Тепловизоры - Измерение температурных полей

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВИЗОРОВ
17. измерение температурных полей
После создания первых тепловизоров длительное время считалось достаточным качественное наблюдение теплоизлучающих объектов. Затем появилась необходимость количественного измерения температуры объектов по получаемым термограммам. В настоящее время применение тепловизоров для дистанционного измерения температурных полей является одним из важных приложений тепловидения, используемых при неразрушающем контроле различных объектов.
Измерить истинную температуру нагретого тела с помощью тепловизора сложно. Практически измеряются не истинную (Т), а так называемую радиационную (Тъ) температуру — температуру абсолютно черного тела, при которой его энергетическая светимость Ме равна энергетической светимости нечерного излучателя с коэффициентом теплового излучения е (Т).

Такой способ измерения радиационной температуры применяют в тех случаях, когда в тепловизоре используется неселективный ПИ (например пирикон).
Величина бТ зависит от коэффициента теплового излучения, знание которого и его зависимость от температуры необходимы для правильной интерпретации результатов измерений и количественной оценки температуры тела.
Влияние отраженного объектом излучения окружающей среды на определяемую температуру учитывают, вводя эквивалентный коэффициент теплового излучения.
Другой способ измерения температуры основан на определении энергетической светимости тела в ограниченном спектральном диапазоне. Он применяется тогда, когда в тепловизоре используется селективный ПИ. Если спектральный диапазон чувствительности приемника достаточно уз
кий, то воспринимаемое тепловизором инфракрасное излучение объекта можно считать монохроматическим с длиной волны. При этой длине волны измеренная температура объекта будет равна температуре черного тела, имеющего такую же энергетическую яркость, что и объект. Эту температуру называют яркостной.

Таким образом, при обоих способах тепловизионного измерения температуры нагретого объекта не устраняется влияние коэффициента теплового излучения. Расчеты показывают что если поверхность объекта имеет, например, температуру 300 К и коэффициент теплового излучения в — 0,5. то при отклонении коэффициента е на величину Де = 0,01 (Де/е = 2 %) выходной сигнал тепловизора будет соответствовать температуре, отличающейся от 300 К на 0,6 К- С ростом коэффициента теплового излучения погрешность ДТ измерения температуры уменьшается, но превышает разрешающую способность по температуре современных тепловизоров.
Тепловизионные измерения температуры нагретых объектов проводят двумя способами: дифференциальным и непосредственным. В одних случаях важно знать непосредственное значение радиационной или яркостной температуры, в других требуется определить лишь перепады этих температур по поверхности объекта.
С учетом конструктивной сложности дифференциальные измерения аппаратуры выполняются проще, так как не требуется стабильность уровня видеосигнала вследствие дрейфа нуля усилительного тракта, влияния низкочастотного шума приемника излучения и т. п. Пример дифференциальных измерений — определение тепловизором уровня жидкости в железнодорожных цистернах по линии перепада температуры на их поверхности.
При дифференциальных измерениях местоположение уровня отсчета видеосигнала на шкале температур не определено и его измеряют как разность между двумя величинами. Точки или зоны выборок видеосигнала на термограмме определяют в зависимости от конкретных задач. При этом одну из точек или зону принимают за опорную и по отношению к ней оценивают перепады температур.
Дифференциальные измерения делятся на сравниваемые с нормой или с эталонным термопортретом, выполняемые визуально или с помощью ЭВМ. Сравнение с нормой представляет собственно допусковый тепловой контроль, а сравнение с теплопортретом — задачу по обработке изображений. В первом случае сравнивают двумерное изображение с заданной константой, во втором — два двумерных изображения.
При измерениях различают цифровые (дискретные) и числовые термограммы. Цифровые термограммы получают квантованием аналогового видеосигнала в цифровых тепловизорах или с помощью соответствующих преобразователей. При работе тепловизора с ЭВМ числовая термограмма получается, например, в виде массива цифр, адекватного объекту на ленте цифропечатающего устройства или образа термограммы, записанной на магнитную ленту или перфоленту.
Непосредственные измерения проводят при контроле температурных режимов элементов радиоэлектронной аппаратуры, узлов авиационных двигателей и т. д. Такие измерения делятся на прямые и выполняемые путем сличении. При прямых измерениях уровень отсчета температур формируется за счет опорного сигнала, образуемого в самом тепловизоре. При измерениях путем сличения точка отсчета формируется за счет опорного сигнала вне тепловизора.
Измерения сличением широко применяли в первых моделях тепловизоров и иногда применяют в современных моделях, где уже преобладают прямые измерения. Сущность измерения сличением заключается в том, что рядом с объектом в поле зрения тепловизора помещают эталонный инфракрасный излучатель с известной температурой. Совместно термографируя объект и излучатель по величине сигналов от них судят о распределении температур по поверхности объекта. Оценка величины сигнала в одном из трех режимов — радиометрическом, сканирования строки или кадра — ведется непосредствен но по яркости или цвету термограмм, изотерм различного типа или по индикаторам (стрелочный прибор, осциллограф, цифровой измеритель сигнала генератор термопрофилей и т. п.), т. е. отсчет измеряемой температуры ведется по изображению и по индикатору.

