UA RU EN
Фізико-технічний інститут
Кафедра Прикладної фізики
Розділи

Лабораторія

Проекти

Конференції

Базові інститути

Наукові керівники

Наукові журнали

Теми робіт

Новини науки та технологій

Самоосвіта

Компьютер та прикладна фізика

Розвиток теплобачення в Україні

Протягом всієї історії розвитку людина прагнула до досконалості: літати як птах, занурюватися в безодні океану як риба і бачити в темряві як кішка.

Історія створення тепловізорів із чутливістю в інфрачервоній області спектра на основі піроелектричних матеріалів завдяки вивченню виникнення електричного поля в кристалах при зміні в них температури. Перша згадка про піроелектричні ефекті міститься в записках Теофрастуса, датованих 314 роком до н. е., який зауважив, що при нагріванні кристали турмаліну притягують до себе соломинки і частинки попелу. Вивчення цих властивостей турмаліну були подовжені в 1707 році Іоганном Георгом Шмідтом і далі Епінусом в 1756 році.

Проте у деяких авторів початок розвитку теплобачення вважається відкриттям у 1800 році Вільямом Гершелем теплового випромінювання за межами видимого випромінювання. Пропускаючи видиме випромінювання через диспергируючу призму, Гершель виявив за допомогою термометра невидиме випромінювання теплової дії. Але лише у 1881 році Вільямом Абнеєм вперше введено поняття "інфрачервоні промені" і знадобилося майже 50 років для того, щоб використовувати згадані інфрачервоні промені поза стінами наукових лабораторій.

Крім того, незважаючи на те, що явище фотоефекту було відомо ще в кінці 19 століття, інтенсивні роботи в області створення фотоелектричних оптичних приладів відносяться до 1920-1930 років.

Першим тепловізором вважають евапорограф (1920 р), що представляє собою тонкий аркуш паперу, змочений спиртом (маслом, камфорою), на одній стороні якого, покритого сажею, отримували теплове зображення об'єкта. За рахунок нерівномірності випаровування спирту формується видиме теплове зображення. Під час другої світової війни у Німеччині та США були створені поліпшені варіанти евапорографів, які відносили до класу несканіруючих тепловізорів, що мають температурне розділення ΔТ=1 оС і частоту кадрів f = 0,01 ... 0,1 Гц.

До класу нескануючих тепловізорів відносять і еджеографи, в основі роботи яких лежить зсув спектральної границі коефіцієнта поглинання в залежності від температури середовища. Якщо через плівку селену пропускати монохроматичне випромінювання, яке відповідає межі поглинання, інтенсивність пройденого світла буде залежати від температури плівки. Такі еджеографи мали такі характеристики: ΔТ = 10 оС, просторове розділення 2 мм-1 і частота кадрів f = 50 Гц.

Такі евапорографи і еджеографи не задовольняли користувачів за температурним і просторовим параметрами, а також швидкістю роботи, тому в 50-х роках ХХ століття з'явилися два шляхи розвитку теплобачення: використання інфрачервоних передавальних трубок (піроконів) в тепловізійних системах і дискретних чутливих елементів з оптико-механічним розгортанням.

Було розроблено чутливі елементи з мішенню із сульфіду свинцю та довгохвильовою кордоном в 2 мкм й прийнятною чутливістю в інфрачервоній області спектра. Проте використання таких мішеней вимагає низьку температурну роботи, та відповідно, - охолодження системи. Прилади нічного бачення (ПНБ) розвивалися поетапно з поступовим поліпшенням дальності виявлення і кращою якістю зображення, зниженням маси і габаритів, збільшенням часу роботи, підвищенням стійкості до світлових перешкод і цілим рядом інших удосконалень.

Подальший розвиток теплобачення тривало з появою багатолужних фотокатодів. При цьому зросла світлочутливість ЕОП і термін служби підсилювальної трубки виріс до 2000 годин, однак відсутність автоматичного захисту ЕОП від яскравих спалахів заважало їх використання під час бойових дій. Тому, починаючи з середини 60-х років з появою пластини вакуумної мікроелектроніки із понад 2 мільйонів паралельних і злегка нахилених мікроканалів досягнуто більш сильне посилення картинки і термін служби збільшено до 5000 год, а після свіченням усунуто спотворення зображення.

