Обзор и тонкости применения тепловизора InfiRay T2S Plus: и тайное станет явным
Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
Если автор пообещал вам публикацию на iXBT.com (а не в блогах iXBT.com), то сообщите об этом, пожалуйста, на почту abuse@corp.ixbt.com
Обзор
посвящён тепловизору InfiRay T2S+ среднего класса
(разрешение 256*192 пикселей).
Помимо
теста прибора как такового и его программного обеспечения, в обзоре коснёмся
вопроса, почему точность измерения температуры тепловизором в принципе не может
быть лучше точности контактных измерений. То есть, по ходу обзора пороемся в теоретических и
практических аспектах измерений по инфракрасному излучению; но, надеюсь, эти
копания будут не скучными, а интересными!
Главное достоинство тепловизоров состоит в том, что они дают картину
пространственного распределения температур, что позволяет найти места с
аномальным нагревом или охлаждением, утечки тепла, а также обнаружить
биологические объекты (что может быть полезно в поисково-спасательных
операциях, на охоте и во время боевых действий; но этих аспектов касаться
не будем).
Трансформаторная подстанция и её тепловой снимок
Ещё одно преимущество современных тепловизоров перед контактными измерениями состоит в
высокой скорости измерений: результат получается почти мгновенно; благодаря чему возможна даже съёмка «тепловизионного кино» (увидим далее в обзоре)!
Упаковка, комплектация, внешний вид, конструкция и технические характеристики тепловизора InfiRay T2S+
Тепловизор представляет собой малогабаритную приставку к смартфону; но её можно
применять также с планшетами и даже некоторыми электронными книгами,
работающими под Android-ом. В силу исторически сложившейся терминологии тепловизоры-приставки к смартфонам принято называть «мобильными тепловизорами».
Соединяется со смартфоном тепловизор с
помощью разъёма USB-C (есть версия под iOS):
Внешняя линза в объективе имеет диаметр 4 мм, она вогнутая и не прозрачная для обычного света. Эта линза слегка утоплена вглубь объектива, что поможет её защите от случайных повреждений.
Корпус очень небольшой, но «толстенький»: его габариты 26x26x24.2 мм.
Внешняя окружность объектива имеет насечки для удобства его вращения (настройка на фокус). Возможность ручной фокусировки тепловизора — его важное преимущество перед тепловизорами с фиксированным фокусом.
Вот так выглядит тепловизор, соединённый со смартфоном:
При желании или необходимости можно тепловизор повернуть на 180 градусов и сделать его аналогом селфи-камеры.
В комплекте тепловизора, кроме него самого, обнаруживаем инструкцию к нему,
защитный чехол, кабель-переходник с micro-USB на USB-C
и кабель-удлинитель для применения
тепловизора в труднодоступных местах.
Посмотрим ещё на упаковку и на комплектную ручку-держатель для комплекса «смартфон+тепловизор». Ручка-держатель показана в разобранном состоянии:
Кстати, на упаковке наименование тепловизора обозначено Xtherm II T2S+, т. е. немного по-другому, чем обычно он упоминается в Сети. Просто надо иметь в виду, что это — одно и то же.
Один из вариантов применения тепловизора с держателем представлен на первом фото в обзоре; там тепловизор соединён со смартфоном напрямую.
Но есть возможность их закрепить раздельно (в разных струбцинках комплектного держателя), соединив кабелем-удлинителем. В этом случае тепловизор можно направить как прямо вперёд, так и под наклоном к оси держателя.
В приложении для тепловизора тоже можно найти его наименование, там он назван T2S+_V2, т. е. в данном случае обозревается вторая версия прибора (могут быть небольшие отличия от первой, но какие именно — не известно).
Ручка-держатель добавляет удобства работе с прибором, но нельзя сказать, что повышение удобства стало бы революционным; а места эта ручка занимает довольно много. Правда, ручка снизу имеет отверстие с резьбой для установки всей конструкции на штатив (даже старого образца, не имеющего крепления для смартфона), что позволит при необходимости длительных наблюдений освободить руки (можно закрепить на штативе крепление и без ручки, смотря как будет удобнее).
К этому надо добавить, что габариты и вес этого тепловизора без ручки-держателя значительно
меньше, чем у полностью автономных тепловизоров; поэтому, если нет каких-то
особых причин для применения автономного тепловизора, то лучше и удобнее
пользоваться тепловизором-приставкой.
