Устройство для исследования температурных полей Советский патент 1983 года по МПК G01K11/12 

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для исследования тегдпературных полей на поверхности различных объектов,-в частности радиоэлектронных плат, с целью обнаружения областей максимального перегрева, оптшдазации конструкции изделий с точки зрения теплового режима их работы и т.д.

Известно устройство для исследования температурных полей, содержащее источник б влого света (лампу накали-. Ёания, конденсор, обеспечиванадий параллельный пучок белого света, и термочувствительный элемент, выполненный на основе оптически неоднородной смеси веществ с близкими показателяг.ш прелоютения и различными температурныни коэффициентаг-и показателей преломление 1.

Однако такое устройство не обеспечивает высокой точности измерения текшературы ввиду плохой контрастности цветовой картины.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для исследования температурных полей, содержащее источник белого света, конденсор, диафрагму, установленную перед матовым экраном.

и TiepMO 4y ветви тельный элемент, выполнейныи в виде прозрачной кюветы, , заполненной оптически неоднородной смесью компонентов с близкими пока:3ателями преломления и различными тe mepaтypны.ш коэффициентами показателя 11ореломпения t

В таком устройстве изготовление терьючувствительного элемента натгш10кивается на проблему получения тонких стеклянных пластин либо- полимерных пленок, выполняющих функции ограничительных стенок термочувствительного элементна, предохраняющих его от

15 загрязнения и т.д. и отличающихся высокой степенью плоскостности. Последнее трудно реализовать на практике при размерах платы более 15x15 мм. В результате из-за неплоСкостности

20 термочувствительных элементов изображение полезного светового сигнала в фокальной плоскости от;- различных термочувствительных элементов различно в зависимости от их индивидуальных

25 особенностей. Это усложняет отделение полезного, светового сигнала от рассеянной световой компоненты методом диафрагмирования и приводит к снижению точности измерения температурно30го поля. Более этого, дискретный характер визуализации изотерм, определнел-ый конечным числом используемых светофильтров также снижает точность ис;следования температурного поля. Целью изобретения являетйя повышение точности измерения теьшературы.. Поставленная цель достигается тем,что в устройство для измерения Температурных полей, содержащее источник белого света, конденсор, диафрагму, установленную перед матовым экраном, и термочувствительный элемент, выполненный в виде прозрачной кюветы, заполненной оптичес ки неоднородной смесью компонентов с близкими показателями преломле ния и различными теглпературными коэффициентами показателя преломления введены непрозрачный трафарет, нанесенный на отражающую поверхность зер кала, установленного за конденсором с возможностью перемещения перед диафрагмой, и выполненный -вместе с диафрагмой с набором отверстий, спёк троразлагающий элемент, установленный в апертуре, источника света че. рез дополнительный конденсор с возможностью фиксируемого углового пово рота, система щелевых диафрагм и поворотных зеркал, расположенных между спектроразлагающим элементом и матовым экраном, . Кроме того, отверстия непрозрачного трафарета и диафрагмы выполнены -в-форме эллипсов и прямоугольников с различным соотношением осей и сторон i Причем зеркало и диафрагма укреплены на пластинах из ферромагнитного материала, установленных на непоДвиж ных магнитах свозможностью скольжения по их поверхности. На фиг. 1 приведена схема устройства для исследования температурных полей; на фиг. 2 - поверхность непрозрачного трафарета с набором от;верстий; на фиг. 3 - поверхность диафрагмы. Устройство содержит источник бел го света (лампа накаливания ) 1, лин зы 2 и 3, рбразую1дае конденсор для формирования параллельного пучка света, диафрагму 4, экран 5, матиро ванный со стороны наблюдателя, терм чувствительный ;элемент, выполненный в виде прозрачной кюветы б с зеркал ныг4 покрытием 7 на ее основании, за полненной оптически неоднородной смесью компонентов с близкими пока зателями преломления и различными температурными коэффициентами показателя преломления, непрозрачньй тр фарет 8, нанесенный на отражакяцую поверхность зеркала 9, спектроразла -гающий элемент (дифракционнгш решет ка) 10, освещаемый от источника света 1 через дополнительный конденсор (линзу ) .11, щелевые диафрагмы 12 и 13, поворотные зеркала 14 и 15. Непрозрачный трафарет 8 и диафрагма 4 выполнены с набором отззерстий 16 и 17 в форме эллипсов и прямоугольников с различным соотношением осей и сторон. Диафрагма 4 в Простейшем варианте выполнена из материала с ферромагнитными свойствами и установлена на поверхности магнитов 18, закрепленных на державке 19, и удерживается силами магнитного притяжения, что обеспечивает также возможность ее поворота и перемещения путем скольжения по поверхности магнитов с фиксацией ее в любом нужном положении. Зеркало 9 с нанесённым на его поверхность непрозрачным трафаретом 8 укреплено На пластине 20, выполненной из ферромагнитного материала. Пластина 20 прижата силами магнитного притяжения JK магнитам 21, за репленным на поверхности пластины 22, также выполненной из материала с ферромагнитными свойствами. Пластину 20 можно перемещать в нужное положение путем скольжения по поверхности маггитов 21, при этом силами м агнитного Притяжения ее положение фиксируется. Пластина 22 установлена с возможностью углового noBOipoTa в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Положение ее выбирается таким, чтобы све товой пучок, прсйиёдший сквозь термочувствительный элемент, отразившись от зеркала 9, попал на экран 5. Дополнительный конденсор 11 обеспечивает параллельность части пучка белого света от источника 1, направляемого через щелевую диафрагму 12 на спектроразлагающий элемент 10, закрепленный на пластине 23, обеспечивающей возможностьуглового поворота дифракционной решетки с помощью винта 24. Поворотные зеркала 14 и 15 направляют световой пучок, отраженный дифракционной решеткой 10, в направлении экрана 5 сквозь щелевую диафрагму 13, ограничивающую спектральную ишрину пучка света. Зеркало 15 установлено так, что направляет световой пучок от спектро- разлагающего элемента 10 в область своей тени на экране 5 от основного светового потока, формирующего на экране визуализированную картину исследуемого температурного поля. Изменение спектрального состава света в пучке от спектроразлагающего элемента 10 обеспечивается его угловым поворотом относительно системы зер .кал 14 и 15 и щелевой диафрагмы 13. Спектральный состав света, направляемого на экран 5, определяется по углу