Рис. 5.1. Схема компенсации дрейфа пиловой клин с температурами от видеосигнала 85 до 100° F (29,4...37,7 °С)

Наибольшая точность измерения достигается при равенстве опорного (от эталонного излучателя) и измеряемого (от объекта) сигналов. Для остальных точек динамического диапазона сигнала точность измерения уменьшается. Предварительно тепловизор градуируют в пределах предполагаемой амплитуды сигнала от объекта. Для этого в поле зрения тепловизора помещают АЧТ с температурой Т1 и регистрируют уровень сигнала от него. Далее изменяют температуру АЧТ до Т.г и по регистратору отмечают вторую реперную точку. В пределах АТ — Тг— Тг считают шкалу индикатора линейной, что достаточно справедливо лишь при небольшой АТ, в связи с нелинейной зависимостью энергетической яркости АЧТ от его температуры. Как правило, такая калибровка осуществляется после включения тепловизора и достаточно длительного прогрева элементов его конструкции. Далее калибровку периодически повторяют, так как измерение сличением носит характер лабораторных экспериментов Для уменьшения погрешности измерения сличением вместо АЧТ используют протяженный ИК излучатель в виде теплового аналогового или дискретного клина. Дискретный десятиэлементный использовался в одном из первых зарубежных тепловизоров фирмы «Варне». Этот клин также необходимо было после 30-минутного прогрева термографировать совместно с объектом и, сравнивая оптическую плотность участка клина и объекта, оценивать значение температуры.
При измерении температуры сличением особых метрологических требований к видеоканалу не предъявляется. При переходе на прямые измерения в новых моделях тепловизоров необходимо было переработать видеоканал, что привело к его превращению в измерительный или информационно-измерительный канал. Основное требование к последнему: стабильность коэффициента передачи (так как он непосредственно определяет точность измерения) а также формирование стабильной или известной точки отсчета уровня видеосигнала. При прямых, измерениях отсчет температуры также проводят по изображению и по индикатору.
При создании измерительного канала наиболее важной задачей является уменьшение дрейфа видеосигнала до величины, соизмеримой с порогом температурной чувствительности тепловизора. Для этого применяют ряд мер. Одной из них является введение в состав тепловизора оптического прерывателя, с помощью которого поток излучения объекта сравнивается с потоком встроенного черного тела. Чем ближе к. входу оптического канала вводится поток черного тела, тем выше точность калибровки, так как при этом учитывается излучение элементов оптической системы.
По периодичности ввода потока черного тела различают построчную, надкадровую и покадровую калибровку, для чего используют время обратного, или нерабочего хода при сканировании. С увеличением частоты автокалибровки уменьшается мощность низкочастотного шума ПИ, проникающего в видеосигнал.
Если такое устройство не обеспечивает необходимой точности измерения, применяют электронную схему компенсации дрейфа сигнала, которая позволяет при постоянной температуре черного тела изменять уровень отсчет температуры тепловизором. Схема состоит из прерывателя 1 (рис. 5.П, который периодически подает на приемник излучения 2 потоки Фо5, Ф0 от объекта и черного тела, ключа 5, предусилителя 4, усилителя 6 сигнала
рассогласования и запоминающего конденсатора 3. Прерыватель и ключ работают синхронно, причем когда на ПИ падает поток Ф0, ключ замкнут, а когда- поток Фоб— ключ разомкнут. Поток Ф0 подается на приемник во время нерабочего хода сканирующего луча; в этом случае выходное напряжение Uc предусилителя равно постоянному (опорному) напряжению U0 и не зависит от сигнала с ПИ. Обозначая At/,— входное напряжение предусилителя, UK— напряжение на зажимах конденсатора.

