Hőkamera

Hőkamera  ( hő + lat.  vīsio "látás; látás") - a vizsgált felület hőmérséklet -eloszlásának  figyelésére szolgáló eszköz . A hőmérséklet-eloszlás színes képként jelenik meg a kijelzőn, ahol a különböző színek különböző hőmérsékleteknek felelnek meg . A hőképalkotást termográfiának nevezik .

Technológia

Minden test, amelynek hőmérséklete meghaladja az abszolút nulla hőmérsékletet, elektromágneses hősugárzást bocsát ki a Planck-törvény szerint . A sugárzás spektrális teljesítménysűrűségének (Planck-függvény) van egy maximuma, amelynek hullámhossza a hullámhossz-skálán a hőmérséklettől függ. A maximum helyzete az emissziós spektrumban a hőmérséklet emelkedésével rövidebb hullámhosszok felé tolódik el ( Wien elmozdulási törvénye ). A körülöttünk lévő világ hőmérsékletére (-50...+50 Celsius - fok ) felhevült testek maximális sugárzása a középső infravörös tartományba esik ( hullámhossz 7...14 mikron). Technikai szempontból is érdekes a több száz fokig terjedő hőmérséklet-tartomány, amely 3...7 mikron tartományba esik. Az ezer fok körüli és afeletti hőmérsékletek megfigyeléséhez nincs szükség hőkamerára, ezek hőfénye szabad szemmel is látható.

Érzékelő

Történelmileg az első képalkotó hőérzékelők az elektronvákuum -érzékelők voltak . A piroelektromos célponttal ellátott vidikonokra épülő fajta kapta a legnagyobb fejlődést. Ezekben az eszközökben az elektronsugár pásztázta a célfelületet. A sugáráram a célanyag belső fotoelektromos hatásától függött infravörös sugárzás hatására. Az ilyen eszközöket pirikonnak vagy pirovidikonnak [1] nevezték el . Más típusú pásztázó elektronvákuumcsövek is léteztek, amelyek érzékenyek az infravörös sugárzás termikus spektrumára, mint például a termikon és a filterscan. [egy]

Az elektronvákuum eszközöket szilárdtesttel cserélték ki. Az első szilárdtest-érzékelők egyelemesek voltak, ezért elektromechanikus optikai letapogatással látták el őket, hogy kétdimenziós képet kapjanak. Az ilyen hőkamerákat pásztázásnak [1] nevezzük . Bennük egy mozgó tükrök rendszere szekvenciálisan vetíti a sugárzást a megfigyelt tér minden pontjából a szenzorra. Az érzékelő lehet egyetlen elem, érzékelőelemek sora vagy egy kis tömb. Az érzékenység növelése és a tehetetlenség csökkentése érdekében a pásztázó hőkamerák érzékelőit kriogén hőmérsékletre hűtik. A legjobb hűtött érzékelők egyetlen fotonra is képesek reagálni, és válaszidejük kevesebb, mint egy mikroszekundum.

A modern hőkamerák általában speciális mátrix hőmérséklet-érzékelők - bolométerek - alapján épülnek fel . Ezek miniatűr vékonyréteg termisztorok mátrixai. A hőkamera lencséje által összegyűjtött és a mátrixra fókuszált infravörös sugárzás a megfigyelt objektum hőmérséklet-eloszlásának megfelelően felmelegíti a mátrix elemeit. A kereskedelemben kapható bolometrikus mátrixok térbeli felbontása eléri az 1280*720 pontot [2] . A kereskedelmi forgalomban kapható bolométereket általában hűtetlen állapotban készítik, hogy csökkentsék a berendezés költségeit és méretét.

A modern hőkamerák hőmérsékleti felbontása eléri a Celsius-fok századrészét.

Vannak megfigyelő és mérő hőkamerák. A megfigyelő hőkamerák csak az objektum hőmérsékleti gradienseit mutatják. A mérő hőkamerák lehetővé teszik az objektum adott pontjának hőmérsékleti értékének mérését az emissziós tényezőig terjedő pontossággaltárgyi anyag. A mérő hőkamerák időszakos kalibrálást igényelnek, amihez gyakran beépített szenzorkalibráló berendezéssel látják el, általában függöny formájában, melynek hőmérsékletét pontosan mérik. A redőny időszakosan mozog a mátrixon, lehetővé téve a mátrix kalibrálását a redőny hőmérséklete szerint. Ez az eljárás egy másodperc nagyságrendű időt vesz igénybe, ameddig a hőkamerán lévő kép frissítése leáll, ami kritikus lehet bizonyos megfigyelési alkalmazásoknál, különösen a célzóknál, ezért a megfigyelő hőkamerák nincsenek felszerelve ezzel a mechanizmussal.

