СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ
METHOD FOR REMOTE MEASUREMENT OF TEMPERATURE FIELD

Изобретение относится к измерительной технике, в частности ИК термографии (или тепловидению). Наиболее эффективно оно может быть использовано в испытательных комплексах аэрокосмического назначения, например на космодромах, для дистанционного измерения температурных полей ракет космического назначения и объектов стартового комплекса во время подготовки к старту и во время старта.
Известен способ бесконтактного измерения температурного поля с помощью пирометра, основанный на сканировании, в частности оптико-механическом, поверхности объекта углом визирования [1, 2].
Основные недостатки известного способа состоят в низком разрешении, обусловленным принципом работы пирометра, в частности недостаточном показателе визирования, и в сложности технической реализации способа для работы в полевых условиях.
Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является способ дистанционного измерения температурного поля, реализованный в измерительных тепловизорах, выпускаемых серийно фирмами FLIR Systems (США), Testo (Германия), NEC (Япония), «НПО «Тепловизор» и др. [3-6], предусматривающий выполнение первоначальной (заводской) градуировки, по результатам которой определяют зависимость каждого пикселя цифрового ИК изображения от температуры АЧТ (градуировочную характеристику) и вносят ее в программное обеспечение используемого измерительного тепловизора, и непосредственное измерение температурного поля объекта, в процессе которого формируют цифровые ИК изображения объекта с помощью ИК камеры, регистрируют сформированные ИК изображения в памяти, преобразуют амплитуду каждого пикселя цифрового ИК изображения в значение температуры по градуировочной характеристике и умножают каждое полученное значение температуры на коэффициент серости объекта, выбирая величину коэффициента серости, как правило, с шагом 0,01 в пределах от 0,1 до 1,0.
Недостатком способа-прототипа является низкая точность измерения температурного поля объекта в реальных условиях космодрома по следующим причинам.
Во-первых, ИК камера измерительного тепловизора принимает не только собственное тепловое излучение объекта, но и излучение, отраженное поверхностью объекта от внешних источников. Источниками внешнего излучения являются:
- прямое солнечное излучение,
- рассеянное атмосферой солнечное излучение;
- излучение прожекторов подсветки;
- собственное тепловое излучение атмосферы;
- излучение подстилающей поверхности.
При этом, в соответствии с законом Кирхгофа, чем меньше единицы будет коэффициент излучения (коэффициент серости) объекта, тем больше будет относительная доля отраженного ИК излучения в суммарном ИК излучении от объекта.
В регистрируемую величину ИК излучения также входит фоновая составляющая, вызванная непосредственным приемом собственного теплового излучения атмосферы, рассеянного солнечного излучения и собственного теплового излучения подстилающей поверхности.
Различить и разделить указанные составляющие в процессе выполнения измерений невозможно. В результате в способе-прототипе каждая точка температурного поля оценивается по суммарной величине зарегистрированной мощности потока ИК излучения, а не по собственному тепловому излучению объекта.
Кроме того, использование способа-прототипа на космодроме требует отдельного аппаратно-программного технического решения для измерения метеопараметров (влажности, температуры воздуха, метеорологической дальности видимости на уровне моря). На основании этих параметров, а также длины измерительной трассы, рассчитывают поправки на ослабление атмосферой регистрируемого ИК излучения для корректирования результатов измерений.
Во-вторых, даже в предположении полного отсутствия внешней ИК засветки, использование коэффициента серости (коэффициента излучения) объекта при обработке зарегистрированного ИК излучения не в полной мере приближает результаты измерений к истинным значениям из-за неточного знания истинного значения этого коэффициента.
Действительно, собственное тепловое излучение объекта пропорционально энергии излучения, испускаемой АЧТ при той же температуре, и коэффициенту излучения поверхности объекта. Коэффициент излучения входит при этом как множитель при величине излучения черного тела, характеризуя степень отклонения объекта от черного тела.
Однако используемое справочное значение может отличаться от истинного значения, которое, кроме материала, определяется состоянием его поверхности. Надписи, окраска, окисление, степень шероховатости поверхности в значительной мере влияют на величину коэффициента излучения поверхности. Эти же факторы обуславливают его непостоянство по поверхности аэрокосмического объекта.
