Независимая Экспертиза Волгоград

Тепловизоры и их применение. В.П.Вавилов, выдержка из брошюры.

Для тех кто заинтересовался тепловизионным обследованием, тепловизиорами и их возможностями приводим выдержку из научно-популярной брошюры В.П.Вавилова

ПРЕДИСЛОВИЕ

В конце прошлого столетия вначале Американское (ASNT) и Немецкое общества неразрушающего контроля (DGZfP) а затем ряд других национальных обществ, начали сертификацию операторов - термографистов по I-му, II-му и III-му уровням. Это обозначило поворот в отношении мирового сообщества к тепловому контролю (ТК). В России сертификация специалистов по этому методу производилась еще раньше, но носила фрагментарный характер. В настоящее время, следуя общемировой тенденции, интерес к ТК в России также растет, в том числе, в части разработки нормативно-технической документации и сертификации специалистов. Инициативу в этой области принял Ростехнадзор, чему способствовали такие объективные преимущества ТК, как дистанционность, универсальный характер применения, способность анализировать феномены, связанные с производством, передачей и преобразованием энергии. Инфракрасная (ИК) аппаратура многих мировых производителей имеет российский сертификат качества и может быть использована в качестве средства измерения температуры и диагностики промышленных объектов, в том числе относящихся к категории опасных. Расширяющемуся применению ТК в России объективно способствуют недавно принятые федеральные законы о промышленной безопасности опасных производственных объектов (1997) и о техническом регулировании (2002).

Дискуссия о том, следует ли уступить вторжению иностранных технологий на российский рынок или необходимо отстаивать отечественные разработки, имеет давнюю историю. Очевидно, что в ряде отраслей, где российский научно-технический приоритет не вызывает сомнений, таких как космонавтика, авиастроение, ядерная энергетика и т.п., а также в стратегически важной области разработки военной техники, необходимо финансировать отечественную науку и осуществлять протекционистские меры в отношении готовых научно-технических разработок. Вместе с тем имеются области, где отечественные технологии отстали весьма существенно, и решающее слово уже сказано потребителями, например, производство персональных компьютеров, автомобилей и т.д. Другим примером является ИК техника гражданского назначения, где необходимы не только высокие параметры единичных образцов, но и массовый выпуск приборов со специфическими потребительскими параметрами, такими как малая масса и габариты, согласование с компьютерной и видеотехникой, наличие разнообразных аксессуаров, эргономичность, современный дизайн и т.п. Авторы настоящей брошюры имели возможность отслеживать и частично участвовать в разработке отечественных тепловизоров с 1975 г. Наш опыт дает основание констатировать, что разрыв между коммерческой зарубежной и отечественной ИК техникой в последние годы не сократился и составляет в лучшем случае не менее 10-15 лет. В течение некоторого периода ( 80-е годы прошлого века ), когда отечественные тепловизоры были на порядок дешевле зарубежных, многие потребители мирились с их низким качеством. Авторы не ставят своей целью критиковать отечественный научно- технический уровень в области ИК термографии, в особенности, в военной сфере, где их опыт минимален. Цель брошюры - дать сжатое описание современной тепловизионной техники и ее применений, причем акцент сделан на описание тепловизоров фирмы FLIR Systems (CША), с которой связана профессиональная деятельность авторов.

Несмотря на то, что в последние годы в России вышел ряд книг и брошюр по тепловому неразрушающему контролю (НРК) и ИК тепловидению [1-11], целесообразность переиздания настоящей брошюры обусловлена тем, что ситуация на рынке коммерческих тепловизоров изменяется так быстро, что даже веб-сайты производителей не успевают размещать обновленную информацию о характеристиках и ценах на тепловизоры, не говоря о печатных изданиях. Авторы сознают, что предлагаемая брошюра не может сравниться по оперативности с Интернетом, однако ее объем позволяет обобщить характеристики и тенденции развития и применения тепловизионной техники без излишних упрощений, свойственных рекламной информации. В то же время достаточно сложные технические вопросы изложены в данной брошюре в расчете на рядовых пользователей, что позволяет использовать ее при сдаче экзаменов на I-й, II-й и III-й уровень по тепловому методу в российских сертификационных центрах.

Дополнительные и более глубокие сведения на русском языке по ИК термографии и ее применениям можно найти в справочнике по тепловому контролю, выпущенном издательством «Машиностроение» в 2004 г. ( переиздан в 2006 г. ) [7], а также в книге В.П. Вавилова «Инфракрасная термография и тепловой контроль» (2009 г.) [26].

