Призначення, огляд розвитку і класифікація тепловізорів

 

                               Рисунок 2 - Схема оптичного пірометра

 

Оптичний пірометр складається з: 1 - об'єктив; 2 - послабляє світлофільтр; 3 - температурна лампа; 4 - нитка розжарювання температурної ламди; 5 - монохроматичний світлофільтр; 6 - окуляр; 7 - мілівольтметр; S-реостат; 9 - движок реостата; 10 - кільцева рукоятка реостата: рукоятка приладу.            Спосіб безконтактного вимірювання температури за аналізом світлового випромінювання розігрітого об’єкту називають оптичною пірометрією. Той факт, що сила випромінювання в тепловому діапазоні, необхідна для вимірювання температури об’єкту без контакту з ним, має властивість різко спадати зі зменшенням його темпер тари довгий час був причиною того, що оптична пірометрія застосовувалася лише для температур близько 1 000 °С та вище. Однак, з появою інфрачервоних пірометрів, або радіометрів, як їх ще називають, вирішила цю проблему.   
    Оптичні температурні вимірювання ґрунтуються найчастіше на вимірюванні сили теплового випромінювання, в деяких випадках – навпаки, на фіксації рівня поглинання тепла фізичними тілами.  
   

1.2.3.2 Радіаційні пірометри

 

  Принцип дії радіаційних пірометрів полягає в тому, що потік теплового випромінювання, що випускається розжареним тілом, вловлюється і фокусується на тепло чуттєвою  частини приладу, з'єднаної з термопарою.  
 Принципова схема радіаційного пірометра показана на рисунку 2. Він складається з корпуса 6, що має об'єктив 2, який вловлює, тепловий потік і направляє його на тепло чуттєвою частиною 1 приладу. Ця частина являє собою хрестоподібну пластину з платини, покриту платиновою черню. До цієї пластини припаяні чотири гарячих спаю хромель-капелевих термопар, що утворюють термобатарею. При нагріванні або охолодженні тепло чуттєвою  частини також нагріваються або охолоджуються гарячі спаї цієї термобатареї. Таким шляхом досягається збільшення електрорушійної сили і,отже, збільшується точність приладу.

 

 

                            Рисунок 3 - Схема радіаційного пірометра

 

Радіаційний пірометр складається з: 1 – термочутєва частина; 2 - об'єктив; 3 - діафрагма; 4 - температурна лампа; 5 - мідний кожух; 6 - корпус; 7 –

світлофільтр; 8 - окуляр; 9 - температура; 10 – мілівольтметр.

Платинова пластинка  і термопари укладені в скляну температурну лампу 4, закриту почорніння мідним кожухом 5. В мідному кожусі є отвори для проходу теплових промінів  на тепло чуттєву частина приладу і для спостереження за правильністю фокусування. Через цоколь лампи виведені кінці термопар і приєднані всередині приладу до клем.  
 При фокусуванні приладу потрібно домагатися того, щоб розпечене тіло було віднов в телескопі і закривав би все поле зору. Якщо зображення буде більше або менше поля зору, то умови спостереження будуть відрізнятися від градуювальник і результат вимірювання буде неправильним. Чіткість зображення для правильної наведення досягається переміщенням окуляра 8. Щоб оберегти очей спостерігача від яскравого світла, можна користуватися світлофільтром 7, який переміщують за допомогою ручки, розташованої поруч зклемами. 
 Для вимірювання величини електрорушійної сили, возбуждаємій в термобатареї радіаційного пірометра, користуються або гальванометром, або потенціометром, які повинні бути градуйовані  в градусах по температурі випромінювання абсолютно чорного тіла.  
 Справжню температуру розпеченого реального тіла, виміряної радіаційним пірометром визначають введенням поправок з урахуванням коефіцієнта чорноти реального тіла, температуру якого вимірюють. Для цього користуються спеціальними таблицями коефіцієнтів чорноти повного випромінювання матеріалів при різних істинних температурах, а також таблицями співвідношень між температурою, виміряної радіаційним пірометром, або радіаційної температурою і істинною температурою в залежності від коефіцієнта чорноти повного випромінювання.  
 За допомогою радіаційних пірометрів повного випромінювання можна вимірювати температуру від 900 °С до 1800 °С і навіть до 2000 °С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                         

 

 

                                      

 

                                            2 ОСНОВНА ЧАСТИНА

 

3. Тепловізор

 

2.1.1  Призначення, огляд розвитку і класифікація тепловізорів

 

Тепловізори - пристрої, призначені для спостереження нагрітих об'єктів за їх власним тепловому випромінюванню. Вони перетворять невидиме оком людини інфрачервоне випромінювання в електричні сигнали, які після підсилення і автоматичної обробки знову перетворюються на видиме зображення об'єктів.

На відміну  від зображень у видимій та ближній інфрачервоній областях спектру, отриманих за рахунок відбитого  випромінювання об'єкта і відмінностей в відбивної здатності його елементів і відображає фону, теплові (інфрачервоні) зображення створюються за рахунок власного теплового випромінювання об'єкта і визначаються відмінностями в температурі і випромінювальної здатності його елементів і навколишнього фону. Зміни температури поверхні випромінювання об'єкта в певній мірі відповідають деталям візуально спостерігається картини, тому створювані тепловізором зображення в основному відповідають уявленням про форму та розміри розглянутих об'єктів.

Першим тепловізором умовно можна вважати евапорограф, в якому різниця температур розглянутого об'єкта і навколишнього його тла перетворювалася в різницю товщин масляної плівки, нерівномірно випаровувалась в процесі нагрівання (евапорографія - реєстрація випаровуванням). В основу пристрою евапорографа були покладені досліди Джона Гершеля, який використовував для евапорографіі тонку фільтрувальний папір, змочену спиртом і закопчену з боку, зверненої до спостережуваного об'єкту (1840 р.).

У евапорографі Черні (1927 р.) використовувалося не випаровування  спирту, а сублімація нафталіну і  камфори . Під час другої світової війни в Німеччині був створений  вдосконалений варіант евапорографа Черні - ЕУА. Аналогічний прилад був побудований в Кембриджі (США) в 1950 р. У Радянському Союзі співробітниками ГОІ імені С. І. Вавилова був розроблений евапорограф ЕВ-84. Всі ці конструкції евапорографів належали до класу не скануючих тепловізорів і не набули широкого застосування через властивих їм недоліків. Час необхідний для отримання зображення в евапорографах, досягало десятків секунд; роздільна здатність по температурі становила близько 1 °С.

Іншим приладом, що належать до класу не скануючих тепловізорів, був еджеограф. Принцип його дії заснований на температурній залежності довгохвильової межі смуги власного поглинання деяких матеріалів (наприклад, селену): край смуги поглинання зміщується при зміні температури. Якщо через плівку селену пропускати монохроматичне випромінювання від допоміжного джерела з довжиною хвилі, близької до довгохвильової кордоні смуги поглинання, інтенсивність минулого через плівку випромінювання буде залежати від її температури. Це явище покладено в основу пристрою приладу, за допомогою якого можна було спостерігати і фотографувати тепловипромінюючі об'єкти. Еджеограф дозволяв фіксувати перепади температур порядку 10 °С при роздільній здатності 2 лін./мм і постійної часу 2 мс.

 

2.1.2 Тепловізори  з оптико-механічним скануванням.  Основні елементи тепловізорів  з оптико-механічним скануванням.

 

Для отримання видимого зображення тепло випромінювання об'єкта в тепловізорах з оптико-механічним скануванням здійснюють розкладання (розгорнення) об'єкта на деяке число елементарних майданчиків. Кожна така площадка, звана елементом розкладання, є найменшою деталлю, яку може відтворити дана система. Аналіз потужності теплового випромінювання окремих елементів проводиться ПІ, з виходу якого послідовно в часі знімаються сигнали, що містять інформацію про тепло-випромінюючі об'єкті та довколишньому фоні. Таким чином, двовимірний розподіл яскравості у просторі об'єктів в результаті сканування перетворюється в одномірне розподіл напруги на навантажувальними резисторами ПІ. Сигнали з приймача передаються по одному каналу в індикатор відео пристрої (СКУ), який перетворює їх у видиме зображення. Найчастіше як індикатора ВКУ використовують електронно-променеву трубку (кінескоп). Так як в кожен момент часу на екрані кінескопа відтворюється тільки один елемент зображення, закон руху електронного променя кінескопа повинен бути ідентичний закону розгорнення, що досягається застосуванням синхронізуючих елементів.

Принцип дії  тепловізора з оптико-механічним скануванням полягає в наступному. Теплове випромінювання об'єкта і навколишнього його тла, пройшовши через шар атмосфери, що розділяє тепловізор і спостережуваний об'єкт, фокусується об'єктивом на чутливий майданчик ПІ. Скануючий пристрій здійснює розгортку об'єкта, послідовно направляючи на ПІ зображення різних елементів об'єкта. Після посилення і перетворення телевізійного сигналу підсилювачем, сигнал подається в індикатор ВКУ, який формує видиме зображення об'єкта або записує сигнал не будь реєстратором. У ВКУ надходять також синхронізуючі сигнали від елементів, що зв'язують СКУ з скануючим пристроєм.

Структурні  схеми реальних тепловізорів більш складні, ніж розглянута схема. Крім згаданих основних елементів тепловізора до його складу можуть входити допоміжні елементи (пристрої інформаційно-вимірювального забезпечення, елементи стабілізації відеосигналу, додатковий монітор зі збільшеними розмірами екрану, стробіруючий пристрій для отримання нерухомих термограм обертових об'єктів, насадки, що дозволяють проводити фото і кінозйомку з екрану кінескопа та інше). Як правило, в тепловізорах з оптико-механічним скануванням об'єктив, скануючий пристрій і ПІ скомпоновані в одному блоці, званому тепловізійної камерою, підсилювач і перетворювач відеосигналів, а також ВКУ - у другому блоці. Можливе об'єднання обох блоків або розміщення перших каскадів підсилювача (передпідсилювача) в камері, де розташовуються елементи синхронізації, пов'язані кінематично з скануючим пристроєм.

Головним параметром приймачів інфрачервоного випромінювання є поріг чутливості - мінімальний потік випромінювання, який викликає на виході приймача сигнал, рівний напрузі шумів, або перевищує його в заданий число раз.

 

2.1.3 Структурні  та функціональні схеми тепловізорів  з електронним скануванням

 

Тепловізори з Відіконом. У передавальній камері тепловізора з електронним скануванням зображення спостережуваного об'єкта проеціруете міццю оптичної системи на мішень телевізійної передавальної типу відікон, чутливою до короткохвильовому інфрачервоному випромінюванню, яка перетворює електронне зображення у відеосигнал.

 

                                        

 

Рисунок 4 - Структурна схема тепловізора з електронним скануванням

 

де: 1 - оптична  система; 2 - блок передавальної телевізійної трубки; 3 - блок кадрової і рядкової розгорток передавальної трубки; 4 - попередній підсилювач відеосигналу; 5 - відеотракт; 6-генератор гасячих і синхронізуючих імпульсів; 7 - блок приємний телевізійної трубки; 8 - блок кадрової і рядкової розгорток приймальної трубки; 9 - блок синхронізації

Для розгорнення  зображення на відхиляючої систему  трубки подаються напруги пилкоподібної форми малої та кадрової частот, що виробляються блоком розгортки. Узгодження в часі руху електронного променя по екрану приймальної трубки з рухом променя по мішені передавальної трубки здійснюється за допомогою синхронізуючих імпульсів, що подаються під час зворотного ходу променя. При цьому системи розгортки передавальної приймальні трубок повинні працювати синхронно і синфазно.  
 Синхронізуючі імпульси формуються на передавальної частини телевізійної системи та замішуються у відеосигнал. Відеосигнал, що складається з сигналу зображення, що гасять і синхронізуючих імпульсів, називаються повним телевізійним сигналом. Він надходить на приймальну телевізійну трубку, змінюючи яскравість світіння екрана. Для отримання зображення електронний промінь приймальної трубки переміщається по площині екрану впливом напруг пилкоподібної форми малої та кадрової частот, що виробляються блоком розгорток. Одночасно з подачею на приймальню трубку телевізійний сигнал надходить на блок синхронізації, де синхронізуючі імпульси виділяються з нього, поділяються на рядкові і кадрові та надходять на відповідні генератори блоку розгорток приймальної трубки.

Тепловізор  з електронним скануванням містить  наступні основні блоки: 
оптичну систему, що представляє собою об'єктив, виготовлених з оптичного матеріалу, який пропускає інфрачервоне випромінювання в спектральному діапазоні чутливості відікона; блок передавальної телевізійної трубки, що складається з самої передавальної трубки, чутливої ​​до інфрачервоного випромінювання, а також з фокусуючою і відхиляючою системою (ФВС). Остання складається з двох пар котушок для відхилення електронного променя по горизонталі і вертикалі. Поверх цих котушок поміщається фокусуюча котушка. Іноді для підвищення якості зображення в ФВС вводять коригувальні котушки, що виправляють траєкторію променя на краях растру. Габарити ФВС вітчизняного виробництва: діаметр 60 мм, довжина 115 ... 142 мм.  
 Генератор рядкової розгортки генерує пилковидні напруги з частотою    15 625 Гц (при стандарті розкладання 625 рядків і 25 кадрів/с), а генератор кадрової розгортки - пилковидні напруги з частотою 50 Гц; попередній підсилювач відеосигналів; відеотракт, що складається з видео підсилювача і ряду каскадів, необхідних для замішування у відеосигнал різних службових сигналів. На виході видеотракта виходить повний телевізійний сигнал позитивної полярності з розмахом близько 1 В на навантаженні 75 Ом і ставленням сигнал/шум, рівним 30 в смузі частот від 50 Гц до 7,5 МГц; синхрогенератор, що виробляє кадрові синхронізуючі імпульси, кадрові і рядкові гасять імпульси приймальної і передавальної трубок;блок синхронізації, що виділяє з повного телевізійного сигналу синхронізуючі імпульси, які надходять на блок розгортки приймальної телевізійної трубки; блок приймальної телевізійної трубки, що складається з самої приймальної трубки (кінескопа) і ФВС; блок кадрової і рядкової розгорток, що виробляє періодично змінюються напруги, що подаються в ФВС для відхилення електронного променя у двох взаємно перпендикулярних напрямках. 
 До тепловізора  з електронним скануванням відноситься прилад         ДТП-103, призначений для аналізу теплових полів і розроблений в Московському інституті радіотехніки, електроніки та автоматики АТП-103 дозволяє досліджувати в реальному масштабі часу стаціонарні теплові поля порівнянням теплового випромінювання еталонного і досліджуваного об'єктів в діапазоні температур 250-1200 °С з похибкою ± 1 %.  
 Якісний аналіз досліджуваного об'єкта проводять по чорно-білому півтонуванні теплового поля на екрані відеоконтрольного пристрої (СКУ) з пропорційною залежністю яскравості від температури. Кількісні вимірювання проводяться порівнянням потужності випромінювання від об'єкта і еталонного випромінювача, або методом ізотерм, який дозволяє виявити на екрані ВКУ області, температура яких перевищує встановлений рівень. Координатна прив'язка ізотерм проводиться накладенням їх на зображення теплового поля. Крім того, прилад дозволяє вимірювати температуру по виділеній рядку, для чого профілограми виводять на екран осцилографа.  
 Випромінювання від досліджуваного об'єкта надходить через об'єктив і фільтр на мішень видикона, чутливого в інфрачервоній області спектра. Отриманий на мішені потенційний рельєф зчитується електронним пучком, відхилення якого по рядках і кадру виконується ФВС. Вихідний сигнал відікона після посилення надходить до блоку обробки сигналу (БОС), де формується стробірующій імпульс по рядках і кадру. Він визначає геометричні розміри зони, в якій вимірюється температура методом заміщення. У БОС амплітуда сигналу видикона, пропорційного температурі в контрольованій зоні об'єкту, порівнюється з амплітудою сигналу, одержуваного від еталонного випромінювача. Ізотерми формуються на компараторі; на його вхід надходять сигнали від еталонного джерела напруги і вихідний відеосигнал, прив'язаний до заданого рівня. Сигнали, що формують теплопортрет, ізотерми і стробірующие імпульси, підсумовуються і надходять на ВКУ, на екрані якого відтворюється зображення досліджуваного об'єкта.  
 Технічні характеристики тепловізора: температурний дозвіл 3 °С (при температурі об'єкта 310 °С); поле зору 4 × 6 °; геометричне дозвіл не гірше 5 мрад; число кадрів в секунду 25; число рядків в кадрі 625.  
 Тепловізор АТП-103 конструктивно виконаний у вигляді чотирьох блоків приймальної камери, БОС, ВКУ і пульта управління. Зв'язок між ними здійснюється кабелями зі штепсельними роз'ємами.