Тепловизоры: принцип работы, советы по выбору и эксплуатации

Существует большое количество приборов, способных улавливать различные излучения и импульсы. Однако трудно даже среди этой массы техники отыскать ту, которая применялась бы чаще тепловизоров. Потому крайне важно представлять, что это за аппараты, как они устроены и для чего могут использоваться.

Тепловизор – оптико-электронный прибор, созданный в начале 1930-х годов. Его способность обнаруживать тепло человеческого тела позволяет использовать такую технику для охраны периметра различных объектов. Дополнительно такие устройства используют, чтобы:

• на расстоянии измерять температуру тех или иных объектов (потенциально больных животных, доменных печей, трубопроводов, нагревательного оборудования, двигателей, электропроводки, капитальных стен и крыш и так далее);
• обнаруживать за счет этого недостатки строительных и ремонтных работ, неполадки оборудования;
• выявлять утечки тепла на коммуникациях;
• оценивать характеристики вентиляции, теплоизоляции помещений;
• искать пострадавших под завалами, в больших помещениях, в труднодоступных для визуального осмотра или трудоемких при тотальном ручном исследовании местах.

Тепловизор, как и любой другой прибор для измерения температуры, позволяет определить ее довольно точно. Требования к качеству замера содержатся в установленных стандартах России и других стран. Стандартизируется также и любая другая характеристика. Цвет, получаемый при помощи камеры, сопоставляется с расцветками, эталонными для определенной интенсивности прогрева. Именно это и позволяет с довольно малой погрешностью оценивать ситуацию на каком-либо объекте.

Именно эта часть устройства принимает сигнал, поступающий извне. Вернее, не сигнал, конечно, а тепловые волны. Обычно применяется бесконтактный датчик температуры. В самодельных сборках часто применяется датчик MLX90614. Для трансляции информации с датчика этого типа обычно используют шину SMBus либо шину ШИМ.

В большинстве современных тепловизионных приборов применяется оптика на основе германия. Это характерно и для импортной, и для российской техники. Германиевая оптика пропускает волны от 1,8 до 23 микрон. Потому обеспечивается отличное наблюдение за целевыми объектами даже в условиях ограниченной оптической видимости.

Все происходит очень просто:

• инфракрасная камера улавливает волновой импульс;
• обработав его, она посылает соответствующий сигнал в цифровом формате;
• по внутреннему кабелю сигнал поступает на монитор;
• в мониторе он преобразуется в изображение, расцветка и другие параметры которого позволяют определить температуру определенного объекта.

Инфракрасные волны определяют абсолютно любой предмет, температура которого превышает температуру окружающей его среды. Потому может быть детектировано, в частности, любое существо (пока оно живо и не впало в зимнюю спячку, по крайней мере). Это свойство очень ценится охотниками. Электрический импульс внутри прибора использует изменение напряжения или электрического сопротивления.

Большой популярностью в бытовой сфере пользуется мобильный тип тепловизора. Приставки такого рода совместимы с любыми современными смартфонами, независимо от рабочей платформы. Современные мобильные аппараты могут работать в термографическом режиме даже на расстоянии десятков и сотен метров. Такое устройство ценно для:

• охранников;

• аварийно-спасательных формирований;

• строительных структур;

• охотников;

• энергетиков и коммунальщиков.

Подобную технику выпускают многие фирмы. Отдельный род техники – портативный тепловизор. Его используют уже не как прибавку к смартфону, а как полноценное автономное устройство с собственным питанием и собственной же обработкой данных. Подобные системы (например, «Сыч-3») заявлены как идеальные помощники при:

• контроле охраняемой территории;
• поиске источников помех для связи и технологического оборудования;
• аварийно-спасательных и поисково-спасательных мероприятиях;
• поиске очагов воспламенения.

Все это возможно в условиях ограниченной видимости, даже если погода портится. Отдельного разговора заслуживает пожарный тип тепловизоров. Он оптимизирован именно под поиск возгораний и немедленное обнаружение контуров, в которых они проявляются. Трудно переоценить важность такой информации при экстренных ситуациях. Техника для применения на пожаре, конечно, должна быть сконструирована с учетом требований по защите от сильного задымления, от падений, от высокой температуры и от увлажнения корпуса.

Автомобильный и строительный тепловизор отличаются по сфере применения. В отличие от пожарного оборудования, им особенно нет необходимости выдерживать высокую температуру. Автомобильный аппарат призван облегчить вождение даже в условиях плохой видимости. Что немаловажно, он позволяет обнаружить приближающегося человека, даже если тот скрыт высокой травой, кустарником, деревьями. В строительной сфере тепловизионная техника нужна, чтобы:

• определить состояние магистральных трубопроводов;
• выявить ошибки при создании вентиляции, канализации;
• обнаружить неполадки в работе отопительных приборов;
• обнаружить места, через которые уходит тепло, и оценить их вклад в общую потерю энергии;
• выяснить, насколько непроницаемы для воздуха окна, двери, уплотнения швов, оконных и дверных проемов;
• отследить утечки теплоносителей (хладагентов), места протечек и незаметные при визуальном осмотре трещины в стенах;
• узнать, где в отопительной системе есть засоры или воздушные пробки;
• выявить места, где поселились грызуны и иные нежелательные обитатели;
• распознать участки с неоправданной сухостью или повышенной влажностью;
• дать характеристику распределению тепла по помещению в целом и по отдельным комнатам.

