Инфракрасная термография ( IRT ), тепловое видео и/или тепловидение — это процесс, при котором тепловая камера фиксирует и создает изображение объекта с помощью инфракрасного излучения, испускаемого объектом в процессе, что является примером науки об инфракрасных изображениях . Термографические камеры обычно обнаруживают излучение в длинном инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 9 000–14 000 нанометров или 9–14 мкм ) и создают изображения этого излучения, называемые термограммами . Поскольку инфракрасное излучение излучается всеми объектами с температурой выше абсолютного нуля в соответствии с законом излучения черного тела , термография позволяет видеть окружающую среду с видимым освещением или без него. Количество радиации, испускаемой объектом, увеличивается с температурой; следовательно, термография позволяет видеть изменения температуры. При просмотре через тепловизионную камеру теплые объекты хорошо выделяются на более холодном фоне; люди и другие теплокровные животные становятся легко заметными на фоне окружающей среды днем и ночью. В результате термография особенно полезна военным и другим пользователям камер наблюдения .
Некоторые физиологические изменения у человека и других теплокровных животных также можно отслеживать с помощью тепловидения в ходе клинической диагностики. Термография используется в аллергодиагностике и ветеринарии . Некоторые практикующие врачи альтернативной медицины пропагандируют его использование для скрининга молочной железы , несмотря на предупреждение FDA о том, что «те, кто выберет этот метод вместо маммографии , могут упустить шанс обнаружить рак на самой ранней стадии». [1] Сотрудники правительства и аэропортов использовали термографию для выявления случаев подозрения на свиной грипп во время пандемии 2009 года. [2]
Термография имеет долгую историю, хотя за последние пятьдесят лет ее использование в коммерческих и промышленных целях резко возросло. Пожарные используют термографию, чтобы видеть сквозь дым , находить людей и локализовать очаг пожара. Специалисты по техническому обслуживанию используют термографию для обнаружения перегревающихся соединений и участков линий электропередачи , которые являются признаком приближающейся поломки. Специалисты по строительству зданий могут видеть тепловые сигнатуры, указывающие на утечки тепла из-за неисправной теплоизоляции , и использовать результаты для повышения эффективности систем отопления и кондиционирования воздуха.
Внешний вид и работа современной термографической камеры часто аналогичны видеокамере . Часто живая термограмма настолько четко показывает изменения температуры, что для анализа не требуется фотография. Поэтому модуль записи не всегда встроен.
В специализированных тепловизионных камерах используются матрицы фокальной плоскости (FPA), которые реагируют на более длинные волны (средне- и длинноволновые инфракрасные лучи). Наиболее распространенными типами являются InSb , InGaAs , HgCdTe и QWIP FPA. В новейших технологиях в качестве датчиков FPA используются недорогие неохлаждаемые микроболометры . Их разрешение значительно ниже, чем у оптических камер, в основном 160х120 или 320х240 пикселей , вплоть до 1280х1024 [3] для самых дорогих моделей. Тепловизионные камеры намного дороже, чем их аналоги видимого спектра, а экспорт моделей более высокого класса часто ограничен из-за военного использования этой технологии. Старые болометры или более чувствительные модели, такие как InSb, требуют криогенного охлаждения, обычно с помощью миниатюрного холодильника с циклом Стирлинга или жидкого азота .
Тепловые изображения или термограммы на самом деле представляют собой визуальное отображение количества инфракрасной энергии, излучаемой, передаваемой и отражаемой объектом. Поскольку существует несколько источников инфракрасной энергии, с помощью этого метода трудно определить точную температуру объекта. Тепловизионная камера способна выполнять алгоритмы для интерпретации этих данных и построения изображения. Хотя изображение показывает зрителю приблизительную температуру, при которой работает объект, на самом деле камера использует несколько источников данных на основе областей, окружающих объект, для определения этого значения, а не для определения фактической температуры. [4]
Это явление может стать более ясным при рассмотрении формулы:
где падающая мощность излучения — это профиль мощности излучения при просмотре через тепловизионную камеру. Излучаемая мощность излучения обычно предназначена для измерения; передаваемая мощность излучения представляет собой мощность излучения, проходящую через объект от удаленного источника тепла, и; Отраженная мощность излучения — это количество мощности излучения, которое отражается от поверхности объекта от удаленного источника тепла.
