Тепловизор: что это?

Контролировать, как распределяется температура по поверхности разных объектов, способен специальный аппарат, называемый тепловизором. Такой прибор оборудован дисплеем для отображения поверхностей, которые выбраны для исследования. Это устройство показывает на экране разноцветные зоны. У определенного уровня температуры будет свое цветовое решение.

Многие из нас уже видели или пользовались бесконтактными термометрами

Принцип работы такого устройства относительно прост. Тепловое излучение от объекта наблюдения определяется датчиком термометра и дальше визуализируется в более понятное нам значение температуры.

Конечно будет вопрос, а как прибор определяет температуру, попробуем объяснить. Тела не просто излучают тепло, а излучают его с разной интенсивностью, и самое главное, с разной длиной волны.

Например диапазон длин волн обычного видимого света находится в диапазоне от 380 до 740 нм (нанометров). Ниже чем 380 это ультрафиолет, выше 740 это инфракрасное излучение.

В диапазоне температур -50..+50 градусов Цельсия тела излучают с длиной волны 7..14 мкм (микрометр), температура около 100 градусов это уже 3..7 мкм.

Прибор «видит» это излучение и определяя на какой длине волны происходит максимум излучения показывает нам значение температуры.

Но при помощи термометра мы можем узнать температуру только определенной точки, а хочется видеть объект целиком. Например так:

Или так:

Достичь такого результата можно несколькими способами.

1. Сканировать исследуемый объект одним ИК датчиком или линейкой датчиков
2. Использовать матрицу состоящую из множества датчиков.

Первый вариант слишком неудобен, так как измерение занимает продолжительное время, но разрешение изображения почти не ограничено, вопрос только в длительности измерения. Да и в таком варианте присутствуют механические узлы.

Второй вариант легче, но с получением большого разрешения есть свои трудности.

На последнем варианте мы подробно и остановимся.

Чувствительная матрица состоит из большого количества чувствительных элементов, которые воспринимают ИК излучение сфокусированное при помощи линзы объектива. Фактически это множество ИК термометров, без схемы обработки, собранных на одном кристалле.

Разрешение таких матриц не очень большое, наилучшие матрицы, доступные обычным людям, имеют разрешение до 1280*720, но о их стоимости лучше промолчать. Для обычного бытового использования используются матрицы бюджетнее, от 60х60 до 384х288.

Особенности применения накладывают ограничения на разрешение матриц. Дело в том, что мы смотрим за тепловым излучением, но кроме того что длина волны ИК излучения не позволяет сделать матрицу компактных размеров, так еще создаются проблемы с паразитным подогревом или охлаждением соседних ячеек матрицы, ведь мы следим за тепловым излучением.

Таким образом есть вероятность что тепло, попадающее на один из чувствительных элементов матрицы подогревает соседний элемент и получается погрешность. Матрица, которая воспринимает тепловое излучение, называется болометрической камерой.

Создаётся такая матрица (в большинстве популярных тепловизоров) из множества микроскопических тонкопленочных терморезисторов. Собственно сам принцип измерения накладывает второе ограничение, такие матрицы медленные, обычно тепловизоры снимают с частотой 5-10 кадров в секунду. Разумеется есть тепловизоры и с большей частотой кадров, но они дороже и больше необходимы например в системах управления автомобилями.

Тепловизоры бывают нескольких видов. Одни используются просто для наблюдения, например военными, охотниками или же службами спасения. Эти тепловизоры отличаются большой дальностью работы, но не имеют характеристик, свойственных второму виду.

Тепловизоры по выполнению своего функционала бывают:

• наблюдательными – выводящими на дисплей картину излучения тепла, преобразующими его в видимый спектр света;
• измерительными – работающими аналогично предыдущему виду с дополнительным присваиванием температурных значений сигнальным точкам света, поэтому можно дать оценку температурному распределению обследуемого места;
• визуальными – устройствами, дающими возможность контролировать зоны с отклонениями температуры от нормы.

В зависимости от исполнения выделяют:

• переносные (мобильные) модели небольших размеров с удобным держателем для перемещения, ношения;
• стационарные модели со значительными габаритными размерами или те, что устанавливаются на разное оборудование либо выступают составляющей частью оптических приборов.

В зависимости от назначения:

• строительные – призваны искать потери тепла в сооружениях, зданиях (до 350 °С), цена стартует от 20 тысяч гривен;
• охотничьи – модели с дальномерами в виде ручного или нашлемного монокуляра для наблюдения; используются работниками охранных агентств. Стоят обычно больше 15 тысяч гривен;
• прицельные приборы, бинокли – стоимость стартует от 100 тысяч гривен;
• промышленного типа – такими высокоточными моделями с чувствительными инфракрасными датчиками и полноцветными экранами больших размеров пользуются обычно на крупных предприятиях, чтобы контролировать температурные показатели технологического оборудования. Некоторыми моделями может измеряться температура больше 1000 °С. Модель высокого качества может стоить дороже 500 тысяч гривен;
• армейские – применяются военными для поиска и обнаружения дислокации вражеских сил в темное время суток, в условиях плохой видимости. Цены стартуют от 70 тысяч гривен;
• медицинские – помогают обнаруживать дефекты, опухоли. Обычно это стационарные модели, которые передают изображения на компьютер. Цена – от 200 тысяч гривен;
• бытовые – модели для домашних потребностей, их конструкция проста. Минимальная цена – 10 тысяч гривен. Представителями этого типа можно считать мобильные (мини) тепловизоры:они имеют небольшие размеры, их можно подключать к смартфонам, для вывода изображения используют телефонные экраны, питание, программное обеспечение.

Что стоит учесть при выборе тепловизора?

Выбирая такое устройство, стоит обращать внимание на следующее:

• на какой диапазон температуры рассчитана модель (например, в быту можно пользоваться вариантом с границами 0 °С и 350 °С);
• какая разрешающая способность у инфракрасного датчика (от этого зависит четкость и детализация картинки на экране);
• насколько модель термочувствительна (более точным является тепловизор с низким уровнем);
• насколько изделие защищено и в каких условиях может работать (для бытового использования подходящими считаются модели для применения в температурном диапазоне от -20 °С до 50 °С и условиях до 95 % влажности);
• какие дополнительные функции (подсвечивание экрана, наличие цифровой камеры, лазерного указателя цели, компаса и т. п.);
• идут ли в комплекте к модели дополнительные объективы (широкоугольный тип применим при исследовании длинных объектов, а телескопический позволяет получить отчетливые картинки с больших расстояний);
• насколько удобен дизайн и как хранятся данные (обычно выбирают модели, способные сохранять изображения в формате JPEG и отображать результат по температуре).

Не стоит забывать при выборе модели о способе отображения информации на экране. Возможны следующие режимы:

• полноэкранной ИК картинки (обозначается Full IR);
• одна картинка в другой (на английском – Picture-in-Picture), в этом случае фото окружено тепловой тенью;
• с наложенными слоями тепловой картинки и обыкновенного фото (Alpha Blending);
• изображения выглядят так же, как на снимках обычной фотоаппаратуры, но зоны с показателями температуры, превышающей исследуемые пределы, подсвечиваются соответственным цветом (IR/Visible Alarm);
• обычной фотографии (Full Visible Light).