Тепловой дисплей существует ли

Обновлено: 04.07.2024

Абляционного теплозащитного экран предназначен для защиты объекта от перегрева путем рассеивания, отражая, поглощая тепло, или просто постепенно гореть и отпасть от самолета, потянув за избыточное тепло с ним. Этот термин чаще всего используется в отношении управления теплом выхлопных газов и систем отвода тепла за счет трения.

Теплозащитные экраны защищают конструкции от экстремальных температур и температурных градиентов с помощью двух основных механизмов. Теплоизоляция и радиационное охлаждение , которые соответственно изолируют нижележащую структуру от высоких температур внешней поверхности, при этом отводя тепло наружу за счет теплового излучения . Для достижения хорошей функциональности от теплозащитного экрана требуются три атрибута: низкая теплопроводность (высокое тепловое сопротивление ), высокая излучательная способность и хорошая термическая стабильность (огнеупорность). [1] Пористая керамика с покрытиями с высокой излучательной способностью (HEC) часто используется для решения этих трех характеристик благодаря хорошей термостойкости керамики, теплоизоляции пористых материалов и хорошему эффекту радиационного охлаждения, обеспечиваемому HEC.

Автомобильная промышленность

Из-за большого количества тепла, выделяемого двигателями внутреннего сгорания, на большинстве двигателей используются тепловые экраны для защиты компонентов и кузова от теплового повреждения. Помимо защиты, эффективные тепловые экраны могут повысить производительность за счет снижения температуры под капотом и, следовательно, снижения температуры на впуске. Теплозащитные экраны сильно различаются по цене, но большинство из них легко устанавливаются, как правило, с помощью зажимов из нержавеющей стали или высокотемпературной ленты. Существует два основных типа автомобильного теплозащитного экрана:

Жесткий теплозащитный экран до недавнего времени изготавливали из прочной стали, но теперь часто из алюминия. Некоторые высококачественные жесткие теплозащитные экраны изготавливаются из алюминиевого листа или других композитов с керамическим термобарьерным покрытием для улучшения теплоизоляции.
Гибкий теплозащитный экран обычно изготавливается из тонкого алюминиевого листа, продается в плоском виде или в рулоне, и сгибается вручную монтажником. Гибкие теплозащитные экраны с высокими эксплуатационными характеристиками иногда включают дополнительные элементы, например керамическую изоляцию, нанесенную с помощью плазменного напыления . Эти новейшие продукты являются обычным явлением в топовом автоспорте, таком как Формула 1 .
Текстильные теплозащитные экраны, используемые для различных компонентов, таких как выхлопная система, турбонагнетатель, сажевый фильтр или другие компоненты выхлопной системы.

В результате тепловой экран часто устанавливается как любительским, так и профессиональным персоналом на этапе настройки двигателя .

Теплозащитные экраны также используются для охлаждения вентиляционных отверстий опоры двигателя. Когда автомобиль движется на более высокой скорости, набегающего воздуха достаточно для охлаждения моторного отсека под капотом, но когда автомобиль движется на более низких скоростях или поднимается по уклону, возникает необходимость изолировать тепло двигателя, чтобы передать его другим частям вокруг него. , например, подвески двигателя. С помощью надлежащего термического анализа и использования теплозащитных экранов вентиляционные отверстия опоры двигателя можно оптимизировать для достижения наилучших характеристик. [2]

Самолет

Некоторые летательные аппараты с высокой скоростью, такие как Concorde и SR-71 Blackbird , должны быть спроектированы с учетом аналогичного, но меньшего перегрева, чем у космических кораблей. В случае Concorde алюминиевая носовая часть может достигать максимальной рабочей температуры 127 ° C (что на 180 ° C выше, чем температура окружающего воздуха ниже нуля); металлургические последствия, связанные с пиковыми температурами, были важным фактором при определении максимальной скорости самолета.

