Как работает инфракрасный тепловизор

Из визуальных приборов, отображающих текстовую, графическую информацию, сохраняющих фотоснимки, практически все знакомы с фотоаппаратами и тем более с камерами смартфонов. А вот тепловизоры можно встретить в руках только у специалистов, причем из самых разных отраслей человеческой деятельности, а не только как считается в энергоаудите. Это и военные, и электрики, и криминалисты и пожарники...

Хотя и при бытовом применении, недорогие инфракрасные камеры, от которых не требуется супервысокое разрешение и точность дистанционного измерения температуры до долей градуса, тоже востребованы. Вот один пример – котел и дымоход в частном доме. Если навести линзу тепловизионной камеры на вытяжку, то сразу станет ясно, по степени ее нагрева, не "улетает" ли тепло в трубу зря, пока бешенно вращается газовый счетчик, насчитывая в месяц тысячи гривень платежей.

И хотя, как и большинство измерительных приборов, для нас важнее, чтобы устройство функционировало должным образом, и было доступным по цене, наиболее дотошных интересует вопрос -

Как работает тепловизор

Теоретические основы инфракрасной визуализации температуры

Методика будет интересна и важна и с практической точки зрения для пользователя. Конечно если бренд некачественный, может быть и такое, но часто особенно для неопытных пользователей ИК-камер, вся проблема заключается в том, что они не до конца представляют, как работает тепловизор, чтобы избежать ошибок, необоснованных жалоб и отзывов, и теоретически представлять как распространяется инфракрасное излучение от объектов, воспринимается прибором и отображается на дисплее.

Например если одна часть металлической детали быстро охлаждается при закалке (погружении в воду или масло). Полная картина доступна только в инфракрасном спектре. Наши органы зрения не способны воспринимать длины волн больше чем 700 нм и нужны специальные тепловизионные камеры, оснащенные чувствительными сенсорами.

Информация разбивается на ряд пикселей (микроболометры), каждый из который имеет разную температуру. Их совокупность и предоставляет нам термограмму. То есть каждой температуре отвечает оттенок цвета. Эти цвета условные, посколька сама температура не имеет такой характеристики как цвет и такой метод предназначен для удобства нашего зрительного восприятия.

Не зависимо от модели (как дорогих, так и дешевых), каждый тепловизор работает, выдавая цветовое изображение, при котором более горячим в физическом смысле областям соответствуют красные, оранжевые и желтые тона, а холодным – синие и зеленые, а также их комбинации.

Принцип работы тепловизорных камер

1. Перед началом измерений, поскольку вместе с термическим изображением показывается и цифровое значение температуры, объектив направляют на исследуемый участок (деталь, окно, стена, промышленное оборудование).
2. Линза фокусирует инфракрасный свет, излучаемый всеми объектами в поле зрения объектива. Затем сфокусированный свет сканируется ИК-детекторами.
3. Дискретные элементы формируют из нескольких тысяч точек подробную и точную температурную диаграмму. Сканирование производится не непрерывно, а несколько раз в секунду. Этот показатель обычно приводится в технических характеристиках тепловизора и может составлять например 9 Гц.
4. Затем термограмма, преобразуется в электрические импульсы, которые передаются на печатную плату со специализированным чипом. Микросхема переводит аналоговые сигналы от детекторных элементов в цифровую форму.
5. Блок обработки сигналов отправляет преобразованную информацию на дисплей, создавая изображение различных цветов в зависимости от интенсивности (тепла) инфракрасного излучения.

Четкость картинки определяется двумя главными показателями: разрешение матрицы-болометра. Оно может иметь например такие значение 60*60, 160*120, 320*240 и т.д., а также термочувствительностью - измеряется в долях градусов Цельсия (Фаренгейта). Например 0,15℃.

Есть и третий аспект. Это качество изготовления. То есть с одним и тем же разрешением, например тепловизоры FLIR, популярны среди профессионалов в Украине (для бытовые нужд их покупать не выгодно в виду слишком высокой стоимости, поэтому в среде любителей часто "правят бал" более дешевые китайские тепловизорные матрицы), дадут фору своим менее именитым конкурентам на рынке. Хотя надо признать, что за бренд придется ощутимо переплатить.

Можно ли получить термографическое изображение без тепловизора ? Для этих целей понадобилось бы например на стене, которую предполагается обледовать на предмет энергоэффективности (потерь тепла) закрепить сотни датчиков температур, на одинаковом расстоянии друг от друга. Хотя даже не сотни, а тысячи:

• Поскольку даже для самых простеньких ИК-камер с разрешением матрицы 60×60, количество пикселей уже составлет 60×60=3600. Но это очень мало. Температурная карта будет размытая – словно смотришь сквозь матовое стекло. Вроде что-то видно, но как не старайся разглядеть, придется только догадываться, где же именно находится сквозняк.
• А для более-менее "приличных" (с технической, тепловизионной точки зрения) приборов с разрешением 160×120, таких точечных бесконтактных измерителей температуры будет уже 19200 !

Более того, представим себе такое же неимоверное количество проводов, электрических кабелей, шин, по которым информация будет поступать в устройство обработки и отображения данных. Это не реально.
Для что для температурной визуализации, альтернативы тепловизору просто нет.