Тепловизоры

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

Институт: Неразрушающего Контроля

Направление: Приборостроение

Кафедра: Информационно-Измерительная  Техника

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

На тему

 «ТЕПЛОВИЗОРЫ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка группы 1Б82

Петухова А.Г.

Проверил: преподаватель  кафедры ИИТ

Булгаков В.Ф.

 

 

 

 

 

ТОМСК – 2012

ВВЕДЕНИЕ

Теплови́зор - устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Распределение температуры отображается на дисплее (или в памяти) тепловизора как цветовое поле, где определённой температуре соответствует определённый цвет. Как правило, на дисплее отображается диапазон температуры видимой в объектив поверхности. Типовое разрешение современных тепловизоров — 0,1 °C. Более подробная информация доступна в разделе Термография.

В наиболее бюджетных моделях  тепловизоров, информация записывается в память устройства и может быть считана через интерфейс подключения к компьютеру. Такие тепловизоры обычно применяют в паре с ноутбуком илиперсональным компьютером и программным обеспечением, позволяющим принимать данные с тепловизора в режиме реального времени.

Различают наблюдательные и  измерительные тепловизоры. Первые просто делают изображение в инфракрасных лучах видимым в той или иной цветовой шкале. Измерительные тепловизоры, кроме того, присваивают значению цифрового сигнала каждого пиксела соответствующую ему температуру, в результате чего получается картина распределения температур.

ИСТОРИЧЕСКАЯ  СПРАВКА

Современные тепловизорные системы начали свое развитие в 60-е годы прошлого столетия, в качестве одноэлементных приемников, изображение в которых строилось посредством точечного смещения оптической аппаратуры. Такие устройства были крайне непроизводительны и позволяли наблюдать за происходящими в объекте температурными изменениями с очень низкой скоростью.

С развитием полупроводниковой  техники и появлением фотодиодных ячеек ПЗС, позволяющих хранить принятый световой сигнал, стало возможным создание современных тепловизоров на основе матрицы ПЗС датчиков, сигналы с которых, если говорить упрощённо, расшифровываются дешифратором, обрабатываются в центральном процессоре устройства, выстраиваясь в определенную последовательность, которая затем проецируется на ЖК матрицу в виде распределения температур, обозначенных различными цветами видимой части спектра. Данный принцип построения изображений позволил создать портативные устройства, с высокой скоростью обработки информации, которые позволяют вести контроль за изменением температур в режиме реального времени.

Наиболее перспективным  направлением развития современных  тепловизоров является применение технологии неохлаждаемых болометров, основанной на сверхточном определении изменения сопротивления тонких пластинок, под действием теплового излучения всего спектрального диапазона. Данная технология активно применяется во всем мире для создания тепловизоров нового поколения, отвечающих самым высоким требованиям по мобильности и безопасности использования. В России производство портативных тепловизоров по технологии неохлаждаемых болометров освоено в 2007 году в ЦНИИ "Циклон".

ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА

Тепловизор является дорогостоящим прибором. Его основные элементы — матрица и объектив составляют около 90 % общей стоимости. Матрицы весьма сложны в производстве, но со временем, по заверениям экспертов, их цена может снизиться. С объективами ситуация сложнее: для создания объективов применяются редкие и дорогие материалы (например, германий). В наши дни активно ведутся поиски более дешёвых материалов.

КЛАССИФИКАЦИЯ

Тепловизоры делятся на:

• Стационарные. Предназначены для применения на промышленных предприятиях для контроля за технологическими процессами в температурном диапазоне от −20 до +2000 °C. Такие тепловизоры, зачастую имеют азотное охлаждение, для того, чтобы обеспечить нормальное функционирование приемной аппаратуры. Основу таких систем составляют, как правило, тепловизоры третьего поколения, собранные на матрицах полупроводниковых фотоприемников.
• Переносные. Новейшие разработки в области применения тепловизоров на базе неохлаждаемых микроболометров из кремния, позволило отказаться от использования дорогостоящей и громоздкой охлаждающей аппаратуры. Эти приборы обладают всеми достоинствами своих предшественников, таких как малый шаг измеряемой температуры (0,1 °C), при этом позволяют применять тепловизоры в сложных оценочных работах, когда простота использования и портативность играют очень большую роль. Большинство портативных тепловизоров имеют возможность подключения к стационарным компьютерам или ноутбукам для оперативной обработки поступающих данных.

