страница - 28
шкалы, для которой при калибровке прибора определяют температурный перепад, соответствующий переходу от белого до черного.
Характеристики тепловизоров Чувствительность по температу-
ре, °С, не ниже...........................0,1 - 0,3
Мгновенное поле зрения, мин,
не более.......................................1 - 3
Поле обзора................................5 - 60°
Диапазон измеряемых температур, °С.........................................0 - 1000
Частота кадров, кадр/с...............25 - 50
Число строк в кадре...................до 512
Число элементов в кадре............до 512x712
Приемник ИК-излучения обычно охлаждают жидким азотом или термоэлектрическим микрохолодильником.
Применение в тепловизорах узкополосных фильтров, прозрачных на длине волны 3,39 мкм, где имеется окно прозрачности газа СО2, позволяет фиксировать ИК-излучение через пламя. Наличие линзовой оптики позволяет легко изменять увеличение системы сменой объективов.
Тепловизоры обычно имеют черно-белые или цветные видеомониторы и устройства обработки термограмм (выделение изотерм, обращение контраста, представление в псевдоцветах, термопрофильное квазиобъемное представление теплового поля и т. п.).
Термограммы регистрируют с помощью фотокамер, видеомагнитофонов, систем цифровой памяти, работающими в комплексе с мини-ЭВМ.
Перспектива развития телевизионных систем заключается в создании спектральных цифровых камер, в том числе стереоскопических, а также разработке радиотепловизионных приборов для диапазона длин 0,1-1 мм, в котором многие диэлектрики прозрачны, и представляется возможность измерять их внутреннюю температуру.
Тепловизионные микроскопы предназначены в основном для обследования и измерения тепловых полей изделий микроэлектроники, при этом достигается линейное разрешение 60 - 20 мкм, температурное разрешение 0,5 - 3°С.
Трубки с пироэлектрической мишенью -пироконы. Конструкция * пирокона подобна конструкции стандартного видикона. Основные отличия - использование окна, прозрачного для ИК-излучения, и пироэлектрического материала мишени. Тепловое излучение объекта фокусируется объективом на мишень. В результате поглощения излучения на поверхности мишени формируется потенциальный рельеф мишени, соответствующий распределению температур. Сигнал, возникающий при считывании сфокусированным электронным пучком распределения потенциала (заряда),
пропорционален распределению интенсивности падающего на мишень излучения.
Преобразование лучистой энергии в электрический заряд пироэлектрической мишени не имеет принципиальных ограничений по длине волны. Это является большим преимуществом пирокона. Поскольку пироэлектрический эффект зависит от измерения температуры в каждой точке мишени, пирокон не воспроизводит теплового изображения стационарного объекта, а передает только динамику тепловой картины. Поэтому ИК-излучение, вызывающее изменение температуры пироэлектрической мишени, должно быть переменным. Для этого существуют два наиболее приемлемых способа модуляции лучистого потока во времени: 1) обтюрация стационарного потока с помощью колеблющегося или вращающегося затвора перед входным окном; 2) медленное перемещение камеры, чтобы сигнал, получаемый любым элементом мишени, не оставался постоянным.
Достоинством тепловизионных приборов с пироконом является возможность создания компактных малогабаритных приборов.
Матричные тепловизоры. В отличие от тепловизионных систем с одноэлементным фотоприемником и последовательным сканированием в тепловизоре с матричным приемником каждый приемный элемент длительное время "смотрит" на объект. Это время, определяемое периодом кадровой развертки тепловизора, гораздо больше длительности визирования одного элемента объекта в тепловизоре с одноэлементным фотоприемником (при одной и той же частоте кадров).
Матричное ФПУ может обеспечить более высокую температурную чувствительность тепловизора, чем одноэлементный фотоприемник.
1.9.2.3. МЕТОДЫ АКТИВНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТЕРМОМЕТРИИ (АОТ)
Эти методы основаны на использовании в качестве термометрического свойства изменения характеристик оптического излучения (амплитуда, частота, фаза, поляризация) после его взаимодействия с объектом контроля. Методы особенно эффективны для измерения температуры газообразных и жидких сред в объектах новой техники (исследование процессов горения в реактивных двигателях, топках мощных тепловых станций, диагностика плазмы, анализ активных элементов мощных лазеров, изучение взрывных процессов, дистанционное зондирование атмосферы и т. д.).
Методы АОТ можно разделить на интегральные и локальные. В первом случае получают информацию о среднем по ходу просвечивающего луча значении температуры среды (методы теневые, интерференционные, спектрального поглощения и т.д.). Методы локаль-
ной термометрии основаны на фокусировке излучения в любую точку среды и измерении соответствующих характеристик рассеянного излучения (методы упругого и комбинационного рассеяния, активная спектроскопия когерентного рассеяния (АСКР) и др.).
Теневые и интерференционные методы обладают такими достоинствами, как бесконтактность, информативность (многоканальная регистрация, высокая локальность и чувствительность), наглядностью (при визуализации полей температур), безынерционность, что делает их незаменимыми для использования быстропротекающих нестационарных процессов в прозрачных жидкостях и газах.
