Тепловизоры — это приборы, которые предназначены для исследования поверхности объектов с целью определения их температуры. Любое тело, имеющее температуру выше -273.15 °C, испускает тепловое (инфракрасное) излучение. Даже снег и лед.
Для человеческого глаза оно не заметно, так как орган зрения способен уловить длину электромагнитной волны в диапазоне от 0.38 до 0.76 мкм. Инфракрасные лучи имеют диапазон от 0.76 до 1000 мкм. Их распространение можно ощутить лишь с помощью тепловых рецепторов на коже с очень близкого расстояния. Тепловизор же способен уловить инфракрасное излучение, находясь вдалеке от источника тепла, и вывести показатель температуры и характеристику температурного поля в визуально понятной форме на дисплей или экран.
По-другому можно сказать, что тепловизор — это камера, снимающая в инфракрасном диапазоне. С его помощью можно мгновенно сделать десятки тысяч измерений температуры. Это касается не именно такого количества отдельных предметов, а точек распознавания, излучающих тепло. Из определения понятно, что тепловизор нужен для поиска мест и объектов, температура которых отличается от окружающей среды или превышает нормативные показатели.
Это может пригодиться для определения источника теплопотерь в жилых домах, при контроле за целостностью трубопроводов, перемещающих нагретые вещества, определении мест замыкания электропроводки и так далее. Широкое распространение получили тепловизоры у военных. Они позволяют обнаружить замаскированную живую силу и боевую технику противника по излучаемому ими теплу, независимо от времени суток и погодных условий. Огромную роль играют тепловизоры в предупреждении распространения инфекционных заболеваний, выявляя людей с повышенной температурой. Особенно это пригодилось с появлением новой коронавирусной инфекции.
Какие бывают тепловизоры
Тепловизоры могут быть нескольких видов и предназначений. Одни используются для поиска и наблюдения за объектами, в том числе людьми и животными. Такие приборы характеризуются большой дальностью, но показывают только тепловое пятно, без конкретных значений. Другие, наоборот, действуют в ограниченном пространстве, но могут выдавать точные показания. Эти относятся к классу измерительных устройств, задачей которых является предоставление информации о точной температуре объекта.
Учитывая это, а также другие особенности тепловизоров их можно разделить на:
- охотничьи;
- военные;
- морские;
- медицинские;
- строительные и промышленные;
- научные;
- мультисенсорные;
- тепловизоры автоматизированных систем.
Охотничьи и военные тепловизоры позволяют увидеть живой объект с большого расстояния. Сам тепловизор никакого излучения при этом не испускает, что делает его незаметным, а это важно в боевой обстановке. Устройство позволяет найти технику по тепловому следу от горячих деталей. Военным это помогает уничтожить боевые средства противника, а охотникам выйти из леса, если они заблудились. Морские тепловизоры характеризуются еще большей защищенностью, чем военные и охотничьи модели. В первую очередь, от попадания внутрь соленой воды. Корабельные тепловизоры находят людей или терпящее бедствие судно в самых сложных метеорологических условиях.
Тепловизоры, предназначенные для применения в медицине, отличаются повышенной точностью измерений. Ведь даже отклонение в 1°С может дать ложное представление о болезни. Кроме того, что устройство помогает узнать о наличии в организме инфекции, оно может выявить и заболевание в отдельном органе. Рядом с проблемным местом температура повышается.
Строительные и промышленные тепловизоры помогают своевременно выявить возможные дефекты, допущенные при возведении зданий и сооружений, которые могут повлечь не только утечку тепла, но и привести к разрушению конструкции. С их помощью можно выявить опасные неисправности в высоковольтных линиях электропередач или утечку в газопроводах. Тепловизором можно найти даже скрытую трещину в опоре моста. Из-за трения температура, в месте разрушения, будет несколько выше. Кроме этого, тепловизоры могут применяться для:
- контроля герметичности системы охлаждения и выхлопной системы автомобильного двигателя;
- тестирования качества ультразвуковой сварки;
- определения нарушений герметичности различных емкостей;
- выявление нарушений соосности в механизмах с вращающимися валами, шестернями и подшипниками и так далее.
