Устройство для исследования температурных полей

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советсиик

Соцналистическик

Республик

<1991192 (6i) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 050 381 (21) 3256209/18-10 спрнсоединеннемзаявкн Йо (23) Приоритет (ф )М Кд 3

G 01 К 11/12

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий

Опубликовано 230183. Бюллетень Но 3 (531 УДК 5 36 . 5 3 (088.8 ) Дата опубликования описания 230183 (72) Автор изобретения

< Q.P. Войцеков (71) Заявитель (54 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ

ПОЛЕЙ

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

Известно устройство для исследования температурных полей, содержащее источник белого света (лампу накали- . вания ), конденсор, обеспечивающий параллельный пучок белого света, и териочувствительный элемент, выполненный на основе оптически неоднородной смеси веществ с близкими показателяии преломления и различными теипературныии коэффициентами показателей преломления (.1 ).

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

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является уст- ройство для исследования температурных полей, содержащее источник белого света, конденсор, диафрагму, установленную перед матовым экраном, и термочувствительный элемент, выполненныи в виде йрозрачной .кюветы, заполненной оптически неоднородной . смесью компонентов с близкими пока,зателяии преломления и различными температурными коэффициентами показателя преломпения 2 );

B таком устройстве изготовление термочувствительного элемента наталкивается на проблему получения тонких стеклянных пластин либо полимерных пленок, выполняющих функции ограничительных стенок термочувствительного элемента, предохраняющих его от загрязнения и т.д. и отличающихся высокой степенью плоскостности. Последнее трудно реализовать на практике при размерах платы более 15х15 мм.

В результате из-за неплоскостности термочувствительных элементов изображение полезного светового сигнала в фокальной плоскости от. различных термочувствительных элементов различ» но в зависимости от их индивидуальных особенностей. Это усложняет отделение полезного светового сигнала от рассеянной световой компоненты методом днафрагмирования и приводит к снижению точности измерения температурного поля.

991192

Более этого, дискретный характер визуализации иэотерм, определяемый конечным числом используемых светофильтров такие снижает точность исследования температурного полн.

Целью изобретения являетбя повышение точности измерения температуры.

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 оптически неоднородной смесью компонентов с близкими показателями преломле° ния и различными температурными коэффициентами показателя преломления, введены непрозрачный трафарет, нанесенный на отражающую поверхность зеркала, установленного за конденсором с воэможностью перемещения перец диафрагмой, и выполненный .вместе с

20 диафрагглой с набором отверстий, спек троразлагающий элемент, установленный в апертуре источника света через дополнительный конденсор с воз можностью фиксируемого углового поворота, система щелевых диафрагм и по30 воротных зеркал, расположенных между спектроразлагающим элементом и мато- вым экраном.

Кроме того, отверстия непрозрачного трафарета и диафрагмы выполнены в форме эллипсов и прямоугольников

Устройство содержит источник бело го света (лампа накаливания ) 1, линзы 2 и 3, образующие конденсор для формирования параллельного пучка света, диафрагму 4, экран 5, матированный со стороны наблюдателя, термочувствительный элемент, выполненный в виде прозрачной кюветы б с,зеркальным покрытием 7 на ее основании, заполненной оптически неоднородной смесью компонентов: с близкими пока зателями преломпения и различными 60 температурными коэффициентами показателя преломлЕния, непрозрачный тра фарет 8, нанесенный на отражаюшую поверхность зеркала 9, спектроразла.гающий элемент (дифракционная решетс различным соотношением осей и сторон.

Причем зеркало и диафрагма укреплены на пластинах из ферромагнитного материала, установленных на неподвиж- 40 ных магнитах с возможностью 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. 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 отверстий

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 нанесенным на его поверхность непрозрачным трафаретом

8 укреплено на пластине 20, выполненной из ферромагнитного материала.

