Принципи на термично изображение
8.1. Принципи за получаване на термографско изображение.
Термографията е метод за наблюдение на състоянието на електрическо и механично оборудване, базиран на получаване и анализ на топлинен образ на оборудването. Този метод на контрол се основава на факта, че повечето растителни компоненти показват повишаване на температурата си при неизправност. Повишаването на температурата в обекта може да е резултат от дефект в оборудването. Чрез наблюдение на зони с висока температура в елементите на функционираща система може да се оцени тежестта на възникналите дефекти.
Физическата основа за получаване на термографско изображение е следната. Всички нагрети предмети излъчват електромагнитна енергия. На фиг. 8.1 показва типичен спектър на всички видове електромагнитно излъчване, които се различават по дължина на вълната.
Ориз. 8.1. Типичен спектър на всички видове електромагнитни лъчения
Човешкото око реагира на видима светлина в електромагнитния спектър от 0,4 - 0,75 микрона. Повечето инфрачервени температурни измервания се правят в диапазона 0,2 - 20 микрона.
Количеството излъчена енергия е свързано с температурата на обекта. За повечето промишлени приложения тази енергия се излъчва в инфрачервения диапазон на дължина на вълната, който се използва за определяне на температурата на даден обект. На фиг. 8.2 показва разпределението на енергията, излъчвана от обект при различни температури. Колкото по-висока е температурата на обекта, толкова по-високо е пиковото енергийно ниво. Дължината на вълната, при която се наблюдава енергийният пик, става по-къса с повишаване на температурата. При ниски температури енергийният пик е в обхвата на дългите дължини на вълните.
Ориз. 8.2.Разпределение на енергията, излъчвана от обект при различни температури.
Инфрачервеното лъчение, както всяко електромагнитно лъчение, може да бъде отразявано, предавано, абсорбирано или излъчвано. На фиг. Фигура 8.3 показва типичен инфрачервен модел на преобразуване на енергия.
Фиг.8.3 Типична картина на преобразуване на инфрачервена енергия.
Количеството енергия, излъчвано от даден обект, зависи от неговата температура и неговата излъчвателна способност. Обект, който има способността да излъчва максимална възможна енергия при дадена температура, е известен като черно тяло.
Коефициентът на излъчване на обект е съотношението на излъчената от него енергия към енергията, която обектът би излъчил, ако беше напълно черно тяло.
За непрозрачен обект коефициентът на излъчване + коефициент на отражение = 1,0, следователно силно отразяващият материал е непълен излъчвател на инфрачервена енергия, така че ще има ниска стойност на коефициента на излъчване. За много материали има таблици със стойности на излъчване. Докато таблиците със стойности на излъчване могат да бъдат полезни за разбирането как ще се държи даден материал, в действителност грешките могат да бъдат неприемливо големи, когато се опитвате да отчетете излъчването на повечето повърхности с ниско излъчване. Температурите на небоядисани и неокислени метали са трудни за определяне в термично изображение, тъй като те излъчват малко и силно отразяват радиация.
Таблица 8.1 Типична излъчвателна способност на материала
Повърхностите с ниска емисионна способност трябва да бъдат модифицирани по някакъв начин, като например с електрическа лента или боя, за да се увеличи тяхната емисионна способност. Това ще направи както интерпретация, така и измерванияточни и подходящи за практически задачи.
8.2. Термовизионни камери и тяхното предназначение.
Основният контролен инструмент, използван в термографията, е термокамера.
Това е усъвършенствано устройство, което измерва естественото инфрачервено лъчение от нагрят обект и възпроизвежда топлинния му образ. Тъй като не е необходим физически контакт с тестваното съоръжение, контролният процес може да се извърши по време на пълната работа на съоръжението без никакво прекъсване на процеса. На фиг. 8.4 е показана типична структурна диаграма на инфрачервен термичен образ.
Ориз. 8.4. Типична диаграма на инфрачервена термокамера.
Термокамерата фокусира енергията на това лъчение през оптичната система върху детектора. Детекторът преобразува инфрачервената енергия в електрическо напрежение, което след усилване и обработка на сложния сигнал се използва за изграждане на топлинно изображение, което се вижда от оператора на визьора на термокамерата.
