Устройство для измерения температуры поверхности

Сфез СоветсиикСфциалистичесиикРеспублик ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬ(22) Заявлено 11,02,80 (2 ) 2881570/18-10 и исоединение явки М таалеыб кемете 23)Приоритет ьСВР ае делам лзобретеккй к етарыткйДата опубликоваии сания 03,11.8 и С, А. Кононенко Г3Изобретение относится к контрольно .измерительной технике, а именно, к устройствам для локального измерения температуры с помошью термохромных преобразователей, и может быть использовано для измерения температуры, исследования тепловых полей и для тепловой диагностики элементов и узлов радоиэлектронной аппаратуры.Известно устройство для определения температуры поверхности, содержащее туО бус, на одном конце которого расположен осветитель с системой линз, а на другомтермохромный преобразователь, выполненный в виде слоя жидких кристаллов, нанесенного на теплопроводную подложку, и камеру наблюдения, в которой при необходимости может быть установлен фотоаппарат ГЦ .При контакте термохромного преобра 20 зователя с поверхностью контролирУемо-, го объекта, освешаемый белым светом слой жидкого кристалла изменяет свой цвет в соответствии с температурой контролируемой поверхности. Полученное цвеъное изображение наблюдают непосредственно, либофотографируют на пленку. Точность измерения температуры известнымустройством весьма назкая, что обусловлено субъективными ошибками при визуальной оценке цветного иэображения. Использование же фотографических методоврегистрации и оценки полученной картинытребует значительных затрат времени итруда, связанных с проявлением и анализом снимков, и вносит в результаты измерений погрешности, обусловленные нестабильностью параметров пленки, ошибками, возникающими в процессе проявления и пр Кроме того, незащищенный слойжидких кристаллов термохромного преобразователя, входящего в состав устройслва, под воздействием внешней среды (влажности, ультрафиолетового излучения, перемены давления) быстро теряет свои свойства, что отрицательно сказывается наработоспособности устройства в целом.15 го 30 35 40 45 50 Наиболее близким к предлагаемомуявляется устройство для измерения температуры поверхности, содержащее тубусс расположенным под прямым углом кего продольной оси отростком, в которомразмещены осветитель и цветной светофильтр с перестраиваемой длиной волныпропускания, установленные на противоположных торцах тубуса фотоприемник,соединенный со входом регистрирующегоблока, и термохромный преобразователь,выполненный в виде слоя жидких кристаллов, заключенного между двумя защитными пленками, и расположенное в области пересечения тубуса с боковым отростком под углом 45 к их продольным осямполупрозрачное зеркало, посредством кото,рого термохромный преобразователь оптически связан с осветителем и фотоприемником 23 .Благодаря наличию цветного светофильтра с перестраиваемой длиной волны про.пускания и фотоприемника, соединенногос регистрирующим блоком, известное устройство позволяет измерить спектральнуюхарактеристику светового потока, селек.тивно рассеянного слоем жидких кристаллов. Поскольку между температурой контролируемого объекта и спектром селективного рассеяний жидких кристалловсуществует однозначная зависимость, топо длине волны пропускания цветного светофильтра, соответствующей максимальному значению полученной спектральной характеристики, судят о температруре конгролируемой поверхности, Наличие в термохромном преобразователе двух защитных пленок, между которыми заключенслой жидких кристаллов, позволяет предохранить его от преждевременного старения под воздействием неблагоприятного влияния внешней среды и, темсамым,продлить срок службы устройства,Однако, прозрачная защитная пленка, расположенная со стороны освещаемой поверхности слоя жидких кристаллов, отражает часть падающего на нее светового потока, что создает помеху (блик), затрудняющую наблюдение и регистрацию спектральной характеристики света, селективно рассеянного слоем жидких кристаллов и, тем самым, вносит погрешность в результаты измерений, Другими источниками погрешности являются возникающие в процессе работы известного устройства изменения яркости светового потока, вызванные, например, колебаниями питающего напряжения, разъюстировка оптической системы, температурная нестабильность характеристик фотоприемника.