СОЛНЦЕЗАЩИТНАЯ СИСТЕМА БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Предлагаемая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к устройствам для измерения температуры с помощью пирометров и может быть использована, например, для контроля температуры колес и букс подвижного состава железных дорог, как в пунктах линейного контроля, так и в ручных пирометрах при контроле температуры путевым обходчиком.
Основными источниками погрешности пирометров, особенно низкого температурного диапазона, являются: мешающее влияние от собственного теплового излучения конструктивных элементов оптических систем пирометров, погрешность от поглощения в промежуточной среде - атмосфере и маскирующее влияние отраженного от объектов измерения солнечного излучения.
Известно устройство для оценки распределения температуры движущихся объектов, у которого собственное тепловое излучение конструктивных элементов подавляется, например, расположением части оптической схемы (от апертурной диафрагмы до приемника излучения) в охлаждаемой светозащитной трубке (см. патент РФ №2220430, опубл. 27.12.2003 г.).
Однако указанное устройство не решает задачу подавления рассеянного атмосферой солнечного фона, величина которого вносит существенные погрешности при измерении объектов, сравнимых по температуре с окружающей средой и, особенно, ниже.
Известна наиболее близкая по технической сущности к предлагаемой система бесконтактного контроля температуры, состоящая из объекта измерения и пирометра, содержащего входной объектив, модулятор с чередующимися отражающими и прозрачными секторами, оптику переноса и приемник излучения с охладителем (см. патент РФ №45698, опубл. 27.12.2005 г.). Устройство использует одноканальную схему с промежуточным изображением, где установлен модулятор с отражающими в сторону приемника (зеркальными) секторами. В момент времени, когда ход пучка лучей пересекает зеркальный сектор модулятора приемник излучения «видит» сам себя, а поскольку он охлаждается, то влияние теплового излучения окружающей среды минимизируется. Однако и в этом устройстве задача подавления рассеянного атмосферой солнечного фона также не решена.
λ
λ
λ
-2
-1
-4
-2
-1
Необходимо заметить, что для удаленных объектов решение задачи ликвидации маскирующего влияния отраженного от объектов измерения солнечного излучения, учитывая многократное превосходство мощности солнечного излучения над собственным излучением объектов с температурой близкой к температуре окружающей среды, методом спектральной фильтрации в общем случае невозможно. Так спектральная плотность излучения Солнца на длине волны 4 мкм равна r(Солнца)=40,6 Вт·см мкм, в то время как объект с температурой Т=300 К имеет r(объекта)=2,27·10 Вт·сммкм. То есть даже, если объект имеет коэффициент отражения не более р=1%, что свойственно образцовым излучателем типа «черное тело», то получить положительную контрастную разность  не удастся и для «черного тела».
2
Также известно, что в атмосфере наблюдаются спектральные полосы сильного поглощения. Так например, для углекислого газа СO в спектральных диапазонах 2,69 и 2,77 мкм и 4,19÷4,45 мкм практически полное поглощение наблюдается уже на горизонтальных трассах более 10 км (Справочник по инфракрасной технике. / Ред. Волф У., Цисис Г. В 4-х томах./ T.1. Физика инфракрасного излучения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1995.). Это означает, что в указанных спектральных диапазонах солнечное излучение не достигает поверхности Земли. И тогда, ограничивая чувствительность пирометра, например, спектральным диапазоном 4,19÷4,45 мкм, можно обеспечить измерение температуры объекта по его собственному излучению на таких расстояниях, где наблюдается неполное поглощение углекислым газом. Например, нами, путем измерения распределения спектральной плотности излучения глобара на выходе спектрометра (типа ИКС-31) со спектральным разрешением Δλ≥0,25 мкм, экспериментально установлено, что на трассах менее пяти метров поглощением излучения углекислым газом пренебречь с погрешностью не более 3%. Для больших расстояний следует проводить корректировку чувствительности пирометра в соответствии с увеличением поглощения на трассе углекислым газом.
Основываясь на этом, предлагается решить задачу устранения влияния солнечного излучения при измерении температуры объекта с помощью пирометра, работающего в спектральном диапазоне 4,19÷4,45 мкм.