Существуют и тепловизоры для электрооборудования. Обычно они используются на промышленных и энергетических объектах, на магистральных энергосетях и крупными неиндустриальными потребителями. Однако иногда сканирование электропроводки ценно и в бытовых условиях. Можно обнаружить места, где она греется неоправданно сильно (обычно это и есть источники серьезнейших проблем). В идеале исследуемые электроприборы и сети должны находиться под полной проектной нагрузкой, но если это невозможно, их следует загрузить хотя бы на 40%.

Тепловизоры для ночной охоты нельзя путать с приборами ночного видения. Они не позволяют увидеть то, как выглядят объекты в оптическом диапазоне. Название «ночной» в характеристике тепловизора означает, что он уверенно распознает приближающихся или затаившихся животных:

• во время сильного дождя;
• в густом тумане;
• при наступлении метели или бурана;
• в высокой траве;
• в кустах или за деревьями;
• в воде.

Вывод информации в тепловизоре, как уже говорилось, производится на специальный дисплей. И потому очень важно, каков размер экрана, представляющего пользователю необходимые данные. Он должен подчиняться правилу разумного баланса: чтобы не приходилось как вглядываться с лупой в мелкие черточки, так и испытывать проблемы при ходьбе с тепловизором. Размер дисплея зависит, помимо прочего, и от форм-фактора самого сканирующего устройства.

Основные параметры детектора определяются тем, какая болометрическая матрица была использована при его создании. Фактическое разрешение камер, снимающих в инфракрасных лучах, всегда меньше, чем у их «оптических» аналогов. При этом уровень разрешения прямо влияет как на детализацию ближних объектов, так и на возможность сделать точный замер на удаленном объекте. Но чем совершеннее элементная база, тем труднее уместить ее в ограниченное пространство и соблюсти иные требования. Поэтому нельзя рассчитывать, что технически совершенный тепловизор будет дешевым.

При всей значимости детектора и оптической матрицы итоговое разрешение тепловизора зависит не только от них. Ведь полученный сигнал должна еще обработать электроника в соответствии с определенными предустановленными алгоритмами. Пространственным разрешением принято называть величину самого мелкого объекта, который способен зафиксировать прибор. Встречается еще и термин «поле зрения», показывающий угол обзора у тепловизионной техники. Чем больше этот показатель, тем более удаленные объекты получится сканировать.

Условия инфракрасной съемки в разных местах могут существенно различаться. Естественно, в этих случаях лучше использовать тот объектив, который наилучшим образом подходит под ту или иную ситуацию. Чем больше допускается вариантов сменного окуляра, тем лучше. Следует учитывать, что почти все объективы требуют калибровки под конкретную камеру в подготовленных и контролируемых условиях. Однако встречаются и изделия с установочными файлами; благодаря им подстройка выполняется самостоятельно.

Совершенно очевидно, что на пожаре приходится иметь дело с совсем иными температурами, чем на металлургическом производстве или при сканировании качества теплоизоляции здания. Когда планируется обследовать объекты, чья температура обычно колеблется в районе 200 градусов, нет никакого смысла использовать прибор, рассчитанный на 500 градусов и более. Универсальная техника может контролировать температуры от -50 до +3000 градусов.

У этого параметра есть и иное название – погрешность при замере в смежных точках. Чтобы было понятнее, скажем так: это наименьший разброс температуры между прилегающими областями, который будет зафиксирован тепловизором. Охотникам и другим людям хватает разницы в 0,02 градуса. Более точный замер требуется только узким специалистам. В производственных условиях высокая чувствительность помогает точнее представлять особенности контролируемого технологического процесса.

Этот показатель обратно пропорционален точности производимых измерений. Стоит понимать, что наряду с технической погрешностью (наблюдающейся только при идеальных условиях съемки), появляется и практическая погрешность. На точность полученных показателей влияет:

• отражающая способность исследуемых объектов и поверхностей;
• правильность ориентации прибора и наблюдателя по отношению к цели;
• правильность изначально заданного коэффициента черноты;
• шероховатость или гладкость поверхности;
• пассивность или подвижность объекта;
• расстояние;
• оптическая и инфракрасная прозрачность среды;
• наличие или отсутствие сквозняков (ветра);
• геометрия обследуемых объектов (на углах показатели температуры завышаются по сравнению с плоскими поверхностями).

