Виды тепловизионных приборов
Проверка частного дома на теплопотери ИК-камерой дает возможность провести максимально точные измерения и качественный анализ всех температурных показателей. А после этого, на основе оперативно полученных данных, грамотно выполнить ремонтные работы и/или модернизацию жилого объекта.
Для тепловизионной диагностики задействуют два типа устройств:
- стационарные тепловизоры;
- портативные инфракрасные камеры.
Стационарные приборы используют в основном на производственных предприятиях. Они предназначены для регулярной проверки состояния электросетей и постоянного мониторинга сложного техоборудования. Стационарные системы тепловидения выполнены на полупроводниковых матрицах фотоприемников.
При помощи портативных тепловизоров проводят энергоаудит жилых многоквартирных зданий и частных построек. Эти устройства используют как для одноразовой локальной проверки, так и для комплексной диагностики домов.
Переносные тепловизоры разработаны на основе кремниевых неохлаждаемых микроболометров и отлично подходят для применения в труднодоступных местах.
Тепловизионная съемка – эффективный бесконтактный метод обследования, который целесообразно совмещать с применением аэродвери для измерения и контроля воздухопроницаемости зданий
В зависимости от функциональных возможностей различают три вида тепловизоров:
- Наблюдательные приборы — обеспечивают только визуализацию различных теплоконтрастных объектов, часто в монохромном виде.
- Измерительные устройства — создают графическое изображение в пределах инфракрасного излучения и присваивают каждой точке светового сигнала определенное значение температуры.
- Визуальные пирометры — предназначены для бесконтактных температурных измерений и визуализации теплового поля конкретных объектов с целью обнаружить зоны с отклонениями от нормальных показателей.
Цена на хорошие функциональные приемники теплового излучения стартует от 3000 долларов. Их покупка для одноразового обследования дома просто нерентабельна. Многие компании сегодня предлагают строительные тепловизоры в аренду на сутки. Это очень удобная услуга.
Также можно заказать полное профессиональное тепловизионное обследование коттеджа/дома. Средняя стоимость съемки тепловизором составляет 5 долларов за 1 метр квадратный площади частного жилого объекта.
Как правило, стоимость тепловизоров является показателем их функциональности. Но даже бюджетные модели эффективно выполняют инфракрасную диагностику. А потому при выборе стоит ориентироваться на базовые технические характеристики и умение решать конкретные задачи.
Функциональные возможности тепловизионных камер зависят от разрешения инфракрасного датчика, его чувствительности и рабочего диапазона температур
Значительно упростят тепловизионную диагностику дома и различные аксессуары – съемные оптические широкоугольные объективы для рассмотрения общего плана и телеобъективы для детализации критических участков, раскладные штативы, контейнеры для хранения аккумуляторов.
Сферы применения
Применение тепловизоров в военном деле
Область применения связана со способностью преобразовывать тепловое излучение в спектр, который воспринимает человеческий глаз, обнаруживать самые незначительные объекты, излучающие электромагнитные волны. Если определить интенсивность излучения, то можно рассчитать температуру исследуемого объекта и предположить, что это. При помощи аппарата определяется разница температур, при отсутствии контакта с объектами, они не реагируют на помехи, не могут быть обнаружены системами слежения, имеют большую дальность действия: от 100 м до 3 км. Эти принципы работы позволяют применять их в самых различных областях.
В военной технике
Новая современная техника поступает сегодня на вооружение, имея в своем арсенале встроенные тепловизорные камеры. Их использование позволяет вести боевые действия в условиях плохой видимости, обнаруживать противника и технику. Помимо этого, устройства устанавливаются на беспилотных самолетах и на технике, управляемой дистанционно.
Возможность «видеть» объекты в ночное время – основной показатель, имеющий значение приборов в военной сфере. Принцип успешной работы аппаратуры заключается в четком обнаружении теплового излучения. Для армии производятся специальные аппараты в виде биноклей, прицелов для оружия, ими оснащаются системы наведения. Они оснащены мощными оптическими механизмами, что увеличивает возможности военных тепловизоров многократно.