Пластина 20 прижата силами магнитного притяжения :к магнитам 21, закрепленным на поверхности пластины 22, также выполненной иэ материала с ферромагнитными свойствами. Пластину 20 можно перемещать в нужное положение путем скольжения по поверхнОсти глаггитов 21, при этом силами магнитного притяжения ее положение фиксируется.

Пластина 22 установлена с возможностью углового поворота в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Положение ее выбирается таким, чтобы световой пучок, прошедший сквозь териочувствительный элемент, отразившись от зеркала 9, попал на экран 5.

Дополнительный конденсор 11 обес- печивает параллельность части пучка белого света от источника 1, направляемого через целевую диафрагму 12 на спектроразлагающий.элемент 10, закрепленный на пластине 23, обеспечивающей возможность углового поворота дифракционной решетки с помощью винта 24. Поворотные зеркала 14 и 15 направляют световой пучок, отраженный дифракционыой решеткой 10, в направлении экрана 5 сквозь щелевую диафрагму 13, ограничивающую спектральную ширнну пучка света.

Зеркало 15 установлено так, что направляет световой пучок от спектроразлагающего 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 эле" мента 10 обеспечивается его угловым поворотом относительно системы зеркал 14 и 15 и целевой диафрагмы 13.

Сйектральный состав света, направляемого на экран 5, определяется по углу

991192 поворота дифракционной решетки 10, фиксируемого по шкале, которой снабжен винт 24.

Устройство работает следующим образом.

На исследуемый объект., например радиоэлектронную плату 25 с разме- . щенными на ней радиокомпонентами, устанавливают кювету с оптически неоднородной смесью компонентов зеркаль но отражающим слоЕм 7 книзу. При этом должен быть обеспечен хороший тепловой контакт между кюветой. 6 и, исследуемым объектом. После установления теплового равновесия включают осветитель (лампу накаливания 1).

Параллельный пучок белого света, сформированный конденсорной линзой 2, проходя сквозь кювету 6 двукратно, отразившись от зеркального покрытия

7 на ее основании, изменяет свой спектральный состав. В зависимости от температуры каждого участка термочувствительного элемента, он беспрепятственно пропускает свет той фины волны,.для.которой совпадают показатели преломления компонентов оптически неоднородной смеси и рассеивает весь остальной свет в пределах широкого телесного угла. В результате ссютветственно распреде.лению температур иа объекте сквозь разные участки термочувствительного элемента по законам геометрической оптики пройдет свет разного спектрального состава. Этот свет несет полезную информацию о температурном

15 угловым поворотом саектроразлагающе.го элемента 10. Последнее реализует55 ся с помощью винта 24, снабженного поле объекта.. Пройдя термочувствитель ный элемент, свет фокусируется линзами 2 и 3 {последняя компенсирует аберрации первой ) фокальной:плоскости конденсора. Световой пучок, рас.сеянный термочувствительаым элементом также фокусируется конденсором, однако в других точках фокальной .плоскости конденсора. При этом, если бы. термочувствительный элемент отличался идеальной плоскостностью, то изображение пОлезного светового сигнала в фокальной плоскости конден.сора точно соответствовало по форме и размерам телу накала лампы 1.

Зеркало 9 устанавливают в фокаль. ной плоскости конденсора так, чтобы полезный световой .сигнал был сфокусирован на таком зеркальном участке (17 либо 16 ), который..по форме и размерам совпадает с изображением его в фокальиой плоскости. Это легко выполнить с учетом индивидуальных особенностей термочувствительного элемента благодаря простоте леремещения зеркала 9 путем скольжения по поверх,ности магнитов 21 и наличию широкого ряда участков зеркальной 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 и. направляется на экран.