Устройства, предназначенные для использования в научной сфере, тоже отличаются точностью. Кроме этого, им необходима повышенная защищенность и способность принудительного охлаждения. Так как эксперименты часто проходят в самых экстремальных условиях.
Мультисенсорные тепловизоры нашли свое основное применение в охранных системах. Их универсальность и многозадачность позволяет максимально обезопасить территорию и защищаемые объекты в любое время суток, даже при нулевой видимости.
Тепловизоры автоматизированных систем ведут мониторинг работающего оборудования и контролируют состояние температурного режима, предупреждая о приближении к критическим значениям. Кроме этого, будучи подключенными к автоматизированной системе, они обнаруживают в пассажиропотоке людей с повышенной температурой тела, сообщая об этом оператору.
Медицина
Ранняя диагностика вирусных заболеваний, диагностика злокачественных и доброкачественных опухолей, выявление воспалительных и дистрофических поражений позвоночника и периферических суставов, диагностика заболеваний скелетных мышц, диагностика внутренних болезней (диабетическая ангиопатия, эндартериит сосудов конечностей, болезнь Рейно, гепатиты, нарушения вегетативной регуляции, миокардит, бронхит и др.), диагностика в урологии (воспалительные заболевания почек, мочевого пузыря и др.), как абсолютно безвредный прибор тепловизор также эффективно применяется в акушерстве и педиатрии.
Принцип работы тепловизора
Работа тепловизоров заключается в преобразовании излучения инфракрасных волн в электрический сигнал и его вывод на устройство индикации. Простыми словами можно так описать этот процесс:
- Объект, имеющий температуру выше абсолютного нуля (-273.15 °С), испускает инфракрасное излучение.
- Объектив тепловизора фокусирует его на инфракрасном детекторе.
- Детектор направляет сигнал электронному блоку, в котором происходит обработка сигнала.
- На дисплей выводится тепловизионное изображение.
Спектральный диапазон работы тепловизоров в пределах от 3 до 5.5 мкм и от 8 до 14 мкм позволяют хорошо видеть инфракрасное излучение в приземных слоях атмосферы. Лучше и дальше всего видны объекты с температурой от -50 °С до +500 °С. Кроме этого, такой диапазон волн позволяет не замечать помех от тумана, дождя или снега.
Еще одним принципиальным моментов является зависимость чувствительности тепловизора от собственной температуры. Поэтому детектор ИК-излучения необходимо охлаждать. Сначала стали применять охлаждение с помощью жидкого азота. Но более удобным способом стало применение элементов Пельтье. Эти полупроводники, пропуская через себя ток, охлаждаются сами и принимают тепло от детектора.
Возможности в различных условиях
Стекло
ИК излучение не проходит через стекло, однако нагретое стекло будет отображаться, как более светлая область.
Нагретое стекло светлее
Зеркало
ИК излучение отражается через зеркало
Вода
ИК излучение не проходит через воду, в некоторых случаях проникает через туман или изморось.
Инфракрасное излучение не проходит через воду
Пар и Распыленная вода
ИК излучение может проникать или не проникать через пар, в зависимости от его плотности.
Например, туман не является преградой для тепловизора.
Распыленная струя воды и работа тепловизора
Выявление горячих пятен тепловизором
Выявление «горячих пятен»
Функция температурного датчика
Некоторые модели тепловизоров имеют функцию TT-датчика. ТТ функция окрашивает наиболее нагретые участки цветом. Чем горячее участок, тем темнее тона (на рисунке – синим цветом)
Пример использования тепловизора с датчиком при пожаре
Пример использования тепловизора с ТТ-датчиком на пожаре
Вариант использования тепловизора на пожаре
Использование тепловизора на пожаре
Устройство тепловизора
Большинство тепловизоров состоит из стандартного набора узлов, деталей и электронной начинки:
- объектив;
- датчик-приемник инфракрасного излучения;
- электронный блок обработки сигнала;
- дисплей;
- программное обеспечение;
- память;
- система управления.
Основными частями тепловизора являются объектив и датчик-приемник инфракрасного излучения (матрица). Их стоимость определяет 90% цены всего устройства. Причина в сложности изготовления и дорогих материалах. Объектив делают из германия, так как обычное стекло является непреодолимым препятствием для ИК-лучей. В комплекте с тепловизорами обычно идет чехол для хранения объектива.
