О технических характеристиках тепловизоров и о проблемах интерпретации результатов тепловизионной съемки оборудования

Кочуров Е.Л., канд. физ.-мат. наук И.В. Милютин., канд. физ.-мат. наук Рубиновский А.В.

ООО «Лаборатория энергосбережения»

Лысин Д.Н., Нуртдинов Р.З.

Отдел диагностики ООО «Удмуртские коммунальные системы»

Неразрушающий контроль состояния энергетического оборудования имеет первостепенное значение. Одним из видов неразрушающего контроля является тепловизионная съемка. С появлением на рынке достаточно дешевых тепловизоров увеличилось число компаний, предлагающих услуги по тепловизионной съемке. Связано это еще и с тем, что с помощью тепловизора часто можно легко получить качественную (т.е. не количественную) картинку, по которой можно судить о явных дефектах. Например, на рис.1-3 показаны, соответственно: перегрев болтового соединения шины 0.4 кВ и трансформатора; дефект тепловой изоляции паропровода; дефект ограждающей конструкции здания.

Рис.1 Перегрев болтового соединения шины 0.4 кВ с трансформатором, а) фотоснимок, б) тепловизионный снимок.

Рис.2. Дефект тепловой изоляции паропровода, а) фотоснимок, б) тепловизионный снимок.

Рис.3 Дефект ограждающей конструкции здания, а) фотоснимок, б) тепловизионный снимок.

В тоже время грамотная интерпретация результатов съемки по ряду причин остается «за кадром». Зачастую оператор не знает, какие параметры тепловизора он должен выбрать при съемке, как нужно учесть условия внешней среды и расположение объекта съемки, но самое главное, ни оператор, ни инженеры, обрабатывающие термограммы до конца не понимают, что же за прибор у ник в руках.

Самое расхожее мнение: тепловизор фиксирует температурное поле. На самом деле тепловизор фиксирует не поле температур, а тепловой поток, определение поля температур и построение термограмм производится программным обеспечением, «зашитым» в тепловизор. Программное обеспечение тепловизора - это «черный ящик» и наверняка, этот «черный ящик» не учитывает многие физические эффекты, возникающие при излучении, поглощении и отражении инфракрасного (теплового) излучения. То, что это программное обеспечение тепловизора не учитывает многие эффекты понятно потому, что нет соответствующих установочных параметров, значения которых могли бы задаваться до съемки.

Для примера на рис.4 показан скриншот настроек тепловизора SAT модели SDS HOTFIND-DX. Видно, что при съемке устанавливаются лишь: коэффициент эмиссии (коэффициент излучения), расстояние до объекта съемки, температура окружающей среды и влажность.

Рис.4. Скриншот настроек тепловизора SAT модели SDS HOTFIND-DX

Наиболее часто встречающиеся проблемы, связанные с интерпретацией тепловизионных снимков: интерпретация снимков поверхностей, образующих двухгранные и трехгранные углы (стыки стен, стен и перекрытий при съемке ограждающих конструкций), снимков поверхностей из материалов с присущей им анизотропией излучения по углу от нормали к поверхности (при съемке поверхностей из алюминиевых сплавов, нержавеющей стали, оцинкованные поверхности и т.д.). Особые проблемы доставляет съемка стекол.

При обработке снимков двухгранных и трехгранных углов важно помнить, что коэффициент излучения совокупности поверхностей, образующих угол, выше, чем коэффициент самих этих поверхностей. Кроме того, температура на стыке поверхностей должна отличаться от температуры самих поверхностей (в силу особенностей температурного поля ограждающей конструкции). Таким образом, для корректного определения температуры на поверхностях близких к вершине угла необходимо учитывать соответствующие угловые коэффициенты излучения (см. [1]). То же самое, естественно, касается криволинейных поверхностей, выступов и т.п.

