Физические основы тепловидения кратко

Обновлено: 02.07.2024

В конце прошлого столетия вначале Американское (ASNT) и Немецкое общества неразрушающего контроля (DGZfP) а затем ряд других национальных обществ, начали сертификацию операторов — термографистов по I-му, II-му и III-му уровням. Это обозначило поворот в отношении мирового сообщества к тепловому контролю (ТК). В России сертификация специалистов по этому методу производилась еще раньше, но носила фрагментарный характер. В настоящее время, следуя общемировой тенденции, интерес к ТК в России также растет, в том числе, в части разработки нормативно-технической документации и сертификации специалистов. Инициативу в этой области принял Ростехнадзор, чему способствовали такие объективные преимущества ТК, как дистанционность, универсальный характер применения, способность анализировать феномены, связанные с производством, передачей и преобразованием энергии. Инфракрасная (ИК) аппаратура многих мировых производителей имеет российский сертификат качества и может быть использована в качестве средства измерения температуры и диагностики промышленных объектов, в том числе относящихся к категории опасных. Расширяющемуся применению ТК в России объективно способствуют недавно принятые федеральные законы о промышленной безопасности опасных производственных объектов (1997) и о техническом регулировании (2002).

Дискуссия о том, следует ли уступить вторжению иностранных технологий на российский рынок или необходимо отстаивать отечественные разработки, имеет давнюю историю. Очевидно, что в ряде отраслей, где российский научно-технический приоритет не вызывает сомнений, таких как космонавтика, авиастроение, ядерная энергетика и т.п., а также в стратегически важной области разработки военной техники, необходимо финансировать отечественную науку и осуществлять протекционистские меры в отношении готовых научно-технических разработок. Вместе с тем имеются области, где отечественные технологии отстали весьма существенно, и решающее слово уже сказано потребителями, например, производство персональных компьютеров, автомобилей и т.д. Другим примером является ИК техника гражданского назначения, где необходимы не только высокие параметры единичных образцов, но и массовый выпуск приборов со специфическими потребительскими параметрами, такими как малая масса и габариты, согласование с компьютерной и видеотехникой, наличие разнообразных аксессуаров, эргономичность, современный дизайн и т.п. Авторы настоящей брошюры имели возможность отслеживать и частично участвовать в разработке отечественных тепловизоров с 1975 г. Наш опыт дает основание констатировать, что разрыв между коммерческой зарубежной и отечественной ИК техникой в последние годы не сократился и составляет в лучшем случае не менее 10-15 лет. В течение некоторого периода (80-е годы прошлого века), когда отечественные тепловизоры были на порядок дешевле зарубежных, многие потребители мирились с их низким качеством. Авторы не ставят своей целью критиковать отечественный научно- технический уровень в области ИК термографии, в особенности, в военной сфере, где их опыт минимален. Цель брошюры — дать сжатое описание современной тепловизионной техники и ее применений, причем акцент сделан на описание тепловизоров фирмы FLIR Systems (CША), с которой связана профессиональная деятельность авторов.

Несмотря на то, что в последние годы в России вышел ряд книг и брошюр по тепловому неразрушающему контролю (НРК) и ИК тепловидению 1, целесообразность переиздания настоящей брошюры обусловлена тем, что ситуация на рынке коммерческих тепловизоров изменяется так быстро, что даже веб-сайты производителей не успевают размещать обновленную информацию о характеристиках и ценах на тепловизоры, не говоря о печатных изданиях. Авторы сознают, что предлагаемая брошюра не может сравниться по оперативности с Интернетом, однако ее объем позволяет обобщить характеристики и тенденции развития и применения тепловизионной техники без излишних упрощений, свойственных рекламной информации. В то же время достаточно сложные технические вопросы изложены в данной брошюре в расчете на рядовых пользователей, что позволяет использовать ее при сдаче экзаменов на I-й, II-й и III-й уровень по тепловому методу в российских сертификационных центрах.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОВИДЕНИЯ

Закон теплового излучения Планка описывает спектральное распределение энергетической светимости тела r (Л , T ) [Вт/(м 2 мкм)], имеющего температуру выше абсолютного нуля -273,16 о С. Первоначально этот закон был получен для так называемого абсолютно черного тела (АЧТ), которое в теории теплового излучения обозначает объект, не отражающий излучение других тел и испускающий максимум возможного теплового излучения при данной температуре. Реальные тела всегда испускают энергию меньше, чем АЧТ, и частично отражают внешние излучения. Такие тела характеризуют спектральным коэффициентом излучения (спектральной степенью черноты) ? (Л , T ) , который показывает, во сколько раз данное тело испускает энергии меньше, чем АЧТ при той же температуре.