Измерение температурных полей в твердых телах в общих чертах аналогично описанной выше схеме, однако в ряде случаев дополнительно необходимо учитывать фотоупругие эффекты (двулучепреломление, оптическая анизотропия), возникающие в жестко закрепленных стержнях. Однако и в этом случае теневые и интерференционные методы являются единственным средством измерения и анализа динамики разогрева этих и подобных им объектов.
Расшифровка интерферограмм и тенег-рамм облегчается, если с помощью какого-либо традиционного датчика (пирометр, термопара и т.п.) можно определить температуру в какой-либо точке поля измерений.
1.9.2.4. МЕТОДЫ ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ (МЛТ)
Лазеры могут применяться в описанных выше теневых и интерференционных (в т.ч. голографических) методах, где их применение позволило существенно улучшить характеристики процесса термометрии в реальном времени.-
Однако уникальные свойства лазерного излучения (яркость, монохроматичность, когерентность, направленность) позволили реализовать и принципиально новые методы термометрии.
Метод термометрии на основе комбинационного (рамановского) рассеяния света (КРС), то есть неупругого столкновения фотонов с молекулами вещества и соответствующего смещения спектра рассеянного излучения относительно частоты излучения лазера. Температура (вращательная или колебательная) каждой двухатомной или многоатомной фракции в газовой смеси определяется по интенсивности каждой компоненты рассеянного света. Рабочий диапазон температур, измеряемой с помощью КРС от 100 К {вращательные спектры КРС) до 6000 К и более (колебательные спектры КРС). Однако интенсивность спектра КРС очень низка, что требует применения мощных лазеров.
Резкого усиления сигналов КРС добиваются, используя лазер с частотой излучения, соответствующей полосе поглощения вещества.
Для этой разновидности резонансного КРС (РКРС) используют лазеры с перестройкой частоты излучения (например, на красителях). Типовая схема термометра на основе РКРС для исследования процесса горения состоит из лазера мощностью порядка 1 - 10 Вт, перестраиваемого по частоте (в диапазоне длин волн 0,4 - 0,8 мкм), фокусирующей оптики и фотоумножителя с набором интерференционных фильтров. Выбор частот обусловлен использованием в качестве "информационных" молекул азота, число которых в пламени обычно велико, а спектр поглощения не зависит от температуры. Характерно, что используется односторонний доступ к объекту (регистрируется излучение, рассеянное назад).
Особенно перспективен метод когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС). Он основан на использовании двух синхронно перестраиваемых по частоте лазеров, фокусируемых в одну точку объекта. В момент совпадения разности частот лазеров с резонансной частотой молекул газа освещенной объем газа начинает излучать когерентное и узко направленное излучение, интенсивность которого существенно превышает сигналы КРС. В анализируемый объем можно дополнительно направить излучение третьего лазера, тогда в спектре рассеянного сигнала появится антистоксова компонента, интенсивность которой превышает сигнал КРС в 106 раз.
1.9.2.5. ЛАЗЕРНО-АКУСТИЧЕСКАЯ ТЕРМОМЕТРИЯ (ЛАТ)
Основана на визуализации акустических волн с помощью стробоскопического освещения лазером среды. Длина волны лазера может быть любой (например, зеленой X— 0,51 мкм) и выбирается из условия минимизации оптических фоновых помех.
Акустические колебания вдоль лазера фотографируют (или визуализируют телевизионным или другим способом) и измеряют непосредственно длину волн давления, которая связана с температурой через соотношение
VT = V0+a(T-T0),
где VT и Vq - скорости звука при температурах Tw 7b; V — Xf\ Х- длина волны, мм; /- частота, Гц.
Для температур 1000 - 2000 К длина волны звука меняется в интервале 0,5 - 1 м, что не вызывает технических трудностей при измерении ее численного значения.
Погрешность метода порядка 5 %.
Перспективны для визуализации температурных полей и такие современные способы, как томографический, голо графический, нелинейно-оптический и некоторые другие, находящиеся в стадии исследований.
1.9.2.6. АКУСТИЧЕСКИЕ ТЕРМОМЕТРЫ
Метод акустической термометрии основан на зависимости скорости звука от температуры. Для идеального газа фазовая скорость распространения звука не зависит от амплитуды и частоты колебаний. Для точных измерений важен учет влажности воздуха.
Наибольшие возможности для термометрии дают ультразвуковые (УЗ) колебания. Скорость УЗ измеряется стандартным методом. Температурная зависимость скорости УЗ определяется выражением
ch/dT= -L/2cT,
где L - расстояние, проходимое УЗ; с - скорость; т - время распространения.
При изменении температуры на 1 К т изменяется на 1 - 10 мкс, что вполне измеримо. В импульсных УЗ-термометрах излучатель и приемник обычно совмещены. Возможна реализация и фазовых УЗ-термометров (УЗ) на непрерывном УЗ-измерении. Достоинство УЗТ - практическая безынерционность и отсутствие термометрического тела, непосредственно воспринимающего изменение температуры и, как следствие, вносящего погрешности в измерения.
УЗТ широко применяется в метеорологии, при измерении газовых сред, термометрии слитков и т.п.