В морских приборах
Морской или речной порт является сложным транспортным узлом, и его безопасность может обеспечить только самая совершенная охранная аппаратура. Морские тепловизоры предназначены для обеспечения безопасности водных и прибрежных объектов: портов, причалов, складов, речных вокзалов.
Охота
Тепловизор для охоты – хорошее подспорье для тех, кто увлечен выслеживанием добычи
Использование прибора позволяет отслеживать самого осторожного зверя в любое время суток независимо от погоды и видимости
Обследование зданий
С помощью тепловизорных датчиков есть возможность обследовать любое сооружение, чтобы определить место утечки тепла. Результаты исследования станут весомым аргументом для того чтобы доказать плохое качество теплоизоляции стен. Для коммунальщиков применение тепловизора для обследования зданий – хорошее средство правильно определить проблемные зоны и направить силы на утепление конкретных мест.
Применение тепловизора в медицине
Медицина
Использование тепловизора в медицине производилось еще во времена СССР. Приборы позволяют распознать характер заболевания, а также увидеть инфицированного человека среди здоровых по температуре тела, характерной для той или иной болезни.
Обследование с помощью специальной аппаратуры, реагирующей на электромагнитные волны, помогает обнаружить воспалительный процесс с точностью до микрона и найти область патологии. Использование аппарата позволит определить, болен пациент или здоров, увидеть источник заболевания, поставить диагноз.
Чрезвычайные ситуации и АСР
Пожарные, вооруженные прибором, могут увидеть наиболее безопасный путь выхода из огня, минуя самые горячие участки. Спасатели, вооруженные аппаратом, в самых трудных ситуациях имеют возможность найти человека в зоне плохой видимости.
Помимо перечисленных сфер, где применение измерительной тепловой техники – необходимое условие успешной деятельности, данные приборы используются и в других областях промышленности и в повседневной жизни людей. Поэтому сегодня производится много их разновидностей, и выбор тепловизора зависит только от цели его использования.
Технические характеристики устройства свидетельствуют о том, можно ли использовать его как универсальный или его специализация более узкая. Границы температур, на которые ориентирован прибор – главный критерий при выборе. Чтобы не допустить ошибку при покупке, необходимо учитывать, что температурный диапазон устройства должен быть больше температуры исследуемого объекта как минимум на 25%.
Технологии
Все тела, температура которых превышает температуру абсолютного нуля излучают электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка. Спектральная плотность мощности излучения (функция Планка) имеет максимум, длина волны которого на шкале длин волн зависит от температуры. Положение максимума в спектре излучения сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Тела, нагретые до температур окружающего нас мира (-50..+50 градусов Цельсия) имеют максимум излучения в среднем инфракрасном диапазоне (длина волны 7..14 мкм). Для технических целей интересен также диапазон температур до сотен градусов, излучающий в диапазоне 3..7 мкм. Температуры около тысячи градусов и выше не требуют тепловизоров для наблюдения, их тепловое свечение видно невооружённым глазом.
Датчик
Исторически первые тепловизионные датчики для получения изображений были электронно-вакуумными. Наибольшее развитие получила разновидность на основе видиконов с пироэлектрической мишенью. В этих устройствах электронный луч сканировал поверхность мишени. Ток луча зависел от внутреннего фотоэффекта материала мишени под действием инфракрасного излучения. Такие приборы назывались пирикон или пировидикон. Существовали также другие типы сканирующих электронно-вакуумных трубок, чувствительных к тепловому спектру инфракрасного излучения, например термикон и фильтерскан.
