• Инструмент
  • 17.06.2013

ВЫБОР ТЕПЛОВИЗОРА – ЗАДАЧА ОТВЕТСТВЕННАЯ

Доступность такого метода обследования ограждающих конструкций зданий и сооружений, как тепловизионная съемка, в наши дни существенно расширила возможности строительных организаций в деле выявления различных дефектов, определения тепловых потерь.

Валерий ШАЙТАР, тематический редактор

Однако при выборе и использовании на практике тепловизионного оборудования необходимо учитывать ряд важных параметров, которые не всегда попадают в поле внимания специалистов, желающих стать обладателями такого точного и в то же время дорогостоящего измерительного прибора.

КАКОЙ МЕТОД ЛУЧШЕ?

Тепловой метод во всех областях показывает себя с лучшей стороны по сравнению с такими, как рентгеновский, акустический, магнитный, капиллярный, оптический и радиоволновой. К тому же не все эти методы можно применить для обследования ограждающих конструкций. Об этом шла речь на семинаре в Минске «Тепловой неразрушающий контроль. Тепловизионное обследование зданий», организатором которого выступило РУП «Белстройцентр».

Например, акустический метод не позволяет оперативно подробно обследовать ограждающие конструкции и применим только для локальных задач. Капиллярный способ хорош, но он является «настольным» методом и требует применения образца и раствора, проникающего в трещины этого образца. А обработать конструкции всего дома таким раствором – задача трудоемкая.

Оптический метод частично используется и в тепловизионной съемке: вначале мы получаем термограмму параллельно изображению в видимом диапазоне, а затем смотрим полученное изображение. То есть тепловой и оптический методы при тепловизионной съемке применяются параллельно.

Радиоволновой метод невозможно широко использовать – весь дом радиоизлучением исследовать сложно, а такую картину, как при тепловизионном методе, не получишь.

ТЕПЛОВИЗОР – «ГЛАЗ»

По словам научного сотрудника лаборатории радиационно-конвективного теплообмена Института тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси Виктора Шевцова, принцип действия тепловизора в чем-то схож с механизмом работы человеческого глаза.

«Глаз» тепловизора – это объектив и фотоприемная матрица. Поступающая информация обрабатывается компьютером, который, по сути, является «мозгом» прибора. При помощи органа зрения люди получают излучение в диапазоне 0,38–0,7 микрон, а то, что принимает тепловизор, находится в другой области: 3,5–8,14 микрон. Это совсем другие диапазоны длин волн. У человеческого глаза другая «фотоприемная матрица», но принципы, по которым работают орган зрения и тепловизор, схожи.

Что касается теплового излучения, то оно невидимо для глаза, но если объект нагреть до определенных температурных параметров (500°С), то это излучение в темноте будет видимо и для органа зрения. Тепловое излучение, связанное с нагревом, имеет сплошной спектр излучения.

Любой объект, который мы видим глазом, в ИК-диапазоне является источником излучения. Даже если у здания температура –20°С и ниже, все равно этот объект в ИК-диапазоне является источником излучения, которое называется тепловым. Но излучение, с которым мы работаем при использовании тепловизора, лежит в диапазоне от 0,7 до 1000 микрон, т.е. порог в 1000 микрон позволяет говорить о том, что тепловизор затрагивает область миллиметровых волн.

Как видим, используемое при работе тепловизора излучение имеет более широкий диапазон по сравнению с тем, что видит глаз человека. Преобразование сигнала в компьютере тепловизора превращает его в термограмму, и с помощью дальнейших преобразований получается температурное поле. Каждой точке приписывается определенная температура (она может отличаться от реального показателя t° в данной точке). Если бы объекты не были источниками ИК-излучения, то вся эта система не работала бы.

ТЕПЛОВИЗОР И ПИРОМЕТР

Анализируя распределение температуры по поверхности объекта, мы пытаемся определить дефекты конструкции. Рассмотрим средства контроля, которые используются при обследовании конструкций здания. Для обследования могут применяться средства для контактного измерения параметров, к которым относятся различного рода термометры, и средства бесконтактного измерения. К бесконтактным средствам относятся пирометры и тепловизоры.

