Устройство для измерения температуры поверхности Советский патент 1981 года по МПК G01K11/12 G01K11/16 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Изобретение относится к контрольно .измерительной технике, а именно, к уст ройствам для локального измерения температуры с- помощью термохромных преобразователей, и может быть использовано для измерения температуры, исследснвания тепдйвых полей в для тепловой диагностики элементов и узлов радоиэлекГронной аппаратуры. Известно устройство для определения температуры поверхности, содержащее тубус, на одном конце которого располо юн осветитель с системой линз, а на другом термохромный преобразователь, выполнен в виде слоя жидких крнсталлов, нан сённрго на теплопроводную подложку, и камеру наблюдения, в которой при необхо димости может быть установлен фотоаппарат D-l . При контакте термохромного преобразователя с поверхностью контролируемого объекта, освещаемый белым светом слой жидкого кристалла изменяет свой дает в соответствии с температурой конПОВЕРХНОСТИтролируемой поверхности. Полученное цвет ное изображение наблюдают непосредственно, либо фотографируют на пленку. Точность измерения температуры известным устройством весьма назкая, что обусловлено субъективными ошибками при визуальной оценке цветного изображения. Использование же фотографических методов регистрации и оценки полученной картины требует значительных затрат времени и труда, связанных с проявлением и анализом снимков, н вносит в результаты измерений погрешности, обусловленные нестабильностью параметров пленки, ошибками, возникающими в процессе проявления и пр Кроме того, незащищенный слой жидких кристаллов термохромного преобразователя, входящего в состав устройст ва, под воздействием внещней среды (влажности, ультрафиолетового излучения, перемены давления) быстро теряет свои свойства, что отрицательно сказывается на работоспособности устройства в це- лом. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения тем пературы поверхности, содержащее тубус с расположенным под прямым углом к его продольной оси отростком, в котором размещены осветитель и цветной светофильтр с перестраиваемой длиной волны пропускания, установленные на противоположных торцах тубуса фотоприемник, соединенный со входом регистрирующего блока, и термохромный преобразователь, вьшолненный в- виде слоя жидких кристал лов, заключенного между двумя защитными пленками, и расположенное в области пересечения тубуса с боковым отростком под углом 45° к их продольным ося полупрозрачное зеркало, посредством кот . рого термохромный преобразователь опти чески связан с осветителем и фотоприемником 21 . Благодаря наличию цветного светофиль ра с перестраиваемой длиной волны про.пускания и фотоприемника, соединенного с регистрирующим блоком, известное уст ройство позволяет измерить спектральную характеристику светового потока, селективно рассеянного слоем жидких кристаллов, Поскодъку между температурой конт ролируемого объекта и спектром селективного рассеяния жидких кристаллов существует однозначная зависимость, то по длине волны пропускания цветного све тофильтра, соответствующей максимально му значению полученной спектральной характеристики, судят о температруре конт ролируемой поверхности. Наличие в термохромном преобразователе двух защитных пленок, между которыми заключен слой жидких кристаллов, позволяет предохранить его от преждевременного старения под воздействием неблагоприятного влияния внешней среды и, тем самым, продлить срок службы устройства. Однако, прозрачная защитная пленка, расположенная со стороны освещаемой поверхности слоя жидких кристаллов, отражает часть падающего на нее светового потока, что создает помеху (блик), затрудн5пощую наблюдение и регистрацию спектральной характеристики света, селективно рассеянного слоем жидких кристаллов и, тем самым, вносит погрешност в результаты измерений. Другими источниками погрешности являются возникающи в процессе работы известного устройства изменения яркости светового потока, вызванные, н&пример, колебаниями питающего напряжения, разъюстировка оптической системы, температурная нестабильность характеристик фотоприемника.