Тепловизоры - Эталонные инфракрасные излучатели

При тепловизионных измерениях функции эталонных источников выполняют модели абсолютно черного тела, а также различные лампы и лазеры, применяемые при калибровке приборов, имитации измерения фонов и целей.
В связи с отсутствием в настоящее время государственной поверочной схемы по прямой передаче единицы Кельвина тепловизионным средствам измерений низких температур, в тепловидении используется ГОСТ 8.106—80 «Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений энергетической яркости и силы излучения тепловых источников с температурой от 220 до 900 К.
Переход к шкале радиационных температур осуществляется расчетным путем по формуле Планка. Значение энергетической яркости, воспроизводимой государственным специальным эталоном при температуре фазовых переходов воды, олова и цинка, составляют соответственно 100,5; 1173,5 и 4151,0 Вт/(ср • м²). Эталон обеспечивает воспроизведение единицы энергетической яркости со средним квадратическим отклонением результата измерений L С 0,5 • 10~2Вт/(ср • м²), у вторичного эталона L < 0,5 • 10"2Вт/ (ср -м²). Образцовые средства измерений 1-го и 2-го разряда имеют соответственно доверительную относительную погрешность 50« 3 • 10-2 и 80« С 9 • 10-2 для энергетической яркости. В качестве рабочих средств измерений применяют излучатели с энергетической яркостью 40...12000 Вт/(ср • м²), радиометры-яркомеры в диапазоне энергетической яркости 40.... 12000 Вт/ (ср • м²), излучатели с силой излучения 1 • 10~4...3,5 Вт/ср, радиометры и приемники ИК излучения в диапазоне силы излучения 1 • 10_4...3,5Вт/ср. Для рабочих средств измерений допускаемая относительная погрешность 60= (3...50)10-2. Соотношение погрешностей образцовых и рабочих средств измерений должно быть не более I : 3.
При передаче единицы энергетической яркости от государственного специального эталона образцовым и рабочим ИК излучателям используется метод прямого измерения радиометрами-яркомерами и метод сличения радиометрами-компараторами. При прямом методе измерений по градуировочной кривой радиометра и его реакции на излучение находят яркость градуируемого излучателя. Метод сличения — более точный. Компаратором для эталонной установки АЧТ-419 (температура затвердевания цинка — 419,58 ± ± 0,03 °С) является радиометр РАД-ЗС с поворотным устройством, предназначенный для передачи единицы энергетической яркости рабочему эталону ИРЭ-60Н. В эталонном излучателе АЧТ-01 используется температура тройной точки воды (0,01 ± 0,0002 °С), а в АЧТ-232 — олова. Радиометр-компаратор типа РАД-3 используется при непосредственном сличении рабочего эталона с поверочными излучателями.
Одними из первых были метрологически аттестованы как образцовые средства измерения температуры низкотемпературные излучатели РП-728 и РП-729, воспроизводящие тепловое поле в виде круга 50 и 100 мм в диапазоне от 26 до 36 °С при 11 фиксированных уровнях температуры [120]. Аттестацию проводили на установке УВС-1М непосредственным сличением этих излучателей энергетичёской яркости с яркостью рабочего эталона ИРЭ-60Н с помощью радиометра-компаратора РАД-ЗН методом заменения. Погрешность не превышала 0,2 К на уровне 30 °С. Создан и рабочий эталон ИНЭ-1 с прямым измерением температуры.
Для выполнения операций сличения образцового и рабочих ИК излучателей по энергетической яркости, определения неравномерности излучения по площади, получения теплопортрета излучателя, его изотермических зон, времени выхода на режим и других параметров разработан стенд типа Р2К (рис. 4.11) на базе тепловизора «Рубин-2» и преобразователя аналоговой термограммы в дискретную типа «Квантователь». Электронный тракт тепловизора доработан с целью уменьшения нелинейных искажений, в его зеркальный объектив введена кольцевая бленда, конструкция дополнена интегрирующим звеном, вертикальным и горизонтальными приводами сканирования, осциллографом, самописцем. Преобразователь «Квантователь» в составе стенда использован без доработок.
Стенд Р2К может работать в пяти режимах: радиометрии, термографировании кадра за время 1 мин, сканировании вертикальной строки с частотой 1/150 Гц, сканировании вертикальной строки с периодом 1 мин, сканировании горизонтальной строки с периодом 1 мин. Стенд дает возможность получать аналоговую или цифровую (квантованную на 5 или 10 уровней) термограмму, регистрировать вертикальный или горизонтальный термопрофиль. При этом порог температурной чувствительности достигает 0,03 °С.
Через сканирующее зеркало и объектив ИК излучение, прерываемое с частотой 1360 Гц зеркальным модулятором, поступает через германиевый конденсор на охлаждаемый жидким азотом ПИ, представляющий собой фоторезистор из антимонида индия, малошумящий предусилитель и полосовой фильтр с полосой 1360 поступает на основной усилитель, где усиление регулируется калиброванным аттенюатором диапазона регистрируемых температур, а фаза сигнала фазорегулятором для обеспечения работы синхронного детектора. В предусилнтеле через дифференциальный вход осуществляется вычитание из сигнала постоянной составляющей, т. е. формирование уровня отсчета температур. Производится по каналу синхронизирующих импульсов, получаемых с синхродатчика с частотой 1360 Гц, через синхроусилитель, формирователь опорных импульсов и аттенюар уровня отсчета температур. Нижний уровень сигнала формируется от встроенного ИК излучателя, термостабилизируемого регулятором температуры.