Принцип действия этих приборов одинаков. Пирометр измеряет температуру в какой-то отдельной области. Даже есть выражение, что пирометр измеряет так называемые «плоские» температуры. Но на самом деле он, конечно, измеряет не плоскость, а какой-то объект в пространственной области. Конечно, с помощью пирометра можно обследовать и большие объекты типа резервуаров, и здания, но этот процесс трудоемкий, поскольку с помощью пирометра приходится постепенно осматривать все здание и фиксировать значения, что занимает много времени.

Пирометры по сравнению с тепловизорами в строительной практике применяются реже, поскольку их стоимость равна приблизительно стоимости тепловизора, а по функциональным возможностям они, конечно, уступают тепловизорам.

В строительной отрасли используются пирометры, у которых есть тепловой приемник. Такие приборы используют длину волн 8–12 микрон. Пирометром с указанным диапазоном волн можно измерить любую температуру. Но чаще всего спектр конкретного прибора ограничен определенными значениями коротковолновой или длинноволновой области.

Есть приборы спектрального отношения, которые хороши тем, что излучательная способность не влияет на показания такого прибора при определенных условиях. Они решали бы многие проблемы, связанные с излучательными способностями, отражениями и т.д., но проблема в том, что, к сожалению, такие приборы рассчитаны только на высокие температуры.

Какие характеристики необходимо учитывать, если решено использовать пирометр? Самые главные – это диапазон рабочих температур и оптическое разрешение. Как правило, подобные приборы рассчитаны на какой-то определенный фиксированный диапазон, но могут учитывать и широкий интервал температур.

Казалось бы, купи такой прибор – и проблемы решены. Зачем тогда существует большая номенклатура этих измерительных приборов? Во-первых, потому что все высокотемпературные пирометры имеют излучение 5–12 микрон, а во-вторых, у них самая большая погрешность при неправильном установленном коэффициенте излучения. Если взять 0,05 излучательной способности, то погрешность измерения может достигать нескольких градусов. И это самая большая погрешность у пирометра. Поэтому лучше выбирать прибор, конечно, с короткой длиной волны.

Еще один важнейший параметр – это оптическое разрешение, и о нем нельзя забывать.

КАКИЕ ОНИ, ТЕПЛОВИЗОРЫ?

Тепловой неразрушающий контроль в настоящие время получил второе дыхание благодаря не только появлению тепловизора, но и тому факту, что такие приборы стали доступны для потребителя. И если раньше о применении тепловизора можно было только мечтать, то теперь он все активнее применяется в строительной практике.

Тепловизор использует то излучение, которое выделяют все объекты на длине волны максимум 10 микрон, преобразуя его в видимое изображение. При этом непосредственного контакта прибора с объектом не происходит.

Существуют разные типы приборов. Например, тепловизоры наведения. Этот класс приборов ничем особенным не отличается от радиометрического тепловизора, который позволяет зафиксировать «картинку» в температурном поле. У тепловизора наведения нет такого важного параметра, как способность измерения температуры или диапазон измеряемых температур. Такой прибор в ночное время дает тепловую картину объектов и применяется в охранных системах, т.е. там, где не важна температура. Такой тепловизор отличается тем, что это не измерительный прибор.

В то же время радиометрический тепловизор является измерительным, т.к. проходит аттестацию, обладает определенной точностью измерения, имеет определенную погрешность и т.д.

В настоящее время существует большое число марок тепловизоров и их типов – на рынке присутствует широкая номенклатура. Поэтому при выборе важно не запутаться.

Все тепловизоры можно разделить на 2 большие группы: с механическим сканированием и электронным. В настоящее время тепловизоры с механическим сканированием, как правило, активно не применяются, за исключением единичных случаев. Основная масса используемых приборов – с матричным приемником, т.е. это «фотоаппарат», который работает в ИК-области спектра. Принцип работы такого матричного приемника схож с принципом работы фотоаппарата.