Тут подразумевается длина волн, которые способен обработать прибор. Коротковолновая (3-5 мкм) техника оснащается кремниевыми объективами линзового типа. Для охлаждения используется либо жидкий азот, либо термоэлектрический эффект. В длинноволновую категорию попадают модели, рассчитанные на обработку лучей от 8 до 14 мкм. Объективы делаются из германия, и именно такие приспособления используются в профессиональном сегменте.

Самое важное правило выбора тепловизора (верное и для других видов техники) – то, что самый дешевый аппарат крайне редко имеет необходимое качество. Почти нет смысла сегодня выбирать модели, в которых нет оптической камеры с разрешением 3-5 мегапикселей. Фотографии позволят лучше понять, где находился тот или иной объект, что он из себя представлял и что происходило на деле. Потому именно варианты с фотокамерой следует предпочитать, если планируется по итогам тепловизионной съемки готовить отчеты, доклады.

Что касается лазерного указателя, то и эта опция очень полезна. Благодаря ей можно выделить контуры объекта, находящегося под напряжением, или не подвергать себя иному риску. Если подбирается недорогой тепловизор, сложно рассчитывать на минимальную величину погрешности. Но для практических нужд она не может быть более 2%. Если этот показатель превышен, ценность устройства почти равна нулю. Как бюджетный, так и экстра-класса прибор может сохранять полученные данные в файлах различных форматов.

Значимыми параметрами в ряде случаев оказываются также:

• поддержка wi-fi;
• эргономичность рукоятки;
• наличие режима «картинка внутри картинки»;
• качество фирменного программного обеспечения;
• и только в последнюю очередь – стоимость аппарата.

Начать обзор уместно с моделей тепловизора для мобильной платформы Android. Яркий пример – Seek Thermal Compact. Производитель заявляет, что его продукт способен отслеживать объекты на расстоянии до 300 м. Гарантируется измерение температур от -40 до 330 градусов. Предусмотрена возможность инфракрасной видеосъемки.

На такой же диапазон температур рассчитан и Thermal Reveal XR. Этот тепловизор оснастили экраном диагональю 2,4 дюйма. Угол обзора составляет 20 дюймов. Немалую пользу потребителям может оказать фонарь, облегчающий манипуляции в ночные часы. Электричество выдает аккумулятор на литий-ионной основе.

Полезно ознакомиться и с тем, какие модели входят в топ профессиональных тепловизоров. Fluke TiS75 заслуженно попала в этот перечень, потому что данную модификацию даже внесли в государственный регистр измерительных средств РФ. Потому сделанные с помощью такого тепловизора замеры можно смело предъявлять как аргумент в спорах с надзорными органами. Устройство способно замерить температуру в диапазоне от -20 до +550 градусов. Настраивается тепловизор достаточно гибко, но его питают только аккумуляторы фирменного исполнения – другие не подойдут.

Testo 868 тоже достаточно хороший прибор. Однако он чрезмерно прост по сравнению с только что описанным продуктом от Fluke. Немалая разница проявляется и в характеристиках изображения (необходимое разрешение «вытягивает» только программный алгоритм), и в возможности работы с близко расположенными объектами (ограниченной из-за фиксированного типа оптики). Пользователи отмечают, что работа с этим устройством не представляет неудобств. Диапазон измерений подстраивается под возникшую ситуацию автоматически.

Конечно же, необходимую информацию на этот счет можно почерпнуть в инструкции. Но общие правила обращения с тепловизорами примерно одни и те же. Если поставлена цель определить состояние основных конструкций здания и обнаружить источники тепловых потерь, то:

• замер требуется проводить утром или поздно вечером, чтобы не было яркой солнечной подсветки, искажающей результат;
• надо обеспечить минимальную влажность воздуха и исключить сквозняки;
• двери следует закрывать;
• частный дом хорошо протапливают в течение 72 часов до поверки;
• обязательно измеряют температуру воздуха и его влажность;
• настраивают показатели верхнего и нижнего пределов отсечения у прибора;
• исследуют комнаты в том же порядке, в каком движется стрелка часов, начиная от входа;
• каждый этаж обследуют отдельно, получая термограмму для них.

Несколько иначе надо работать с тепловизором на охоте. Следует помнить про приказ Министерства природы России, согласно которому тепловизор можно применять:

• во время охоты на волка;
• для поиска раненых животных;
• для поиска копытных в ночные часы с вышки.

На пушных зверей охотиться с помощью этого аппарата официально запрещено. Прицел с дополнительным аппаратом держат на уровне пояса и водят им из стороны в сторону, чтобы обнаружить потенциальную добычу. Тепловизор желательно брать, если охотиться предстоит в тумане. В такой ситуации он позволяет обнаружить животных даже дальше, чем при обычной видимости. Но конечно, нужно основательно думать всякий раз даже при использовании техники и не превращать охоту в индустриальное ремесло.

О том, как правильно пользоваться тепловизором, смотрите в следующем видео.