ч Цель изобретения - повьпиение точности измерений. Указанная цель достигается тем, что в устройство введены отражающий элемент и дополнительный фотоприемник, подключенный ко второму входу регистрирующего блока, при этом тубус разделен перекрывающейся против бокового отростка светонепроницаемой перегородкой на две камеры, в одной Из которых размещен фотоприемник и термохромный преобразователь, а во второй - дополнительный фотоприемник и о5;ражающий элемент, оптически связанный через полупрозрачное зеркало с источником света и дополнительным фотоприемником. Отражающий элемент выполнен из двух защитных пленок, находящихся в контакте, причем, световоспринимающая поверхность отражающего элемента параллельна световоспринимающей поверхности преобразователя. Отражающий элемент и термохромный преобразователь расположены по разные стороны от полупрозрачного зеркала, причем, их световоспринимающие поверхности взаимно ортогональны, а отражающий элемент выполнен из того же материала, что и термохромиый преобразователь и . снабжен теплозазолирукядим экраном. На фиг. 1 и 2 схематически изображены варианты выполнения заявленного устройства при различных расположениях отражающего элемента. Устройство для измерения температуры поверхности содержит тубус 1 с цилиндрическим боковым отростком 2, расположенным под прямым углом к продольной оси тубуса 1. В боковом отверстии 2 размещен осветитель 3, в состав которого входят источник 4 света, рефлектор 5, конденсатор 6 и теплозащитный фильтр 7. Тубус 1 разделен продольной прерывающейся против бокового отростка светонепроницаемой перегородкой 8 на две камеры 9 и 10, представляющие собой два оптически независимых канала. Одна из камер 9 содержит установленные на противоположных торцах тубуса 1 фотоприемник 11 и термохромный преобразователь 12, а другая 10 - дополнительный фотоприемник 13, установленный на том же торде тубуса 1, что и фотоприемник 11, и отражающий элемент 14. В обоих камерах 9 и 1О в области пересечения тубуса 1 с боковым отрост5ком 2 под углом 45 градусов к их продопъ ным осям расположено полупрозрачное зеркало 15, посредством которого термохромный преобразователь 12 оптически связан с осветителем 3 и фотопри емником 11, а отражающий элемент 14 с осветителем 3 и дополнительным фотоприемником 13. Оба фотоприемника 11 и 13 соединены с соответствующими входами регистрирующего блока 16, выполненного по дифференциальной схеме, например, в виде дифференциального усилителя. Между осветителем 3 и фотоприемниками 11 и 13 расположен цветной светофильтр 17 с перестраиваемой длиной волны пропускания. Он может быть выполнен в виде револьверного фильтра или в виде интерференционного клинового полосового фильтра и может быть установлен либо перед фотоприемниками 11 и 1 либо непосредственно на выходе осветителя {фиг. 1 и 2). Термохромный преобразователь выпол нен в виде слоя 18 жидких кристаллов, заключенного между двумя защитными пленками 19 и 2О, одна из которых, об ращенная в сторону контролируемого (эбъ екта, является теплопроводной подложкой а другая 2О, обращенная в сторону фото приемника 12, прозрачна для видимого света. В зависимости от конкретн ис уело- ВИЙ работы отражающий элемент 14 и термохромный преобразователь 12 могут быть установлены Либо по одну сторону от полупрозрачного зеркала 15 так, что их световоспринимающие поверхности взаимно параллельны (фиг. 1), либо по разные стороны от полупрозрачного зеркала 15 так, что их световоспринимающие поверхности взаимно ортогональны (показано пунктиром на фиг. 1 и 2). Во втором случае отражающий элемент 14 может быть установлен либо на боковой стенке тубуса 1, либо на торце камеры 10, часть 21 которой расположена под прямым углом к продольной оси тубуса. При таком выполнении камеры 10 есть возможность установить при необходимости перед отражающим элементом 14 и термохромным преобразователем 12 дополнительные оптические устройства, например, линзы для формирования параллельного пучка света. Отражающий элемент 14 выполняют из материала, спектральная характеристика отражения которого совпадает со 506 спектральной характеристикой отражения защитной поверхности термохромного преобразователя 12. В связи с этим отражающий элемент 14 удобнее выполнять из того же материала, -что и термохромный преобразователь 12, т. е. в виде слоя 22 жидких кристаллов, заключенного между двумя защитными пленками 23 и 24. При этом отражающий элемент 14 размещают в отдалении от термохромного преобразователя 12 с трм, чтобы он находился вне тепловых воздействий контролируемого объекта и окружающей среды, и при необходимости снабжают теплоизолирующим экраном 25, С целью обеспечения индифферентности отражающего элемента 14 к тепловым. воздействиям, он может быть выполнен из таких же двух защитных- пленок 26 и 27, что и защитные пленки 19 и 2О термохромного преобразователя 12, но прилегающих друг к другу (находящихся в контакте). При этом отраисающий элемент сохраняет ту же спектральную характеристику отражения, что и защитная поверхность термохромного преобразователя, но становится нечувствителг ным к тепловым воздействиям. В этом случае, с целью упрощения сборки, его целесообразно устанавливать на том же торце тубуса 1, что и термохромный преобразователь 12, в одной с ним плоскости. Устройство работает следующим образом. Торец тубуса 1, снабженный термохромным преобразователем 12, приводят в тепловой контакт с контролируемой поверхностью и включают источник 4 света, (формированный рефлектором 5 и конденсатором 6 параллельный пучок света проходит через теплозащитный фильтр 7, задерживающий волны инфракрасного диапазона, через светофильтр 17 с перестраиваемой длиной волны пропускания и попадает на полупрозрачное зеркало 15.. . Светонепроницаемая перегородка 8 делит параллельный пучок света.