Цель изобретения - повышение точности измерений.Указанная цель достигается тем, что. в устройство введены отражающий эле-. мент и дополнительный фотоприемник, подключенный ко второму входу регистрирующего блока, при этом тубус разделен перекрывающейся против бокового отростка светонепроницаемой перегородкой на две камеры, в одной иэ которых размещен фотоприемник и термохромный преобразователь, а во второй - дополнительный фотоприемник и отражающий элемент, оптически связанный через полупрозрачное зеркало с источником света и дополнительным фотоприемником.Отражающий элемент выполнен из двух защитных пленок, находящихся в контакте, причем, световоспринимаюшая поверх-ность отражающего элемента параллельна световоспринимаюшей поверхности преобразователя,Отражающий элемент и термохромныйпреобразователь расположены по разныестороны от полупрозрачного зеркала, причем, их световоспринимающие поверхности взаимно ортогональны, а отражающийэлемент выполнен иэ того же материала,что и термохромный преобразователь иснабжен теплоизолирующим экраном.На фщ. 1 и 2 схематически изображены варианты выполнения заявленногоустройства при различных расположенияхотражающего элемента.Устройство для измерения температуры поверхности содержит тубус 1 с цилиндрическим боковым отростком 2, расположенным под прямым углом к продольной оси тубуса 1. В боковом отверстии2 размещен осветитель 3, в состав которого входят источник 4 света, рефлектор 5, конденсатор 6 и теплозащитныйфильтр 7, Тубус 1 разделен продольнойпрерывающейся против бокового отростка светонепроницаемой перегородкой 8на две камеры 9 и 10, представляющие собой два оптически независимых канала. Одна из камер 9 содержит установленные на противоположных торцах тубуса 1 фотоприемник 11 и термохромный преобразователь 12, а другая 10 - дополнительный фотоприемник 13, установленный на том же торце тубуса 1, что и фотоприемник 11, и отражающий элемент 14.В обоих камерах 9 и 10 в области пересечения тубуса 1 с боковым отрост877359 15 п эо ком 2 под углом 45 градусов к их продольным осям расположено полупрозрачное зеркало 15, посредством которого термохромный преобразователь 12 оптически связан с осветителем 3 и фотоприемником 11, а отражающий элемент 14 с осветителем 3 и дополнительным фотоприемником 13, Оба фотоприемника 11 и 13 соединены с соответствующими входами регистрирующего блока 16, выполненного по дифференциальной схеме, например, в виде дифференциального усилителя.Между осветителем 3 и фотоприемниками 11 и 13 расположен цветной светофильтр 17 с перестраиваемой длиной волны пропускания. Он может быть выполнен в виде револьверного фильтра или в виде интерференционного клинового полосового фильтра и может быть установлен либо перед фотоприемниками 11 и 13, либо непосредственно на выходе осветителя (фиг, 1 и 2)Термохромный преобразователь выполнен в виде слоя 18 жидких кристаллов, заключенного между двумя защитными пленками 19 и 20, одна иэ которых, обращенная в сторону контролируемого объекта, является теплопроводной подложкой, а другая 20, обращенная в сторону фотоприемника 12, прозрачна для видимого света. бспектральной характеристикой отражения защитной поверхности термохромного преобразователя 12. В связи с этим отражающий элемент 14 удобнее выполнятьиз того же материала, что и термохромныйпреобразователь 12, т. е в виде слоя22 жидких кристаллов, заключенного между двумя защитными пленками 23 и 24,При этом отражающий элемент 14 размещают в отдалении от термохромногопреобразователя 12 с тем, чтобы он находился вне тепловых воздействий контролируемого объекта и окружающей среды, и при необходимости снабжают теплоизолирующим экраном 25,С целью обеспечения индифферентности отражающего элемента 14 к тепловым.