Недавно были разработаны новые материалы, которые могут превосходить RCC . Прототип SHARP ( S кредитор Н ypervelocity erothermodynamic R сследования Р халата) основан на ультра-высокотемпературной керамики , таких как цирконий диборид (ZrB ₂ ) и гафний (диборид HfB ₂ ). [3] Система тепловой защиты, основанная на этих материалах, позволит достичь скорости 7 Маха на уровне моря, 11 Маха на высоте 35000 метров и значительно улучшить транспортные средства, рассчитанные на гиперзвуковую скорость . Используемые материалы обладают характеристиками теплозащиты в диапазоне температур от 0 ° C до + 2000 ° C, с температурой плавления более 3500 ° C. Они также структурно более устойчивы, чем RCC, поэтому не требуют дополнительного армирования и очень эффективны при повторном излучении поглощенного тепла. НАСА профинансировало (и впоследствии прекратило) программу исследований и разработок в 2001 году для тестирования этой системы защиты в Университете Монтаны. [4] [5]

Европейская комиссия финансирует исследовательский проект, C3HARME, под NMP-19-2015 зову рамочные программы по научным исследованиям и технологическому развитию в 2016 году ( все еще продолжается) для проектирования, разработки, производства и тестирования нового класса ультра-огнеупорной керамики матричные композиты, армированные волокнами карбида кремния и углеродными волокнами, подходящие для применения в тяжелых аэрокосмических условиях. [6]

А тепловой экран предназначен для защиты объекта от перегрева путем рассеивания, отражения или простого поглощения тепла. Этот термин чаще всего используется в отношении управление вытяжным теплом и системам отвода тепла за счет трения.

Содержание

Принцип работы

Использует

Автомобильная промышленность

Из-за большого количества тепла, выделяемого двигателями внутреннего сгорания, на большинстве двигателей используются тепловые экраны для защиты компонентов и кузова от теплового повреждения. Помимо защиты, эффективные тепловые экраны могут повысить производительность за счет снижения температуры под капотом и, следовательно, снижения температуры на входе. Теплозащитные экраны сильно различаются по цене, но большинство из них легко устанавливаются, обычно с помощью зажимов из нержавеющей стали или высокотемпературной ленты. Существует два основных типа автомобильного теплозащитного экрана:

Жесткий теплозащитный экран до недавнего времени изготавливали из твердой стали, но теперь часто из алюминия. Некоторые высококачественные жесткие теплозащитные экраны изготавливаются из алюминиевого листа или других композитов с керамическим термобарьерным покрытием для улучшения теплоизоляции.
Гибкий теплозащитный экран обычно изготавливается из тонкого алюминиевого листа, продается в плоском виде или в рулоне и сгибается вручную монтажником. Высокопроизводительные гибкие теплозащитные экраны иногда включают дополнительные элементы, например керамическую изоляцию плазменное напыление. Эти новейшие продукты широко используются в топовом автоспорте, таком как Формула 1.
Текстильные теплозащитные экраны, используемые для различных компонентов, таких как выхлопная система, турбонагнетатель, DPF или другие компоненты выхлопной системы.

В результате тепловой экран часто устанавливается как любителями, так и профессионалами во время фазы тюнинг двигателя.

Самолет

Немного самолет на высокой скорости, например Конкорд и SR-71 Блэкберд, должны быть спроектированы с учетом аналогичного, но меньшего перегрева, чем в космическом корабле. В случае Concorde алюминиевая носовая часть может достигать максимальной рабочей температуры 127 ° C (что на 180 ° C выше, чем температура окружающего воздуха ниже нуля); Металлургические последствия, связанные с пиковыми температурами, были важным фактором при определении максимальной скорости самолета.

Температурное воздействие даже при небольших отклонениях от естественного для конкретной среды режима способно причинить вред некоторым материалам. Это не значит, что сплошь все объекты должны иметь соответствующую защиту, но на некоторых технологических участках наличие такого обеспечения очень важно. Для этого применяется тепловой экран, формирующий в некотором роде изоляцию. Подобные средства защиты используются и в профессиональных сферах строительства, и на производствах, а также в быту.

Как устроен защитный экран?

Как правило, такие экраны представляют собой листы, полотна или панели, выполненные из одного материала. Другое дело, что этот материал сам по себе является модифицированной основой, которая получается в результате особых производственных процедур. Наиболее распространены молибденовые и вольфрамовые панели, отличающиеся высокой термической стойкостью. В усовершенствованных версиях тепловой экран может иметь более сложное устройство. Обычно это два листа, которые разделяются зазором с обечайками – специальными барабанами конической формы. Этот зазор также может иметь наполнение в виде термозащитной стружки. В некоторых случаях используется порошок от того же молибдена или вольфрама. Формируется конструкция, по принципу работы напоминающая пластиковые окна с теплоизоляционным вакуумом.

