УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СИСТЕМ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована при испытаниях и оценке качества тепловизионных систем, преимущественно предназначенных для работы по наземным низкотемпературным объектам.
Испытания тепловизионных систем (ТВС), в частности их настройка и калибровка, как правило, производятся в лабораторных условиях с использованием специальных устройств. При испытаниях осуществляют измерения основных характеристик ТВС, таких как минимально разрешаемая разность температур, модуляционная передаточная функция и другие. Для обеспечения полноты и достоверности оценки работы ТВС их испытания следует проводить в температурных условиях, приближенных к реальным. Поэтому при настройке и калибровке ТВС, предназначенных для работы по наземным низкотемпературным объектам, целесообразно применять тест-объекты, имеющие сопоставимые с ними температуры [Госсорг Ж., Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. - М. Мир, 1988, 416 с; Ллойд Дж., Системы тепловидения. - М. Мир, 1978,410 с.].
Известно устройство для контроля параметров тепловизионных систем, включающее протяженный тепловой излучатель и размещенный перед ним плоский элемент (мишень), имеющий прорези определенной формы и размера [Krzysztof Chrzanowski. Testing thermal imagers. Practical guidebook // Military University of Technology, 00-908 Warsaw, Poland, 2010]. Плоский элемент выполнен в виде металлической пластины. Испытания ТВС включают определение минимальной разности температур между фоном, формируемым тепловым излучателем в прорезях, и температурой металлической пластины.
Недостатком устройства является то, что оно предназначено для проведения испытаний ТВС при температурах излучателя и мишени, превосходящих или сопоставимых с температурой окружающей среды в лабораторных помещениях. Вследствие этого оно непригодно для проведения испытаний ТВС в области низких температур.
Понятие области низких температур при проведении испытаний ТВС определено нами, исходя из следующих соображений. Выбор нормальных условий, которые должны быть соблюдены в рабочем пространстве при поверке средств измерений, регламентирован ГОСТ 8.395-80, дата введения 01.07.1981 г., в рамках которого номинальным значением нормальной температуры лабораторных помещений является температура 20°С, а также значения температур 23; 25; 27°С, допускаемых к ограниченному применению в качестве номинального значения, при этом максимальная величина среднего отклонения от номинального значения составляет ±15°С. Исходя из этого, выбор нормальных условий проведения испытаний в лабораторных помещениях определяется диапазоном температур от 5°С до 42°С. Соответственно, область температур ниже 5°С вплоть до максимально достигаемых наземными объектами отрицательных температур, т.е. примерно до (-50°С), определяется нами как область низких температур.
Наиболее близким устройством того же назначения, что и заявляемое, по совокупности существенных признаков, является устройство для контроля параметров тепловизионных систем, описанное в [Патент РФ №74459, дата приор. 28.01.2008, опубл. 27.06.2008, Бюл.№18], выбранное нами в качестве прототипа. Устройство включает тепловой излучатель, содержащий нагреватель и теплоизлучающую панель, датчики для контроля температуры, сменный плоский элемент, в котором выполнены прорези определенной формы и размера, устанавливаемый перед теплоизлучающей панелью, блок управления. Блок управления связан с блоком питания и выполнен с возможностью задания и поддержания требуемой разности температур плоского элемента с прорезями и теплоизлучающей панели. Плоский элемент с прорезями и теплоизлучающая панель снабжены датчиками температуры.
Сменный плоский элемент, используемый при измерениях характеристик ТВС, выполнен в прототипе в виде металлической пластины с прорезями определенной формы и размера. Это могут быть вертикально ориентированные группы полос соответствующей пространственной частоты, отверстия в форме квадрата или силуэта объекта наблюдения. Выбор формы и размера прорезей определяется целями испытаний ТВС. Так для контроля температурного и пространственного разрешения используется элемент с прорезями в виде групп полос с определенной пространственной частотой, для контроля обнаружительных и опознавательных характеристик - элемент с прорезями в виде квадратов или силуэтов объектов, например, машин, танков и т.д.