Наступним етапом розвитку теплобачення було застосування в ЕОП нового фотокатода S-20R і люмінесцентного екрану P-22, що призвело до збільшення якості приладів нічного бачення і стали порівнянні з американськими тепловізорами 3-ого покоління. Далі за рахунок спеціального фотокатодного покриття на основі арсеніду галію в тепловізорах досягнуто значне збільшення світлочутливості і терміну їх служби до 10000 годин в умовах низької освітленості. Багато розробок вчених КПІ дозволили збільшити час життя ЕОП до 15000 годин і поліпшити захист від яскравого світла, що перейнято навіть американськими дослідниками для збільшення чутливості ПНБ і досягнення більшої продуктивності.

Значно кращі результати отримані при використанні тригліцінсульфату (ТГС) для підвищення чутливості мішеней. Прилади з використанням таких мішеней назвали піровідіоконами або піроконами. Вони мають рівномірну спектральну чутливість в діапазоні від 2 до 16 мкм і не потребують охолодження.

Воронов С.О.Перші пірокони були започатковані в Київському політехнічному інституті в 60-х роках ХХ століття на кафедрі електронних та іонних приладів під керівництвом старшого наукового співробітника, к.т.н. Цикунової Т.В. З 1981 року колектив очолив доктор технічних наук, професор Воронов Сергій Олександрович, нині завідувач кафедри прикладної фізики Фізико-технічного інституту Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" (НТУУ КПІ).

Колектив наукових співробітників під його керівництвом створив спільно з вченими НДІ "Електрон" (Ленінград, нині С.-Петербург) прилади нічного бачення ІК діапазону з чутливістю 8-12 мкм. Біля витоків створення піроконів та теплові зорів на їх базі були такі вчені КПІ, як Матахнюк А.Х., Семенов Г.Ф., Цикунова Т.В., Рабишко В.О., Зашивайло Т.В., Балановська О.Ю. та інші. Ці прилади були багаторазово запатентовані авторським колективом.

Головним досягненням колективу вчених з КПІ є, починаючи з 1981 року, впровадження запатентованих перших промислових тепловізорів та доведення їх до серійного виробництва на Азовському оптико-механічному і заводі і електровакуумному заводі у м. Нальчик. Вже тоді пропонована професором Вороновим С.О. до впровадження технологія виробництва тепловізійних компонентів вигідно відрізняється від абсолютної більшості представлених на ринку технологій, параметри яки випереджали кращі зарубіжні аналоги на 7-8 років і лягли в основу процесу виробництва тепловізійних приладів широкого застосування, в т.ч. ПНБ для оборони.

Розглянемо, що може дати тепловізор Україні. Під час енергетичної кризи дозволяє контролювати й запобігати зайві викиди гарячих газів в атмосферу у великої кількості, а також заздалегідь виявляти тріщини і руйнацію футеровки димових труб з метою продовжувати термін їх експлуатації в теплоенергетиці. Так, на моніторі тепловізора у кольоровому вигляді зі шкалою можна миттєво бачити зміни температури по всій висоті труби і поза нею у газових викидах, що дозволяє оперативно виправити і зменшити помилкове занадто зайве використання палива, а також завчасно проводити необхідний по температурному режиму відбір викидів послідуючої рекуперації, та планувати локальні точки ремонту димової труби. Приклад наведено далі на рисунку.


Тепловізійна картина контролю газових викидів на промислових підприємствах для поліпшення роботи теплових станцій та економії палива.

По-друге, діагностувати градирні, колони хімічного синтезу для планового ремонту, прогарів, зварних швів, корозії в котлах, ховання кислот та їх контролю, що наведено на рисунках


Тепловізійні картини контролю та діагностики колон хімічного синтезу та градирні.

По-третє, багато можна запобігти аварій обладнання газоперекачувальних станцій, систем охолодження різного призначення, лопатей турбін, двигунів, електричних машин, вузлів деталей машин й тертя в машинобудуванні, а також в різних вузлах автомобілів, тепловозів та інших об'єктів залізничного, річкового, морського та авіаційного транспорту, виявлення дефектів у печатних платах тощо.

По-четверте, теплобачення дозволяє постійно відслідковувати й контролювати теплові утрати у житлових будинках, давати рекомендації щодо утілення і термоізоляції вікон, дверей, дефектних стін, виявлення вогнища, пожеж тощо.



Тепловізійне виявлення утрати теплової енергії в житлових багатоповерхових домах.

По-п'яте, тепловізори дозволяють знаходити засолені та не працюючі секції радіаторів і батарей опалення у кімнатах та будинках для виконання планової очистки та ремонту.


Тепловізійне виявлення засолення радіаторів та батарей опалення.

По-шосте, знаходити пориви теплотрас, викиди теплових та охолоджувальних речовин з під землі, у тому числі за допомогою авіації і безпілотних пристроїв.


Тепловізійне виявлення поривів теплотрас, трубопроводів та локальних теплових джерел.