воздействиям, он может быть выполнен из таких же двух защитных пленок 26 и 27, что и защитные пленки 19и 20 термохромного, преобразователя 12,но прилегающих друг к другу (находяшихся в контакте). При этом отражающийэлемент сохраняет ту же спектральнуюхарактеристику отражения, что и защитная поверхность термохромного преобразователя, но становится нечувствительным к тепловым воздействиям, В этом случае, с целью упрощения сборки, егоцелесообразно устанавливать на том жеторце тубуса 1, что и термохромный преобразователь 12, в одной с ним плоскос35 40 45 5 О 55 В зависимости от конкретных условийработы отражающий элемент 14 и термохромный преобразователь 12 могут быть установлены Вибо по одну сторону от полупрозрачного зеркала 15 так что их световоспринимаюшие поверхности взаимно параллельны (фиг. 1), либо по разные стороны от полупрозрачного зеркала 15 так, что их световоспринимающие поверхности взаимно ортогональны (показано пунктиром на фиг. 1 и 2). Во втором случае отражающий элемент 14 может быть установлен либо на боковой стенке тубуса 1, либо на торце камеры 10, часть 21 которой расположена под прямым углом к продольной оси тубуса. При таком выполнении камеры 10 есть возможность установитв при необходимости перед отражающим элементом 14 и термохромным преобразователем 12 дополнительные оптические устройства, например, линзы для формирования па раллельного пучка света.Отражающий элемент 14 выполняют из материала, спектральная характеристика отражения которого совпадает со ти,Устройство работает следующим образом. Торец тубуса 1, снабженный термохромным преобразователем 12, приводятв тепловой контакт с контролируемой поверхностью и включают источник 4 света, Сформированный рефлектором 5 и конденсатором 6 параллельный пучок света проходит через теплозашитный фильтр 7,задерживающий волны инфракрасного диапазона, через светофильтр 17 с перестраиваемой длиной волны пропускания и попадает на полупрозрачное зеркало 15Светонепроницаемая перегородка 8 делит параллельный пучок света .на два независимых потока, один иэ которых, распространяющийся в камере 9, отразившись от полупрозрачного зеркала 15, попадает на термохромный преобразователь 12, коэффициент отражения которого соответствует температуре контролируемой поверхности. Другой световой поток, распространяющийся в камере 10,отразившись от полупрозрачного зеркала15 (фиг, 1) или пройдя сквозь него (фиг,2) попадает на отражающий элемент 14,7 8773 Ограженные от поверхностей термохромного преобразователя 12 и отражающего элемента 14 световые потоки посредством полупрозрачного зеркала 15 направляются на соответствующие фотоприемники 11 и 13, которые преобразуют световое излучение в электрические сигналы, поступающие на входы регистрирующего блока 16, на выходе которого выделяется разностный сигнал. .фоСветовой поток, отраженный от термохромного преобразователя 12, представляет собой сумму, потоков света одной длины волны, задаваемой цветным светофильтром 17, а именно, светового потока, отраженного от термочувствительного слоя 18 жидких кристаллов, и светового потока, отраженного от поверхности прозрачной защитной пленки 20. Первый световой поток, интенсивность которого за висит от температуры контролируемого объекта, несет полезную информацию, второй - создает помеху, Таким образом, ,. электрический сигнал, поступающий с выХода фотоприемника 11 на первый вход 25 регистрирующего блока 16, представля ет. собой сумму полезного сигнала и сигйала помехи. Электрический, сигнал, поступающий с выхода дополнительного фотоприемника 13 на второй вход регистриру-зо юшего блока 16, характеризует интенсивность светового потока, отраженного от элемента 14, спектральная характеристика рассеяния которого идентична спектральной характеристике рассеяния защитной пленки 20 термохромного преобразователя 12.Следует отметить, что перед началом измерений. устройство калибруют; для этого, при условии изоляции термохромного 4, преобразователя 12 от источников тепла, подстройкой чувствительности фотоприемников 11 и 13 с помощью, например, переменных резисторов, включенных в цепь чувствительных элементов фотопримников 4 11 и 13, уравнивают электрические сиг, налы, поступающие с выходов обоих фотоприемников 11 и 13 на входы регистрирующего блока 16, добиваясь на его выходе нулевого значения разностного сиг 50 нала. Таким образом, электрический сиг нал от фотоприемника 13 устанавливают равным сигналу помехи, характеризующему световой поток, отраженный от защит -ной пленки 20 термохромного преобразователя 12.