поворота лифракционной решетки 10, фиксируемого по шкале, которой снабжен винт 24.

Устройство работает следунвдим образом.

На исследуемый объект., например радиоэлектронную плату 25 с размещенными на ней радиокомпонентами, устанавливают кювету с оптически неоднородной смесью компонентов зерка но отражающим слоем 7 книзу. При этом должен &1ть обеспечен хороший тепловой контакт между кюветой. 6 и исследуемым объектом. После установления теплового равнов&сия включают осветитель (лампу накаливания 1 ). Параллельный пучок белого света, сформированный конденсорной линзой 2 проходя сквозь кювету 6 двукратно, отразившись от зеркального покрытия 7 на её основании, изменяет свой спектральный состав. В зависимости от температуры каждого участка термочувствительного элемента, он беспрепятственно пропускает свет той дрпсины волны, для.которой совпадают показатели i преломления компонентов, оптически неоднородной смеси и рассеивает весь остальной свет в пределах широкого телесного угла.В результате соответственно распределению температур на объекте сквозь разные участки термочувствительного эп&лвнта по закона геометрической оптики пройдет свет разного спектрального состава. Этот свет несет полезную информа1: ю о температурном поле Объекта. Пройдя териючувствител ный элемент, свет фокусируется линзами 2 и 3 (последняя компенсирует аберрации первой ) Фокальной :плоскости конденсора. Световой пучок, рассеянный термочуаствительн1Я 1 элементом также фокусируется конденсором, однако в других точках фокальной ;Плос ;кости конденсора. При этом, если бы. термочувствительный элемент отличался идеальной плоскостностью, то изображение п элёэного светового сигнала в фокальной плоскости конден- . .сора точно соответствовало по форме и размерам телу нгисала 1.

г-

Зеркало 9 устанавливают а фокальной плоскости конденсора так, чтобы полезный световой .сигнал был сфокусирован на таком зеркальном участке (17 либо 16), который по форме и размерам совпадает с изо бражением его в фокальной плоскости. Это,легко выполнить с учетом индивидуальных особенностей термочувствлстельного элемента благодаря щ остоте перемещения зеркала 9 путем скольжения по поверх.ности магнитов 21 и наличию широкого ряда участков зеркгшьной поверхности разной формы. Грубая подстройка при наладке осуществляется соответствующим угловым поворотом пластины 22. Последняя фиксируется так, чтобы свет, отраженный зеркалом 9, падал. на экран 5. При этом полезный световой сигнал отделяется от рассеянного потока света к направляется- на экран. Однако часть рассеянного, света, отразившись от различных зеркальных участков 3epKcUia 9 также может попасть на экран 5. Для исключения

0 этого полезный световой сигнал проходит черезг диафрагму 4. Последняя также содержит ряд отверстий различных по форме и размеру и бла тодгмря простоте перемещения ее в плсюкости скольжения также позволяет ; легко