По-сьоме, теплобачення дозволяє діагностувати електричне та електронне обладнання, та знаходити сульфітацію в акумуляторних батареях, виявляти надлишкові перегріви від перекосу фаз, або у запобіжників, обмоток електродвигунів, вузлів щіток, порушень контактних з'єднань тощо.



Тепловізійне виявлення дефектів фаз трансформаторів струму, порушень контактів ЛЕП.

По-восьме, теплобачення дозволяє у медицині діагностувати захворювання, у тому числі онкологічні, вирішувати проблеми кровообігу кінцівок тощо.


Тепловізійне виявлення різних захворювань у людей і тварин.

Сучасні тепловізори нового покоління засновані на болометричних матрицях, що винайшов американський вчений Самуель Пирпонт Ленглі, і вперше створив італійський фізик Меллона. До теперішнього часу вдосконалення технології виробництва ПНБ дозволило створювати матричні приймачі великої розмірності без використання оптико-механічного сканування в реальному режимі.

Використання матриці великої розмірності, зважаючи на особливості формування сигналу з тепловізора, вимагає застосування спеціальних алгоритмів і високопродуктивного спецпроцесора, що забезпечують високоточну обробку сигналів, при великому обсязі потоку інформації в реальному масштабі часу і застосуванні засобів цифрової обробки сигналів дозволили створити тепловізор з прийнятними масою, габаритами і енергоспоживанням.

Якщо комп'ютер став одкровенням від технологій XX століття, то в ХХ1 столітті - це стане тепловізор. Такий прилад дозволяє проводити всі типи пошукових робіт, системи неруйнівного контролю будівель, машин і механізмів, ранню діагностику захворювань, пошук корисних копалин, охоронні та протипожежні системи. Це далеко не повний перелік можливостей, які відкривають тепловізори для Людства в цілому.

Такі сучасні тепловізори нового покоління, що засновані на болометричних матрицях знайшли широке використання в ході антитерористичних операцій на сході України з роздільною здатністю 2500x2500 пікселів та чутливістю до 0,01 оК, що на порядок перевищує конкуруючі вироби.

Було б доцільно продовжувати наукові роботи у НТУУ КПІ, Інституті напівпровідників НАН України та інших українськими вченими, що в змозі значно підняти економіку держави з перспективним напрямками їх використання у таких галузях:

  • У медичній сфері - побудова динамічної та статичної температурної картини поверхні організму для ранньої диференційної діагностики захворювань; в цій області заступник з наукової роботи НТУУ "КПІ" Котовський В.Й. успішно захистив докторську дисертацію (науковий консультант - професор Воронов С.О.).
  • У сфері діагностики - стану трубопровідного транспорту, а також різного устаткування (від друкованих плат і інтегральних схем до тертя в підшипниках і деталях машин).
  • Більш раннє визначення можливих несправностей і попередження аварій у сфері пожежогасіння - радикальне підвищення ефективності раннього попередження пожеж (реєстрація їх на самих ранніх стадіях), прогнозування дефектів у приладах радіоелектроніки та авіаційно-космічній техніці.

У цьому зв'язку протягом вже декількох десятиліть прилади нічного бачення займають важливе місце в сучасній техніці, активно застосовуються і в цивільній техніці для розвідки і видобутку корисних копалин, рятувальних робіт, астрономічних досліджень, виробничого та екологічного контролю, нічний навігації та водіння автотранспортних засобів у спеціальних кліматичних і погодних умовах, нічної відеозйомки, роботи спецслужб, правоохоронних органів та митних служб, для нічного полювання та рибної ловлі, в системах охорони та пожежогасіння та ін.

Подальші дослідження професора Воронова С.О. ведуться в області розширення спектрального діапазону, у тому числі в області ультрафіолетового спектру, для вирішення питань щодо забезпечення високої якості зображення з рівномірним розподілом по всьому полю зору, достатньої яскравості зображення, правильного розподілу яскравості по області зображення, наявності автоматичного регулювання яскравості для захисту від сильних засвічень, достатньої дальності спостереження, міцності, захисту від бруду і вологи, універсальності живлення, зручності і простоти експлуатації приладу і прийнятної вартості.

Викладене свідчить про те, що учені НТУУ КПІ змогли би вирішити значні проблеми в економіці України, включаючи зменшення використання дефіцитного палива, електроенергії і багато інших питань у разі зацікавленості відповідних галузей і господарників.


Подготував: д.т.н., проф. Богорош О.Т. (21.12.14)


Переклад
Статус:виконан
Перевірка:виконана
Останнє оновлення
18.01.15
Версія 1 β