Дипломная (вкр): Тепловизионное обследование торгово-сервисного центра

 или .

Если в сферических координатах  обозначает долготу, а  - полярное расстояние, то направления ,  и ,  определяют бесконечно малый угол , который на сфере радиуса  вырезает сферический четырехугольник  (рисунок 1.6). Соответственно стороны этого четырехугольника равны  и . Следовательно, телесный угол равен:

, . (1.12)

Подставляя полученное выражение (1.12) в равенство (1.11), получаем:

, . (1.13)

Согласно уравнениям (1.1) и (1.18) энергия, излучаемая элементом поверхности  тела в полупространство, равна:

, . (1.14)

Так как левые части уравнений (1.13) и (1.14) равны между собой, то, приравнивая друг другу их правые части, определяем неизвестную величину :

, . (1.15)

Из уравнения (1.15) следует, что плотность потока излучения в направлении нормали в  раз меньше полной плотности потока излучения тела. После подстановки значения  из соотношения (1.15) в выражение (1.11) последнее примет итоговый вид:

, . (1.16)

Уравнение (1.16) применяется для расчета лучистого теплообмена между поверхностями конечных размеров. Закон Ламберта строго справедлив для абсолютно черного тела. Для шероховатых тел этот закон экспериментально подтверждается лишь для .

2. Тепловизоры. Классификация, модели, технические характеристики и область применения

2.1 Тепловизоры. Классификация тепловизоров

Тепловизоры - это устройства, предназначенные для наблюдения нагретых объектов по их собственному тепловому излучению. Они преобразуют невидимое глазом человека инфракрасное излучение в электрические сигналы, которые после усиления и автоматической обработки вновь преобразуются в видимое изображение объектов [2, 10].

В отличие от изображений в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, полученных за счет отраженного излучения объекта и различий в отражательной способности его элементов и отражающего фона, тепловые (инфракрасные) изображения создаются за счет собственного теплового излучения объекта и определяются различиями в температуре и излучательной способности его элементов и окружающего фона. Изменения температуры поверхности излучения объекта в определенной мере соответствуют деталям визуально наблюдаемой картины (рисунок 2.1), поэтому создаваемые тепловизором изображения в основном отвечают представлениям о форме и размерах рассматриваемых объектов и его отдельных участков.

Рисунок 2.1 - Тепловое изображение собаки

Все приборы тепловизионного наблюдения по способу получения теплового изображения можно разделить на несканирующие и сканирующие. К первым несканирующим тепловизорам относится эвапорограф (рисунок 2.2), в котором разность температур рассматриваемого объекта и окружающего его фона преобразовывается в разность толщин масляной пленки, неравномерно испаряющейся в процессе нагрева (эвапорография - регистрация испарением).

Рисунок 2.2 - Схема получения изображения в эвапорографе: 1 - объект; 2 - инфракрасный объектив; 3 - тонкая зачерненная мембрана; 4 - вакуумная камера; 5 - жидкостный рельеф

Другим прибором, относящимся к классу несканирующих тепловизоров, является эджеограф. Принцип его действия основан на температурной зависимости длинноволновой границы полосы собственного поглощения некоторых материалов (например, селена): край полосы поглощения смещается при изменении температуры. Если через пленку селена пропускать монохроматическое излучение от вспомогательного источника с длиной волны, близкой к длинноволновой границе полосы поглощения, интенсивность прошедшего через пленку излучения будет зависеть от ее температуры. Это явление положено в основу устройства прибора, с помощью которого можно было наблюдать и фотографировать теплоизлучающие объекты. Эджеограф позволял фиксировать перепады температур порядка при разрешающей способности  и постоянной времени  [1].

