Сканирующий пирометр
SCANNING PYROMETER

Изобретение относится к устройствам пирометрии и может быть использовано для дистанционного измерения температуры различных объектов с неизвестным коэффициентом излучения в различных отраслях, промышленности, строительстве, сельском хозяйстве, медицинской инженерии, а также при проведении научных исследований и медицинских обследований.
Известен пирометр (патент РФ №35433 G01J 5/10, заявлен 23.10.2003 г., опубликован 10.01.2004 г. бюл. № 1), содержащий оптико-электронный блок измерения температуры, жестко связанный с ним блок подсветки траектории сканирования, блок отображения информации, видеокамеру и мини-ЭВМ, причем выход оптико-электронного блока измерения температуры соединен с первым входом мини-ЭВМ, второй вход которой соединен с выходом видеокамеры, а выход мини-ЭВМ соединен с входом блока отображения информации. При этом блок подсветки траектории сканирования выполнен в виде лазера непрерывного или модулированного по амплитуде излучения, а длина волны излучения лазера расположена вне спектральной области измерения температуры.
Данное устройство позволяет производить бесконтактное измерение температуры с возможностью получения информации о температурном профиле на экране блока отображения информации с привязкой его к координатам объекта измерения.
Однако данное устройство не имеет возможности определения коэффициента излучения измеряемой поверхности и получения информации о типе материала, а также о расстоянии до объекта. Кроме того, устройство не позволяет проводить измерения в автоматическом режиме, а оператор не всегда может правильно определить степень необходимой дискретизации и количество измерений, необходимых для получения температурного профиля всего объекта. Все это снижает точность измерения температуры.
При этом устройство не позволяет получать трехмерные картины изменения температуры по всей площади объекта измерения. Наличие системы зеркал снижает уровень чувствительности прибора вследствие потерь из-за отражения сигнала и тем самым снижается скорость и чувствительность при измерении температуры объекта.
Наиболее близким техническим решением является сканирующий пирометр  (патент РФ №140031, G01S 5/10, заявлен 19.11.2013 г., опубликовано: 27.04.2014 г. бюл. № 12), содержащий оптико-электронный блок измерения температуры, жестко связанный с ним источник света, лазерный дальномер, датчик цвета, блок отображения информации, видеокамеру и мини-ЭВМ, причем выходы оптико-электронного блока измерения температуры и видеокамеры соединены с входами мини-ЭВМ, а выход мини-ЭВМ соединен с входом блока отображения информации,   при этом выход мини-ЭВМ соединен с входами источника света и датчика цвета, а выходы датчика цвета и лазерного дальномера соединены с входами мини-ЭВМ, а оптико-электронный блок измерения температуры, лазерный дальномер, источник света, датчик цвета и видеокамера жестко установлены на подвижной платформе с возможностью поворота в горизонтальном и вертикальном направлениях с помощью системы позиционирования платформы, вход которой соединен с выходом мини-ЭВМ.
Недостатком прототипа является низкое быстродействие измерения температуры по всей площади объекта измерения, обусловленное временными затратами на измерение дальномером дальности до точки измерения температуры.
Техническая сущность изобретения заключается в вычислении дальности до точки измерения температуры по диаметру светового пятна от источника света на кадре фотоаппарата с дистанционным управлением спуском и угловым координатам точки измерения.
Технический результат  изобретения заключается в повышении быстродействия измерения температуры объекта измерения.
Указанный технический результат достигается тем, что в сканирующем пирометре, содержащем оптико-электронный блок измерения температуры, жестко связанный с ним источник света, датчик цвета, блок отображения информации и мини-ЭВМ, выход мини-ЭВМ соединен с входом блока отображения информации, дополнительно на единой неподвижной платформе расположены две подвижные платформы  с возможностью поворота в горизонтальном и вертикальном направлениях, имеющие свои системы позиционирования связанные с мини-ЭВМ, на первой платформе установлены оптико-электронный блок измерения температуры, источник света и датчик цвета, а на второй платформе фотоаппарат с дистанционным управлением спуском,  мини-ЭВМ снабжена четырьмя приемо-передающими Wi-Fi блоками для раздельного управления работой оптико-электронного блока измерения температуры, источника света, датчика цвета и фотоаппарата с дистанционным управлением спуском, имеющие свои приемо-передающие Wi-Fi блоки.
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого сканирующего пирометра.
Сканирующий пирометр состоит из мини-ЭВМ 8 с приемо-передающими Wi-Fi блоками 15, 18, 19, 20, блока отображения информации 9 об объекте измерения температуры 10, неподвижной платформы 12, на которой расположены подвижная платформа 16, связанная с системой позиционирования платформы 7 и подвижная платформа 17, связанная с системой позиционирования платформы  11. На подвижной платформе 16 установлены оптико-электронный блок измерения температуры 1 с приемо-передающим блоком Wi-Fi 4,  источник света 2 с приемным блоком Wi-Fi 13 и датчик цвета 3 с приемо-передающим блоком Wi-Fi 14, на подвижной платформе 17 установлен  фотоаппарат с дистанционным управлением спуском 5 с приемо-передающим блоком Wi-Fi 6. Первый выход мини-ЭВМ соединен с входом системы позиционирования платформы 7, второй выход мини-ЭВМ соединен со входом системы позиционирования платформы 11, третий выход мини-ЭВМ соединен со входом блока отображения информации 9, также приемо-передатчик Wi-Fi 15 связан с приемо-передатчиком Wi-Fi 4, подключенному к оптико-электронному блоку измерения температуры 1, передатчик Wi-Fi 18 связан с приемником Wi-Fi 13, подключенному к источнику света 2, приемо-передатчик Wi-Fi 19 связан с приемо-передатчиком Wi-Fi 14, подключенному к датчику цвета 3, приемо-передатчик Wi-Fi 20 связан с приемо-передатчиком Wi-Fi 6, подключенному к фотоаппарату с дистанционным управлением спуском 5. Пунктирными линиями обозначены оптические связи оптико-электронного блока измерения температуры 1, источника света 2, датчика цвета 3 и фотоаппарата с дистанционным управлением спуском 5 с объектом измерения температуры 10.
