Какой способ измерения температуры используется в термографе

Содержание

Инфракрасная термография, тепловое изображение или тепловое видео — это научный способ получения термограммы — изображения в инфракрасных лучах, показывающего картину распределения температурных полей. Термографические камеры обнаруживают излучение в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 0,9-14 мкм) и на основе этого излучения создают изображения, позволяющие определить перегретые или переохлаждённые места. Так как инфракрасное излучение испускается всеми объектами, имеющими температуру, согласно формуле Планка для излучения чёрного тела, термография позволяет «видеть» окружающую среду с или без видимого света. Интенсивность теплового излучения тела увеличивается с повышением его температуры, поэтому термография позволяет видеть распределение температуры по поверхности тела. Когда мы смотрим через тепловизор, то более тёплые объекты видны лучше на фоне окружающей среды; люди и теплокровные животные лучше заметны в окружающей среде, как днём, так и ночью. Благодаря этому термография может найти применение военными и службами безопасности.

Создание термограмм на основе тепловых изображений нашло много применений. Например, пожарные используют их для обнаружения в условиях задымления людей и установления очагов возгорания. С помощью тепловых изображений в технике, обслуживающей линии электропередач, обнаруживают перегрев в местах соединений и части, находящиеся в аварийном состоянии, требующие устранения потенциальной опасности. Когда нарушена теплоизоляция, строители могут видеть утечку тепла и предотвратить неисправности при охлаждении или обогреве системами кондиционирования воздуха. Тепловизоры, делающие снимки, также устанавливаются в некоторых автомобилях класса «люкс» для помощи водителю, например, в некоторых моделях «Кадиллак» с 2000 года. Некоторая физиологическая деятельность организма, требующая более пристального внимания у людей и теплокровных животных, также может быть наблюдаема при помощи тепловых изображений. [1]

Внешний вид и работа современных тепловизионных систем часто похожи на работу телевизионной системы. Возможность видеть в инфракрасном диапазоне — настолько полезная функция, что запись таких изображений часто является второстепенной функцией. Поэтому модуль для записи не всегда предусматривается.

Современные тепловизионные приемники можно разделить на два типа:

Первый тип — неохлаждаемые микроболометры — работают при комнатной температуре, имеют малые габариты и относительно дешевы, т. к. нет системы охлаждения, имеют фундаментальные ограничения по быстродействию и чувствительности из-за двойного преобразования (ИК-свет нагревает площадку, электросопротивление площадки зависит от температуры). Недостатки, однако, не мешают им занимать 95% тепловизионного рынка в виду существенных достоинств и, главное, цены.

Второй тип — охлаждаемые полупроводниковые кристаллы (InSb, InAs, HgCdTe и др.) в виде двумерных массивов ПЗИ-конденсаторов или p-n-переходов (диоды), соединенных попиксельно через микростолбики из индия (In) методом flip-chip с микросхемой считывания (мультиплексором) из кремния. Сам кремний прозрачен почти во всем ИК-диапазоне, по этому сделать из него тепловизор не получится, за то он активно применяется для построения ИК-оптики. Полупроводниковые приемники за счет одностадийного преобразования (ИК-свет порождает заряд напрямую) обладают лучшими характеристиками чувствительности и быстродействия в сравнении с болометрами (лучшие против лучших). Без охлаждения полупроводниковые приемники работают плохо — из-за собственной нагретости они не видят ИК-свет, поступающий снаружи через объектив. Для охлаждения принято применять жидкий азот (дешево, безопасно, практически неограниченный механический ресурс) или холодильные машины (достаточно дороги, ограниченный механический ресурс, высокое энергопотребление, акустический и электромагнитный шум). Современные холодильные машины лишены многих этих недостатков и стоят хороших денег.

Содержание

Отличие инфракрасной съёмки от термографии [ править | править код ]

Инфракрасная съёмка излучения соответствует температуре между 250 °C и 500 °C, в то время как диапазон термографии примерно от −50 °C до более, чем 2000 °C. Так, для инфракрасной съёмки для показа чего-либо температура объекта должна быть свыше 250 °C или объект должен отражать инфракрасное излучение, исходящее от чего-то горячего. Следует отметить, что наиболее распространённые приборы ночного видения только усиливают слабый отраженный от объектов свет, который создаётся, например, звёздным светом или луной, и через них невозможно увидеть тепло или работать в полной темноте (без активной подсветки "ИК-фонариком").

