Физические основы измерения температур

Быстродействие термопрофиля обычно 25 строк/с, чувствительность 0,1 °С (при +20 °С), пространственная разрешающая способность 10' при поле обзора до 80°.

Система «Термопрофиль» предназначена для контроля протяженных движущихся объектов в процессе производства. Комбинация «Термопрофиля» с ЭВМ дает возможность автоматического управления температурным режимом в производственных процессах.

Применение гибких световодов в пирометрах позволяет, например, осуществлять контроль воспламенения воздушно-топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания. Для этого входные концы стекловолоконных жгутов устанавливаются в различных цилиндрах контролируемого объекта. Выходные торцы жгутов сформированы в виде одного кадра, что позволяет одновременно снимать на пленку процесс горения во всех контролируемых точках. При необходимости на ту же пленку может регистрироваться излучение эталонного источника, поданное по отдельному жгуту.

 

Быстрый поиск по Банку Рефератов:     | Описание работы | Похожие работы

 

Смотрите также: Расчет экономической эффективности применения тепловизионного контроля высоковольтного оборудования на примере: объектов обследованных с помощью тепловизора (Диплом, 2000) и Контроль качества (Лекция, 1999)

 

Широкое применение находят волоконно-оптические телевизионные пирометры. Они обладают рядом преимуществ - возможностью усиления контраста изображения, высоким качеством изображения, возможностью его размножения на несколько телевизионных приемников и на большом удалении от объекта.

Область спектральной чувствительности инфракрасных видиконов простирается до 2 мкм с максимумом около 1 мкм. Применение фотопроводяшего слоя из солей окиси свинца, обработанного серой, может сдвинуть границу чувствительности дальше 2 мкм. Разрешающая способность ИК видиконов достигает 10 мм'1. Температурная чувствительность 1 ... 3 °С в диапазоне 300... 600 °С.

Создание световодов из мышьяковисто-сернистых стекол, пропускающих инфракрасное излучение в диапазоне 1,5 ... 14 мкм, позволяет в сочетании с соответствующими детекторами (пировидикон, охлаждаемые фотосопротивления из сурьмянистого индия и др.) регистрировать тепловое излучение находящихся в труднодоступных полостях объектов с температурами 20 ... 100 "С. Эта световоды имеют высокий показатель преломления и апертуру, выше 1, что позволяет в сочетании с высоким уровнем топологической мобильности, присущей волокнистой оптике, создавать

системы контроля, энергетическая чувствительность которых значительно превосходит возможности классической оптики.

Тепловизионная аппаратура

В основу принципа действия тепловизионных приборов положено двухмерное преобразование собственного теплового излучения от объектов и местности, ил фона, в видимое изображение, что является одной из высших форм преобразования и хранения информации. Наличие в поле зрения регистрируемого теплового контраста позволяет визуализировать на мониторе полутоновые черно-белые, или адекватные им «псевдоцветные», тепловизионные изображения.

Тепловизионная техника обладает рядом достоинств и присущих только ей возможностей: обнаружение удаленных только теплоизлучаюших объектов (или целей) независимо от уровня естественной освещенности, а также до определенной степени - тепловых и других помех (дождя, тумана, снегопада, пыли, дыма и др.).

Начало развития тепловизионной техники было положено в конце 60-х годов исследованиями по двум основным направлениям: с использованием дискретных приемников излучения совместно с системами сканирования (развертки) изображения и приборов без механического сканирования на базе двухмерных ИК-приемников.

При этом можно условно выделить четыре поколения их развития.

Нулевое поколение - основано на применении единичных охлаждаемых приемников и двухмерной (строчной и кадровой) развертки с помощью сканирующей оптико-механической системы; первое поколение - на применении строчных линеек приемников и упрощенной кадровой развертки; второе поколение — на использовании сгруппированных нескольких линеек (с временной задержкой и накоплением) и более низкоскоростной системой развертки. Ко второму поколению можно также отнести вакуумные приборы с электронным сканированием приемной мишени - пироконы.