Сферы применения

Область использования таких экранов очень широка. Если не брать в расчет узкоспециализированные и профессиональные ниши, то наиболее популярными будут материалы для автомобилей, окон и бань. В первом случае используется тепловой экран коллектора, который представляет собой простейшую металлическую пластину. Это тонкий лист, который обычно фиксируется в четырех точках между коллектором и инжектором.

В случае с окнами использование таких экранов обусловлено стремлением предотвратить проникновение холода в квартиру в зимний период. Но в подобных системах вместо порошка наполнителем выступает лишь воздух. Создается своего рода подушка, обеспечивающая дополнительный барьер перед холодом. Иными словами, тепловой экран для монтажа окон выступает внешним изолятором, что эффективно с точки зрения экономии пространства в самом помещении. Что касается банных помещений, то в них экраны действуют на изоляцию конкретных объектов, являющихся источниками высоких температур. В частности, изоляторами защищаются котлы и печи, предотвращая опасное термическое воздействие на близкорасположенные объекты.

Основные эксплуатационные качества

Производители стремятся обеспечивать экранам три категории эксплуатационных свойств. В первую очередь это жаростойкость. Данное качество не просто означает, что высокие температурные волны не будут распространяться за пределы барьера, но также исключится риск разрушающего воздействия на сам материал, из которого изготовлен тепловой экран и его наполнитель. Вторая категория представляет механические защитные свойства, наличие которых гарантирует, что материал не повредят, кроме жара, еще и физические воздействия. Например, тот же металл отличается стойкостью перед случайными ударами и порезами. Третья группа свойств предполагает наличие других изоляционных свойств. Это может быть, к примеру, пароизоляция или функция шумоподавления.

Характеристики защитных экранов

При выборе экрана следует главным образом опираться на способность материала обеспечивать вышеупомянутую жаропрочность. Показатель стойкости перед конкретными температурами является базовой характеристикой. Так, вольфрамовые панели выдерживают температуру на уровне 3300 °С, но по мере повышения этого показателя начинается процесс плавления. В свою очередь, молибден справляется со своей функцией при температурном режиме порядка 2610 °С. Но следует помнить, что пиковые температуры вовсе не являются рекомендацией к применению в таких условиях. Например, тот же вольфрам с молибденом изготовители рекомендуют использовать в условиях 1300-1400 °С. Кроме этого, в выборе учитываются и размеры, которыми располагает тепловой экран в конкретной модификации. По высоте они могут иметь 100-150 см, по ширине – 50 см, а глубина редко превышает 10 см.

Разновидности

Различают экраны по конструкционным параметрам, свойствам и областям применения. Причем все три критерия взаимно зависят и определяют друг друга. Например, в обеспечении окон на зимнее время может использоваться наиболее сложный в устройстве функциональный барьер с наполнителем из вольфрама, располагающий при этом наибольшим типоразмером. Специализированные жаростойкие панели используются в обустройстве котлов и печных сооружений. С другой стороны, тепловой экран выпускного коллектора является наиболее простым решением, что обусловлено и тесными условиями его монтажа, и относительно скромными тепловыми нагрузками.

Нюансы монтажа

Существуют разные способы монтажа, которые определяются конструкцией самого экрана и условиями установки. Самый надежный способ предусматривается первичный монтаж рам, на которые в дальнейшем насаживается или крепится посредством кронштейнов или саморезов экран. При этом важно учесть и возможность будущего демонтажа конструкции. Особенно это касается оконных тепловых барьеров, которые используются только в зимнее время. Опять же, защитный тепловой экран для автомобиля предусматривает наиболее доступный способ установки. Обычно производители предусматривают в металлических листах отверстия и прилагают комплекты с метизами для фиксации изделия. Другое дело, что и само место инсталляции возле того же коллектора должно соответствовать конфигурации экрана.

Заключение

В каждом случае при выборе теплового экрана следует учитывать индивидуальный набор качеств. Причем не всегда стойкость перед термическим воздействием является определяющей. То есть современные материалы и модифицированные панели из молибдена и вольфрама даже в бюджетных версиях способны справляться с большинством тепловых нагрузок бытового характера. Гораздо важнее конструкционное соответствие месту установки. К примеру, тепловой экран окон должен быть рассчитан не только на охват площади по рамам, но и выдерживать определенный технологический отступ. Еще более сложен выбор при необходимости плотной изоляции камина или печки. В таких случаях нередко прибегают к услугам по изготовлению экранов по специальным заказам. Это же, к слову, относится и к защитным приспособлениям для автомобильных коллекторов.

