Υπέρυθρη θερμογραφία και θερμική απεικόνιση
Η μέτρηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας με την καταγραφή των παραμέτρων της θερμικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από αυτή χρησιμοποιώντας ηλεκτροοπτικές συσκευές ονομάζεται υπέρυθρη θερμογραφία. Όπως μπορείτε να μαντέψετε, σε αυτή την περίπτωση η θερμότητα μεταφέρεται από την εξεταζόμενη επιφάνεια — στη συσκευή μέτρησης, με τη μορφή υπέρυθρα ηλεκτρομαγνητικά κύματα.
Οι σύγχρονες ηλεκτρο-οπτικές συσκευές υπέρυθρης θερμογραφίας μπορούν να μετρήσουν τη ροή της υπέρυθρης ακτινοβολίας και, με βάση τα δεδομένα που λαμβάνονται, να υπολογίσουν τη θερμοκρασία της επιφάνειας με την οποία αλληλεπιδρά ο εξοπλισμός μέτρησης.
Φυσικά, ένα άτομο μπορεί να αισθανθεί την υπέρυθρη ακτινοβολία και μπορεί ακόμη και να αισθανθεί τις αλλαγές θερμοκρασίας εντός εκατοστών του βαθμού με νευρικές απολήξεις στην επιφάνεια του δέρματος. Ωστόσο, με τόσο υψηλή ευαισθησία, το ανθρώπινο σώμα δεν είναι προσαρμοσμένο να ανιχνεύει σχετικά υψηλές θερμοκρασίες με την αφή χωρίς να βλάπτει την υγεία. Στην καλύτερη περίπτωση, αυτό είναι γεμάτο με εγκαύματα.
Και ακόμα κι αν η ευαισθησία του ανθρώπου στη θερμοκρασία αποδειχθεί τόσο υψηλή όσο αυτή των ζώων που είναι ικανά να ανιχνεύσουν το θήραμα με τη θερμότητα στο απόλυτο σκοτάδι, αργά ή γρήγορα θα χρειαστεί ένα πιο ευαίσθητο όργανο που μπορεί να λειτουργήσει σε μεγαλύτερο εύρος θερμοκρασίας από τη φυσική φυσιολογία. επιτρέπει...
Εξάλλου, αναπτύχθηκε ένα τέτοιο εργαλείο. Στην αρχή αυτές ήταν μηχανικές συσκευές και αργότερα υπερευαίσθητες ηλεκτρονικές. Σήμερα, αυτές οι συσκευές φαίνεται να είναι τα συνήθη χαρακτηριστικά όταν πρέπει να εκτελεστεί θερμικός έλεγχος για την επίλυση οποιουδήποτε από τα μυριάδες τεχνικά προβλήματα.
Η ίδια η λέξη «υπέρυθρο», ή συντομογραφία «IR», υποδηλώνει τη θέση των κυμάτων καύσωνα «πίσω από το κόκκινο», ανάλογα με τη θέση τους στην κλίμακα του ευρύτερου φάσματος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Όσο για τη λέξη «θερμογραφία», περιλαμβάνει «θερμό» - θερμοκρασία και «γραφική» - εικόνα - εικόνα θερμοκρασίας.
Η προέλευση της υπέρυθρης θερμογραφίας
Τα θεμέλια αυτής της γραμμής έρευνας έθεσε ο Γερμανός αστρονόμος William Herschel, ο οποίος διεξήγαγε έρευνα με τα φάσματα του ηλιακού φωτός το 1800. Με τη μετάδοση του ηλιακού φωτός μέσω ενός πρίσματος, ο Herschel τοποθέτησε ένα ευαίσθητο θερμόμετρο υδραργύρου σε περιοχές διαφορετικών χρωμάτων στις οποίες πέφτει το ηλιακό φως στο πρίσμα, χωρίστηκε.
Κατά τη διάρκεια του πειράματος, όταν το θερμόμετρο μετακινήθηκε πέρα από την κόκκινη γραμμή, διαπίστωσε ότι υπήρχε επίσης κάποια αόρατη, αλλά με αισθητή θερμαντική επίδραση, ακτινοβολία.
Η ακτινοβολία που παρατήρησε ο Herschel στο πείραμά του ήταν σε εκείνη την περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που δεν γινόταν αντιληπτή από την ανθρώπινη όραση ως οποιοδήποτε χρώμα.Αυτή ήταν η περιοχή της «αόρατης θερμικής ακτινοβολίας», αν και ήταν σίγουρα στο φάσμα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, αλλά κάτω από το ορατό κόκκινο.
Αργότερα, ο Γερμανός φυσικός Thomas Seebeck θα ανακάλυψε τον θερμοηλεκτρισμό και το 1829 ο Ιταλός φυσικός Nobili θα δημιουργήσει ένα θερμόπυλο με βάση τα πρώτα γνωστά θερμοστοιχεία, η αρχή του οποίου θα βασιζόταν στο γεγονός ότι όταν η θερμοκρασία αλλάζει μεταξύ δύο διαφορετικών μετάλλων, αντίστοιχη διαφορά δυναμικού προκύπτει στα άκρα του κυκλώματος που αποτελείται από αυτά...