Принципиально новое третье направление основано на применении «одновременно смотрящих», т.е. фокально-плоскостных (FPA - Focal Plane Array), твердотельных многоэлементных матриц без использования вообще оптико-механических систем развертки изображения. При этом, для обеспечения высокой температурной чувствительности матрицы на квантовых приемниках должны иметь криогенное охлаждение. При использовании пироэлектрических матриц исключаются вакуумная электронная оптика и фокусирующе-отклоняющая система

Преобразователи с оптико-механическим сканированием (ПОМС) использовались главным образом на участке ИК-спектра 13 ... 15 мкм для анализа собственного теплового излучения объектов, пока не были созданы эффективные многоэлементные преобразователи

В приборах этого типа сканирование происходит перемещением объекта относительно неподвижного детектора излучения либо изменением направления оптической оси объектива с помощью системы вращающихся или колеблющихся зеркал.

Структурная схема тепловизора с оптико-механическим сканированием включает приемную оптическую систему /, детектор ИК-лучей 2, сканирующую систему 3, обеспечивающую последовательный просмотр объекта по заданному закону, усилитель 4, систему развертки и синхронизации 5 и кинескоп 6 (рис. 1).

Принцип действия тепловизора заключается в просмотре по заданному закону движения поверхности объекта узким оптическим лучом с угловым размером 8, сформированным системой объектив - приемник. Обзор происходит в пределах угла поля зрения (углы а и Р) за время Г, которое принято называть временем кадра. Угол 5 носит название мгновенного угла поля зрения.

Тепловизор позволяет выделять на тепловом изображении объекта области одинаковых температур с помощью изотерм, высвечивающихся на кинескопе. В нижней части кадра формируется серая шкала, которая используется для измерения температуры. При этом яркость отдельных участков изображения объекта сравнивают с яркостью элементов шкалы, для которой при калибровке прибора определяют температурный перепад, соответствующий переходу от белого до черного.

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 аналоговой и цифровой обработки изображения (выделение изотерм, обращение контраста, представление в псевдоцветах, термопрофильное квазиобъемное представление теплового поля и т.п.).

В последнее время широко применяют тепловизионные системы с блоками цифровой памяти, имеющие интерфейс и работающие в комплексе с мини-ЭВМ.

 

Быстрый поиск по Банку Рефератов:     | Описание работы | Похожие работы

 

Смотрите также: Контроль качества (Лекция, 1999) и Расчет тепловых нагрузок и выбор способа их покрытия (Курсовая, 2004)

 

Перспектива развития тепловизионных 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.

Рис 1 Структурная схема сканирующего тепловизора с охлаждаемым одноэлементным приемником излучения:

оптическая система; 2 - приемник излучения; 3 - сканирующее устройство; 4 - усилитель; 5 - система развертки и синхронизации; 6-электронно-лучсвая трубка

При тепловом контроле интегральных микросхем перемещение осуществляется с помощью двухкоординатного микрометрического столика, визуальный контроль - с помощью встроенного микроскопа. Объектив обеспечивает увеличение от х 10 до х 40, при этом достигается линейное разрешение 60 ... 20мкм температурное разрешение 0,2 ... 1 С.

В усилительном устройстве обеспечена линейная зависимость выходного напряжения от измеряемой температуры, что позволяет измерять температуру изделий.

В 1980 - 90-е года были разработаны и широко пользовались тепловизионные приборы, используют». пироконы. Они обеспечивают телевизионный стандарт изображения: 625 строк при частоте кадров 50 Гц. Применен способ обработки сигнала, исключающий мерцание. Синхронный двигатель приводит во вращение обтюратор, который перекрывает падающее тепловое излучение с частотой 25 Гц. Сигнал от предусилителя поступает в процессор кадров, в котором запоминаются и вычитаются чередующиеся поля (полукадры), в результате полезная составляющая сигнала удваивается, а неравномерности фона и шумы мишени, имеющие постоянную полярность, значительно уменьшаются. Далее чередующиеся поля инвертируются и формируется сигнал изображения постоянной полярности. Сигналы с усилителей «привязываются» к стандартному уровню черного в выходном сигнале. После выведения сигналов синхронизации и гашения полный сигнал, содержащий восемь градаций серого, может быть подан на любой монитор. Достигнуто температурное разрешение 0,3 °С при 50 линиях на диаметре мишени и относительном отверстии объектива 1:1.

