Устройство для измерения температуры поверхности

 

CoIo3 Советсник

Соцмалмстичесннк республик

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6I ) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 11.02.80 (2! ) 288 1570/18-10 (51)М. Кл.

С, 01 К 11/12 с присоединением заявкм ле

90еударатаалеыб кеметет

CGCP ае делам лзобретеккй к етарыткй (23) Приоритет. (53) УД3(536ЛЗ. (088. 8) Опубликовано 30.10.81. Бюллетень Фю 40

Дата опублмковамня описания 03. 11.81

А. И. Гудименко, Н. С, Данилин и С. А. Кононенко. (72) Авторь!

° изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

ПОВЕРХНОСТИ

Изобретение относится к контрольно иэмерительной технике, а именно, к устройствам для локального измерения температуры с- помощью термохромных преобразователей, и может быть использовано для измерения температуры, исследования тепловых полей и для тепловой диагностики элементов и узлов радоиэлект.ронной аппаратуры.

Известно устройство для определения температуры поверхности, содержащее ту40 бус, на одном конце которого расположен осветитель с системой линз, а на другомтермохромный преобразователь, выполненный в виде слоя жидких кристаллов, нанесенного на теплопроводную подложку, и ка1S меру наблюдения, в которой при необходимости может быть установлен фотоаппарат 1 .

При контакте термохромного преобра20 зователя с поверхностью контролируем -. го объекта, освешаемый белым светом слой жидкого кристалла изменяет caoN цвет в соответствии с температурой контролируемой поверхности. Полученное цветное изображение наблюдают непосредственно, либофотографируют на пленку. Точность измерения температуры известным устройством весьма назкая, что обусловлено субъективными ошибками при визуальной оценке. цветного иэображения. Использование же фотографических методов регистрации и оценки полученной картины

I требует значительных затрат времени и . труда, связанных с проявлением и анализом снимков, и вносит в результаты измерений погрешности, обусловленные нестабильностью параметров пленки, ошибками, возникающими в процессе проявле» ния и пр Кроме того, незащищенный слой жидких кристаллов термохромного преобразователя, входяшего в состав устройс1 ва, под воздействием внешней среды (влажности, ультрафиолетового излучения, пере« мены давления) быстро теряет свои свойства, что отрицательно. сказывается на работоспособности устройства в це- . лом.

877359

5 0

20

50

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения температуры 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, выполненный в виде слоя жидких кристаллов, заключенного между двумя защитными пленками, и расположенное в области пересечения тубуса с боковым отростком под углом 45 к их продольным осям полупрозрачное зеркало, посредством кото, рого термохромный преобразователь оптически связан с осветителем и фотоприемником P2g .

Благодаря наличию цветного светофильтра с перестраиваемой длиной волны про.пускания и фотоприемника, соединенного с регистрирующим блоком, известное устройство позволяет измерить спектральную характеристику светового потока, селек.тивно рассеянного слоем жидких кристаллов. Поскольку между температурой контролируемого объекта и спектром селективного рассеяний жидких кристаллов существует однозначная зависимость, То по длине волны пропускания цветного светофильтра, соответствующей максимальному значению полученной спектральной характеристики, судят о температруре конгролируемой 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), затрудняющую наблюдение и регистрацию спектральной характеристики света, селективно рассеянного слоем жидких кристаллов и, тем самым, вносит погрешность в результаты измерений. Другими источниками погрешности являются возникающие в процессе работы известного устройства изменения яркости светового потока, вызванные, например, колебаниями питаюmего напряжения, разъюстировка оптической системы, температурная нестабильность характеристик фотоприемника.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что. в устройство введены отражающий эле-. мент и дополнительный фотоприемник, подключенный ко второму входу регистрирующего блока, при этом тубус разделен перекрывающейся против бокового отростка светонепроницаемой перегородкой на две камеры, в одной иэ 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.

Отражающий элемент выполнен из двух защитных пленок, находящихся в контакте, причем, световоспринимаюшая поверх- ность 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 иэ того же материала, что и термохромный преобразователь и снабжен теплоизолирующим экраном.

На фщ. 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 теплозашитный 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 торце тубуса 1, что и фотоприемник 11, и отражающий элемент 14.

В обоих камерах 9 и 10 в области пересечения тубуса 1 с боковым отрост

877359

25 эо ком 2 под углом 45 градусов к их продольным осям расположено полупрозрачнбе зеркало 15, посредством которого термохромный преобразователь 12 оптически связан с осветителем 3 и фотоприемником 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 ll 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 ll и 13, либо непосредственно на выходе осветителя (фиг, 1 и 2) °

Термохромный преобразователь выполнен в виде слоя 18 жидких кристаллов, заключенного между двумя защитными пленками 19 и 20, одна иэ которых, обращенная в сторону контролируемого объекта, является теплопроводной подложкой, а другая 20, обращенная в сторону фотоприемника 12, прозрачна для видимого света. б 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 тем, чтобы он находился вне тепловых воздействий конт ролируемого 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 20 термохромного. преобразователя 12, но прилегающих друг к другу (находяшихся в контакте). При этом отралмюший элемент сохраняет ту же спектральную характеристику отражения, что и зашитная поверхность термохромного преобразователя, но становится нечувствите п 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 плоскос35

5О

В зависимости от конкретных усло- . вий работы отражающий элемент 14 и термохромный преобразователь 12 могут быть установлены йибо 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 па» раллельного пучка света.

Отражающий элемент 14 выполняют из материала, спектральная характеристика отражения которого совпадает со ти.

Устройство работает следующим образом.

