Сравнительный анализ тепловизионных камер для энергетического обследования

На сегодняшний день рынок предлагает весьма широкий спектр термографических камер, характеризующихся различной функциональной оснащённостью, чувствительностью, надёжностью и, что особенно важно, возможностью осуществлять метрологическую и техническую поддержку в авторизованных центрах.

Такими возможностями сейчас обладают лишь два крупных поставщика тепловизионного измерительного оборудования: Flir Systems и NEC Avio Infrared Technologies.

Следует отметить массированную атаку на растущий Российский потребительский рынок новых производителей. Это такие фирмы, как Fluke, Guide, Sat Infrared technologies, Testо. Модели этих производителей базируются на аморфно-силиконовых болометрических матрицах, которые отличаются меньшей стабильностью, как временной, так и геометрической, в пределах размера самой матрицы. Текущее временное значение температуры стабилизированного источника ЧТ (черного тела) в заданной точке в таких приборах может иметь дрейф до 1,5 - 2ºС в минуту при 25ºС. Такого же порядка погрешность может иметь по диагонали сама матрица. Преодолеть данный недостаток этого класса приёмников успешнее других удаётся в своих «флагманских» моделях FlirSystems за гораздо большие деньги. К сожалению для потребителя, в метрологических приборах по другому быть и не может. Так же эти производители не могут предоставить конкурентоспособное ведущим мировым «брэндам» программное обеспечение, удобно и наглядно позволяющие обрабатывать большие массивы измерительных данных. Такое программное обеспечение предоставляется потребителю только от FLIR - BuildIRSW, (оплачивается отдельно), либо InfReC Analyzer NS9500LT от NEC, входящее в стандартную комплектацию камер G серии. Отметим чрезвычайно удобный, гибкий в настройках интерфес управления камер G100/120, позволяющий уже на стадии работы оператора, контролировать температуры, излучающие способности выбранных точек (5), областей (5), температурные тренды в реальном времени, отображать изотермы, применять статистические и медианные фильтры, задавать предустановки для различных условий работы. Некоторые модели от Flir Systems тоже имеют наборы из перечисленных возможностей, но это уже, в большей мере, на стадии обработки в ПО.

Итак, какие требования на сегодняшний день нужно предъявлять к оборудованию для энергоаудита зданий и сооружений?

Прежде всего, это достаточное для диагностики на значительных расстояниях протяженных объектов:

1. пространственное разрешение камеры (эквивалентное размеру матрицы 320х240 элементов, QVGA),
2.  достаточная температурная чувствительность (лучше 0,1ºС), позволяющая правильно учитывать «энергоотдачу» сооружения при малых температурных разностях с окружающей средой;

и, что весьма важно для Российского климата, возможность адекватных измерений при значительных минусовых температурах среды. Характерной устойчивостью к работе в таких жестких условиях обладают лицензионные матрицы производства «Boeing» на основе оксида ванадия (VOх), которыми комплектуются тепловизоры NEС, их, так же,  характеризует неординарная метрологическая стабильность. Из приборов, заявленных на сегодняшний день на рынке, лишь эти модели декларируют диапазон измерений температур от – 40 ºС, к ним присоединяется серия Р6ХХ  от FLIR Systems, по цене в 1,5-2 раза большей.

Далее, следует учитывать:

1. Качество представления метрологической информации и возможность обработки этой информации как самим прибором, так и программным обеспечением.
2. Простоту и удобство средств управления камерой.
3. Цену. 

Приведём сравнительную таблицу характеристику камер, соответственно установленным выше критериям, согласно заявленным производителями характеристикам.

