Устройство для исследования температурных полей

Союз Советских Социалистических РеспубликОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕПЛЬСТВУ оп 750295(1)М К 3 С 01 К 11/12 с присоединением заявки йо Гоеударствеииый комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙИзобретение относится к области ;термометрии, в частности к области дистанционного измерения температурных полей., и может быть использовано для теплового контроля радиоэлектронной аппаратуры, а также в других об- ластях науки и техники для исследования температурных полей поверхности объектов, в газовых и жидкостных средах.Известно устройство для исследования температурных полей, содержащее жидкокристаллический экран, чувствительный к температурному полю, осве щаемый направленным потоком белого света, дополнительный жидкокристаллический экран, источник переменного поля 1) .Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является устройство для исследования температурных полей, содержащее термочувствительный элемент выполненный на основе оптически неоднород ной смеси веществ, расположенный между источником белого света и экраном, спектральную систему 2).В этом устройстве спектральная система, позволяет выделить из спект-ЗО Ра белого света, направленного натермочувствительный элемент, наборспектральных линий, выполнена на основе двух клиновидных фазовых пластинок, расположенных между поляризаторами. Сдвигая друг относительно друга фазовыепластинки, можноизменять набор спектральных линийи интервал между ними. Термочувствительный элемент, установленный наповерхности исследуемого объекта,либо помещенный в исследуемую среду,повторяет их температурный рельеф.Поскольку термочувствительный элементвыполнен на основе оптически неоднородной смеси веществ с близкими врабочем температурном диапазоне устройства показателями преломления иразличными температурными коэффициентами показателей преломления, онобладает свойством селективно пропускать свет. Каждому значению температуры т, в пределах его рабочеготемпературного диапазона соответствует определенная длина волны свеФа до,для которой термочувствительный элемент прозрачен. Свет с длиной волны Ъо свободно проходит сквозьнего, а остальные спектральные сос -40 тавляющие термочувствительный эле 1мент рассеивает. На каждый участоктермочувствительного элемента падает свет, содержащий набор спектральных составляющих, выделенных устройством, содержащим фазовые пластинки и поляризаторы, однако сквозьнего в лучшем случае проходит однаиз .них. Может оказаться, что температура некоторых участков термочувствительного элемента такова, чтосвет с длиной волны л , для которого они прозрачны, отсутствует внаборе спектральных составляющих.Эти участки вообще не пропускаютсвет. Картина температурного поляна экране представлена рядом линийразного цвета на черном Фоне - изотерм, соответствующих ряду значенийтемпературы. Сдвигая друг относительно друга фазовые пластинки, изменяянабор спектральных линий и интервал между ними, что позволяет наблюдать изотермы, соответствующие требуемым значениям температуры с нужным шагом. Недостатком известного устройст.ва является низкая точность исследования температурного поля, обусловленная зависимостью спектрального состава света (набора спектральных линий) от температуры окружающей среды и мощности светового потока источника света,изменяющих температуру Фазовых пластинок и, соответственно,характер их пропускания, что приводит к большой погрешности при определении температур, которым соответствуют наблюдаемые на экране цветные линии; невозможность наблюдения за эволюцией всего температурного поля в целом, что может привести к упущению ряда перегретых участков поля, температура которых лежит в промежутке между двумя соседними изотермами наблюдаемыми на экране; невозможность одновременного наблюдения смежных по температурной шкале изотерм, ввиду того, что выделяемые фазовыми пластинками и поляризаторами спектральные участки имеют Фронты синусоидального характера и при одновременном наблюдении близких иэотерм визуально наблюдаемая картина светового поля утрачивает контрастность.Целью изобретения является повышние точности исследования температурного поля.Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены две конденсорные линзы с диафрагмой между ними, установленные между термочувствительным элементом и экраном, измеритель расстояния установленный за экраном, подвижная каретка, расположенная леред экраном, на которой закреплен.1 спектральная система, выполненная 5 30 15 20 25 30 35 45 55 60 65 виде призмы Цинкера со щелевой диаФрагмой, расположенной перед призмой,На фиг, 1 показана оптическая схема устройства, на фиг. 2 - экран с призмой Цинкера в двух проекциях.Устройство содержит источник белого света, включающий в себя лампочку 1 накаливания и линзу 2, термочувствительный элемент 3, конденсорные линзы 4 и 5, диафрагмуб, экран 7, подвижную каретку 8, которую можно перемещать вдоль экрана, спектральную систему, состоящую из щелевой диафрагмы 9 и призмы Цинкера 10, измеритель 11 расстояния, например масштабную линейку. Ирисовая диафрагма б установлена таким образом, что ее отверстие расположено на оптической оси устройства, а расстояние между ней и конденсорными линзами 4 и 5 соответственно равно их фокусным расстояниям.Термочувствительный элемент 3 выполнен на основе оптически неоднородной смеси веществ с близкими в рабочем температурном диапазоне устройства показателями преломления и различными температурными коэффициентами показателей преломления и селективно пропускает свет. Причем длина волны свободно прошедшего сквозь него света однозначно определяется его температурой. Остальные спектральные составляющие белого света рассеиваются оптически неоднородной смесью под разными углами, изменив первоначальное направление. Поскольку термочувствительный элемент 3 повторяет температурный рельеф исследуемой среды (объекта), то через различные участки проходит свет разного спектрального состава в зависимости от их температурыя о=(о)Конденсорные линзы 4, 5 и диафрагма б предназначены для отделения полезного светового сигнала, несущего информацию о температурном поле термочувствительного элемента 3, повторяющего температурный рельЕФ исследуемого объекта либо среды от света, рассеянного термочувствительным элементом 3.Поскольку свет с длиной волны Л проходит сквозь элемент 3, не изменив первоначального направления, и распространяется в виде параллельного пучка вдоль оптической оси устройства, то он фокусируется линзой 4 на пересечении фокальной плоскости и оптической оси, т.е. в месте расположения входного отверстия диафрагмы б. Таким образом свет с длиной волны Лс, проходит сквозь диафрагму б.Свет, рассеянный термочувствительным элементом 3(л Ф я ) , отклоняется от первоначального направления, фокусируется линзой 4 в.иных55 точках фокальной плоскости и задерживается диафрагмой б.Вторая конденсорная линза 5 предназначена для преобразования пучка света с длиной волны Лоснова в параллельный пучок света. 5Спектральная система, состоящая из щелевой диафрагмы 9 и призмы Цинкера 10, предназначена для уве-, личения спектральной разрешающей способности устройства, а следовательно, повышения точности измерения температурного поля.Диафрагма 9 предназначена для выделения узкого пучка света, направленного на центральную часть призмы 10.Призма Цинкера 10 изготовлена из двух прямоугольных призм, сложенных наклонными гранями и выполненных из разных материалов при условии, что для средневолновой состав ляющей А спектра белого света их показатели преломления совпадают, но имеют скрещенные дисперсии. Вследствие этого свет с длиной волны л луч 12, проходитсквозь призму 10, 25 как сквозь плоскопараллельную пластинку, а составляющие коротковолновой части спектра - луч 13 ( а с а Д и длинноволновой части спектра - луч 14 (аас ) отклоняются призмой 10 30 в прямо противоположные стороны от луча 12. Таким образом,луч света 15 , проходя сквозь призму Цинкера 10, разлагается в спектр.Устройство работает следующим 35 образом.Термочувствительный элемент 3 помещают в исследуемую среду и направляют на него пучок белого света от источника света. Каждый участок тер- . 