В заключение этой главы — основные технические характеристики тепловизора InfiRay T2S+ (Xtherm II T2S+):
Испытания тепловизора InfiRay T2S+ в работе и углубление в теорию
Начнём с вопроса, почему измерения с помощью тепловизора не могут быть
столь же точными, как измерения контактными термометрами.
У контактных термометров, помимо качества градуировки (калибровки), точность измерения
определяется качеством теплового контакта с объектом исследования. Если объект
исследования — жидкость или газ, то погружение в них создаёт
100%-ый тепловой контакт, и ошибка при этом не возникает (кроме ошибки
калибровки датчика).
Для инфракрасных термометров вместо качества теплового контакта на точность
измерения влияет другой фактор — коэффициент эмиссии поверхности, температура
которой измеряется. У какой поверхности он выше, у той и больше уровень
инфракрасного излучения при равной температуре.
Коэффициент эмиссии рекомендуется определять по таблицам, составленным для
разных веществ (можно найти как в интернете, так и в ПО тепловизора). Коэффициент 1.0 соответствует
условному «абсолютно чёрному телу», а
коэффициент 0.0 — «абсолютно белому телу», которое само ничего не
излучает (но всё отражает).
Примерный эквивалент абсолютно чёрного тела — сажа, а примерный эквивалент
абсолютно белого тела — хорошо отполированное металлическое зеркало (стеклянное
зеркало — плохой эквивалент; в эксперименте будет показано). Вещества с малым коэффициентом эмиссии, ко всему прочему, обладают хорошей отражающей способностью, из-за чего могут отправлять в сторону тепловизора отражение теплового излучения от соседних предметов, прикидываясь нагретыми.
Существуют также и прозрачные вещества, температуру которых инфракрасные
термометры вообще не определяют (температуру воздуха напрямую ими измерить нельзя).
Попытка определить коэффициент эмиссии «на глазок» может быть
неудачной, поскольку степень черноты/белизны вещества в видимом диапазоне может не совпадать с
таковыми в инфракрасном диапазоне. Кстати, прозрачность в инфракрасном
диапазоне тоже может не совпадать с прозрачностью в оптическом диапазоне.
Наиболее выражена проблема веществ с малым коэффициентом эмиссии выражена для предметов с блестящей поверхностью. Посмотрим на тепловой снимок двух чашек, стоящих рядом. В левой налита горячая вода, а в правой — холодная.
По этому тепловому снимку может показаться, что сторона холодной чашки, обращённая к тёплой чашке, нагрелась. Но на самом деле это не так: здесь просто отражается, как в зеркале, тепловой поток от тёплой чашки.
Ещё на этом термоснимке надо обратить внимание на светлый ореол вокруг холодной чашки и, соответственно, тёмный — вокруг тёплой чашки. Эти ореолы вообще не имеют отношения к температуре: так работает система обострения контуров для повышения чёткости изображения.
Кроме того, на тёплой чашке заметна некоторая ступенчатость её краёв. Так работает интерполяция от исходного разрешения 256*192 к тому разрешению, на котором изображение выводится на экран.
Вот сколько всего интересного можно извлечь из этого теплового снимка, если внимательно присмотреться к деталям!
Теперь продолжим тему зеркальных отражений и зеркал.
Для следующего эксперимента я выломал зеркальце из зеркальной туалетной полочки. Его одна сторона покрыта металлизацией (которая и образует зеркало), а обратная сторона — просто из прозрачного стекла.
На следующих трёх снимках — тестовый стенд в видимом свете, затем — стаканчик с горячей водой на металлизированной поверхности зеркала, затем — тот же стаканчик на стеклянной поверхности зеркала:
Здесь надо обратить внимание, что отражение стаканчика от металлизированной поверхности зеркала — яркое, а от стеклянной поверхности зеркала — бледное; хотя в видимом свете они не отличаются.
Причина здесь состоит в том, что коэффициент эмиссии стекла — довольно большой (0.9 — 0.95), т. е. для инфракрасных лучей оно — почти чёрное, и большую часть излучения поглощает; есть только небольшое отражение за счёт полированной поверхности.
Коэффициент эмиссии полированных металлических поверхностей, наоборот, очень мал (около 0.1), т. е. они — почти идеально белые и очень хорошо отражают инфракрасное излучение.
Каково значение эффектов, связанных с низким коэффициентом эмиссии, при реальных измерениях?
