СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЯРКОСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ ИССЛЕДУЕМОГО ОБЪЕКТА
METHOD FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF BRIGHTNESS TEMPERATURE OF THERMAL FIELD OF ANALYSED OBJECT

Изобретение относится к тепловизионной технике, к бесконтактным способам определения температурных полей удаленных объектов исследования, и может быть использовано, в частности, для определения распределения в пространстве и времени температуры теплового поля, сопровождающего быстропротекающие процессы, к которым относятся, например, взрыв, горение, быстрое взаимодействие материалов между собой, разряд, распространение детонационных и ударных волн, излучение источников электромагнитного излучения и т.д.
С развитием техники регистрации изображений в различных спектральных диапазонах с помощью инфракрасных матричных приемников в рассматриваемой области техники возникла задача, связанная с уменьшением погрешности определения температурных полей объектов. Для уменьшения влияния наиболее существенных факторов погрешностей определения температуры объекта в известных методах термографирования и устройствах для их осуществления используют средства калибровки и компенсации, т.е. осуществляют дополнительную регистрацию эталонного объекта с заранее известной температурой непосредственно перед определением температуры исследуемого объекта.
6
Так, например, известен способ измерения яркостной температуры объекта по методу исчезающей нити путем сравнения яркостной температуры объекта измерения и яркости нити накала эталонной лампы пирометра, являющейся эталоном температур. Температуру объекта определяют по величине тока накала после уравнивания яркостей нити накала и объекта. Яркость нити накала эталона температур, изменяющейся по линейному закону, регистрируют матричным либо линейным фотоприемником и запоминают в моменты приращения сигнала. В режиме измерения температуру объекта определяют по запомненной величине цифрового эквивалента тока накала эталонной лампы в соответствии со значением выходного сигнала фотоприемника яркостного пирометра (патент RU 209967, опублик. 20.12.1997 г., МПК G01J 5/52).
Недостатком данного способа является ограниченная область применения при регистрации температурных полей быстропротекающих процессов, связанная с использованием матричных или линейных фотоприемников. Известно, что современные КМОП-фотоприемники обеспечивают частоту регистрации порядка 1000÷10000 кадров в секунду, что недостаточно для измерения температуры, например, взрывных газодинамических процессов. Кроме того процесс регистрации и запоминания эталона температур в виде нити накала достаточно трудоемкий и требующий значительных затрат времени.
6
Известен способ бесконтактного измерения температуры удаленного исследуемого объекта путем сравнения яркостной температуры исследуемого объекта с эталоном температур (патент RU 2439509, опублик. 10.01.2012, бюл. №1, МПК G01J 5/12). Известный способ включает следующие операции: производят непрерывное измерение яркостной температуры объекта, которым является конденсированная среда с взаимодействующими компонентами в волне горения фронтального самораспространяющегося высокотемпературного синтеза или самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в режиме теплового взрыва, посредством яркостного пирометра и непрерывное измерение температуры этого объекта эталонной термопарой, являющейся эталоном температур, вдоль фронта горения или в режиме теплового взрыва, изображение теплового профиля термопары сравнивают с тепловым профилем яркостной температуры пирометра и запоминают, синхронизировав в режиме калибровки температуру начала взаимодействия компонентов конденсированной среды с началом отсчета, а в режиме измерения истинную температуру объекта определяют по запомненной величине выходного сигнала яркостной температуры в моменты отсчета времени, которые соответствуют в эти моменты запомненным значениям истинной температуры эталонной термопары.
Недостатком известного способа является то, что формулы вычисления температуры объекта по данным измерений, вытекающие из закона Планка для абсолютно черного тела, требуют учета спектральной селективности исследуемого объекта и определения его спектрального коэффициента излучения (отношения яркости объекта к яркости абсолютно черного тела при той же температуре в определенном диапазоне спектра), который, очевидно, известен лишь для заранее определенного объекта, а в общем случае - неизвестен и представляет собой источник погрешности измерений. Данный способ имеет существенные ограничения по диапазону измеряемой температуры. С одной стороны, нагретые тела начинают испускать излучение в видимой области спектра начиная примерно с 1000°C, с другой стороны, термопарой невозможно измерить температуру более 3000°C (вольфрам-рений применяют для измерения высокой температуры в инертной среде до 3000°C).