Полупроводники для датчика изготавливают из дорогостоящего антимонида индия, ртуть-кадмий-теллура и других монокристаллов с похожими свойствами. Приемник преобразует прошедшее через объектив излучение в электрический сигнал и направляет его в электронный блок для дальнейшей обработки. Электронный блок, обработав полученный сигнал, передает его на дисплей.
Для четкого отображения теплограммы, дисплеи должны обладать хорошей яркостью, разрешением и достаточным размером. Чаще всего, они представляют собой жидкокристаллические экраны. Кроме инфракрасного изображения на мониторе могут отображаться:
- температурная шкала;
- дата и время;
- уровень заряда аккумулятора и другое.
Используемое программное обеспечение позволяет обработать цифровую информацию, превратив ее в качественное изображение и скопировать на любые носители. Для хранения полученных данных, в виде снимков, видео- и аудиозаписи, применяется как встроенная память, так и внешние устройства. Для освобождения места, всю информацию можно перенести в компьютер.
С помощью системы управления осуществляются настройка тепловизора. Это необходимо, чтобы оптимизировать изображение и лучше видеть точки с аномальной температурой. Настройки позволяют менять цветовую гамму, отрегулировать коэффициент излучения и видимость фоновой температуры, а также выполнить другие необходимые действия, помогающие проанализировать температурную ситуацию.
Технические характеристики прибора
Именно от них зависит область применения тепловизоров. К ним относятся:
- разрешение инфракрасного датчика;
- разрешение и размер дисплея;
- температурный диапазон;
- чувствительность;
- погрешность измерений;
- спектральный диапазон.
Ориентируясь на эти параметры, можно определить, какой тепловизор лучший для тех или иных задач.
Разрешение инфракрасного датчика
ИК сенсор тепловизора имеет значительно более низкое разрешение, чем у привычных камер смартфонов, ввиду его высокой стоимости, сложности изготовления. Чем выше разрешающая способность, тем более четким получается изображение и точнее определяется температура.
Недорогой тепловизор для дома оснащается датчиком, разрешение которого не превышает 160х120 пикселей. Этого хватит, чтобы понять, требуется ли ремонт, пора ли менять утеплитель, нет ли угрозы образования плесени. Такая матрица покажет, где образовались мостики холода, насколько теплые или холодные окна. Однако для проведения полноценного энергоаудита их может быть недостаточно.
К полупрофессиональным решениям относятся приборы с разрешением 320х240 пикселей. Они уже подходят для энергетического аудита здания, более детального определения тепловых утечек. Термограммы получаются более четкими. Чтобы сделать их еще лучше, встроенные программы могут склеивать одну картинку из нескольких снимков.
Профессиональные приборы получают чувствительную матрицу разрешением 640х480 точек или выше. С их помощью распределение тепла на объекте измеряется еще более четко. Однако при вопросе, нужен ли тепловизор этого класса для повседневного использования — ответ однозначный: нет. Он слишком дорогой. Такие модели нужны там, где требуется слежение за температурными изменениями высокой точности.
Разрешение и размер дисплея
Читая описание тепловизора, нельзя путать разрешение жидкокристаллического экрана с разрешением матрицы/датчика/сенсора/инфракрасного детектора. Разница между ними такая же, как между камерой и экраном на смартфонах.
Параметры дисплея не влияют на размер термограммы. Однако от них зависит то, насколько четко будет видна картинка до распечатки отчета или до передачи его на компьютер. Почти любой бюджетный тепловизор имеет дисплей с диагональю 3,5 дюймов и с разрешением 320х240 пикселей. Более дорогие модели могут оснащаться экранами разрешением 640х480 точек и выше.
Температурный диапазон
Один из главных критериев выбора тепловизора. Каждый прибор может измерять температуру до конкретных пределов. Это определяет его предназначение.
На вопрос, какой тепловизор выбрать для обследования дома, могу порекомендовать модели, предел которых — +100 градусов Цельсия. Если требуется прибор для диагностики электрического оборудования, верхняя граница должна быть +350°C. Для слежки за теплогенераторами, котлами значение увеличивается до +650 градусов. В химической, энергетической, стекольной, металлургической промышленности требуются модели, способные определять температуру до +1200 градусов или выше.