Оптичната система на термометъра трябва да бъде проектирана така, че да може да предава пълния диапазон от дължини на вълните в рамките на точно определена спектрална чувствителност. Ако, например, термокамерата има спектрална чувствителност от 8-11,5 µm, тогава оптичната система трябва да може да пропуска радиационния поток в този диапазон на дължина на вълната. Ако оптичните елементи на този инструмент бяха направени например от кварц, тогава термокамерата нямаше да може да види правилно обекта.
Термовизионната камера определя точно температурата на даден обект само ако е налице неговата излъчвателна способност. Температурата на даден обект не може да се определи просто чрез измерване на излъчваната от него инфрачервена енергия.
В много термовизионни камери е възможно да се коригира както излъчвателната способност, така ии фонова температура. Коефициентът на излъчване на даден обект може да се определи или чрез справка с литературата на производителя, или чрез оценка на коефициента на излъчване на обекта с помощта на лабораторен метод.
Един от начините за преодоляване на проблема с непознаването на емисионната способност е методът за математическа корекция на температурната стойност на измерването. Това обикновено се прави по време на обработката на сигналите на камерата. Съвременните термовизионни камери имат функция за настройка на компенсацията, която може да бъде бързо и лесно зададена от оператора.
Конвенционалната термокамера има няколко компонента, общи за всички подобни инструменти, включително обектив, капак на обектива, дисплей, приемник на радиация и електроника за обработка, контроли, устройства за съхранение на данни и софтуер за обработка на данни и докладване. Тези компоненти може да варират в зависимост от типа и модела на термовизионната система.
Лещи. Термичните камери имат поне една леща. Обективът на термокамерата събира инфрачервеното лъчение и го фокусира върху приемника на лъчение. Радиационният приемник извежда сигнал и създава електронно (термично) изображение или термограма. Обективът на термокамерата се използва за събиране и фокусиране на входящото инфрачервено лъчение върху приемника на лъчение. Лещите на повечето дълговълнови термовизионни камери са направени от германий. Предаването на лещите е подобрено чрез тънкослойни антирефлексни покрития.
Дисплеи. Термичното изображение се показва на течнокристалния дисплей, разположен на термовизионната камера. Дисплеят трябва да е достатъчно голям и ярък, за да се вижда лесно при различни условия на осветление на различни работни места. Дисплеят често показвадопълнителна информация като ниво на батерията, дата, час, температура на обекта (в °F, °C или K), видимо изображение и цветна лента на температурата.
Радиационен приемник и схеми за обработка на сигнали. Радиационният приемник и схемите за обработка на сигнала се използват за преобразуване на инфрачервеното лъчение в полезна информация. Топлинното излъчване от обекта се фокусира върху приемника на излъчване, който обикновено е направен от полупроводникови материали. Топлинното лъчение генерира измерим сигнал на изхода на приемника на лъчение. Сигналът се обработва от електронни схеми вътре в термовизионната камера, за да се получи термично изображение на дисплея на инструмента.
Органи на управление. С помощта на контролите могат да се правят различни електронни настройки за подобряване на топлинното изображение на дисплея. По електронен път се променят настройки като температурен диапазон, термично ниво и обхват, цветова палитра и настройки за сливане на изображения. Можете също така да зададете стойността на емисионната способност и отразената фонова температура.
Устройства за съхранение. Електронни цифрови файлове, съдържащи топлинни изображения и допълнителни данни, се съхраняват на различни видове електронни карти с памет или устройства за съхранение и предаване на данни. Много инфрачервени термовизионни системи също съхраняват допълнителни гласови и текстови данни, както и свързаното видимо изображение, заснето от вградената камера за видима светлина.
8.3. Охлаждаеми и неохлаждани термовизионни камери.
Топлинното излъчване се отслабва при преминаване през атмосферата поради поглъщане от газови молекули, аерозоли, валежи, както и дим, мъгла, смог и др.