Техническим результатом при использовании предлагаемой полезной модели является исключение погрешности измерения температуры объекта по собственному излучению за счет подавления солнечного рассеянного света.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе бесконтактного измерения температуры, состоящей из объекта измерения и пирометра, содержащего входной объектив, модулятор с чередующимися отражающими и прозрачными секторами, оптику переноса и охлаждаемый приемник излучения, установлен оптический спектрозональный фильтр, имеющий полосу пропускания, соответствующую спектральной полосе сильного поглощения углекислого газа, при этом пирометр должен быть расположен от объекта измерения на расстоянии неполного поглощения углекислым газом. В частных случаях выполнения спектрозональный фильтр может быть размещен между элементами оптики переноса и выполнен в виде нанесенного на сапфировую пластину интерференционного покрытия.
Наличие спектрозонального фильтра обеспечивает работу пирометра в таком спектральном диапазоне, где солнечное излучение полностью подавлено присутствующими в атмосфере молекулами углекислого газа; причем, поскольку пирометр находится на расстоянии неполного поглощения углекислым газом, то оценка температуры объекта проводится по реакции измерительного канала на его собственное излучение.
Размещение спектрозонального фильтра между элементами оптики переноса является целесообразным, так как при этом фильтр находится в параллельных пучках, и смещение длин волн, наблюдаемое в наклонных лучах, при этом исключается.
Также целесообразным, особенно для низкотемпературных пирометров, является выполнение спектрозонального фильтра в виде нанесенного на сапфировую пластину интерференционного покрытия, поскольку непоглощающие пленки, являющиеся основой такого фильтра, работают в режиме отражения и исключают поглощение, а значит и собственное излучение. Такой фильтр, в отличие от поглощающего, не содержит в рабочем спектральном диапазоне собственного излучения.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема предложенного устройства, а на фиг.2 приведен спектральный коэффициент пропускания интерференционного фильтра, построенного на сапфировой подложке нанесением с двух сторон пленок из комбинации чиолита (фтористого соединения натрия и алюминия, имеющего коэффициент преломления 1,35) и теллурида свинца с коэффициентом преломления 5,1. Причем на одной стороне подложки формируется левая (коротковолновая) граница спектрозонального фильтра, а на другой - правая (длинноволновая).
Система состоит из объекта измерения 1, который освещается прямым или рассеянным солнечным светом 2, и пирометра, содержащего входной объектив 3, модулятор 4, оптику переноса 5, оптический фильтр 6 и охлаждаемый приемник излучения 7, например, с областью спектральной чувствительности 3-5 мкм.
Устройство работает следующим образом. Излучение от объекта измерения 1 фокусируется объективом 3 в плоскость модулятора 4. После модулятора излучение от объекта проходит через фильтр 6, пропускающий только в диапазоне 4,19÷4,45 мкм, и оптикой переноса 5 проецируется на чувствительную площадку приемника 7. Излучение Солнца в пределах спектрального диапазона 4,19÷4,45 мкм полностью подавляется атмосферой, не зависимо от колебаний содержания углекислого газа в атмосфере.
Объектив 1 и оптика переноса 5 могут быть выполнены из германия, прозрачного в диапазоне длин волн, больших 1,8 мкм.
х
1-х
Приемник излучения 7, который может быть выполнен на основе полупроводникового материала CdHgTe с мольным составом х=0,3, обеспечивающим спектральный диапазон чувствительности до 5 мкм, снабжен охладителем и апертурной диафрагмой, ограничивающей поле зрения приемника излучения до угла, равного апертурному углу оптики переноса 5 и входного объектива 3.
Диск модулятора выполнен в виде пластины с прозрачными и отражающими зеркалами, обеспечивающими прерывание излучения от объекта, а его обращенная к приемнику излучения поверхность - отражающая.
1
2
-5
Оптический фильтр 6 выполнен на сапфировой подложке нанесением многослойных интерференционных пленок так, чтобы его полоса пропускания соответствовала спектральном диапазону полного поглощения углекислого газа 4,19÷4,45 мкм. За пределами это диапазона (для Δλ,=1,7÷4,1 и Δλ=4,58÷5,2) пропускание фильтра находится на уровне (2÷6)·10 (см. фиг.2).
