Физические основы термографии

Данная статья рассчитана на новичков в области тепловых методов неразрушающего контроля и, учитываю целевую аудиторию, мы постараемся подать материал на максимально качественном уровне, без громоздких и сложных формул и глубоких теоретических обоснований.

Для начала вспомним, что весь мир вокруг нас пронизан электромагнитными волнами, среди которых видимый свет занимает лишь небольшую часть общего спектра:

 Спектр электромагнитных волн

Рис.1 – Спектр электромагнитных волн

 

В этом спектре нас интересует диапазон инфракрасного излучения, называемый иначе тепловым излучением, так как ИК-излучение воспринимается человеком в виде тепла.

Обращаясь к школьному курсу физики, вспомним что все тела с температурой отличной от абсолютного нуля (-273°C) излучают тепло, мощность излучения которого, согласно закону Стефана- Больцмана, пропорциональна четвёртой степени температуры. Также вспомним и закон смещения Вина, согласно которому длина волны, соответствующая максимуму излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре поверхности тела. Оба этих закона относятся к абсолютно чёрным телам − физическим телам, полностью поглощающим падающее на них изучение, независимо от частоты, направления распространения и поляризации.

Окружающие нас реальные физические объекты не являются абсолютно черными телами, но вышеназванные законы применимы и для них, только с внесением некоторых поправочных коэффициентов.

В связи с тем, что в большинстве случаев промышленные машины эксплуатируются при температуре от -35°С до +60°С, а их дефекты проявляют себя местами локального нагрева до 100°С и выше, то нас будет интересовать ИК-излучение с длинами волн, соответствующими данному диапазону температур, а именно: коротковолновое инфракрасное излучение (1,5-5,5 мкм) и длинноволновое инфракрасное излучение (5,6- 25 мкм) (см. Таблицу 1).

Диапазоны инфракрасного излученияТаблица 1 – Диапазоны инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение от объектов, к сожалению, не воспринимается человеческим глазом, но может быть зарегистрировано с помощью тепловизоров – приборов, воспринимающих ИК-излучение от поверхности объекта и преобразующих его в видимое изображение − термограмму.

Этапы построения термограммыРис.2 – Этапы построения термограммы

Рассмотрим принцип действия современного тепловизора с болометрической матрицей (см. рис.2), расположенной в фокальной плоскости объектива. Тепловое излучение от поверхности объекта фокусируется оптикой тепловизора и попадает на фотоприемное устройство — микроболометрическую матрицу, состоящую из множества светочувствительных ячеек (пикселей).  Под действием излучения каждая ячейка матрицы вырабатывает собственный электрический сигнал, пропорциональный мощности поглощенного теплового излучения. Совокупность всех сгенерированных сигналов поступает в блок электронной обработки, где каждому значению сигнала присваивается свой оттенок цветовой палитры (или градация «серого» для чёрно-белого изображения). Далее обработанные сигналы поступают на дисплей тепловизора и формируют термограмму – видимое (цветное или черно-белое) изображение распределения теплового поля контролируемого объекта. Очевидно, что чем больше пикселей содержит матрица тепловизора, тем больше пространственное разрешение тепловизора или более детальнее термограмма.

Известно, что  работа любой промышленной машины или механизма  неизбежно сопровождается  непроизводительными энергетическими потерями, которые, в конечном итоге, превращаются в тепло и приводят к нагреву машины или механизма.  В случае исправной машины этот нагрев равномерный и находится в пределах допустимых норм. Если же в машине присутствует дефектные детали  или узлы, имеются проблемы со смазкой, нарушения сопряжения деталей и т.д., то при работе они всегда проявляют себя местами локального перегрева на поверхности корпуса машины. Таким образом, по характеру температурного поля поверхности объекта мы можем диагностировать наличие дефектов или несоответствий внутри объекта и обеспечивать их локализацию.

Вот теперь мы подошли вплотную к определению термина «термография» и можем его сформулировать, применительно к диагностике промышленного оборудования, как метод неразрушающего контроля, основанный на регистрации и измерении теплового (ИК-излучения) от поверхности контролируемого объекта с целью определения его текущего технического состояния и обнаружения дефектов с определением мест их локализации и степени развития.

В настоящее время термография считается одним из лучших инструментов контроля динамического оборудования за счет:

  • бесконтактного способа получения результатов;
  • получения полной и детальной картины температурного поля поверхности контролируемой машины;
  • малого времени отклика (мсек или мксек);
  • высокой температурной чувствительности (до 0,05°С).

Завершая краткий экскурс в физические основы термографии, необходимо напомнить, что помимо переноса тепла за счёт ИК- излучения, температура выбранной точки поверхности может изменяться со временем и за счёт теплопроводности – передачи тепла от более нагретых участков объекта к более холодным, и конвекции — переносом тепла потоком газа или жидкости, контактирующих с контролируемой поверхностью.

Рассматривая выше этапы построения термограммы, мы молчаливо предполагали,  что в объектив тепловизора попадает только действительное ИК-излучение от поверхности объекта.  На самом же деле, какая-то доля ИК-излучения поглощается атмосферой на пути ее распостранения, также в объектив тепловизора может попадать излучение, отраженное от каких-то сторонних поверхностей, или излучение от близко расположенных источников тепла.  Все эти факторы обязательно учитываются при выборе места и времени тепловизионной съемки, и более подробно будут рассмотрены в серии последующих статей.

Данную статью вы должны воспринимать лишь как введение в физические основы термографии, так как не все моменты рассмотрены, а рассмотренные – в конспективной форме и на качественном уровне. На самом же деле физические основы термографии требуют существенно более глубокого изучения либо самостоятельно, а лучше – под руководством опытных преподавателей на курсе «Общая термография» в Учебном центре MVR-Company. Спешите записаться на ближайший набор слушателей, чтобы получить фундаментальную теоретическую подготовку по методике проведения тепловизионных измерений и практические навыки работы с тепловизорами  серии RY-147.  По окончании курса вы получите именной сертификат, дающий право на самостоятельное проведение тепловизионного обследования динамического оборудования.