Cámara térmica

Cámara termográfica  ( calor + lat.  vīsio  "visión; visión") - un dispositivo para monitorear la distribución de temperatura de la superficie bajo estudio. La distribución de temperatura se muestra en la pantalla como una imagen en color, donde diferentes colores corresponden a diferentes temperaturas . El estudio de la imagen térmica se llama termografía .

Tecnología

Todos los cuerpos cuya temperatura supera la temperatura del cero absoluto emiten radiación térmica electromagnética de acuerdo con la ley de Planck . La densidad de potencia espectral de la radiación (función de Planck) tiene un máximo, cuya longitud de onda en la escala de longitud de onda depende de la temperatura. La posición del máximo en el espectro de emisión se desplaza con el aumento de la temperatura hacia longitudes de onda más cortas ( ley de desplazamiento de Wien ). Los cuerpos calentados a las temperaturas del mundo que nos rodea (-50..+50 grados Celsius ) tienen una radiación máxima en el rango infrarrojo medio ( longitud de onda 7..14 micrones). A efectos técnicos, también es interesante el rango de temperatura de hasta cientos de grados, emitiendo en el rango de 3.7 micrones. Las temperaturas de alrededor de mil grados y más no requieren cámaras termográficas para la observación, su brillo térmico es visible a simple vista.

Sensor

Históricamente, los primeros sensores de imágenes térmicas para imágenes fueron sensores de vacío de electrones . La variedad basada en vidicons con objetivo piroeléctrico ha recibido el mayor desarrollo. En estos dispositivos, el haz de electrones escaneaba la superficie del objetivo. La corriente del haz dependía del efecto fotoeléctrico interno del material objetivo bajo la acción de la radiación infrarroja. Tales dispositivos fueron llamados pirikon o pyrovidikon [1] . También había otros tipos de tubos de vacío de electrones de barrido sensibles al espectro térmico de la radiación infrarroja, como el thermicon y el filtercan. [una]

Los dispositivos de vacío de electrones fueron reemplazados por dispositivos de estado sólido. Los primeros sensores de estado sólido eran de un solo elemento, por lo que estaban equipados con un escáner óptico electromecánico para obtener una imagen bidimensional. Estas cámaras termográficas se denominan escaneo [1] . En ellos, un sistema de espejos en movimiento proyecta secuencialmente radiación desde cada punto del espacio observado hacia el sensor. El sensor puede ser un solo elemento, una línea de elementos de detección o una pequeña matriz. Para aumentar la sensibilidad y reducir la inercia, los sensores de las cámaras termográficas de barrido se enfrían a temperaturas criogénicas. Los mejores sensores enfriados son capaces de responder a fotones individuales y tienen tiempos de respuesta de menos de un microsegundo.

Las cámaras termográficas modernas, por regla general, se construyen sobre la base de sensores de temperatura de matriz especiales: bolómetros . Son una matriz de termistores de película delgada en miniatura. La radiación infrarroja, recogida y enfocada en la matriz por la lente de la cámara termográfica, calienta los elementos de la matriz de acuerdo con la distribución de temperatura del objeto observado. La resolución espacial de las matrices bolométricas disponibles comercialmente alcanza los 1280*720 puntos [2] . Los bolómetros comerciales generalmente se fabrican sin enfriar para reducir el costo y el tamaño del equipo.

La resolución de temperatura de las cámaras termográficas modernas alcanza las centésimas de grado Celsius.

Hay cámaras termográficas de observación y medición. Las cámaras termográficas observacionales muestran solo los gradientes de temperatura del objeto. Las cámaras termográficas de medición le permiten medir el valor de temperatura de un punto dado de un objeto con una precisión de hasta la emisividadmaterial del objeto. Las cámaras termográficas de medición requieren una calibración periódica, para lo cual a menudo están equipadas con un dispositivo de calibración de sensor incorporado, generalmente en forma de cortina, cuya temperatura se mide con precisión. El obturador se mueve periódicamente sobre la matriz, lo que permite calibrar la matriz según la temperatura del obturador. Este procedimiento tarda un tiempo del orden de un segundo, por lo que la imagen de la cámara termográfica deja de actualizarse, lo que puede ser crítico para algunas aplicaciones de observación, en particular, para el tiro con mira, por lo que las cámaras termográficas de observación no están equipadas con este mecanismo.

