Измерение температуры поверхности путем регистрации параметров исходящего от нее теплового излучения при помощи электронно-оптических устройств, называется инфракрасной термографией. Как нетрудно догадаться, в данном случае тепло передается от исследуемой поверхности — к измерительному прибору, в форме электромагнитных волн инфракрасного спектра.
Инфракрасная термография — это метод измерения температуры поверхности объектов с помощью инфракрасного излучения, которое они испускают. Тепловое изображение — это визуальное представление распределения температуры на поверхности объекта, полученное с помощью инфракрасной термографии.
Тепловое изображение обычно имеет цветовую шкалу, где разные цвета соответствуют разным температурам. Например, красный цвет может означать высокую температуру, а синий — низкую.
Инфракрасная термография и тепловое изображение имеют много применений в разных областях, таких как медицина, промышленность, военное дело, наука и искусство. С их помощью можно обнаруживать воспаления, дефекты, утечки, скрытые объекты, химические реакции и многое другое.
Современные электронно-оптические устройства инфракрасной термографии способны измерять поток ИК-излучения, и на основе полученных данных вычислять температуру поверхности, с которой взаимодействует измерительное оборудование.
Конечно же, человек способен чувствовать инфракрасное излучение, и может даже ощущать нервными окончаниями на поверхности кожи изменения температуры в пределах сотых долей градуса. Тем не менее, имея столь высокую чувствительность, тело человека не приспособлено для того, чтобы без вреда для здоровья определять на ощупь сравнительно высокие температуры. В лучшем случае это чревато ожоговыми травмами.
И даже если бы чувствительность у человека к температуре оказалась столь же высокой как у животных, способных обнаруживать жертву по теплу в полной темноте, все равно рано или поздно ему потребовался бы более чувствительный инструмент, могущий работать в более широком температурном диапазоне, нежели позволяет естественная физиология.
В конце концов такой инструмент был разработан. Сначала это были механические устройства, а позже и сверхчувствительные - электронные. Сегодня данные приборы кажутся привычными атрибутами, когда необходимо провести тепловой контроль для решения какой-нибудь из бесчисленного множества технических задач.
Само слово «инфракрасный» или сокращенно «ИК» - обозначает положение тепловых волн «за красным», по их расположению на шкале широчайшего спектра электромагнитных излучений. Что касается слова «термография», то оно включает в себя «термо» - температура и «графия» - изображение - температурное изображение.
Истоки инфракрасной термографии
Основу данного научно-исследовательского направления заложил немецкий астроном Уильям Гершель, проводивший в 1800 году исследования со спектрами солнечного света. Пропуская солнечный свет через призму, Гершель размещал чувствительный ртутный термометр в зонах различных цветов, на которые разделялся падающий на призму солнечный свет.
В ходе эксперимента, при перемещении термометра за красную полосу, он обнаружил, что и там присутствует некое невидимое, однако оказывающее ощутимое нагревающее действие, излучение.
Излучение, которое заметил в своем эксперименте Гершель, лежало в той области электромагнитного спектра, которая не воспринималась человеческим зрением как какой-то цвет. Это была область «невидимого теплового излучения», хотя и лежала определенно в пределах спектра электромагнитных волн, но ниже крайнего видимого — красного.
Позже немецкий физик Томас Зеебек откроет термоэлектричество, а в 1829 году итальянский физик Нобили создаст термобатарею на основе первых известных термопар, принцип работы которой будет основан на том, что при изменении температуры между двумя разнородными металлами, на концах составленной из них цепи возникает соответствующая разность потенциалов.
Меллони в скором времени изобретет так называемый термостолбик (из установленных последовательно термобатарей), и, сфокусировав на нем инфракрасные волны определенным образом, сумеет обнаружить источник тепла на расстоянии в 9 метров.
Термобатарея — последовательное соединение термоэлементов для получения большей электрической мощности или холодопроизводительности (при работе соответственно в термогенераторном или охлаждающем режимах).
Сэмюел Лэнгли в 1880 году обнаружит по теплу на расстоянии 300 метров корову. Это будет сделано при помощи балометра, измеряющего изменение электрического сопротивления, которое неразрывно связано с изменением температуры.
Наследник своего отца, Джон Гершель, в 1840 году использует эвапорограф, при помощи которого получит первое инфракрасное изображение в отраженном свете благодаря механизму испарения с различной скоростью тончайшей пленки масла.
Сегодня для дистанционного получения тепловых изображений используют специальные приборы - тепловизоры, позволяющие без контакта с исследуемым оборудованием получать информацию об инфракрасном излучении и тут же визуализировать ее. Первые тепловизоры имели в своей основе фоторезистивные датчики ИК-излучения.