На смену электронновакуумным приборам пришли твердотельные. Первые твердотельные датчики были одноэлементными, поэтому для получения двумерного изображения их оснащали электромеханической оптической развёрткой. Такие тепловизоры называются сканирующими. В них система из движущихся зеркал последовательно проецирует на датчик излучение от каждой точки наблюдаемого пространства. Датчик может быть одноэлементным, линейкой чувствительных элементов или небольшой матрицей. Для увеличения чувствительности и снижения инерционности датчики сканирующих тепловизоров охлаждают до криогенных температур. Лучшие охлаждаемые датчики способны реагировать на единичные фотоны и имеют время реакции менее микросекунды.
Современные тепловизоры, как правило, строятся на основе специальных матричных датчиков температуры — болометров. Они представляют собой матрицу миниатюрных тонкопленочных терморезисторов. Инфракрасное излучение, собранное и сфокусированное на матрице объективом тепловизора, нагревает элементы матрицы в соответствии с распределением температуры наблюдаемого объекта. Пространственное разрешение коммерчески доступных болометрических матриц достигает 1280*720 точек. Коммерческие болометры обычно делают неохлаждаемыми для уменьшения цены и размеров оборудования.
Температурное разрешение современных тепловизоров достигает сотых долей градуса Цельсия.
Различают наблюдательные и измерительные тепловизоры. Наблюдательные тепловизоры показывают только градиенты температур объекта. Измерительные тепловизоры позволяют измерить значение температуры заданной точки объекта с точностью до коэффициента излучения (англ.)русск. материала объекта. Измерительные тепловизоры требуют периодической калибровки, для чего зачастую снабжены встроенным устройством для калибровки матрицы, обычно в виде шторки, температура которой точно измеряется. Шторка периодически надвигается на матрицу, давая возможность откалибровать матрицу по температуре шторки.
Оптика
Поскольку обычное оптическое стекло непрозрачно в среднем ИК диапазоне, оптику тепловизоров делают из специальных материалов. Чаще всего это германий, но он дорог, поэтому иногда используют халькогенидное стекло (англ.)русск., селенид цинка или даже полиэтилен. В лабораторных целях оптику также можно делать из некоторых солей, например поваренной соли, также прозрачной в требуемом диапазоне длин волн.
Требования, предъявляемые к специалисту, работающему с подобным оборудованием
Стоит сразу оговориться, что эта тема относится к работникам организаций, осуществляющих аудит. Требования определяются нормативными документами – СниП и ГОСТ. Согласно их положению правила проведения проверки следующие:
- проверяющий обязан во всех деталях знать, как работает тепловизор, уметь им пользоваться, иметь на руках все допуски и лицензии;
- перед осмотром зданий прибор должен пройти поверку, о чем в его техническом паспорте делается отметка;
- запрещается работа с тепловизором в дождь или снег – показания могут быть неверными;
- обязательна разница температур в помещении и вне его, если она отсутствует, то прибор никаких утечек уловить не сможет;
- при производстве повторных замеров с другого ракурса следует убедиться, что расстояние до объекта одинаково;
- при производстве платных проверок в допуске аудитора в обязательном порядке проставляется стоимость услуги.
Seek Thermal Compact для Android
Основные характеристики:
- Разрешение матрицы — 206×156
- Диапазон измерений — от -40 до +330
- Автоматическое распознавание горячих и холодных точек — есть
- Телеобъектив — нет
Матрица и визуализация. Тепловизор наделен матрицей 206х156 рх, что превышает показатели большинства более дорогих моделей. Объектив в корпусе сканирует объект и обрабатывает его в цифровой вид. При помощи miniUSB прибор присоединяется к мобильному телефону или планшету на базе Android, дисплей которого и служит средством визуализации. Благодаря этому значительно экономится место для хранения и транспортировки. На экране телефона 5-6 дюймов отлично видно крупные объекты, будь то система отопления в конференц-зале, чиллер, панорамные окна.
Пример работы Seek Thermal Compact для Android.