Умение находить черную кошку в темной комнате в наше время уже не кажется сверхспособностью, особенно если знаешь, что ищут ее с помощью тепловизора. Единственное, что омрачает радость от проведения эксперимента — осознание того, что в руках находится прибор, стоимость которого включает несколько нолей. В материале разберемся, за что отвечают компоненты прибора, какой вклад они вносят в формирование цены.

Визуализация температурной картины

Изобретенный для нужд военных, тепловизор уже давно занял свою нишу в гражданских сферах применения. Обследование зданий и сооружений на предмет потерь тепла, контроль работы электрооборудования и линий электропередач, обнаружение скрытых коммуникаций, вспомогательный инструмент на охоте и т. д. — это далеко не полный перечень функциональных возможностей прибора.

С помощью тепловизоров научились спасать человеческие жизни: уже довольно давно их успешно применяют в работе пожарных. Приборы помогают спасателям более точно определять эпицентр возгорания, мониторить температуру поверхностей, обнаруживать пострадавших, оставшихся внутри помещения или под завалами. Для тепловизора не существует преград в виде сумерек, тумана или задымленности, поскольку прозрачность среды не является определяющим фактором для полноценной работы прибора.

Чтобы понять, как формируется картинка на экране тепловизора, нужно обратиться к теории. Из школьного курса физики известно, что все физические объекты и тела, температура которых выше абсолютного ноля (-273° К), испускают в окружающую среду тепловое излучение, находящееся в инфракрасном (ИК) диапазоне.

Приемник тепловизора способен распознать электромагнитные волны в среднем (от 3 до 5 мкм) и длинном (от 8 до 12 мкм) диапазонах инфракрасного излучения.

Теперь становится понятно, почему прибору абсолютно неважна оптическая прозрачность среды (в видимом глазу диапазоне). Если поблизости есть источник теплового излучения — тепловизор его безошибочно определит. Поэтому в условиях сильного задымления или ранним туманным утром на охоте тепловизор покажет реальную тепловую картину окружения.

Принцип работы

Поскольку на ИК-излучение распространяются те же законы оптики, что и для видимого спектра света, то устройство и принцип работы прибора мало чем отличаются от работы обычной фото- или видеокамеры. Единственное принципиальное отличие — другой материал линз и совершенно иная матрица для регистрации ИК-излучения, но об этом несколько позже.

Температурная картина, попавшая в объектив прибора, фокусируется на термочувствительной матрице посредством специальной линзы или группы линз. Каждый пиксель матрицы — по сути, отдельный термометр, измеряющий интенсивность ИК-излучения в каждой точке исследуемой сцены. Сигнал с матрицы обрабатывается процессором устройства и выводится на дисплей прибора. Там отображаются все сигналы, полученные термочувствительными ячейками матрицы.

Электронная схема прибора (процессор) отвечает за формирование изображения на экране прибора. Обновление результатов измерений для формирования актуальной температурной картины происходит с частотой 9 Гц для тепловизоров начального ценового сегмента и 15 Гц для приборов профессионального применения.

Дальность распознавания и фиксации теплового сигнала находится в диапазоне 100-300 м для тепловизоров бытового применения и порядка 2-3 км для профессиональной серии. Образцы специального и армейского назначения способны фиксировать тепловую картину на расстояниях до 20 км. Для увеличения дальности требуется оптика с изменяемой величиной фокусного расстояния, что в конечном итоге сказывается на стоимости прибора.

Как правило, диапазон измеряемых температур бытовых тепловизоров находится в диапазоне -50-+350° С. Для специализированных приборов планка верхнего значения температуры может достигать +1200° С и выше.

Для удобства восприятия суммарной картинки, различные уровни температур окрашиваются разными цветами: от холодных синих до ярко красных, а то и абсолютно белых областей с высоким уровнем теплового излучения.

Но встречаются девайсы и с монохромными дисплеями, картинка на экраны которых выводится в градации серого цвета.

