Тепловізор: що це?

Контролювати, як розподіляється температура поверхні різних об'єктів, здатний спеціальний апарат, який називається тепловізор. Такий прилад обладнано дисплеєм для відображення поверхонь, які вибрано для дослідження. Цей пристрій відображає різнокольорові зони на екрані. У певного рівня температури буде свій колір.

Багато хто з нас уже бачили або користувалися безконтактними термометрами

Принцип роботи такого пристрою є відносно простим. Теплове випромінювання від об'єкта спостереження визначається датчиком термометра і далі візуалізується більш зрозуміле нам значення температури.

Звичайно, буде питання, а як прилад визначає температуру, спробуємо пояснити. Тіла не просто випромінюють тепло, а випромінюють його з різною інтенсивністю, і найголовніше з різною довжиною хвилі.

Наприклад, діапазон довжин хвиль звичайного видимого світла знаходиться в діапазоні від 380 до 740 нм (нанометрів). Нижче ніж 380 ультрафіолет, вище 740 це інфрачервоне випромінювання.

У діапазоні температур -50.+50 градусів Цельсію тіла випромінюють з довжиною хвилі 7..14 мкм (мікрометр), температура близько 100 градусів це вже 3..7 мкм.

Прилад «бачить» це випромінювання і визначаючи, на якій довжині хвилі відбувається максимум випромінювання, показує нам значення температури.

Але за допомогою термометра ми можемо дізнатися температуру лише певної точки, а хочеться бачити об'єкт цілком. Наприклад так:

Чи так:

Досягти такого результату можна кількома способами.

• Сканувати об'єкт, що досліджується, одним ІЧ датчиком або лінійкою датчиків
• Використовувати матрицю, що складається з безлічі датчиків.

Перший варіант занадто незручний, так як вимір займає тривалий час, але роздільна здатність зображення майже не обмежена, питання тільки в тривалості виміру. Та й у такому варіанті є механічні вузли.

Другий варіант легший, але з отриманням великої роздільної здатності є труднощі.

На останньому варіанті ми докладно зупинимося.

Спеціальна матриця складається з великої кількості чутливих елементів, які сприймають інфрачервоне випромінювання сфокусоване за допомогою лінзи об'єктива. Фактично це безліч інфрачервоних термометрів, без схеми обробки, зібраних на одному кристалі.

Роздільна здатність таких матриць не дуже велика, найкращі матриці, доступні звичайним людям, мають роздільну здатність до 1280*720, але про їхню вартість краще промовчати. Для звичайного побутового використання використовуються матриці бюджетніші, від 60х60 до 384х288.

Особливості застосування накладають обмеження на роздільну здатність матриць. Справа в тому, що ми стежимо за тепловим випромінюванням, але крім того, що довжина хвилі ІЧ випромінювання не дозволяє зробити матрицю компактних розмірів, так ще створюються проблеми з шкідливим підігрівом або охолодженням сусідніх осередків матриці, адже ми стежимо за тепловим випромінюванням.

Таким чином є ймовірність, що тепло, що потрапляє на один з чутливих елементів матриці, підігріває сусідній елемент і виходить похибка. Матриця, яка сприймає теплове випромінювання, називається болометричною камерою.

Створюється така матриця (у більшості популярних тепловізорів) з безлічі тонкоплівкових мікроскопічних терморезисторів. Сам принцип вимірювання накладає друге обмеження, такі матриці повільні, зазвичай тепловізори знімають з частотою 5-10 кадрів в секунду. Зрозуміло є тепловізори і з більшою частотою кадрів, але вони дорожчі і більше необхідні, наприклад, у системах керування автомобілями.

Тепловізори бувають кількох видів. Одні використовуються просто для спостереження, наприклад військовими, мисливцями або службами порятунку. Ці тепловізори відрізняються великою дальністю роботи, але не мають характеристик, властивих другому виду.