В этом случае закон Планка имеет вид:

где C j = 3,74-10 4 Вт/см 2 -мкм 4 ; C _{2 = 1,44-10 4 мкм-К; Л -длина волны в мкм; T -абсолютная температура в К. Очевидно, что для АЧТ ? (Л , T ) =1. График функции Планка r (Л , T ) для АЧТ с различными температурами показан на Рис.1 а (следует обратить внимание на резкий рост интенсивности теплового излучения с увеличением температуры, вследствие чего кривые на Рис. 1а приведены в логарифмических координатах).}

В случае АЧТ ( ? (Л , T ) =1), а также при коэффициенте излучения, не зависящем от длины волны (?(Л, T )=const.), для любой температуры объекта Т функция r (Л , T ) имеет максимум на длине волны Л_т , который определяется по формуле Вина:

Например, тело с температурой 30 о С (около 300 К) излучает максимальную энергию на длине волны, близкой к 10 мкм (Рис. 1б).

где n зависит от длины волны, а K (Л) — коэффициент, который зависит только от длины волны. В Табл. 1.1 приведены значения n для некоторых длин волн, определяемых относительно Л_т .

Тепловое излучение человека составляет существенную долю его тепловых потерь. Излучательные потери человека равны разности испущенного потока и поглощенного потока излучения окружающей среды. Мощность излучательных потерь рассчитывается по формуле

где S - площадь поверхности; δ- приведенный коэффициент поглощения кожи (одежды), рассматриваемой как серое тело; Т₁ - температура поверхности тела (одежды); Т₀ - температура окружающей среды.

Рассмотрим следующий пример.

Рассчитаем мощность излучательных потерь раздетого человека при температуре окружающей среды 18°С (291 К). Примем: площадь поверхности тела S = 1,5 м 2 ; температура кожи Т₁ = 306 К (33°С). Приведенный коэффициент поглощения кожи найдем по табл. 26.1 (δ= 5,1*10 -8 Вт/м 2 К 4 ). Подставив эти значения в формулу (26.11), получим

Р = 1,5*5,1*10 -8 *(306 4 - 291 4 ) ≈122 Вт.

Рис. 26.6.Прозрачность земной атмосферы (в процентах) для различных участков спектра при большой высоте стояния Солнца.

Тепловое излучение человека может быть использовано как диагностический параметр.

Термография - диагностический метод, основанный на измерении и регистрации теплового излучения поверхности тела человека или его отдельных участков.

Более совершенный способ состоит в использовании тепловизоров, преобразующих инфракрасное излучение в видимый свет. Излучение тела с помощью специального объектива проецируется на матрицу тепловизора. После преобразования на экране формируется детальный тепловой портрет. Участки с различными температурами отличаются цветом или интенсивностью. Современные методы позволяют фиксировать различие в температурах до 0,2 градуса.

Тепловые портреты используются в функциональной диагностике. Различные патологии внутренних органов могут образовывать на поверхности кожные зоны с измененной температурой. Обнаружение таких зон указывает на наличие патологии. Термографический метод облегчает дифференциальный диагноз между доброкачественными и злокачественными опухолями. Этот метод является объективным средством контроля за эффективностью терапевтических методов лечения. Так, при термографическом обследовании больных псориазом было установлено, что при наличии выраженной инфильтрации и гиперемии в бляшках отмечается повышение температуры. Снижение температуры до уровня окружающих участков в большинстве случаев свидетельствует о регрессии процесса на коже.

Повышенная температура часто является показателем инфекции. Чтобы определить температуру человека, достаточно взглянуть через инфракрасное устройство на его лицо и шею. Для здоровых людей отношение температуры лба к температуре в области сонной артерии лежит в диапазоне от 0,98 до 1,03. Это отношение и можно использовать при экспресс-диагностике во время эпидемий для проведения карантинных мероприятий.

Рассмотрим следующий пример.

Р = 1,5*5,1*10 -8 *(306 4 - 291 4 ) ≈122 Вт.

Тепловое излучение человека может быть использовано как диагностический параметр.

ИК излучение – один из частных видов электромагнитных волн. В 1832 году Фарадей высказал предположение о существовании электромагнитных волн. В 1865 году Максвелл теоретически доказал, что электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью света, из чего ученый сделал вывод, что и свет представляет собой, по существу, электромагнитные волны. Герц в 1888 году в опытах подтвердил правильность теории Максвелла. Эти открытия позволили доказать, что радиоволны, видимый спектр света, рентгеновские лучи и гамма лучи – это проявление электромагнитных колебаний с различной длиной волны, причем на этой шкале электромагнитных волн между двумя соседними диапазонами нет резкой границы.

