Устройство для исследования температурных полей Советский патент 1980 года по МПК G01K11/12 

Изобретение относится к термометрии, в частности к дистанционному измерению температурных полей, и может бЬ7ть использовано для тепло- 5 вого контроля радиоэлектронной аппаратуры, а также в других областях науки и Техники для исследования температурных полей поверхности объектов, в газовых и жидкост- 10 ных средах.

Известно устройство для исследования температурных полей, содержащее жидкокристаллический экран, чувствительный к температурному 5 полю освещаемый направленным потоком белого света, дополнительный жидкокристаллический экран fl .

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности, 20 является устройство для исследования температурных полей, содержащее спектральную систему и термочувствительный элемент выполненный на основе оптически неоднородной сме-25 си вещества расположенные между источником белого света и экраном 2.

В этом устройстве спектральная система выполнена в виде двух клино 1идных фазовых пластинок, расположен-зо

ных между двумя поляризаторами. Сдвигая относительно друг друга фазовые пластинки, можно изменять набор спектральных линий и интервал между ними выделяемый из спектра белого света, направленного на термочувствительный элемент, установленный на поверхности исследуемого объекта либо помещенный в исследуемую среду.

Поскольку теЕ очувствительн;лй элемент выполнен на основе оптически неоднородной смеси, он обладает свойством селективно пропускать свет. Каждому значению температуры IQ в пределах его рабочего температурного диапазона соо;гветствует определенная длина волны света А, для которой термочувствительный элемент прозрачен. Свет с-длиной волны AQ. свободно проходит сквозь него. Остальные спектральные составляющие термочувствительный элемент рассеивает.

На каждый участок термочувствительного элемента падает свет, содержащий набор спектральных составляющих, выделенных спектральной системой, однако сквозь каждый участок термочувствительного элемента проХОДИТ в лучшем случае одна из них. Может оказаться, что температура некоторых участков термочувствительного элемента такова, что свет с длиной волны Ло, для которого они прозрачны, отсутствует в наборе спектральных составляющих, тогда эти участки света не пропустят. На экране картина температурного поля представлена рядом линий .разного цвета на черном фоне - изотерм, соответствующих ряду значений температуры.

Недостатком устройства является низкая точность измерения температурного поля, обусловленная зависимостью спектрального состава света (набора спектральных линий) от температуры окружающей среды и мощности светового потока источника света, изменяющих температуру фазовых пластинок и соответственно характер пропускания, что приводит к большой погрешности при определении температур, которым соответствуют наблюдаемые на экране цветовые линии; низкой контрастностью наблюдаемых цветных линий и неоднозначностью , при расшифровке температурного поля, основанной на соответствии между длиной волны света (цветом наблюдаемой изотермы) и температурой, что вызвано тем, что спектральная система выделяет не отдельные спектральные линии, а участки конечной спектральной ширины с синусоидальным характером фронтов; невозможностью наблюдения за эволюцией всего температурного поля в целом, что может привести к упущению ряда перегретых участков, температура которых лежит в промежутке между соседними изотермами, наблюдаемьоми на экране.

Целью изобретения является повышение точности измерения температурного поля.

Поставленная цель достигается тем что в устройство введены конденсаторная линза с диафрагмой расположенной в ее фокусе устаноленные между термбчувствительным элементом и экраном, а спектральная система выполнена в виде расположенных последовательно, щелевой диафрагмы, двух развернутых встречно призм Цинкера и второй конденсорной линзы, причем между призмами установлена задерживающая диафрагма.

# На чертеже приведена оптическая схема устройства.

Устройство содержит источник белого света, включающий в себя лампочку накаливания 1 и конденсорную линзу 2, спектральную систему, состоящую из щелевой диафрагмы 3, двух развернутых встречно призм Цинкера 4 5j задерживающей диафрагмы 6, шторка 7 которой параллельна щели диафрагмы 3, конденсаторную линзу 8, термочувствительный элемент 9,конденсорную линзу 10, в фокусе которой расположена ирисовая диафрагма 11, экран 12.

Призма Цинкера выполнена на основе двух прямоугольных призм из разного материала при условии, что для средневолновой части спектра белого света Л. показатели преломления совпадают, и призма Цинкера

Q является плоскопараллельной пластиной, пропускающей свет Л с без изменения направления, но ввиду того, что материал обоих частей призмы имеет скрещенные дисперсии (лР ), свет коротко- и длинноволновой (Aj., Я J-AC)

частей спектра белого света отклоняется призмой в разные стороны. Таким образом, луч белого света 13, проходя через призму Цинкера, разлагается в спектр. На чертеже свет, соответствующий средневолновой части спектра, представлен лучом 14, длинноволновой частью спектра 15 и коротковолновой частью спектра 16. Диафрагма б имеет узкую шторку 7, задерживающую в зависимости от ее положения в вертикальной плоскости ту : либо иную состовляющую спектра, полученного вследствие прохождения белого света сквозь призму 4. с поQ мощью микрометрического винта диафрагму б можно смещать вдоль спектра и тем самым вырезать различные спектральные составляющие. Призма Цинкера 5 идентична призме 4, но

с поскольку она развернута встречно по отношению к ней,то собирает в один луч 17 свет, прошедший призму 4 и диафрагму 6, Таким образом, луч 17 содержит весь спектр белого света за исключением спектральной составляющей л , задержанной шторкой 7 диафрагмы 6.

Конденсорная линза 8 предназначена для преобразования луча 17 в параллельный; пучок света 18,

5 направленный на термочувствительный элемент 9, установленный, например, в среде, термпературное поле которой подлежит исследованию.