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОВИДЕНИЯ

В отечественной литературе встречаются три термина, обозначающих технику дистанционной регистрации и визуализации тепловых полей: тепловидение, термовидение и ИК термография. Наиболее употребительный российский термин «тепловидение» произошел, по-видимому от товарной марки «Thermovision» известной в прошлом веке шведской фирмы AGA ( ныне FLIR systems ) и соответствует западному термину «ИК термография» (IRthermography).

Тепловая энергия передается в твердых телах фононами ( теплопроводностью ), в жидкостях и газах - молекулами ( конвекцией ), в газах и в вакууме - квантами ( излучением ). Распространение фононов аналогично распространению ультразвука. Визуализация фононных потоков возможна только в чистых кристаллах при очень низких температурах. Конвекцию можно визуализировать путем подкрашивания или подсветки потоков жидкости или газа. Тем не менее, термин «тепловидение» относится, главным образом, к регистрации теплового излучения твердых тел, которое складывается из собственного излучения тела, обусловленного его температурой, а также отраженного и прошедшего излучения других тел. Для оптически непрозрачных объектов, тепловизионные устройства фиксируют исключительно поверхностные эффекты: температуру поверхности и величину коэффициентов излучения ( поглощения ) и отражения. Тем не менее, распространенное утверждение, что с помощью тепловидения невозможно «просветить» твердое тело, как это делают с помощью ультразвука или рентгеновского излучения, является не совсем верным, поскольку внутренние процессы, происходящие внутри твердых тел, могут проявляться на их поверхности благодаря тому или иному механизму теплопередачи, не говоря о телах, которые обладают прозрачностью в ИК диапазоне. Процессы чистой теплопроводности подвержены пространственному размытию и временному запаздыванию, что обусловливает специфические трудности в расшифровке тепловизионных изображений Анализ скрытых тепловых феноменов в твердых телах по их поверхностному тепловому излучению лежит в основе технической диагностики состояния машин и систем, а также в основе неразрушающего контроля внутренних дефектов тепловым методом.

Закон теплового излучения Планка описывает спектральное распределение энергетической светимости тела r(Л,T) [Вт/(м²мкм)], имеющего температуру выше абсолютного нуля -273,16^оС. Первоначально этот закон был получен для так называемого абсолютно черного тела (АЧТ), которое в теории теплового излучения обозначает объект, не отражающий излучение других тел и испускающий максимум возможного теплового излучения при данной температуре. Реальные тела всегда испускают энергию меньше, чем АЧТ, и частично отражают внешние излучения. Такие тела характеризуют спектральным коэффициентом излучения ( спектральной степенью черноты ) £ (Л ,T) , который показывает, во сколько раз данное тело испускает энергии меньше, чем АЧТ при той же температуре. В этом случае закон Планка имеет вид:

_ £ (Л,T)C

r (Л, T)(11)

гдеCj= 3,74-10⁴ Вт/см²-мкм⁴;C_{2= 1,44-10}⁴ _{мкм-К; Л -длина волны в мкм;T -абсолютная температура в К. Очевидно, что для АЧТ £ (Л ,T) =1. График функции Планкаr(Л ,T) для АЧТ с различными температурами показан на Рис.1 а (следует обратить внимание на резкий рост интенсивности теплового излучения с увеличением температуры, вследствие чего кривые на Рис. 1а приведены в логарифмических координатах).}

В случае АЧТ (£ (Л ,T) =1), а также при коэффициенте излучения, не зависящем от длины волны (£(Л,T)=const.), для любой температуры объекта Т функцияr(Л ,T) имеет максимум на длине волны Л_т, который определяется по формуле Вина:

Л_т[мкм]=2898/T[K]-3000/T [К].(1.2)

Например, тело с температурой 30^оС (около 300 К) излучает максимальную энергию на длине волны, близкой к 10 мкм (Рис. 1б).

