РАДИАЦИОННЫЙ ПИРОМЕТР Российский патент 1996 года по МПК G01J5/08 

Изобретение относится к технической оптике и может быть использовано для измерения абсолютных величин потоков ИК излучения с нормированной точностью при аттестациях, поверках и испытаниях инфракрасных оптических приборов, дистанционных измерений параметров процессов в различных средах, в том числе в полевых условиях.

Известно устройство для бесконтактного измерения температуры [1] содержащее объектив, модулятор, устройство визуальной наводки, два опорных излучателя, а также измерительно-преобразовательное устройство (фотоприемник и усилительная схема).

Однако это устройство имеет следующие недостатки. Кассегреновский объектив дает неполное заполнение рабочей апертуры приемника потоком излучения от опорных излучателей или от объектов наблюдения, что создает некоторый телесный угол; внутри которого вариации потоков излучения не поддаются контролю, в области собственного излучения (8-14 мкм) подобная засветка приемника, кроме внесения дополнительной погрешности измерений, исключает применение в качестве приемника высокочувствительных ФПУ, например глубокоохлаждаемых сверхпроводящих болометров. Кроме того, при использовании в этом устройстве в визире зеркальной пластины невозможно отслеживание движущегося объекта, при использовании светоделительной пластины происходит дополнительная потеря чувствительности устройства, связанная с введением визуального канала, использование цветоделительной пластины (дихроичное зеркало) приводит к возникновению поляризационной чувствительности.

Наиболее близким к изобретению является радиационный пирометр для измерения энергетической яркости в тепловой области спектра в летных и полевых условиях [2] состоящий из двух оптических каналов: канала измеряемого излучения, опорного канала и общей части оптического тракта. Канал измеряемого излучения состоит из входного окна, зеркального объектива, опорный канал содержит опорный излучатель, входное окно, зеркальный объектив, в общей части зеркальный модулятор, усилительно-преобразовательная схема с фотоприемником.

Точность измерений этим пирометром снижается за счет использования объектива Кассегрена. Кроме того, использованы разнесенные входные окна, из-за чего воздействие окружающей среды на оптические поверхности и опорные излучатели неодинаково и измерительный и опорный каналы не скомпенсированы.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Цель достигается тем, что в радиационный пирометр, содержащий опорный излучатель и оптически сопряженные с ним входное окно, первый зеркальный объектив, зеркальный модулятор и фотоприемник с усилительно-преобразовательной схемой, а также второй зеркальный объектив, оптически связанный с входным окном, модулятором и фотоприемником, дополнительно введены второй опорный излучатель, апертурная диафрагма, устройство визуальной наводки, два плоских зеркала и плоское сканирующее зеркало, при этом плоское сканирующее зеркало установлено между входным окном и вторым зеркальным объективом, опорные излучатели оптически связаны с фотоприемником с помощью двух плоских зеркал, установленных между входным окном и первым зеркальным объективом, одно из которых выполнено с возможностью занимать два фиксированных положения, причем первый зеркальный объектив выполнен в виде зеркального эллипсоида, а второй объектив выполнен в виде зеркального параболоида, причем оба объектива внеосевые, апертурная диафрагма расположена перед приемной площадкой фотоприемника, а устройство визуальной наводки оптически связано с модулятором и вторым зеркальным объективом.

На чертеже показана схема предлагаемого радиационного пирометра.

Радиационный пирометр состоит из входного окна 1 (например, стекло KRS-5, прозрачное в видимом и ИК диапазонах), оптических систем для проецирования излучения от измеряемого объекта и от двух опорных источников 2 и 3 в плоскость приемника 6 излучения, поле зрения которого ограничено апертурной диафрагмой 5, а коммутация потоков излучения от измеряемого объекта и опорных источников осуществляется при помощи модулятора 4 с зеркальными лопастями, расположенного перед апертурной диафрагмой 5 таким образом, что излучение от измеряемого объекта оптически связано с приемником 6 излучения, расположенным в фокусе обоих объективов, посредством зеркальной лопасти модулятора 4, а излучение от опорных источников 2 и 3 посредством прозрачного сектора модулятора. Оптические оси опорного и измерительного объективов после модулятора совпадают. Кроме того, оптические пути опорного и измерительного каналов одинаковы, причем оптическая схема измерительного канала включает сканирующее зеркало 7 и объектив 8, выполненный по внеосевой схеме в виде зеркального параболоида, а оптическая схема опорного канала включает два плоских зеркала 9 и 10 (зеркало 9 подвижное, с двумя фиксированными положениями для просмотра опорных источников) и объектива 11, выполненного по внеосевой схеме в виде зеркального эллипсоида. Опорные излучатели выполнены в виде излучающих полостей с большим коэффициентом излучения, разной термодинамической температурой и закреплены с внешней стороны входного окна радиометра. Наводка на объект и слежение за ним осуществляется с помощью устройства 12 визуальной наводки.