У тепловизоров с оптико-механическим сканированием основной недостаток заключается в том, что такой прибор отличается небольшим быстродействием. В наши дни можно, конечно, относится со скептицизмом к приборам такого класса, но у них имеется одно важно преимущество. С точки зрения измерения температуры такой тепловизор гораздо предпочтительнее, чем матричный. Потому что для любой точки контроля объекта у этого прибора применяется один приемник с едиными характеристиками.

В отличие от оптико-механического прибора, у матричного имеется сотни тысяч элементов (приемников). И обеспечение одинаковых параметров этих приемников является существенной проблемой. В этой связи нелишне заметить, что в настоящее время тепловизоры с матричным приемником 640×480 относятся к приборам с предельными характеристиками для широкого применения.

На данный момент матрицы выпускают немногие фирмы в мире. Все остальные производители, которые занимаются выпуском тепловизоров, приобретают матрицы у этих немногих изготовителей.

МАТРИЦА – ВАЖНАЯ СХЕМА

Тепловизор собирается в виде модуля, у которого есть все устройства ввода-вывода, управления и объектив. Стоимость тепловизора определяется стоимостью матрицы и объектива. Логарифмическая матрица представляет собой чувствительный элемент, который является схемой считывания информации. Эта электронная схема по технологии ничем не отличается от любого электронного устройства для считывания информации. Например, в фотоаппаратах используются кремниевые фотодиоды. Они технологичны в применении, поэтому такие матрицы для фотоаппаратов отличаются минимальной стоимостью и массовой доступностью.

В то же время у тепловизора матрица изготавливается на основе болометра. Болометр – это «кусочек» полупроводника длиной 50 микрон и толщиной 0,5 микрона. В настоящее время логарифмическая матрица имеет элементы и того меньше – длину 20 микрон и толщину менее 0,5 микрон. Полупроводниковый элемент представляет собой ячейку, которая в матрице присутствует в количестве 300/600 тыс. и т.д.

Технология производства такой матрицы с неработающими элементами не такая, как у фотоаппаратов и ЖКИ-мониторов. Если у ЖКИ-дисплея допускается определенное количество неработающих пикселей, то у матрицы тепловизора количество неработающих элементов измеряется процентами.

В наше время уровень технологии при производстве матриц пока не позволяет сохранить все элементы рабочими. Метод, согласно которому изготавливаются матрицы, имеет название «микроэлектронная механическая система». Учитывая сложности изготовления, а также функциональные возможности матрицы («картинку», которая через оптику проецируется на матрицу, прибор, образно говоря, раскрашивает), становится понятным, почему стоимость матрицы весьма значительна.

СМОТРИМ В ОБЪЕКТИВ

Важная составляющая тепловизора – оптика, которая стоит недешево. Цена хорошего объектива достигает нескольких тысяч долларов. Большинство тепловизоров, которые предлагаются на рынке, снабжаются объективами порядка 25°. Специалисты советуют для проведения тепловизионной съемки с близкого расстояния пользоваться широкоугольными объективами 45°. Особенно это актуально для тепловизионного обследования внутри помещения. Там, если использовать объектив 25°, придется делать 3 кадра. А это неудобно с точки зрения производительности труда.

В то же время широкоугольный объектив позволяет быстро решить задачу по проведению съемки. Для удаленных объектов, наоборот, необходимо использовать объективы с малым полем зрения. Наиболее технологичными производствами объективов для тепловизоров считаются немецкие.

Нужно учесть, что если прибор предполагает использование съемных объективов, то не следует полагать, что сначала можно купить тепловизор, а затем – съемные объективы. Это заблуждение. Специалисты советуют заказывать объективы сразу при покупке тепловизора, потому что при заказе объективов обязательно учитываются прошивки, которые имеются у тепловизора. Если это обстоятельство упустить из виду, тогда прибор придется отправлять на завод-изготовитель, чтобы там обеспечили прошивку тепловизора под конкретный приобретаемый объектив.

ВАЖНЫЕ «МЕЛОЧИ»

Нелишне помнить, что при покупке тепловизора с заявленным широким диапазоном температур реальные гарантированные параметры лежат в пределах от –30 до +150°С. В этом диапазоне возможно произвести измерения с погрешностью не более 2°С. Во всех остальных диапазонах погрешность будет возрастать и составит не градусы, а проценты.