Óptica

Dado que el vidrio óptico común es opaco en el rango IR medio [3] , la óptica de las cámaras termográficas está hecha de materiales especiales. La mayoría de las veces es germanio [4] [5] [6] , pero es caro, por lo que a veces se usa vidrio de calcogenuro, seleniuro de zinc [7] , silicio , fluorita . Para fines de laboratorio, la óptica también se puede fabricar a partir de algunas sales, como la sal de mesa [8] , que también es transparente en el rango de longitud de onda requerido.

Medición de temperatura sin contacto

La cámara termográfica le permite juzgar indirectamente la temperatura de un objeto por su radiación electromagnética en un cierto rango del espectro infrarrojo. Sin embargo, las desviaciones de las propiedades ópticas de los materiales reales con respecto a las propiedades de un cuerpo absolutamente negro ideal dificultan la conversión inequívoca de la radiación registrada por una cámara termográfica en el valor exacto de la temperatura de un objeto real. [9]

La fórmula de Planck describe la dependencia de la radiación electromagnética emitida por el cuerpo de la temperatura del cuerpo en el caso ideal, es decir, en el caso de los llamados. cuerpo absolutamente negro . [9] Sin embargo, los cuerpos reales suelen diferir de un cuerpo completamente negro, ya que tienen propiedades individuales de reflexión ( dispersión ), transmisión (absorción) y emisión.ondas electromagnéticas. Las propiedades de reflexión (dispersión) y transmisión determinan la iluminación parásita del objeto de medición de los objetos calentados circundantes, lo que puede conducir a una sobreestimación de las lecturas del sensor de temperatura sin contacto. La propiedad de absorción de radiación determina el calentamiento del objeto por la radiación de los objetos calentados circundantes. La diferencia en las propiedades de emisión de radiación de materiales reales y un cuerpo negro lleva a una subestimación de las lecturas de temperatura.

Para demostrar algunos de los problemas de determinar la temperatura a partir de la radiación, se inventó un cubo de Leslie , en el que los lados están hechos de diferentes materiales. Las imágenes del cubo de Leslie a la derecha demuestran la diferencia en las propiedades de emisión y reflexión de las diferentes caras del cubo a la misma temperatura del cubo.

Para la caracterización numérica de las propiedades ópticas de los materiales que afectan el nivel de radiación de los mismos, se introducen el coeficiente de reflexión ( coeficiente de dispersión ), el coeficiente de transmisión (o coeficiente de absorción ) y el coeficiente de radiación de las ondas electromagnéticas. Estos coeficientes muestran la diferencia entre el material y el ideal ópticamente, en particular, la emisividad muestra cuánto es menor la radiación térmica propia del material que la radiación de un cuerpo completamente negro a la misma temperatura. A continuación se muestra una tabla de la emisividad de algunos materiales en la parte del rango infrarrojo que es relevante para las cámaras termográficas. [9]

Material emisividad
aluminio pulido 0.03
Aluminio anodizado 0,55
oro pulido 0.02
hierro pulido 0.21
hierro oxidado 0,64
Acero pulido 0.07
Acero oxidado 0.79
hollín negro 0,95
papel blanco 0.93
Madera 0.90
vidrio pulido 0,94
piel humana 0.98
Agua 0.92
Nieve 0.80

Todos estos coeficientes dependen de la longitud de onda, es decir, en el rango visible e infrarrojo, estos coeficientes pueden diferir.