Сканирующий пирометр работает следующим образом.
Системы позиционирования платформ 7, 11,  приводы которых выполнены в виде двух двигателей, имеют каждая две степени свободы по двум сферическим направлениям (вертикальному и горизонтальному), что позволяет обеспечить наведение подвижных платформ 16, 17 в любую точку по всей площади объекта измерения температуры 10. Управление подвижными платформами 16, 17 через системы позиционирования 7, 11 осуществляет мини-ЭВМ 8. Приемо-передающие блоки Wi-Fi осуществляют удаленную связь мини-ЭВМ и блоков 1, 2, 3, 5.
Включается программа начальной пространственной настройки пирометра, обеспечивающая изменение направления подвижных платформ 16, 17, так чтобы оптические оси блоков 1, 2, 3, 5 были направлены перпендикулярно к центру плоскости объекта измерения температуры 10. Для этого последовательно  задаются четыре угловых направления. Для каждого из них производятся следующие действия:  мини-ЭВМ передает сигнал включения источнику света 2, на объекте формируется световое пятно с необходимой интенсивностью, подается сигнал «спуск» для фотоаппарата с дистанционным управлением спуском и считывание в мини-ЭВМ изображения объекта с световым пятном. Мини-ЭВМ на каждом из четырех изображений определяет положение, форму и площадь светового пятна. По этим данным вычисляется направление оптических осей блоков 1, 2, 3, 5, соответствующие перпендикуляру к центру плоскости объекта измерения температуры 10. Осуществляется наведение подвижных платформ 16, 17 в вычисленном направлении.
Включается программа сканирования объекта измерения температуры 10, обеспечивающая изменение углового положения подвижной платформы 16 для выбора точки измерения. Подвижная платформа 17 остается неподвижной. Для каждой точки измерения под управлением мини-ЭВМ производится следующие действия: считывание температуры с оптико-электронного блока измерения температуры 1, включение источника света 2, на объекте формируется световое пятно с необходимой интенсивностью, определение датчиком цвета 3 цвета поверхности объекта 10 и вычисление в мини-ЭВМ коэффициента излучения поверхности объекта измерения температуры 10 в интерактивном режиме, подача сигнала «спуск» для фотоаппарата с дистанционным управлением спуском и считывание в мини-ЭВМ изображения объекта с световым пятном. Мини-ЭВМ на изображении определяет положение, форму и площадь светового пятна. Значение площади светового пятна используются для коррекции результата измерения температуры,  с целью исключить зависимость результата измерения от угла наблюдения.  Результаты измерений выводятся на блок отображения информации 9, в виде трехмерного температурного поля, матрицы цифровых результатов измерений.
Неподвижность подвижной платформы 16 во время реализации программы сканирования объекта измерения температуры обеспечивает простоту определения положения, формы и площади светового пятна по сравнению с прототипом. В прототипе оптическая ось видеокамеры в процессе сканирования каждый раз направлена под разными углами к точкам наблюдения, что вызывает угловую трансформацию изображения и смещение одного кадра относительно другого. Это усложняет программу и увеличивает время обработки изображения.
Также повышение быстродействия сканирующего пирометра достигается за счет исключения из схемы лазерного дальномера, используемого в прототипе.
N
N
N
N
Быстродействием принято называть время решения задачи оператором. В нашем случае быстродействие это время затрачиваемое на всю процедуру измерения температуры объекта. Процедура включает измерений температуры, дополнительных измерений,  наведений подвижных платформ  и  преобразований данных, формирование трехмерного температурного поля, матрицы цифровых результатов измерений.
В прототипе дополнительные измерения это измерение дальности дальномером и определение датчиком цвета цвета поверхности объекта, а преобразование данных это вычисление коэффициента излучения поверхности объекта,  трансформация изображения, смещение одного кадра относительно другого. В предлагаемой ПМ дополнительные измерения это определение датчиком цвета цвета поверхности объекта, а преобразование данных это определение положения, формы и площади светового пятна на изображении.
N
При равных условиях для прототипа и предлагаемой ПМ (одинаковы время необходимое для измерений температуры и время для наведения подвижных платформ; время преобразования данных с помощью ЭВМ мало и не учитывается) время решения задачи будет отличаться только временем на дополнительных измерений. В результате выигрыш предлагаемой ПМ в быстродействии составит .
Время измерения  лазерным дальномером Disto D3a равно 0,1 сек.(https://vsedlyastroiki.ru/ru/publications/lazernyie-dalnomeryi-1599/#:~:text=Технические %20характеристики%20лазерного%20дальномера%3A%20-,-%20Макс.%20кол-во%20измерений%20).
Время срабатывания датчика цвета TCS3200 =100 мкс. (https://html.alldatasheet.com/html-pdf/454462/TAOS/TCS3200/402/4/TCS3200.html).
Тогда при 100 точках измерений выигрыш предлагаемой ПМ в быстродействии составит
Таким образом, в отличие от прототипа в изобретении осуществляется повышение быстродействия измерения температуры объекта измерения за счет неподвижности подвижной платформы 16 во время реализации программы сканирования объекта измерения температуры  и исключения из схемы лазерного дальномера.