Пассивная и активная термография [ править | править код ]

Все объекты с температурой выше абсолютного нуля испускают инфракрасное излучение. Следовательно, отличный способ для измерения тепловых изменений состоит в том, чтобы использовать устройство инфракрасного видения, обычно приемник тепловизора позволяет обнаруживать излучение в средних (от 3 до 5 μм) и длинных (от 8 до 15 μм) волнах инфракрасной полосы частот, обозначаемых как MWIR и LWIR и соответствующих спектральным "окнам" с высоким коэффициентом пропускания атмосферы вблизи поверхности земли.

Читайте также:  Станок для тротуарной плитки своими руками видео

В пассивной термографии особый интерес представляет повышение или понижение природного температурного уровня по сравнению с температурой окружения. У пассивной термографии много применений, таких, как наблюдение людей на сцене, или в медицине. В активной термографии иначе — там источник энергии должен создавать температурный контраст между интересующим объектом и фоном. Активный подход необходим во многих случаях, когда исследуемые части находятся в температурном равновесии с окружающей средой. Современные тепловизоры позволяют с помощью специального программного обеспечения определять температуру в каждой точке термограммы.

Преимущества термографии [ править | править код ]

  • Может показывать визуальное изображение, что помогает в сравнении температур на большой площади
  • Даёт возможность захвата движущихся целей в реальном времени
  • Позволяет находить аварийные элементы до их выхода из строя
  • Измерение в областях, где другие методы невозможны (объекты с малой теплоёмкостью) или сопряжены с риском для здоровья
  • Неразрушающий контроль
  • Облегчает поиск дефектов (трещин) в колоннах или других металлических частях
  • Сама возможность видеть тепло даже со скоростью 1 кадр в секунду, даже с невысоким пространственным разрешением уже покрывает существенную долю тепловизионного рынка

Ограничения и недостатки термографии [ править | править код ]

  • Качественные камеры дороги
  • Большинство камер имеют погрешность ±2 % или меньшую точность
  • Обучение и содержание в штате специалиста по инфракрасному сканированию требует затрат времени и средств, впрочем, как и на любого другого специалиста.
  • Возможность измерения в основном только температуры поверхностей, т. к. большинство материалов непрозрачны в ИК-диапазоне (например, человек)

Применение [ править | править код ]

  • Мониторинг условий
  • Медицинская визуализация
  • Ночное видение
  • Исследование
  • Управление процессом
  • Неразрушающий контроль
  • Наблюдения в области обеспечения безопасности, правоохранной деятельности и защите
  • Химическая визуализация

Тепловые инфракрасные камеры преобразуют энергию инфракрасных волн в видимый свет на видеоэкране. Все объекты с температурой выше 0 кельвинов излучают тепловую инфракрасную энергию, поэтому инфракрасные камеры могут пассивно видеть все объекты независимо от наличия окружающего освещения. Тем не менее, большинство тепловых камер видят только объекты теплее −50 °C, т. к. интенсивность излучения тел пропорциональна температуре в четвёртой степени (очень резкая зависимость).

Спектр и уровень теплового излучения сильно зависит от температуры поверхности объекта. Это даёт возможность тепловой камере видеть температуру объектов. Тем не менее, другие факторы также влияют на излучение, регистрация которого ограничивается точностью техники. Например, излучение зависит не только от температуры объекта, но также и от поглощающей, пропускающей и отражающей способности объекта. Так, излучение, первоначально испускаемое окружающей средой, отражается объектом и/или проходит через него и складывается с собственным излучением объекта, которое и регистрируется прибором.

Пирометр – это прибор для контроля нагрева объектов бесконтактным (удалённым) способом. Пирометры для измерения температуры бесконтактным методом начали выпускать ещё в шестидесятых годах прошлого века.

Принцип работы электроприбора основан на движении электрического тока, который попутно производит нагрев проводников и аппаратов. Если эксплуатационный режим в норме, то устанавливается температурный баланс между поступлением тепла от проводников и отводом его во внешнюю среду.

При ослаблении контактов проводов сопротивление сети электрического тока увеличивается, это влечёт за собой повышение температуры, что зачастую приводит к возникновению неисправности. Именно поэтому производится постоянный контроль температуры токоведущих элементов в электротехническом оборудовании высоковольтных подстанций и других объектов энергетики.

Традиционные методы контроля температуры здесь неприменимы, поэтому применяется дистанционное измерение температуры, без установки контактных приборов.

Принципы бесконтактного измерения температуры

В любом физическом объекте осуществляется перемещение частиц атомов и сопровождается образованием электромагнитных волн. Температура напрямую оказывает действие на интенсивность протекания процессов, по состоянию интенсивности можно определить количество выделяемого тепла. Это и есть основа бесконтактных измерений температуры.

Тепловой объект с температурой «Х» отдаёт тепловой поток (инфракрасное излучение) в окружающую среду в количестве «В», который будет принят удалённым датчиком тепла. Внутренняя схема датчика преобразовывает полученную информацию в требуемую (температуру) и отображает на экране прибора. Приборы дистанционного замера температуры посредством инфракрасного излучения – это пирометры. Для точного отображения результатов замеров необходимо чётко установить пределы шкалы электромагнитных волн. Ориентировочно – нижний предел 0,5 и верхний 20 мкм. Пирометр бесконтактный — инфракрасный термометр.

Влияние внешних причин на точность измерений

Точность показаний пирометров зависит от нескольких причин:

  • поверхность наблюдаемого участка оборудования должна находиться в прямой видимости;
  • запылённость, водяные пары и туман на пути между источником излучения и принимающим датчиком делают сигнал более слабым, как и загрязнения на приёмном устройстве;
  • сам наблюдаемый участок своей структурой и состоянием воздействует определённым образом на плотность инфракрасного излучения и, как следствие, на отображение температуры.

Влияние последней причины поясняет график зависимости поправочного коэффициента от длины волны. График отражает показатели источников излучения чёрного и цветного оттенков. Основой для сравнивания инфракрасного излучения служит чёрный цвет, он принят за единицу. Коэффициенты всех остальных могут быть только меньше единицы.

Влияние на точность термометра оказывают также:

  • длина волны инфракрасного излучения, на которой производится измерение;
  • температура наблюдаемого участка.

Устройство бесконтактных измерителей – пирометров

Бесконтактные измерители температуры по методу работы с информацией могут быть двух типов: пирометры и тепловизоры. Конструкция последних сходная с устройством пирометров. Но назначение приборов и их возможности различны:

Читайте также:  Газовый шланг пвх для газовой плиты

  • пирометром измеряют среднюю температуру наблюдаемого участка;
  • тепловизор даёт возможность определить нагрев каждой части наблюдаемого участка.

В состав пирометра-термометра входят:

  • датчик приёма инфракрасного луча с системой оптики и зеркальным световодом;
  • преобразующая поступивший луч электронная плата;
  • экран, на который выводится показатель температуры;
  • кнопка управления.

Тепловое излучение собирается в фокус системой оптики и посредством зеркального световода подаётся на датчик первого преобразователя теплового луча в электросигнал с напряжением, прямо пропорциональным излучению. Второе преобразование электросигнала осуществляется в электронной плате, после чего информация выводится измерительно-счётным блоком на экран в виде цифр. Казалось бы, всё просто и для дистанционного замера температуры надо:

  • кнопкой управления включить пирометр-термометр;
  • навести аппарат на точку замера и считать цифры с экрана.

Но нет, чтобы получить точный результат, надо ещё и обратить внимание на условия видимости точки замера и прозрачности воздуха, а также правильно установить место стоянки при измерении – оно определяется оптическими параметрами аппарата. Мало правильно навести пирометр на участок замера, необходимо ещё и выбрать расстояние для установления площади измеряемого участка. Тогда оптика будет работать с тепловым излучением только от нужного участка, без помех от излучений близлежащих устройств.

Лазерные указатели цели

Более современные модификации пирометров комплектуются лазерными указателями цели, помогающими правильно навести датчик на точку замера и определить площадь измеряемого участка. У них различные принципы действия и точность наведения тоже различная:

  • одиночный лазерный луч – ориентировочно показывает центр участка замера и границы его устанавливает неточно, его ось не совпадает с центром оптики пирометра, поэтому имеет место погрешность параллакса;
  • способ коаксиальный не имеет такого недостатка – луч лазера и оптическая ось полностью совпадают и луч показывает прямо в центр участка, но не может определить его границ;
  • с двойным лучом лазера – этот указатель цели в состоянии показать размеры участка замера, но при небольших расстояниях может возникать неточность. Это особенно часто происходит на короткофокусных объективах;
  • с кросс-лазером указатели цели предназначены для улучшения работы пирометров с короткофокусными объективами;
  • одиночный круговой лазерный луч – с его помощью можно оконтурить участок замера, но, как и просто одиночный лазерный луч, он подвержен параллаксу и искажает показания аппарата на небольших расстояниях в сторону увеличения;
  • круговой точный лазерный указатель цели – самый надёжный из перечисленных выше и не имеет недостатков других конструкций.

Информация о температурных параметрах точек дистанционного наблюдения на пирометрах-термометрах выводится на экран в текстовом и цифровом виде.

Особенности конструкций пирометров

Мобильные (переносные) пирометры-термометры позволяют производить удалённо измерения во многих местах электрооборудования:

  • на вводах и контактах трансформаторов, выключателей и разъединителей, работающих под напряжением;
  • в высоковольтных подстанциях и распределительных щитах, сборках систем шин;
  • на соединениях проводов воздушных ЛЭП и других силовых установок и цепей.

Но в некоторых случаях на электрооборудовании можно контролировать нагрев без использования дорогостоящих пирометров, а установить стационарно измерители более простой конструкции. Например, измерение нагрева обмотки возбуждения на вращающемся роторе генератора – датчик температуры — термометр устанавливают в ближней зоне контроля, где он и принимает тепловое излучение. Сигнал, преобразованный внутренней платой, поступает на прибор отображения показателей в виде стрелки и шкалы значений. Такие схемы просты и надёжны.

По назначению пирометры и тепловизоры делятся на две категории:

  • высокотемпературные измерители – для контроля сильно нагретых элементов электрооборудования;
  • низкотемпературные измерители – они могут измерять температуру элементов даже работающего на морозе электрооборудования.

Современные пирометры последних моделей оборудованы системами связи и подключаются для передачи информации к расположенным в офисе компьютерам.

Применение бесконтактных средств измерений позволяет производить измерения температуры движущихся объектов; объектов, расположенных в труднодоступных местах; избегать повреждений средств измерений при контроле высоких температур. Высокое быстродействие, возможность измерения температуры без отключения объекта от техпроцесса, обеспечение безопасности персонала, измерение температуры до 3000 0C – основные преимущества пирометров и тепловизоров.

Пирометр
– это средство измерения температуры по тепловому излучению объекта, предназначенное для отображения значения температуры на индикаторе прибора или преобразования в аналоговый или цифровой сигнал. Пирометры способны измерять температуру круговой зоны, ограниченной полем зрения прибора и усредняют температуру в пределах данной зоны. Зона видимости пирометра зависит от расстояния до объекта и от оптического разрешения пирометра, таким образом варьируя эти два параметра, с помощью пирометра можно измерять как температуру тонкой проволоки, так и среднюю температуру поверхности кузова автомобиля перед покраской.

Тепловизор
– это средство измерения температуры по тепловому излучению объекта, предназначенное для определения значения температуры и преобразования её в визуальную картину распределения тепловых полей по поверхности объекта. Тепловизор позволяет получить обобщенную информацию – тепловую картину некоторой области и конкретное значение температуры интересуемого объекта, размер которого равен или больше размера элементарной ячейки поля зрения тепловизора.

С 2000 года для тех приложений, где применение контактных датчиков температуры серии Метран-200 затруднительно или невозможно, ПГ «Метран» предлагает бесконтактные средства измерения температуры производства фирмы Raytek (Германия). Компания Raytek, одна из ведущих фирм мира, специализирующихся на разработке и изготовлении приборов для бесконтактного измерения температуры. В будущем ПГ «Метран» планируется совместное с компанией Raytek производство бесконтактных средств измерения температуры на собственной производственной базе.

Читайте также:  Кольца резиновые уплотнительные круглого сечения материал

Применение бесконтактных средств измерений позволяет производить измерения температуры движущихся объектов; объектов, расположенных в труднодоступных местах; избегать повреждений средства измерения при контроле высоких температур; предотвращать возможные загрязнения и повреждения измеряемого объекта, при измерении температуры объекта, целостность или стерильность которого нельзя нарушать. В случае, когда необходимо измерить температуру микроскопических объектов, теплоемкость которых мала, бесконтакный способ измерения позволяет избежать искажений температуры объекта, вносимых контактным средством. Неоспоримыми преимуществами бесконтактных средств измерения температуры перед контактными являются следующие:
• высокое быстродействие (до 1 мс) – необходимо в случае измерения температуры быстропротекающих процессов;
• возможность измерения температуры объекта без его отключения от технологического процесса – обнаружение точек перегрева, которые возникают только во время работы объекта;
• обеспечение безопасности персонала, проводящего измерение температуры объектов, находящихся под напряжением, так как работы производятся на расстоянии и не требуют отключения электроэнергии.

Существует ряд технологических процессов, когда применение контактных датчиков невозможно, в таких случаях применение пирометров – это единственно возможный способ контроля температуры. В случае, когда, например, необходимо замерить температуру от 1800 °С до 3000 °С, контактные средства измерения применить невозможно, но бесконтактные приборы легко решают эту задачу.

Функциональные возможности пирометров позволяют, кроме текущего значения температуры, фиксировать максимальную, минимальную температуру объекта, их разницу, а также среднюю температуру за промежуток времени. Наличие цифрового интерфейса у пирометров (RS-232, RS-485, Hart-протокол) позволяет перенастраивать прибор и контролировать значение измеряемой температуры непосредственно с персонального компьютера. Специальное программное обеспечение пирометров позволяет создавать отчеты в виде графиков и формировать базы данных.

Пирометры и тепловизоры имеют перед контактными датчиками температуры, как ряд преимуществ, так и некоторые недостатки – зависимость показаний от расстояния до измеряемого объекта, от отражательных свойств измеряемой поверхности, от излучения прямо не попадающих в поле зрения пирометра областей измеряемого объекта. Для того чтобы выбрать способ измерения, нужно оценить все за и против.

ПГ «Метран» предлагает сегодня большой выбор портативных переносных и стационарных пирометров для различных применений, а также доступный по цене тепловизор. Предлагаемые приборы имеют сертификаты России, Украины и Белорусии, руководства по эксплуатации и методики поверки на русском языке. ПГ «Метран» обеспечивает квалифицированную техническую поддержку, сервисное обслуживание продукции, предлагает услуги по ремонту, периодической поверке и калибровке.

Переносные пирометры измеряют температуру в диапазоне от -30°С до 3000°С с погрешностью до 0,75% от измеряемой величины, могут запоминать до 100 значений температуры, передавать данные измерений по цифровому выходу на персональный компьютер.

Стационарные пирометры измеряют температуру от -40°С до 3000°С с погрешностью до 0,3% от измеряемой величины, имеют оптическое разрешение до 300:1, время отклика до 1 мс и выходные сигналы – термопары типа J/K/E/N/T/R/S, 0-5 В, 4-20 мА, интерфейсы RS-485 или RS-232, механическое реле.

Тепловизор имеет следующие технические характеристики:
• неохлаждаемая микроболометрическая матрица 160 x 120 ячеек;
• диапазон измеряемых температур от 0 оС до 250 оС;
• спектральный диапазон 7-14 мкм;
• ЖКИ дисплей с тремя градациями яркости изображения для разных условий работы;
• оптическое разрешение 90:1, минимальное расстояние до объекта измерения 60 см;
• лазерный прицел – указатель центра зоны съемки;
• память до 100 снимков и данных;
• время непрерывной работы без перезарядки – 5 часов;
• связь с персональным компьютером по USB-порту.

Все эти приборы специально разработаны и откалиброваны для решения проблем измерения температуры в промышленности. В настоящее время бесконтактный метод измерения температуры широко востребован в энергетике. Он применяется для диагностики электрооборудования под напряжением, для технического обслуживания энергооборудования. С помощью пирометров и тепловизоров можно быстро и безопасно контролировать температуру электрических двигателей, корпусов трансформаторов, кожухов шинопроводов, оборудования электрических подстанций, обнаруживать осушенные участки высоковольтных кабельных линий, котролировать температуру электроизоляторов. В жилищно-коммунальном хозяйстве с помощью пирометров и тепловизоров производят контроль температуры труб подачи и забора воздуха, измеряют температуру теплотрасс, определяют места утечек тепла, проводят инспекцию кровли. Бесконтактный метод измерения температуры позволяет сократить время проведения измерений и обезопасить персонал, продлить срок службы средства измерения и расширить диапазон измеряемых температур. Дешевизна бесконтактного метода контроля температуры, его оперативность и доступность позволяют использовать пирометры и тепловизоры практически на любом предприятии.

Благодаря своей простоте в работе, широкому диапазону измеряемых температур, малому времени отклика, отсутствию необходимости контактировать с объектом, своим функциональным возможностям бесконтактные средства измерения температуры находят широкое применение не только там, где это единственно возможное средство измерения, но и постепенно начинают вытеснять контактные датчики температуры.

Электростанция, Изолятор , Кабель, Напряжение , Подстанции, Трансформаторы, Электроэнергия , Энергия , Энергооборудование , Кабельная арматура, Провод, СРО