Термочувствительный элемент 9 вы0 полней на основе оптически неоднородной смеси веществ с близкими в рабочем температурном диапазоне устройства показателями преломления и различными температурными коэффициентамй показателей преломления, и

селективно пропускает свет. При этом отдельные еао участки, в зависимости от их температуры, пропускают ту либо иную спектральную .составляющую, Лд- iltol Остальные спектральные составляющие рассеиваются термочувствительным элементом под разными углами.

Конденсорная линза 10 предназначена для фокусировки света, прошедшего сквозь термочувствительный элемент 9. Ирисовая диафрагма 11 расположена на фокусном расстоянии от конденсорной линзы 10, так, чтобы ее отверстие находилось на оптической оси устройства. За диафрагм 11 установлен экран 12, на котором наблюдают цветовое изображение исследуемого температурного поля. Устройство работает следующим образом. Термочувствительный элемент 9 ; устанавливают на исследуемом объек те либо в среде, температурное пол которой подлежит исследованию. Пос установления теплового равновесия он повторяет температурный рельеф исследуемой среды, т.е. каждый участок находится при различной температуре в соответствии с иссле температурным полем среды (объекта). Вследствие этого каждый участок термочувствительного элемента беспрепятственно пропускает свет определенной длины волны Л,, д которого совпадают показатели преломления оптически неоднородной смеси, на основе которой он выполненс Этот свет с длиной волны проходит сквозь термочувствительный элемент 9, не изменяя направления, фикусируется конденсорной лензой 10 на пересечении фокальной плоскости и оптической оси устройства. Этот свет проходит сквозь отверс тие диафрагмы 11 и, попадая на экран 12,дает цветовое изображение ис следуемого температурного поля. Свет, рассеянный термочувстви- тельным элементом 9, отклоняется от первоначального направления, фокуси руется конденсорной линзой 10 в ины точках фокальной плоскости и задерживается диафрагмой. 11. Перемещая диафрагму 6 вдоль изоб ражения спектра, полученного в результате прохождения узкого пуска белого света вырезанного щелевой диафрагмой 3, сквозь призму Цинкера 4, удаляют пз спектра белого света одну из его спектральньк состовляю щих, например, с длиной волны л . Длина ее волны определяется положением диафрагмы б. Далее свет, про шедший призму 4, за исключением света с длиной волны л собирается призмой 5 в узкий луч 17. Конденсорная линза 8 преобразует его в широкий параллельный пучок 18, направленный на термочувствительный элемент 9. Последний на каждом сво ем участке отфильтровывает из пучка широкого спектрального состава свет определенной длины волны л в соответствии с температурой этих участков. Остальные спектральные составляющие проходящего пучка рас сеиваются под разными углами. Свет с длиной волны Л(5с1(1о) как не изменивший направление при прохождении сквозь термочувствительный элемент 9, распространяется вдоль оптической оси устройства и фокусируется конденсорной линзой 10 на отверстие ирисовой диафрагмы 11. Полезный световой сигнал, пройдя сквозь отверстие диафрагмы 11, дает на экране цветовое изображение температурного поля. При этом каждому цвету л о однозначно соответствует определенная температура. Кроме цветовой картины на экране наблюдают черную линию, являющуюся изотермой, соответствующей длине волны Л , вырезанной шторкой 7 диафрагмы б из спектра белого света. Черной линии соответствует изотерма I , гдet i(Я ). Черные участки на цветовой картине поля соответствуют тем. участкам термочувствительного элемента, температура которых равна i. . Они прозрачны для света с длиной волны л , а остальной свет рассеивгиот. Поскольку свет с указанной длиной волны удален из пучка, направленного на термочувствительный элемент 9, с помощью шторки 7, то участки элемента 9 с температурой f вообще не пропускают света. Этим участкам соответствует черная линия на экране. Продвигая диафрагму б с помощью микрометрического винта вдоль спектра, наблюдаем на экране в виде черных линий изотеряиы, соответствующие различным температурам, и одновременно контролируем все температурное поле в виде цветовой картины. Микрометрический винт снабжен масштабной шкалой, позволяющей определить положение шторки диафрагмы 6. Предварительная градуировка устройства позволяет связать длину волны я спектральной составляющей, задержанной диафрагмой б, с делениями на масштабной шкале, а по грзщуировочному графику элемента 9 определить температуру i , которой соответствует наблюдаемая на экране 12 изотерма . При исследовании непрозрачных объектов на зещнюю стенку термочувствительного элемента 9 наносится зеркало отражакнцее покрытие. При этом термочувствительный элемент работает в режиме отргикения, свет проходит сквозь него дважды, отражаясь от зеркального покрытия, что способствует повышению контрастности визуализированной картины температурного поля. Использование устройства позволяет повысить точность теплового контроля исследуемых объектов и сред. Поскольку на экране наблюдается контрастная изотерма, с высокой точностью определяющая участки объекта с температурой t , а кроме нее цветовая картина температурного поля всего объекта в целом, устройство позволяет контролировать в динамике изменение температурного поля всего объекта при повьшенной точности фиксации участков объекта с темрой-t .

Формула изобретения

Устройство для исследования температурных полей, содержащее спектральную систему и термочувствительный элемент выполненный на основе оптически неоднородной смеси веществ расположенные между источником белого света и экраном, отличающее с я тем, что, с целью повышеНИН точности измерения температурного поля, в него введены конденсорная линза с диафрагмой расположенной в ее фокусе, установленные между термочувствительным элементом и экраном, а спектральная система выполнена в виде расположенных последовательно щелевой диафрагмы, двух развернутых встречно призм Цинкера и второй конденсорной линзы, причем между призмами установлена задерживающая диафрагма.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 402765, кл. G 01 К 11/12, 1971,

2.Авторское свидетельство СССР № 415515, кл. G 01 К 11/12, 1971 (прототип).

8 }д 9 10 ,/у 12