Для уменьшения погрешности измерения температура черного тела должна быть близкой к среднему значению диапазона измеряемых температур. Знак опорного напряжения UB выбирается в зависимости от того, в меньшую или большую сторону относительно температуры черного тела выбирается уровень отсчета.
К измерительным тепловизорам применимы метрологические понятия; и определения, используемые в другой измерительной аппаратуре.
Абсолютная погрешность AT тепловизионных измерений выражается в единицах измеряемой величины и является именованным числом. При градуировке тепловизора по шкале температур обозначается ATS°C; при градуировке по энергетической яркости черного тела АТЯ, Вт/(см² • ср).

Диапазоном регистрируемых температур TR считается перепад температур АЧТ, которому соответствует сигнал, укладывающийся в пределы динамического диапазона тепловизора.
За уровень отсчета температур Ту принимается температура АЧ1, сигнал от которого не выходит за пределы динамического диапазона тепловизора при заданном диапазоне регистрируемых температур. Величина J используется как опорная точка в процессе отсчета температур.
Различают диапазон наблюдаемых температур Dr K и диапазон измеряемых температур DT и. За величину DT H принимают максимальное и минимальное значения температур АЧТ, термографируемых одновременно или разновременно и вызывающих сигнал, соответствующий экстремальным границам динамического диапазона тепловизора. Величиной DT считается максимальное и минимальное значения температур АЧТ, измерение которых тепловизором возможно с точностью, укладывающейся в пределы заданной погрешности измерений.
В тепловизионных измерениях применяют также такие параметры, как последовательность устанавливаемых значений уровня отсчета и диапазона измеряемых температур, погрешности измерения температуры окружающей среды и поддержания уровня привязки, время выхода на режим измерений, частоту и время автокалибровки измерительного канала и др. (табл. 5.1).
5.1. Основные параметры измерительных тепловизоров отечественного производства

Параметр	«Рубин-1» «Рубин-2»	«Рубин-3* («Факел»)	«Алмаз»	«Радуга-	«Раду- га-АТ»	«Радуга- »	ТВ-03
Абсолютная погреш	_	±0,5	1	1	1	_	_
ность, °с
Относительная по	—	—	—	—	—	5	±5
грешность, %
Диапазон регистрируе	25	50	35	35	35	35	80
мых температур, °С
Уровень отсчета тем	—	0—100	20—200	0—200	0—200	—	—
ператур, °С
Диапазон наблюдае	20—200	20—600	20—200	0—200	0—200	0—20	20—200
мых температур, °С
Диапазон измеряемых	—	10—50	25—50	25—50	25-50	20—80	25-50
температур, °С
Пределы значений	—	0;1; 10	1	1;2; 10	1;2; 10	1	—
уровня отсчета; шаг,
Пределы значений	_	1; 10	_	1; 2;	1; 2;	_
диапазона регистри				Зх10	Зх10
руемых температур, °С	0,3
Погрешность поддер		0,1	—	0,2	0,2	0,2	—
жания уровня привяз
ки, °С
Уровень привязки, °С	35	0	—	35	35	35 30	—
Время выхода на ре	60	10	30	30	30		—
жим измерений, мин					25	25	200
Частота автокалибров	—	6	150	25
ки, Гц						185
Время калибровки, мкс		10	185	185	185		—
Относительная нерав	—	—	- 0,5	0,5	0,5	0,5	—
номерность сигнала по
каналам, %

* t0 — температура окружающей среды.