Далеко не у всех приборов есть такая функция, как панорамное изображение. Она удобна при проведении наружного тепловизионного обследования зданий. Потому что если проводится съемка ограждающих конструкций объекта, размеры которого очень большие, то важно учесть такую рекомендацию: необходимы 15% перекрытия по кадру, чтобы не пропустить какие-то участки, т.е. вторую термограмму нужно делать с перекрытием первой на 15% площади. Если есть функция панорамного изображения, то в этом случае каждое изображение соответствует термограмме, которая сделана в определенный период. Далее, видя контуры и размеры термограммы, мы совмещаем изображение с последующей частью, которую необходимо заснять. Получается «сшивка», а в итоге – радиометрическая термограмма, которую можно обрабатывать в специальных программах.

Разрешение изображения – самый главный параметр. В этой связи возникает вопрос: какой прибор приобрести? Цена тепловизора полностью зависит от данного параметра. Следует учитывать и такой важный момент: температура пикселя усредняется по сравнению с соседними пикселями. Это связано с тем, что пиксели имеют неодинаковые параметры, кроме того, в матрице есть неработающие элементы. Но не использовать такую матрицу для производителя слишком накладно, поэтому изображение на неработающие ячейки корректируется программным образом.

«Чтобы определить дефектность матрицы, существует такая рекомендация: анализировать нужно не 1, а 5–7 пикселей, – говорит Виктор Шевцов. – При наличии неработающего пикселя только на основе анализа этого числа можно говорить, что в матрице существует определенная аномалия. Чем выше разрешающая способность матрицы, тем предпочтительнее тепловизор. Камеры, имеющие разрешение меньше чем 320×240, для наружного обследования строительных конструкций использовать не рекомендуется. Конечно, и в старых, и в новых ГОСТах предусмотрена возможность использования матрицы 160×120, но это сделано для того, чтобы не лишать возможности обладателей таких приборов проводить неразрушающий тепловой контроль зданий. Но в действительности обследование с использованием указанных приборов с такой разрешающей способностью матрицы – достаточно трудоемкая работа».

Что касается методик, которые можно применять для проведения обследования зданий, то в настоящий момент их существует несколько. Например, МВИ.МН 2736–2007 «Контроль качества тепловой изоляции оборудования и трубопроводов тепловых электрических станций» (10.08.2007 ЗАО «Энерготеплоизоляция»); МВИ.МН 3649–2010 «МВИ тепловизионного контроля электрооборудования и воздушных линий электрооборудования и воздушных линий электропередачи» (18.11.2010 Гродненский ЦСМС).

И наконец, новая методика, которая была разработана совсем недавно, – это МВИ.МН 4420–2012 «Тепловизионная диагностика теплового состояния ограждающих конструкций зданий и сооружений». Ее разработчиком является Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси.

В Беларуси действует ряд нормативов, регламентирующих использование тепловизоров в деле обследования зданий и сооружений. Правда, при применении ТНПА не всегда пользователи тепловизионных приборов получают четкие ответы на конкретные вопросы. Но это тема отдельного разговора.

НАША СПРАВКА

Камера с размером болометрической матрицы 160×120 предназначена для обследования маленьких объектов и областей с малым перепадом температур на относительно небольшой площади (наблюдение за охлаждающими объектами), объектов с большой разностью температур, где равномерность распределения таковой не имеет значения (перегрев контакта одной из фаз токоведущих элементов).

Камеры с матрицей 320×240 рекомендуется применять для обследования зданий и сооружений, ограждающих конструкций, дымовых труб, электрических машин линий электропередач (с дополнительным широкоугольным объективом).

В то же время камеры с матрицей 640×480 необходимо использовать для наблюдения практически всех объектов, а также для нестандартных технологических решений и научных изысканий. Прибор с указанной разрешающей способностью является полностью универсальной камерой.

Комментарии
Комментариев к материалу пока нет
Оставить комментарий