При обработке тепловизионных снимков объектов, изготовленных из материалов с анизотропией плотности инфракрасного излучения по углу важно знать и учитывать параметры анизотропии. Ниже, для примера, приведен тепловизионный снимок (тепловизор SAT модели SDS HOTFIND-DX) воздуховода горячего воздуха бумагоделательной машины.

Рис.5. Воздуховод горячего воздуха бумагоделательной машины, а) фотоснимок, б) тепловизионный снимок.

Из тепловизионного снимка видно, что поверхности воздуховода, якобы, имеют температуру от 90 ⁰С до 110 ⁰С градусов, при фактической температуре в 100 ⁰С. Такая разница температур на тепловизионном снимке и фактической температуры объекта обусловлена анизотропией плотности излучения по углу от нормали для гладкой оцинкованной поверхности и криволинейной формой части поверхностей воздуховода.

Далее остановимся на некоторых технических характеристиках тепловизоров и о том, как следует учитывать эти основные характеристики при подготовке к конкретному обследованию и при интерпретации полученных результатов.

Спектральный диапазон.

На практике используются тепловизоры, работающие в двух спектральных диапазонах инфракрасного излучения – коротковолновом (длины фиксируемых прибором волн лежат в интервале от 3 до 5, 5 мкм) и длинноволновом (длины волн от 7 до 14 мкм). Наличие двух диапазонов объясняется, прежде всего, тем, что в этих диапазонах располагаются «окна прозрачности» атмосферы для инфракрасного излучения, кроме того, в распоряжении разработчиков тепловизионного оборудования имеются два типа приемников (принимающая матрица), работающих именно в этих диапазонах. Добавим также, что максимумы плотности излучения от объектов, имеющих температуры в интервале от 0 до 100⁰С, располагаются в указанных волновых интервалах. Например, максимальная плотность излучения, приходящая от объекта, имеющего температуру 27⁰С, соответствует длинам волн вблизи 10 мкм.

Примером коротковолнового прибора на российском рынке является отечественный тепловизор ИРТИС-2000. Приборов, работающих в длинноволновом диапазоне гораздо больше, к ним относится, например, тепловизор SDS HOTFIND-DX.

Разработчики и производители коротковолнового и длинноволнового тепловизионного оборудования, по понятным причинам, спорят о преимуществах того или иного диапазона. Разработаны и используются двухканальные тепловизоры (с помощью которых, в том числе, можно решать задачи, недоступные для одноканальных приборов). Рассмотрим некоторые плюсы и минусы двух диапазонов.

Разработчики тепловизора ИРТИС упоминают о преимуществах коротковолнового диапазона при термографии окон. Это может быть связано только с тем, что коэффициент излучения стекла в коротковолновой области выше, чем в длинноволновой (на длине излучения 5,1 мкм значение коэффициента излучения равно 0,98, а в диапазоне 8-14 мкм – 0,85). Разница есть, но вряд ли, ее можно считать принципиальной.

Тепловизионную съемку вне помещений не рекомендуется проводить днем и тем более в солнечную погоду. Если же это все-таки приходится делать, то здесь предпочтительнее использование длинноволнового диапазона. Хотя энергия солнечного излучения присутствует в обоих диапазонах, ее количество значительно больше в коротковолновом диапазоне, а это влечет дополнительную погрешность. Особенно большая ошибка будет наблюдаться при обследовании объектов с небольшим коэффициентом излучения, и, следовательно, с большим коэффициентом отражения.

Длинноволновый диапазон характеризуется более высоким температурным разрешением (см., например, [2]), что особенно важно в условиях, когда температура объекта обследования близка к температуре окружающей среды.

Несколько слов в пользу отечественного «коротковолнового» тепловизора ИРТИС-2000. Использование в нем охлаждаемой жидким азотом принимающей излучение матрицы, конечно, доставляет некоторые неудобства при эксплуатации, но и дает важный плюс – этот тепловизор менее подвержен внутренним тепловым флуктуациям, что важно при необходимости максимально точно определить температуру поверхности изучаемого объекта.

Размер матрицы, угловое поле зрения, оптическая разрешающая способность.