эфф
Составим таблицу 1 эффективной яркости L и пороговой разности температур ΔТ пирометра, построенного по предложенному техническому решению при измерении температур от -50°С до 400°С для следующих исходных данных:
- относительное отверстие объектива - О=1:2;
- удельная обнаружительная способность приемника излучения в максимуме спектральной чувствительности ;
- время накопления τ=0,1 сек;
пp
-5
2
- площадь приемника S=2,5·10cм;
с
2
- Солнечная постоянная Е=0,1353 Вт/см;
- коэффициент отражения объекта измерения ρ=0,5;
Расчеты проводятся по следующим формулам:
- для эффективной яркости объекта, освещенного Солнцем
,
где - θ - угол подсветки объекта солнечным излучением, θ=60°,
исп
- К(5770) - коэффициент использования излучения для излучения абсолютно черного тела с температурой 5770 К, равной цветовой температуре Солнца;
о
- для собственной яркости объекта, имеющего температуру Т
,
об
об
где ε - коэффициент излучения объекта, ε=0,5,
-12
2
4
- постоянная Больцмана σ=5,7·10ВтсмК,
исп
об
об
- К(Т) - коэффициент использования для излучения черного тела с температурой, равной цветовой температуре объекта Т,
-12
2
4
- постоянная Больцмана σ-=5,7·10 Вт·смК;
об
- для пороговой разности температуры, при наблюдении объекта, имеющего температуру Т
Таблица 1
Т<sub>об</sub>, К(°С)
ΔТ, °С
L<sub>эфф</sub>, Вт·см<sup>-2</sup>стер
L<sub>об</sub>, Вт·см<sup>-2</sup>стер
223 (-50)
0,74
6,18·10<sup>-9</sup>
1,42·10<sup>-7</sup>
248 (-25)
0,18
6,4·10<sup>-7</sup>
273 (0)
0,06
2,16·10<sup>-6</sup>
298 (25)
2,4·10<sup>-2</sup>
6,0·10<sup>-6</sup>
323 (50)
1,1·10<sup>-2</sup>
1,4·10<sup>-5</sup>
348 (75)
5,6·10<sup>-3</sup>
3,0·10<sup>-5</sup>
373 (100)
3,2·10<sup>-3</sup>
5,6·10<sup>-5</sup>
473 (200)
6,1·10<sup>-4</sup>
3,7·10<sup>-4</sup>
673 (400)
1,1·10<sup>-4</sup>
3,0·10<sup>-3</sup>
Данные, приведенные в таблице 1 показывают, что мешающее влияние солнечной подсветки объекта становится пренебрежимым (погрешность не более 1%) уже при регистрации температуры -25°С.
2
2
4
Таблица 1 составлена для экспериментально подтвержденного факта, полученного на инфракрасном спектрометре ИКС-31 со спектральным разрешением Δλ≥0,25 мкм, о пренебрежимо малом значении коэффициента поглощения углекислым газом на дистанции до 5 м. Поскольку исходное значение мощности излучения от объекта измерения по мере удаления от него уменьшается за счет поглощения углекислым газом, находящимся в воздушном пространстве между объектом и пирометром, то для сохранения допустимой погрешности измерения температуры для более длинных трасс следует проводить корректировку сигнала пирометра в соответствии с увеличением поглощения. Значение поправочного коэффициента определяется либо калибровкой системы на соответствующий диапазон расстояний, либо с помощью специальных графиков, составленных по экспериментальным данным для равномерной распределенной смеси газов СO, NO, CO и CH - метод LOWTRAN [см. например. Справочник по инфракрасной технике. / Ред. Волф У., Цисис Г. В 4-х томах./ T.1. Физика инфракрасного излучения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1995, с.382], с учетом спектрального диапазона Δλ=4,19÷4,45 мкм спектрозонального фильтра. Так на трассе от 10 до 15 метров для обеспечения погрешности измерения интенсивности излучения объекта до 3% поправочный коэффициент должен быть равен 1,3.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предложенном пирометре обеспечивается подавление солнечной подсветки до пренебрежимо малого уровня (например, для температуры объекта и окружающей среды -50°С более, чем в 400 раз по лучистому потоку), и сравнительно высокое температурное разрешение относительно окружающей среды (в том числе и при низких температурах измеряемого объекта).