Поток тепловой энергии, испускаемый телом в некотором диапазоне длин волн Л_Х...Л₂, определяется интегрированием функции Планка в указанном диапазоне. Например, на Рис.1б показаны доли энергии АЧТ, приходящиеся на два распространенных диапазона длин волн 3...5,5 мкм и 8.12 мкм. Эти диапазоны широко применяются в коммерческих тепловизорах, в том числе, фирмы FLIR Systems, и обычно обозначаются как коротковолновой (short wave - SW) и длинноволновой (long wave - LW). Заметим, что в последнее время вместо термина «коротковолновой» используют термин «средневолновой», резервируя «короткие» ИК волны для приборов ночного видения, не являющихся тепловизорами. В целом, диапазон 8.12 мкм, который к тому же хорошо стыкуется с окном прозрачности атмосферы на больших расстояниях, является более предпочтительным, чем коротковолновой диапазон, поскольку на него приходится больше излученной энергии и меньше посторонних засветок. Вместе с тем следует отметить, что в коротковолновом диапазоне относительное приращение (производная) функции Планка сильнее зависит от температуры, чем на более длинных волнах. Этот эффект может иметь значение при анализе чисто температурных эффектов на фоне излучательных помех. Математически это нашло выражение в следующем представлении функции Планка:

r(Л,T)=K(Л) Tⁿ,(1.3)

Показатель степениn функцииr(Л, T) =K(Л)Tⁿ для различных длин волн

где n зависит от длины волны, аK(Л) - коэффициент, который зависит только от длины волны. В Табл. 1.1 приведены значения n для некоторых длин волн, определяемых относительно Л_т .

Таблица 1.1

Л = 5Лm

1,5

 

 

Коэффициент пропорциональности в формуле (1.3) в общем случае имеет сложный вид, но для практики важно значение величины n . Данные Табл. 1.1 показывают, что полный поток излучения, испускаемый твердым телом во всем диапазоне длин волн, пропорционален четвертой степени температуры. Это выражается законом Стефана-Больцмана:

R(T) = eC₀(T /100)⁴ (1.4)

где £ - интегральный коэффициент излучения тела, или интегральная степень черноты; C₀= 5,67 Вт/(м² К⁴). На длине волны, равной половине длины волны Л_т, мощность излучения пропорционально десятой степени температуры; для температур, близких к комнатной, длина волны Л _т/2 примерно соответствует спектральному диапазону работы распространенных приемников из антимонида индия (InSb), благодаря чему сигнал на выходе таких приемников пропорционален приблизительно девятой степени температуры.

Тепловое излучение, плотность потока которого описывается формулами (1.1, 1.3, 1.4), испускается телом в полупространство, т.е. в телесный угол, равный П стерадиан. Тепловизор регистрирует часть этого излучения, попадающего в телесный уголQ, задаваемый оптическим объективом тепловизора. Согласно закону Ламберта:

J_{— = R} (T) AS —cos <p, (1.5)

п

гдеAS -площадь, визируемая тепловизором на поверхности объекта контроля в пределах его мгновенного угла зрения; <р -угол между нормалью и направлением телесного угла —. Обе величиныAS и — определяются размерами приемной площадки приемника излучения и параметрами оптического объектива. Диффузные, или ламбертовские, излучатели, к которым относится большинство неметаллов, испускают тем меньше энергии, чем больше отклонение от нормали. На практике это означает, что при визировании объектов тепловизором под большим углом, «кажущаяся» (радиационная) температура будет меньше, чем при визировании по нормали (закон косинуса). Этот эффект становится заметным, если температура объекта контроля значительно отличается от температуры окружающей среды, в противном случае, отражения фона скрадывают действие закона Ламберта. Неламбертовские излучатели имеют специфические индикатрисы рассеяния. Это особенно заметно, при визировании полированных металлов в присутствие посторонних излучателей, которые могут создавать сильную зеркальную засветку тепловизора.

Схема измерения теплового излучения произвольного твердого тела изображена на Рис. 1.2. Объект контроля 1 характеризуется следующими оптическими параметрами:

*                    коэффициентом излучения £;

*                     коэффициентом поглощения а;

*                    коэффициентом отражения р;

*                    коэффициентом пропускания Т.

