изображения на дисплее. В электронном виде изменяются такие настройки, как диапазон температур, тепловой уровень и диапазон, цветовая палитра и настройки слияния изображения. Так же можно установить значение коэффициента излучения и отраженной фоновой температуры.
Устройства хранения данных. Электронные цифровые файлы, содержащие тепловые изображения и дополнительные данные, сохраняются на различных типах электронных карт памяти или устройств хранения и передачи данных. Многие инфракрасные тепловизионные системы так же позволяют сохранять дополнительные голосовые и текстовые данные, а так же соответствующее видимое изображение, полученное с помощью встроенной камеры, работающей в видимом спектре.
Программное обеспечение для обработки данных и создания отчетов.Программное обеспечение, которое используется с большинством современных тепловизионных систем, является функциональным и удобным для пользователя. Цифровые тепловые и видимые изображения импортируются на персональный компьютер, где их можно просмотреть с использованием различных цветовых палитр, произвести другие настройки всех радиометрических параметров, а так же воспользоваться функциями анализа. Обработанные изображения можно вставить в шаблоны отчетов и либо отправить на принтер, либо сохранить в электронном виде, или отправить заказчику через Интернет.
8.3. Охлаждаемые и неохлаждаемые тепловизоры.
Тепловое излучение ослабляется при прохождении через атмосферу вследствие поглощения молекулами газа, аэрозолями, осадками, а также дымом, туманом, смогом и т.п.
Следующие вещества поглощают инфракрасное излучение в широких полосах с соответствующими указанными длинами волн:
а) вода (2,7; 3,2; 6,3 мкм);
б) углекислый газ (2,7; 4,3; 15 мкм);
в) озон (4,8; 9,6; 14,2 мкм);
г) закись азота (4,7; 7,8 мкм);
д) окись углерода (4,8 мкм);
е) метан (3,2; 7,8 мкм).
В результате существуют так называемые «окна» прозрачности атмосферы, в которых можно производить измерения (рис. 8.5).
Рис. 8.5. «Окна» прозрачности атмосферы
Таким образом, принимая во внимание вышесказанное, можно определить положение двух окон прозрачности: 3,5 - 5 мкм и 8 - 14 мкм. На практике наличие «окон» прозрачности означает то, что все тепловизоры должны работать в этих диапазонах. Коротковолновый (3 - 5 мкм) диапазон более характерен для охлаждаемых тепловизоров, длинноволновый (8 - 14 мкм) – для неохлаждаемых. Это объясняется технологическими принципами приборов. Для качественного детектирования излучения в указанных участках спектра необходимы разные устройства. В коротковолновом диапазоне применяют приемники с фотоэлектрическим эффектом – энергии кванта достаточно, чтобы под воздействием излучения электроны перешли в зону проводимости. В длинноволновом же гораздо чаще применяют болометры, так как
обнаруживать излучение в этом участке спектра проще при помощи терморезистивного эффекта.
Цена на охлаждаемые тепловизоры значительно больше, чем на неохлаждаемые. Причиной высокой стоимости является дороговизна полупроводниковых матриц и устройств охлаждения до сверхнизких температур. Но иногда только охлаждаемый тепловизор может решить поставленную задачу.
Основными преимуществами охлаждаемых тепловизоров являются:
- лучшая разрешающая способность – они работают в более коротковолновом диапазоне по сравнению с болометрическими тепловизорами
- охлаждаемые тепловизоры обладают большей контрастной чувствительностью. Это является следствием различной физики фотоэлектрического и терморезистивного эффектов.
- сочетание первых двух факторов дает третье преимущество – гораздо большую дальность обнаружения. Дальность обнаружения в 10 км – далеко не предел для охлаждаемого устройства.
Недостатки охлаждаемых систем:
- высокая потребляемая мощность, вызванная наличием устройств охлаждения, по сравнению с неохлаждаемыми устройствами.
- довольно длительное время охлаждения – между включением тепловизора и получением изображения может пройти несколько минут.
- ограниченный срок эксплуатации, вызванный сроком наработки на отказ охлаждающего элемента, – обычно это несколько тысяч часов непрерывной работы.
Основными преимуществами неохлаждаемых тепловизоров являются:
- рабочий диапазон лучше приспособлен для наблюдения в условиях дыма, тумана, смога – в диапазоне 8-14 микрон излучение не поглощается ни парами воды, ни углекислым газом (окно прозрачности «более прозрачное», чем в диапазоне 3-5 микрон).
- сравнительно небольшой размер и вес.
- неохлаждаемые тепловизоры работают сразу после включения. Также для них характерна меньшая потребляемая мощность.
- очень долгий срок наработки на отказ.
Основным недостатком неохлаждаемых тепловизоров является требование использования светосильной оптики – для появления терморезистивного эффекта необходимо собрать и передать на болометр большое количество энергии. Поэтому для достижения требуемого отношения «сигнал/шум» на выходе фотоприемника требуется оптика с большим диаметром входного зрачка.
Еще один недостаток неохлаждаемых тепловизоров заключается в излучательной способности характерных тел, нагретых до различной температуры. Так, например, можно привести следующие важные максимумы:
1. человек – 9,36 микрон.
2. автомобиль или катер с двигателем внутреннего сгорания – 8,45 микрон.
3. лесной пожар – около 3 микрон.
И человек, и автомобиль имеют заметную светимость в коротковолновом диапазоне, поэтому для наблюдения за ними на больших расстояниях нужно применять тепловизоры, работающие в области 3-5 микрон. Болометрические тепловизоры не могут решить эту задачу из-за указанных выше физических ограничений.
Литература.
1. Хадсон Р., Инфракрасные системы.- М., «Мир», 1972.
2. Введение в термографию, American Technical Publishers Inc.,
Fluke Corporation, и The Snell Group, 2009.
3. http://flir.com