Торец тубуса 1, снабженный термохромным преобразователем 12, приводят в тепловой контакт с контролируемой поверхностью и включают источник 4 света. Сформированный рефлектором 5 и конденсатором 6 параллельный пучок света проходит через теплозашитный фильтр 7, задерживающий волны инфракрасного диапазона, через светофильтр 17 с перестраиваемой длиной волны пропускания и поФ падает на полупрозрачное зеркало 15..

Светонепроницаемая перегородка 8 делит параллельный пучок света .на два независимых потока, один иэ 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.

7 8773

Ограженные от поверхностей термохромного преобразователя 12 и отражающего элемента 14 световые потоки посредством полупрозрачного зеркала 15 направляются на соответствующие фотоприемники 11 и 13, которые преобразуют световое излучение в электрические сигналы, поступающие на входы регистрирующего блока 16, на выходе которого выделяется разностный сигнал. .зо

Световой поток, отраженный от термохромного преобразователя 12, представляет собой сумму. потоков света одной длины волны, задаваемой цветным светофильтром 17, а именно, светового потока, отраженного от термочувствительного слоя 18 жидких кристаллов, и светового потока, отраженного от поверхности прозрачной защитной пленки 20. Первый световой поток, интенсивность которого за- 2о висит от температуры контролируемого объекта, несет полезную информацию, вто рой - создает помеху. Таким образом,,. электрический сигнал, поступающий с выхода фотоприемника 11 на первый вход 25 регистрирующего блока 16, представля ет. собой сумму полезного сигнала и сигнала помехи. Электрический; сигнал, поступающий с выхода дополнительного фотоприемника 13 на второй вход регистриру-зо ющего блока 16, характеризует интенсивность светового потока, отраженного от элемента 14, спектральная характеристика рассеяния которого идентична спектральной характеристике рассеяния защитной пленки 20 термохромного преобразователя 12.

Следует отметить, что перед началом измерений. устройство калибруют; для этого, при условии изоляции термохромного 4о преобразователя 12 от источников тепла, подстройкой чувствительности фотоприемников 11 и 13 с помощью, например, переменных резисторов, включенных в цепь чувствительных элементов фотопримников 45

11 и 13, уравнивают электрические сиг», налы, поступающие с выходов обоих фотоприемников 11 и 13 на входы регистрирующего блока 16, добиваясь на его выходе нулевого значения разностного сиг50 нала. Таким образом, электрический сиг нал от фотоприемника 13 устанавливают равным сигналу помехи, характеризующему световой поток, отраженный от защит

-ной пленки 20 термохромного преобразователя 12.

В процессе измерения температуры объекта на выходе регистрирующего бло- ка 16 выделяется лишенный сигнала ломе

59 8 хи разностный сигнал, т. е. полезный сигнал, характеризующий. световой поток, рассеиваемый жидкокристаллическим слоем

18 термохромного преобразователя 12.

Перестраивая цветной светофильтр 17, регистрируют длину волны, соответствук шую максимальному. значению разностного сигнала на,выходе блока 16, т. е, максимальному значению спектральной характеристики рассеяния термохромного преобразователя 12. Эта длина волны находится в однозначной зависимости от. температуры контролируемого объекта, которую определяют либо по шкале coom ветствия, либо непосредственно по шкале цветного светофильтра, предваритель но проградуированного в градусах температуры, Если в процессе измерения происхо дят колебания интенсивности светового потока вследствие, например, нестабюп ности питающего напряжения источника 4 света, то эти колебания могут быть выделены из электрического сигнала на выходе фотоприемника 13 и использованы для компенсации влиянии изменения интенсивности светового потока íà perm таты измерений путем, например, соответствующего воздействия на коэффициент усиления выходного каскада регистрирую щего 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 .термохромногь преобразователя, позво-. ляет компенсировать сигналы помехи, возникающие как при отражении светового потока от поверхности защитной пленки термохромного преобразователи, так и вследствие колебаний светового потока, благодари чему значительно повышается точность измерения температуры, Формула 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 протово,положных торцах тубуса фотоприемник, 8773

9 соединненый со входом регистрирующего блока, и термохромный преобразователь, выйоленнный в виде слоя жидких кристаллов, заключенного между двумя защитными пленками, и расположенное в области пересечения тубуса с боковым отростком под углом 45о к их продольным осям полупрозрачное зеркало, посредст вом которого термохромный преобразователь оптически связан с осветителем <р и фотоприемником, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точ ности измерений, в него введены отра жаюший элемент и дополнительный фотоприемник, подключенный ко второму вхо ду регистрирующего блока, при этом ту бус разделен прерывающейся против боко вого отростка светонепроницаемой перегородкой на две камеры, в одной иэ ко торых размещен фотоприемник и термо хромный преобразователь, а во второйдополнительный фотоприемннк и отражаю щий элемент, оптически связанный через полупрозрачное зеркало с источником света и дополнительным фотоприемником, 59 10

2. Устройство по и, 1, о т л и ч а ю

m е е с я тем, что отражающий элемент выполнен иэ двух защитных пленок; находящихся в контакте, причем, световосприннмающая поверхность отражающего элемента параллельна световоспринимаю шей поверхности преобразователя.

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

Источники информации принятые во внимание при акспертиэе

1 "F Quasi q Kt ie à Èü in ае Эпйогюс(Ногинеchnic", "Иео+гоп, 1975, % 7, с, 235-239.

2. Патент ГДР N 100549, кл. Gj 01 К ll/12, 1972 (прототип) °

877359

Редактор С. Крупенина

Составитель Г. Мухина

Техред iK. Кас телевич

9601/64 Тираж 910

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

113035, Москва, Ж-Э5, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент", г. Ума ород, ул, Проектная, 4.

Корректор Н. Стец

П одпис ное