Рис. 4.11. Функциональная схема стенда Р2К для контроля ИК излучателей:
1— аттенюатор диапазона; 2 — фазорегулятор; 3 — предусилитель; 4— полосовой фильтр: 5 — основной усилитель; 6—синхронный детектор; 7 — интегрирующее звено; 8 — фильтр-пробка; 9 — приемник излучения; 10 — аттенюатор уровня отсчета температур; 11 — формирователь опорных импульсов; 12 — дополнительное интегрирующее звено; 13 — регулятор температуры; 14 — конденсор; 15 — синхродатчик, 6 — синхроусилитель; 17 — осциллограф; 18 — стрелочный индикатор; IS — самописец; 20 — встроенный ИК излучатель; 21 — линза; 22 — модулятор; 23— привод модулятора; 24 — датчик строчный; 25 — синхронизатор; 26 — электрохимический регистратор; 27 — функциональный усилитель; 28 — коммутатор; 29 — бленда; 30 — объектив; 31 — привод строчный; 32 — муфта; 33 — ручной привод; 34 — визир; 35 —. сканирующее зеркало; 36 — привод кадровый; 37 — вертикальный привод сканирования; 38 — горизонтальный привод; 39 — полутоновой датчик; 40 — датчик кадровый; 41 — дискретизатор; 42 — формирователь изотерм; 43 — переключатель; 44 — источник опорных напряжений; 45 — коммутатор линейки резисторов; 46 — сумматор; 47 — формирователь сигналов перегрузки

Вследствие конечного значения допусков на симметрию четырехпластного модулятора и неидентичности коэффициента отражения каждой из лопастей на выходе синхронного детектора появляется паразитная модуляция сигнала с частотой 1360/4 = 340 Гц, подавляемая фильтром-пробкой, ограничивающим порог температурной чувствительности. Для улучшения работы фильтра к имеющемуся интегрирующему звену может вводиться дополнительное звено в случае работы в режиме радиометра или медленной регистрации термопрофилей самописцем (типа Н392) через согласующий каскад. Сигнал можно наблюдать и измерять осциллографом или стрелочным индикатором; возможно подключение вольтметра. Коммутатор во время холостого хода сканера по строке обеспечивает от полутонового датчика получение дискретной десятиуровневой шкалы плотностей на электрохимической бумаге типа ЭХБ-4, а во время обратного хода по кадру — получение гасящего импульса от датчика кадров. Переключателем сигнал пропускается через преобразователь «Квантователь» и поступает на функциональный усилитель с нелинейной передаточной функцией, учитывающей нелинейность зависимости оптической плотности бумаги ЭХБ-4 оттока записи через нее. Термограмму получают в электрохимическом регистраторе, синхронизируемом со сканером через синхронизатор, строчные датчик и привод, который может отключаться через муфту, подключающую ручной привод или вертикальный привод сканирования. Для получения дискретной термограммы, позволяющей обнаруживать неизотермичность АЧТ и визуально ее наблюдать, в работу включается «Квантователь» й сигнал через дискретизатор, имеющий источник опорных напряжений, поступает на формирователь изотерм, которые на термограмме могут быть белыми или черными (для уверенного наблюдения щей способности, под которой понимается минимальный тепловой импульс, регистрируемый тепловизором.
Так как один и тот же излучатель (в зависимости от расстояния, с которого производится наблюдение) может быть и точечным, и протяженным, за критерий при классификации (рис. 4.12) принимают его угловые размеры. Если угловые размеры излучающей поверхности превосходят мгновенный угол зрения тепловизора в десять и более раз, излучатель считают протяженным.
В табл. 4.5 приведены основные параметры моделей АЧТ, применяемых при испытаниях тепловизоров.