Характеристики	FlukeTi32	Testo 882	NEC G120EXD	FLIR
Диапазон измерений температур	от -20°С до +600°С	от -20°С до +350°С	-40…+1500°C	-20…+350°C, (опция до 1200ºС
Температурная чувствительность	0.05°C	0.06 °C	0.04 °C	0.04°C
Погрешность измерений	±2°С, но не менее ±2%	±2°С, но не менее ±2%	±2%	±2°С, но не менее ±2%**
Пространственное разрешение, FOV со стандартным объективом	0,63, 1,5  и 2.5 мрад	1,7 мрад	1,78 мрад	0,65 мрад
Размер получаемой термограммы	320х240 элементов	320х240 элементов	320х240 элементов	640х480 элементов
Совмещение теплового и видео изображения	Предусмотрена,  только со вставкой по центральной области	Предусмотрена	Предусмотрена, c возможностью изменять прозрачность термоизображения	Предусмотрена,
Коррекция излучательной способности в точках	Предусмотрена, от 0,10 до 1,00 (с шагом 0,01)	Предусмотрена, от 0,10 до 1,00 (с шагом 0,01)	Предусмотрена, от 0,10 до 1,00 (с шагом 0,01)	Предусмотрена, от 0,10 до 1,00 (с шагом 0,01)
Функция съёмки панорамных термограмм в отдельный термографический файл	Нет	Нет	Предусмотрена	Нет Предусмотрена,  в ПО  Image Builder (опция)
Функция анализа температуры в заданной области	Нет	Нет	Предусмотрена, 5 областей	3,5,10 областей***
Функция поиска температуры	По 2 фикс. точкам, max, min.	По 2 фикс. точкам, max, min.	Предусмотрена (по 5 областям max, min)	Предусмотрена (по 3,5,10 областям max, min)
Запись термовидеофильмов радиометрического формата	нет	Нет	Предусмотрена	Нет
Сигнализация критического значения температуры в заданной области	Нет	Нет	Предусмотрена, с виброзвонком и выводом на регистратор	?
Расчёт коэф-та излучения в заданной точке по реальной температуре	Нет	Нет	Предусмотрен	?
Список коэф. излучения материалов	Нет	Нет	Предусмотрен	Предусмотрен
Измерение в одном элементе матрицы	Нет	Нет	Предусмотрен	Нет
Статистический анализ	Нет	Нет	Предусмотрен	?
Программное обеспечение			InfReCAnalyzer S9500LT
Цена	13800 USD	13000 USD	20700 / 33000 USD	35000-53000 USD

Из приведённых в таблице данных видно, сколь велика разница в функциональных возможностях различных производителей, и, следовательно, незначительная экономия средств на покупке камер второго эшелона очень быстро компенсируется потерей времени и качества при проведении диагностики.

Приведём ниже экранные снимки профессиональной многофункциональной модели NEC G120, показывающие оснащённость интерфейса пользователя камеры, а так же возможности программы обработки термограмм.

Рисунок 1. Возможности анализа термограммы камерой NEC G100/120, анализ по 5 отдельно взятым областям	Рисунок 2. Возможности анализа термограммы FlukeTi3
Измерение температуры по точкам	Коррекция коэффициента излучения в точке
Показывается температура, коэффициент излучения и другие данные, необходимые при измерениях.	При вводе действительной температуры (значения, измеренного термометром) точки, можно рассчитать предыдущий коэффициент излучения. Кроме того, может быть рассчитан предыдущий коэффициент излучения путём ввода правильной температуры в точке.
Рисунок 3. Возможности визуального контроля многих параметров при термографировании камерой NEC G100/120.

Облаcть	Мин., °С	Макс., °С	Средн., °С	Е	Тс, °С	Площадь, м	Р1, Дж/с
1	2,3	26,8	9,0	0,80	6,40	21,6963	1266

Рисунок 4. Возможности анализа панорамной термограммы, выполненной камерой NEC G120, программой InfReCAnalyzer S9500. Расчёт тепловой отдачи выделенной области сооружения с привязкой к размеру объекта.

Рисунок 5. Возможности анализа термограммы, выполненной камерой NEC с помощью дополнительного программного обеспечения InfReC Analyzer NS9500STD, количественный анализ теплового излучения для расчёта тепловых потерь объекта.

Далее предлагается рассмотреть сравнительные характеристики оснащённости интерфейсов моделей двух ведущих производителей тепловизионных камер (таблица 2). Наличие или отсутствие определённых опций характеризует удобство, качество и оперативность выполнения термографических измерений и их анализа.