При определении характеристик ТВС устанавливаются и контролируются температуры элемента с прорезями и теплоизлучающей панели. По формируемому в ТВС изображению определяется разность температур между элементом с прорезями и теплоизлучающей панелью, при которой еще возможно различить на пределе отдельно изображения вертикально ориентированных полос в каждой группе, либо при которой еще возможно обнаружить нечеткое размытое или, наоборот, четкое неразмытое изображение отверстий в форме квадратов или силуэтов объектов наблюдения.
Недостатком устройства-прототипа является то, что оно предназначено для проведения испытаний ТВС при температурах элемента с прорезями и теплоизлучающей панели, превосходящих или сопоставимых с температурой окружающей среды в лабораторных помещениях. Вследствие этого оно непригодно для проведения испытаний ТВС в области низких температур.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Технической проблемой, которую решает заявляемая полезная модель, является создание устройства для контроля параметров тепловизионных систем, позволяющего осуществлять испытания тепловизионных систем, предназначенных для работы по наземным низкотемпературным объектам, в лабораторных условиях.
Технический результат заключается в создании устройства для контроля параметров тепловизионных систем, позволяющего осуществлять испытания тепловизионных систем, предназначенных для работы по наземным низкотемпературным объектам, в лабораторных условиях.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для контроля параметров тепловизионных систем, включающем корпус, сменный плоский элемент, в котором выполнены прорези определенной формы и размера, блок управления, связанный с блоком питания, датчики контроля температуры, связанные с блоком управления, при этом сменный плоский элемент и датчики контроля температуры размещены внутри корпуса устройства, в соответствии с заявляемым техническим решением устройство дополнительно содержит термоэлектрический модуль Пельтье, включающий горячую и холодную пластины, при этом горячая пластина термоэлектрического модуля Пельтье снабжена радиатором с установленным на нем первым вентилятором для обдува радиатора и связана с поверхностью радиатора через слой теплопроводящей пасты, сменный плоский элемент установлен на поверхности холодной пластины термоэлектрического модуля Пельтье, выполнен двухслойным, составленным последовательно из слоев теплоизолирующего и тепловыделяющего резистивного материалов, при этом слой теплоизолирующего материала связан с поверхностью холодной пластины термоэлектрического модуля Пельтье через слой теплопроводящей пасты, датчики контроля температуры установлены на поверхностях холодной пластины термоэлектрического модуля Пельтье и слоя тепловыделяющего резистивного материала, соответственно, термоэлектрический модуль Пельтье и радиатор с установленным на нем вентилятором обдува радиатора расположены внутри корпуса устройства, в котором также дополнительно установлен второй вентилятор для обдува сменного плоского элемента и холодной пластины термоэлектрического модуля Пельтье, блок питания выполнен с возможностью подачи управляющего напряжения по командам от блока управления к термоэлектрическому модулю Пельтье, слою тепловыделяющего резистивного материала, а также первому и второму вентиляторам.
Если устройство для контроля параметров тепловизионных систем дополнительно содержит N термоэлектрических модулей Пельтье, последовательно устанавливаемых внутри корпуса устройства так, что холодная пластина каждого последующего модуля связана через слой теплопроводящей пасты с горячей пластиной предыдущего модуля, начиная с первого, горячая пластина последнего модуля через слой теплопроводящей пасты связана с поверхностью радиатора, при этом блок питания выполнен с возможностью подачи управляющего напряжения к дополнительным термоэлектрическим модулям Пельтье, а количество N дополнительных термоэлектрических модулей Пельтье выбирается из условия обеспечения охлаждения до требуемых температур холодной пластины первого термоэлектрического модуля Пельтье, то возникает дополнительный технический результат, заключающийся в расширении технических возможностей устройства и состоящий в том, что проведение измерений может осуществляться при достижении еще более низких температур, чем в случае одного термоэлектрического модуля.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства (вид сверху), где 1 - термоэлектрический модуль Пельтье, 1.1 - холодная пластина модуля Пельтье, 1.2 - горячая пластина модуля Пельтье, 2 - радиатор, 2.1 - первый вентилятор для обдува радиатора, установленный на радиаторе 2, 3 - сменный плоский элемент, выполненный двуслойным, имеющий прорези определенной формы и размера, в приводимом примере выполнения полезной модели прорези составляют группу из 4 полос, при этом ширина каждой полосы равна расстоянию между полосами, а высота полосы в семь раз больше ее ширины, 3.1 - слой теплоизолирующего материала, 3.2 - слой тепловыделяющего резистивного материала, 4 - слой теплопроводящей пасты между горячей пластиной модуля Пельтье и поверхностью радиатора 2, 5 - слой теплопроводящей пасты между слоем теплоизолирующего материала 3.1 и холодной пластиной модуля Пельтье 1.1, 6.1 - датчик контроля температуры, связанный со слоем тепловыделяющего резистивного материала 3.2, 6.2 - датчик контроля температуры, связанный с поверхностью холодной пластины модуля Пельтье 1.1, 7 - блок питания, 8 - блок управления, 9 - корпус, 10 - второй вентилятор для обдува сменного плоского элемента и холодной пластины термоэлектрического модуля Пельтье, закрепленный в корпусе 9.