Измерение энергетической яркости объекта проводится в приведенном ниже порядке.

В исходном положении (при выключенном сканере) оператором вручную осуществляется наводка на измеряемый объект с использованием оптического визира (устройства 12), после чего включается сканирующее зеркало 7 измерительного канала. Подвижное зеркало 9 опорного канала устанавливается в первое фиксированное положение, при котором в поле зрения приемника (на просвет модулятора) находится первое черное тело. В результате измерений будет получен массив амплитуд сигналов U1i для всей строки. Затем зеркало 9 переключается во второе фиксированное положение, при котором в поле зрения приемника (на просвет модулятора) находится второе черное тело, и в результате измерений будет получен второй массив амплитуд выходного сигнала U2i для этой же строки. По показаниям термодатчиков определяется термодинамическая температура первого и второго черных тел, и затем по расчетным таблицам функции Планка, составным с учетом относительной спектральной чувствительности радиометра "Яркость-температура", находится их энергетическая яркость: L(T1) и L(T2). Яркость j-той точки в строке Lj(X) находится по формуле
Lj(x)
Радиальная температура j-той точки строки находится по вычисленному значению яркости по таблицам "Яркость температура". При нахождении термодинамической температуры излучающей поверхности объекта необходимо учесть коэффициент черноты излучения.

Кроме того, можно измерить разность яркостей или радиационных температур двух точек (m и n) в строке, для чего предварительно необходимо определить градуировочный коэффициент радиометра, при этом проводятся замеры, аналогичные описанным выше, но при выключенном сканирующем зеркале 7, в результате которых будут найдены U1, T1 от первого опорного излучателя и U2, T2 от второго опорного излучателя. По таблицам "Яркость температура", по T1 и T2 находятся энергетические яркости опорных излучателей L1 и L2. Градуировочный коэффициент рассчитывается по формуле
K после чего перепад яркостей между двумя точками m и n в строке с соответствующими им сигналами U1m и U1n определяется по формуле
dLmn
Перепад радиационных температур находится по таблицам "Яркость температура" по вычисленному перепаду яркостей и полученной ранее энергетической яркости любой из выбранных точек (m или n) в строке.

Входное окно защищает устройство от атмосферных воздействий, что позволяет работать при неблагоприятных условиях (пыль, агрессивные среды и т. п. ). Кроме того, оптическая схема энергетически скомпенсирована, поскольку, во-первых, содержит общее входное окно для измерительного и опорного каналов и воздействие вышеперечисленных условий на все оптические поверхности одинаково, во-вторых, имеет одинаковое число отражающих поверхностей в измерительном и опорном каналах, что позволяет избежать введения поправок на температуру окружающей среды, а значит, увеличить время межповерочного интервала либо существенно уменьшить погрешность измерения. Кроме того, наличие полевой диафрагмы обеспечивает постоянную апертуру приемника c полным заполнением ее потоками излучения от опорного излучателя или от объекта, что исключает влияние изменения формовых засветок, например при изменении температуры корпуса прибора, а наличие визира дает возможность производить измерения в процессе движения наблюдателя или объекта наблюдения.

Использование: в технической оптике при метрологическом обеспечении инфракрасных оптических приборов. Сущность изобретения: пирометр позволяет проводить метрологическую аттестацию и периодическую поверку стендов для испытаний тепловизионной и радиометрической аппаратуры, образцовых и рабочих излучателей типа МЧТ в цеховых и полевых условиях. Особенностью оптической схемы пирометра является использование общего входного окна для опорного и измерительного каналов, кроме того, оба канала скомпенсированы по количеству пропускающих, отражающих поверхностей и апертурным углам. 1 ил.

РАДИАЦИОННЫЙ ПИРОМЕТР, содержащий опорный излучатель и оптически сопряженные с ним входное окно, первый зеркальный объектив, зеркальный модулятор и фотоприемник с усилительно-преобразовательной схемой, а также второй зеркальный объектив, оптически связанный с входным окном, модулятором и фотоприемником, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй опорный излучатель, аппертурная диафрагма, устройство визуальной наводки, два плоских зеркала и плоское сканирующее зеркало, при этом плоское сканирующее зеркало установлено между входным окном и вторым зеркальным объективом, опорные излучатели оптически связаны с фотоприемником с помощью двух плоских зеркал, установленных между входным окном и первым зеркальным объективом, одно из которых выполнено с возможностью занимать два фиксированных положения, причем первый зеркальный объектив выполнен в виде зеркального эллипсоида, а второй объектив выполнен в виде зеркального параболоида, причем оба объектива внеосевые, апертурная диафрагма расположена перед приемной площадкой фотоприемника, а устройство визуальной наводки оптически связано с модулятором и вторым зеркальным объективом.