4.5. Параметры АЧТ, применяемых при испытаниях тепловизоров

В комплект тепловизоров «Рубин-2» и «Янтарь-МТ» входит одноэлементный излучатель АЧТ «Рубин-2» (рис. 4.13). Он состоит из собственно излучателя и электронного блока, соединенных между собой кабелем длиной 1,5 м. Излучающая поверхность выполнена в виде круга из алюминиевого сплава типа АМГ, имеющего концентрические треугольные канавки глубиной 5 мм с покрытием. На обратной стороне круга имеется канавка в виде спирали, куда укладывают нихромовый провод нагревателя, закрепляя его с помощью гипса. В центре круга в углублении размещается полупроводниковый терморезистор типа СТЗ-19-2,2 к, заливаемый сплавом Розе для обеспечения теплового контакта. Сверху на нагреватель наклеивают платиновый термометр сопротивления ИС-568; всю конструкцию размещают в цилиндрическом кожухе.
Электрическая схема состоит из моста переменного тока, датчика температуры R13, аттенюатора R9, усилителя рассогласования А1, фазочувствительного регулятора на транзисторах Vll, V12, питающего полуволнами напряжения через диод V1S нагреватель R14. Имея хороший тепловой контакт с излучающей поверхностью, термометр R12 позволяет контролировать температуру в процессе настройки излучателя. Так как измерительный мост уравновешен, колебания питающего напряжения не оказывают значительного Влияния на точность поддержания температуры.
Излучатель необходимо периодически проверять, так как со временем наблюдается уход температуры относительно заданной, что объясняется процессом старения термодатчика. Схема, изображенная на рис. 4.13, использовалась и для построения 10-элементного ИК излучателя, имеющего 10 каналов регулирования температуры. Каждая из излучающих поверхностей такого излучателя имеет площадь 65 см², диапазон дискретно задаваемых температур — (30...80) °С. Остальные параметры такие же, как и одноэлементного излучателя.

Рис. 4.13. Принципиальная электрическая схема излучателя к тепловизору «Рубин-2»

Излучатель применяется для контроля линейности передаточного коэффициента тепловизоров; настройки их информационно-измерительного канала.
Тепловизоры «Алмаз», «Радуга-МТ», «Радуга-АТ», «Радуга-2» комплектуются двухплощадным ИК излучателем (рис. 4.14,а). В него входят два канала регулирования для каждой излучающей поверхности.

Рис. 4.14. Структурные схемы АЧТ «Радуга» (а) и излучателя КИ-1 (б)

Последние имеют форму квадрата 150X150 мм и выполняются из плиты толщиной 20 мм алюминиевого сплава АМГ2М с покрытием. В полость плиты вкладывают намотанный на текстолитовый корпус нагреватель из константановой проволоки; нагреватель дополнительно пропитывают электроизоляционным лаком, после чего заливают сплавом Розе для обеспечения теплового контакта с плитой, имеющей отверстие для полупроводникового терморезистора. Для замера температуры наклеивают термометр сопротивления ИС-568А. Термически обе плиты, находящиеся в одной плоскости, изолируют одну от другой зазором 3 мм. В первых моделях АЧТ «Радуга» имелся радиатор для проточной воды, охлаждающий излучатель до температур ниже окружающей среды. Однако он увеличивал теплопроводность между двумя излучающими поверхностями, что при значительной разности температур между ними ухудшало изотермичность поверхностей и стабильность температуры.
Стабилизатор 1 питает мост постоянного тока 7, в плечи которого включены термодатчик 3 и аттенюатор 6, выполненный из двух переключателей на 11 положений. Сигнал с диагонали моста 7 подается через дифференциальный усилитель 8 на компаратор 9, ко второму входу которого подключен источник переменного напряжения 5. По сигналам компаратора срабатывает тиристорный регулятор 10, нагруженный на нагреватель 2, находящийся в тепловом контакте с термометром сопротивления 4, по показаниям которого и подстраивают резисторы в плечах моста 7 для каждого из 21 положений аттенюатора 6. Возможна его настройка и по энергетической яркости при наличии стенда для сличения излучателей.