Это явление происходит повсюду и постоянно. Это процесс, известный как лучистый теплообмен, поскольку мощность излучения × время равна энергии излучения . Однако в случае инфракрасной термографии приведенное выше уравнение используется для описания мощности излучения в пределах спектральной полосы пропускания длины волны используемой тепловизионной камеры. Требования к лучистому теплообмену, описанные в уравнении, применимы одинаково для каждой длины волны электромагнитного спектра .
Если объект излучает при более высокой температуре, чем его окружение, то будет происходить передача энергии , и мощность будет излучаться от теплого к холодному в соответствии с принципом, изложенным во втором законе термодинамики . Таким образом, если на термограмме есть холодная область, этот объект будет поглощать излучение, испускаемое теплым объектом.
Способность объектов излучать называется излучательной способностью , поглощать излучение — поглощательной способностью . При работе на открытом воздухе при попытке получить точные показания температуры также может потребоваться учитывать конвективное охлаждение от ветра.
Затем тепловизионная камера будет использовать ряд математических алгоритмов. Поскольку камера способна видеть только электромагнитное излучение, которое невозможно обнаружить человеческим глазом , она строит изображение в средстве просмотра и записывает видимое изображение, обычно в формате JPG .
Чтобы выполнять роль бесконтактного регистратора температуры, камера будет изменять температуру просматриваемого объекта с помощью настройки излучательной способности.
Для воздействия на измерения можно использовать и другие алгоритмы, включая пропускную способность передающей среды (обычно воздуха) и температуру этой передающей среды. Все эти настройки будут влиять на конечный результат температуры просматриваемого объекта.
Эта функциональность делает тепловизионную камеру отличным инструментом для обслуживания электрических и механических систем в промышленности и торговле. Используя правильные настройки камеры и соблюдая осторожность при съемке изображения, можно просканировать электрические системы и обнаружить проблемы. Неисправности конденсатоотводчиков в системах парового отопления легко обнаружить.
В области энергосбережения тепловизионная камера может сделать больше. Поскольку он может видеть эффективную температуру излучения объекта, а также то, куда этот объект излучает, он также может помочь обнаружить источники тепловых утечек и перегретых областей.
Излучательная способность — это термин, который часто неправильно понимают и используют неправильно. Оно отражает способность материала излучать тепловое излучение и является оптическим свойством материи .
Каждый материал имеет различную излучательную способность, которая может варьироваться в зависимости от температуры и длины волны инфракрасного излучения. [5] Например, чистые металлические поверхности имеют излучательную способность, которая уменьшается при больших длинах волн; многие диэлектрические материалы, такие как кварц (SiO 2 ), сапфир (Al 2 O 3 ), фторид кальция (CaF 2 ) и т. д. имеют излучательную способность, которая увеличивается при большей длине волны; простые оксиды, такие как оксид железа (Fe 2 O 3 ), демонстрируют относительно ровную излучательную способность в инфракрасном спектре.
Коэффициент излучения материала может варьироваться от теоретического 0,00 (полностью не излучающий) до столь же теоретического 1,00 (полностью излучающего). Примером вещества с низкой излучательной способностью может быть серебро с коэффициентом излучения 0,02. Примером вещества с высокой излучательной способностью может служить асфальт с коэффициентом излучения 0,98.
Черное тело — это теоретический объект с коэффициентом излучения 1, который излучает тепловое излучение, характерное для его контактной температуры. То есть, если бы температура контакта термически однородного излучателя черного тела составляла 50 °C (122 °F), черное тело излучало бы тепловое излучение с температурой 50 °C (122 °F).