Достоинством тепловизионных приборов с пироконом является возможность создания компактных малогабаритных приборов.

Тепловые приборы на пироконах занимали значительное место в мобильных средствах контроля и обзора окружающей среды. Поскольку прибор не требует специального охлаждения, он хорошо подходит для длительного наблюдения и контроля в сложных условиях.

Матричные ФПУ с коммутацией сигналов с помощью ПЗС.

В отличие от тепловизионных систем с одноэлементным фотоприемником и последовательным сканированием в тепловизоре с матричным ФПУ 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 одно элементным фотоприемником (при одной и той же частоте кадров).

Созданы матричные тепловизоры с быстродействием 50 кадр/с, числом элементов 512 х 512 ,.с чувствительностью 0,1 С термоэлектрическим охлаждением ИК-матрицы.

В последние годы охлаждаемые и пироконные тепловизоры интенсивно вытесняются малогабаритной тепловизионной техникой нового поколения

на базе неохлаждаемых матриц, сопряженных с ПЗС мультиплексорами. Эти приборы имеют малые габаритные размеры, массу и энергопотребление, обеспечивают бесшумную работу, высокое отношение сигнал/шум и качество тепловизионного изображения, широкий динамический диапазон при работе в режиме вещательного телевизионного стандарта, цифровую обработку в реальном времени, связь с ЭВМ и др.

Тепловизоры этого класса делятся на наблюдательные (показывающие) и измерительные (термографы).

Наблюдательные - предназначены, в основном, для обнаружения и визуализации на фоне тепловых помех удаленных теплоизлучающих объектов (или целей). Иногда они дополнительно содержат два встроенных автономных канала - пирометрический с лазерным целеуказателем и телевизионный, что позволяет им частично выполнять измерительные функции.

Измерительные - используются преимущественно для квалифицированной диагностики промышленных объектов. Температура в любом участке изображения оценивается по приводимой на экране монитора полутоновой или цветовой шкале.

Каждый из этих подклассов тепловизоров имеет свою специфику практического применения (нишу) и свои эксплуатационные возможности.

Блок-схема тепловизионного прибора третьего поколения приведена на рис. 2.

Подобный модульный принцип построения тепловизионной техники (SM - Standard Imaging Module) характерен для современного приборостроения.

 

Быстрый поиск по Банку Рефератов:     | Описание работы | Похожие работы

 

Смотрите также: Расчет тепловых нагрузок и выбор способа их покрытия (Курсовая, 2004) и Роль ТНК в международных экономических отношениях (Реферат, 2002)

 

Охлаждаемые фокально-плоскостные матрицы ИК-фотоприемников выполняются на основе различных химически чистых материалов: антимонида индия (InSb), халькогенидов свинца (PbS, PbSe), тройных соединений кадмий - ртуть - теллур — KPT (HgCdTe), силицида платины

Рис 2. Блок-схема тепловизионного прибора:

1 - ИК-объектив; 2 - матрица ИК-приемников; 3 - система  охлаждения или термостабилизации  матрицы; 4 - предварительные усилители; 5 - мультиплексор; 6 и 8 -аналоговый и  цифровой корректоры неоднородности  сигналов; 7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 9 - корректор неработающих (слепых) элементарных приемников, или пикселей, 10 - блок формирования изображений  со встроенным микропроцессором  обработки видеосигналов; 11 -ТВ монитор  или портативный электронный  видоискатель; 12 - видеовыход; 13 - окуляр (используется только с видоискателем); 14- тактовый генератор; 15- первичный  источник питания (аккумулятор) или  сетевой адаптер. (Примечание. В неохлаждаемых  тепловизорах п. 3 отсутствует, а  также зачастую - п.п. 6, 8 и 9)