Рис. 4.15. Структурная схема излучателей ИТ-80У и ИТ-80Д из модульного ряда «Излучатель»

В комплект тепловизора ТВ-03 входит ИК излучатель типа КИ-1, имеющий две рабочие поверхности диаметром 40 мм каждая и электронный блок. Температура одной поверхности равна 30 °С, на второй поверхности температура может быть 32, 35 и 40 °С при точности установки ± 0,2 °С. Местоположение излучающих поверхностей меняется с помощью телескопических кронштейнов. Шероховатая излучающая поверхность покрыта эмалью ПФ-19М и принадлежит медному нагреваемому сердечнику.
Структурная схема КИ-1 изображена на рис. 4.14,6 и представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования с термодатчиком 5, включенным в мост с задатчиком 4, сигнал с которого через усилитель рассогласования 1 подается на тиристорный регулятор 2, нагружаемый на нагреватель 3, термически связанный с сердечником 6 и излучающей поверхностью излучателя.
Для тепловизора АТП-44М также разработан ИК излучатель с двумя излучающими поверхностями, имеющими независимую регулировку температуры. Он предназначен для калибровки и проверки тепловизора в процессе эксплуатации. Собственно ИК излучатели и их электронный блок крепят на легком штативе.
При построении измерительных ИК излучателей целесообразно использовать модульные конструкции. На рис. 4.15 изображена структурная схема трех модулей (диапазона, уровня и управления), комбинации из которых по
два образуют два типа пленарных излучателей: ИТ-80У — для калибровки уровня отсчета температур тепловизоров, ИТ-80Д — одномерный излучатель для калибровки диапазона регистрируемых температур. Модуль управления III может работать с модулем уровня I или модулем диапазона II. Габаритные размеры последних модулей 195 X 220 х 352 мм, а первого — 195 X X 128 X 352 мм. Создан и высокотемпературный модуль уровня, образующий с модулем управления излучатель ИТ-200. Перечисленные излучатели образуют модульный ряд «Излучатель».
Модуль уровня I состоит из двух платиновых термометров сопротивления / и 3 типа ИС-568, датчика температуры 2, аттенюаторов 25 и 4, трансформатора 6 и вентилятора 5 .В модуле диапазона II термометры сопротивления 10, 12 перекоммутируются по схеме измерения разности температур холодного и горячего концов или измерения температуры последнего датчиком 8. Измерительный мост, образованный термометрами сопротивления 10, 12 и аттенюаторами 25, 4, соединенными с модулем II разъемом 20, запитывается от синхронизируемого сетью генератора пилообразного напряжения 21. Сигнал с частотой 100 Гц с выхода моста подается на усилитель 24 переменного напряжения и далее на управляемый формирователем меандра 18 синхронный детектор 23, откуда выделенная постоянная составляющая сигнала рассогласования сравнивается компаратором 19 с пилообразным напряжением. В момент равенства указанных напряжений формирователь импульсов 17 через тиристорный регулятор 14 подает ток на индикатор 15 выхода на режим и на трансформатор 7, во вторичную обмотку которого включена излучающая поверхность 11. Питание и синхронизация всей схемы осуществляется от блока питания 22. Для ускорения процесса остывания излучающей поверхности при больших перепадах температур, задаваемых аттенюаторами 25, 4, в схему введен вентилятор 5 с пороговой схемой управления 16, которая включает вентилятор лишь при определенной полярности и амплитуде сигнала рассогласования с синхронного детектора. Для ориентировочного измерения температуры излучающей поверхности имеются контрольные датчики температуры 13 типа ИС-568, позволяющие оценить в модуле диапазона температуру холодного и горячего концов.
На рис. 4.16 схематически показана конструкция основного модуля модульного ряда «Излучатель», в котором в качестве излучающей поверхности используется токопроводящая лента. Обмотку I трансформатора 2 питают от сети 50 Гц, 220 В через тиристорный регулятор, работающий по сигналам датчиков температуры 3. Токовая шина 5 и лента нагревателя 4 образуют замкнутый виток, в котором токи достигают сотен ампер.
Излучатели с ленточным нагревателем имеют минимальную нагреваемую массу, и, следовательно, малое время выхода на режим tB, позволяющее строить нестационарные излучатели. Для сравнения параметров многочисленных конструкций излучателей предложен коэффициент эффективности

Рис. 4.16. Основной модуль модульного ряда «Излучатель»

где с— площадь, излучающей поверхности; Гд — диапазон воспроизводимых температур; -у — относительная погрешность воспроизведении температуры.
Покрытие для пленарных излучателей должно иметь хорошую теплопроводность В противном случае поток воздуха за счет конвекции вдоль излучающей поверхности приводит к неравномерности энергетической яркости. Температура верхней части излучателя оказывается выше нижней. Так для покрытия АК-243 на меди перепад может достигать 0,1...0,3 С на уровне 35 °С в зависимости от толщины покрытия. С ростом температуры излучателя растет и неизотермичность.