Чувствительность
Параметр влияет на контрастность термограммы. Он характеризует то, какой температурный перепад сможет уловить прибор. Чтобы проводить энергоаудит, чувствительность должна быть не более 0,1°C. Если нужно определить, какие детали механического или электрического оборудования перегрелись, вышли из строя, можно выбрать менее чувствительную модель. Повышенная чувствительность нужна, чтобы найти скрытые протечки, места с превышением влажности, незначительных скрытых изъянов, т.д.
знай больше
У вас есть вопросы?
Напишите!
Я на связи прямо сейчас!
Погрешность измерения
Точность определения температуры тепловизором зависит от погрешности. Большинство устройств ошибаются не более чем на 2%. Для энергоаудита этого достаточно. Чтобы получить высшую точность, понадобятся приборы с азотным охлаждением.
Спектральный диапазон
Этот параметр тоже влияет на то, для чего нужен тепловизор. Чтобы выполнять термографирование зданий, нужен прибор, работающий с электромагнитным излучением, длина волны которого составляет 7-14 микрон.
Если же нужно снять здание со сплошным остеклением, понадобится устройство с охлаждаемой матрицей и спектральным диапазоном 3-5 мкм. Это поможет измерить температуру поверхности стекла без учета его отражающей способности.
Как измерять температуру человека
Измерение температуры тела человека является, наверное, одной из самых важных функций тепловизора. Ведь от этого зависит жизнь и здоровье людей. Поэтому такой прибор должен обладать большой точностью. Их погрешность составляет не более 0.5 °С. А измерение производится с расстояния от 1 до 1.5 м, что является безопасным для медицинского работника, если человек инфицирован.
Медицинские тепловизоры имеют достаточно большой объем встроенной памяти и могут сохранить до 100 000 тепловизионных изображений с данными конкретных людей. А входящая в комплект тренога позволяет устанавливать их, например, на проходных предприятия.
Вердикт
Охота с тепловизорами и ПНВ — это охота на результат, а не полноценное выслеживание зверя собственными силами. Если охотитесь вы как раз за результатом или, например, хотите выследить подранка, то выбирать стоит не ПНВ, а тепловизор, который пригодится в любую погоду и время суток. Брать для этих целей дорогущий прибор за пару сотен тысяч — нерационально. Хотя выбор, естественно, за вами.
Удачи желать не станем — иначе, как известно, охоты не будет. А вот промокодом поделимся. THERMALHUNT, 10% на всю продукцию Seek Thermal от магазина Inspector Gadgets.
Как работают тепловизоры в аэропортах и на вокзалах
Если для медицинских приборов важны конкретные показатели температуры, то для тех, которые установлены в аэропортах и железнодорожных вокзалах, особую важность имеет выявление факта ее превышения. А после этого уже врачи будут разбираться с диагнозом и лечением. Учитывая, что люди в таких местах находятся в одежде, и только лицо остается открытым, именно с него, вернее со лба, производятся замеры. Наиболее точно температуре тела соответствует кожа в углу глаз, но многие люди носят очки, что мешает снятию инфракрасного излучения с этого участка кожи. Оптимальным расстоянием для получения лучшего результата является дистанция от 3 до 6 м.
Для стационарных приборов, устанавливаемым в местах с большим количеством людей, предусмотрено специальное программное обеспечение, которое использует алгоритм распознавания конкретных лиц. При этом игнорируются другие, неживые объекты. Такие устройства работают в автоматическом режиме. Заложенные параметры позволяют настроить звуковую сигнализацию, которая срабатывает при выявлении человека с повышенной температурой. Оператору нет необходимости все время смотреть в монитор.
Применяемые в аэропортах тепловизоры, несмотря на всю важность своей работы, являются самыми примитивными представителями этих устройств. Зачастую они даже не оборудованы цветными дисплеями. Хотя это и необязательно, градусы они все же показывают.
Сборка
- Размещаем плату Arduino в корпусе с батарейным отсеком.
- Закрепляем серводвигатель при помощи суперклея или эпоксидки в переднем пустом пространстве платы.