Пока в поле зрения тепловизора не попались открытые блестящие поверхности, особенно — металлические, в большинстве случаев этим эффектом можно пренебречь. Большинство предметов, окружающих нас в жизни и технике, имеют высокий коэффициент эмиссии (0.8 и выше), и результат измерения будет достаточно точным. Кстати, по умолчанию коэффициент эмиссии в тепловизорах и пирометрах настраивается на 0.95; что вполне обоснованно.
Далее на тепловой фотке — пример, когда из-за описанных выше эффектов зеркальной поверхности может быть неправильно определена температура радиоэлементов:
Блок питания
На этой тепловой фотографии внутренностей блока питания кажется, что круглые макушки электролитических конденсаторов — совсем холодные. На самом деле они — почти зеркальные и показывают температуру окружающей среды. Чтобы выяснить температуру самих электролитических конденсаторов, надо ориентироваться на температуру их пластиковой оболочки.
А что делать, если всё-таки надо измерить температуру блестящей металлической поверхности?
Это элементарно, Ватсон! Наклеиваем на неё тонкий слой какого-либо материала с высоким коэффициентом эмиссии (изолента, бумага и т. п.), и измеряем температуру (если она не превосходит температуру плавления или воспламенения применённого материала).
Теперь от научно-практической части перейдём к чисто практической.
Начнём с теплового снимка, который помог практически обнаружить проблему с перегревом двух деталей в регулируемом DC-DC преобразователе XYS3580:
Проблемными оказались диод Шоттки внизу посередине и электролитический конденсатор слева между индуктивностями (доверяем температуре оболочки, а не макушки!). Их нагрев оказался сильным, хотя мощность нагрузки составила всего четверть от допустимой. Чрезмерный нагрев электролитических конденсаторов особенно опасен тем, что они в принципе имеют ограниченный ресурс работы, а перегрев сократит его ещё больше. Для борьбы с перегревом этих деталей они были запараллелены дополнительными деталями, что позволило снизить потери, улучшить теплоотвод и предотвратить возможные проблемы (обзор готовится).
Далее — пара термоснимков бытовой техники. На первом — рожковая кофеварка в момент наполнения чашки; на втором — пылесос в момент завершения работы:
В обоих случаях перегрева нет, аппараты работают в штатном режиме. К этому надо добавить, что если в пылесосе будет обнаружен перегрев, то вряд ли его причина — в поломке аппарата. Скорее всего, заполнился мешок для сбора пыли и мусора, что тормозит поток воздуха и затрудняет охлаждение пылесоса.
Ещё пара снимков бытовой техники, показывающих влияние правильного выбора диапазона измерения прибора на результат. Далее — два фото газовой плиты; первое сделано при установке диапазона измерения -20…120 градусов, а второе — в диапазоне 120…450 градусов:
Как можно видеть, в «неправильном» диапазоне (1-ое фото) картинка получилась с сильными артефактами.
На втором фото картинка получилась значительно лучше, но маркер максимальной температуры показал величину «>450℃», т. е. обозначил, что и такого диапазона всё равно не хватило для корректного измерения температуры.
Области некорректного измерения температуры в обоих случаях заштрихованы, хотя и по-разному; но главное — пользователь предупреждён!
Кроме того, в тех областях, где температура выходит за нижнюю границу диапазона (ниже +120 градусов), получается значительная ошибка измерения. Окружающая среда вокруг газовой горелки на тепловом снимке получилась с температурой ниже нуля, чего точно не было.
То есть, устанавливать правильный диапазон измерения надо обязательно!!!
Далее — пара снимков электронной техники:
На первом снимке — микросхема усилителя D-класса PAM8610; снимок сделан с минимальной дистанции фокусировки (1,8 см). С такого расстояния микросхема кажется огромной, хотя её размеры — всего лишь 6x6 мм.
На втором снимке — смартфон в момент зарядки (вид с тыловой стороны). Перегрева не наблюдается.
Переходим к обследованию помещений. Сначала — моя входная дверь, затем — потолок популярного супермаркета:
Снимок двери показал, что в нижней части явно страдает уплотнение (в помещение затекает холодный воздух). Надо поправить. Да и слева тоже неплохо бы, но не столь критично.
Снимок потолка супермаркета показал, что камеры видеонаблюдения — настоящие (не муляжи) и тёплые (работают).
Далее — немного электротехники. Светодиодная лампа и розетки сети 220 В:
Как можно видеть, самая разогретая область светодиодной лампы — её цокольная часть, а не баллон. Изнутри цокольная часть — металлизирована, благодаря чему и происходит теплоотвод.