Человек как биологическое тело, имеющее температуру в интервале от 31 до 42°С, является источником преимущественно ИК излучения. Основная часть собственного излучения кожи человека приходится на диапазон волн с длиной от 4 до 50 мкм. Максимальная спектральная плотность лежит в диапазоне около 10 мкм, то есть в длинноволновой области ИК излучения. Точнее можно распределить инфракрасное излучение кожи человека следующим образом: на излучение с длиной волны до 5 мкм приходится до 1% всего излучения, с длиной волны от 5 до 9 мкм – 20% , от 9 до 16 мкм – 30% и на более длинноволновое излучение – 41%.

Любое нагретое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля (273 о К), в том числе организм человека, излучает электромагнитные волны в широком спектре частот. Физическая сущность теплового радиоизлучения заключается в наличии заряженных частиц (электроны, ионы), которые находятся в хаотическом движении и обладают свойствами электрической или магнитной полярности. Электромагнитные волны распространяются по всему объему тела, достигают поверхности и, пройдя через кожу, частично излучаются в окружающую среду. Интенсивность этих процессов пропорциональна температуре тела и его излучательной способности. Поскольку движение частиц хаотическое, они создают радиоволны различной длины.

Интенсивность теплового излучения тела человека в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне на несколько порядков меньше, чем в ИК части спектра. В частности, на длине волны 17 см она меньше в 10 раз, поэтому для регистрации тепловых сигналов в этом диапазоне требуется аппаратура с более высокой чувствительностью. Преимуществом данного диапазона измерений является то, что глубина проникновения излучения гораздо больше, и можно получать данные о температурных параметрах от внутренних органов и структур тела человека, однако значительно уменьшается пространственная разрешающая способность, вследствие чего нельзя получить тепловой портрет исследуемой области.

Медицинское тепловидение – это метод дистантной визуализации ИК излучения тканей, осуществляемый с помощью специальных оптико-электронных приборов – тепловизоров.

Существующие в настоящее время способы регистрации ИК излучения кожи человека можно разделить на две группы – контактные и дистанционные. Классическим представителем контактного метода регистрации ИК излучения является контактная пластинчатая термография жидкими кристаллами. В основе метода лежит способность холестерических кристаллов изменять цвет в зависимости от интенсивности и волнового диапазона инфракрасного излучения поверхностей, на которую они нанесены.

Основным элементом всех дистанционных методов регистрации ИК лучей является чувствительный приемник ИК излучения. Существующие в настоящее время приемники дистанционной регистрации ИК лучей подразделяются на избирательные и неизбирательные.

К неизбирательным (неселективным) приемникам относятся устройства, которые одинаково хорошо улавливают ИК излучение в диапазоне длин волн от 0,74 до 2000 мкм. К приемникам такого типа относятся: болометр, термопара, термоэлемент.

В качестве избирательных (селективных) приемных устройств и приборов, дистанционно регистрирующих ИК излучение, используются фоторезисторы. Как правило, они работают в определенном диапазоне ИК излучения и являются весьма чувствительными (до 0,03 о С) и малоинерционными. В настоящее время широко применяются фотосопротивления из сурьмянистого индия, сульфида свинца, селенида, теллурида свинца, германиевые, сложные ртутно- кадмиево-теллуристые. Все они, охлаждаемые жидким азотом (-196 о С) или жидким аргоном (-186 о С), приобретают высокую чувствительность в своем диапазоне ИК излучения.

Тепловой поток от объекта исследования попадает на фоторезистор и изменяет его электрическое сопротивление, которое пропорционально количеству падающей на него ИК энергии. Так как электрические величины на выходе фоторезистора чрезвычайно малы, то для визуализации изображения используется каскад усилителей. Изображение объекта получается на экране электронно-лучевой трубки. С учетом того обстоятельства, что глаз человека лучше улавливает цветовую гамму, нежели черно-белую картину, созданы тепловизоры, обеспечивающие получение цветной термограммы.

Существуют фоторезисторы на основе кадмия, которые действуют при комнатной температуре, без охлаждения жидким азотом или аргоном, что делает их более удобными в работе. Это – пировидиконы.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА С ВЕЩЕСТВОМ. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОВИДЕНИЯ

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Студенческий научный форум - 2017
IX Международная студенческая научная конференция

Термография – это медицинский способ исследования, направленный на выявление и локализацию различных патогенных процессов, сопровождающихся локальным повышением (реже — понижением) температуры. С помощью этого метода можно определить различные формы воспалительных процессов, активный рост новообразований, варикоз вен, травмы, ушибы, переломы. Является точным исследованием, на основании которого можно поставить правильный диагноз и определить локализацию процесса.

Описание процедуры

Различают два вида термографии: бесконтактная и контактная, однако суть обоих методов — определение температуры тела на конкретном его участке.

Бесконтактная термография осуществляется при помощи определённых приборов, к которым относятся термографы и тепловизоры. Эти устройства производят регистрацию ИК-волн и представляют их в виде изображения. Такой способ позволяет сразу охватить всё тело пациента.