Следните вещества абсорбират инфрачервеното лъчениешироки ленти със съответните посочени дължини на вълната:
а) вода (2,7; 3,2; 6,3 микрона);
б) въглероден диоксид (2,7; 4,3; 15 микрона);
в) озон (4,8; 9,6; 14,2 микрона);
г) азотен оксид (4,7; 7,8 микрона);
д) въглероден оксид (4,8 µm);
f) метан (3.2; 7.8 цт).
В резултат на това има така наречените "прозорци" на атмосферната прозрачност, в които могат да се правят измервания (фиг. 8.5).
Ориз. 8.5. Прозорци за атмосферна прозрачност
По този начин, като се вземе предвид горното, е възможно да се определи позицията на два прозореца за прозрачност: 3,5 - 5 микрона и 8 - 14 микрона. На практика наличието на "прозорци" на прозрачност означава, че всички термовизионни камери трябва да работят в тези диапазони. Диапазонът с къси вълни (3 - 5 µm) е по-типичен за охлажданите термовизионни камери, дългите вълни (8 - 14 µm) - за неохлажданите. Това се дължи на технологичните принципи на устройствата. За качествено детектиране на излъчване в посочените части от спектъра са необходими различни устройства. В късовълновия диапазон се използват приемници с фотоелектричен ефект - енергията на кванта е достатъчна, за да преминат електроните в зоната на проводимост под въздействието на радиация. В дългите вълни болометрите се използват много по-често, тъй като
по-лесно е да се открие радиация в тази част от спектъра с помощта на термистичния ефект.
Охлаждаемите термовизионни камери са много по-скъпи от неохлажданите. Причината за високата цена е високата цена на полупроводниковите матрици и устройства за охлаждане до ултраниски температури. Но понякога само охладената термокамера може да реши проблема.
Основните предимства на термовизионните камери с охлаждане са:
- по-добра разделителна способност - те работят в по-къс диапазон на дължина на вълната в сравнение сс болометрични термокамери
- термовизионните камери с охлаждане имат по-голяма контрастна чувствителност. Това е следствие от различната физика на фотоелектричните и термистичните ефекти.
- комбинацията от първите два фактора дава третото предимство - много по-голям обхват на откриване. Обхват на засичане от 10 км е далеч от границата за охладено устройство.
Недостатъци на хладилните системи:
- висока консумация на енергия, причинена от наличието на охлаждащи устройства в сравнение с неохлажданите устройства.
- Доста дълго време за охлаждане - може да изминат няколко минути между включването на термовизионната камера и получаването на изображение.
- ограничен експлоатационен живот, причинен от времето между отказите на охлаждащия елемент - обикновено няколко хиляди часа непрекъсната работа.
Основните предимства на неохлажданите термовизионни камери са:
- работният диапазон е по-подходящ за наблюдение в условия на дим, мъгла, смог - в диапазона от 8-14 микрона, радиацията не се абсорбира нито от водни пари, нито от въглероден диоксид (прозорецът на прозрачност е "по-прозрачен", отколкото в диапазона от 3-5 микрона).
- относително малък размер и тегло.
- неохлажданите термовизионни камери работят веднага след включване. Освен това имат по-ниска консумация на енергия.
- много дълго време между отказите.
Основният недостатък на неохлажданите термовизионни камери е изискването за използване на оптика с висока апертура - за да се появи термичният ефект, трябва да се събере голямо количество енергия и да се прехвърли към болометъра. Следователно, за постигане на необходимото съотношение сигнал/шум на изхода на фотодетектора е необходима оптика с голям диаметър на входната зеница.
Още един недостатък на неохлажданите термовизионни камерисе крие в излъчвателната способност на характерни тела, нагрети до различни температури. Така например могат да бъдат дадени следните важни максимуми:
1. човешки - 9,36 микрона.
2. автомобил или лодка с двигател с вътрешно горене - 8,45 микрона.
3. горски пожар - около 3 микрона.
Както човекът, така и автомобилът имат забележима яркост в диапазона на късите вълни, следователно, за да ги наблюдавате на дълги разстояния, трябва да използвате термични камери, работещи в областта от 3-5 микрона. Болометричните термовизионни камери не могат да решат този проблем поради горните физически ограничения.