Розетки 220 В в данном случае нагрелись, но не до опасной температуры. Заметно также, что кабель от верхней розетки нагрелся больше, чем от нижней; поскольку к верхней розетке подключен более мощный потребитель.
Теперь — выходим на улицу.
Первый термоснимок — автомобили, остановившиеся перед светофором; второй — лестничные пролёты одного из подъездов пятиэтажки (вид с улицы).
Самой теплой точкой на снимке с автомобилями оказался асфальт под такси. Это опять эффект зеркала: асфальт был мокрый, и в нём отразился вид мотора снизу.
Что касается снимка лестничных пролётов, то там жители не закрыли окна, хотя погода уже стала холодной (температура стены дома видна на снимке: +3.7 градуса). Соответственно, через открытые окна происходит утечка тепла, особенно — через верхнее окно (тёплый воздух поднимается вверх). Всё это с удовольствием учитывает общедомовой счётчик тепла. Думаю, жители этого подъезда не имеют морального права жаловаться на высокие счета за коммунальные услуги. :)
Теперь — тепловой снимок для подтверждения заголовка обзора («тайное становится явным»). Представлен тепловой снимок мощной светодиодной лампочки (номинал 30 Вт), сделанный сквозь её матовый (!) баллон:
Структура расположения светодиодов оказалась видна, как на ладони. Справедливости ради надо сказать, что не со всеми лампочками такой фокус проходит. У большинства и в инфракрасном диапазоне баллон оказывается матовым.
Кстати, в связи с этим в порядке лирического отступления расскажу одну легенду и связанный с ней случай.
Я попросил разрешения у одной знакомой барышни разрешения сфотографировать её на тепловизор после купания. Барышня — очень спортивная и крутая, увлекается зимним плаванием, и потому продолжает купания и сейчас, поздней осенью.
Но барышня категорически отказалась, мотивируя это тем, что в инфракрасных лучах люди получаются раздетыми (есть такая легенда в народе); хотя на самом деле это не так, одежда для инфракрасного излучения не прозрачна.
Но, как видите, эта легенда возникла не на «пустом месте».
Далее — исследуем биологические объекты; включая меня, хорошего.
Биологический объект на первом снимке в комментариях не нуждается.
А второй снимок — значительно интереснее. Там изображена моя рука вместе с миниатюрой Picture-in-Picture с собственной камеры смартфона (есть в ПО тепловизора такой режим).
На тепловом снимке заметна немного повышенная температура в том месте, где расположена полученная по неосторожности рана (небольшой воспалительный процесс).
Тем не менее, для медицинских исследований протестированный тепловизор совсем не подходит: слишком грубая чувствительность и точность в районе температуры человеческого тела. Как мы знаем, цена деления медицинских термометров — 0.1 градуса. Здесь точность не соответствует медицинским требованиям.
В заключение этой главы — пример тепловой видеосъёмки, сделанной с помощью протестированного тепловизора:
Параметры тепловой видеосъёмки — на следующем скриншоте из программы MediaInfo:
В данном случае тепловое видео записано с миниатюрой «обычного» видео, но можно записывать, естественно, и без него.
Программное обеспечение тепловизора (приложение Xtherm infrared для Android)
Приложение Xtherm infrared (V 6.6.230914) (далее для сокращения — просто Xtherm) обеспечивает наблюдение исследуемого объекта, его фото- и видеосъёмку, а также последующий анализ сделанных термоснимков.
В режиме наблюдения по умолчанию приложение показывает температурную шкалу, три маркера (минимальная температура в поле зрения, максимальная, и температура в точке прицела), а также текущую дату. Может показывать и логотип производителя, но его лучше отключить (что и было сделано).
Само по себе тепловое изображение цвета не имеет, но приложение может его раскрашивать в 7-ти вариантах. Наиболее естественная окраска — та, в которой показаны все показанные выше термоснимки (эта палитра установлена по умолчанию).
Далее в качестве примера — два варианта палитры: по умолчанию и чёрно-белая (в чёрно-белых вариантах приложение не показывает температурную шкалу):
Через это же приложение можно просматривать и сделанные тепловые снимки. В принципе, снимки можно просматривать снимки любым приложением для просмотра фото, но приложение Xtherm даёт возможности не только просмотра, но и всестороннего анализа полученного материала.