Функционал. Тепловизор умеет автоматически выделять верхний и нижний температурный предел, что позволяет сразу понять картину в здании или исследуемом предмете. Диапазон измерений составляет -40…+330º, а это удобно как для поиска перегретых контактов, так и обнаружения утечек охлаждающей жидкости или газа.
Прочный корпус из сплава магния защищает тепловизор от повреждений при работе в экстремальных условиях. Съемка ведется независимо от параметров камеры телефона с углом 36º, что превышает показатели более дорогих конкурентов и практично для панорамного обследования зданий на расстоянии. Линзы и микроболометр VOx обеспечивают видение в инфракрасном свете с диапазоном 7-13 мкм, что устраняет необходимость в дневном или искусственном освещении.
Управление. Чтобы управлять тепловизором, необходимо мобильное устройство на базе Android. В «Плей Маркете» есть приложение, позволяющее взаимодействовать устройствам. Для управления в телефоне на экране появляются 5 кнопок, а также возможно наведение тепловизора на цель касанием пальца по нужной точке.
Плюсы Seek Thermal Compact для Android
- Привлекательная цена.
- Шикарный диапазон измерений -40…+330º С.
- Компактные габариты.
- Весит 235 г.
Минусы Seek Thermal Compact для Android
- Не имеет собственного экрана.
- Тепловизор совместим лишь с ОС «Андроид».
- Взаимодействует только с разъемами miniUSB, но Tipe C уже не поддерживает.
Устройство тепловизора
Тепловизор состоит из нескольких компонентов от качества исполнения которых зависит функциональные возможности прибора:
- Объектив
- Матрица
- Блок электронной обработки сигнала
- Дисплей
- Корпус
Объектив
Объектив является важной частью тепловизора. Через линзы объектива инфракрасное тепловое излучение попадает на матрицу тепловизора
Линзы объектива тепловизора покрыты германиевым напылением, которое хорошо пропускает через себя ИК излучение. Оптика тепловизора имеет черный цвет и характерный блеск.
Важным параметром объектива тепловизора является его диаметр, от которого зависит угол обзора прибора. Чем больше диаметр объектива, тем больше угол обзора тепловизора, а чем больше угол обзора, тем удобнее им пользоваться на охоте.
Современные компактные тепловизоры имеют диаметр объектива от 20 мм, более дорогие и качественные приборы имеют диаметр объектива 50 мм и более.
Матрица тепловизора
Объектив тепловизора фокусирует тепловизоре излучение на болометрической матрице. Болометрическая матрица самая важная часть тепловизора и самая дорогая. Матрица состоит из терморезисторов, напыленных на кристаллическую решетку. Под воздействием ИК излучения терморезисторы матрицы меняют сопротивление, в результате на выходе матрицы образуется электрически сигнал, который передается на блок электронной обработки.
Болометрические матрицы, пригодные для использования в тепловизорах в России не производятся, только три страны в промышленном масштабе могут их производить: США, Франция и Китай. Более того, так как матрицы для тепловизоров являются продукцией двойного назначения, которая может применяться как в гражданских, так и военных целях, в этих странах существуют жесткие ограничения на экспорт таких матриц в другие страны.
Важнейшей характеристикой матрицы является ее разрешение. Чем больше разрешение матрицы, тем лучше. Матрица с высоким разрешением дает более высокое качество картинки и лучшую детализацию, а также позволяет различить животное на более далеком расстоянии.
В тепловизорах начального уровня разрешение матрицы обычно составляет 160х120 точек, что позволяет различит животное на расстоянии до 200 метров. Матрицы с разрешением 240х180 точек, позволяют различить животное на расстоянии до 800 метров. Более качественные тепловизоры имеют матрицу с разрешением 384х288 точек, с их помощью можно различить цель на дистанции до 1500 метров.
Блок электронной обработки сигнала
Блок получает электрический сигнал с болометрической матрицы, обрабатывает его и передает на дисплей для отображения. От характеристик блока зависит частота обновления картинки, чем выше частота обновления картинки, тем лучше.
