Лекция на тему: «Комплексное обследование маслонаполненного оборудования»

Инфракрасная камера (тепловизор) сканирует поверхность объекта, измеряет инфракрасную радиацию, излучаемую поверхностью и формирует на основании этого двумерное изображение отображающее температурное распределение на поверхности объекта. Стандартное встроенное программное обеспечение позволяет оператору корректировать изображение таким образом, чтобы отображать реальные температуры. Также существует дополнительное программное обеспечение (разработанное корпорацией Nec) работающее в оболочке Windows, и позволяющее осуществить детальный анализ ИК изображения (температуру каждой точки, построить гистограмму, температурные графики и пр.) при помощи персонального компьютера.

В тепловизионной аппаратуре видимое изображение высвечивается на экране поэлементно, т.е. кадр изображения формируется, как в телевидении, путем перемещения луча по горизонтали и вертикали. Тепловизор преобразует невидимое глазом человека инфракрасное излучение в электрические сигналы, которые после усиления и автоматической обработки вновь преобразуются в видимое изображение объектов.

История развития тепловизоров

Первым тепловизором условно можно считать эвапорограф, в котором разность температур рассматриваемого объекта и окружающего его фона преобразовывалась в разность толщин масляной пленки, неравномерно испаряющейся в процессе нагрева (эвапорография – регистрация испарением).

Конструкция всех эвапорографов принадлежала к классу не сканирующих тепловизоров и не получили широкого применения из-за больших недостатков – время требуемое для получения изображения в эвапорографах, достигало десятков секунд.

Другим прибором относящимся к классу несканирующих тепловизоров, являлся эджерограф. Эджерограф позволял фиксировать перепады температур порядка 10 градусов Цельсия, он тоже не получил большого распространения.

В послевоенный период в ряде стран началась разработка сканирующих тепловизов, в которых использовался метод развертывающего преобразования. В начале этого периода еще не были доведены до необходимой кондиции телевизионные передающие трубки, чувствительные в инфракрасной области спектра, поэтому главное внимание было сосредоточено на разработке тепловизоров с оптико-механической системой сканирования. Одной из главных характеристик таких систем сканирования является время, необходимое для анализа теплового поля. С этой точки зрения оптико-механические системы сканирования условно классифицируются на три вида: низкоскоростные (время анализа поля Тк>20 секунд), среднескоростные (0,5 с < Тк < 20 с) и высокоскоростные (Тк<0,5 с). Вначале разрабатывали тепловизоры с низкоскоростной и среднескоростной системами сканирования. С 1960 года начали разрабатывать тепловизоры с быстрой кадровой разверткой для самолетных систем и различных наземных применений.

В последствии начали применять тепловизоры с фотоэлектронной системой сканирования. Здесь изображение исследуемого теплового поля проецируется на фотокатод телевизионной передающей трубки, а затем «просматривается» электронным лучом, управляемым электрическим или магнитным полем. Несмотря на преимущества фотоэлектронной системы сканирования по сравнению с оптико-механической (в частности, возможность наблюдения быстро перемещающихся объектов), разработка тепловизоров с фотоэлектронной системой сканирования шла медленно. Причинной тому было отсутствие малогабаритных и высокочувствительных передающих телевизионных трубок, способных регистрировать собственное излучение низкотемпературных объектов.

И только изобретение пирикона – передающей телевизионной трубки с пироэлектрической мишенью открыло новые перспективы создания тепловизоров, способных без каких либо устройств охлаждения наблюдать низкотемпературные объекты по их собственному излучению. В 1966 году в СССР была впервые создана передающая телевизионная трубка с пироэлектрической мишенью.

Тепловые изображения, получаемые с помощью телевизионных передающих трубок-пириконов, в отличие от видимых изображений, практически не имеют теней, поэтому пространственное восприятие объектов ухудшается. Кроме того, яркие участки видимого изображения могут оказаться темными в тепловом изображении и наоборот. Тем не менее область применения тепловизоров с пириконами все время расширяется.

Развитие технологии тонкопленочных транзисторов в 60-е годы стимулировало разработку твердотельных матриц. Одновременно была доказана принципиальная возможность преобразования оптических сигналов в электрические с помощью кремниевой структуры, состоящей из набора фототранзисторов. Таким образом, исследования, выполняемые в 60-е годы, наметили пути создания «самосканирующих» твердотельных приборов, которые используются в данный момент.