Historial de creación

Las primeras cámaras termográficas se crearon en la década de 1930. siglo 20 Los modernos sistemas de imágenes térmicas comenzaron su desarrollo en los años 60 del siglo XX. Los primeros sensores de imágenes térmicas para imágenes fueron sensores de vacío de electrones. Piricones ( pyrovidicons ) han recibido el mayor desarrollo [1] . También había otros tipos de tubos de vacío de electrones de barrido sensibles al espectro térmico de la radiación infrarroja, como el thermicon y el filtercan [1] . Luego aparecieron las cámaras termográficas en sensores de estado sólido con escaneo óptico-mecánico del campo de visión formado por una lente y un receptor de radiación de un solo elemento. Dichos dispositivos eran extremadamente improductivos y permitían observar los cambios de temperatura que se producían en el objeto a un ritmo muy bajo.

Con el desarrollo de la tecnología de semiconductores y la llegada de las celdas de fotodiodo CCD , que permiten almacenar la señal de luz recibida, fue posible crear cámaras termográficas modernas basadas en una matriz de sensores CCD . Este principio de imagen ha hecho posible la creación de dispositivos portátiles con una alta velocidad de procesamiento de la información, que permiten monitorear los cambios de temperatura en tiempo real.

La dirección más prometedora en el desarrollo de cámaras termográficas modernas es la aplicación de la tecnología de bolómetros no refrigerados [10] , basada en la determinación ultraprecisa del cambio en la resistencia de placas delgadas bajo la acción de la radiación térmica de todo el espectro. rango. Esta tecnología se usa activamente en todo el mundo para crear una nueva generación de cámaras termográficas que cumplen con los más altos requisitos de movilidad y seguridad de uso. .

En la URSS y Rusia

Las primeras cámaras termográficas civiles se desarrollaron en la URSS para uso médico en la central nuclear de Istok en la década de 1970. Desde finales de la década de 1970, ha comenzado la producción en masa de una cámara termográfica de barrido basada en un sensor de estado sólido refrigerado TV-03 [11] . En el momento del colapso de la URSS , se estaba produciendo una amplia gama de cámaras termográficas para fines civiles e industriales [1] .

Las cámaras termográficas para fines militares se han desarrollado desde la década de 1970, inicialmente en forma de estaciones de radar óptico de aviación (OLS) [12] [13] . A fines de la década de 1980, también se instalaron en los tanques las primeras miras de imágenes térmicas Agava-2 en serie [14] .

El colapso de la industria postsoviética en la década de 1990 y el desarrollo de matrices bolométricas no enfriadas eficientes en Occidente hicieron que Rusia se quedara muy rezagada en esta área. Los sensores y sistemas de imágenes térmicas para fines civiles y militares se compraron en el extranjero. Sin embargo, comenzaron a aparecer informes sobre la superación de la brecha tecnológica y la ampliación de la producción de sensores nacionales [15] [16] [17] .

Alcance

Control de fugas de energía

Las cámaras termográficas se utilizan ampliamente tanto en grandes empresas industriales, donde es necesario un control cuidadoso del estado térmico de los objetos, como en pequeñas organizaciones involucradas en la resolución de problemas de redes para diversos fines.

Las cámaras termográficas se utilizan especialmente en la construcción cuando se evalúan las propiedades de aislamiento térmico de las estructuras. Entonces, por ejemplo, usando una cámara termográfica, puede determinar las áreas de mayor pérdida de calor en la casa.

Dispositivo de visión nocturna

Las cámaras termográficas son utilizadas por las fuerzas armadas como dispositivos de visión nocturna para detectar objetivos que contrastan con el calor (mano de obra y equipos) en cualquier momento del día, a pesar de los medios habituales de enmascaramiento óptico en el rango visible ( camuflaje ) utilizados por el enemigo. La cámara termográfica se ha convertido en un elemento importante de los sistemas de observación para la aviación del ejército de ataque y los vehículos blindados. También se utilizan miras de imágenes térmicas para armas pequeñas, aunque debido al alto precio aún no han recibido una amplia distribución.

Bomberos y servicios de rescate

Los servicios de bomberos y rescate utilizan cámaras termográficas para buscar víctimas, identificar focos de incendios, analizar la situación y buscar rutas de evacuación.