Известен другой способ бесконтактного измерения яркостной температуры теплового поля (патент RU 2324152, опублик. 10.05.2008, бюл. №13, МПК G01J 5/00), который принят за наиболее близкий аналог и который заключается в формировании двух изображений объекта исследования на приемной площадке матричного электронного приемника изображения в инфракрасном диапазоне спектра, в пределах интервала длин волн от 7 мкм до 14 мкм, одно из которых формируют при спектральной селекции излучения, падающего на приемную площадку матричного электронного приемника изображения, с помощью спектрально-селективного элемента, имеющего монотонную зависимость пропускания от длины волны, регистрацию электрических сигналов с элементов матричного электронного приемника изображения, формировании массива цифровых данных двух изображений, формировании массива цифровых данных температуры теплового поля объекта исследования путем установки соответствия между значениями электрических сигналов с элементов матричного электронного приемника изображения, полученных при формировании двух изображений, определением значений отношения соответствующих элементов двух массивов цифровых данных изображения с последующим установлением соответствия между этими значениями и значениями температуры отдельных участков объекта по градуировочной зависимости.
Недостатком известного способа является то, что точность измерений может быть достигнута лишь для объектов со стабильной температурой. В тех случаях, когда температура объекта увеличивается или уменьшается настолько быстро, что спектральные характеристики его свечения изменяются за время, сравнимое с экспозицией, говорить о точности измерений можно лишь условно. Судя по описанию, время экспонирования может превышать секундный диапазон, что не подходит для регистрации объектов исследования, в качестве которых рассматриваются процессы микро- и наносекундного диапазона, например распространение детонационных и высокоскоростных ударных волн.
-8
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем увеличения временного разрешения исследуемого процесса до 10 с.
Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что в способе бесконтактного измерения яркостной температуры теплового поля исследуемого объекта, включающем формирование двух изображений на приемной площадке матричного электронного приемника изображения в инфракрасном диапазоне спектра, одно из которых является изображением объекта исследования, которое формируют при спектральной селекции излучения, падающего на приемную площадку матричного электронного приемника изображения, с помощью спектрально-селективного элемента, имеющего монотонную зависимость пропускания от длины волны, регистрацию электрических сигналов с элементов матричного электронного приемника изображения, формирование массива цифровых данных двух изображений, формирование массива цифровых данных температуры теплового поля объекта исследования путем установки соответствия между значениями электрических сигналов с элементов матричного электронного приемника изображения, полученных при формировании двух изображений, второе изображение, получаемое на приемной площадке матричного электронного приемника, является изображением эталона температур, при этом формируют еще одно изображение объекта исследования с помощью устройства зеркальной развертки на приемной площадке другого матричного электронного приемника изображения, на этом же приемнике формируют дополнительное изображение эталона температур и осуществляют регистрацию электрических сигналов с формированием массива цифровых данных двух изображений, причем все изображения формируют в инфракрасном диапазоне спектра при спектральной селекции излучения, падающего на приемные площадки обоих приемников изображения, с помощью спектрально-селективного элемента, имеющего монотонную зависимость пропускания от длины волны, которую выбирают из диапазона 0,6-1,5 мкм, в зависимости от характеристик объекта исследования, а изображения эталона температур формируют при тех же условиях, что и изображения объекта исследования, затем формируют массив цифровых данных температуры теплового поля объекта исследования от второго приемника изображения путем установления соответствия между значениями электрических сигналов с элементов второго приемника изображения, полученных при формировании двух изображений, при этом при установлении соответствия учитывают связь между яркостной температурой, воспроизводимой эталоном температур, и соответствующим ей цифровым значением электрического сигнала с элементов обоих приемников изображения.