Очевидно, что по закону сохранения энергии (при отсутствии внутренних источников энергии) а+ р + Т = 1. Согласно закону Кирхгофа а = £ на любой длине волны. Объекты контроля

окружены средой 2 и другими объектами 3 соответственно с температурамиT_CF иT_mem . Для

регистрации теплового излучения используют несколько типов приборов, причем в каждом из них ключевым элементом является приемник ИК излучения. В настоящей брошюре речь будет идти об устройстве 4, называемом тепловизором, термографом или ИК камерой. Здесь мы лишь констатируем, что сигнал на выходе приемника излучения пропорционален мощности теплового потока Ф_{пи, который схематично рассматривают как сумму собственного излучения исследуемого объекта, отраженного излучения, прошедшего излучения и излучения передающей среды:}

^{Фпи = кс}_Р^{£обФ(Тоб ) + К}_Р^{Роб£енешФ(Те»еш ) + К}_Р^{Тоб£енешФ(Тв»еш ) + kр£рОДр К (1.6)}

где к_ср - коэффициент пропускания передающей среды (атмосферы), £_об -коэффициент излучения объекта контроля, £_{енеш -коэффициент излучения внешнего источника, £ср -коэффициент излучения}

среды. В уравнении (1.6) для простоты опущены постоянные коэффициенты, обусловленные различной геометрией сбора излучения от отдельных источников. Рассмотрение уравнения (1.6) в явном виде для различных условий ИК съемки выходит за рамки данной брошюры (более подобные сведения на этот счет можно найти в соответствующих монографиях [1, 11, 12]). Тем не менее, при использовании тепловизоров в качестве измерительных приборов важен тот факт, что выходной сигнал ИК приемника зависит от большого числа параметров, многие из которых не поддаются точному измерению и оцениваются в конкретном эксперименте с той или иной степенью точности. В большинстве руководств по тепловидению рассматриваются ситуации, где объект исследований непрозрачен (т.е. Т_об = 0), а поглощением в передающей среде можно пренебречь(k= 1). Тогда выражение (1.6) принимает более простой (канонический) вид:

^{Фпи = £обФ(Гоб) + Pоб£в»ешФ(Tв»еш ). (1 7)}

В этом случае тепловизор регистрирует собственное излучение объекта и отраженное излучение других тел. Очевидно, что в случае АЧТ вторая составляющая сигнала равна нулю, и сигнал
детектора определяется только температурой объекта. Для реальных объектов контроля отраженный поток может представлять существенную метрологическую проблему при использовании тепловизора в качестве измерителя истинной температуры. Например, при натурных ИК съемках мощным источником паразитного излучения является Солнце, плотность мощности которого в безоблачный день в средних широтах может достигать 1 кВт/м². В «горячих» цехах наличие близстоящих объектов с высокой температурой также может искажать температурные измерения. Наконец, при регистрации температур, близких к комнатным, даже расположение самого оператора вблизи объекта контроля может приводить к паразитной засветке (например, при ИК съемке окон внутри помещений часто фиксируют отражение операторов в оконных стеклах). Разработано множество способов корректировки влияния излучательной способности объектов на результаты температурных измерений. В большинстве случаев эти способы либо трудоемки, либо пригодны только при измерениях в отдельных точках ( в основном, эти способы разработаны в оптической пирометрии, или ИК термометрии) . В тепловидении чаще используют методические приемы ( например, съемку проводят в предрассветные, вечерние или ночные часы в отсутствие Солнца, а также выбирают соответствующий ракурс съемки ) и некоторые аппаратурные ухищрения, например, применяют спектральные фильтры. Весьма распространенным способом определения коэффициента излучения в условиях практической съемки является визирование зон с высокой излучательной способностью на поверхности объекта контроля. Такие зоны могут образовываться естественным образом, например, за счет осаждения пыли, масла, наличия ржавчины, масляных красок, полостей и т.п., а также создаваться специально в момент съемки, например, путем окрашивания поверхности или размещения непрозрачных липких пленок. Другим способом определения коэффициента излучения в отдельных точка объектов контроля является измерение температуры с помощью контактных датчиков, входящих, например, в комплект некоторых ИК термометров.

Выражения (1.6, 1.7) наглядно иллюстрируют, какие физические параметры влияют на ИК термограмму (ИК изображение):

температура объекта; температура внешних излучателей; коэффициенты излучения, отражения и пропускания; свойства передающей среды ( атмосферы ).

Отсюда следуют трудности интерпретации термограмм при комбинированном влиянии всех вышеуказанных факторов. Как правило, тепловизоры градуируют в единицах температуры АЧТ ( точнее говоря, калибровку тепловизоров проводят по эталонным источникам с известным коэффициентом излучения, близким к единице ), в то время как ИК термограммы фиксируют так называемую радиационную, или кажущуюся, температуру объекта, которая может быть как выше истинной (вследствие отражения излучения постороннего высокотемпературного излучателя), так и ниже ее (при визировании теплых серых тел в отсутствие паразитных излучателей). Таким образом, даже без специальных математических выкладок можно заключить, что ИК съемка метрологически наиболее эффективна:

для объектов, близких по свойствам к АЧТ;

при отсутствии паразитных засветок;

на небольших расстояниях от объекта исследований.

