УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТА
DEVICE FOR NON-CONTACT MEASUREMENT OF THE OBJECT TEMPERATURE

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для бесконтактного дистанционного измерения температуры объекта (участка объекта) по его излучению.
фд
Обычно такое устройство включает оптическую систему и датчик, выполненный на основе одного или нескольких ИК фотодетекторов, которые регистрируют тепловую энергию в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра электромагнитного излучения нагретого объекта, поэтому часто их называют ИК термометрами. Размер и положение анализируемой области (участка) на поверхности объекта определяется расстоянием до объекта и оптической системой устройства. Различают ИК термометры «дальнего действия» и ИК термометры «ближнего действия». Для первых объект считается расположенным на бесконечности, и измерения проводят практически в параллельных пучках, при этом изображение объекта не формируют, а фотодетектор помещают в точку фокуса оптической системы, где концентрируется все электромагнитное излучение объекта, попадающее в оптическую систему устройства. В ИК термометрах «ближнего действия», предназначенных для измерения на конечных расстояниях, используют перестраиваемые фокусирующие оптические системы для формирования изображения измеряемой области объекта в месте расположения фотодетектора. Последние позволяют измерять температуру небольших объектов/областей объекта на различных расстояниях и характеризуются коэффициентом визирования V, связывающим линейный размер области измерения на поверхности объекта с расстоянием до него. При этом положение и размер измеряемой области, то есть участка объекта, тепловое излучение с которого собирают фокусирующей оптической системой и впоследствии детектируют фотодетектором, существенным образом зависит от настройки оптической системы, так как регистрируемый фотодетектором сигнал I прямо пропорционален площади В измеряемой области объекта:
где: ε - коэффициент излучательной способности измеряемого объекта, отн. ед.;
τ - коэффициент прозрачности промежуточной среды (атмосферы) между фотодетектором и объектом измерения, отн. ед.;
2
R(λ,T) - спектральная плотность излучения абсолютно черного тела, определяемая формулой Планка, Вт/см⋅мкм;
I
S(λ) - спектральная характеристика чувствительности фотодетектора, А/Вт.
Таким образом, применение фокусирующих оптических систем, предназначенных для визуализации области измерения на объекте в устройствах для бесконтактного дистанционного измерения температуры, обеспечивает не только удобство их использования, но и определяет точность и воспроизводимость результатов измерения температуры радиационными методами.
Одним из наиболее простых технических решений устройства для бесконтактного измерения температуры, применяемого в коммерческих ИК термометрах, является использование параллаксной (внеосевой) системы наведения. Типичная схема такого устройства (см., например, заявка DE 202012102739, МПК F24H-009/20, G01J-005/02, G01J-005/08, опубликована 07.11.2013) содержит фотодетектор, фокусирующую оптическую систему для концентрации потока теплового излучения от измеряемого объекта и оптическую систему наведения на основе полупроводникового лазера с нерасходящимся пучком видимого глазом излучения, устанавливаемого на прицельной планке и формирующего «луч прицеливания».
Основным недостатком известного устройства является то, что оптическая ось системы наведения не совпадает с оптической осью фокусирующей оптической системы концентрации потока теплового излучения объекта, что не позволяет получить достоверную информацию о размере измеряемой области. Особенно неудобно использовать такие устройства при проведении измерений на малоразмерных объектах.
Известно устройство для бесконтактного измерения температуры с беспараллаксной системой наведения (см. патент DE 3607679, МПК G01J 5/08; G02B13/14; G02B 23/12, опубликован 13.11.1986), которое содержит фотодетектор, фокусирующую оптическую систему для концентрации потока теплового излучения от измеряемого объекта (измерительную оптическую систему), включающую светоделительное устройство для отвода видимой части излучения объекта в окуляр для формирования и наблюдения изображения контролируемого объекта с перекрестием или точкой, совпадающей с центром области измерения. Вместо окуляра может быть использован луч полупроводникового лазера для указания точки пересечения оптической оси измерительной оптической системы с объектом.
Достоинством такого известного устройства является точное совпадение оптической оси системы наведения при соответствующей юстировке с оптической осью фокусирующей оптической системы. Недостатком известного устройства является то, что происходит визуализация только центра оптической оси, что не дает информации о реально измеряемой области объекта и что может привести к значительным методическим погрешностям в расчетах температуры объекта. Особенно большие погрешности возникают при исследовании объектов с неравномерным распределением температуры, объектов неправильной формы с линейными размерами, близкими к предельным, и/или измерении температуры на объектах, расположенных под углом к оптической оси ИК термометра.