Формирование изображения эталона температур, которое осуществляют до формирования изображения объекта исследования при тех же условиях формирования изображения, что и для объекта исследования, необходимо для получения оптимальных настроек регистрирующей аппаратуры для максимального временного разрешения исследуемого процесса и получения калибровочных данных, обеспечивающих повышение точности определения яркостной температуры.
Выбор длины волны из диапазона 0,6-1,5 мкм, в зависимости от характеристик объекта исследования, связан с обеспечением регистрации процессов, сопровождающихся максимумом свечения в данной области спектра (температуры от 1000°C и выше).
Формирование массива цифровых данных температуры объекта исследования путем сравнения величин цифровых эквивалентов интенсивностей излучений объекта исследования и эталона температур обеспечивает получение данных по распределению температурных полей по поверхности исследования с пространственным разрешением, соизмеримым с размером элементарного приемника излучения.
Формирование второго изображения объекта исследования с помощью устройства зеркальной развертки на приемной площадке второго матричного электронного приемника изображения при тех же условиях формирования изображения и на той же длине волны, что и на первом приемнике, и осуществление регистрации электрических сигналов с элемента второго матричного электронного приемника изображения обеспечивает расширение временного диапазона регистрации, который зависит от временного разрешения. При использовании одного приемника общее время регистрации обратно пропорционально временному разрешению, а применение второго приемника позволяет использовать другое разрешение для увеличения общего времени регистрации.
Кроме того, формирование изображения эталона температур на втором приемнике и формирование массива цифровых данных от двух изображений объекта исследования и эталона температур увеличивает надежность получения результата и точность за счет использования двух независимых приемников.
На фиг.1 изображена общая схема установки для определения яркостной температуры поверхности исследуемого объекта при помощи двух регистраторов с матричным электронным приемником изображения, один из которых снабжен устройством зеркальной развертки, поясняющая заявляемый способ, где: 1 - объект исследования, 2 - устройство синхронизации начала исследуемого процесса с началом экспонирования матричных приемников изображения, 3 - компьютер для сохранения и обработки зарегистрированных изображений, 4 - устройство зеркальной развертки, 5, 6 - зеркала, 7 - спектрально-селективное устройство (фильтр); 8 - объектив, 9 - диафрагма, 10 - матричный приемник изображения.
На фиг.2 представлена типичная зависимость спектрального коэффициента пропускания τ(λ) от длины волны λ для интерференционного фильтра R-IF 656Н.
На фиг.3 приведена временная развертка взрывного процесса с временным разрешением 10 нс;
На фиг.4 приведен профиль температуры вдоль вертикальной секущей в графическом виде, полученный обработкой изображения с регистратора с зеркальной разверткой.
На фиг.5 приведено изображение, полученное с помощью скоростной камеры VS FAST в режиме термовизора.
На фиг.6 приведен профиль температуры вдоль вертикальной секущей в графическом виде, полученный обработкой изображения с регистратора VS FAST.
Способ был осуществлен для бесконтактного измерения температуры поверхности исследуемых объектов в газодинамических экспериментах с использованием двух регистраторов с матричными приемниками изображения VS FAST и регистратора, снабженного устройством зеркальной развертки для получения временных характеристик исследуемого процесса.
Для измерения высоких температур регистратором VS FAST в термовизионном режиме используются нейтральные фильтры с объективом. На объектив может устанавливаться интерференционный фильтр SIF 900 для измерения яркостных температур в узком спектральном диапазоне вблизи длины волны 0.9 мкм или интерференционный фильтр R-IF 656H для измерения яркостных температур в узком спектральном диапазоне вблизи длины волны 0.65 мкм. Типичная зависимость спектрального коэффициента пропускания интерференционного фильтра R-IF 656H τ от длины волны λ представлена на фиг.3. Интерференционные фильтры пропускают излучение в узком диапазоне длин волн. Ширина пропускания таких фильтров составляет примерно от 0.01 до 0.05 мкм, центральная длина волны полосы пропускания - вблизи 0.65 или 0.9 мкм. Данные значения соответствуют рабочим длинам волны образцовых пирометров при калибровке температурных ламп, используемых для калибровки термовизора. Могут использоваться фильтры с другими значениями центральной длины волны. В этом случае калибровка камеры должна проводиться при помощи модели черного тела.