Для сохранения результатов термометрии, тепловизионная камера, в большинстве случаев, оснащается флеш-памятью.

Значимые компоненты тепловизора

Оптическая система

Основная проблема получения термометрического изображения кроется в оптических свойствах обычного стекла. Оно не прозрачно для ИК-излучения! Боросиликатное стекло без труда пропускает видимую часть спектра, но отсекает волны ультрафиолетового и инфракрасного спектра. Выходом из ситуации будет использование материала, прозрачного для ИК-излучения, — германия. Он непрозрачен для волн видимого спектра, но без труда пропускает сквозь себя волны теплового излучения.

Германиевая линза имеет большую плотность в сравнении с боросиликатными линзами и достаточно высокий коэффициент преломления, поэтому на изготовление оптической системы тепловизора расходуется достаточно большое количество дорогостоящего материала. К тому же, следует упомянуть, что германий очень хрупкий и капризный в обработке материал, поэтому для изготовления линз из германия требуется ювелирная точность производства, а также длительная последующая шлифовка и полировка готового изделия.

Как правило, германиевая линза имеет зеленоватый или красноватый оттенок, а главное визуальное отличие — она непрозрачна для глаза человека.

Стоимость германия сопоставима со стоимостью золота, поэтому окончательная цена прибора уже не вызывает сильного удивления. Альтернативное решение — добавление в состав боросиликатного стекла халькогенидов, таких как сера, теллур и селен, наделяющих обычное стекло оптической проницаемостью в инфракрасном диапазоне. Такой подход, конечно, снижает качество линз, но позволяет существенно удешевить производство и сделать тепловизоры более доступными по цене.

Термочувствительная матрица

Второй краеугольный камень — сложность производства термочувствительной матрицы прибора. Физически матрица представляет собой набор термочувствительных ячеек, упорядоченных в строках и столбцах.

Размер матрицы в тепловизорах обозначается количеством пикселей по горизонтали и вертикали. Для бытового применения распространенные размеры — 160х120, 206х156 и 320х240, в профессиональной сфере в ходу приборы с разрешением матрицы — 640х480. Матрицы большего размера выпускаются по специальному заказу. Их изготавливают производители, коих в мире считанные единицы.

Правило: «Чем больше пикселей (разрешение матрицы) — тем качественней картинка», справедливо и для тепловизоров.

Из-за того, что в основе измерительной ячейки (пикселя матрицы) лежит тепловой приемник излучения, именуемый болометром, всю матрицу тепловизора принято называть болометрической.

Для производства полупроводниковых матриц, как правило, используется кремний в сочетании с окислами никеля, марганца или кобальта. Каждая ячейка болометрической матрицы состоит из двух пленочных термисторов (толщиной не более 10 мкм). Тот термистор, который подвергается воздействию излучения, называется активным, а тот, что находится в изолированной от внешнего излучения области, — компенсационным. Пара термисторов ячейки герметична. При попадании теплового излучения на активный термистор, он нагревается и его сопротивление увеличивается. По разности потенциалов на выводах термисторов одной ячейки рассчитывается уровень температуры, действующей на ячейку ИК-излучения. В зависимости от качества компонентов, шаг измерения температуры составляет 0,15-0,1 °С, а погрешность измерений находится в пределах ± 2 °С.

Помимо высокой стоимости материалов и технологий, используемых при производстве матриц тепловизоров, на окончательную цену очень сильно влияет колоссальный объем работ по калибровке ячеек матрицы. Дело в том, что для получения правдоподобной, не зашумленной картинки на экране тепловизора, каждый пиксель матрицы должен «давать» в систему верное, строго тарированное значение, сопоставимое со всеми другими ячейками.

Калибровка болометрической матрицы производится попиксельно.

Для этого у производителей матриц организованы технологические процессы калибровки готовых изделий, а в управляющих программах профессиональных тепловизоров заложены алгоритмы программной калибровки ячеек, призванные улучшить визуализацию термометрической сцены. В конечном итоге все эти работы также включаются в стоимость готового изделия.

Казалось бы, всего два компонента внутренней начинки тепловизора имеют принципиальные отличия, если сравнивать устройство с обычным фотоаппаратом или видеокамерой. Но их суммарная стоимость составляет порядка 80-90 % всей стоимости девайса, что и объясняет общую дороговизну прибора термометрического наблюдения.

Читайте также: