СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ ПО ТЕПЛОВОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01J5/06 

Изобретение относится к средствам бесконтактного измерения температуры и может найти применение в машиностроительной промышленности, на транспорте и других отраслях для тепловидения при изменяющихся условиях окружающей среды, а также в качестве переносных пирометров.

Целью изобретения является повышение надежности преобразований.

На фиг.1 показана структурная схема устройства для осуществления предложенного способа; на фиг.2 структурная схема устройства для получения тепловизионного N-точечного изображения; на фиг.3 схема пирометрического варианта с рефлекторно-рефракторной фокусировкой; на фиг.4 структурная схема автономного ручного варианта пирометра.

Устройство контроля объектов по тепловому излучению содержит фокусирующе-диафрагмирующий оптический узел 1, прерыватель 2, термостатированный корпус 3, содержащий инфракрасный фильтр 4, инфракрасный датчик 5, датчик температуры 6, усилитель 7, нагреватель 8, электронный преобразователь 9 и индикатор 10.

Фокусирующе-диафрагмирующий оптический узел 1 (диафрагма на чертеже не показана) состоит из вогнутого зеркала 1.1, экрана 1.2 и окуляра 1.3, причем между экраном 1.2 и окуляром 1.3 фиксированное расстояние, а вогнутое зеркало 1.1 установлено с возможностью осевого перемещения.

Прерыватель 2 построен на электромагнитном принципе и выполнен в виде непрозрачной заслонки 2.1 для инфракрасного излучения. У электромагнитного привода 2.2 управляющий вход связан со вторым выходом преобразователя 9. Заслонка 2.1 в N-точечном устройстве для получения термограмм в соответствии с фиг. 2 состоит из неподвижной и подвижной, связанной с приводом 2.2, частей, имеющих соосные с датчиками 5.1-5,N N-отверстий.

Термостатированный корпус 2 представляет собой теплоизолятор с распложенным в нем нагревателем 8. В термостатированном корпусе помещены инфракрасный фильтр 4, инфракрасный датчик 5 и датчик температуры 6. Инфракрасный датчик 5 расположен соосно с инфракрасным фильтром 4.

Фильтр 4 выполнен из германия и предназначен для отсечения коротковолнового излучения.

Инфракрасный датчик 5 использует в своей основе пироэлектрик. Фильтр 4 и датчик 5 представляют собой пиромодуль типа ПМ-4.

Датчик температуры 6 полупроводниковый термодатчик, контактирующий с металлическим корпусом ПМ-4.

Усилитель 7 электронный усилитель.

Нагреватель 8 обмотка для прохождения электрического тока.

Электронный преобразователь 9 в зависимости от принимаемого вида тепловизионной или пирометрической реализации, как показано на фиг.2-4, имеет различную структуру: каналы усиления 9.0.1-9.0.N, коммутатор 9.1.1, аналого-цифровой преобразователь 9.2, микропроцессорный контроллер 9.3 ( для фиг. 2); усилитель 9.1, аналого-цифровой преобразователь 9.2, микропроцессорный контроллер 9.3 (для фиг.2 и 3); усилитель 9.1, пиковый детектор 9.1.2, аналого-цифровой преобразователь 9,2, переключатель 9.1.3, исходное положение которого показано на фиг. 4. Но в любом случае он реализуется промышленно выпускаемыми аналоговыми и цифровыми интегральными микросхемами. На фиг.2 аналоговые микросхемы реализуют узлы усилителей 9.0.1-9.0.N коммутатора 9.1.1, цифровые схемы реализуют узлы 9.2, 9.3. На фиг.3 аналоговая микросхемотехника в узле 9.1, цифровая в узлах 9.2 и 9.3. На фиг.4 аналоговая микросхемотехника в узлах 9.1 и 9.1.2, цифровая в узле 9.2. Второй выход преобразователя 9 подключен к управляющему входу прерывателя 2.

Узел 10 также в зависимости от пирометрической или тепловизионной реализации может быть выполнен по-разному. В тепловизионном варианте узел 10 дисплей на электронно-лучевой трубке, входящей в состав различных персональных ЭВМ. Для пирометров узел 10 электронный цифровой индикатор.

Способ контроля объекта по тепловому излучению реализуется в процессе работы устройства.

Контроль тепловых объектов устройством с одиночным инфракрасным датчиком 5 состоит в следующем.

Исходное инфракрасное излучение в блоке 1 рефлекторно отражается от передвигаемой при фокусировке вогнутой зеркальной поверхности объектива 1.1, попадает на экран 1.2 и собирается окуляром 1.3, служащим для фиксации фокусированного и диафрагмированного видимого излучения изображений контролируемых объектов. Управляемое прерывание с заданной частотой модуляции инфракрасного излучения осуществляют до фильтрации. Одновременно с визированием добиваются диафрагмирования и фокусировки на датчике прерывистого инфракрасного излучения, отраженного от зеркала 1.1. При этом сфокусированные на датчике 5 лучи проходят предварительно коротковолновую инфракрасную фильтрацию в фильтре 4, подогретом, как и металлический корпус пиромодуля с датчиком 5, до заданной температуры, термостатируемой корпусом 8 посредством теплоизолируемой следящей системы (датчик температуры 6, усилитель 7 и нагреватель 8). Таким образом, базовый уровень опорного сигнала задают нагревом фильтра. Малые размеры узлов 4 и 5, а также миниатюрного полупроводникового датчика 6 позволяют распределенному нагревателю 8 с помощью термоизоляции корпуса 3 добиться эффективного термостатирования. Термостатированием охватывают и преобразование инфракрасных сигналов в электрические.

В результате вывода динамического процесса модуляции инфракрасного излучения из термостабилизируемой зоны в пространство перед фильтром повышается надежность контроля.

Таким образом, на датчике 5 фокусируется только излучение от тепловых объектов, отличающееся от заданной температуры термостатированного нагрева.

Электрические сигналы с датчика 5 в электронном преобразователе 9 усиливаются усилителем 9.1, преобразовываются аналого-цифровым преобразователем 9.2 и формируются микропроцессорным контроллером 9.3. С его выходов соответствующие сигналы проходят на цифровую индикацию узла 10, а тактовые импульсные сигналы необходимой частоты модуляции управляют включением прерывателя 2.

При реализации устройства в упрощенном автономном варианте (см.фиг.4) сигналы с датчика 5 в электронном преобразователе 9, пройдя усилитель 9.1, попадают в пиковый детектор 9.1.2, где запоминаются максимально достигнутые значения. Затем аналого-цифровой преобразователь 9.2 передает цифровые сигналы в цифровой индикатор 10. Описанный цикл преобразования определяется нижним положением переключателя 9.1.3, посредством которого включается затвор прерывателя 2 с установленной на нем выдержкой.

Переключатель 9.1.3 переводят в верхнее положение для сброса пикового детектора 9.1.2 и установки его в исходное нулевое положение перед новым циклом пирометрии.

В тепловизионном варианте согласно фиг.1 и 2 работа устройства состоит в следующем.

Исходное инфракрасное излучение тепловых объектов контроля фокусируется с помощью оптического преобразователя 1, предварительно пройдя фильтр 4, в плоскости воспринимающих поверхностей инфракрасных датчиков 5.1-5.N. При этом термостатирование базовой температуры фильтра 4 и датчиков 5 поддерживается аналогично ранее рассмотренному. В электронном преобразователе 9 сигналы с датчиков 5.1-5.N параллельно проходят через усилители 9.0.1-9.0.N к быстродействующему коммутатору 9.1.1, который последовательно передает их для преобразования через узел 9.2 в цифровой код, перерабатываемый микропроцессорным контроллером 9.3. Контроллеp 9.3 вырабатывает тактовые сигналы, как частоты модуляции инфракрасного излучения для прерывателя 2, так и частоты опроса точечных сигналов коммутатором 9.1.1. Основное значение контроллера 9.3 передача числовой информации об амплитудах точечного поля в дисплей индикатора 10.

Для пирометрии при формировании измерительных сигналов электрические сигналы, преобразованные из инфракрасного излучения, усиливают, преобразуют в цифровые, программно обрабатывают и задают частоту модуляции инфракрасного излучения.

Исходное оптическое (инфракрасное) излучение рефлекторно фокусируют после коротковолновой фильтрации в плоскости инфракрасного датчика, одновременно для визирования оптического излучения в видимом диапазоне двукратно рефлекторно отражают и рефлекторно-рефракторно фокусируют.

Для автономного ручного контроля пpерывание инфракрасного излучения осуществляют однократно на время выбранной длительности пропускания излучения и индикации в режиме ручного контроля, для чего затвор прерывателя запускают вручную. При формировании измерительных сигналов после усиления запоминают максимально достигнутые значения.

Таким образом, приведенный пример реализации способа и устройства контроля тепловых объектов в сравнении с прототипом позволяет повысить надежность путем охвата термостатированием преобразования инфракрасных сигналов в электрические (повышение) помехоустойчивости за счет снижения влияния изменений температуры среды) с выводом динамического процесса модуляции инфракрасного излучения из термостабилизируемой зоны в пространство перед фильтром, нагрев которого является базовым уровнем опорного сигнала, при этом не требуется зеркальное отражение от прерывателя для измерения температуры и термостатируется статический пиромодуль, что также повышает надежность. Кроме того, использование оптических рефлекторных и рефракторных преобразований, фокусируя и диафрагмируя исходное изображение, позволяет исключить погрешности влияния фона и неоптимальности размеров контролируемых объектов на воспринимающей поверхности инфpакрасного детектора. Гибкость и простота электронного тракта преобразований определяет структурную и функциональную надежность. В частности, есть возможность простого импульсного управления частотой модуляции. На основе изложенного реализуется простая и надежная тепловизионная структура с возможностью не только представления изображения необходимого качества и цветности, но и с эффективной его обработкой при стыковке с персональной микроэВМ, что особенно важно в реальном времени контроля.

Сущность изобретения: для контроля тепловых объектов фокусируют и диафрагмируют исходное инфракрасное излучение, управляемое прерывание осуществляют до фильтрации, базовый уровень опорного сигнала задают нагревом фильтра, термостатированием охватывают и преобразование инфракрасных сигналов в электрические. Устройство содержит фокусирующе-диафрагмирующий оптический узел и прерыватель, управляющий вход которого подключен к одному из выходов электронного преобразователя, а инфракрасный датчик расположен в термостатированном корпусе. 2 с.п. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ контроля объектов по тепловому излучению, в соответствии с которым излучение объекта фокусируют, диафрагмируют, фильтруют и термостатированно преобразуют инфракрасное излучение в электрические сигналы, которые формируют и индицируют, отличающийся тем, что дополнительно до фильтрации осуществляют прерывание с заданной частотой модуляции и задают нагревом фильтра базовой уровень опорного сигнала. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что преобразование инфракрасных сигналов в электрические и формирование измерительных сигналов осуществляют параллельно по N каналам, последовательно коммутируют и преобразуют их из аналоговой формы в цифровую, программно обрабатывают с выработкой сигналов графического изображения поля. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рефлекторно фокусируют излучение в плоскости инфракрасного датчика и рефлекторно отражают для визирования в видимом диапазоне коаксиально расположенную часть исходного потока излучения, которую рефлекторно-рефракторно фокусируют. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прерывание излучения осуществляют однократно на время выбранной длительности пропускания излучения в режиме ручного контроля. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формировании измерительных сигналов после усиления запоминают максимально достигнутые значения. 6. Устройство контроля объектов по тепловому излучению, содержащее термостатированный корпус, инфракрасный фильтр, датчик температуры, подключенный к усилителю, выход которого соединен с нагревателем корпуса, прерыватель, инфракрасный датчик, подключенный к электронному преобразователю, первый выход которого соединен с индикатором, отличающееся тем, что дополнительно содержит фокусирующе-диафрагмирующий оптический узел, расположенный перед инфракрасным фильтром, управляющий вход прерывателя подключен к второму выходу электронного преобразователя, а инфракрасный датчик термостатирован. 7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что соосно с фильтром в термостатированном корпусе установлена матрица инфракрасных датчиков, выходы которых в электронном преобразователе подключены соответственно через усилители к выходам коммутатора, выход которого соединен через аналого-цифровой преобразователь с входом микропроцессорного контроллера, первый выход которого подключен к индикатору, второй к прерывателю, а третий к управляющему входу коммутатора. 8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что электронный преобразователь содержит последовательно соединенные усилитель, аналого-цифровой преобразователь микропроцессорный контроллер. 9. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что электронный преобразователь содержит ключ и пиковый детектор, вход которого соединен через усилитель с выходом инфракрасного датчика, выход сброса подключен к первому выводу ключа, средняя точка которого соединена с общим "нулевым" проводом, второй вывод с прерывателем, а информационный выход пикового детектора через аналого-цифровой преобразователь соединен с индикатором.