Измерительная техника
14.06.11 |
Тепловизор. Как выбрать тепловизор. Обследование, измерение, характеристики и выбор тепловизора.
Тепловизоры уже давно применяются в различных областях техники, а также военными. Так, во время войны во Вьетнаме армия США использовала аналоговые (в то время) тепловизоры для обнаружения вьетнамских партизан в густых джунглях. Очень эффективно применение тепловизора и для обнаружения утечек тепла из здания или, наоборот, утечек холода их холодильной системы. Обнаружение точного места утечки позволяет легко ее предотвратить и заметно повысить энергоэффективность здания или иного сооружения.
На электроподстанции установлено множество разнородных элементов: силовые и измерительные трансформаторы, выключатели, гирлянды изоляторов и, главное, множество электрических соединений. Непрерывно контролировать состояние каждого из них традиционными электроизмерительными приборами очень дорого и трудоемко. Здесь приходит на помощь тепловизор: если температура какого-либо выключателя или трансформатора превышает заданную, то он явно работает не в номинальном режиме и нуждается в тщательной проверке или ремонте.
Это же относится и ко всем электрическим соединениям. В этом случае превышение температуры свидетельствует о плохом контакте и о скором выходе соединителя из строя.
Эффективно использование тепловизора и для контроля состояния элементов в распределительном электрошкафу. В этом случае неисправный автомат или перегруженный провод, некачественное контактное соединение или место утечки тока обнаруживаются очень быстро.
В тепловизорах используется бесконтактный метод измерения температуры в инфракрасном диапазоне с безопасного расстояния. На изображении, получаемом с помощью тепловизора, используются разные цвета для отображения разных значений температуры. Подобное изображение позволяет легко и быстро проверять температуры поверхностей и визуально обнаружить перегретые области. Появление горячих точек или общее повышение температуры обычно указывает на возможную неисправность или источник неминуемой аварии.
Все современные тепловизоры являются бесконтактными измерительными приборами. Приборы не только графически отображают разности температур, но и измеряют и сохраняют в памяти значение температуры в каждой точке изображения. В дальнейшем эти данные можно использовать для подробного анализа возможной неисправности или для наблюдения трендов во времени на каком-либо конкретном участке. Таким образом, в энергетике, в производственных цехах или в коммерческом предприятии можно быстро и легко обнаружить возможные проблемы даже без применения контактных методов измерения.
В последнее время появились новые, более дешевые по цене модели тепловизоров. Заметно расширилось функциональное оснащение таких приборов. Для того чтобы правильно ориентироваться в многообразии тепловизоров, представленных на рынке, рассмотрим их основные особенности.
Растровая структура
Практически все тепловизоры, имеющиеся на рынке, представляют собой цифровые измерительные приборы. Новые аналоговые модели тепловизоров, в настоящее время, больше не разрабатываются. Для отображения температурного поля в тепловизоре используется матрица, подобная применяемым матрицам в цифровых фотоаппаратах. Отличие в том, что если каждый пиксель матрицы цифрового фотоаппарата несет информацию о яркости и цвете объекта, то в тепловизоре каждый пиксель - это температура в данной точке контролируемого объекта. Таким образом, на экране тепловизора отображается распределение температуры по объекту. При этом для удобства оператора точки с разной температурой отображаются различным цветом. Например, если максимально допустимая температура составляет 80°С, то точки с температурой 60°С и ниже будут отображаться синим цветом, 70°С - желтым, 75°С - оранжевым, а с температурой 80°С и выше - красным. Это позволяет очень быстро определить места локального перегрева объекта.
Для отображения на экране чаще всего используются такие палитры цветов: цвета нагрева железа, синекрасная, высокого контраста, желтая, цвета нагрева метала и серая.
Тепловая «фотография» объекта, сделанная в инфракрасном диапазоне, выводится на экран тепловизора или записывается в его память в виде растровой картинки с разрешением, например, 160x120 пикселей.
Термочувствительность
Наиболее важным параметром тепловизора является его термочувствительность (NETD), или погрешность при измерении температуры в двух соседних точках. Чем меньше термочувствительность, тем более качественное ИК изображение выводит тепловизор.