Optika

Mivel a közönséges optikai üveg a középső IR tartományban átlátszatlan [3] , a hőkamerák optikája speciális anyagokból készül. Leggyakrabban germánium [4] [5] [6] , de drága, ezért néha kalkogenid üveget használnak., cink-szelenid [7] , szilícium , fluorit . Laboratóriumi célokra egyes sókból optika is készíthető, például konyhasóból [8] , amely szintén átlátszó a kívánt hullámhossz-tartományban.

Érintésmentes hőmérsékletmérés

A hőkamerával az infravörös spektrum egy bizonyos tartományában közvetett módon meg lehet ítélni egy tárgy hőmérsékletét annak elektromágneses sugárzása alapján. A valós anyagok optikai tulajdonságainak eltérései az ideális abszolút fekete test tulajdonságaitól azonban megnehezítik a hőkamerával rögzített sugárzás egyértelmû átszámítását a valós tárgy hômérsékletének pontos értékévé. [9]

A Planck-képlet a test által kibocsátott elektromágneses sugárzásnak a test hőmérsékletétől való függését írja le ideális esetben, vagyis az ún. teljesen fekete test . [9] A valódi testek azonban leggyakrabban különböznek a teljesen fekete testektől, és egyedi tulajdonságokkal rendelkeznek a visszaverődés ( szórás ), az áteresztés (abszorpció) és az emisszió .elektromágneses hullámok. A visszaverődés (szórás) és az áteresztés tulajdonságai határozzák meg a mérendő objektum parazita megvilágítását a környező fűtött tárgyaktól, ami az érintésmentes hőmérsékletérzékelő leolvasásainak túlbecsléséhez vezethet. A sugárzáselnyelés tulajdonsága határozza meg a tárgy felmelegedését a környező fűtött tárgyak sugárzása által. A valódi anyagokból és a fekete testből származó sugárzás kibocsátásának tulajdonságai közötti különbség a hőmérsékleti értékek alulbecsléséhez vezet.

A hőmérséklet sugárzásból történő meghatározásának néhány problémájának bemutatására feltaláltak egy Leslie-kockát , amelynek oldalai különböző anyagokból készülnek. A jobb oldali Leslie-kocka képei a különböző kockalapok emissziós és visszaverő tulajdonságai közötti különbséget mutatják be azonos kocka hőmérsékleten.

Az anyagok optikai tulajdonságainak numerikus jellemzésére, amelyek befolyásolják a belőlük kibocsátott sugárzás mértékét, bevezetik az elektromágneses hullámok reflexiós együtthatóját ( szórási tényezőjét ), átviteli együtthatóját (vagy abszorpciós együtthatóját ) és sugárzási együtthatóját. Ezek az együtthatók az anyag és az optikailag ideális közötti különbséget mutatják, különösen az emissziós tényező azt mutatja meg, hogy az anyag saját hősugárzása mennyivel kisebb, mint egy teljesen fekete test azonos hőmérsékletű sugárzása. Az alábbiakban egy táblázat látható néhány anyag emissziós tényezőjéről az infravörös tartomány azon részén, amely a hőkamerák számára releváns. [9]

Anyag Emissziós képesség
polírozott alumínium 0,03
Eloxált alumínium 0,55
csiszolt arany 0,02
csiszolt vas 0.21
Oxidált vas 0,64
polírozott acél 0,07
Oxidált acél 0,79
fekete korom 0,95
fehér papír 0,93
Faipari 0,90
csiszolt üveg 0,94
emberi bőr 0,98
Víz 0,92
Hó 0,80

Mindezek az együtthatók a hullámhossztól függenek, azaz a látható és az infravörös tartományban ezek az együtthatók eltérhetnek.