Размер матрицы, угловое поле зрения, оптическая разрешающая способность – основные и связанные между собой характеристики тепловизоров, которые, в первую очередь, следует учитывать, планируя обследованию конкретного объекта. Чем больше принимающая матрица, тем больше на ней элементов, фиксирующих излучение.

Угловое поле зрения тепловизора характеризует дистанцию, с которой может быть исследована поверхность тела, имеющая заданные размеры. Чем больше угловое поле зрения, тем с меньшего расстояния тепловизор способен полностью охватить данный участок поверхности объекта.

Оптическая разрешающая способность – это угловой размер области поверхности объекта, с которой излучение приходит на один рабочий элемент (пиксель) матрицы тепловизора. Эта характеристика тепловизора позволяет судить о том, какого минимального размера дефект может быть зафиксирован при проведении тепловизионного обследования на данном расстоянии от объекта.

В настоящее время на рынке тепловизоров сложилась уникальная ситуация – при огромном разбросе цен на тепловизоры (нижняя граница 100 000 рублей, верхняя – несколько миллионов), перечисленные выше характеристики для различных тепловизоров принципиально друг от друга не отличаются. Следовательно, недорогим тепловизорам доступно решение основных задач тепловизионного обследования.

Приведем для сравнения некоторые данные: в тепловизоре SDS HOTFIND-DX стоимостью 168 000 рублей установлена матрица 160 x 120 элементов, угловое поле зрения этого тепловизора 20⁰ x 15⁰, оптическая разрешающая способность 2,2 мрад, а в тепловизоре NEC TH 7800 стоимостью 1 млн.170 тыс. рублей, эти параметры соответственно равны - 320 x 240, 27⁰ x 20⁰ и 1,5 мрад.

Проводя обследование тепловизором, угловое поле зрения которого составляет, например, 20⁰ x 15⁰, необходимо учитывать следующее – получить панорамную термограмму дома высотой 20 метров удастся с расстояния в 55 метров (для тепловизора NEC TH 7800 это расстояние составит чуть больше 40 метров), при этом в поле зрения одного рабочего элемента принимающей матрицы прибора попадет участок объекта с линейным размером 12 см (у NEC TH 7800 – размером 6 см). Дефекты меньшего размера в этом случае можно просто пропустить. В этой связи вызывает недоумение увлечение представлением панорамных снимков многими сайтами, рекламирующими тепловизоры.

В заключение этого раздела – несколько слов о применении инфракрасных пирометров. Часто приходится слышать вопрос о том, какова необходимость использовать дорогостоящий тепловизор, если под руками есть инфракрасный пирометр. Конечно, у пирометров есть своя обширная область применения, но всегда следует учитывать, что пирометр не измеряет температуру в точке, он определяет среднюю температуру пятна, размеры которого определяются оптическим разрешением пирометра. Оптическое разрешение пирометра - это отношение расстояния от тепловизора до объекта к характерному размеру пятна. Для большинства инфракрасных пирометров оптическое разрешение находится в интервале от 8:1 до 50:1. Как видим, даже в оптимальном случае на расстоянии 5 м от объекта пирометр (например, ПИТОН-102 стоимостью 16 700 руб. или IR-T4 стоимостью 26 262 руб.) будет фиксировать усредненную температуру пятна с линейным размером 10 см. Понятно, что при таких параметрах осреднения легко проути мимо дефекта. Подойти к объекту ближе может быть не всегда удобно, а иногда и небезопасно.

Рекордное значение оптического разрешения для пирометров, работающих в широкой области температур, лежит в области 75:1 (пирометр TESTO 845 по цене примерно 44 000 рублей), что принципиально картины не меняет. Справедливости ради следует упомянуть пирометры, оптическое разрешение которых составляет 150:1 и, даже, 180:1, но они очень дороги и их применяют лишь в области высоких температур – от 300⁰С и выше.

Настройки тепловизора.