В теории и практике проектирования тепловизионных оптико-электронных систем немаловажную роль играет моделирование тепловизионных изображений. Яркость тепловизионных изображений зависит как от распределения температуры по поверхности наблюдаемого объекта, так и от коэффициента излучения и ориентации визируемых элементов его поверхности - его формы. Кроме того, качество тепловизионного изображения зависит от передаточных характеристик оптической системы и всех звеньев тепловизора. Так что тепловизионные изображения могут быть различны для различных тепловизоров.

Я работал с двумя видами тепловизоров – это:

1 Nec TH 7100 (используется в вагоне лаборатории исследования КС)

2 Nec TH-5100 (используется в вагоне лаборатории ТП)

Они различны как по форме , так и по функциям встроенных в них.

История создания тепловизоров, строящих изображение в инфракрасной области спектра, насчитывает уже более четырех десятилетий. Такая аппаратура, первоначально создаваемая для военной техники, по мере упрощения, совершенствования и удешевления завоевывает все новые сферы применения.

    В первых тепловизорах использовался один приемный элемент, а полный кадр изображения получался с помощью оптико-механического сканирования пространства. В связи с трудностями создания быстродействующих надежных малогабаритных систем оптико-механического сканирования для повышения разрешения изображения стали применять несколько объединенных приемников в виде линейки или небольшой матрицы. К настоящему времени совершенствование технологии производства позволило создавать матричные приемники большой размерности, что дало возможность полностью отказаться от использования оптико-механического сканирования и использовать один многоэлементный приемник (матрицу приемников) в «смотрящем» режиме.

    Для получения качественного изображения, поступающего с матрицы большой размерности, необходимы «выравнивание» характеристик чувствительности каждого приемника матрицы, интерполяция дефектных приемников, а также регулировка яркости и контраста в пределах выбранного динамического диапазона температур наблюдаемых объектов.

    Использование матрицы большой размерности, ввиду особенностей формирования сигнала с фотоприемников, требует применения специальных алгоритмов и высокопроизводительного спецпроцессора, обеспечивающих высокоточную обработку сигналов, поступающих с матрицы, при большом объеме потока информации в реальном масштабе времени. Применение методов и средств цифровой обработки сигналов позволяет создать такой вычислитель с приемлемыми массой, габаритами и энергопотреблением.

Рисунок - Функциональная блок – схема тепловизора

Описание	Функции
Кремниевое ИК - стекло	Пропускает ИК - излучение, задерживает видимое излучение, защищает от грязи. Смонтировано под углом, чтобы избежать отражения внутренних узлов на детектор.
Сканирующее устройство	Два зеркала для сканирования в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Внутренняя линза	Фокусирует ИК излучение на детектор
Прерыватель	Модулирует входящую энергию в соответствии с горизонтальным сканированием, является температурным референтом
Контроллер детектора	Схема контроля детектора
Холодильник и детектор	Ртуть/Кадмий/Теллур детектор и устройство термоэлектрического охлаждения для продолжительной работы
Предусилитель	Усиливает сигналы детектора
Главный процессор	Осуществляет управление и настройку всей системы
Панель управления	Содержит все кнопки управления
Проверка батареи	Служит для проверки батареи
Звуковой сигнал	Сигнализирует об опасности
Внешний интерфейс	Обеспечивает работу выходных сигналов
Карта памяти	Сменная карта для записи ИК изображений
VIDEO	VIDEO выход

Принцип действия тепловизора заключается в следующем. Тепловое излучение объекта и окружающего его фона, пройдя через слой атмосферы, разделяющий тепловизор и наблюдаемый объект, фокусируется объективом на чувствительной площадку. Сканирующее устройство тепловизора осуществляет развертку объекта, после усиления и преобразования тепловизионного сигнала усилителем, сигнал подается в индикатор, который формирует видимое изображение объекта.

Одним из первых в нашей стране был выпущен тепловизор «Филин». Особенностью работы с ним является необходимость работы в темноте, т.е. ночью. Современные тепловизоры избавились от данного недостатка.