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

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ

Изобретение относится к области .термометрии, в частности к области дистанционного измерения температурных полей., и может быть использовано 5 для теплового контроля радиоэлектронной аппаратуры, а также в других об- ластях науки и техники для исследования температурньлх полей поверхности объектов, в газовых и жид- Q костных средах.

Известно устройство для исследования температурных полей, содержащее жидкокристаллический экран, чувствительный к температурному полю, осве- g щаемый направленньнл потоком белого света, дополнительный жидкокристаллический экран, источник переменного поля f .

Из известных устройств наиболее 20 близким по технической сущности является устройство для исследования температурных полей, содержащее термочувствительный элемент выполненный на основе оптически неоднород- 25 ной смеси веществ, расположенный между источником белого света и экраном, спектральную систему 23.

В этом устройстве спектральная система, позволяет выделить из спект-jQ

ра белого света, направленного на термочувствительный элемент,набор спектральных линий, выполнена на основе двух клиновидных фазовых пластинок, расположенных между поляризаторами. Сдвигая друг относительно друга фазовые пластинки, можно изменять набор спектральных линий и интервал между ними. Термочувствительный элемент,уставовленный на поверхности исследуемого объекта, либо помещенный в исследуемую среду, повторяет их температурный рельеф. Поскольку термочувствительный элемент выполнен на основе оптически неоднородной смеси веществ с близкими в рабочем температурном диапазоне устройства показателями преломления и различными температурными коэффициентами показателей преломления, он обладает свойством селективно пропускать свет. Каждому значению температуры to в пределах его рабочего температурного диапазона соответствует определенная длина волны све±а Д , для которой термочувствительный элемент прозрачен. Свет с длиной волны Hjj свободно проходит сквозь него, а остальные спектральные соетавляющие термочувствительный элемент рассеивает. На каждый участок термочувствительного элемента падает свет, содержащий набор спектральных составляющих, выделенных устройством, содержащим фазовые пластинки и поляризаторы, однако сквозь него в лучшем случае проходит 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. Эти участки вообще не пропускают свет. Картина температурного поля на экране представлена рядом линий разного цвета на чёрном фоне - изотерм, соответствующих ряду значений температуры. Сдвигая друг относител но друга фазовые пластинки, изменяя набор спектральных линий и интервал между ними, что позволяет наблюдать изотермы, соответствующие требуемым значениям температуры с нужным шагом. Недостатком известного устройства является низкая точность исследо вания температурного поля, обусловленная зависимостью спектрального состава света (набора спектральных линий) от температуры окружающей ср ды и мощности светового потока исто ника света,изменяющих температуру ф зовых пластинок и, соответст йенно,ха рактер их пропускания, что приводит к большой погрешности при определении температур, которым соответству ют наблюдаемые на экране цветные линии; невозможность наблюдения за эволюцией всего температурного поля в целом, что может привести к упущению ряда перегретых участков поля, температура которых лежит в промежутке между двумя соседними изотермами наблюдаемыми на экране; невозможность одновременного наблюд ния смежных по температурной шкале изотерм, ввиду того, что выделяемые Фазовыми пластинками и поляриза торами спектральные участки имеют фронты синусоидального характера и при одновременном наблюдении близки изотерм визуально наблюдаемая карти на светового поля утрачивает контрастность . Целью изобретения является повышд ние точности исследования Teivmepa турного поля. Поставленная цель достигается те что в устройство введены две конден сорные линзы с диафрагмой между ним установленные между термочувствител ным элементом и экраном, измеритель расстояния установленный за экрано подвижная каретка, расположенная леред экраном, на которой закреплен спектральная система, выполненная F иде призмы Цинкера со щелевой диарагмой, расположенной перед призмой. На фиг. 1 показана оптическая хема устройства, на фиг. 2 - экран с призмой Цинкера в двух проекциях. Устройство содержит источник белого света,включающий в себя лампочку 1 накаливания и линзу 2, тер- мочувствительный элемент 3, конденсорные линзы 4 и 5, диафрагму б, экран 7, подвижную каретку 8, которую можно перемещать вдоль экрана, спектральную систему, состоящую из щелевой диафрагмы 9 и призмы Цинкера 10, измеритель 11 расстояния, например масштабную линейку. Ирисовая диафрагма б установлена таким образом, что ее отверстие расположено на оптической оси устройства, а расстояние между ней и конденсорными линзами 4 и 5 соответственно равно их фокусным расстояниям. Термочувствительный элемент 3 выполнен на основе оптически, неоднородной смеси веществ с близкими в рабочем температурном диапазоне устройства показателями преломления и различными температурными коэффициентами показателей преломления и селективно пропускает свет. Причем длина волны свободно прошедшего сквозь него света однозначно определяется его температурой. Остальные спектральные составляющие белого света рассеиваются оптически неоднородной смесью под разными углами, изменив первоначальное направление . Поскольку 1рермочувствительный элемент 3 повторяет температурный рельеф исследуемой среды (объекта), то через различные участки проходит свет разного спектрального состава в зависимости от их температуры, я ,1 (io) . Конденсорные линзы 4, 5 и диафрагма 6 предназначены для отделения полезного светового сигнала, несущего информацию о температурном поле термочувствительного элемента 3, повторяющего температурный рельеф исследуемого объекта либо среды от света, рассеянного термочувствительным элементом 3. Поскольку свет с длиной волны я о проходит сквозь элемент 3, не изменив первоначального направления, и распространяется в виде параллельного пучка вдоль оптической оси устройства, то он фокусируется линзой 4 на пересечении фокальной плоскости и оптической оси, т.е. в месте расположения входного отверстия диафрагмы 6. Таким образом свет с длиной волны Лр проходит сквозь диафрагму 6. Свет, рассеянный термочувствительным элементом 3(я я) , отклоняется от первоначального направ:ления, фокусируется линзой 4. в. иных

точках фокальной плоскости и задерживается диафрагмой б.

Вторая конденсорная линза 5 предР1азначена для преобразования пучка .света с длиной волны Л снова в параллельный пучок света,

Спектральная система, состоящая из щелевой диафрагмы 9 и призмы Цинкера ЛО, предназначена для уве-, личения спектральной разрешающей способности устройства, а следовательно, -повышения точности измерения температурного поля.

Диафрагма 9 предназначена для выделения узкого пучка света, напраленного на центральную часть призмы 10.

Призма Цинкера 10 изготовлена из двух прямоугольных призм, сложенных наклонными гранями и выполненных из разных материалов при условии, что для средневолновой составляющей АС спектра белого света их показатели преломления совпадают, но имеют скрещенные дисперсии. Вслествие этого свет с длиной волны АС луч 12, проходит сквозь призму 10, как сквозь плоскопараллельную пластинку, а составляющие коротковолновой части спектра - луч 13(л-сЯр)и длинноволновой части спектра - луч

14(Д Яс) отклоняются призмой 10 в прямо противоположные стороны от луча 12. Таким образом, луч света

15, проходя сквозь призму Цинкера 10, разлагается в спектр.

Устройство работает следующим образом.

Термочувствительный элемент 3 помещают в исследуемую среду и направляют на него пучок белого света от источника света. Каждый участок тер мочувствительного элемента в зависимости от температуры to пропускает свет разного спектрального составал Этот свет собирается конденсорной линзой 4, фокусируется на отверстие диафрагмы б и проходит сквозь нее далее, а свет, рассеянный термочувсвительным элементом 3 под разными углами, задерживается диафрагмой. Далее свет с длиной волны Л, несущий информацию о температурном поле исследуемой среды (объекта), преобрзуется второй конденсорной линзой 5 в параллельный пучок, который дает на экране 7 цветовое изображение температурного поля. Узкий пучок света 15, несущий информацию о температуре небольшого участка исследуемого температурного поля, вырезается щелевой диафрагмой 9 и проходит далее сквозь призму Цинкера 10. Он содержит ряд спектральных составляющих, соответствующих температурному рельефу участка термо,чувствительного элемента 3, вьщеленного щелью диафрагмы 9.

Эти спектральные составляющие в зависимости от Лд отклоняются на раа ные углы призмой Цинкера 10 и дают на экране 7 изображение в виде разноцветной линии, отклоненной вдоль всей ее длины на разное расстояние от осевой линии проекции щели диафрагмы 9 на экране 7.

Эти отклонения могут быть легко измерены на разных участках этой лиНИИ с помощью измерителя 11 расстояния. Отградуировав предварительно систему призма Цинкера 10 - эран 7, т.е. определив однозначно соответствие между отклонениями д В луча и его

спектральным составом Яо, легко определить спектральный состав света в луче, вырезанном диафрагмой 9. При этом точность определения Яо с помощью зависимости .ло i (д6) намного превышает визуальное определение

цвета отдельных участков наблюдаемой на экране цветовой картины температурного поля.

Кроме участка, изображение которого представлено разноцветной кривой, на разных участках отсто.чщей на различные расстояния от нулевой оси отсчета измерителя 11 расстояния, на экране 7 имеется также цветовое изображение температурного

поля всего объекта в целом. Спектральный состав света, прошедшего сквозь отдельные участки термочувствительного элемента 3,определяется визуально по цвету соответствуючих участков изображения температурного поля, и точность определения при этом гораздо ниже. По длине волны Л о с помощью градуировочной характеристики До i (to)

термочувствительного элемента 3 определяют распределение температур to на исследуемом объекте либо среде. При этом, оценив температурное поле всего объекта визуально,

Т.е. с невысокой точностью, с помощью диафрагмы 9, призмы 10, измерителя 11 расстояния уточняют температурное поле на интересующих нас участках. Перемещая указанную систему с помощью каретки вдоль всего

экрана 7, можно последовательно уточнить температурный рельеф на любом участке исследуемого объекта (среды).

При исследовании непрозрачных объектов на заднюю стенку термочувствительного элемента 3 наносится зеркально отражающее покрытие. При этом термочувствительныйэлемент 3 работает в режиме отражения - свет сквозь него проходит дважды, отражаясь от

зеркального покрытия, что способствует повышению контраста визуализированной картины температурного поля. Использование изобретения позволяет повысить точность теплового

контроля исследуемьк объектов и сред.

Поскольку на экране наблюдается разноцветная линия, позволяющая с высокой точностью оценить температурное поле одного из участков объекта, и кроме нее, цветовая картина температурного поля всего объект в целом, можно контролировать изменение температурного поля объекта в динамике при повышенной точности исследования температурного рельефа на отдельных его участках, наиболее критичных к изменению температурного режима.

Формула изобретения

Устройство для исследования температурных полей, содержащее термочувствительный элемент, выполненный на основе оптически неоднородной смеси веществ, расположенный между

источником белого света и экраном| спектральную систему, отличающ ее с я тем, что, с целью повышения точности исследования температурного поля, в него введены две конденсорные линзы с диафрагмой между ними, установленные между термочувствительным элементом и экраном, измеритель расстояния, установленный за экраном, подвижная каретка, расположенная перед экраном, на которой закреплена спектральная система, выполненная в виде призмы Цинкера со щелевой диафрагмой, расположенной перед призмой.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

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