Medicina

La piel humana tiene una alta emisividad (~0,98), cercana a la emisividad de un cuerpo completamente negro, lo que hace que sea informativo observar la temperatura de la piel humana con una cámara termográfica. [9] La baja reflectancia de la piel en el rango de infrarrojos térmicos minimiza el efecto de los objetos ambientales calientes. La cámara termográfica le permite registrar tanto la distribución de temperatura estática como la dinámica de la distribución de temperatura de la piel. La distribución superficial de la temperatura de la piel está determinada por el estado de los vasos subcutáneos, los músculos, los órganos internos y la grasa. La fisiología de la termorregulación puede depender tanto de las condiciones ambientales como del estrés físico o emocional, así como de la acción de los fármacos.

El desarrollo de cámaras termográficas para medicina se inició en la URSS en la central nuclear "Istok" ( Fryazino , región de Moscú ) en 1968 . En la década de 1980, se desarrollaron métodos para usar cámaras termográficas para diagnosticar diversas enfermedades. La cámara termográfica TV-03 producida en esos años por la industria nacional fue ampliamente utilizada en varias instituciones médicas. TV-03 fue la primera cámara termográfica que se utilizó en neurocirugía [11] . En la medicina moderna, una cámara termográfica se usa para detectar patologías que son difíciles de diagnosticar por otros métodos, incluida la detección de tumores malignos.

Identificación de pacientes con SARS

Con el fin de prevenir epidemias , desde 2008 se utilizan cámaras termográficas para aislar de la multitud a personas con altas temperaturas , que se acompañan de enfermedades respiratorias agudas . [18] [19] La pandemia de COVID-19 que se ha extendido por todo el mundo en 2020 ha aumentado la demanda de cámaras termográficas para medir la temperatura corporal sin contacto en lugares públicos y concurridos. En el mismo año, Roskomnadzor señaló los matices del uso de cámaras termográficas para medir la temperatura de los empleados y visitantes de las organizaciones [20] . Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la cámara termográfica mide la temperatura de la piel abierta y, por lo tanto, sus lecturas pueden depender no solo de la temperatura corporal, sino también de otros factores, en particular, las condiciones climáticas.

En la práctica médica tradicional, las mediciones de la temperatura del cuerpo humano se realizan con termómetros de contacto en cuatro áreas: en la axila (normalmente 36,6...36,8°C), debajo de la lengua (normalmente 36,7...36,8°C), en el recto (normalmente 37°C), en el conducto auditivo externo. [9] Si se requiere la medición remota de la temperatura, estas áreas son inaccesibles, la mayoría de las veces solo está disponible el área de la cara. La pandemia de COVID-19 ha obligado a buscar formas rápidas y sin contacto de medir la temperatura, y las cámaras termográficas que miden la temperatura en el canal auditivo externo con una punta desechable reemplazable se han generalizado [21] .

Ingeniería metalúrgica y mecánica

A la hora de controlar la temperatura de procesos complejos caracterizados por un calentamiento desigual, la no estacionariedad y la heterogeneidad de la emisividad térmica, las cámaras termográficas son más eficaces que los pirómetros, ya que el análisis del termograma o campo de temperatura resultante lo lleva a cabo un potente sistema visual humano.

Para mejorar la confiabilidad de medir la temperatura de los metales calentados, es necesario seleccionar correctamente el rango espectral de registro de la radiación térmica [22] . El coeficiente de radiación térmica ε de los metales calentados por encima de los 400 °C cambia mucho debido a la oxidación de su superficie con el oxígeno atmosférico [23] . Por tanto, para registrar su radiación térmica, es necesario elegir una parte del espectro en la que la influencia de la incertidumbre ε sobre las lecturas de temperatura obtenidas sea mínima [22] .

En la tecnología de imágenes térmicas, se utilizan diferentes partes del espectro. Al medir temperaturas bajas, la radiación térmica se registra en la región espectral de 8 a 14 μm y, a veces, en la región de 3 a 5 μm [24] . Para medir temperaturas superiores a 700 °C, se utilizan cámaras termográficas de alta temperatura, utilizando matrices basadas en Si [25] o InGaAs, que son sensibles en la región del espectro infrarrojo cercano, donde la emisividad térmica de los metales ε es mucho mayor que en la región de 8 a 14 μm [22 ] [23] . Si es necesario medir la temperatura real, se utilizan cámaras termográficas que registran la radiación térmica en tres partes del espectro.