Létrehozási előzmények

Az első hőkamerákat az 1930-as években hozták létre. 20. század A modern hőkamerás rendszerek a XX. század 60-as éveiben kezdték kifejlesztésüket. A képalkotás első hőérzékelői az elektron-vákuum érzékelők voltak. A pirikonok ( pirovidiconok ) kapták a legnagyobb fejlődést [1] . Más típusú pásztázó elektronvákuumcsövek is léteztek, amelyek érzékenyek az infravörös sugárzás termikus spektrumára, mint például a termikon és a filterscan [1] . Ezután szilárdtest-szenzorokon jelentek meg a hőkamerák, amelyek optikai-mechanikus pásztázását végezték a lencse és az egyelemes sugárvevő által alkotott látómezőben. Az ilyen eszközök rendkívül terméketlenek voltak, és lehetővé tették az objektumban fellépő hőmérséklet-változások nagyon alacsony sebességű megfigyelését.

A félvezető technológia fejlődésével és a CCD fotodióda cellák megjelenésével , amelyek lehetővé teszik a vett fényjel tárolását, lehetővé vált modern hőkamerák létrehozása, amelyek CCD-érzékelők mátrixán alapulnak . Ez a képalkotási elv lehetővé tette a nagy sebességű információfeldolgozással rendelkező hordozható eszközök létrehozását, amelyek lehetővé teszik a hőmérséklet-változások valós időben történő nyomon követését.

A modern hőkamerák fejlesztésének legígéretesebb iránya a hűtetlen bolométerek technológiájának alkalmazása [10] , amely a vékony lemezek ellenállás-változásának ultraprecíz meghatározásán alapul a teljes spektrum hősugárzása hatására. hatótávolság. Ezt a technológiát világszerte aktívan alkalmazzák a hőkamerák új generációjának létrehozására, amelyek megfelelnek a legmagasabb mobilitási és használatbiztonsági követelményeknek. .

A Szovjetunióban és Oroszországban

Az első polgári hőkamerákat a Szovjetunióban fejlesztették ki orvosi használatra az Isztoki Atomerőműben az 1970-es években. Az 1970-es évek vége óta megkezdődött a TV-03 hűtött szilárdtest-érzékelőn alapuló pásztázó hőkamera tömeggyártása [11] . A Szovjetunió összeomlásának idejére a hőkamerák széles skáláját gyártották polgári és ipari célokra [1] .

A katonai célokra szolgáló hőkamerákat az 1970-es évek óta fejlesztik, kezdetben repülési optikai radarállomások (OLS) formájában [12] [13] . Az 1980-as évek végére tartályokra is felszerelték az első sorozatos Agava-2 hőkamerás irányzékokat [14] .

A posztszovjet ipar 1990-es évekbeli összeomlása és a hatékony, hűtetlen bolometrikus mátrixok Nyugaton történő kifejlesztése miatt Oroszország jelentősen lemaradt ezen a területen. A polgári és katonai célú hőkamerás szenzorokat és rendszereket külföldről vásárolták. Ennek ellenére kezdtek megjelenni hírek a technológiai hiányosságok leküzdéséről és a nemzeti érzékelők gyártásának bővítéséről [15] [16] [17] .

Hatókör

Energiaszivárgás ellenőrzése

A hőkamerák széles körben használatosak mind a nagy ipari vállalkozásokban, ahol az objektumok hőállapotának gondos monitorozása szükséges, mind a különböző célú hálózatok hibaelhárításával foglalkozó kis szervezetekben.

A hőkamerákat különösen széles körben használják az építőiparban, amikor a szerkezetek hőszigetelő tulajdonságait értékelik . Így például egy hőkamerával meghatározhatja a legnagyobb hőveszteséggel rendelkező területeket a házban.

Éjjellátó készülék

A hőkamerákat a fegyveres erők éjjellátó eszközként használják a hőkontrasztos célpontok (munkaerő és felszerelés) észlelésére a nap bármely szakában, az ellenség által használt szokásos optikai maszkolási eszközök ( álcázás ) ellenére a látható tartományban. A hőkamera a támadó hadsereg légiközlekedési és páncélozott járművek látórendszereinek fontos elemévé vált. A kézi lőfegyverek hőkamerás irányzékait is használják, bár a magas ár miatt még nem terjedtek el széles körben.