Дисплей и окуляр из оптического стекла
Изображение от электронного блока обработки сигнала поступает на дисплей для отображения. Дисплей представляет собой жидкокристаллическую или светодиодную матрицу небольшого размера. В некоторых тепловизорах для удобства наблюдения имеется окуляр с резиновым наглазником.
В тепловизорах используются дисплеи двух типов: OLED-дисплеи и LCD–дисплеи. LCD-дисплеи имеют серьезный недостаток, они замерзают при температуре ниже -10С. OLED-дисплеи лишены этого недостатка, они дают картинку хорошего качества с высоким показателем яркости, что позволяет использовать их в любое время суток и при любой температуре окружающего воздуха.
Дисплеи тепловизоров различаются своим разрешением, чем разрешение больше, тем лучше.
Корпус
Корпус защищает внутренние компоненты тепловизора от внешних воздействий. Тепловизоры для охоты эксплуатируются в условиях далеких от идеальных, поэтому большинство из них изготавливается с защитой от ударов, пыли и влаги.
Надежная защита корпуса тепловизора защищает его во время охоты. Тепловизор для охоты должен обладать степенью защиты не ниже IP54, в противном случает такой прибор не заслуживает серьезного внимания.
Функциональное оснащение
Крайне важным критерием для выбора тепловизора является функциональное оснащение прибора. Функциональное оснащение, а также комплектация прибора позволяют настолько расширить область применения, что тепловизор сможет перейти в новые нетрадиционные области проведения измерений. Например, автоматическое отображение самой горячей точки позволяет во время эпидемии гриппа выявлять больных при входе на предприятие, и тем самым не допустить массового заболевания сотрудников. Применение приближающего телеобъектива (zoom) позволяет выполнять энергоаудит зданий на расстоянии или дистанционно оценить состояние элементов ЛЭП, когда она проложена в труднодоступной местности.
Ряд тепловизоров оснащен такими удобными функциями, как:
• измерение влажности на поверхности (поиск влажных мест и мест, где может конденсироваться влага);
• наложение ИК изображения на видимое изображение (TwinPix у тепловизоров фирмы testo);
• функция изотермы (отображение одним цветом заданного температурного диапазона, например 40…50°С) и другими.
Ряд дорогих моделей тепловизоров имеет такие функции, как запись видео в ИК изображении или высокая частота обновления кадров (свыше 40 Гц). На практике это применяется крайне редко в силу дополнительных технических проблем возникающих при редактировании и обработке потокового ИК видео.
Указанные выше две функции используются лишь в рекламно-демонстрационных целях возможностей тепловизора и не имеют распространенных практических применений.
Ряд фирм использует в своих тепловизорах технологию IR-Fusion, позволяющую выполнить одновременную съемку объекта в инфракрасном и видимом диапазонах с совпадением изображений с точностью до одного пикселя, а также оптимизировать полученные изображения в нескольких режимах просмотра, как прямо на камере, так и с помощью компьютерной программы. Возможность отображения на изображениях точки лазерного устройства наводки облегчает точную идентификацию неисправных компонентов в исследуемых объектах.
Очень часто дорогие модели тепловизоров комплектуются объективами с возможностью приближения объекта 2…6х. Такой объектив не только увеличивает массу тепловизора, но и весьма существенно повышает его цену.
Необходимо учитывать тот фактор, что расширенная комплектация тепловизора и его оснащение существенного могут влиять на его цену. Поэтому многие фирмы предлагают целый ряд готовых комплектов тепловизоров, стоимость которых значительно ниже суммы стоимости отдельных опций, включенных в такой комплект. Следовательно, перед покупкой тепловизора Вам надо четко понимать, для каких целей он будет использоваться и какие его функции Вам необходимы, а какие нет.