В-третьих, величина принимаемого собственного теплового излучения объекта каждым пикселем ИК матрицы зависит от угла наблюдения - угла между нормалью к площадке поверхности объекта, соответствующий пикселю ИК матрицы, и линией визирования, соединяющей центр этой площадки и центр пикселя. Реальная зависимость описывается кривой, форма которой близка к косинусоиде с плоской вершиной и резким падением с приближением угла наблюдения к 90 угл. градусам. По этой причине способ-прототип дает заниженный результат измерения температуры краев выпуклых поверхностей, а наличие таких поверхностей характерно для аэрокосмических объектов.
В силу указанных причин измеренные значения температур в реальных условиях космодрома могут в разы отличаться от действительных значений.
Задачей изобретения является повышение точности дистанционных измерений температурного поля аэрокосмических объектов в условиях космодрома или испытательного полигона при низких дополнительных аппаратурных затратах.
Для решения данной задачи предложен способ дистанционного измерения температурного поля объектов, предусматривающий выполнение первоначальной (заводской) градуировки, по результатам которой определяют зависимость каждого пикселя цифрового ИК изображения от температуры АЧТ (градуировочную характеристику) и вносят ее в программное обеспечение используемого измерительного тепловизора, и последующее измерение температурного поля объекта, в процессе которого формируют цифровые ИК изображения объекта с помощью ИК камеры, регистрируют сформированные ИК изображения в памяти, согласно изобретению на поверхности объекта выбирают одну или несколько реперных площадок, измеряют температуру этих площадок электронным контактным термометром в начале сеанса измерения температурного поля и при возможности повторяют измерения температуры контактным методом в течение периода времени, безопасного для нахождения обслуживающего персонала рядом с объектом, каждый результат контактного измерения температуры в реальном времени с использованием средств связи передают на измерительный тепловизор и прикрепляют к соответствующему цифровому ИК изображению объекта, используя результаты контактного измерения температуры и соответствующие им по времени цифровые ИК изображения, определяют отношения «амплитуда пикселя - величина температуры» для пикселей цифровых изображений реперных площадок, с учетом установленных отношений корректируют градуировочную характеристику на моменты контактного измерения температуры для каждой реперной площадки, для дистанционного измерения температуры в контрольных точках объекта из числа реперных площадок в режиме реального времени преобразуют амплитуды пикселей цифрового ИК изображения, соответствующего контрольным точкам, в значения температуры - по соответствующим откорректированным градуировочным характеристикам, полное температурное поле объекта определяют пересчетом зарегистрированных амплитуд пикселей, соответствующее каждому кадру цифрового ИК изображения, в значения температуры по соответствующим откорректированным градуировочным характеристикам, после чего сглаживают полученные значения температурного поля, основываясь на реальных значениях температуры реперных площадок.
Преимущество предложенного способа состоит в том, что преобразование амплитуд пикселей цифрового ИК изображения в значения температуры выполняют не по заводским градуировочным характеристикам с последующим умножением на справочный коэффициент серости, а по градуировочным характеристикам, откорректированным по результатам измерений температуры реперных площадок контактным методом, для которых экспериментальным путем устанавливают действительное отношение «амплитуда пикселя - температура поверхности» в месте приема ИК излучения от объекта, содержащее как собственное тепловое излучение объекта, так и излучение, отраженное объектом от внешних источников ИК излучения, которые ослаблены при прохождении измерительной трассы, затем выполняют сглаживание значений температур с учетом реальных значений температуры реперных площадок применительно к каждому кадру цифрового ИК изображения.
Использование предлагаемой совокупности действий практически исключает ошибки измерения за счет наличия отраженного ИК излучения в регистрируемом ИК излучении от объекта, не требует знания коэффициента излучения объекта, исключает необходимость определения метеопараметров и расчета на их основе, ослабления ИК излучения атмосферой на измерительной трассе.
Дополнительные аппаратурные затраты на практическую реализацию предлагаемого способа, основанного на использовании измерительного тепловизора, связаны с применением контактного электронного термометра и комплекта аппаратуры персональной радиосвязи.
Способ дистанционного измерения температурного поля осуществляется следующим образом.
Аналогично способу-прототипу в лабораторных условиях по абсолютно черному телу (АЧТ) выполняют первоначальную (заводскую) градуировку используемого измерительного тепловизора с помощью известных методов. Диапазон воспроизводимых АЧТ температур должен соответствовать температурному диапазону объекта в процессе его функционирования.