Tűzoltó- és mentőszolgálat

A tűzoltó- és mentőszolgálatok hőkamerákat használnak az áldozatok felkutatására, a tűzforrások azonosítására, a helyzet elemzésére és a kiürítési útvonalak felkutatására.

Orvostudomány

Az emberi bőr emissziós tényezője magas (~0,98), közel egy teljesen fekete test emissziós tényezőjéhez, ami informatívvá teszi az emberi bőr hőmérsékletének hőkamerával történő megfigyelését. [9] Az alacsony bőrreflexió a termikus IR tartományban minimálisra csökkenti a felmelegedett környezeti tárgyak hatását. A hőkamerával mind a statikus hőmérséklet-eloszlást, mind a bőr hőmérséklet-eloszlásának dinamikáját regisztrálhatja. A bőr hőmérsékletének felszíni eloszlását a bőr alatti erek, az izmok, a belső szervek és a zsír állapota határozza meg. A hőszabályozás fiziológiája függhet mind a környezeti feltételektől, mind a fizikai vagy érzelmi stressztől, valamint a farmakológiai gyógyszerek hatásától.

Az orvostudományi hőkamerák fejlesztését a Szovjetunióban az "Istok" atomerőműben ( Fryazino , Moszkvai régió ) kezdték 1968 -ban . Az 1980-as években módszereket dolgoztak ki a hőkamerákkal különböző betegségek diagnosztizálására. A hazai ipar által azokban az években gyártott TV-03 hőkamerát széles körben használták különböző egészségügyi intézményekben. A TV-03 volt az első hőkamerát, amelyet idegsebészetben használtak [11] . A modern gyógyászatban a hőkamerát más módszerekkel nehezen diagnosztizálható patológiák kimutatására használják, beleértve a rosszindulatú daganatok kimutatását is.

A SARS-ben szenvedő betegek azonosítása

A járványok megelőzése érdekében 2008 óta hőkamerákkal izolálják a magas hőmérsékletű embereket a tömegtől , amihez akut légúti megbetegedések társulnak . [18] [19] A 2020- ban világszerte elterjedt COVID-19 világjárvány megnövelte a hőkamerák iránti keresletet a nyilvános és zsúfolt helyeken történő érintésmentes testhőmérsékletméréshez. Ugyanebben az évben a Roskomnadzor rámutatott a hőkamerák használatának árnyalataira a szervezetek alkalmazottainak és látogatóinak hőmérsékletének mérésére [20] . Figyelembe kell azonban venni, hogy a hőkamera a nyitott bőr hőmérsékletét méri, ezért leolvasása nem csak a testhőmérséklettől, hanem más tényezőktől is, különösen az éghajlati viszonyoktól függhet.

A hagyományos orvosi gyakorlatban az emberi testhőmérséklet mérését kontakt hőmérőkkel négy területen végzik: hónaljban (általában 36,6...36,8°C), nyelv alatt (általában 36,7...36,8°C), végbélben (általában). 37 °C), a külső hallójáratban. [9] Ha távoli hőmérsékletmérés szükséges, ezek a területek nem hozzáférhetők, legtöbbször csak az arc területe érhető el. A COVID-19 világjárvány rákényszerítette a gyors, érintésmentes hőmérsékletmérési módok keresését, és széles körben elterjedtek azok a hőkamerák, amelyek a külső hallójáratban mérik a hőmérsékletet cserélhető eldobható hegyével [21] .

Kohászat és gépészet

Az egyenetlen melegítéssel, nem stacionaritású és a hőemissziós tényező heterogenitásával jellemezhető összetett folyamatok hőmérsékletének szabályozásánál a hőkamerák hatékonyabbak, mint a pirométerek, mivel a kapott termogram vagy hőmérsékletmező elemzését egy erős emberi vizuális rendszer végzi.

A hevített fémek hőmérsékletének mérésének megbízhatóságának javítása érdekében helyesen kell kiválasztani a hősugárzás regisztrálásának spektrális tartományát [22] . A 400 °C fölé hevített fémek ε hősugárzási együtthatója nagymértékben megváltozik felületük légköri oxigénnel történő oxidációja miatt [23] . Ezért hősugárzásuk regisztrálásához a spektrumnak olyan részét kell kiválasztani, amelyben az ε bizonytalanságnak minimális a befolyása a kapott hőmérsékleti értékekre [22] .