на два независимых потока, один из которых, распространяющийся в камере 9, отразившись от полупрозрачного зеркала 15, попадает на термохромный преобразователь 12, коэффициент отражения которого соответствует температуре контролируемой поверхности. Другой световой поток, распространяющийся в камере 10, отразившись от полупрозрачного зеркала 15 (фиг. 1) или пройдя сквозь, него (фиг.2) попадает на отражающий элемент 14. Отраженные от поверхностей термохромно го преобразователя 12 и отражающего элемента 14 световые потоки посредст вом полупрозрачного зеркала 15 направляются на соответствующие фотоприемннки 11 и 13, которые преобразуют световое излучение в электрические сигналы, поступающие на входы регистрирующего блока 16, на выходе которого выделяется разностный сигнал. Световой поток, отраженный от термохромнрго преобразователя 12, представляет собой сумму. потоков света одной длины, волны, задаваемой цветным свето- фильтром 17, а именно, светового потока, отраженного от термочувствительного слоя 18 жидких кристаллов, и световог о потока, отраженного от поверхности проз рачной защитной пленки 20. Первый световой поток, интенсивность которого зависит от температуры контролируемого объекта, несет полезную информахшю, второй - создает помеху. Таким образом, электрический сигнал, поступающий с выхода фотоприемника 11 на первый вход регистрирующего блока 16, представляет собой сумму полезного сигнала и сигrtana помехи. Электрический; сигнал, поступающий с выхода дополнительного фотоприемника 13 на второй вход регистрир ющего блока 16, характеризует интенсивность светового потока, отраженного от элемента 14, спектральная характеристика р ассеяния которого идентична спектральной характеристике рассеяния защитной пленки 20 термохромногр преобразователя 12, Следует отметить, что перед началом измерений,устройство калибруют; для этого, при условии изоляпии термоз5,ромного преобразователя 12 от источников тепла, подстройкой чувствительности фотбприемншсов 11 и 13 с помощью, например, переменных резисторов, включенных в цепь чувствительных элементов фотопримников 11 и 13, уравнивают электрические сигнвлы, поступающие с выходов обоих фотоприемников 11 и 13 на входы регистри рующего блока 16, добиваясь на его выходе нулевого значения разностного сигнала. Таким образом, электрический сигнал от фотоприемника 13 устанавливают равным сигналу помехи, характеризующему световой поток, отраженный от защитной пленки 20 термохромного преобразователя 12, В процессе измерения температуры объекта на выходе регистрирующего блока 16 выделяется лшиенный сигнала поме хи разностный сигнал, т. е. полезный сигнал, характеризующий- световой поток, рассеиваемый жидкокристаллическим слоем 18 термохромного преобразователя 12, Перестраивая цветной светофияьтр 17, регистрируют длину волны, соответствукнщую максимальному, значению разностного сигнала на .выходе блока 16, т, е, максимальному значению спектральной характеристикирассеяния термохромного преобразователя 12. Эта длина волны на- ходится в однозначной зависимости от температуры контролируемого объекта, которую определяют либо по шкале соо-гветствия, либо непосредственно по шкале цветного светофильтра, предваритель но проградуированного в градусах температуры. Если в процессе измерения происхо дят колебания интенсивности светового потока вследствие, например, нестабильности питающего напряжения источника 4 света, то эти колебания могут быть выделены из электрического сигнала на выходе фотоприемника 13 и использованы для компенсации влияния изменения интенсивности светсюого потока на результаты измерений путем, например, соответствующего воздействия на коэффициент усиления выходнет о каскада регистрирующего блока 16 и для сигнализации о не-° исправности устройства. Таким образом, предлагаемое изобретение благодаря введению в него дополнительного фотоприемника и оптически связанного с .ним отражающего элемента, не подверженного тепловым воздействиям и имеющего такую же спектральную характеристику отражения, как и защитная пленка .термохромного преобразователя, позволяет компенсировать сигналы помехи, возникающие как при отражении светового потока от поверхности защитной пленки термохромного преобразователя, так и вследствие колебаний светового потока, благодаря чему значительно повьшается точность измерения температуры. Ф о р м у ла изобретения 1. Устройство для измерения температуры поверхности, содержащее тубус с расположенным под прямым углом к его продольной оси отростком, в котором размещен осветитель и цветной светофильтр с перестраиваемой длиной волны пропускания, установленные на протовоположных торцах тубуса фотоприемник.