Американец Кейс до 1918 года проводил эксперименты с фотосопротивлениями, где получал сигналы благодаря их прямому взаимодействию с фотонами. Так был создан чувствительный приемник теплового излучения, работающий на принципе фотопроводимости.
Инфракрасный термографический анализ широко используется в качестве метода технического обслуживания, позволяющего выявить любые дефекты, производящие тепло. Таким образом, термография широко используется в механическом и электрическом оборудовании, имея ряд преимуществ, таких как: низкая стоимость и высокая эффективность в дополнение к безопасности, поскольку прямой физический контакт с оборудованием не требуется. Неудивительно, что инфракрасная термография - это один из очень удобных видов диагностики и профилактического обслуживания, который все чаще применяется при эксплуатации различного электрооборудования.
ИК-термография в современном мире
В военные годы громоздкие тепловизоры служили в основном для военных целей, поэтому развитие тепловизионной техники после 1940 года ускорилось. Немцы выяснили, что охлаждая фоторезистивный приемник, можно улучшить его характеристики.
После 60-х годов появились первые переносные тепловизоры, при помощи которых проводили диагностику зданий. Это были надежные приборы, но с изображением низкого качества. В 80-е годы тепловидение начало внедряться не только в промышленность, но и в медицину. Тепловизоры калибровались так, что давали радиометрическое изображение — температуры всех точек изображения.
Первые тепловизоры, охлаждаемые газом, выводили изображение на черно-белый экран кинескопа с электронно-лучевой трубкой. Уже тогда с экрана можно было вести запись на магнитную ленту или на фотобумагу. Менее дорогие модели тепловизоров работали на основе видиконных трубок, не требовали охлаждения, были более компактными, хотя тепловое изображение не было радиометрическим.
К 90-м годам для гражданского применения стали доступны матричные приемники инфракрасного излучения, включающие в себя массивы прямоугольных ИК-приемников (чувствительных пикселей), установленных в фокальной плоскости объектива прибора. Это был значительный шаг по сравнению с первыми сканирующими ИК-приемниками.
Качество тепловых изображений все улучшалось, пространственное разрешение повышалось. Средние современные матричные тепловизоры имеют приемники с разрешением до 640*480 — 307200 микро-ИК-приемников. Профессиональные устройства могут иметь более высокое разрешение — превосходящее 1000*1000.
Технология ИК-матриц развивалась в 2000-е. Появились тепловизоры длинноволнового рабочего диапазона — воспринимающие волны длиной от 8 до 15 мкм и средневолновые — рассчитанные на длину волны от 2,5 до 6 мкм. Лучшие модели тепловизоров целиком радиометрические, обладают функцией наложения изображений и чувствительностью в 0,05 и менее градусов. В последние 10 лет цена на них снизилась более чем в 10 раз, а качество улучшилось. Все современные модели умеют взаимодействовать с компьютером, сами анализируют данные и представляют удобные отчеты в любом подходящем формате.
Тепловизоры
Тепловизор включает в себя несколько стандартных частей: объектив, дисплей, приемник инфракрасного излучения, электронику, органы управления измерениями, устройство хранения. Вид разных частей может отличаться от модели к модели. Тепловизор работает следующим образом. Инфракрасное излучение фокусируется оптикой на приемник.
Приемник генерирует сигнал в форме напряжения или изменяющегося сопротивления. Данный сигнал подается на электронику, которая и формирует изображение — термограмму на экране. Различные цвета на экране соответствуют разным частям инфракрасного спектра (каждый оттенок соответствует своей температуре), в зависимости от характера распределения тепла по поверхности исследуемого тепловизором объекта.
Дисплей обычно имеет небольшой размер, обладает высокой яркостью и контрастностью, позволяющей разглядеть термограмму в разных условиях освещенности. Кроме изображения на дисплее обычно отображается дополнительная информация: уровень заряда аккумулятора, дата и время, температура, цветовая шкала.
Приемник ИК-излучения изготавливается из полупроводникового материала, генерирующего электрический сигнал под действием падающих на него ИК-лучей. Сигнал обрабатывает электроника, формирующая изображение на дисплее.
Для управления предназначены кнопки, позволяющие изменять диапазон измеряемых температур, настраивать цветовую палитру, коэффициент отражения и излучения фона, а также сохранять изображения и отчеты.
Цифровые файлы изображений и отчетов сохраняются обычно на карту памяти. Некоторые тепловизоры обладают функцией записи голоса и даже видео в зрительном спектре. Все цифровые данные, сохраненные во время работы с тепловизором, могут быть просмотрены на компьютере и проанализированы при помощи прилагаемого к тепловизору ПО.
Смотрите также: Бесконтактное измерение температуры при эксплуатации электрооборудования