В 40-е годы наметились две тенденции в развитии тепловизионных приборов. К первой группе приборов относятся тепловизоры, в которых для преобразования оптического сигнала инфракрасного диапазона в электрический сигнал используется принцип оптико-механического сканирования (рисунок 2.3), а ко второй группе приборов - тепловизоры с электронным сканированием. В тепловизорах первого типа используются одноэлементные или многоэлементные инфракрасные приемники излучения мгновенного действия, а в тепловизорах второго типа в качестве приемников излучения используются инфракрасныевидиконы, пириконы, а в настоящее время еще и матричные приемники излучения, так называемые фокальные матрицы, работающие в режиме накопления зарядов и основанные на различных физических принципах [11].

Рисунок 2.3 - Обобщенная функциональная схема сканирующего тепловизора с системой оптико-механического сканирования: 1 - оптическая система; 2 - блок оптико-механического сканирования; 3 - приемник излучения; 4 - система охлаждения; 5 - электронный тракт; 6 - видеоконтрольное устройство; 7 - система синхронизации

Идея создания сканирующих оптико-механических тепловизоров, в которых используются метод развертывающего преобразования, предложена советским ученым Федором Евгеньевичем Темниковым (1906-1993 гг.). В начале этого периода еще не были доведены до необходимой кондиции телевизионные передающие трубки, чувствительные в инфракрасной области спектра, поэтому главное внимание было сосредоточено на разработке тепловизоров с оптико-механической системой сканирования. Одной из главных характеристик таких систем сканирования являлось время, необходимое для анализа теплового поля. С этой точки зрения оптико-механические системы сканирования условно классифицируют на три вида: низкоскоростные (время анализа поля более ), среднескоростные (от  до ) и высокоскоростные (менее ).

Вначале разрабатывались тепловизоры с низкоскоростной и среднескоростной системами сканирования. Так, в Потсдамской астрофизической обсерватории был создан сканирующий тепловизор с болометром, во Франции - тепловизор с фоторезистором, в США - авиационный тепловизор для получения тепловых карт местности. Первый отечественный тепловизор среднего быстродействия был создан в ВЭИ имени В.И. Ленина. С 1960 г. начали разрабатываться тепловизоры с быстрой кадровой разверткой для самолетных систем переднего обзора и различных наземных применений. В зарубежной литературе такие приборы получили название FLIR (от первых букв английских слов ForwardLookingInfra-Red - "инфракрасный прибор переднего обзора").

Иначе выполнены тепловизоры с фотоэлектронной системой сканирования. Здесь изображение исследуемого теплового поля проецируется на фотокатод телевизионной передающей трубки, а затем "просматривается" электронным лучом, управляемым электрическим или магнитным полем. Несмотря на преимущества фотоэлектронной системы сканирования по сравнению с оптико-механической (в частности, возможность наблюдения быстро перемещающихся объектов), разработка тепловизоров с фотоэлектронной системой сканирования шла медленно. Причиной тому было отсутствие малогабаритных и высокочувствительных передающих телевизионных трубок, способных регистрировать собственное излучение низкотемпературных объектов.

Техника создания тепловизоров достигла высокой степени развития с разработкой одноэлементных и многоэлементных приемников излучения, имеющих чувствительность, близкую к теоретическому пределу, и малую инерционность. Малогабаритные криогенные устройства охлаждения приемников и постоянный прогресс в миниатюризации электроники обеспечили создание тепловизоров с небольшими габаритными размерами и малым потреблением мощности. В современных тепловизорах зарубежного производства применяют приемники излучения на основе теллурида кадмия и ртути, имеющие рабочий диапазон длин волн от  до . Каждый приемник содержит несколько сотен чувствительных элементов и охлаждается до температуры  адиабатическим микрохолодильником Джоуля-Томсона, работающим в замкнутом цикле рекуперации [1].