Таким образом, если стоит задача приобретения современного тепловизора, необходимо, прежде всего, обращать внимание на следующее:
• термочувствительность (NETD);
• размеры ИК детектора или матрицы;
• диапазон измерения температур;
• режимы отображения информации;
• комплектацию и функциональное оснащение прибора.
Каждый производитель стремится выпускать несколько моделей тепловизоров, стоимость которых, несмотря на внешнюю схожесть, может отличаться в несколько раз. Основные параметры ряда тепловизоров фирм Testo, Fluke и Flir, представленных на рынке РФ и Украины, приведены в таблице
Из нее хорошо видно, что больший размер дисплея (например, в приборах Fluke), наличие сенсорного экрана (например, в приборах Flir) и прочее, т.е. далеко не всегда нужные функции, приводят к заметному увеличению массы и цены прибора.
Как выбрать?
Самое важное правило выбора тепловизора (верное и для других видов техники) – то, что самый дешевый аппарат крайне редко имеет необходимое качество. Почти нет смысла сегодня выбирать модели, в которых нет оптической камеры с разрешением 3-5 мегапикселей
Фотографии позволят лучше понять, где находился тот или иной объект, что он из себя представлял и что происходило на деле. Потому именно варианты с фотокамерой следует предпочитать, если планируется по итогам тепловизионной съемки готовить отчеты, доклады.
Что касается лазерного указателя, то и эта опция очень полезна. Благодаря ей можно выделить контуры объекта, находящегося под напряжением, или не подвергать себя иному риску. Если подбирается недорогой тепловизор, сложно рассчитывать на минимальную величину погрешности. Но для практических нужд она не может быть более 2%. Если этот показатель превышен, ценность устройства почти равна нулю. Как бюджетный, так и экстра-класса прибор может сохранять полученные данные в файлах различных форматов.
Значимыми параметрами в ряде случаев оказываются также:
- поддержка wi-fi;
- эргономичность рукоятки;
- наличие режима «картинка внутри картинки»;
- качество фирменного программного обеспечения;
- и только в последнюю очередь – стоимость аппарата.
Новый тепловизор Workswell WIRIS Security
WIRIS Security — это новейший тепловизор от WIRIS с LWIR 7.5 — 13.5 мкм для дронов, разработанный специально для поиска и спасания. Он весит менее 28 унций (780 грамм), что идеально подходит для использования дроном. Он также оснащен диском SSD с 512 ГБ или 256 ГБ памяти для записи. Также возможно сохранить данные на внешний USB-диск или карту microSD.
Высокое разрешение с оптическим зумом и тепловой чувствительностью 40 mK
Этот тепловизор полностью адаптирован для поиска и спасания, так как имеет высокое термографическое разрешение, 30-кратный оптический зум в спектре RGB с и превосходную температурную чувствительность, а также прочную механическую конструкцию из легкого алюминия. Тепловизор обладает непревзойденным разрешением 800 × 600 и тепловой чувствительностью 40 мК. В настоящее время ни один другой тепловизор для дронов не предложит вам такие же параметры. Тепловизионная система Workswell WIRIS Security использует специализированную RGB-камеру для визуальных изображений с высокой чувствительностью для сумеречного и ночного видения и возможностью оптического увеличения. Таким образом, изображение с камеры RGB четкое даже при минимальном освещении 0,0008 люкс. Фокусное расстояние также варьируется в интервале от 129,0 до 4,3 мм и составляет до 30-кратного оптического ZOOM.
Тепловизор WIRIS Security с установкой на дроне
Workswell WIRIS Security также имеет интерфейс, обеспечивающий самый широкий диапазон подключений к дрону, блоку управления, внешнему датчику GPS и т. д. Также доступна потоковая передача видео с низкой задержкой Wi-Fi и командная связь.
Доступны следующие аппаратные интерфейсы:
- S.Bus
- CAN bus (DJI M600 and A3 controller compatible)
- Ethernet (RJ45)
- MavLink
- external GPS connection
- external trigger
- USB
- HDMI