Контроль качества сборки статоров электрических машин. В СССР были впервые в мире разработан способ неразрушающего контроля качества сборки активной стали статоров мощных электрических машин (турбогенераторов электростанций) в процессе их изготовления и профилактического ремонта. Этот способ позволяет определить места статора, где нарушена изоляция между листами активной стали. Дефектные участки имеют температуру, отличающуюся на несколько градусов от других участков статора, что обнаруживаете» специально созданным тепловизором —дефектоскопом «Статор-1».
Поток излучения с внутренней поверхности статора фокусируется объективом на ЧЭ ПИ (селенид свинца с термоэлектрическим охлаждением). Так как вольтовая чувствительность и порог чувствительности приемника зависят от его температуры и, следовательно, от температуры окружающей среды, питание термоэлектрического холодильника изменяется в зависимости от температуры ЧЭ ПИ. С выхода приемника сигнал поступает на предусили тель VI (рис. 5.2) с компенсатором дрейфа сигнала (усилитель V2, ключ КК запоминающий конденсатор С1).

Рис. 5.2. Функциональная схема измерительного канала тепловизора-дефектоскопа «Статор-1»:
I — сканирующее зеркало; 2 — приемник излучения; 3 — объектив; 4 — датчик температуры; 5 — стабилизатор температуры приемника; 6 — черное тело; 7 — электронный регулятор; 8 — синхронизатор; 9 — регистрирующее устройство; 10 — преобразователь; 11 — селектор видеосигнала; 12 — электроннолучевой индикатор

В предусилителе усиливается сигнал с ПИ и по командам датчика строчных синхронизирующих импульсов привязывается к уровню сигнала от черного тела. Привязка производится один раз за каждый оборот сканирующего зеркала в тот момент времени, когда на приемник попадает излучение черного тела.
Сигнал с предусилителя VI поступает на формирователь уровня V4r с помощью которого формируется оптимальный уровень сигнала, укладывающийся в динамический диапазон электронного тракта. Для этого на вход формирователя VI через резистор R2 подается постоянное напряжение с сумматора V5, к которому приложено напряжение U6 с аттенюатора S1 и напряжение U4 с усилителя датчика температуры. Значение t/4 зависит от температуры внутри оптической головки, что позволяет вводить в рабочий сигнал поправку на изменение собственного излучения элементов конструкции головки. В формирователе уровня ключ К2 привязывает уровень рабочего сигнала к нулю, так как он был сдвинут на величину U3= Ub.
В основном усилителе V6 диапазон регистрируемых температур регулируется изменением коэффициента усиления с помощью аттенюатора S2. Собственный дрейф усилителя устраняется ключом КЗ и конденсатором С2.
После основного усилителя видеосигнал поступает на селектор, разделяющий его на постоянную и переменную составляющие. Переменная составляющая несет информацию о перепадах температуры относительно средней температуры статора, которая пропорциональна постоянной составляющей. Значение последней наносится на термограмму в виде меток, образующих линию. Отклонение этой линии от прямой характеризует изменение средней «оставляющей температуры статора.
Видеосигнал подается на регистрирующее устройство через функциональный усилитель V7, который учитывает нелинейную зависимость оптической плотности электрохимической бумаги типа ЭХБ-4 от тока, проходящего через нее. Для быстрого выбора уровня отсчета и диапазона измеряемых температур служит электронно-лучевой индикатор, по которому наблюдают амплитуду видеосигнала и регулируют ее с помощью аттенюаторов S1 и S2.
Количественную оценку температурных полей производят по оптической плотности электрохимической бумаги с учетом показаний декадных аттенюаторов и линии регистрации средней температуры. Температура черного тела поддерживается на уровне 60 ± 0,2 °С электронным регулятором. С помощью синхронизатора, кинематически связанного с приводом сканирующего зеркала, ключи К1—КЗ замыкаются в моменты времени, когда на приемник попадает излучение от черного тела.