- Размещаем второй серводвигатель в поворотном устройстве и закрепляем всю конструкцию.
- Подключаем инфракрасный термометр к Arduino, подсоединив для этого Ground к GND, SDA к PIN4 VIN к 3.3V и SCL к PIN5. Также установим резистор 4.7 кОм, подключив SDA к 3.3V и SCL к 3.3V.
- Производим подключение Laser Card или же лазерной указки. Это для того, чтобы отслеживать, с какого места в настоящий момент происходит сканирование.
- Устанавливаем веб-камеру так, чтобы ее направление точно совпадало с направлением ИК-датчика и лазера.
И все. Вы сделали тепловизор своими руками!
Тепловизор для охоты
Еще одной сферой деятельности человека, где применяются тепловизоры, является охота. С их появлением добыть зверя стало гораздо более легкой задачей. Ведь теперь охотник видит животное не только ночью, но и в сильный снег и туман, с расстояния около 300 м. Такие приборы отличаются от других своими характеристиками. Особое значение имеют:
- разрешение матрицы;
- диаметр объектива;
- частота обновления кадров;
- продолжительность непрерывной работы;
- защищенность;
- наличия дополнительных опций.
Значение разрешения матрицы в том, что от него зависит то, на какой дальности будет обнаружена цель. Высокое разрешение позволяет получить качественное изображение и идентифицировать животное. Это нужно и для безопасности, так как тепловое пятно зверя можно перепутать с излучением другого охотника. На большинстве охотничьих устройств установлены неохлаждаемые матрицы, называемых микроболометрами, с разрешением 640×480 или 384×288 пикселей.
От диаметра объектива зависят оптическое увеличение и поле угла зрения. Увеличение и угол взаимосвязаны между собой. Чем шире угол поля зрения, тем меньше оптическое увеличение, и наоборот. Чтобы вести прицельную стрельбу на дальней дистанции нужно выбирать приборы с меньшим углом и большим увеличением.
Частота обновления кадров характеризует скорость смены кадров в видоискателе устройства. Если для стационарных тепловизоров и медицинских устройств этот показатель не представляет важности, то для охоты он имеет критическое значение. Ведь, для попадания в быстро бегущую цель необходимо, чтобы кадры сменялись без зависаний. Это обеспечивает частота от 25 до 50 Гц.
От продолжительности непрерывной работы тоже зависит очень много. Ведь будет обидно, а иногда и опасно для жизни, если устройство перестанет работать в самый неподходящий момент. Чтобы этого не случилось, охотничьи тепловизоры оборудуются аккумуляторами с повышенной емкостью. Но опытные охотники берут еще и дополнительный запас батарей. Можно приобрести быстросменные блоки с аккумуляторами, чтобы увеличить время работы устройства. Помочь оптимизировать время действия тепловизора может и программное обеспечение, которое позволяет настроить спящий режим, яркость дисплея и отключение некоторых функций, требующих энергозатрат.
Говоря о защищенности, имеется в виду, что охотничий тепловизор эксплуатируется в самых разных условиях. Это может быть и повышенная влажность, и экстремальные температуры, и чрезмерные механические нагрузки. Считается, что качественный тепловизор охотника должен сохранять работоспособность при температуре от -30 °С до +50 °С и не выключаться после падения с 2-х метровой высоты.
К дополнительному оборудованию и опциям, свидетельствующим о принадлежности устройства к охотничьим тепловизорам, относятся:
- стадиометрический дальномер и баллистический калькулятор;
- микрофон с видеорекордером;
- гироскоп, компас и акселерометр;
- возможность пристрелки с одного выстрела;
- функция показа картинки в картинке;
- передача данных по Bluetooth и Wi-Fi;
- наличие цифрового зума;
- пульт дистанционного управления;
- внешний монитор или способность передавать информацию на экран смартфона;
- лазерный дальномер.
Казалось бы, что при таком наборе, охотничий тепловизор просто лишен недостатков. Но это не так. Среди его минусов:
- высокая стоимость, в том числе комплектующих и дополнительного оборудования;
- трудность в определении цели на большой дальности;
- энергозависимость от аккумуляторных батарей.
