УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА Российский патент 2023 года по МПК G01J5/00 G01J5/02 

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для бесконтактного измерения поля температуры на поверхности объекта, в частности печатной платы радиоэлектронного устройства.

Известны технические решения, относящиеся к бесконтактным измерениям температуры на поверхности объекта.

В частности, известен способ измерения поля температуры при неразрушающей диагностике дефектов сквозных отверстий печатных плат (ПП) [RU 2761863, С1, Н05К 13/0817, 13.12.2021], согласно которому верхнюю кромку металлизации отверстия в течение времени t_нагр нагревают лучом лазерного излучения заданной мощности, сфокусированным по ее границам, где t_нагр ≈ 3(8r)²/a_т, r - радиус отверстия, а_т - температуропроводность материала ПП, по окончании нагрева бесконтактным способом с помощью ИК-камеры измеряют температуру верхней Т_B и нижней Т_H кромок металлизации отверстия, а о дефектах отверстия судят по разности этих температур δT = Т_B - T_H и по отношению их приращений: ΔТ_В/ΔТ_Н, где ΔТ_В = Т_В - Т₀, ΔТ_Н = Т_Н - Т₀, Т₀ - начальная температура.

Недостатком этого технического решения является относительно узкая область применения, так как оно позволяет измерить разность или отношение температур выделенных участков, находящихся на разных сторонах платы, и не позволяет измерить поле температуры, например, на поверхности печатной платы радиоэлектронного устройства.

Известен также способ бесконтактного измерения пространственного распределения температуры и излучательной способности объектов без сканирования [RU 2721097, С1, G01J 5/08, 15.05.2020], заключающийся в формировании светового пучка широкополосного излучения, идущего от объекта, фокусировке излучения и формировании изображения объекта, а также регистрации изображения объекта матричным приемником излучения и цифровой обработке изображения, при этом, разделение светового пучка осуществляется с помощью линзового растра, состоящего из заданного числа линз, фокусирующих изображения на матричном приемнике излучения, установленного между оптической системой и матричным приемником излучения, регистрация пространственно разнесенных спектральных изображений объекта выполняется установленным перед матричным приемником излучения растром, состоящим из светофильтров, число и положение которых соответствует числу и положению линз в линзовом растре, при этом кривые пропускания этих светофильтров соответствуют заданным положениям спектральных каналов.

Недостатком этого технического решения является относительно низкая точность измерения поля температуры, вызванная искажениями при разделении светового пучка с помощью линзового растра, состоящего из заданного числа линз.

Кроме того, известно устройство для измерения температуры и степени черноты серых тел [RU 113580, U1, G01J 5/02, 20.02.2012], включающее контролируемое тело и измерительный прибор, а также микропроцессор и регистрирующий прибор, при этом в качестве измерительного прибора применен блок пирометров, содержащий радиационный и яркостный пирометры.

Недостатком этого технического решения является относительно узкая область применения, поскольку оно не позволяет бесконтактно измерить поле (распределение) температуры на поверхности объекта со сложными рельефами распределения температуры.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является техническое решение [RU 1654734, А1, G01N 25/52, 07.06.1991], согласно которому объект и эталонный излучатель устанавливают в замкнутую полость, оптически связанную с приемной камерой, причем, внутренняя поверхность полости имеет известную излучательную способность и диффузный характер отражения в спектральном диапазоне работы приемной камеры регистрирующей системы, регулируют температуру эталонного излучателя до достижения равенства плотностей полного теплового потока объекта и эталонного излучателя, затем измеряют температуру полости и соответствующие тепловые потоки эталонного излучателя и собственные тепловые потоки полости, а из равенства между соответствующими потоками определяют температуру объекта.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкая область применения, поскольку оно не позволяет бесконтактно измерить поле (распределение) температуры на поверхности объекта со сложными рельефами распределения температуры. Это снижает точность измерения поля температуры и сужает арсенал технических средств, которые могут быть использованы для бесконтактного измерения поля температуры на поверхности объекта со сложными рельефами ее распределения, например, на печатной плате радиоэлектронного устройства.

Задачей настоящего изобретения является разработка устройства для измерения поля температуры на поверхности объекта со сложными рельефами распределения температуры, например, поля температуры на поверхности печатной платы радиоэлектронного устройства, с одновременным повышением точности измерений и обеспечивающего расширение арсенала технических средств, которые могут быть использованы для бесконтактного измерения поля температуры на поверхности объекта со сложными рельефами изменений температуры.

Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства и повышении точности бесконтактного измерения полей (распределений) температуры на поверхности объекта со сложными рельефами распределения температуры, например, на печатной плате радиоэлектронного устройства, с одновременным расширением арсенала технических средств, которые могут быть использованы для бесконтактного измерения поля температуры на поверхности объекта со сложными рельефами изменений температуры.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее камеру, в которой установлены нагреватель, управляемый сигналом с первого выхода блока терморегулирования, а также объект и эталонный излучатель, оптически связанные с оптическим блоком через прозрачное окно в камере, согласно изобретению введены блок управления, в качестве которого используют управляющий компьютер, блок регистрации излучения объекта, вход которого соединен с первым выходом оптического блока, а выход соединен с первым входом управляющего компьютера, блок регистрации излучения эталонного излучателя, в качестве которого используют модель абсолютного черного тела (АЧТ) и вход которого соединен со вторым выходом оптического блока, блок вычисления излучательной способности, вход которого соединен с первым выходом блока регистрации излучения модели АЧТ, а выход соединен со вторым входом управляющего компьютера, третий вход которого соединен со вторым выходом блока регистрации излучения модели АЧТ, коммутатор, первый и второй клеммы которого соединены с четвертым и пятым выходами управляющего компьютера, шестой выход которого соединен с первым управляющим входом блока терморегулирования, а также первая и вторая термопары, первый операционный усилитель, вход которого соединен с выходом первой термопары, а выход соединен с третьей клеммой коммутатора и со вторым управляющим входом блока терморегулирования, и второй операционный усилитель, вход которого соединен с выходом второй термопары, а выход соединен с четвертой клеммой коммутатора.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что объект выполнен в виде электронной платы и снабжен блоком питания.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что внутренняя поверхность камеры покрыта материалом с коэффициентом отражения менее 0,02.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что внутренняя поверхность камеры покрыта графитовой сажей.

На чертеже представлены:

на фиг. 1 – функциональная схема устройства для бесконтактного измерения поля температуры по поверхности объекта;

на фиг.2 - градуировочная характеристика устройства.

На фиг. 1 обозначены:

1 – вторая термопара;

2 - первая термопара;

3 - первый операционный усилитель;

4 - второй операционный усилитель;

5 - нагреватель;

6 - коммутатор;

7 - управляющий компьютер;

8 - блок терморегулирования;

9 - модель абсолютно черного тела (АЧТ);

10 - объект;

11 - прозрачное окно камеры;

12 - камера;

13 - блок питания объекта;

14 - оптический блок;

15 - блок регистрации излучения АЧТ;

16 - блок вычисления излучательной способности;

17 – блок регистрации излучения объекта.

Устройство для бесконтактного измерения поля температуры по поверхности объекта работает следующим образом.

Устройство представляет из себя камеру 12, имеющую прозрачное окно 11 в спектральном диапазоне и внутри которой планарно размещены объект 10, например, печатная плата радиоэлектронного устройства, и модель 9 абсолютно черного тела (АЧТ), излучение которых через прозрачное окно 11 попадает на вход оптического блока 14, то есть объект 10 и модель 9 АЧТ оптически связаны с оптическим блоком 14.

Внутри камеры 12 размещены также две термопары 1 и 2, выходы которых соединены со входами операционных усилителей (ОУ) 3 и 4, соответственно. Выходы ОУ 3 и 4 соединены с блоком терморегулирования 8 и коммутатора 6, а выход ОУ 4 соединен со входом коммутатора 6, соединенного с управляющим компьютером 7. Первый и второй выходы управляющего компьютера 7 соединены с клеммами коммутатора 6 и с блоком терморегулирования 8, выход которого соединен с нагревателем 5.

Первый выход оптического блока 14 соединен со входом блока 15 регистрации излучения модели АЧТ, первый выход которого связан со входом управляющего компьютера 7, а второй выход – с первым входом блока 16 вычисления излучательной способности объекта, где i – номер строки, j – номер столбца в регистрируемом цифровом изображении объекта, то есть индексы указывают конкретный пиксель. Выход блока 16 вычисления излучательной способности объекта связан со входом управляющего компьютера 7. Второй выход оптического блока 14 соединен со входом блока 17 регистрации излучения объекта, выход которого связан со входом управляющего компьютера 7.

Температура Т внутри камеры 12 поддерживается при помощи блока 8 терморегулирования и расположенного внутри камеры нагревателя 5. Величина температуры Т внутри камеры 12 задается управляющим компьютером 7, а в качестве сигнала обратной связи используется сигнал с выхода коммутатора 6.

При необходимости, для задания номинального энергетического режима объекта, поле температуры которого необходимо измерить, служит блок 13 питания.

Для уменьшения влияния излучения фона, окружающего объект 10 и модель 9 АЧТ, внутренняя поверхность камеры может быть покрыта материалом с коэффициентом отражения менее 0,02, например, графитовой сажей.

Наличие в камере 12 двух датчиков температуры позволяет контролировать не только достижение требуемой температуры, но и изотермичность по внутренней поверхности камеры.

Граничные длины волн и , в диапазоне которых оптический блок 14 регистрирует электромагнитное излучение, определяются из тех соображений, чтобы изменение спектральной излучательной способности элементов контролируемого объекта в этом спектральном диапазоне не превышало заранее заданного уровня, например, 10 %. Кроме того, диапазон длин волн и не должен превышать спектральный диапазон прозрачности окна 11.

При установлении термостатического режима внутри камеры при температуре модели 9 АЧТ равной проводят градуировку устройства, то есть измеряют зависимость интенсивности излучения модели 9 АЧТ от её температуры , которая совпадает с температурой камеры 12 и измеряется первой 2 и второй 1 термопарами. Такую процедуру выполняют для ряда температур , результатом которой являются зависимость в температурном диапазоне номинальной работы объекта 10, то есть, в диапазоне от минимальной температуры до максимальной температуры . Для измерения интенсивности излучения модели 9 АЧТ и его регистрации используется блок 15 регистрации излучения модели 9 АЧТ.

Результаты градуировки в качестве примера показаны на фиг. 2.

Затем проводят измерение поля излучательной способности поверхности объекта 10 в спектральном диапазоне работы оптического блока 14.

Для этого блоком 8 терморегулирования температуры камеры 12 задают ее температуру, которая измеряется термопарами. Эта температура должна находиться в диапазоне от до . Блок 15 регистрации излучения модели 9 АЧТ, которая принята изотермической, и блок 17 регистрации излучения поверхности объекта измеряют интенсивность излучения и модели 9 АЧТ и объекта (для каждого пикселя) 10, соответственно.

В управляющем компьютере 7 вычисляется поле излучательной способности , то есть, вычисляется для каждого пикселя теплового портрета объекта излучательную способность, по формуле

Затем проводят процедуру бесконтактного измерения поля температуры поверхности объекта, например, печатной платы радиоэлектронного устройства.

Для этого устанавливают в камере температуру, при которой необходимо выполнить исследование, а также номинальный энергетически устойчивый режим работы платы.

С помощью блока регистрации излучения поверхности платы измеряют интенсивность излучения каждого пикселя теплового портрета платы.

По градуировочной кривой для каждого значения интенсивности излучения пикселя теплового портрета платы определяют температуру модели 9 АЧТ, при которой выполняется равенство , а затем вычисляют температуру каждого пикселя теплового портрета объекта по уравнению

где м·К.

Таким образом, благодаря усовершенствованию известного устройства достигается требуемый технический результат, который заключается в расширении функциональных возможностей устройства и повышении точности бесконтактного измерения полей (распределений) температуры на поверхности объекта со сложными рельефами распределения температуры, например, на печатной плате радиоэлектронного устройства, с одновременным расширением арсенала технических средств, которые могут быть использованы для бесконтактного измерения поля температуры на поверхности объекта со сложными рельефами изменений температуры.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для бесконтактного измерения поля температуры на поверхности объекта, в частности печатной платы радиоэлектронного устройства. Заявлено устройство для бесконтактного измерения поля температуры по поверхности объекта, содержащее камеру, в которой установлены нагреватель, управляемый сигналом с первого выхода блока терморегулирования, а также объект и эталонный излучатель, оптически связанные с оптическим блоком через прозрачное окно в камере, блок управления, в качестве которого используют управляющий компьютер, блок регистрации излучения объекта, вход которого соединен с первым выходом оптического блока, а выход соединен с первым входом управляющего компьютера, блок регистрации излучения эталонного излучателя, в качестве которого используют модель абсолютного черного тела (АЧТ) и вход которого соединен со вторым выходом оптического блока, блок вычисления излучательной способности, вход которого соединен с первым выходом блока регистрации излучения модели АЧТ, а выход соединен со вторым входом управляющего компьютера, а также первая и вторая термопары и первый и второй операционные усилители. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства и повышение точности бесконтактного измерения полей (распределений) температуры на поверхности объекта со сложными рельефами. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для бесконтактного измерения поля температуры по поверхности объекта, содержащее камеру, выполненную с возможностью размещения в ней объекта исследования, в которой установлены нагреватель, управляемый сигналом с первого выхода блока терморегулирования, а также эталонный излучатель, оптически связанный с оптическим блоком через прозрачное окно в камере, отличающееся тем, что введены блок управления, в качестве которого используют управляющий компьютер, блок регистрации излучения объекта, вход которого соединен с первым выходом оптического блока, а выход соединен с первым входом управляющего компьютера, блок регистрации излучения эталонного излучателя, в качестве которого используют модель абсолютного черного тела (АЧТ) и вход которого соединен со вторым выходом оптического блока, блок вычисления излучательной способности, вход которого соединен с первым выходом блока регистрации излучения модели АЧТ, а выход соединен со вторым входом компьютера, третий вход которого соединен со вторым выходом блока регистрации излучения модели АЧТ, коммутатор, первый и второй клеммы которого соединены с четвертым и пятым выходами управляющего компьютера, шестой выход которого соединен с первым управляющим входом блока терморегулирования, а также первая и вторая термопары, первый операционный усилитель, вход которого соединен с выходом первой термопары, а выход соединен с третьей клеммой коммутатора и со вторым управляющим входом блока терморегулирования, и второй операционный усилитель, вход которого соединен с выходом второй термопары, а выход соединен с четвертой клеммой коммутатора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что объект исследования выполнен в виде электронной платы и снабжен блоком питания.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренняя поверхность камеры покрыта материалом с коэффициентом отражения менее 0,02.