Однако часть рассеяйного света, отразившись от различных зеркальных участков зеркала 9 также может попасть на экран 5. Для исключения этого полезный световой сигнал проходит через диафрагму 4. Последняя. также содержит ряд отверстий различных по форме .и размеру и благодаря простоте перемещения ее и плоскости скольжения также позволяет легко подобрать нужный по форме и размерам зрачок с учетом индивидуальных особенностей тЕрмочувствительного элемента. На практике для трафарета и диафрагмы можно ограничиться набором фигур в форме эллипсов с соотношением осей 1г1; 1г1,5; 1г2у 1г3у 1:4 при малой оси эллипса, равной 3 и

5 мм, и набором фигур в форме прямоЯ5 угольника с соотношением сторон 1 1g

1г1,5; 1г2г 1г3 и 1г4 при меньшей стороне прямоугольника, равной 1 -и

2 им, и квадратом 20х20 мм для грубой наводки. Укаэанные размеры поз30 воляют эффективно использовать реальные термочувствительные элементы при ненлоскостаоати нв более 0,2 мм для площади 60х60 им.

Далее полезный световой поток поЗ5 падает ца экран 5 и дает на аем визуальное изображение температурного поля объекта, где каждому цвету соответствует определенная температура. Часть светового потока лампы накаливания 1 преобразуется коадеа40 сором 11 в параллельный пучок, из которого с помощью щелевой диафрах мы 12 выделяется узкий пучок света, падающий.на спектроразлагающий элемент 10, функции которого:выполняет

45 дифракционная решетка.. Последняя разлагает белый свет в спектр, который, отразившись от зеркала 14, проходит сквозь щеаевую диафрагму

13, выделяницую узкий участок спектра. Причем вариация спектрального состава света в пучке, прсвгедшем сквозь диафрагму 13, осуществляется шкалой и действующего как рычаг на пластину 23, к которой прикреплен спектроразлагающий элемент 10.

С помощью зеркала 15 свет.определенного спектрального состава направляется на экран 5 и дает на аем световую "метку" в области тени зеркала 13, что предохраняет его от смещения с полезным световым сигналом.

Путем углового поворота спектрораэ

991192 лагающего элемента 10 с помощью винта 24 подбирают "метку", совпадающую по цвету с исследуемым участком визуализированной картины температурного поля. По градуировочной характеристике, связывающей угловой поворот дифракционной решетки с длиной волны света, выделяемого ею, определяют последнюю. Затем по градуировочной характеристике термочувствительного элемента, связывающей длину волны !О свободно прошедшего сквозь него света с температурой, определяют темйературу соответствующего участка йсследуемого объекта.

Метод сравнения по цвету позволя- 15 ет исследовать температурные поля с высокой точностью благодаря высокой точности идентификации цветов, наблюдаемых одновременно на совмещенных полях зрения. Иинимально заметная 2п разница цветоразличия в длинах вола при сравнении глазом монохроматических цветов в пределах видимой области спектра не превышает 3 нм, что обеспечивает в предлагаемом устройст- 25 ве точность измерения температуры не ниже 0,3 1(термочувствительных элементов размером до 100х100 мм ординарного качества.

Формула изобретения

1. Устройство для исследования температурных полей, содержащее источник белого света, конденсор, диафрагму, установленную перед матовым экраном, и тер лочувствительный элемент, выполненный в виде прозрачной кюветы, заполненной оптически неоднородной смесью компонентов с близкики показателями преломления и различными температурными коэффициентами показателя преломления, о т— и и ч а ю щ е е с я теюл, что, с целью повышения точности измерения температуры, 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 целевых диафрагм и поворотных зеркал, расположенных между спектроразлагающим элементом и матовым экраном.

„ 2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я 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— л и ч а ю щ е е с я тем, что зеркало и диафрагма укреплены на пластинах из ферромагнитного материала, ус. тановленных 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 установйеиа непосредственно на магнитах с воэможностью скольжения по их поверхности.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 253408, кл. С 01 К 11/12, 1968.

2. Авторское свидетельство СССР

9 711382, кл. G 01 К 11/12, 1977 (прототип ).

991192

Фиг.1

Фиг.л

Фас

Заказ 111/56 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауыская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель В. Голубев

Редактор Н. Лазаренко Техред M.Åîøòóðà Корректор О. Билак т