Ультразвуковые частотные термометры основаны на использовании поверхностных акустических волн (ПАВ), т.е. упругие волны распространяются вдоль свободной границы поверхности тела или вдоль его границы с другими средами (жидкими, твердыми). ПАВ, поперечные по отношению к распространению, могут быть поляризованы перпендикулярно к поверхности (вдлны Рэлея) и параллельно (волны Лева). Датчики на ПАВ представляют собой пьезокристалл, на который методом фотолитографии наносятся (так называемые встречно-штыревые антенны) металлические электроды периодической структуры, геометрия которой выбирается в зависимости от длины волны и структуры ПАВ. Электроды служат антеннами, преобразующими электромагнитный сигнал в акустический или наоборот.
Основным термометрическим свойством датчика ПАВ является скорость распространения акустической волны. Такой датчик может одновременно измерять температуру и давление (или влажность) среды, то есть реализовать многопараметровые, комплексные измерения. Для этого достаточно, например, выполнить его в виде тонкой мембраны из пье-зоэлектрика, на обеих сторонах которых наносятся антенны, выходы которых разделены.
Область измеряемых температур от -20°С до +200°С, чувствительность порядка 0,1 - 0,5°С, инерционность порядка 1 с.
1.9.2.7. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Для обеспечения единства измерений разработаны поверочные схемы, в которых указаны методы градуировки и поверки приборов, а также их предельные значения и допустимые погрешности.
В качестве эталонных интерполяционных приборов используют платиновый термометр сопротивления (-180°С ... +630°С) и платино-родий-платиновые термопары (630 ... 1063°С).
Эталонными приборами в области температур более 1063°С (точка затвердевания золота) служат температурные лампы, градуированные по эталонному АЧТ (Т= 1063°С) на яркостные температуры с помощью спектро-пирометрических установок.
Датчики пирометрических приборов (стеклянные жидкостные термометры, термопары, яркостные, цветовые и радиационные пирометры и др.) проверяют с помощью устройств воспроизведения температуры. При этом используют два метода поверки по постоянным точкам плавления и кипения химически чистых веществ и по показаниям образцовых приборов.
Показывающие и самопишущие приборы, входящие в состав термометрической аппаратуры (логометры, электронные потенциометры), проверяют отдельно методом сравнения с показаниями электроизмерительных приборов.
Преобразователи температуры проверяют методом сравнения с показаниями образцовых приборов с помощью специальных устройств для получения заданной температуры (термостатов, криостатов, электропечей, температурных ламп).
Для калибровки и испытания тепловизи-онной и радиометрической аппаратуры широко применяют излучатели АЧТ ("абсолютно черное тело") различных типов.
Наиболее распространены излучатели АЧТ со сферической, цилиндрической и конической формой излучающих полостей.
Рядом фирм выпускаются излучатели АЧТ с плоской черненой излучающей поверхностью больших размеров (до 400x400 мм2).
Для изменения коэффициента черноты слабонагретых тел можно использовать терморадиометр, позволяющий определять его значения в пределах 0,02 - 1,0 и в спектральном интервале (4 - 40 мкм).
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16] [стр.17] [стр.18] [стр.19] [стр.20] [стр.21] [стр.22] [стр.23] [стр.24] [стр.25] [стр.26] [стр.27] [стр.28] [стр.29] [стр.30] [стр.31] [стр.32] [стр.33] [стр.34] [стр.35] [стр.36] [стр.37] [стр.38] [стр.39] [стр.40] [стр.41] [стр.42] [стр.43] [стр.44] [стр.45] [стр.46] [стр.47] [стр.48] [стр.49] [стр.50] [стр.51] [стр.52] [стр.53] [стр.54] [стр.55] [стр.56] [стр.57] [стр.58] [стр.59] [стр.60] [стр.61] [стр.62] [стр.63] [стр.64] [стр.65] [стр.66] [стр.67] [стр.68] [стр.69] [стр.70] [стр.71] [стр.72] [стр.73] [стр.74] [стр.75] [стр.76] [стр.77] [стр.78] [стр.79] [стр.80] [стр.81] [стр.82] [стр.83] [стр.84] [стр.85] [стр.86] [стр.87] [стр.88] [стр.89] [стр.90] [стр.91] [стр.92] [стр.93] [стр.94] [стр.95] [стр.96] [стр.97] [стр.98] [стр.99] [стр.100] [стр.101] [стр.102] [стр.103] [стр.104] [стр.105] [стр.106] [стр.107] [стр.108] [стр.109] [стр.110] [стр.111] [стр.112] [стр.113] [стр.114] [стр.115] [стр.116] [стр.117] [стр.118] [стр.119] [стр.120] [стр.121] [стр.122] [стр.123] [стр.124] [стр.125] [стр.126] [стр.127] [стр.128] [стр.129] [стр.130] [стр.131] [стр.132] [стр.133] [стр.134] [стр.135] [стр.136] [стр.137] [стр.138] [стр.139] [стр.140] [стр.141] [стр.142] [стр.143] [стр.144] [стр.145] [стр.146] [стр.147] [стр.148] [стр.149] [стр.150] [стр.151]