Таблица 2. Сравнение функций камеры G120/100 с камерами FLIR серии T

	NEC Avio		FLIR
	G100	G120	T340	T365	T390	T425
Количество пикселей термоизображения	76800 пикселей		76800 пикселей
Разрешение	0,08°C		0,08°C	0,05°C	0,08°C	0,05°C
Диапазон измерений	От -40 до 500°C Опционально до 1500°C		От -20 до 650°C Опционально до 1200°C		От -20 до 1200°C
Поле зрения (FOV)	32(В)x24(Ш)		25(В)x19(Ш)
Фокусное расстояние	От 10 см до бесконечности		От 40 см до бесконечности
Функция последующего расчета коэффициента излучения	Имеется		Отсутствует
Линия профиля	Имеется		Отсутствует
Режим раздельных экранов	Имеется		Отсутствует
Режим альфа-сопряжения	Имеется		Отсутствует
Запись интервалов	Имеется		Отсутствует			Имеется
Прямая запись на карту SD Card полных данных радиометрии	Отсутствует	Имеется	Отсутствует
Функция панорамной съёмки (синтез сканированных изображений)	Отсутствует	Имеется	Отсутствует
Цифровое подчёркивание контура	Отсутствует	Имеется	Отсутствует
Функция предупреждающего вибросигнала	Отсутствует	Имеется	Отсутствует

Концепция изделия Thermo GEAR G120/100

Включает восемь важнейших функций, необходимых для термографических измерений в полевых условиях:

1. Изображение высокого разрешения для облегчения поиска аномальных точек благодаря большому количеству информации
2. Высокое температурное разрешение для распознавания малых перепадов температур
3. Поворотный дисплей для обеспечения наиболее удобной точки съёмки
4. Интерфейс, дружественный к пользователю
5. Полезные вспомогательные функции для быстрого обнаружения аномальной точки
6. Различные режимы записи подходят к любому месту измерений
7. Обработка огромных массивов данных и ускоренное предоставление отчёта

В заключении, проанализируем некоторые метрологические особенности, так же влияющие на качество и точность выполняемых измерений. Дело в том, что, даже при наличии одинаковых заявленных параметров (количество пикселей, чувствительность, минимальный угол  регистрации), различными камерами выдаются отличающиеся результаты.  

Рисунок 6.  Сравнение качества изображения.

Камера G120/100 производит более резкие и яркие изображения по сравнению термограммами с камеры FLIR T425, которые   имеют более низкую контрастность, размытость картинки, объясняемые только качеством обработки информации в оптико-электронном тракте системы. Так же, различия в методах обработки цифровой информации в ОЭС могут в определённых условиях изменить даже разрешающую способность термографирования.

Действительно высокоточное измерительное средство должно обладать стабильностью и единообразием температурных измерений как по полю всей измерительной матрицы, так и во временных рамках, критичных для получения качественной оцени измерений. Обычно такие оценочные данные можно получить только в хорошо оснащённых  метрологических центрах на специальных стендах с использованием дорогостоящих эталонных излучателей ЧТ (черное тело). Как правило, фирмы – новички пытающиеся позиционировать свой товар как измерительное метрологическое средство, стараются эти данные не декларировать, а так же, и не предоставлять сертификаты государственных органов, подтверждающие, выполнение производителем этих соответствий.  Ниже приведены результаты одного из таких эксперементов, предоставленные компанией NEC Avio Infrared Technologies.

СЛЕВА = 97,1°C	В ЦЕНТРЕ = 97,0°C	СПРАВА = 97,0°C
СНИЗУ = 97,0°C
Рисунок 7. Оценка единообразия измерений по полю зрения с помощью источника излучения абсолютно черное тело, (АЧТ).

АЧТ: Стабильное проведение измерений при температуре около 100 °C. Произведено камерой G 100.
Единообразие измерений оценивается как хорошее, стабильность измерений АЧТ по времени в автокалибровочный цикл не хуже 0,3°C, максимум.

Температурное разрешение гарантировано лучше 0,1°C (измеренное значение, с учётом систематической погрешности самого АЧТ).

Гарантированное значение погрешности измерений 2°C или 2%, при данной температуре подтверждаются с большим запасом.