Характеристики интерференционных фильтров R-IF 65 6Н и SIF 900
Фильтр
λ<sub>max</sub>, nm
τ(λ<sub>max</sub>), %
Полуширина пропускания, nm
R-IF 656H
655
54
24
SIF 900
905
85
20
Для измерения температур в узком спектральном диапазоне вблизи длины волны 0.9 мкм фильтр SIF 900 должен использоваться совместно с отсекающим фильтром для устранения полосы пропускания от 0.67 до 0.8 мкм. Для измерений температур более 2300°C могут использоваться дополнительные фильтры.
Работа термовизора заключается в следующем. В объектив камеры 8 (фиг.1) попадает излучение от поверхности исследуемого объекта 1 во всем диапазоне спектра. Через установленные на объективе фильтры 7 и диафрагму 9 на КМОП-матрицу камеры 10 попадает излучение в узкой спектральной области. Каждый элемент КМОП-матрицы формирует сигнал, пропорциональный воспринимаемой энергии излучения. Этот сигнал оцифровывается и передается на контроллер. Контроллер обеспечивает ввод сигнала с камеры в компьютер 3. На компьютере выполняется программа, с помощью которой производится обработка полученных данных и визуализация теплового изображения поверхности исследуемого объекта 1. Калибровочные константы системы для пересчета цифровых данных в значения температуры определяются при помощи температурной лампы (типа ТРУ 1100-2350) или модели "черного тела". Программа TERMO обеспечивает решение следующих задач: считывание термоизображений с камеры, их визуализацию на экране компьютера, обработку и анализ полученных результатов.
λ
λw
λatm
λa
λwi
λamb
λ
λatm
λо
λw
λw
λ
w
С помощью схемы, изображенной на фиг.1, осуществить предлагаемый способ можно следующим образом. В общем случае, от исследуемого объекта 1, находящегося в рабочей части установки, на интерференционное зеркало камеры 7 попадает поток со спектральной плотностью J, который состоит из излучения объекта J, атмосферы J, отраженных потоков от поверхности объекта излучения, от стенок рабочей части установки J и элементов конструкции объекта J, излучения элементов конструкции установки J, отраженного от окна, через которое ведется регистрация. Величина J зависит от спектральных коэффициентов пропускания атмосферы τ и окна τ, а также от коэффициента отражения ρ от зеркал 4, 5, 6, которые используются для реализации двух оптических каналов и устройства зеркальной развертки. Собственное излучение объекта выражается в виде J=ε(α)*b(T), где
w
T - температура поверхности объекта;
λw
ε(α) - спектральная излучательная способность поверхности объекта, которая зависит от угла наблюдения поверхности α;
λ
w
w
b(T) - плотность излучения черного тела с температурой T.
λatm
λatm
а
amb
λw
λо
λw
w
λо
о
λ
Пары воды и другие газы, содержащиеся в воздухе, из-за малых расстояний до объекта 1 практически не вносят существенного изменения в лучистый поток, проходящий через атмосферу, в спектральном диапазоне чувствительности камеры 10. Поэтому можно предположить, что τ=1 и J=0. Предполагается, что окружающие объект стенки установки и дополнительное зеркало 5, 6 имеют одинаковую температуру Т=T. В узком диапазоне пропускания фильтров, установленных на объективе камеры 8. Также можно предположить, что излучательная способность ε(α) объекта 1 и коэффициент пропускания τ окна не зависят от длины волны излучения λ, т.е. ε(α)=ε, τ=τ. Величину J с учетом данных допущений можно представить в виде:
λ
o
w
λ
w
w
λ
а
i
λ
i
λ
a
o
λ
a
J=τ[ρ[εb(T)+(1-ε)(b(Т)+ΣφJw)]+(1-ρ)b(T)]+(1-τ)b(T),
i
где φ - геометрический параметр, определяющий влияние i-го элемента конструкции объекта или других дополнительных источников излучения, отличающихся от излучения стенок установки, на исследуемый участок поверхности объекта. Данный коэффициент зависит от расстояния до i-го элемента, его размеров и направления нормали к поверхности этого элемента. Предполагается, что отражение излучения происходит один раз.