Известно устройство для бесконтактного измерения температуры (см. патент ЕР 1176407, МПК G01J-005/08, G01J-005/08, опубликован 30.01.2002), включающее фотодетектор, ИК фокусирующую оптическую систему для концентрации потока теплового излучения от измеряемого объекта и систему наведения для визуализации области измерения, содержащую источник видимого излучения и кольцевую (фацетную) оптическую систему, расположенную по внешнему краю и соосную ИК оптической системе. Система наведения формирует «окружность прицеливания» в виде кольца вокруг оптической оси ИК термометра в любой точке по ходу лучей в плоскости, перпендикулярной вышеупомянутой оси. Изображение кольца ограничивает область, тепловое излучение с которой собирают ИК оптической системой, то есть область, на которой осуществляют измерение температуры объекта.
Основными недостатками известного устройства является то обстоятельство, что формирование «окружности прицеливания» происходит независимо от ИК оптической схемы формирования изображения, что ограничивает использование известного технического решения ИК термометрами «дальнего действия», так как не предусматривает возможности изменения размеров «окружности прицеливания» в ИК термометрах с фокусирующей оптикой.
Известно устройство для бесконтактного измерения температуры (см. заявка СА 2317734, МПК G01K 1/00, G01K 13/00, опубликована 18.03.199), содержащее фотодетектор, фокусирующую оптическую систему для концентрации потока теплового излучения от измеряемого объекта и систему наведения для визуализации области измерения, выполненную на основе полупроводникового лазера. Оптическая схема системы наведения содержит вращающееся зеркало, в результате отражения от которого лазерный луч описывает «окружность прицеливания», соответствующую размеру области измерения на исследуемом объекте. Основным недостатком известного устройства является наличие подвижных механических элементов, что усложняет его применимость в портативных устройствах и ограничивает использование ИК термометрами «дальнего действия», так как не предусматривает возможности изменения размеров «окружности прицеливания» в ИК термометрах с фокусирующей оптикой.
Известно устройство для бесконтактного измерения температуры (см. патент US 6234669, МПК G01J 5/02, G01J 5/08, опубликован 22.05.2001), содержащее фотодетектор, фокусирующую оптическую систему, полупрозрачное зеркало для ввода излучения от точечного источника видимого излучения, помещенного в область, оптически сопряженную с фотодетектором, и дифракционное светоделительное устройство (голограмму), формирующее несколько «лучей прицеливания» видимого излучения, расположенных вокруг оси фокусирующей оптической системы и идущих к ней под некоторым углом. Положение и наклон «лучей прицеливания» задает дифракционное устройство, рассчитанное для заданной конфигурации фокусирующей оптической системы датчика. При этом на объекте формируется область пересечения нескольких «лучей прицеливания», которая и определяет границы измеряемой области объекта.
Основными недостатками известного устройства являются невысокая яркость и четкость визуализированных границ измеряемой области из-за наличия интерференционных эффектов и малой эффективности дифракционного светоделительного устройства, необходимого для формирования нескольких «лучей прицеливания» от одного источника, а также необходимость замены дифракционного элемента при перефокусировке датчика.
Известно устройство для бесконтактного измерения температуры (см. заявка ЕР 1176407, МПК G01J 5/08, опубликована 30.01.2002), содержащее фотодетектор, ИК оптическую систему, источник видимого излучения и кольцевую (фацетную) оптическую систему, расположенную по внешнему краю ИК оптической системы. Фацетная оптическая система формирует «окружность прицеливания» в виде изображения кольца вокруг оптической оси ИК оптической системы в любой точке по ходу лучей в плоскости, перпендикулярной вышеупомянутой оси. Изображение кольца ограничивает область, тепловое излучение с которой собирается ИК оптической системой, т.е. область измерения температуры объекта.