Термочувствительность приборов ночного видения составляет 0,025...0,05°С. Тепловизор, обладающий такой высокой чувствительностью, позволяет различать практически все предметы, которые находятся при одинаковой температуре. Дело в том, что предметы в окружающем мире или, тем более, в распределительном шкафу, изготовлены из различного материала и имеют различное покрытие. Все это вызывает минимальные отличия способности объекта отражать или излучать тепло.
Однако и при более низкой термочувствительности, например 0,08°С, тепловизор четко отображает на полу тепловой след только что прошедшего человека или места на мебели, которых он касался несколько секунд назад. Таким образом, такая термочувствительность является вполне достаточной для большинства электротехнических применений тепловизоров за исключением некоторых редких случаев.
К таким случаям, например, относится комплексный энергоаудит зданий и сооружений, поскольку тепловизор с термочувствительностью 0,05°С или лучше позволяет отображать даже минимальные температурные флуктуации. Такие флуктуации, совершенно незаметные при других способах исследования, могут быть вызваны некачественными строительными материалами, скрытыми полостями и прочими аномалиями в строительных конструкциях. Например, тепловизоры testo 881 обладают термочувствительностью 0,05°С и позволяют не только четко определить место температурной аномалии, но и по ее форме точно определить причину ее возникновения.
Для того чтобы четко определить форму температурной аномалии тепловизор, как и цифровой фотоаппарат, должен обладать матрицей с достаточно большим числом пикселей.
Размеры ИК детектора
Это второй важнейший параметр любого тепловизора. Размеры ИК детектора, или матрицы тепловизора, позволяют ему получить достаточно подробную тепловую «фотографию» объекта. Как уже указывалось, в тепловизоре каждый пиксель - это измеренное значение температуры в данной точке. Так, тепловизор testo 875 с размерами матрицы 160x120 пикселей отображает ИК изображение, состоящее из 19200 значений температуры. Чем больше размеры матрицы, тем качественнее получаются инфракрасные «фотографии», тем проще установить температурные аномалии и выявить причину их образования. Например, более дорогая модель тепловизора testo 882 оснащена уже матрицей 320x240 пикселей, что позволяет одновременно измерять 76800 значений температуры.
Диапазон измеряемых температур
Третьим основным критерием выбора тепловизора является диапазон измерений температур. Вы должны четко представлять, какие именно степени нагрева могут быть у элементов вашего оборудования в рабочем и критическом режимах. Например, если Вы занимаетесь обслуживанием парка электродвигателей, то, наверное, тепловизор с диапазоном измеряемых температур -40...+500°С отлично справится с заданной задачей. Однако он будет стоить гораздо дороже тепловизора с диапазоном измеряемых температур 0...200°С, который охватывает весь диапазон возможных рабочих температур электродвигателя.
Таким образом, диапазон измеряемых температур четко ограничивает область применения тепловизоров, превращая тепловизор из универсального прибора при работе в диапазоне измерений в бесполезный инструмент при работе вне этого диапазона. Например, тепловизор с диапазоном измерения 0...100°С имеет весьма ограниченное применение. Им невозможно из-мерять плохую термоизоляцию и места утечек холода в холодильных камерах (температура ниже 0°С), а также места перегрева трансформаторов, выключателей или электродвигателей для которых критической является температура гораздо выше 100°С.
Минимальный диапазон измерения температуры в тепловизорах testo составляет от —20 до +280°С, что делает данные приборы универсальными измерителями практически для всех областей применения. Уже упомянутый ранее прибор testo 881 оснащен возможностью измерения температур до 550°С, что незаменимо при диагностике и анализе высокотемпературных процессов.
Режимы отображения
В тепловизорах, в основном, используются такие режимы отображения информации на экране:
1. Full IR (Полный ИК) - это полноэкранное инфракрасное изображение для выявления мелких деталей в ИК диапазоне.
2. Режим Picture-in-Picture («Кадр в кадре») - позволяет создавать «окно» с ИК изображением, окруженное фотографическим изображением, что облегчает идентификацию проблемного участка на фоне окружающих объектов.