Заметим, что выражения (1.6, 1.7), за исключением особых случаев, являются продуктом интегрирования по спектру Планка. Очевидно, что максимальный полезный поток на входе тепловизора будет обеспечен тогда, когда спектр излучения объекта контроля совпадает с так называемым окном прозрачности атмосферы и спектральным диапазоном работы ИК приемника. С этой точки зрения оптимальным в тепловидении является длинноволновый диапазон 8-14 мкм (производители часто указывают диапазон 7-13 мкм). В то же время на небольших расстояниях и в отсутствие мощных внешних излучателей близкую эффективность обеспечивают приемники на основе антимонида индия (InSb) и силицида платины (PtSi).

Рассмотрим проблему коэффициента излучения, решение которой является одним из основных условий как корректных измерений температуры объектов по их тепловому излучению, так и диагностики скрытых дефектов на фоне поверхностных помех.

Без потери общности можно считать, что окружающая среда излучает как АЧТ, а окружающие предметы имеют температуру среды, тогда уравнение (1.7) можно записать в виде:

Ф = гRr (T) + Г₂ )(1 -е_х)А(Т_внеш), (1.8)

А. А

где введены геометрические факторы Г₁ и Г ₂, обусловленные оптикой тепловизора и расстоянием до объекта съемки (приближенно можно принять, что Г_{2 ~Г2). Часто принимают, чтоTmem= Tcp, гдеTcp -температура окружающей среды.}

Из уравнения (1.8) следует, что только при визировании АЧТ справедлива градуировка тепловизора, выполненная изготовителем по эталонному источнику (модели АЧТ), в то время как при визировании реальных объектов показания тепловизора зависят не только от температуры объекта, но и от его излучательных свойств. ПараметрыT и £ сложным образом воздействуют на вид ИК термограмм, что затрудняет их интерпретацию в терминах температуры.

В Табл. 1.2 и 1.3 приводятся коэффициенты излучения некоторых распространенных материалов. Следует обратить внимание на резкое различие величины £ у металлов и неметаллов. Металлы, особенно полированные, выступают в роли зеркал, хорошо отражающих и плохо поглощающих тепловое излучение, в то время как большинство неметаллов могут рассматриваться как хорошо излучающие серые тела, приближающеся по свойствам к АЧТ. Еще одним интересным свойством излучения тел в ИК диапазоне является тот факт, что некоторые материалы, такие как человеческая кожа, снег, краски и т.п., могут обладать выраженными отражающими свойствами в видимом спектре, но быть хорошими поглотителями в ИК спектре. Отдельной группой излучателей являются газы, обладающие линейчатым спектром излучения. Интегральный коэффициент излучения газа (воздуха) зависит от объема газа и обычно весьма мал, поэтому при визировании объема даже горячего газа тепловизоры показывают температуру твердых тел, расположенных в газе или за ним. Наличие в газе твердых частиц и водяных паров повышает его излучательные свойства, однако и в этом случае тепловизоры фиксируют некий суммарный тепловой поток, разделение которого на отдельные составляющие затруднительно. Поэтому надежные оценки температуры газа получают, размещая в нем тонкие хорошо излучающие пластины из твердых материалов, температуру которых измеряют с помощью тепловизора.

Вернуться: тепловизионное обследование

Вернуться: экспертиза

Специалисты организация Независимая Экспертиза готовы помочь как физическим, так и юридическим лицам в определении различных видов оценки, экспертиз.

Если же после изучения этих разделов у Вас останутся нерешенные вопросы или же Вы захотите лично пообщаться с нашими специалистами или заказать тепловизионную экспертизу, всю необходимую для этого информацию можно получить в разделе "Контакты".

С нетерпением ждем Вашего звонка и заранее благодарим за оказанное доверие

Тепловизионная экспертиза проводится

г. Волгоград. ул. Иркутская, 7 (остановка ТЮЗ, отдельный вход с торца здания), 400074.

Заключение организации имеет статус официального документа доказательного значения и может быть использовано в суде.