соединненый со входом регистрирующего блока, и термохромный преобразователь, выйоленнный в виде слоя жидких кристаллов, заключенного между двумя aamHiv ными пленками, и расположенное в области пересечения тубуса с боковым отростком под углом 45 к их продольным осям полупрозра« ное зеркало, посредством которого термохромный преобразователь оптически связан с осветителем и фотоприемником, отличающее - с я тем, что, с целью повьпиения точности измерений, в него введены отражающий элемент и дополнительный фотоприемник, подключенный ко второму входу регистрирующего блока, при этом тубус разделен прерьшающейся против бок.рвого отростка светонепронйиаемой перегородкой на две камеры, в одной из которых размещен фотоприемник и термохромный преобразователь, а во второй дополнительный фотоприемник и отражающий элемент, оптически связанный через полупрозрачное зеркало с источником света и дополнительным фотоприемником.

2.Устройство по п, 1, о т л в ч а ю щ е е с я тем, что отражающий элемент выполнен из двух защитных пленок, находящихся в контакте, прячем, световое- принимающая поверхность О1ражающего элемента параллельна световоспринима1о щей поверхности преобразователя.

3.Устройство по п. 1, о т л и. ч а ющ е е с я тем, что отражающий элемент и термохромный преобразователь расположены по разные стороны от полупрозрачного зеркала, причем, их световоспрянимающие поверхности взаимно - ортогональны, а отражающий элемент, выполнен из того же материала, что и термохромный преобразователь я снабжен тбпловзо лирующим экраном.

Источники тформагога, принятые во внимание при экспертизе

1Греиз81 5® Kfisfaepfe indercnformcitiorstec.hnic eeec4roTi, 1975, № 7, с. 235-239.

2. Патент ГДР № 1ОО549, кл. Q 01 К 11/12, 1972 (прототип).

S 7 17

22 13

М

(put. 2