Otros usos

  • Telescopios infrarrojos astronómicos.
  • Sistema de conducción nocturna para facilitar el control de la situación de la carretera por parte del conductor.
  • Control de circuitos eléctricos por sobrecalentamiento de conductores y mal contacto.
  • Control veterinario.

Teléfonos inteligentes

En 2014, FLIR Systems lanzó una carcasa para teléfonos inteligentes Apple , en la que se monta una cámara termográfica [26] . En el mismo año, Seek Thermal lanzó una cámara termográfica independiente para dispositivos iOS y Android [27] . En febrero de 2016, se anunció el primer teléfono inteligente Caterpillar S60 con una cámara termográfica integrada desarrollada por FLIR [28] .

Curiosidades

En enero de 2020, un ciudadano de Uzbekistán , mientras cruzaba ilegalmente la frontera entre Bielorrusia y Lituania , usó una gorra de aluminio para engañar a las cámaras termográficas de los guardias fronterizos. Se informó que tales casos se registraron repetidamente [29] .

Imágenes

  • Accesorio de imágenes térmicas para visores diurnos

  • Dispositivo de monitoreo universal para seguridad

  • Dispositivo de imagen térmica y televisión de dos canales para uso las 24 horas

  • Sistema de designación de objetivos y vigilancia polivalente multiespectral

  • Imágenes térmicas monoculares

  • Dispositivo de imagen térmica para vigilancia las 24 horas

Véase también

Notas

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 Kriksunov L. Z., Padalko G. A. Cámaras termográficas: un libro de referencia. - K., 1987.
  2. ↑ DARPA desarrollando cámaras LWIR personales . Consultado el 24 de noviembre de 2015. Archivado desde el original el 24 de septiembre de 2015.
  3. ↑ Gafas que absorben la parte infrarroja del espectro . Consultado el 15 de marzo de 2017. Archivado desde el original el 16 de marzo de 2017.
  4. ↑ Germanio (enlace inaccesible) . Consultado el 24 de noviembre de 2015. Archivado desde el original el 5 de marzo de 2016. 
  5. ↑ Ventanas de Germanio . Consultado el 24 de noviembre de 2015. Archivado desde el original el 25 de noviembre de 2015.
  6. ↑ Lentes plano-convexas de germanio . Consultado el 24 de noviembre de 2015. Archivado desde el original el 25 de noviembre de 2015.
  7. ↑ Seleniuro de zinc . Consultado el 24 de noviembre de 2015. Archivado desde el original el 25 de noviembre de 2015.
  8. ↑ CRYSTALTECHNO Ltd. Consultado el 24 de noviembre de 2015. Archivado desde el original el 20 de noviembre de 2015.
  9. ↑ 1 2 3 4 5 DIAGNÓSTICO BIOMÉDICO DE VISIÓN TÉRMICA . Consultado el 28 de diciembre de 2020. Archivado desde el original el 29 de agosto de 2021.
  10. ↑ Rogalski A. Detectores infrarrojos. Singapur: Gordon and Breach Science Publishers, 2000. 681 págs.
  11. ↑ 1 2 Devyatkov N. D. El uso de la electrónica en medicina y biología . Archivado el 15 de julio de 2019 en Wayback Machine . Equipo electronico. Ser. tecnología de microondas . 1993. Nº 1 (455). págs. 67-76.
  12. ↑ Su-27 . Fecha de acceso: 31 de marzo de 2016. Archivado desde el original el 22 de julio de 2010.
  13. ↑ Historia de la aviación. MiG al rojo vivo contra el cielo . Consultado el 31 de marzo de 2016. Archivado desde el original el 12 de abril de 2016.
  14. ↑ Cámaras termográficas . Consultado el 31 de marzo de 2016. Archivado desde el original el 12 de abril de 2016.
  15. ↑ Rusia finalmente tendrá sus propias cámaras termográficas . Consultado el 5 de mayo de 2020. Archivado desde el original el 17 de abril de 2016.
  16. ↑ NPO ORION . Consultado el 31 de marzo de 2016. Archivado desde el original el 14 de abril de 2016.
  17. ↑ Cámaras termográficas de tanques de Shvabe . Consultado el 5 de mayo de 2020. Archivado desde el original el 5 de agosto de 2019.
  18. ↑ Komsomólskaya Pravda. La gripe porcina no nos llegará por el aire: se ha instalado una cámara termográfica en el aeropuerto de Nizhny Novgorod. . kp.ru (13 de agosto de 2009). Fecha de acceso: 25 de febrero de 2010. Archivado desde el original el 12 de abril de 2012.
  19. ↑ SpecLab. Vacuna electrónica contra la influenza. (enlace no disponible) . operlenta.ru (14 de enero de 2010). Consultado el 25 de febrero de 2010. Archivado desde el original el 17 de abril de 2012. 
  20. ↑ Información del Servicio Federal de Supervisión de Comunicaciones, Tecnología de la Información y Medios de Comunicación del 10 de marzo de 2020 "Roskomnadzor explica las características del uso de cámaras termográficas por parte de los empleadores - operadores de datos personales - para prevenir la propagación del coronavirus" . Consultado el 26 de diciembre de 2020. Archivado desde el original el 13 de mayo de 2021.
  21. ↑ ¿Qué precisión tienen los termómetros de oído?
  22. ↑ 1 2 3 Fuente (enlace no disponible) . Consultado el 19 de agosto de 2015. Archivado desde el original el 13 de diciembre de 2016. 
  23. ↑ 1 2 Burakovsky T., Gizinsky E., Salya A. Emisores infrarrojos: Per. del polaco - L .: Energía, 1978.
  24. ↑ V. V. Korotaev, G. S. et al . Fundamentos de la termografía - San Petersburgo: NRU ITMO, 2012. - 122 p.
  25. ↑ Una cámara termográfica única de ultra alta resolución / Mikron Infrared Inc. División de Imágenes Térmicas.
  26. ↑ FLIR Uno . Consultado el 18 de febrero de 2016. Archivado desde el original el 25 de febrero de 2016.
  27. ↑ Buscar termal . Fecha de acceso: 18 de febrero de 2016. Archivado desde el original el 11 de marzo de 2016.
  28. ↑ Noticias de tecnología - Gazeta.Ru . Fecha de acceso: 18 de febrero de 2016. Archivado desde el original el 6 de febrero de 2016.
  29. ↑ El "gorro de invisibilidad" de aluminio no ayudó a un residente de Uzbekistán a cruzar ilegalmente la frontera. Fue detenido por guardias fronterizos lituanos . Consultado el 30 de noviembre de 2021. Archivado desde el original el 30 de noviembre de 2021.

Literatura

  • Lloyd J. Sistemas de imágenes térmicas./Trans. De inglés. edición A. I. Goryacheva. — M.: Mir, 1978, pág. 416.
  • Kriksunov L. Z. Manual sobre los conceptos básicos de la tecnología infrarroja, Editor: Radio soviética, año: 1978, páginas: 400.
  • Gossorg J. Termografía infrarroja. Lo esencial. Técnica. Solicitud. M.: Mir, 1988.
  • V. A. Drozdov, V. I. Sukharev. Termografía en la construcción - M .: Stroyizdat , 1987. - 237 p.
  • Termografía infrarroja en ingeniería energética. T 1. Fundamentos de la termografía infrarroja / Ed. R. K. Newport, A. I. Tadzhibaeva, autores: A. V. Afonin, R. K. Newport, V. S. Polyakov, etc. - San Petersburgo: Izd. PEIPC, 2000. - 240 págs.
  • Ogirko I. V. Distribución racional de la temperatura sobre la superficie de un cuerpo termosensible... p. 332 // Engineering Physics Journal Volumen 47, Número 2 (agosto de 1984)

Enlaces

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