Сигнал, регистрируемый термовизором, можно представить в виде:
λ
f
I=η∫Jρ(λ)τ(λ)S(λ)dλ,
где η - константа преобразования;
S(λ) - спектральная чувствительность приемника излучения камеры;
ρ(λ) - спектральный коэффициент отражения интерференционного зеркала;
f
τ(λ) - спектральный коэффициент пропускания фильтра на объективе камеры.
Т.о. получаем следующее выражение для регистрируемого сигнала I
w
o
w
w
o
a
o
w
φ
I=ρετI+(1-ρετ)I+ρτ(1-ε)I, где
i
wi
Iφ=ΣφI - фоновое излучения от элементов конструкции объекта и других дополнительных источников излучения;
w
λ
w
f
I=η∫b(T)ρ(λ)τ(λ)S(λ)dλ;
a
λ
a
f
I=η∫b(T)ρ(λ)τ(λ)S(λ)dλ;
wi
λwi
f
I=η∫Jρ(λ)τ(λ)S(λ)dλ.
φ
При I=0 значение Iw будет определяться в виде
w
w
o
a
w
o
I=[I-(1-ρετ)I]/(ρετ).
w
w
Для определения температуры поверхности исследуемого объекта используются калибровочные кривые, которые устанавливают зависимость между измеряемым значением регистрируемого сигнала I и температурой эталона температур (модели "черного тела" или температурной лампы T).
Приемник излучения камеры термовизора с установленными фильтрами чувствителен в достаточно узком спектральном диапазоне длин волн, поэтому все калибровочные кривые с удовлетворительной точностью описываются зависимостями типа функции Планка для "черного тела"
где а и b - калибровочные константы.
Температура в каждой точке термоизображения определяется по формуле
w
w
T=b/ln(1+a/I).
eff
eff
w
f
λ
w
eff
w
При калибровке термовизора применяют эталоны черного тела до 2300°C или температурные лампы до 2100°C. Калибровочные константы а и b для объективов без нейтральных фильтров определяются методом наименьших квадратов. Для определения более высоких температур используются нейтральные фильтры. До калибровки объективов с установленными нейтральными фильтрами для интерференционных фильтров теоретически определяются константы b=14388/λ, где λ=∫λ(T)ρ(λ)τ(λ)S(λ)dλ/∫b(T)ρ(λ)τf(λ)S(λ)dλ, мкм. Как показывают расчеты, значения λ слабо меняются при изменении температуры T от 1500 до 4000°C и практически совпадают с центральной длиной волны пропускания интерференционного фильтра. Практически те же самые результаты получаются, если для расчетов предположить ρ(λ)=const и S(λ)=const.
w
Для определения температуры по результатам термовизионных измерений необходимо знание излучательной способности поверхности исследуемых объектов в спектральном диапазоне чувствительности камеры термовизора. Излучательная способность поверхности материалов является сложной функцией, зависящей от длины волны излучения, от угла излучения, от вида поверхности тела, ее температуры, состояния, а для металлов - от степени ее окисления. Данные по излучательной способности многих материалов в зависимости от температуры и длины волны излучения приводятся, например, в справочниках [Излучательные свойства твердых материалов: Справочник под общ. ред. А.Е. Шейндлина. - М.: Энергия, 1974. Справочник по основам инфракрасной техники. Криксунов Л.З. - М.: Сов. радио, 1978]. Излучательная способность поверхности реальных объектов 0<ε<1, и одним из основных вопросов, возникающих при расчете температур по результатам термовизионных измерений, является неопределенность в задании излучательной способности поверхности исследуемых объектов.