В результате выполнения градуировки получают градуировочную характеристику, которая устанавливает зависимость амплитуды каждого пикселя цифрового ИК изображения, формируемого ИК камерой измерительного тепловизора, от температуры. Эта характеристика является основной метрологической характеристикой измерительного тепловизора, позволяющего производить дистанционные измерения температурного поля объекта.
Объектом измерения может быть как аэрокосмический объект полностью, так и его отдельные составные части, а также аэрокосмический объект в окружении сооружений стартового или испытательного комплекса.
Для выполнения измерений температурного поля тепловизор, включающий цифровую ИК камеру, установленную на опорно-поворотном устройстве и штативе, и (съемный) цифровой накопитель, в котором производится регистрация всего объема измерительной информации, размещают в месте съемки на безопасном для эксплуатации расстоянии. В этом же месте разворачивают аппаратуру системы единого времени на базе спутникового навигационно-временного приемника, аппаратуру связи и управления, а также другое оборудование, которое входит в состав измерительного комплекса для дистанционного измерения температурных полей объектов. В частности, в состав измерительного комплекса входит аппаратура для репортажной передачи тепловизионной и температурной информации. Аппаратуру измерительного комплекса включают, тестируют и настраивают, после чего приступают к выполнению измерений.
Измерения производят в два этапа.
На первом этапе (или в сеансе измерения):
- формируют и регистрируют первичную измерительную информацию;
- формируют и передают тепловизионную информацию в репортажном режиме (в режиме реального времени);
- измеряют температуру отдельных контрольных точек объекта и передают результаты измерений в режиме реального времени.
На втором этапе (или на послесеансной обработке первичной измерительной информации):
- рассчитывают температурное поле объекта, соответствующее каждому тепловизионному кадру;
- формируют массив измерительной информации, отражающий динамику температурного поля объекта в период выполнения сеанса измерения;
- подготавливают массив измерительной информации для внесения в соответствующие базы данных.
С началом выполнения сеанса измерения на поверхности объекта выбирают одну или несколько реперных площадок, каждая из которых удовлетворяет следующим условиям:
- площадка принадлежит участку поверхности объекта, температура которого подлежит контролю в процессе подготовки и проведения испытаний (старта);
- площадка доступна для контактного измерения температуры, т.е. для зонда электронного термометра;
- площадка находится в прямой видимости тепловизора при угле наблюдения, как правило, не более 30 угловых градусов.
Общее число реперных площадок и места их расположения на поверхности объекта выбирают, исходя из размера объекта и цели исследования. В случае необходимости выбирают и дополнительные реперные площадки, расположенные на краю выпуклой поверхности, т.е. при угле наблюдения, близком к прямому.
Выполняют измерение температуры реперных площадок объекта контактным методом. При этом каждой реперной площадке вручную сопоставляют марку, которая регистрируется тепловизором измерительного комплекса. В частности, марка может быть прикреплена к зонду контактного электронного термометра.
Результат каждого измерения температуры незамедлительно по каналу связи передают на измерительный комплекс, где принятое значение температуры реперной площадки вручную или автоматически регистрируют в цифровом накопителе в составе первичной измерительной информации.
Репортажную тепловизионную информацию формируют путем передачи по каналу связи кадров цифровых ИК изображений с выхода ИК камеры.
Контрольные точки для измерения температуры выбирают из числа реперных площадок.
Для этих выбранных площадок рассчитывают отношения «амплитуда пикселя - величина температуры». Расчет выполняют с помощью вычислителя из состава измерительного комплекса. Используя установленные соотношения, корректируют исходную градуировочную характеристику измерительного тепловизора применительно к реальным условиям выполнения измерений. В результате откорректированная (пересчитанная) градуировочная характеристика устанавливает зависимость амплитуды пикселя от температуры соответствующей реперной площадки поверхности объекта с учетом:
- излучательной способности поверхности реперной площадки,
- доли отраженного ИК излучения в регистрируемом ИК излучении от реперной площадки;
- фоновой ИК засветки реперной площадки;
- поглощения ИК излучения атмосферой на трассе «объект-тепловизор».
Используя откорректированную градуировочную характеристику, по амплитудам пикселей цифрового изображения контрольной точки в вычислителе в режиме реального времени рассчитывают действительные текущие значения температуры и передают их по каналу связи в пункт управления и контроля, где эти данные отображают на экране монитора.
Через некоторое время (или с принятой периодичностью в период подготовки объекта к старту) измерения температуры реперных площадок контактным методом повторяют, в частности, эти измерения повторяют перед включением двигательной установки аэрокосмического объекта.