Обычный объект излучает меньше инфракрасного излучения, чем теоретическое черное тело. Доля его фактического излучения по отношению к теоретическому излучению (черного тела) является его излучательной способностью (или коэффициентом излучательной способности).
Чтобы измерить температуру объекта с помощью тепловизора, необходимо оценить или определить излучательную способность объекта. Для быстрой работы термограф может обратиться к таблице излучательной способности для данного типа объекта и ввести это значение в тепловизор. Затем имидж-сканер рассчитает температуру контакта объекта на основе значения, введенного из таблицы, и излучения объекта инфракрасного излучения, обнаруженного имидж-сканером.
Чтобы получить более точное измерение температуры, термограф может нанести на поверхность объекта стандартный материал с известной высокой излучательной способностью. Стандартный материал может быть таким же сложным, как промышленный спрей для определения излучательной способности, изготовленный специально для этой цели, или таким простым, как стандартная черная изоляционная лента с коэффициентом излучения около 0,97. Известную температуру объекта можно затем измерить, используя стандартную излучательную способность. При желании фактическую излучательную способность объекта (на той части объекта, которая не покрыта стандартным материалом) можно затем определить, отрегулировав настройки тепловизора на известную температуру. Однако бывают ситуации, когда такое испытание на излучательную способность невозможно из-за опасных или недоступных условий. В таких ситуациях термографисту приходится полагаться на таблицы.
ИК-пленка чувствительна к инфракрасному (ИК) излучению в диапазоне от 250 до 500 ° C (от 482 до 932 ° F), тогда как диапазон термографии составляет примерно от -50 до 2000 ° C (от -58 до 3632 ° F). Таким образом, чтобы ИК-пленка работала термографически, она должна иметь температуру выше 250 °C (482 °F) или отражать инфракрасное излучение от чего-то, что по крайней мере настолько горячо.
Инфракрасные устройства ночного видения отображают изображение в ближнем инфракрасном диапазоне, сразу за пределами визуального спектра, и могут видеть излучаемое или отраженное излучение в ближнем инфракрасном диапазоне в полной визуальной темноте. Однако, опять же, они обычно не используются для термографии из-за требований к высокой температуре, а вместо этого используются с активными источниками ближнего ИК-диапазона.
Приборы ночного видения типа Starlight обычно только усиливают окружающий свет .
Все объекты с температурой выше абсолютного нуля (0 К ) излучают инфракрасное излучение . Следовательно, отличным способом измерения тепловых изменений является использование устройства инфракрасного видения , обычно инфракрасной камеры с матрицей в фокальной плоскости (FPA) , способной обнаруживать излучение в средних (от 3 до 5 мкм) и длинных (от 7 до 14 мкм) инфракрасных волнах. полосы, обозначенные как MWIR и LWIR, соответствуют двум инфракрасным окнам с высоким коэффициентом пропускания . Аномальные профили температуры на поверхности объекта являются признаком потенциальной проблемы. [6]
В пассивной термографии интересующие объекты естественным образом имеют более высокую или более низкую температуру, чем фон. Пассивная термография имеет множество применений, таких как наблюдение за людьми на месте происшествия и медицинская диагностика (в частности, термология ).
В активной термографии источник энергии необходим для создания теплового контраста между интересующим объектом и фоном. Активный подход необходим во многих случаях, поскольку контролируемые детали обычно находятся в равновесии с окружающей средой. Учитывая сверхлинейность излучения черного тела , активная термография также может использоваться для повышения разрешения систем визуализации за пределами их дифракционного предела или для достижения микроскопии сверхвысокого разрешения . [7]
Он показывает визуальную картину, позволяющую сравнивать температуры на большой территории. [8] [9] [10] Он способен ловить движущиеся цели в реальном времени. [8] [9] [10] Он способен обнаружить износ, т.е. компоненты с более высокой температурой до их выхода из строя. Его можно использовать для измерения или наблюдения в зонах, недоступных или опасных для других методов. Это неразрушающий метод контроля. Его можно использовать для поиска дефектов валов, труб и других металлических или пластиковых деталей. [11] Его можно использовать для обнаружения объектов в темных местах. Он имеет некоторое медицинское применение, в основном в физиотерапии .