40 мочувствительного элемента в зависимости от температуры Со пропускает свет разного спектрального составами. Этот свет собирается конденсорной линзой 4, фокусируется на отверстие 45 диафрагмы б и проходит сквозь нее далее, а свет, рассеянный термочувствительным элементом 3 под разными углами, задерживается диафрагмой. Далее свет с длиной волны Я , несущий информацию о температурном поле исследуемой среды (объекта), преобразуется второй конденсорной линзой 5 в параллельный пучок, который дает на экране 7 цветовое изображение температурного поля. Узкий пучок света 15, несущий информацию о температуре небольшого участка исследуемого температурного поля, вырезается щелевой диафрагмой 9 и проходит далее сквозь призму цинке ра 10. Он содержит ряд спектральных составляющих, соответствующих температурному рельефу участка термочувствительного элемента 3, выделенного щелью диафрагмы 9. 65 Эти спектральные составляющие в зависимбсти от ао отклоняются на раэ ные углы призмой Цинкера 10 и дают на экране 7 изображение в виде разноцветной линии, отклоненной вдоль всей ее длины на разное расстояние от осевой линии проекции щели диафрагмы 9 на экране 7.Эти отклонения могут быть легко измерены на разных участках этой линии с помощью измерителя 11 расстояния. Отградуировав предварительно систему призма Цинкера 10 - эран 7, т.е. определив однозначно соответствие между отклонениями д 0 луча и его спектральным составом а , легко определить спектральный состав света в луче, вырезанном диафрагмой 9. При этом точность определения Я с помощью зависимости.ао:1(ь 1) намного превышает визуальное определение цвета отдельных участков наблюдаемой на экране цветовой картины температурного поля.Кроме участка, иэображение которого представлено разноцветной кривой, на разных участках отстоящей на различные расстояния от нулевой оси отсчета измерителя 11 расстояния, на экране 7 имеется также цветовое изображение температурного поля всего объекта в целом. Спектральный состав света, прошедшего сквозь отдельные участки термочувствительного элемента З,определяется визуально по цвету соответствующих участков изображения температурного поля, и точность определения Я при этом гораздо ниже. По длине волны Л с помощью градуировочной характеристики Ло 1(1) термочувствительного элемента 3 определяют распределение температур о на исследуемом объекте либо среде. При этом, оценив температурное поле всего объекта визуально, т.е. с невысокой точностью, с помощью диафрагмы 9, призмы 10, измерителя 11 расстояния уточняют температурное поле на интересующих нас участках. Перемещая указанную систему с помощью каретки вдоль всего экрана 7, можно последовательно уточнить температурный рельеф на любом участке исследуемого объекта (среды).При исследовании непрозрачных объектов на заднюю стенку термочувствительного элемента 3 наносится зеркально отражающеепокрытИЕ. При этом термочувствительный элемент 3 работает в режиме отражения - свет сквозь него проходит дважды, отражаясь от зеркального покрытия, что способствует повышению контраста визуализированной картины температурного поля.Использование изобретения позволяет повысить точность теплового контроля исследуемых объектов и сред.750295 Формула изобретения Составитель В.Голубевактор П.Горькова Техред М.Петко . Корректор шетник Подлкомитета СССи открытийская наб д,32 Тираж 713НИИПИ Государственногпо делам изобретени35, Москва, Ж, Рауш Заказ 46 113 илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Поскольку на экране наблюдаетсяразноцветная линия, позволяющая свысокой точностью оценить температурное поле одного из участков объекта, и кроме нее, цветовая картина температурного поля всего объектав целом, можно контролировать изменение температурного поля объектав динамике при повышенной точностиисследования температурного рельефана отдельных его участках, наиболеекритичных к изменению теьечературного режима. Устройство для исследования температурных полей, содержащее термочувствительный элемент, выполненный на основе оптически неоднородной смеси веществ, расположенный между источником белого света и экраном,спектральнуюсистему, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности исследования температурного поля, в него введены две5 конденсорные линзы с диафрагмой междуними, установленные между термочувствительным элементом и экраном, измеритель расстояния, установленный заэкраном, подвижная каретка, расположенная перед экраном, на которойзакреплена спектральная система,выполненная в виде призмы Цинкерасо щелевой диафрагмой, расположенной перед призмой.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 4027 б 5, кл. О 01 К 11/12, 1971.2. Авторское свидетельство СССРР 415515, кл. 6 01 К 11/12, 197120 (прототип),