На фиг. 2 приведен внешний вид термоэлектрической части устройства без корпуса и блоков управления, где 1 - термоэлектрический модуль Пельтье, 1.1 - холодная пластина модуля Пельтье, 1.2 - горячая пластина модуля Пельтье, 2 - радиатор, 2.1 - первый вентилятор для обдува радиатора, установленный на радиаторе 2, 3 - сменный плоский элемент, выполненный двуслойным, имеющий прорези определенной формы и размера, в приводимом примере выполнения полезной модели прорези составляют группу из 4 полос, при этом ширина каждой полосы равна расстоянию между полосами, а высота полосы в семь раз больше ее ширины, 3.1 - слой теплоизолирующего материала, 3.2 - слой тепловыделяющего резистивного материала, 4- слой теплопроводящей пасты между горячей пластиной модуля Пельтье и поверхностью радиатора 2, 5- слой теплопроводящей пасты между слоем теплоизолирующего материала 3.1 и холодной пластиной модуля Пельтье 1.1, 6.1 - датчик контроля температуры, связанный со слоем тепловыделяющего резистивного материала 3.2, 6.2 - датчик контроля температуры, связанный с поверхностью холодной пластины модуля Пельтье 1.1.
Описание работы устройства приведено ниже на примере конкретного выполнения.
Устройство размещают на оптической оси перед тепловизионной системой, подлежащей контролю. В зависимости от целей испытаний ТВС выбирают требуемый сменный плоский элемент. Как указывалось выше, для контроля температурного и пространственного разрешения обычно используется элемент с прорезями в виде групп полос с определенной пространственной частотой, для контроля обнаружительных и опознавательных характеристик - элемент с прорезями в виде квадратов или силуэтов объектов, например, машин, танков и т.д. В примере конкретного выполнения устройства, приводимом на фиг. 1, был использован сменный плоский элемент 3 с прорезями, составляющими группу из 4 вертикальных полос, при этом ширина каждой полосы равна расстоянию между полосами, а высота полосы в семь раз больше ее ширины. Подобные элементы традиционно используются для контроля температурного и пространственного разрешения ТВС.
Сменный плоский элемент 3 был выполнен двухслойным, составленным последовательно из слоев теплоизолирующего и тепловыделяющего резистивного материалов. В качестве теплоизолирующего материала был использован диэлектрик-стеклотекстолит типа FR-4, в качестве тепловыделяющего резистивного материала - слой клея высокой электропроводимости «Контактол» на основе серебра. Сменный плоский элемент был закреплен на поверхности холодной пластины 1.1 термоэлектрического модуля Пельтье 1 через слой теплопроводящей пасты 5 (кремнийорганическая паста КПТ-8), обеспечивающей тепловой контакт элемента 3 с поверхностью 1.1.
Горячая пластина 1.2. термоэлектрического модуля Пельтье 1 была связана с поверхностью радиатора 2 также через слой теплопроводящей пасты КПТ-8. Радиатор 2 с установленным на нем вентилятором 2.1 для обдува радиатора предназначены для отвода тепла от горячей пластины.