5 подобрать нужный по форме и размерам зрачок с учетом индивидугшьных особенностей термочувствительного элемента. На практике для 1рафарета и диафрагмы можно ограничиться набором

0 фигур в аялипсюв с соотношением осей1:1; ltl,$; 1:2; 1:3; 1:4 при малой оси эллицса, равной 3 и 5 мм, и набором фигур в форме прямоугольника с соотношением сторон 1:1;

5 1:1,5; 1:2; 1:3 и 1:4 меньшей стороне прямоугсшьника, равней 1 и 2 мм, и квадратом 20x20 юн дая грубой наводки. Указанные размеры позволяют эффективно использовать ре0альные термочу&стш1ТельШ ге элe 4eнты при неш1О жоствостн не более 0,2 мм для шкэдади 60x60 мм.

Далее полезный световой поток попадает ija экран 5 и дает на нем ви5эуальное изображеш е температурнохю поля объекта, где каждому соответствует определеннгш теьШература. Часть светового потока лшишы накаливания 1 преобразуется конден0сором 11 в параллельный пучок, из которого с помощью целевой даафрагмы 12 выделяется узкий света, падающий на спектроразлагакщийэлемент 10, функции lopTopbro-выполняет

5 дифракционная решетка Последняя разлагает белый свет в спектр, который, отразившись от эеркала 14, проходит сквозь 11(елевую диафрагму 13, выделяющую узкий участок спект0ра. Причем вариация спекзрального состава света и пучке, проьюдщ : сквозь диафрагму 13, осуществляется угловым поворот(4 спектрЪразлагакюе го элемента 1о. Последнее реализует.ся с п(.ющью винта 24, снабженного

5 шкалой и действующего как рычаг на пластину 23, к которой прикреплен спектроразлагающий элемент 10.

С помощью зеркала 15 свет опреде0ленного спектрального- сосгава направляется на экран 5 и дает на нем световую метку в области тени зеркала 13, что предохраняет его от смещения с полезным световым сигнгшом. Путем углового поворота спектрораз5

лагающего элемента 10 с помощью винта 24 подбирают метку, совпадающую по цвету с исследуемы. участком визуализированной картины температурного поля, По градуироэочной характеристике, сйязывающей угловой поворот дифракционной решетки с длиной волны света, выделяемого ею, определяют последнюю. Затем по градуировочной характеристике термочувствительного элемента, связывающей длину волны свободно проиедшего сквозь него света с теглпературой, определяюттемпературу соответствующего участка исследуемого объекта.

Метод сравнения по цвету позволяет исследовать температурные поля, с высокой точностью благодаря высокой точности идентификации цветов, наблюдаеглых одновременно на совмещенных полях зрения. Минимально заметная разница цветоразличия в длинах воли при сравнении глазом монохроматических цветов в пределах видимой о бласти спектра не превышает 3 нм, что обеспечивает в предлагаемом устройстве точность измерения температуры не ниже 0,3 К термочувствительных элементов размером до 100x100 глм ординарного качества.

Формула изобретения 1. Устройство для исследования температурных полей, содержащее источник белого света, конденсор, диафрагму, установленную перед матовы :экраном, и термочувствительный элеМент, выполненный в виде прозрачной кюветы, заполненной оптически неоднородной смесью компонентов с близктт показателями преломления и различными температурными коэффициент§ми показателя преломления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения тe mepaтypы, в него введены непрозрачный трафарет, нанесенный на отражающую поверхность зеркала, установленного за конденсором с возможностью перемещения перед диафрагмой, и выполненный вместе с диафрагмой с набором отверстий, спектроразлагающий элемент, установленный в апертуре источника, света через дополнительный конденсор с возможностью фиксируемого углового поворота, система щелевых диафрагм и поворотных зеркёш, расположенных между спектроразлагаияцим элементом и матовым экраном.

.2. Устройство по п.1, о т л и чающееся тем, что отверстия в непрозрачном трафарете и диафрагме

выполнены в форме эллипсов и прямоугольников .с различным соотношением осей и сторон.

3.Устройство по пп. 1 и 2, о т личающее ся тем, что зеркало и диафрагма укреплены на пластинах из ферромагнитного материала, установленных на магнитах с возможностью скольжения по их поверхности.

4.Устройство по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что диафрагма выполнена из ферромагнитного материала и установлена непосредственно на магнитах с возможностью скольжения по их поверхности.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 253408, кл. G 01 К 11/12, 1968.

2.Авторское свидетельство СССР 711362, кл. G 01 К 11/12, 1977

(прототип). (

KStTK.,

Avyyt ;)

a-/j

Фиг.1

f6

1°Й

/7