Все сказанное об охотничьих тепловизорах в полной мере относится и к военным моделям.
Дальность обнаружения, распознавания и идентификации
Главная характеристика тепловизора — максимальное расстояние наблюдения. В спецификации принято указывать три величины:
- Дальность обнаружения. Расстояние, на котором человек, лось или кабан будет виден не хуже, чем два разных пикселя. Это теоретическая величина — понять что именно обнаружено нельзя, особенно на фоне помех.
- Дальность распознавания. Расстояние до видимого объекта, который нельзя точно идентифицировать, но можно определить тип. Например, дерево, животное или транспортное средство. Считается что размер распознаваемых объектов на экране больше шести пикселей.
- Дальность идентификации. На этом расстоянии можно судить о деталях. При размере в двенадцать экранных пикселей становятся понятны характеристики цели. Например, молодой самец лося, ростом два метра.
Охотнику важен последний из параметров. Два других не имеют большого значения и служат скорее для рекламы.
Речь идет о теоретической вероятности 50%. На практике дальность еще вдвое меньше. Это связано с температурой воздуха, временем суток, типом объектов, фоном, опытом наблюдателя и другими факторами.
Что лучше на охоте: тепловизор или прибор ночного видения
Таким вопрос иногда задаются не только далекие от охоты люди, но и бывалые охотники, раньше не пользовавшиеся этими устройствами. Сразу стоит сказать, что вопрос некорректен. Ведь это абсолютно разные устройства.
Прибор ночного видения предназначен для усиления яркости объектов в темноте. Это происходит с помощью электронно-оптического преобразователя. Хотя он и может преобразовывать инфракрасные лучи в видимые, но только определенного спектра, не имеющего отношения к излучаемому теплу. Принцип работы активных прицелов основан на излучении и улавливании, после отражения от цели, именно таких ИК-лучей.
Устройство для регистрации теплового излучения никакой активности не проявляет. Оно лишь пассивно фиксирует невидимые глазу ИК-лучи, попадающие в объектив. По этой причине говорить о том, что лучше, а что хуже, нельзя.
Особенности применения
Использование при ликвидации пожаров и проведении аварийно спасательных работ
Сравнение тепловизора и прибора ночного видения
Сравнение прибора ночного видения с тепловизором
Видим людей через дым
Тепловизор позволяет увидеть людей через дым
Остаток теплового следа
Поиск человека по тепловому следу оставленному по месту его касания на мебели, полу (в зависимости от условий следы сохраняются около 5 минут)
Применение тепловизора в промышленности
Использование тепловизора при поиске горючих, ядовитых жидкостей (сжиженных газов) в емкостях
Тепловизор не способен видеть через стекло автомобиля
Применение в энергетике проверка проводки под напряжением
Тепловизор способен видеть скрытую электропроводку под напряжением и различать неравномерность распределения температуры в электропроводах
Опасность тепловизоров
Опасность тепловизионного устройства — это один из мифов. Неспециалисты думают, что раз прибор может на расстоянии зафиксировать электромагнитные волны, значит он использует какое-то излучение. Но выше мы уже разобрались, что никакого излучения не существует. Поэтому можно с уверенность сказать, что тепловизор никакой опасности для жизни и здоровья человека не несет.
Единственное, что может вызывать опасение, так это то, что неисправный прибор покажет нормальную температуру у инфицированного человека, который заразит окружающих. Но, поставив прививку, можно легко избежать этой угрозы легко.
Для чего сгодится
Процесс сканирования объекта и выдача тепловой карты занимает около минуты, ведь датчик сканирует будущую картинку точку за точкой. Это, конечно же, абсолютно бесполезно для процесса охоты. Однако отличным помощником будет данный самодельный тепловизор для строительства и других ремонтных работ. Например, его можно использовать в качестве метода проверки на предмет нагрева электрических соединений или силовых сборок. Устройство позволяет не только видеть теплограмму, но и количественные величины температур.
Помимо медленной работы тепловизор имеет еще один недостаток – жесткую привязку к ПК, что делает его слабомобильным. Но в некоторых случаях возможности устройства и его стоимость вполне себя оправдывают – за все комплектующие вам придется выложить не более 200 у. е.