Результаты измерений, как и ранее полученные, регистрируют в составе первичной измерительной информации.
Применительно к контрольным точкам зарегистрированные значения температуры сравнивают с результатом предыдущего измерения температуры контактным методом. Если выявляют различие значений температуры, то на основании новых данных температуры соответствующие градуировочные характеристики повторно корректируют. Далее эти новые откорректированные характеристики используют в оперативном дистанционном контроле температуры реперной площадки до окончания сеанса измерений.
В течение всего времени подготовки к старту и во время старта с частотой формирования кадров тепловизионных изображений с помощью аппаратуры системы единого времени формируют отсчеты времени, которые привязаны к шкале единого времени. Эти отсчеты прикрепляют к соответствующим цифровым изображениям объекта и регистрируют в составе первичной сеансной измерительной информации.
По окончании сеанса измерений съемный накопитель с зарегистрированной первичной измерительной информацией доставляют в вычислительный центр, где информацию считывают с накопителя и выполняют ее послесеансную обработку путем выполнения следующих действий.
1. Для каждой реперной площадки рассчитывают действующую градуировочную характеристику путем сдвига первоначальной (заводской) градуировочной характеристики на соответствующих пикселях, используя результаты измерений температуры реперной площадки контактным методом. Изображения реперных площадок идентифицируют по зарегистрированным изображениям марок.
В результате получают набор частных действующих градуировочных характеристик, заданных на пикселях изображений реперных площадок. Эти характеристики описывают измерительное преобразование в реальных условиях измерения температурного поля объекта, но только для реперных площадок.
2. Выполняют предварительный расчет температурного поля объекта для каждого кадра зарегистрированного ИК изображения объекта. Для этого последовательно преобразуют амплитуды пикселей цифрового изображения объекта в значения температуры. Поскольку полная действующая градуировочная характеристика, заданная на всех пикселях кадра цифрового изображения, неизвестна, то преобразование выполняют следующим образом.
На изображениях реперных площадок преобразование выполняют, применяя ранее установленные частные действующие градуировочные характеристики, а на интервалах между реперными площадками используют действующую градуировочную характеристику ближайшей реперной площадки.
Очевидно, что каждое рассчитанное температурное поле содержит искусственные выбросы, провалы и спады за счет:
- использования неточных значений температуры, соответствующих амплитудам пикселей, на интервалах между реперными площадками, при преобразовании амплитуд пикселей в значения температуры;
- изменения, в т.ч. и скачкообразного, коэффициента излучения (серости) по поверхности объекта вне реперных площадок из-за надписей, состояния поверхности и др. факторов;
- спада регистрируемого собственного теплового излучения объекта при больших углах наблюдения (на краях выпуклых поверхностей).
3. Сглаживают результаты предварительного расчета температурного поля на основе знания:
- гладкого характера функции, описывающей распределение температуры по поверхности объекта;
- реальных значений температуры реперных площадок в соответствующие моменты времени.
Для сглаживания используют известные математические методы и информационные технологии. В результате такой процедуры исключают погрешности из-за неточного знания действующей градуировочной характеристики и излучающей способности вне реперных площадок объекта.
Искусственный спад температурного поля на краях выпуклых поверхностей при больших углах наблюдения исключают, обрезая соответствующие края тепловизионного изображения, или принимают значения температур при больших углах наблюдения, равными значениям при малых углах наблюдения.
4. Формируют массив тепловых полей, привязанных к шкале единого времени, пригодный для анализа и хранения в базах данных.
Из патентной и научно-технической литературы не известны вышеуказанные отличительные признаки способа в их данной целенаправленности и полезной совокупности. Это позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение является новым и соответствует критерию «изобретательский уровень».
Технический результат, получаемый от использования изобретения, заключается в повышении точности измерения температурного поля аэрокосмических объектов.
Источники информации:
1. Поскачей А.А., Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 248 с.: ил.
2. Патент RU 2252299 С1. Способ бесконтактного измерения температурного поля, кл. G01J 5/08, 2005, бюл. №14.
3. Измерительные тепловизоры фирмы FLIR Systems (США), www.pergam.ru.
4. Измерительные тепловизоры фирмы Testo (Германия), www.testo.ru.
5. Измерительные тепловизоры фирмы NEC (Япония), www.thermoview.ru.
6. Измерительный тепловизор предприятия «НПО «Тепловизор», www.teplovizor.ru.