Есть различные камеры дешевле и дороже. Качественные камеры часто имеют высокий ценовой диапазон (часто 3000 долларов США и более) из-за затрат на большую матрицу пикселей (современное разрешение 1280 x 1024), в то время как менее дорогие модели (с матрицей пикселей от 40x40 до 160x120 пикселей) стоят дороже. так же доступно. Меньшее количество пикселей снижает качество изображения, что затрудняет различение ближайших целей в одном поле зрения.
Также есть разница в частоте обновления. Некоторые камеры могут иметь частоту обновления только 5–15 Гц, другие (например, FLIR X8500sc [3] ) 180 Гц или даже больше в режиме без полного окна.
Также объектив может быть интегрированным или нет.
Многие модели не обеспечивают измерения освещенности, используемые для построения выходного изображения; потеря этой информации без правильной калибровки излучательной способности, расстояния, температуры окружающей среды и относительной влажности влечет за собой то, что полученные изображения по своей сути являются неверными измерениями температуры. [12]
Изображения может быть трудно точно интерпретировать, если они основаны на определенных объектах, особенно объектах с нестабильной температурой, хотя эта проблема уменьшается при активном тепловидении. [13]
Термографические камеры создают тепловые изображения на основе получаемой ими лучистой тепловой энергии. [14] Поскольку на уровни излучения влияют излучательная способность и отражение излучения, например солнечного света, от измеряемой поверхности, это приводит к ошибкам в измерениях. [15]
Тепловизионные камеры преобразуют энергию инфракрасного диапазона в видимый свет. Все объекты при температуре выше абсолютного нуля излучают тепловую инфракрасную энергию, поэтому тепловизионные камеры могут пассивно видеть все объекты, независимо от окружающего освещения. Однако большинство тепловизионных камер видят только объекты с температурой выше -50 ° C (-58 ° F).
Спектр и количество теплового излучения сильно зависят от температуры поверхности объекта . Это позволяет тепловизионной камере отображать температуру объекта. Однако на излучение влияют и другие факторы, что ограничивает точность этого метода. Например, излучение зависит не только от температуры объекта, но также является функцией излучательной способности объекта . Кроме того, излучение исходит из окружающей среды и отражается от объекта, а на излучение объекта и отраженное излучение также будет влиять поглощение атмосферы .
Термография по определению осуществляется с помощью инструмента (артефакта), но у некоторых живых существ есть естественные органы, которые функционируют как аналоги болометров и , таким образом, обладают грубым типом тепловидения ( термоцепция ). Одним из наиболее известных примеров является инфракрасное зондирование у змей .
Неспециализированные ПЗС- и КМОП- сенсоры имеют большую часть своей спектральной чувствительности в диапазоне длин волн видимого света. Однако, используя «заднюю» область их спектральной чувствительности, а именно часть инфракрасного спектра, называемую ближним инфракрасным диапазоном (NIR), и используя стандартную камеру видеонаблюдения, при определенных обстоятельствах можно получить истинные тепловые изображения. объектов с температурой около 280 °C (536 °F) и выше. [27]
При температурах 600 °С и выше для пирометрии в видимом спектре также используются недорогие камеры с ПЗС- и КМОП- сенсорами. Их использовали для удаления сажи в огне, горящих частиц угля, нагретых материалов, нитей SiC и тлеющих углей. [28] Эта пирометрия выполнялась с использованием внешних фильтров или только фильтров Байера датчика . Это было выполнено с использованием цветовых соотношений, оттенков серого и/или их гибрида.
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь ) [ неработающая ссылка ]