Тепловизоры часто путают с приборами ночного видения, хотя разница между ними существенна. Классический прибор ночного видения позволяет ориентироваться при низком уровне освещенности, усиливая свет, попадающий в объектив. Во многих случаях яркий объект, оказавшийся в поле зрения, «слепит» прибор. С этим пытаются бороться, иногда — хорошо, иногда — в недорогих массовых приборах — не очень. Тепловизор же в свете не нуждается. Он, конечно, может быть использован в качестве прибора ночного видения, только задача здесь решена иначе. Известная философская конструкция о темноте как об отсутствии света взята в тепловизионной технике на вооружение: смотрим на то, что есть, в данном случае на тепло.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Современные тепловизоры нашли широкое применение как на крупных промышленных предприятиях, где необходим тщательный контроль за тепловым состоянием объектов, так и в небольших организациях, занимающихся поиском неисправностей сетей различного назначения. Так, сканирование тепловизором может безошибочно показать место отхода контактов в системах электропроводки.

Особенно широкое применение тепловизоры получили в строительстве при оценке теплоизоляционных свойств конструкций. Так, к примеру, с помощью тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в строящемся доме и сделать вывод о качестве применяемых строительных материалов и утеплителей.

Тепловизоры все шире применяются вооруженными силами развитых государств для обнаружения теплоконтрастных целей (живой силы и техники) в любое время суток, несмотря на применяемые противником обычные средства оптической маскировки в видимом диапазоне (камуфляж). Из специализированного разведывательного прибора тепловизор стал важным элементом прицельных комплексов ударной армейской авиации (вертолетов) и бронетехники. Применяются и тепловизионные прицелы для ручного стрелкового оружия, хотя в силу высокой цены широкого распространения они пока не получили.

Помимо инженерного применения с 2008-2009 гг. тепловизоры начали также активно использовать в медицинских целях - для выделения из толпы лиц инфицированных вирусом гриппа.

Тепловизоры также широко применяют в: - Энергетике - Металлургии - При строительстве дорог - Судостроении - Строительстве и эксплуатации железнодорожного полотна, метрополитене - Автомобильной промышленности - Ветеринарии - Искусстве

Контроль теплового режима электротехнических устройств (силовых трансформаторов, электродвигателей, разъединителей, высоковольтных линий электропередач и др.) имеет важное значение для их эксплуатации. Применение тепловизионных устройств позволило значительно сократить время, необходимое для контроля, сделать его достоверным, дешевым и  безопасным.

Впервые тепловизионный метод контроля теплового режима электротехнических устройств применен шведской фирмой AGEMA. Разработанный для этой цели тепловизор обеспечивает измерение абсолютной температуры высоковольтных трансформаторов, переключающих и распределительных устройств высокого напряжения, высоковольтных изоляторов. Как показали многократные проверки, повышение температуры объекта на 10 °С должно регистрироваться и учитываться при последующем осмотре; при повышении на 20 °С объект подлежит замене при ближайшем ремонте; при превышении более чем на 30 °С напряжение должно быть отключено, а объект заменен. 

Была  проведена серия экспериментов  с целью определения эффективности  применения тепловизиоиного метода для контроля состояния и профилактического осмотра высоковольтного оборудования. Контролю подвергались контакты и губки разъединителей (110 кВ), элементы конденсаторных батарей (110 кВ), трансформаторы тока (220 кВ), вводы масляных выключателей (110 кВ), подвесная изоляция (110...330 кВ), контакты предохранителей (6 кВ). Эффективность тепловизионного метода контроля видна из примера проверки конденсаторной батареи подстанции «Южная» (мощность батареи 55 МВА, число конденсаторов 2874). При пробое элементов конденсатора перегорают предохранители и ток, проходящий через конденсатор, падает до нуля (рабочий ток 5 А). Поэтому пробитые конденсаторы имеют такую же температуру, как и окружающие его металлические конструкции, а исправные — более высокую, так как через них проходит ток. По заводской инструкции контроль конденсаторов должен проводиться 2 раза в год, что требует примерно 2 чел./мес трудозатрат; тепловизионный контроль позволяет выполнить эту работу в течение одного дня. По подсчетам экономический эффект от внедрения тепловизионного метода для контроля высоковольтного оборудования крупной подстанции составляет около 100 тыс. рублей в год.

Большое значение для повышения надежности электроснабжения имеет заблаговременное обнаружение прогрессирующих перегревов в линиях электропередачи. Контрольные  методы, которые применяются в  настоящее время для этой цели, трудоемки, связаны с большими материальными  затратами и необходимостью частичного отключения оборудования. Этих недостатков  лишен тепловизионный метод, который позволяет оценить проводимость контактного соединения по градиенту температуры в области болтового соединения.

 
0,5 Х,М 
Рис. 5.3. График изменения температуры вдоль оси шины в зависимости от расстояния до точки с максимальной температурой Ттах

График  зависимости Ттах — Туст= / (х) изображен на рис. 5.3 (штрих- пунктирная линия); там же показан аналогичный график, построенный на основании контрольных замеров температуры вдоль оси шины с плохим качеством болтового соединения с помощью тепловизора «Рубин-МТ», имеющего выход строчного видеосигнала осциллограф (сплошная линия)

Успешно осуществляется контроль линий электропередачи  с вертолета.

Контроль состояния облицовки  плавильных печей.

Сталеплавильные печи облицованы изнутри керамическими  огнеупорными материалами. По мере эксплуатации печей часть облицовки изнашивается и разъедается 
расплавленным металлом, что связано с опасностью для обслуживающего персонала; поэтому облицовку через определенный срок приходится заменять. Полная замена облицовки больших сталеплавильных печей очень дорога, так как связана с остановкой производства на 3...4 нед. Наиболее приемлем здесь термографический контроль. Внешняя проверка действующих печей тепловизором может указать на локальные перегревы стальной оболочки, трещины и области обмуровки, где она тоньше нормы. Измерения температуры внешней оболочки, выполненные с помощью тепловизора, могут указать области разрушения обмуровки на рассматриваемом участке. Термограмма позволяет задержать замену обмуровки до тех пор, пока она не станет абсолютно необходимой, т. е. использовать обмуровку в течение максимального возможного времени. Снятая во время работы печи термограмма будет способствовать быстрому обнаружению опасных трещин во время периодического осмотра в охлажденной печи, так как сделать это визуально очень трудно.

Диагностика устройств тягового электроснабжения железных дорог.

С помощью  тепловизоров возможна диагностика устройств тягового электроснабжения железных дорог. При этом для массового контроля и выявления неисправностей контактных соединений температурная чувствительность тепловизора должна быть не ниже 5 °С, диапазон измеряемых температур — 20...+150 °С; поле зрении 20 X 10°, мгновенный угол зрения 10 мрад, время кадра 1/12,5 с.

Критерием состояния тарельчатых изоляторов типа ПФ-6А может быть разность температур между их шапкой и тарелкой. У исправного изолятора значения температуры тарелки и шапки не отличаются друг от друга на термограмме, а общая температура изолятора отличается от температуры окружающей среды на 0,2—0,4 °С. Для выявления дефектных изоляторов с помощью тепловизора его температурная чувствительность должна быть не ниже и, I С, диапазон измеряемых температур — 20...+50°С; тюле зрения 3 X о , мгновенный угол зрения 5'.

Наличие хотя бы одного исправного изолятора  в гирлянде (в тяговой сети постоянного  тока) не позволяет выявить дефектные  изоляторы тепловизионным способом, так как через гирлянду не проходит ток утечки. Тепловизоры применяют также для определения состояния изоляции высоковольтных выводов на тяговых подстанциях энергоучастков. Чувствительность тепловизора при этом должна быть не ниже 0,1 °С.

Испытание автопокрышек.

Тепловые  процессы, протекающие в автопокрышках, имеют важное значение для их эксплуатации. При заводских испытаниях автомобильных и авиационных покрышек на специальных стендах стремятся выявить влияние на распределение температуры по структуре покрышки таких факторов, как скорость ее вращения, изменение этой скорости, давление воздуха в камере и нагрузка на колесо. Необходимо знать влияние каждого из этих факторов в отдельности и их совместное воздействие. Эти воздействия не одинаковы для разных точек покрышки и зависят от ее конструкции. Однако обычная термограмма показывает только среднюю температуру в каждом концентрическом слое покрышки, в результате чего положение области перегрева не может быть локализовано.

Эта задача успешно решается с помощью  специального тепловизора, снабженного дополнительным устройством, получившим название «термостроб». Оно позволяет видеть стробированное (неподвижное) тепловое изображение вращающегося объекта. Применяя тепловизор с термостробом, можно наблюдать тепловое изображение вращающейся покрышки во время динамических испытаний и фиксировать участки ее перегрева.