3. Alpha Blending (Автоматическое слияние) - это слитное отображение видимого и инфракрасного изображений в виде одного изображения, удобного для просмотра. Опции меню позволяют выбрать оптимальное соотношение слияния от полного инфракрасного до полного видимого изображения. Режим автоматического слияния позволяет детализировать изображение, локализовать проблемный участок в окружении видимого изображения, а также помогает улучшить фокусировку.
4. IR/Visible Alarm (ИК/Цветовая сигнализация) - отображает на ИК изображении только области с температурой выше, ниже или между установленными пользователем пределами, отображая остальные участки в видимом диапазоне.
5. Full Visible Light (Полностью видимый) - это цифровой фотоснимок, который можно получить с помощью обычной цифровой фотокамеры.
Все модели тепловизоров, представленные на рынке, работают в режиме «Полный ИК», а наличие остальных режимов приводит к увеличению стоимости прибора.
Функциональное оснащение
Крайне важным критерием для выбора тепловизора является функциональное оснащение прибора. Функциональное оснащение, а также комплектация прибора позволяют настолько расширить область применения, что тепловизор сможет перейти в новые нетрадиционные области проведения измерений. Например, автоматическое отображение самой горячей точки позволяет во время эпидемии гриппа выявлять больных при входе на предприятие, и тем самым не допустить массового заболевания сотрудников. Применение приближающего телеобъектива (zoom) позволяет выполнять энергоаудит зданий на расстоянии или дистанционно оценить состояние элементов ЛЭП, когда она проложена в труднодоступной местности.
Ряд тепловизоров оснащен такими удобными функциями, как:
• измерение влажности на поверхности (поиск влажных мест и мест, где может конденсироваться влага);
• наложение ИК изображения на видимое изображение (TwinPix у тепловизоров фирмы testo);
• функция изотермы (отображение одним цветом заданного температурного диапазона, например 40...50°С) и другими.
Ряд дорогих моделей тепловизоров имеет такие функции, как запись видео в ИК изображении или высокая частота обновления кадров (свыше 40 Гц). На практике это применяется крайне редко в силу дополнительных технических проблем возникающих при редактировании и обработке потокового ИК видео.
Указанные выше две функции используются лишь в рекламно-демонстрационных целях возможностей тепловизора и не имеют распространенных практических применений.
Ряд фирм использует в своих тепловизорах технологию IR-Fusion, позволяющую выполнить одновременную съемку объекта в инфракрасном и видимом диапазонах с совпадением изображений с точностью до одного пикселя, а также оптимизировать полученные изображения в нескольких режимах просмотра, как прямо на камере, так и с помощью компьютерной программы. Возможность отображения на изображениях точки лазерного устройства наводки облегчает точную идентификацию неисправных компонентов в исследуемых объектах.
Очень часто дорогие модели тепловизоров комплектуются объективами с возможностью приближения объекта 2...6х. Такой объектив не только увеличивает массу тепловизора, но и весьма существенно повышает его цену.
Необходимо учитывать тот фактор, что расширенная комплектация тепловизора и его оснащение существенного могут влиять на его цену. Поэтому многие фирмы предлагают целый ряд готовых комплектов тепловизоров, стоимость которых значительно ниже суммы стоимости отдельных опций, включенных в такой комплект. Следовательно, перед покупкой тепловизора Вам надо четко понимать, для каких целей он будет использоваться и какие его функции Вам необходимы, а какие нет.
Таким образом, если стоит задача приобретения современного тепловизора, необходимо, прежде всего, обращать внимание на следующее:
• термочувствительность (NETD);
• размеры ИК детектора или матрицы;
• диапазон измерения температур;
• режимы отображения информации;
• комплектацию и функциональное оснащение прибора.
Каждый производитель стремится выпускать несколько моделей тепловизоров, стоимость которых, не-смотря на внешнюю схожесть, может отличаться в не-сколько раз. Основные параметры ряда тепловизоров фирм Testo, Fluke и Flir, представленных на рынке РФ и Украины, приведены в таблице. Из нее хорошо видно, что больший размер дисплея (например, в приборах Fluke), наличие сенсорного экрана (например, в приборах Flir) и прочее, т.е. далеко не всегда нужные функции, приводят к заметному увеличению массы и цены прибора.