Η Meloni θα εφεύρει σύντομα το λεγόμενο Ένα θερμοστοιχείο (από θερμοπήλες εγκατεστημένες σε σειρά) και εστιάζοντας τα υπέρυθρα κύματα σε αυτό με συγκεκριμένο τρόπο, θα μπορεί να ανιχνεύσει μια πηγή θερμότητας σε απόσταση 9 μέτρων.
Thermopile — σειριακή σύνδεση θερμοστοιχείων για απόκτηση μεγαλύτερης ηλεκτρικής ισχύος ή ικανότητας ψύξης (όταν λειτουργεί σε θερμοηλεκτρική ή ψύξη, αντίστοιχα).
Ο Samuel Langley το 1880 ανακάλυψε μια αγελάδα στη ζέστη σε απόσταση 300 μέτρων. Αυτό θα γίνει χρησιμοποιώντας ένα βαλόμετρο, το οποίο μετρά την αλλαγή στην ηλεκτρική αντίσταση που είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την αλλαγή της θερμοκρασίας.
Ο διάδοχος του πατέρα του, John Herschel, το 1840 χρησιμοποίησε έναν εξατμιστήρα, με τον οποίο έλαβε την πρώτη υπέρυθρη εικόνα σε ανακλώμενο φως χάρη στον μηχανισμό εξάτμισης σε διαφορετικές ταχύτητες του λεπτότερου φιλμ λαδιού.
Σήμερα, ειδικές συσκευές χρησιμοποιούνται για την απομακρυσμένη λήψη θερμικών εικόνων — θερμικές συσκευές απεικόνισης, οι οποίες επιτρέπουν τη λήψη πληροφοριών σχετικά με την υπέρυθρη ακτινοβολία χωρίς επαφή με τον υπό διερεύνηση εξοπλισμό και την άμεση οπτικοποίηση. Οι πρώτες θερμικές συσκευές απεικόνισης βασίστηκαν σε φωτοανθεκτικούς αισθητήρες υπερύθρων.
Μέχρι το 1918, ο American Keys διεξήγαγε πειράματα με φωτοαντιστάσεις, όπου λάμβανε σήματα λόγω της άμεσης αλληλεπίδρασής τους με φωτόνια. Έτσι, δημιουργήθηκε ένας ευαίσθητος ανιχνευτής θερμικής ακτινοβολίας, λειτουργώντας με βάση την αρχή της φωτοαγωγιμότητας.
Η θερμογραφία υπερύθρων στον σύγχρονο κόσμο
Κατά τα χρόνια του πολέμου, οι ογκώδεις συσκευές θερμικής απεικόνισης εξυπηρετούσαν κυρίως στρατιωτικούς σκοπούς, επομένως η ανάπτυξη της τεχνολογίας θερμικής απεικόνισης επιταχύνθηκε μετά το 1940. Οι Γερμανοί διαπίστωσαν ότι ψύχοντας τον δέκτη φωτοαντίστασης, μπορείτε να βελτιώσετε τα χαρακτηριστικά του.
Μετά τη δεκαετία του 1960 εμφανίστηκαν οι πρώτοι φορητοί θερμοεικονογράφοι, με τη βοήθεια των οποίων πραγματοποιούν διαγνώσεις κτιρίων. Ήταν αξιόπιστα εργαλεία αλλά με κακής ποιότητας εικόνες. Στη δεκαετία του 1980, η θερμική απεικόνιση άρχισε να εισάγεται όχι μόνο στη βιομηχανία, αλλά και στην ιατρική. Οι θερμικές κάμερες βαθμονομήθηκαν για να δώσουν μια ραδιομετρική εικόνα—τις θερμοκρασίες όλων των σημείων της εικόνας.
Οι πρώτες θερμικές κάμερες με ψύξη αερίου εμφάνισαν την εικόνα σε μια ασπρόμαυρη οθόνη CRT με καθοδικό σωλήνα. Ακόμη και τότε ήταν δυνατή η εγγραφή από την οθόνη σε μαγνητική ταινία ή φωτογραφικό χαρτί. Τα φθηνότερα μοντέλα θερμικών καμερών βασίζονται σε σωλήνες vidicon, δεν απαιτούν ψύξη και είναι πιο συμπαγή, αν και η θερμική απεικόνιση δεν είναι ραδιομετρική.
Μέχρι τη δεκαετία του 1990, οι δέκτες υπερύθρων matrix έγιναν διαθέσιμοι για μη στρατιωτική χρήση, συμπεριλαμβανομένων συστοιχιών ορθογώνιων δεκτών υπέρυθρων (ευαίσθητα pixel) που ήταν εγκατεστημένοι στο εστιακό επίπεδο του φακού της συσκευής. Αυτή ήταν μια σημαντική βελτίωση σε σχέση με τους πρώτους δέκτες υπερύθρων σάρωσης.
Η ποιότητα των θερμικών εικόνων έχει βελτιωθεί και η χωρική ανάλυση έχει αυξηθεί. Οι μέσες σύγχρονες συσκευές θερμικής απεικόνισης μήτρας διαθέτουν δέκτες με ανάλυση έως και 640 * 480 — 307.200 δέκτες micro-IR. Οι επαγγελματικές συσκευές μπορούν να έχουν υψηλότερη ανάλυση — πάνω από 1000 * 1000.
Η τεχνολογία IR matrix εξελίχθηκε τη δεκαετία του 2000. Οι συσκευές θερμικής απεικόνισης εμφανίστηκαν με εύρος λειτουργίας μεγάλου μήκους κύματος — ανιχνεύοντας μήκη κύματος από 8 έως 15 μικρά και μεσαία μήκη κύματος — σχεδιασμένες για μήκη κύματος από 2,5 έως 6 μικρά. Τα καλύτερα μοντέλα θερμικής απεικόνισης είναι πλήρως ραδιομετρικά, έχουν λειτουργία επικάλυψης εικόνας και ευαισθησία 0,05 μοίρες ή μικρότερη. Τα τελευταία 10 χρόνια, η τιμή για αυτά έχει μειωθεί πάνω από 10 φορές και η ποιότητα έχει βελτιωθεί. Όλα τα σύγχρονα μοντέλα μπορούν να αλληλεπιδρούν με έναν υπολογιστή, να αναλύουν τα ίδια τα δεδομένα και να παρουσιάζουν βολικές αναφορές σε οποιαδήποτε κατάλληλη μορφή.
Θερμομονωτές
Ο θερμομονωτήρας περιλαμβάνει πολλά τυπικά μέρη: φακό, οθόνη, δέκτη υπερύθρων, ηλεκτρονικά, χειριστήρια μέτρησης, συσκευή αποθήκευσης. Η εμφάνιση των διαφόρων εξαρτημάτων μπορεί να διαφέρει ανάλογα με το μοντέλο. Το θερμικό σύστημα απεικόνισης λειτουργεί ως εξής. Η υπέρυθρη ακτινοβολία εστιάζεται από τα οπτικά στον δέκτη.
Ο δέκτης παράγει ένα σήμα με τη μορφή τάσης ή μεταβλητής αντίστασης. Αυτό το σήμα τροφοδοτείται στα ηλεκτρονικά, τα οποία σχηματίζουν μια εικόνα — ένα θερμόγραμμα — στην οθόνη.Διαφορετικά χρώματα στην οθόνη αντιστοιχούν σε διαφορετικά μέρη του υπέρυθρου φάσματος (κάθε απόχρωση αντιστοιχεί στη δική της θερμοκρασία), ανάλογα με τη φύση της κατανομής θερμότητας στην επιφάνεια του αντικειμένου που εξετάζεται από τη θερμική απεικόνιση.
Η οθόνη είναι συνήθως μικρή, έχει υψηλή φωτεινότητα και αντίθεση, γεγονός που σας επιτρέπει να βλέπετε το θερμόγραμμα σε διαφορετικές συνθήκες φωτισμού. Εκτός από την εικόνα, η οθόνη εμφανίζει συνήθως πρόσθετες πληροφορίες: επίπεδο φόρτισης μπαταρίας, ημερομηνία και ώρα, θερμοκρασία, κλίμακα χρώματος.
Ο δέκτης υπερύθρων είναι κατασκευασμένος από ημιαγωγό υλικό που παράγει ηλεκτρικό σήμα υπό την επίδραση των υπέρυθρων ακτίνων που πέφτουν πάνω του. Το σήμα επεξεργάζεται από ηλεκτρονικά που σχηματίζουν μια εικόνα στην οθόνη.
Για έλεγχο, υπάρχουν κουμπιά που σας επιτρέπουν να αλλάξετε το εύρος των μετρούμενων θερμοκρασιών, να προσαρμόσετε την παλέτα χρωμάτων, την ανακλαστικότητα και την εκπομπή φόντου, καθώς και να αποθηκεύσετε εικόνες και αναφορές.
Τα αρχεία ψηφιακών εικόνων και αναφορών αποθηκεύονται συνήθως σε μια κάρτα μνήμης. Ορισμένες συσκευές θερμικής απεικόνισης έχουν τη λειτουργία εγγραφής φωνής και ακόμη και βίντεο στο οπτικό φάσμα. Όλα τα ψηφιακά δεδομένα που αποθηκεύτηκαν κατά τη λειτουργία της κάμερας θερμικής απεικόνισης μπορούν να προβληθούν σε υπολογιστή και να αναλυθούν χρησιμοποιώντας το λογισμικό που παρέχεται με την κάμερα θερμικής απεικόνισης.
Δείτε επίσης:Μέτρηση θερμοκρασίας χωρίς επαφή κατά τη λειτουργία ηλεκτρικού εξοπλισμού