Причём, что интересно, проводить анализ можно не только тогда, когда объект находится в зоне видимости, но и постфактум: по сделанному снимку. В том числе можно определять температуру по областям, точкам и линиям, и даже сменить цветовую палитру снимка. Кроме того, там же можно найти и таблицу коэффициентов эмиссии для разных веществ:
Правда, смысл последней строки коэффициентов эмиссии «Жирный шрифт — 1.0» не совсем понятен.
Кроме всего прочего, в приложении есть возможность принудительно провести калибровку сенсора. В случае резкой смены температуры в поле зрения прибор сам запускает калибровку; но в случае небольших изменений полезно её сделать принудительно: это немного повышает точность измерений (примерно на полградуса). При проведении калибровки из тепловизора слышны звуки щелчков; вероятно, это работает заслонка, закрывающая сенсор от внешнего мира на время калибровки.
В целом ПО тепловизора можно оценить весьма положительно, но есть и недостатки «косметического» характера. В приложении нельзя изменить размер шрифта (на некоторых картинках он мелковат, на других — великоват). Кроме того, в режиме тепловых снимков и видео нет возможности поворота или автоповорота ориентации (все снимки получаются вертикальными, все видео — горизонтальными).И, наконец, нет возможности регулировки размера встроенной картинки-в-картинке с камеры смартфона. На смартфонах с малым разрешением экрана (HD и менее) встроенная картинка получается чрезмерно крупной.
Кстати, о точности измерения температуры. Её удалось проверить в двух точках: при комнатной температуре и при температуре кипения воды. При комнатной температуре показания сравнивались с показаниями сухого термометра в психрометре ВИТ-1 (цена деления 0.2 градуса). При показаниях сухого термометра 22.5 градусов тепловизор после калибровки определил температуру 20.9 градусов (ошибка 1.6 градусов).
При измерении температуры кипящей воды ошибка увеличилась. Тепловизор показал 96.4 градуса, т. е. ошибка составила 3.6 градуса, если допустить, что температура кипения воды была ровно 100 градусов (может зависеть от атмосферного давления), и что коэффициент эмиссии системы «эмалированная кружка+вода» не отличался от стандартной величины 0.95.
Общие итоги и область применения тепловизора InfiRay T2S+
Тепловизор показал высокие технические характеристики и полную пригодность
для разнообразных применений.
В обзоре также были рассмотрены причины, по которым в некоторых случаях к результатам измерений надо подходить с осторожностью. Но это — не проблема тепловизора, а особенность измерений по тепловому излучению.
Основным применением будет, конечно же, применение в областях диагностики техники, обследования помещений и
при проведении строительно-ремонтных работ.
Здесь он поможет обнаружить критические проблемы, утечки тепла или холода (для холодильного оборудования),
а также поможет найти пути пролегания теплотрасс.
Важное аппаратное преимущество тепловизора — возможность ручной фокусировки от бесконечности до 1.8 см; благодаря чему могут быть проверены тепловые режимы электронных устройств даже для самых малых SMD-элементов. Не все тепловизоры имеют такую возможность.
Для проведения поисково-спасательных работ этот тепловизор не очень подходит: на расстоянии свыше 60-70 м человек (или крупное животное) превращается в едва различимую точку. Для поисково-спасательных и охотничьих целей лучше подходят более длиннофокусные тепловизоры, например, InfiRay Xinfrared XH09 (X2).
Что касается точности определения температур, то она достаточно высока и
соответствует заявленной в технических характеристиках; но в реальных условиях
может отличаться в зависимости от свойств исследуемой поверхности.
Программное обеспечение тепловизора (приложение XTherm infrared) представляет собой отличный инструмент анализа теплоснимков, но имеющий некоторые мелкие косметические
неудобства: не везде подходящий размер шрифта, нет автоповорота ориентации при производстве тепловых снимков и видео, не оптимален размер встроенной картинки-в-картинке с камеры смартфона для смартфонов с малым разрешением экрана.
Однако же, приложение регулярно обновляется, и, возможно, эти мелкие недочёты будут исправлены.
Купить протестированный тепловизор InfiRay T2S Plus можно на Алиэкспресс. Цена на дату обзора — около $300-360 в зависимости от комплектации (дорого, но более-менее адекватно для тепловизоров такого разрешения). В дальнейшем цена может меняться в любую сторону. И к этому — ложка дёгтя: с 2024 года такие товары (по цене свыше $200) облагаются таможенной пошлиной, которая в данном случае составит в России около 2000 рублей. :(
Надеюсь, обзор получился не очень скучным, и всех благодарю за внимание!