A hőképalkotási technológiában a spektrum különböző részeit használják fel. Alacsony hőmérséklet mérésekor a 8-14 μm, esetenként 3-5 μm spektrumtartományban rögzítik a hősugárzást [24] . A 700 °C-ot meghaladó hőmérséklet mérésére magas hőmérsékletű hőkamerákat használnak Si [25] vagy InGaAs alapú mátrixokkal, amelyek érzékenyek a spektrum közeli infravörös tartományára, ahol a fémek ε hőemissziós tényezője sokkal nagyobb, mint 8-14 μm tartományban [22] [23] . Ha a valós hőmérsékletet kell mérni, hőkamerákat használnak, amelyek a spektrum három részében rögzítik a hősugárzást.

Egyéb felhasználások

  • Csillagászati ​​infravörös teleszkópok.
  • Éjszakai vezetési rendszer , amely megkönnyíti a vezető általi irányítását az úton.
  • Az elektromos áramkörök szabályozása a vezetők túlmelegedése és a rossz érintkezés miatt.
  • Állatorvosi ellenőrzés.

Okostelefonok

2014-ben a FLIR Systems kiadott egy burkolatot az Apple okostelefonokhoz , amelybe hőkamerát szereltek [26] . Ugyanebben az évben a Seek Thermal külön hőkamerát adott ki iOS és Android eszközökhöz [27] . 2016 februárjában bejelentették az első, a FLIR által kifejlesztett, beépített hőkamerával rendelkező Caterpillar S60 okostelefont [28] .

Érdekességek

2020 januárjában egy üzbegisztáni állampolgár a fehérorosz-litván határ illegális átlépése közben fóliasapkával megtévesztette a határőrség hőkameráját. Beszámoltak arról, hogy az ilyen eseteket többször is rögzítették [29] .

Képek

  • Hőleképező tartozék nappali távcsövekhez

  • Univerzális felügyeleti eszköz a biztonság érdekében

  • Kétcsatornás hőkamerás és televíziós készülék éjjel-nappali használatra

  • Multispektrális többcélú felügyeleti és célkijelölő rendszer

  • Monokuláris hőképalkotás

  • Hőleképező készülék éjjel-nappali megfigyeléshez

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 Kriksunov L. Z., Padalko G. A. Thermal imagers: a reference book. - K., 1987.
  2. ↑ A DARPA személyi LWIR kamerákat fejleszt . Letöltve: 2015. november 24. Az eredetiből archiválva : 2015. szeptember 24..
  3. ↑ A spektrum infravörös részét elnyelő szemüvegek . Letöltve: 2017. március 15. Az eredetiből archiválva : 2017. március 16.
  4. ↑ Germánium (elérhetetlen link) . Letöltve: 2015. november 24. Az eredetiből archiválva : 2016. március 5.. 
  5. ↑ Germánium Windows . Letöltve: 2015. november 24. Az eredetiből archiválva : 2015. november 25..
  6. ↑ Germánium síkkonvex lencsék . Letöltve: 2015. november 24. Az eredetiből archiválva : 2015. november 25..
  7. ↑ Cink-szelenid . Letöltve: 2015. november 24. Az eredetiből archiválva : 2015. november 25..
  8. ↑ CRYSTALTECHNO Kft. Letöltve: 2015. november 24. Az eredetiből archiválva : 2015. november 20..
  9. ↑ 1 2 3 4 5 TERMÁLIS LÁTÁS BIOLÓGIAI DIAGNÓZIS . Letöltve: 2020. december 28. Az eredetiből archiválva : 2021. augusztus 29.
  10. ↑ Rogalski A. Infravörös detektorok. Singapore: Gordon and Breach Science Publishers, 2000. 681 pp.
  11. ↑ 1 2 Devyatkov N. D. Az elektronika használata az orvostudományban és a biológiában Archiválva : 2019. július 15., a Wayback Machine -nél . Elektronikus felszerelés. Ser. mikrohullámú technológia . 1993. 1. szám (455). 67-76.
  12. ↑ Szu-27 . Hozzáférés dátuma: 2016. március 31. Az eredetiből archiválva : 2010. július 22.
  13. ↑ A repülés története. Vörösen izzó MiG az égen . Letöltve: 2016. március 31. Az eredetiből archiválva : 2016. április 12..
  14. ↑ Hőkamerák . Letöltve: 2016. március 31. Az eredetiből archiválva : 2016. április 12..
  15. ↑ Oroszország végre saját hőkamerával rendelkezik . Letöltve: 2020. május 5. Az eredetiből archiválva : 2016. április 17.
  16. ↑ NPO ORION . Letöltve: 2016. március 31. Az eredetiből archiválva : 2016. április 14..
  17. ↑ Tank hőkamerák a Shvabe-től . Letöltve: 2020. május 5. Az eredetiből archiválva : 2019. augusztus 5..
  18. ↑ Komszomolszkaja Pravda. A sertésinfluenza nem a levegőn keresztül ér el bennünket: hőkamerát szereltek fel a Nyizsnyij Novgorodi repülőtéren. . kp.ru (2009. augusztus 13.). Hozzáférés dátuma: 2010. február 25. Az eredetiből archiválva : 2012. április 12.
  19. ↑ SpecLab. Elektronikus influenza elleni védőoltás. (nem elérhető link) . operlenta.ru (2010. január 14.). Letöltve: 2010. február 25. Az eredetiből archiválva : 2012. április 17.. 
  20. ↑ A Kommunikációs, Informatikai és Tömegmédia Szövetségi Felügyeleti Szolgálat 2020. március 10-i tájékoztatója „A Roskomnadzor elmagyarázza a hőkamerák munkáltatók – személyes adatkezelők – általi használatának jellemzőit a koronavírus terjedésének megakadályozása érdekében” . Letöltve: 2020. december 26. Az eredetiből archiválva : 2021. május 13.
  21. ↑ Mennyire pontosak a fülhőmérők?
  22. ↑ 1 2 3 Forrás (nem elérhető link) . Letöltve: 2015. augusztus 19. Az eredetiből archiválva : 2016. december 13. 
  23. ↑ 1 2 Burakovsky T., Gizinsky E., Salya A. Infravörös sugárzók: Per. lengyel nyelvből - L .: Energia, 1978.
  24. ↑ V. V. Korotaev, G. S. et al . A hőképalkotás alapjai - Szentpétervár: NRU ITMO, 2012. - 122 p.
  25. ↑ Egyedülálló ultra nagy felbontású hőkamera / Mikron Infrared Inc. Termikus képalkotó részleg.
  26. ↑ FLIR One . Letöltve: 2016. február 18. Az eredetiből archiválva : 2016. február 25..
  27. ↑ Seek Thermal . Hozzáférés dátuma: 2016. február 18. Az eredetiből archiválva : 2016. március 11.
  28. ↑ Technológiai hírek - Gazeta.Ru . Hozzáférés időpontja: 2016. február 18. Az eredetiből archiválva : 2016. február 6.
  29. ↑ A fólia „láthatatlansági sapka” nem segített egy üzbegisztáni lakosnak illegálisan átlépni a határt. A litván határőrök őrizetbe vették . Letöltve: 2021. november 30. Az eredetiből archiválva : 2021. november 30.

Irodalom

  • Lloyd J. Thermal imaging systems./Ford. angolról. szerk. A. I. Gorjacseva. — M.: Mir, 1978, p. 416.
  • Kriksunov L. Z. Kézikönyv az infravörös technológia alapjairól, Kiadó: Szovjet rádió, évfolyam: 1978, oldal: 400.
  • Gossorg J. Infravörös termográfia. Alapok. Technika. Alkalmazás. M.: Mir, 1988.
  • V. A. Drozdov, V. I. Szuharev. Termográfia az építőiparban - M .: Stroyizdat , 1987. - 237 p.
  • Infravörös termográfia az energetikában. T 1. Az infravörös termográfia alapjai / Szerk. R. K. Newport, A. I. Tadzhibaeva, szerzők: A. V. Afonin, R. K. Newport, V. S. Polyakov stb. - Szentpétervár: Izd. PEIPC, 2000. - 240 p.
  • Ogirko I. V. Racionális hőmérséklet-eloszlás a hőérzékeny test felületén ... 332. o. // Engineering Physics Journal 47. kötet, 2. szám (1984. augusztus)

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Bibliográfiai katalógusokban