Основными недостатками известного устройства являются повышенные требования к мощности источника видимого излучения и ограничение использования данного технического решения ИК термометрами «дальнего действия», так как известное решение не предусматривает возможности изменения размеров «окружности прицеливания» в датчике для бесконтактного измерения температуры с фокусирующей оптикой. Это связано с расположением источника видимого излучения вне ИК оптической системы.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является устройство для бесконтактного измерения температуры (см. заявка US 20060114966 A1, МПК G01J 5/00, G01J 5/08, опубликована 01.06.2006). Устройство-прототип содержит фотодетектор, фокусирующую оптическую систему и, по крайней мере, 2 независимых источника видимого излучения.
Достоинством известного решения являются исключение неэффективных дифракционных и сложных вращающихся механических оптических элементов, снижение требований к мощности излучателей, а также отсутствие причин для возникновения интерференционных и спекл-эффектов. Недостатком известного устройства является необходимость дополнительной ручной или автоматической регулировки углового положения источников видимого излучения, формирующих «лучи прицеливания», при перефокусировке оптической системы датчика.
Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства для бесконтактного измерения температуры, которое бы имело повышенную точность и воспроизводимость показаний при измерении температуры на поверхностях объектов сложной формы, на разных расстояниях (удалении) до объекта и/или при неравномерном распределении температуры по его поверхности.
Задача решается тем, что устройство для бесконтактного измерения температуры содержит фокусирующую оптическую систему, фотодетектор, совмещенный с изображением измеряемой области объекта, по меньшей мере три полупроводниковых излучателя видимого диапазона спектра, расположенных вокруг оптической оси фокусирующей оптической системы. Новым в устройстве является то, что полупроводниковые излучатели видимого диапазона спектра расположены в месте расположения фотодетектора по границе изображения измеряемой области объекта.
Фокусирующая оптическая система устройства может быть выполнена в виде одиночной линзы, прозрачной для инфракрасного и видимого диапазонов спектра излучения.
Фокусирующая оптическая система устройства может быть выполнена в виде совокупности сферического зеркала с центральным отверстием и плоского зеркала, оптически соединенных с объектом измерения, полупроводниковыми излучателями видимого диапазона спектра и с фотодетектором.
Фотодетектор устройства может содержать по меньшей мере два p-n-перехода, расположенных по ходу лучей излучения объекта, что позволяет проводить детектирование теплового излучения с одного и того же измеряемого участка объекта по меньшей мере в двух различных спектральных диапазонах. Это позволяет проводить измерения температуры объектов с неизвестными или изменяющимися значениями излучательной способности объекта и коэффициентом прозрачности промежуточной среды при условии, что они не зависят от упомянутых спектральных диапазонов.
Фотодетектор устройства может быть снабжен иммерсионной линзой, а полупроводниковые излучатели видимого диапазона спектра могут быть расположены по периметру указанной линзы.
Фокусирующая оптическая система может дополнительно содержать диафрагму, установленную перед иммерсионной линзой фотодетектора и ограничивающую размер изображения области измерения на объекте, а полупроводниковые излучатели видимого диапазона спектра могут быть расположены на внутренней границе отверстия диафрагмы.
Наличие по меньшей мере трех полупроводниковых излучателей видимого диапазона спектра, расположенных вокруг оси фокусирующей оптической системы устройства по границе изображения измеряемой области объекта (входной апертуры фотодетектора), обеспечивает то, что исходящие от них лучи проходят через общую фокусирующую оптическую схему в направлении, обратном потоку ИК излучения от объекта, и тем самым полностью повторяют ход лучей, формирующих изображение измеряемой области участка объекта в месте расположения фотоприемника. Таким образом, в плоскости объекта формируются изображения полупроводниковых источников видимого излучения по границе измеряемой области объекта, независимо от его профиля и настройки фокусирующей оптической системы устройства.
Использование линзы, прозрачной одновременно для ИК и видимого диапазонов спектра, например сапфировой линзы, обеспечивает возможность использования фокусирующей оптической системы одновременно для ИК и видимого диапазонов спектра.
Использование зеркальных оптических элементов для концентрации потока теплового излучения от измеряемого объекта повышает точность согласования плоскостей изображения участка объекта в видимом и в ИК диапазонах спектра в силу отсутствия в них дисперсии, присущей ИК оптическим элементам, выполненным, например, из сапфира. Дисперсия не позволяет прецизионно сформировать изображения в двух спектральных областях в одной плоскости.