Выводы
Каждый тепловизор представляет собой дорогой высокотехнологичный измерительный прибор, поэтому, выбирая такой прибор, необходимо обращать особенное внимание на следующее:
• срок гарантии на прибор;
• наличие официального квалифицированного сервиса;
• наличие метрологической поддержки, которая официально легализует результаты измерения тепловизором.
Алексей Цымбал
На электроподстанции установлено множество разнородных элементов: силовые и измерительные трансформаторы, выключатели, гирлянды изоляторов и, главное, множество электрических соединений. Непрерывно контролировать состояние каждого из них традиционными электроизмерительными приборами очень дорого и трудоемко. Здесь приходит на помощь тепловизор: если температура какого-либо выключателя или трансформатора превышает заданную, то он явно работает не в номинальном режиме и нуждается в тщательной проверке или ремонте.
Это же относится и ко всем электрическим соединениям. В этом случае превышение температуры свидетельствует о плохом контакте и о скором выходе соединителя из строя.
Эффективно использование тепловизора и для контроля состояния элементов в распределительном электрошкафу. В этом случае неисправный автомат или перегруженный провод, некачественное контактное соединение или место утечки тока обнаруживаются очень быстро.
В тепловизорах используется бесконтактный метод измерения температуры в инфракрасном диапазоне с безопасного расстояния. На изображении, получаемом с помощью тепловизора, используются разные цвета для отображения разных значений температуры. Подобное изображение позволяет легко и быстро проверять температуры поверхностей и визуально обнаружить перегретые области. Появление горячих точек или общее повышение температуры обычно указывает на возможную неисправность или источник неминуемой аварии.
Все современные тепловизоры являются бесконтактными измерительными приборами. Приборы не только графически отображают разности температур, но и измеряют и сохраняют в памяти значение температуры в каждой точке изображения. В дальнейшем эти данные можно использовать для подробного анализа возможной неисправности или для наблюдения трендов во времени на каком-либо конкретном участке. Таким образом, в энергетике, в производственных цехах или в коммерческом предприятии можно быстро и легко обнаружить возможные проблемы даже без применения контактных методов измерения.
В последнее время появились новые, более дешевые по цене модели тепловизоров. Заметно расширилось функциональное оснащение таких приборов. Для того чтобы правильно ориентироваться в многообразии тепловизоров, представленных на рынке, рассмотрим их основные особенности.
Растровая структура
Практически все тепловизоры, имеющиеся на рынке, представляют собой цифровые измерительные приборы. Новые аналоговые модели тепловизоров, в настоящее время, больше не разрабатываются. Для отображения температурного поля в тепловизоре используется матрица, подобная применяемым матрицам в цифровых фотоаппаратах. Отличие в том, что если каждый пиксель матрицы цифрового фотоаппарата несет информацию о яркости и цвете объекта, то в тепловизоре каждый пиксель - это температура в данной точке контролируемого объекта. Таким образом, на экране тепловизора отображается распределение температуры по объекту. При этом для удобства оператора точки с разной температурой отображаются различным цветом. Например, если максимально допустимая температура составляет 80°С, то точки с температурой 60°С и ниже будут отображаться синим цветом, 70°С - желтым, 75°С - оранжевым, а с температурой 80°С и выше - красным. Это позволяет очень быстро определить места локального перегрева объекта.
Для отображения на экране чаще всего используются такие палитры цветов: цвета нагрева железа, синекрасная, высокого контраста, желтая, цвета нагрева метала и серая.
Тепловая «фотография» объекта, сделанная в инфракрасном диапазоне, выводится на экран тепловизора или записывается в его память в виде растровой картинки с разрешением, например, 160x120 пикселей.
Термочувствительность
Наиболее важным параметром тепловизора является его термочувствительность (NETD), или погрешность при измерении температуры в двух соседних точках. Чем меньше термочувствительность, тем более качественное ИК изображение выводит тепловизор.
Термочувствительность приборов ночного видения составляет 0,025...0,05°С. Тепловизор, обладающий такой высокой чувствительностью, позволяет различать практически все предметы, которые находятся при одинаковой температуре. Дело в том, что предметы в окружающем мире или, тем более, в распределительном шкафу, изготовлены из различного материала и имеют различное покрытие. Все это вызывает минимальные отличия способности объекта отражать или излучать тепло.