В процессе измерения температуры объекта на выходе регистрирующего бло- ка 16 выделяется лишенный сигнала ломе 59 8хи разностный сигнал, т, е, полезный сигнал, характеризующий световой поток, рассеиваемый жидкокристаллическим слоем18 термохромного преобразователя 12.Перестраивая цветной светофильтр 17,регистрируют длину волны, соответствуяшую максимальному. значению разностного сигнала на,выходе блока 16, т. е,максимальному значению спектральнойхарактеристикирассеяния термохромногопреобразователя 12. Эта длина волны находится в однозначной зависимости от .температуры контролируемого объекта,которую определяют либо по шкале соответствия, либо непосредственно по шкале цветного светофильтра, предварительно проградуированного в градусах температуры,Если в процессе измерения происходят колебания интенсивности световогопотока вследствие, например, нестабильности питающего напряжения источника 4света, то эти колебания могут быть выделены из электрического сигнала на выходе фотоприемника 13 и использованыдля компенсации влиянии изменения интенсивности светового потока на раультаты измерений путем, например, соответствующего воздействия на коэффициентусиления выходного каскада регистрирующего блока 16 и для сигнализации о неисправности устройства.Таким образом, предлагаемое изобретение благодаря введению в него дополнительного фотоприемника и оптически связанного с .ним отражающего элемента, неподверженного тепловым воздействиям иимеющего такую же спектральную характеристику отражения, как и защитная пленка .термохромногь преобразователя, позво-.ляет компенсировать сигналы помехи, возникающие как при отражении световогопотока от поверхности защитной пленкитермохромного преобразователи, так ивследствие колебаний светового потока,благодари чему значительно повышаетсяточность измерения температуры,формула изобретения1. Устройство для измерения температуры поверхности, содержашее тубус с расположенным под прямым углом к его продщп ной оси отростком, в котором размещен осветитель и цветной светофильтр с перестраиваемой длиной волны пропускания, установленные на протово,положвых торцах тубуса фотоприемник,8773 9соединненый со входом регистрирующего блока, и термохромный преобразователь, выйоленнный в виде слоя жидких кристаллов, заключенного между двумя защитными пленками, и расположенное в области пересечения тубуса с боковым огростком под углом 45 ок их продольным осям полупрозрачное зеркало, посредст вом которого термохромный преобразователь оптически связан с осветителем 10 и фотоприемником, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точ ности измерений, в него введены отра жаюший элемент и дополнительный фото- приемник, подключенный ко второму вхо ду регистрирующего блока, при этом ту бус разделен прерывающейся против боко ного отростка светонепроницаемой перегородкой на две камеры, в одной иэ ко торых размещен фотоприемник и термохромный преобразователь, а во второй- дополнительный фотоприемннк и отражаю ший элемент, оптически связанный через полупрозрачное зеркало с источником света и дополнительным фотоприемником,е. 59 102. Устройство по и, 1, о т л и ч а ю ш е е с я тем, что отражающий элемент выполнен иэ двух защитных пленок; находящихся в контакте, причем, световосприннмающая поверхность отражающего элемента параллельна световоспринимаю шей поверхности преобразователя.ЗУстройство по и. 1, о т л и. ч а ющ е е с я тем, что отражающий элемент и термохромный преобразователь расположены по разные стороны от полупрозрачного зеркала, причем, их световоспри нимающие поверхности взаимно - ортогональны, а отражающий элемент, выполнен иэ того же материала, что и термохромный преобразователь и снабжен теплоизо лируюшим экраном. Источники информациипринятые во внимание при акспертиэе1."ИоезИе КгэаЕЕЕ и аег ааогвтиф Оое.в Се сйесф, "Ие о+гоп,1975, % 7, с, 235-239,2. Патент ГДР % 100549,кл. ( 01 К 11/12, 1972 (прототип)877359 Составитель Г. МухинТехред Б.Кастелевнч едактор С, Крупени Корректор НС Заказ 96 64 Тираж ВНИИПИ Государственноголо делам изобретений 113035, Москва, Ж-Э 5, Р одписное омитета СССР открытийушская набд. 4 Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул, Проектная,