Наличие иммерсионной линзы на фотодетекторе обеспечивает увеличение его эффективности (детектирующей способности), поскольку уменьшается соотношение электрически активной и оптической площадей детектора. При изготовлении линзы из полупроводниковых материалов, таких как Ge, Si, GaAs, GaSb и др., или халькогенидных стекол также обеспечивается дополнительная защита от засветок в видимом диапазоне спектра. Кроме того, именно размер оптически активной поверхности иммерсионной линзы определяет размер входного зрачка фотодетектора, то есть размер детектируемого изображения измеряемой области объекта. Это позволяет расположить по его контуру заранее выбранное количество полупроводниковых излучателей, то есть тем самым увеличить точность и наглядность визуализации границ измеряемой области объекта. Использование фотодетектора с иммерсионной линзой позволяет использовать диафрагмы, ограничивающие размер изображения измеряемой области изображения объекта без перестройки фокусирующей оптической системы датчика. При этом предпочтительно, чтобы полупроводниковые излучатели видимого диапазона спектра были бы расположены на внутренней границе отверстия диафрагмы.
В настоящем устройстве используется единая (общая) оптическая схема для формирования изображения измеряемого участка объекта в ИК области спектра на чувствительной поверхности фотодетектора и для формирования видимого изображения границ чувствительного элемента ИК фотодетектора на объекте (в направлении, обратном ходу ИК лучей от объекта к фотодетектору).
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематически изображен первый вариант воплощения устройства для бесконтактного измерения температуры;
на фиг. 2 схематически изображен второй вариант воплощения датчика для бесконтактного измерения температуры.
Первый вариант воплощения устройства для бесконтактного измерения температуры (см. фиг. 1) содержит фотодетектор 1, фокусирующую оптическую систему 2 в виде идеальной одиночной линзы с фокальными точками F и -F и полупроводниковые излучатели 3 видимого диапазона спектра излучения (для простоты изображения представлено только два полупроводниковых излучателя 3), расположенные вокруг оси Z фокусирующей оптической системы 2 в виде идеальной линзы, прозрачной для инфракрасного и видимого диапазонов спектра излучения, по границе изображения измеряемой области 4 объекта 5, совпадающей с оптически активной поверхностью (входной апертурой) 6 фотодетектора 1, расположенного в плоскости формирования изображения объекта 5. Сплошными линиями на фиг. 1 показан ход лучей от измеряемой области 4 объекта 5 через фокусирующую оптическую систему 2, участвующих в формировании «теплового изображения» объекта 5 в месте расположения входной апертуры 6 фотодетектора 1. Пунктирными линиями показан ход лучей от полупроводниковых излучателей 3 видимого диапазона спектра излучения до объекта 5 через фокусирующую оптическую систему 2, которая в этом направлении (обратном ходу ИК лучей от объекта 5 к фотодетектору 1) формирует изображения 7 полупроводниковых излучателей 3 видимого диапазона спектра излучения (для наглядности показан ход лучей только от одного излучателя 3) по границе измеряемой области 4 объекта 5. F и -F обозначены фокальные точки фокусирующей оптической системы 2.
4
2
1
Второй вариант воплощения устройства для бесконтактного измерения температуры (см. фиг. 2) содержит фотодетектор 1, перед оптически активной поверхностью которого расположена иммерсионная линза 8 и диафрагма 9, которая в данном случае является входной апертурой фотоприемника 1, фокусирующую оптическую систему 2, выполненную в данном варианте на сферическом зеркале 10 с центральным отверстием и плоском зеркале 11, и полупроводниковые излучатели 3 видимого диапазона спектра излучения, расположенные на границе отверстия диафрагмы 9. Сплошными линиями на фиг.2 показан ход лучей от измеряемой области 4 объекта 5 через фокусирующую оптическую систему 2, формирующую «тепловое изображение» в плоскости входной апертуры 6 фотодетектора 1. Пунктирными линиями показан ход лучей, идущих в обратном направлении, от полупроводниковых излучателей 3 до объекта 5, в плоскости которого формируются изображения 7 полупроводниковых излучателей 3 диапазона спектра излучения (для наглядности показан ход лучей только от одного излучателя 3) по границе измеряемой области 4 объекта 5. Фотодетектор 1 в составе устройства для бесконтактного измерения температуры может быть выполнен как на фотосопротивлениях, так и на фотодиодах, чувствительных в ИК области спектра, при этом он может иметь различную ширину и положение максимума его спектральной характеристики, в том числе может быть выполнен как мультиспектральный модуль с возрастающей по ходу входящих лучей граничной длиной волны фоточувствительности λn…>λ>λ>λ. Полупроводниковые излучатели 3 видимого диапазона спектра, входящие в состав устройства и устанавливаемые в непосредственной близости от входного зрачка фотодетектора 1, могут быть выполнены в виде бескорпусных светодиодов различного спектрального состава, лежащего в видимой области спектра, например, имеющие длину волны 0.6 мкм.