Все перечисленные выше элементы устройства размещены внутри корпуса устройства 9. Датчики контроля температуры 6.1 и 6.2 являлись цифровыми и были связаны со слоем тепловыделяющего резистивного материала 3.2 и с поверхностью холодной пластины модуля Пельтье 1.1, соответственно. Датчики контроля температуры 6.1 и 6.2 размещаются внутри корпуса устройства. Также в корпусе устройства закреплен второй вентилятор, предназначенный для обдува сменного плоского элемента и холодной пластины термоэлектрического модуля Пельтье. Обдув необходим для удаления образующегося на указанных элементах устройства конденсата при работе устройства в области низких температур.
Элементы устройства, требующие электрического питания, связаны с блоком питания 7, соединенным с блоком управления 8. Блок питания 7 выполнен с возможностью подачи управляющего напряжения по командам от блока управления 8, выполненного на базе микроконтроллера, к термоэлектрическому модулю Пельтье, слою тепловыделяющего резистивного материала, а также первому и второму вентиляторам. Цифровые датчики температуры соединены с блоком управления 8.
В начале работы устройства в блоке управления выставляют необходимую температуру холодной пластины 1.1 термоэлектрического модуля Пельтье, после чего напряжение необходимой величины и полярности подается на контакты модуля Пельтье и включаются первый и второй вентиляторы.
При достижении заданной температуры холодной пластиной 1.1 и слоями сменного плоского элемента 3 к слою тепловыделяющего резистивного материала 3.2 подается напряжение, необходимое для нагрева слоя и обеспечения разности температур между поверхностью слоя 3.2 и поверхностью холодной пластины 1.1. Контроль температур осуществляется с помощью цифровых датчиков 6.1 и 6.2. Поддержание необходимой разности температур осуществляется по командам блока управления 8 с помощью блока питания 7.
По изображениям, формируемым тепловизионной системой, оценивается разность температур между поверхностью слоя 3.2 и поверхностью холодной пластины 1.1, при которой возможно различение отдельно вертикально ориентированных полос в группе из 4 полос. Температурное разрешение оценивается для данной пространственной частоты. Для получения функции передачи модуляции контролируемой тепловизионной системы на поверхность холодной пластины устанавливается другой сменный плоский элемент с прорезями другой пространственной частоты и производится та же оценка температурного разрешения. При смене плоского элемента с прорезями необходимо удалить остатки теплопроводящей пасты с помощью шпателя и тампона, смоченного в спирте.
Для определения обнаружительных и опознавательных возможностей ТВС на поверхность холодной пластины устанавливается другой сменный плоский элемент с прорезями определенной конфигурации, формы и размера, соответствующими силуэтам объектов, подлежащих обнаружению и распознаванию. Аналогичным образом меняется разность температур между поверхностью слоя 3.2 и поверхностью холодной пластины 1.1 и оценивается изображение, формируемое контролируемой тепловизионной системой.
При использовании одного термоэлектрического модуля Пельтье типа FROST-74 производства компании Криотерм в ходе проведения экспериментов температура поверхности холодной пластины модуля Пельтье достигала (-5°С).
Если в устройство для контроля параметров тепловизионных систем дополнительно установить N термоэлектрических модулей Пельтье так, что холодная пластина каждого последующего модуля через слой теплопроводящей пасты будет связана с горячей пластиной предыдущего модуля, начиная с первого, горячая пластина последнего модуля через слой теплопроводящей пасты будет связана с поверхностью радиатора, при этом блок питания выполнить с возможностью подачи управляющего напряжения к дополнительным термоэлектрическим модулям Пельтье, то обеспечивается расширение технических возможностей устройства, и проведение измерений возможно осуществлять при достижении еще более низких температур, чем в случае одного термоэлектрического модуля. Оценка максимально достижимых температур охлаждения поверхности холодной пластины термоэлектрического модуля Пельтье показывает, что возможно достижение температур порядка (-50)°С.