Контактная термография использует жидкие кристаллы, которые могут менять свой цвет в зависимости от температуры человеческого тела. Контакт производится с помощью специального пласта или пленки с соответствующими соединителями. Этот метод является локальным и более точным, нежели бесконтактная термография.

Подготовка к проведению термографии

Несмотря на свою относительную простоту, процедура имеет ряд особенностей при подготовке.

За 10 дней до проведения исследования необходимо отменить прием всех препаратов, в состав которых входят гормоны, или оказывающие воздействие на сердечно-сосудистую систему. Исключить любые мази, которые могут воздействовать на исследуемую зону. При проверке органов брюшной полости пациент должен не употреблять пищу (быть натощак).

Проведение исследования

Процедуру может проводить специалист функциональной диагностики, однако расшифровывание результатов и установление диагноза проводит уже узкоспециализированный врач.

Далеко не каждая больница располагает оборудованием для термографии, так как это исследование не является обычным.

Из-за этого такой вид обследования проводится в частных клиниках либо некоторых видах диспансеров и стоит приличную сумму денег. Зачастую провести исследование сразу же после назначения врача невозможно, из-за того что необходимо выполнить некоторые требования на протяжении довольно продолжительного периода перед процедурой.

Бесконтактная термография делается в основном стоя либо лежа. При этом сам процесс похож на процедуру фотографирования либо видеосъёмки с разных ракурсов. Контактная термография делается в основном сидя, путём соприкосновения ранее указанной пленки или пласта с исследуемой областью. Изображение передается на экран ЭВМ и/или записывается на цифровой носитель для дальнейших действий специалиста.

Результаты термографии оцениваются и обрабатываются в электронном виде. Патология заметна из-за изменения теплового рисунка местами с гипотермией (температурой, ниже нормальной для участка) либо гипертермией (повышенной температурой).

Преимущества и недостатки

Среди преимуществ стоит выделить абсолютную безопасность исследования как для врача, так и для пациента, безболезненное исследование, не имеющее противопоказаний и ограничений по возрасту. Кроме того, прибор не загрязняет окружающую среду, имеет очень точное отображение локализации (погрешность — менее миллиметра), а также точно отображает температурные изменения (вплоть до 0,008 градусов по Цельсию) и позволяет обследовать все тело за один сеанс.

К недостаткам относят то, что пациент может недобросовестно выполнить требования на этапе подготовки, как следствие — результаты могут быть неверными.

Минусом считаются и долгая подготовка, из-за которой иногда последствия могут быть уже необратимыми на момент обследования, высокая стоимость в сравнении с альтернативными методами, например, биопсией, малое количество лечебных и медицинских исследовательских учреждений, которые проводят это исследование.

Показания к проведению

С ростом количества онкозаболеваний молочной железы требовались новые методы исследования, как следствие этого — термография стала одним из ведущих методов обследования железы из-за своих преимуществ, хотя и имеет как требование – то, что её необходимо выполнять в определённые дни менструального цикла .

Вследствии того, что воспалительные процессы сопровождаются повышением температуры, особенно в месте локализации, термография позволяет ограничить очаг воспаления. Особенно это хорошо заметно, когда воспалительный процесс поразил внутренний полостной орган либо иную полость организма, так как гипертермия имеет чёткие границы этой области.

Любые нарушения со стороны сосудистой системы тоже хорошо заметны при исследовании. Так, при варикозном расширении вен снижается толщина их стен, и как следствие — повышается теплоотдача. При ишемии, тромбозах и некрозах из-за нехватки или отсутствия кровоснабжения падает температура участка тела и сосуда.

Это позволяет выявить флебит на ранних стадиях, а ангиография является далеко не самым полезным методом изучения патологии, так как негативно сказывается как на сосудах, так и негативным действием рентгеновского излучения.

Изменения со стороны эндокринной системы, в частности, щитовидной, поджелудочной и слюнных желез. Позволяет определить развитие в них онкологических процессов, а для поджелудочной железы — ее повреждения, которые могут быть причиной сахарного диабета 1-го типа. Нарушения со стороны щитовидной железы – могут проявляться в виде гипотермии некоторых участков тела.

Нарушение теплообмена кожных покровов связано со спазмом либо расслаблением поверхностных капилляров кожи. Может быть следствием нарушения со стороны нервной системы, либо врождённой патологии. Кроме этого метода – другими способами невозможно установить точный диагноз, так что термография в этом случае является единственным способом установки точного диагноза.

Термография активно используется в травматологии, так как она позволяет определить локализацию травмы и её тип.

Для растяжений и ушибов характерно повышение температуры в конкретном участке, мышце или группе мышц. При закрытых переломах можно явно увидеть границы перелома, осколки костей, которые заметны гораздо лучше, чем на рентгеновских снимках, и безопаснее, так как отсутствует негативное внешнее воздействие.

Читайте также: