Як працює інфрачервоний тепловізор

З візуальних приладів, що відображають текстову, графічну інформацію, що зберігають фотознімки, практично всі знайомі з фотоапаратами і тим більше камерами смартфонів. А ось тепловізори можна зустріти в руках тільки у фахівців, причому з різних галузей людської діяльності, а не тільки як вважається в енергоаудиті. Це і військові, і електрики, і криміналісти та пожежники...

Хоча і при побутовому застосуванні, недорогі інфрачервоні камери, від яких не потрібна супервисока роздільна здатність і точність дистанційного вимірювання температури до часток градуса, теж потрібні. Ось один приклад – котел та димар у приватному будинку. Якщо навести лінзу тепловізійної камери на витяжку, то відразу стане ясно, за рівнем її нагрівання, чи не "відлітає" тепло в трубу даремно, поки шалено обертається газовий лічильник, нараховуючи на місяць тисячі гривень платежів.

І хоча, як і більшість вимірювальних приладів, для нас важливіше, щоб пристрій функціонував належним чином, і був доступним за ціною, найбільш скрупульозних цікавить питання -

Як працює тепловізор

Теоретичні основи інфрачервоної візуалізації температури

Методика буде цікавою і важливою і з практичної точки зору для користувача. Звичайно якщо бренд неякісний, може бути і таке, але часто особливо для недосвідчених користувачів ІЧ-камер, вся проблема полягає в тому, що вони не до кінця уявляють, як працює тепловізор, щоб уникнути помилок, необґрунтованих скарг та відгуків, і теоретично представляти як поширюється інфрачервоне випромінювання від об'єктів, сприймається приладом та відображається на дисплеї.

Наприклад, якщо одна частина металевої деталі швидко охолоджується при загартуванні (занурення у воду або масло). Повна картина доступна лише в інфрачервоному спектрі. Наші органи зору не здатні сприймати довжини хвиль більше 700 нм і потрібні спеціальні тепловізійні камери, оснащені чутливими сенсорами.

Інформація розбивається на ряд пікселів (мікроболометри), кожен з яких має різну температуру. Їхня сукупність і надає нам термограму. Тобто кожній температурі відповідає відтінок кольору. Ці кольори умовні, оскільки сама температура не має такої характеристики як колір і такий метод призначений для зручності нашого зорового сприйняття.

Незалежно від моделі (як дорогих, так і дешевих), кожний тепловізор працює, видаючи колірне зображення, при якому більш гарячим у фізичному сенсі областям відповідають червоні, помаранчеві та жовті тони, а холодним – сині та зелені, а також їх комбінації.

Принцип роботи тепловізорних камер

1. Перед початком вимірювань, оскільки разом з термічним зображенням показується цифрове значення температури, об'єктив направляють на досліджувану ділянку (деталь, вікно, стіна, промислове обладнання).
2. Лінза фокусує інфрачервоне світло, що випромінюється всіма об'єктами в полі зору об'єктива. Потім сфокусоване світло сканується ІЧ-детекторами.
3. Дискретні елементи формують із кількох тисяч точок докладну та точну температурну діаграму. Сканування виконується не безперервно, а кілька разів на секунду. Цей показник зазвичай наводиться в технічних характеристиках тепловізора і може становити, наприклад, 9 Гц.
4. Потім термограма перетворюється на електричні імпульси, які передаються на друковану плату зі спеціалізованим чіпом. Мікросхема переводить аналогові сигнали від детекторних елементів у цифрову форму.
5. Блок обробки сигналів відправляє перетворену інформацію на екран, створюючи зображення різних кольорів залежно від інтенсивності (тепла) інфрачервоного випромінювання.

Чіткість картинки визначається двома головними показниками: роздільна здатність матриці-болометра. Яка може мати наприклад такі значення 60*60, 160*120, 320*240 і т.д., а також термочутливістю - вимірюється в частках градусів Цельсія (Фаренгейта). Наприклад 0,15℃.

Є й третій аспект. Це якість виготовлення. Тобто з одним і тим же показником, наприклад тепловізори FLIR, популярні серед професіоналів в Україні (для побутових потреб їх купувати не вигідно через надто високу вартість, тому в середовищі любителів часто "правлять бал" дешевші китайські тепловізорні матриці), дадуть фору своїм менш іменитим конкурентам по ринку. Хоча треба визнати, що за бренд доведеться відчутно переплатити.

Чи можна отримати термографічне зображення без тепловізора? Для цих цілей знадобилося б, наприклад, на стіні, яку передбачається обледати на предмет енергоефективності (втрат тепла) закріпити сотні датчиків температур, на однаковій відстані один від одного. Хоча навіть не сотні, а тисячі:

• Оскільки навіть найпростіших ІЧ-камер з роздільною здатністю матриці 60×60, кількість пікселів вже складе 60×60=3600. Але це дуже мало. Температурна карта буде розмита – наче дивишся крізь матове скло. Начебто щось видно, але як не намагайся розглянути, доведеться лише здогадуватися, де саме знаходиться протяг.
• А для більш-менш "пристойних" (з технічної, тепловізійної точки зору) приладів з роздільною здатністю 160×120, таких безконтактних точкових вимірювачів температури буде вже 19200 !

Більше того, уявімо таку ж неймовірну кількість проводів, електричних кабелів, шин, за якими інформація надходитиме у пристрій обробки та відображення даних. Це не реально.
Для чого для температурної візуалізації, альтернативи тепловізору просто немає.