Для корректного перевода фиксируемого тепловизором теплового потока от объекта в значения температуры его поверхности (создание термограммы), определяющую роль играет правильное задание параметров, учитываемых «вшитыми» в тепловизоры программами обработки данных. В определении набора этих параметров разработчики идут разными путями.

В тепловизоре ИРТИС термограмма делается без предварительного ввода каких-либо параметров. Далее проводится редактирование термограммы при помощи компьютера. Это можно сделать, например, при помощи контактного термометра - значение корректирующего параметра меняется до тех пор, пока температура некоторого конкретного участка на термограмме не совпадет с температурой этого же участка, измеренной независимо контактным термометром. У такого подхода масса практических преимуществ, но есть и недостатки – не всегда возможно независимое определение температуры интересующей нас области объекта; корректирующий параметр, называемый коэффициентом излучения, на деле таковым не является, а эффективно учитывает влияние других факторов (расстояние, влажность, температура окружающей среды), что затрудняет использование табличных значений этого коэффициент.

Физически более прозрачным представляется подход, реализуемый в большинстве западных моделей тепловизоров. Перед проведением теплосъемки объекта в меню прибора необходимо внести значения коэффициента излучения, указать расстояние до объекта, температуру окружающей среды, относительную влажность.

Расстояние до объекта тепловизионного обследования и температуру окружающего воздуха определить несложно, влажность тоже можно измерить. При установке влажности можно учесть, что до расстояний, меньших 30 метров влиянием влажности можно пренебречь и установить в меню тепловизора значение относительной влажности в 60%, что исключит значительную ошибку в определении поля температур.

Установить правильное значение коэффициента излучения сложнее, и влияние ошибки в задании этого коэффициента на показания тепловизора может быть значительным. Температурная ошибка при неточности задания коэффициента излучения в 1% тем больше, чем больше температура объекта, и может составлять несколько градусов (см. [3]).

С целью корректного определения коэффициента излучения для некоторых моделей тепловизоров должен быть использован контактный термометр. После измерения температуры однородного участка поверхности объекта контактным термометром, температура этого участка определяется тепловизором с изменением коэффициента излучения до тех пор, пока показания контактного термометра и тепловизора не совпадут.

Отметим, что метод коррекции коэффициента излучения по температуре не работает в том случае, когда температура объекта близка к температуре окружающего воздуха. В этом случае изменение значения коэффициента излучения в настройках тепловизора в широких пределах не приводит к заметным изменениям фиксируемых значений температуры. Это следствие того, что «вшитые» в тепловизор программы используют приближенные формулы, дающие данный эффект. Выходом из такой ситуации является использование принудительного нагрева поверхности объекта лампами накаливания.

Использование контактного термометра представляется нам более эффективным, нежели другой часто применяемый способ определения коэффициента излучения – с помощью нанесения на поверхность изделия покрытия с известным высоким коэффициентом излучения (используются лаки, краски, сажевые эмульсии и т.д.). Покрыть весь объект краской не всегда представляется возможным, а покрытие только его части может привести к изменению температурного поля исследуемой поверхности.

Если исследуемая поверхность неоднородна, следует получить, несколько ее термограмм (при различных значениях коэффициента излучения.), Совместный анализ этих термограмм позволит повысить достоверность получаемых результатов.

Знание точного значения коэффициента излучения важно, прежде всего, тогда, когда следует максимально точно определить температуру объекта. Если необходимости этого нет, а для анализа ситуации важно знание разности температур, можно использовать метод сравнения с эталоном. В этом случае термограммы проблемных участков сравниваются с термограммой эталонного участка. Понятно, что при этом все термограммы должны быть выполнены в одинаковых условиях.

Литература

1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С.Теплопередача. Изд. 3е.М., «Энергия». 1975, 487 с.

2. Неразрушающий контроль. Cправочник в 7 томах, т.5, М, «Машиностроение», 2004, 679 c.

3. Бажанов С. А. Инфракрасная диагностика электрооборудования распределительных устройств. - М.: НТФ "Энергопрогресс", 2000. - 76 с.