w
w
w
w
w
w
w
Существующие методы определения излучательной способности основаны на измерениях образца материала, из которого изготовлен исследуемый объект. На самом объекте оптические характеристики поверхности могут изменяться в результате механической обработки, окисления или загрязнения, а также от угла наблюдения поверхности. Поэтому неопределенность в задании величины излучательной способности ε может приводить к некоторым погрешностям в определении температуры поверхности T. Относительную погрешность δT=ΔT/(T+273) в определении температуры поверхности T при помощи термовизора из-за неопределенности в задании излучательной способности ε можно оценить при помощи формулы
w
w
w
δT=(T+273)/b*δε, где
w
ΔT - абсолютная погрешность в определении температуры;
w
δε - относительная погрешность задания £w;
b - калибровочная константа.
w
w
w
w
w
w
w
Для термовизоров величина b составляет примерно 16000 при использовании фильтров, пропускающих излучение при λ=0.9 мкм, и 22100 - при λ=0.65 мкм. Из вышеприведенной зависимости следует, что при неопределенности задания излучательной способности δε=10% относительная погрешность в определении температуры с использованием термовизоров при λ=0.9 мкм составит около 0.8% (или ~8°) при T=1000°C, 1.4% (или ~28°) при T=2000°C и 2.7% (или ~107°) при T=4000°C. Соответствующие значения при λ=0.65 мкм составят ≈0.58% (или ~6°) при T=1000°C, 1% (или ~20°) при T=2000°C и 1.9% (или ~77°) при T=4000°C.
Суммарная инструментальная погрешность термовизора «VS FAST» составляет не более 20°C.
яpк
Получение температурных значений регистратором с зеркальной разверткой происходит аналогично. Световое излучение проецируется устройством зеркальной развертки на матричный датчик, включающий в себя электронно-оптический затвор и ПЗС-матрицу. Регистрация происходит через щелевую диафрагму. В опытах регистрировался выход детонационной волны на торец заряда из взрывчатого вещества с инициированием по центру заряда. Временная развертка взрывного процесса представлена на фиг.3. На развертке видны два «луча», образованные свечением детонационной волны. Остальная засветка происходит за счет свечения воздуха под действием движущейся вдоль оптической оси ударной волны с более высокой яркостной температурой. На фиг.4 представлен профиль температуры вдоль вертикальной секущей (секущая - сплошная линия) в графическом виде. На вертикальном графике хорошо видны два пика, соответствующие свечению детонационной волны на поверхности сборки в данный момент. Длительность вспышки ≈100 нс. Калибровка проводилась с помощью лампы - вспышки UNOMAT с t=5600°К. Максимальная яркостная температура детонационной волны составляет 3300°C. Температура остальной области свечения достигает 3700°C.
На фиг.5 приведены изображения, полученные с помощью скоростной камеры VS FAST в режиме термовизора. Изображение приведено после обработки программой TERMO 6 для получения температурных значений. Длительность экспонирования 100 нс. На изображении хорошо видно «кольцо» светящейся детонационной волны. Второе «кольцо» - светящийся под действием движущейся вдоль оптической оси ударной волны воздух с более высокой яркостной температурой.
На фиг.6 представлен профиль температуры вдоль вертикальной секущей (секущая - сплошная линия) в графическом виде. Профиль вдоль горизонтальной оси не приводится, т.к. полностью повторяет приведенный.
На графике хорошо видны пики, соответствующие свечению детонационной волны на поверхности сборки в данный момент, а также наблюдается увеличение температуры УВ по сравнению с температурой детонационной волны. Ширина светящейся области детонационной волны составляет 2,7 мм, максимальная яркостная температура ДВ составляет 3350°C. Яркостная температура области свечения воздуха достигает 3450°C.
Таким образом, данный способ позволяет получить информацию о пространственно-временном изменении профиля температуры вдоль выбранной оси на исследуемой поверхности с временным разрешением до 10 нс, а также о пространственной структуре температурного поля исследуемой поверхности с временным разрешением 100 нс в фиксированный момент времени.