Настоящее устройство для бесконтактного измерения температуры работает следующим образом. При включении электропитания полупроводниковые излучатели 3 видимого диапазона спектра в количестве N штук начинают светиться и формируют видимые «лучи наведения». При наведении устройства на объект 5 на его поверхности будет наблюдаться N видимых изображений 7 полупроводниковых излучателей 3. Изображения 7 формируются фокусирующей оптической системой 2, которая одновременно служит для формирования изображения измеряемой области 4 объекта 5 в месте расположения входной апертуры 6 фотодетектора 1. Детектируемый им поток ИК излучения преобразуется в измеряемый электрический сигнал тока или напряжения, характеристики которого используют для дальнейших вычислений температуры объекта 5 в соответствии с известными алгоритмами. В соответствии с фундаментальным принципом взаимообратимости хода лучей в оптических системах местоположение N видимых изображений 7 (по числу полупроводниковых излучателей 3) будет точно соответствовать границам области 4 измерения при условии, что упомянутые излучатели 3 установлены в непосредственной близости от границ оптически активной поверхности (входного зрачка) фотодетектора 6. Таким образом, расположение и степень фокусировки N видимых изображений 7 (по числу полупроводниковых излучателей 3) полностью отражает степень фокусировки устройства, размер и форму области 4 поверхности объекта 5, тепловой поток с которой регистрируют фотодетектором 1 и используют для вычисления значений температуры.
В ООО «ИоффеЛЕД» было изготовлено устройство для бесконтактного измерения температуры в соответствии с вариантом воплощения, представленном на фиг. 2. Фотодетектор был выполнен на основе ИК фотодиодной сэндвич-структуры с возрастающей по ходу входящих лучей граничной длиной волны фоточувствительности, лежащей в спектральной области 3-5 мкм. Фоточувствительная поверхность первого по ходу лучей фотодиода стыковалась с помощью халькогенидного стекла с иммерсионной линзой диаметром d1=3,5 мм, выполненной из кремния. В качестве полупроводниковых излучателей были использованы 6 выпускаемых промышленностью бескорпусных светодиодов (СД) красного свечения типа XQERED-0-R20-P20-CO-0001 (производитель CREE, www.cree.com/xlamp). Чипы светодиодов, имеющие линейный размер (квадрат) 1,6 мм (размер излучающей поверхности к ≈1×1 мм), были установлены на печатной плате, играющей роль диафрагмы, по периметру ее внутреннего кольца, диаметр которого был равен d2=2,5 мм. Указанная печатная плата устанавливалась перед иммерсионной линзой, тем самым ограничивая размер входного зрачка ИК фотодетектора и, соответственно, размер изображения области измерения на объекте. Фокусирующая оптическая система устройства была выполнена с использованием зеркальных элементов: сферическое зеркало со сквозным отверстием в центре имело диаметр D1=6 см при радиусе кривизны R=40 см (фокусное расстояние F=20 см), плоское зеркало имело диаметр D2=3 см. Последнее устанавливалось на расстоянии L≈11 см от зеркала таким образом, чтобы «сломать» ход оптических лучей и уменьшить габариты устройства. При указанных параметрах в плоскости, примерно совпадающей с задней поверхностью сферического зеркала, формировалось изображение объекта, установленного на оптической оси на расстоянии 200 см с коэффициентом уменьшения М≈9. При диаметре входного зрачка ИК детектора d2=2,5 мм датчик обеспечивал измерение температуры участка поверхности диаметром ≈2 см (коэффициент визирования датчика V≈100). В свою очередь, та же система зеркал формировала на поверхности объекта кольцо, состоящее из 6-ти изображений СД, расположенных по кольцу с внутренним диаметром порядка 2 см, соответствующим границе измеряемой области.