Тепловизор — прибор визуализации теплового излучения¶
Тепловизор — это прибор (обычно портативный или стационарный), предназначенный для регистрации инфракрасного (теплового) излучения объектов и преобразования его в видимое изображение, в котором яркость или цвет соответствуют температуре поверхности. Тепловизор относится к классу оптико-электронных приборов и работает в диапазоне длин волн инфракрасного спектра, невидимого человеческим глазом. Основное назначение — бесконтактное измерение температур и обнаружение тепловых аномалий.
¶Принцип работы
Все объекты с ненулевой абсолютной температурой излучают электромагнитное излучение, интенсивность и спектральный состав которого зависят от температуры и свойств поверхности (величины излучательной способности, эмиссии). Тепловизор улавливает это излучение оптической системой, фокусирует его на матрице инфракрасных детекторов (фокальной плоскости), а электронный блок обрабатывает сигнал и формирует температурную карту (термограмму) на экране.
Ключевые характеристики процесса:
- Диапазон регистрации. Практические тепловизоры работают в двух «окнах» прозрачности атмосферы: 3–5 мкм (средний ИК) и 8–14 мкм (длинноволновый ИК). Первый диапазон удобен для высокотемпературных объектов, второй — для объектов с температурой близкой к окружающей среде.
- Чувствительность (NETD). Показывает наименьшую разницу температур, которую прибор способен различить; у современных приборов составляет десятки милликельвинов.
- Разрешение матрицы. Определяет детализацию изображения; в портативных моделях обычно от 160×120 до 640×480 пикселей.
- Частота кадров. Для статичных объектов достаточно 9 Гц, для динамичных сцен — 30–60 Гц.
¶Классификация
По назначению тепловизоры делятся на:
- Промышленные — для контроля электрооборудования, трубопроводов, зданий, технологических процессов.
- Медицинские — для скрининга температуры тела и выявления очагов воспаления.
- Военные и охотничьи — для обнаружения людей, техники и животных в темноте, дыму или тумане.
- Пожарные — для поиска очагов возгорания и людей в задымлённых помещениях.
- Научные — для лабораторных измерений и тепловизионного анализа материалов.
По типу охлаждения детектора различают приборы с охлаждаемыми (криогенными) матрицами — высокочувствительные, но тяжёлые и дорогие, и с неохлаждаемыми матрицами — компактные, доступные по цене, что и определяет их широкое распространение в портативных устройствах.
¶Основные производители и рынок
Мировой рынок тепловизионных приборов формируют компании FLIR (США, входит в Teledyne), Teledyne FLIR, Seek Thermal, InfraTec (Германия), Ophir Optronics, Lynred (Франция, производство матриц). В России разработкой и производством тепловизоров занимаются предприятия «Планета» (Москва), «Katod» (Новосибирск), «Инфротех» (Москва), «Sofradir EC» и ряд других. Отечественные приборы широко применяются в военной технике, промышленной диагностике и охотничьем снаряжении.
¶Применение
¶Промышленность и энергетика
Тепловизионный контроль — стандартный метод неразрушающего контроля. Перегрев контактных соединений в электрощитах, дефекты изоляции, утечки тепла через ограждающие конструкции зданий, засорение теплообменников выявляются дистанционно и без остановки оборудования. В строительной теплотехнике тепловизоры используются для аудита энергоэффективности зданий.
¶Медицина
Медицинские тепловизоры применяются для скрининга температуры тела (широкое распространение получили во время пандемии COVID-19), а также в качестве вспомогательного метода при обследовании вен, выявлении воспалительных процессов и оценки кровообращения.
¶Охота и туризм
Компактные тепловизионные монокуляры и прицелы позволяют обнаруживать животных и людей на расстояниях от нескольких сотен метров до километра в полной темноте, что делает их популярным средством ночной охоты и наблюдения.
¶Безопасность и охрана
Тепловизионные камеры используются в системах периметровой охраны: они обнаруживают нарушителей в темноте и сложных погодных условиях, где обычные камеры бесполезны.
¶Бытовое применение
Снижение стоимости неохлаждаемых матриц привело к появлению бытовых тепловизоров, подключаемых к смартфонам. Они используются для поиска скрытых протечек, «холодных» мостов в утеплении, проверки работы тёплых полов.
¶Ограничения
Тепловизор показывает температуру поверхности, а не внутреннюю температуру объекта. Точность измерения зависит от величины излучательной способности (эмиссии) поверхности: гладкие металлические поверхности с низкой эмиссией дают завышенные показания из-за отражённого излучения. Для точных измерений требуется правильная настройка эмиссии, расстояния и поправок на атмосферное поглощение. Тепловизор не «видит» сквозь стекло в диапазоне 8–14 мкм и не определяет точную температуру объектов за отражающими преградами.
Источники:
- ГОСТ Р 52630-2012. Тепловизионный контроль. Общие технические требования.
- Инфракрасная термография: учебное пособие / под ред. Ю. Г. Васильева. — М.: МАКС Пресс.
- Каталоги и техническая документация Teledyne FLIR, «Планета», «Инфротех».
- Статья «Thermal imaging» в журнале Optics & Photonics News.