Однако и при более низкой термочувствительности, например 0,08°С, тепловизор четко отображает на полу тепловой след только что прошедшего человека или места на мебели, которых он касался несколько секунд назад. Таким образом, такая термочувствительность является вполне достаточной для большинства электротехнических применений тепловизоров за исключением некоторых редких случаев.
К таким случаям, например, относится комплексный энергоаудит зданий и сооружений, поскольку тепловизор с термочувствительностью 0,05°С или лучше позволяет отображать даже минимальные температурные флуктуации. Такие флуктуации, совершенно незаметные при других способах исследования, могут быть вызваны некачественными строительными материалами, скрытыми полостями и прочими аномалиями в строительных конструкциях. Например, тепловизоры testo 881 обладают термочувствительностью 0,05°С и позволяют не только четко определить место температурной аномалии, но и по ее форме точно определить причину ее возникновения.
Для того чтобы четко определить форму температурной аномалии тепловизор, как и цифровой фотоаппарат, должен обладать матрицей с достаточно большим числом пикселей.
Размеры ИК детектора
Это второй важнейший параметр любого тепловизора. Размеры ИК детектора, или матрицы тепловизора, позволяют ему получить достаточно подробную тепловую «фотографию» объекта. Как уже указывалось, в тепловизоре каждый пиксель - это измеренное значение температуры в данной точке. Так, тепловизор testo 875 с размерами матрицы 160x120 пикселей отображает ИК изображение, состоящее из 19200 значений температуры. Чем больше размеры матрицы, тем качественнее получаются инфракрасные «фотографии», тем проще установить температурные аномалии и выявить причину их образования. Например, более дорогая модель тепловизора testo 882 оснащена уже матрицей 320x240 пикселей, что позволяет одновременно измерять 76800 значений температуры.
Диапазон измеряемых температур
Третьим основным критерием выбора тепловизора является диапазон измерений температур. Вы должны четко представлять, какие именно степени нагрева могут быть у элементов вашего оборудования в рабочем и критическом режимах. Например, если Вы занимаетесь обслуживанием парка электродвигателей, то, наверное, тепловизор с диапазоном измеряемых температур -40...+500°С отлично справится с заданной задачей. Однако он будет стоить гораздо дороже тепловизора с диапазоном измеряемых температур 0...200°С, который охватывает весь диапазон возможных рабочих температур электродвигателя.
Таким образом, диапазон измеряемых температур четко ограничивает область применения тепловизоров, превращая тепловизор из универсального прибора при работе в диапазоне измерений в бесполезный инструмент при работе вне этого диапазона. Например, тепловизор с диапазоном измерения 0...100°С имеет весьма ограниченное применение. Им невозможно из-мерять плохую термоизоляцию и места утечек холода в холодильных камерах (температура ниже 0°С), а также места перегрева трансформаторов, выключателей или электродвигателей для которых критической является температура гораздо выше 100°С.
Минимальный диапазон измерения температуры в тепловизорах testo составляет от —20 до +280°С, что делает данные приборы универсальными измерителями практически для всех областей применения. Уже упомянутый ранее прибор testo 881 оснащен возможностью измерения температур до 550°С, что незаменимо при диагностике и анализе высокотемпературных процессов.
Режимы отображения
В тепловизорах, в основном, используются такие режимы отображения информации на экране:
1. Full IR (Полный ИК) - это полноэкранное инфракрасное изображение для выявления мелких деталей в ИК диапазоне.
2. Режим Picture-in-Picture («Кадр в кадре») - позволяет создавать «окно» с ИК изображением, окруженное фотографическим изображением, что облегчает идентификацию проблемного участка на фоне окружающих объектов.
3. Alpha Blending (Автоматическое слияние) - это слитное отображение видимого и инфракрасного изображений в виде одного изображения, удобного для просмотра. Опции меню позволяют выбрать оптимальное соотношение слияния от полного инфракрасного до полного видимого изображения. Режим автоматического слияния позволяет детализировать изображение, локализовать проблемный участок в окружении видимого изображения, а также помогает улучшить фокусировку.