По типу исполнения тепловизионную технику принято делить на стационарную и переносную [12]. Первые предназначены для стационарной установки, наблюдения за фиксированной зоной и передачи информации по линии связи. В системах безопасности могут устанавливаться на привод наведения. В промышленности стационарные тепловизоры обычно следят за температурным режимом движущихся объектов (например, на конвейере) или поверхностей (например, вращающихся печей). Примером стационарных тепловизоров являются модели FLIR FC серии S (рисунок 2.4). Переносные (портативные) тепловизоры применяются для тепловизионной съемки в строительстве, энергетике, промышленности и других отраслях. Современные модели имеют моноблочный корпус, который содержит все системы тепловизора: оптику, матрицу, электронику, экран, органы управления, носитель для записи термограмм, аккумулятор. Портативные тепловизоры также оснащаются встроенными фотоаппаратами, лазерными целеуказателями, лампами подсветки, аудио-гарнитурами. Портативные тепловизоры имеют малый вес от  до . Автономное аккумуляторное питание обеспечивает работу до .

Рисунок 2.4 - Тепловизионная камера FLIR FC

По возможности измерения температуры существуют наблюдательные и измерительные тепловизоры. Наблюдательные тепловизоры делают тепловое излучение объектов видимым, представляя интенсивность инфракрасного излучения с помощью выбранной цветовой шкалы (палитры). Измерительные тепловизоры предназначены для визуализации температурных полей и бесконтактного измерения температуры поверхностей.

2.2 Основные технические характеристики современных тепловизоров

Современные тепловизоры, необходимые для проведения неконтактной термометрии строительных объектов, относятся к портативным оптико-механическим устройствам. Они не только воспроизводят изображение нагретых объектов, но и измеряют температурное поле исследуемого тела. Термограмма (рисунок 2.1), полученная по результатам тепловизионной съемки, может быть в дальнейшем проанализирована и обработана в оперативной памяти самого прибора или в прикладном программном обеспечении.

Рассмотрим основные технические характеристики современных приборов тепловизионного наблюдения [13, 14].

Размер детектора, , является основным техническим параметром тепловизора. Размер детектора указывает на количество тепловых точек, которые способен зарегистрировать тепловизор. Чем больше количество пикселей, тем более детально и четко представлены объекты измерения на снимках. Инновационные технологии позволяют увеличивать текущее разрешение изображения в несколько раз (например,  на  или  на ). Высокое качество изображения играет особенно важную роль, когда объект тепловизионного мониторинга находится в труднодоступном месте и съемка возможна только на большом расстоянии или при рассмотрении теплового состояния мельчайших деталей конструкций (при низком разрешении детектора они могут просто не попасть в поле зрение тепловизора).

Температурная чувствительность NETD, , характеризует измерительный прибор по регистрации самых незначительных перепадов температур, отображает малейшую разницу температур между двумя соседними точками, которую может распознать тепловизор. Чем меньше значение, тем лучше разрешающая способность тепловизора и тем лучше качество снимка. Тепловизоры, имеющие высокую температурную чувствительность и разрешающую способностью детектора позволяют визуализировать малейшие перепады температурнезависимо от размеров объекта тепловизионного обследования.

Температура поверхности, , которая формирует тепловое изображение объекта контроля. Поскольку можно увидеть только распределение температуры на поверхностях объекта, термографисты должны интерпретировать и проанализировать это распределение температуры, чтобы связать их с внутренними температурами объектов и конструкций. Например, на наружной стене здания будет проявляться рисунок из различных температур, и задача термографиста в том, чтобы связать их с конструкцией и тепловыми характеристиками объекта. Для того чтобы сделать это наилучшим образом, необходимо иметь представление о том, как теплота распространяется через различные конструкции и материалы в стене. В холодную погоду тепловая энергия изнутри здания проходит через конструкцию стены на поверхность, а поверхность приходит в тепловое равновесие с окружающей средой. Именно в этот момент термографист обследует поверхность с помощью тепловизора и должен интерпретировать то, что получилось. Эти соотношения часто могут быть достаточно сложными, однако во многих случаях в них можно разобраться, исходя из здравого смысла, используя научные основы теплообмена.