2.5 термография. средства измерения теплового поля

2.5.1 Термография. Современные тепловизоры

При пассивных методах тепловой диагностики и термографии используется тепловая энергия, выделяемая объектом контроля. Температурное поле поверхности объекта является диагностическим признаком его технического состояния. Под дефектом понимается всевозможные отклонения характеристик объекта от нормы, вызывающие локальный перегрев. Таким образом, основным информационным параметром при тепловой диагностике является локальная разность температур между дефектной и бездефектной областями объектов.

Эффективность диагностики и термографии определяется в первую очередь  точностью средств измерения теплового поля, достоверностью и полнотой снимаемой термограммы.

Среди бесконтактных методов и средств термографии наиболее современными и прогрессивными являются матричные тепловизоры серии BALTECH TR-0140.

Тепловизор (инфракрасная камера) BALTECH TR-0140 - оптико-электронный измерительный прибор, работающий в инфракрасной области электромагнитного спектра, "переводящий" в видимую область спектра собственное тепловое излучение объекта. Тепловизор BALTECH TR-0140 напоминает телевизионную камеру. Чувствительный элемент тепловизора - матрица (решетка) миниатюрных детекторов воспринимает инфракрасные сигналы и превращает их в электрические импульсы, которые после усиления преобразуются в видеосигнал. Типовое разрешение современных тепловизоров - 0,1 °C.

В наиболее бюджетных моделях тепловизоров BALTECH TR-0110, информация записывается в память устройства и может быть считана через интерфейс подключения к компьютеру. Такие тепловизоры обычно применяют в паре с ноутбуком или персональным компьютером и программным обеспечением «Протон-Эксперт», позволяющим принимать данные с тепловизора в режиме реального времени.

Различают наблюдательные и измерительные тепловизоры. Первые просто делают изображение в инфракрасных лучах видимым в той или иной цветовой шкале. Измерительные тепловизоры, кроме того, присваивают значению цифрового сигнала каждого пикселя соответствующую ему температуру, в результате чего получается картина распределения температур.

2.5.2 Термография. История создания тепловизоров.

Современные тепловизионные системы начали свое развитие в 60-е годы прошлого столетия, в качестве одноэлементных приемников, изображение в которых строилось посредством точечного смещения оптической аппаратуры. Такие устройства были крайне непроизводительны и позволяли наблюдать за происходящими в объекте температурными изменениями с очень низкой скоростью.

С развитием полупроводниковой техники и появлением фотодиодных ячеек ПЗС, позволяющих хранить принятый световой сигнал, стало возможным создание современных тепловизоров на основе матрицы ПЗС датчиков, сигналы с которых, если говорить упрощённо, расшифровываются дешифратором, обрабатываются в центральном процессоре устройства, выстраиваясь в определенную последовательность, которая затем проецируется на ЖК матрицу в виде распределения температур, обозначенных различными цветами видимой части спектра. Данный принцип построения изображений позволил создать портативные устройства, с высокой скоростью обработки информации, которые позволяют вести термографию и контроль за изменением температур в режиме реального времени.

Тепловизоры подразделяются на:

• Стационарные. Предназначены для применения на промышленных предприятиях для контроля за технологическими процессами в температурном диапазоне от ?20 до +2000 °C. Такие тепловизоры, зачастую имеют азотное охлаждение, для того, чтобы обеспечить нормальное функционирование приемной аппаратуры. Сегодня основу таких систем составляют, как правило, тепловизоры третьего поколения, собранные на матрицах полупроводниковых фотоприемников.
• Переносные. Новейшие разработки в области применения тепловизоров на базе неохлаждаемых микроболометров из кремния, позволило отказаться от использования дорогостоящей и громоздкой охлаждающей аппаратуры. Эти приборы обладают всеми достоинствами своих предшественников, таких как малый шаг измеряемой температуры (0,1 °C), при этом позволяют применять тепловизоры не только в обычной термографии, но и в сложных оценочных работах, когда простота использования и портативность играют очень большую роль. Большинство портативных тепловизоров имеют возможность подключения к стационарным компьютерам или ноутбукам для оперативной обработки поступающих данных.

На рисунке 15 представлена блок-схема матричного тепловизионного прибора, имеющая модульный принцип построения.

В неохлаждаемых тепловизорах п.3 отсутствует, а также зачастую и пп. 6, 8, 9.

Температура в любом участке изображения оценивается по приводимой на экране монитора полутоновой или условной цветовой шкале.

Основным блоком тепловизора является матричное фотоприемное устройство 2, которое может быть охлаждаемым и неохлаждаемым. Наиболее прогрессивными для термографии являются неохлаждаемые матрицы:

– микроболометрические (изменяющие в широких пределах внутреннее сопротивление плотности поглощаемого ими теплового излучения), изготавливаемые из модификации окислов ванадия,  поликристаллического и аморфного кремния;

–  пироэлектрические (изменяющие уровень спонтанной поляризации каждого элемента пропорционально скорости изменения его температуры), материалами для которых служит цирконаты свинца, ниобаты и титаноты бария-стронция, сополимеры виниленфторида.

Именно разработка неохлаждаемых матриц позволила достичь компактности тепловизоров и бесшумной работы при термографии. На рисунке 16 и рисунке 17 показаны примеры устройства приемных элементов тепловизора.