Тепловізори щодо виконання свого функціоналу бувають:

• спостережливими – що виводять на дисплей картину випромінювання тепла, що перетворюють його на видимий спектр світла;
• вимірювальними – працюючими аналогічно попередньому виду з додатковим наданням температурних значень сигнальним точкам світла, тому можна дати оцінку температурному розподілу місця, що обстежується;
• візуальними – пристроями, що дають змогу контролювати зони з відхиленнями температури від норми.

Залежно від виконання тепловізора виділяють:

• переносні (мобільні) моделі невеликих розмірів із зручним утримувачем для переміщення, носіння;
• стаціонарні моделі зі значними габаритними розмірами або ті, що встановлюються на різне обладнання або є складовою оптичних приладів.

Залежно від призначення тепловізори бувають:

• будівельні – покликані шукати втрати тепла у спорудах, будинках (до 350 °С), ціна стартує від 20 тисяч гривень;
• мисливські – моделі з далекомірами як ручного чи нашлемного монокуляра для спостереження; використовуються працівниками охоронних агенцій. Коштують зазвичай понад 15 тисяч гривень;
• прицільні прилади, біноклі – вартість стартує від 100 тисяч гривень;
• промислового типу – такими високоточними моделями з чутливими інфрачервоними датчиками та повнокольоровими екранами великих розмірів користуються, зазвичай, на великих підприємствах, щоб контролювати температурні показники технологічного обладнання. Деякі моделі можуть вимірювати температуру більше 1000 °С. Модель високої якості може коштувати дорожче за 500 тисяч гривень;
• армійські - застосовуються військовими для пошуку та виявлення дислокації ворожих сил у темний час доби, в умовах поганої видимості. Ціни стартують від 70 тисяч гривень;
• медичні – допомагають виявляти дефекти, пухлини. Зазвичай, це стаціонарні моделі, які передають зображення на комп'ютер. Ціна – від 200 тисяч гривень;
• побутові – моделі для домашніх потреб, їхня конструкція проста. Мінімальна ціна – 10 тисяч гривень. Представниками цього типу можна вважати мобільні (міні) тепловізори: вони мають невеликі розміри, їх можна підключати до смартфонів, для виведення зображення використовують телефонні екрани, живлення, програмне забезпечення.

Що варто врахувати при виборі тепловізора?

Вибираючи такий пристрій, варто звертати увагу на таке:

• на якому діапазоні температури розрахована модель (наприклад, у побуті можна користуватися варіантом з межами 0 °С і 350 °С);
• яка роздільна здатність інфрачервоного датчика (від цього залежить чіткість і деталізація картинки на екрані);
• наскільки модель термочутлива (точнішим є тепловізор з низьким рівнем);
• наскільки виріб захищений і в яких умовах може працювати (для побутового використання відповідними вважаються моделі для застосування в температурному діапазоні від -20°С до 50°С та умов до 95% вологості);
• які додаткові функції (підсвічування екрану, наявність цифрової камери, лазерного покажчика цілі, компаса тощо);
• чи йдуть у комплекті до моделі додаткові об'єктиви (ширококутний тип застосуємо при дослідженні довгих об'єктів, а телескопічний дозволяє отримати чіткі картинки з великих відстаней);
• наскільки зручний дизайн та як зберігаються дані (зазвичай вибирають моделі, здатні зберігати зображення у форматі JPEG та відображати результат за температурою).

Не слід забувати при виборі моделі про спосіб відображення інформації на екрані. Можливі наступні режими:

• повноекранної ІЧ картинки (позначається Full IR);
• одна картинка в іншій (англійською – Picture-in-Picture), у цьому випадку фото оточене тепловою тінню;
• з накладеними шарами теплової картинки та звичайного фото (Alpha Blending);
• зображення виглядають так само, як на знімках звичайної фотоапаратури, але зони з показниками температури, що перевищує межі, що досліджуються, підсвічуються відповідним кольором (IR/Visible Alarm);
• звичайній фотографії (Full Visible Light).