Термограмма

Термограмма — это изображение, полученное в инфракрасном (тепловом) диапазоне электромагнитного спектра, которое отображает распределение температуры на поверхности объекта. Термограмма представляет собой визуализацию теплового излучения, испускаемого всеми телами, температура которых выше абсолютного нуля. В отличие от обычных фотографий, фиксирующих отражённый видимый свет, термограмма регистрирует собственное тепловое излучение объекта, что позволяет получить информацию о его температурном поле. Каждому значению температуры на термограмме присваивается определённый цвет или оттенок серого, что делает её наглядным инструментом для бесконтактного измерения и анализа температуры.

Физические основы

В основе получения термограммы лежит закон Планка, описывающий спектральную плотность энергетической светимости абсолютно чёрного тела, и закон Стефана — Больцмана, согласно которому полная мощность излучения пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры. Для реальных тел излучение зависит также от их излучательной способности (коэффициента эмиссии). Термографические камеры (тепловизоры) регистрируют инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 0,75 до 14 мкм, в зависимости от типа используемого детектора. Наиболее распространены диапазоны 3–5 мкм (коротковолновый) и 8–14 мкм (длинноволновый), соответствующие «окнам прозрачности» атмосферы, где поглощение инфракрасного излучения водяным паром и углекислым газом минимально.

История развития

Первые наблюдения теплового излучения были сделаны ещё в 1800 году Уильямом Гершелем, который обнаружил инфракрасное излучение, используя призму и термометр. Однако практическое получение термограмм стало возможным только с развитием электроники и детекторов. В 1940-х годах в США и Великобритании были созданы первые военные тепловизоры для ночного видения. В 1950-х годах шведская компания AGA (ныне часть FLIR Systems) разработала первый коммерческий тепловизор. В 1960-х годах появились первые термографические системы для медицинской диагностики. В СССР активные исследования в области тепловидения начались в 1970-х годах в Институте радиотехники и электроники АН СССР. С 1990-х годов, с удешевлением неохлаждаемых микроболометрических матриц, термография стала широко доступна для промышленного и бытового применения.

Типы термографических систем

По способу получения изображения

• Статические термографы — формируют единичный снимок (термограмму) в определённый момент времени. Используются для контроля однородности температурных полей.
• Динамические термографы — регистрируют последовательность термограмм с заданной частотой (видеотермография). Позволяют наблюдать за изменением температуры во времени, например, при нагреве или охлаждении объекта.

По типу детектора

• Охлаждаемые тепловизоры — используют детекторы (например, на основе InSb, HgCdTe), работающие при криогенных температурах (обычно 77 К, достигаемых с помощью жидкого азота или микроохладителей). Обеспечивают высокую чувствительность и быстродействие, но дороги и громоздки.
• Неохлаждаемые тепловизоры — работают на основе микроболометров (термисторов), изменяющих сопротивление при нагреве. Не требуют охлаждения, компактны, дешевле, но имеют меньшую чувствительность и скорость считывания. Наиболее распространены в гражданской сфере.

По спектральному диапазону

• Длинноволновые (LWIR, 8–14 мкм) — оптимальны для наблюдения объектов с температурой, близкой к комнатной, так как пик излучения приходится на этот диапазон.
• Коротковолновые (SWIR, 0,9–1,7 мкм) и средневолновые (MWIR, 3–5 мкм) — используются для наблюдения высокотемпературных объектов (например, печей, двигателей) или в условиях сильного поглощения атмосферы.

Применение

Промышленность и энергетика

Термография широко применяется для неразрушающего контроля оборудования. С её помощью выявляют:

• перегревы контактов и соединений в электроустановках (подстанции, линии электропередачи);
• дефекты теплоизоляции зданий и трубопроводов;
• утечки тепла в ограждающих конструкциях (тепловизионное обследование зданий);
• локальные перегревы в механизмах (подшипники, редукторы);
• дефекты в композитных материалах (расслоения, трещины).

Медицина

Медицинская термография (термодиагностика) используется для выявления воспалительных процессов, нарушений кровообращения, опухолей, заболеваний опорно-двигательного аппарата. Метод основан на том, что патологические участки часто имеют повышенную или пониженную температуру относительно здоровых тканей. В России термография применяется в маммологии (диагностика рака молочной железы), ангиологии, неврологии. Однако метод не является основным из-за низкой специфичности и чувствительности по сравнению с МРТ или УЗИ.

Строительство и энергоаудит

Термограммы позволяют выявить мостики холода, дефекты утепления, скрытую влажность, протечки кровли. Энергоаудиторы используют тепловизоры для составления тепловых карт зданий и оценки эффективности систем отопления и вентиляции.

Военное дело и безопасность

Тепловизоры являются неотъемлемой частью прицелов, приборов наблюдения и систем наведения. Они позволяют вести разведку и прицеливание в полной темноте, в условиях дыма, тумана, пыли. Термограммы используются для поиска людей, скрытых в засадах, обнаружения мин, разведки местности.

Научные исследования

Термография применяется в астрономии (изучение температурных полей планет и звёзд), в материаловедении (контроль процессов кристаллизации, закалки), в биологии (изучение терморегуляции животных), в экологии (мониторинг тепловых выбросов предприятий).

Ограничения и ошибки

• Излучательная способность (эмиссия): термограмма показывает не истинную температуру, а температуру, скорректированную на коэффициент эмиссии материала. Для объектов с низкой эмиссией (полированный металл, стекло) показания могут быть сильно искажены.
• Отражение: термограмма может фиксировать отражённое тепловое излучение от окружающих объектов, что приводит к ложным «горячим» или «холодным» точкам.
• Атмосферное поглощение: дождь, туман, снег, сильная запылённость снижают дальность и точность измерений.
• Разрешение: пространственное разрешение термограмм обычно ниже, чем у фотографий в видимом диапазоне, что затрудняет идентификацию мелких деталей.
• Калибровка: для точных измерений требуется регулярная калибровка тепловизора по эталонному источнику (чёрному телу).

Методы анализа термограмм

Для количественного анализа термограмм используются:

• Термографические профили — графики распределения температуры вдоль заданной линии.
• Термографические гистограммы — распределение пикселей по температуре.
• Термографические карты — наложение термограммы на видимое изображение (режим «картинка в картинке» или «тепловое наложение»).
• Автоматический анализ — с помощью программного обеспечения (например, FLIR Tools, Testo IRSoft, ThermoPro) для выявления аномалий, расчёта тепловых потерь, построения отчётов.

Интересные факты

• Первая в мире термограмма человека была получена в 1956 году в США.
• Термография используется в ветеринарии для диагностики заболеваний у животных, например, для выявления воспаления копыт у лошадей.
• В 2020–2021 годах, в период пандемии COVID-19, тепловизоры массово применялись для бесконтактного измерения температуры тела в аэропортах, школах и офисах, однако точность таких измерений была ограничена из-за влияния внешних факторов.
• В России существует ГОСТ Р 8.619-2006 «Тепловизоры. Методы поверки», регламентирующий метрологические характеристики тепловизионных приборов.

Источники

• ГОСТ Р 8.619-2006 «Тепловизоры. Методы поверки»
• Криксунов Л. З. «Справочник по основам инфракрасной техники» — М.: Советское радио, 1978.
• Волков В. Г., Макаров А. В. «Тепловизионный контроль в электроэнергетике» — М.: Энергоатомиздат, 2005.
• Холодов А. С. «Медицинская термография: современное состояние и перспективы» — Журнал «Медицинская техника», 2018.
• FLIR Systems. «Thermography: Principles and Applications» — 2015.