4. IR/Visible Alarm (ИК/Цветовая сигнализация) - отображает на ИК изображении только области с температурой выше, ниже или между установленными пользователем пределами, отображая остальные участки в видимом диапазоне.
5. Full Visible Light (Полностью видимый) - это цифровой фотоснимок, который можно получить с помощью обычной цифровой фотокамеры.
Все модели тепловизоров, представленные на рынке, работают в режиме «Полный ИК», а наличие остальных режимов приводит к увеличению стоимости прибора.
Функциональное оснащение
Крайне важным критерием для выбора тепловизора является функциональное оснащение прибора. Функциональное оснащение, а также комплектация прибора позволяют настолько расширить область применения, что тепловизор сможет перейти в новые нетрадиционные области проведения измерений. Например, автоматическое отображение самой горячей точки позволяет во время эпидемии гриппа выявлять больных при входе на предприятие, и тем самым не допустить массового заболевания сотрудников. Применение приближающего телеобъектива (zoom) позволяет выполнять энергоаудит зданий на расстоянии или дистанционно оценить состояние элементов ЛЭП, когда она проложена в труднодоступной местности.
Ряд тепловизоров оснащен такими удобными функциями, как:
• измерение влажности на поверхности (поиск влажных мест и мест, где может конденсироваться влага);
• наложение ИК изображения на видимое изображение (TwinPix у тепловизоров фирмы testo);
• функция изотермы (отображение одним цветом заданного температурного диапазона, например 40...50°С) и другими.
Ряд дорогих моделей тепловизоров имеет такие функции, как запись видео в ИК изображении или высокая частота обновления кадров (свыше 40 Гц). На практике это применяется крайне редко в силу дополнительных технических проблем возникающих при редактировании и обработке потокового ИК видео.
Указанные выше две функции используются лишь в рекламно-демонстрационных целях возможностей тепловизора и не имеют распространенных практических применений.
Ряд фирм использует в своих тепловизорах технологию IR-Fusion, позволяющую выполнить одновременную съемку объекта в инфракрасном и видимом диапазонах с совпадением изображений с точностью до одного пикселя, а также оптимизировать полученные изображения в нескольких режимах просмотра, как прямо на камере, так и с помощью компьютерной программы. Возможность отображения на изображениях точки лазерного устройства наводки облегчает точную идентификацию неисправных компонентов в исследуемых объектах.
Очень часто дорогие модели тепловизоров комплектуются объективами с возможностью приближения объекта 2...6х. Такой объектив не только увеличивает массу тепловизора, но и весьма существенно повышает его цену.
Необходимо учитывать тот фактор, что расширенная комплектация тепловизора и его оснащение существенного могут влиять на его цену. Поэтому многие фирмы предлагают целый ряд готовых комплектов тепловизоров, стоимость которых значительно ниже суммы стоимости отдельных опций, включенных в такой комплект. Следовательно, перед покупкой тепловизора Вам надо четко понимать, для каких целей он будет использоваться и какие его функции Вам необходимы, а какие нет.
Таким образом, если стоит задача приобретения современного тепловизора, необходимо, прежде всего, обращать внимание на следующее:
• термочувствительность (NETD);
• размеры ИК детектора или матрицы;
• диапазон измерения температур;
• режимы отображения информации;
• комплектацию и функциональное оснащение прибора.
Каждый производитель стремится выпускать несколько моделей тепловизоров, стоимость которых, не-смотря на внешнюю схожесть, может отличаться в не-сколько раз. Основные параметры ряда тепловизоров фирм Testo, Fluke и Flir, представленных на рынке РФ и Украины, приведены в таблице. Из нее хорошо видно, что больший размер дисплея (например, в приборах Fluke), наличие сенсорного экрана (например, в приборах Flir) и прочее, т.е. далеко не всегда нужные функции, приводят к заметному увеличению массы и цены прибора.
Выводы
Каждый тепловизор представляет собой дорогой высокотехнологичный измерительный прибор, поэтому, выбирая такой прибор, необходимо обращать особенное внимание на следующее:
• срок гарантии на прибор;
• наличие официального квалифицированного сервиса;
• наличие метрологической поддержки, которая официально легализует результаты измерения тепловизором.
Алексей Цымбал