3. Закон Снеліуса і його застосування

Закони відбиття і заломлення УЗХ аналогічні законам геометричної оптики. Зустрічаючи на своєму шляху інше середовище, відмінне за своїми властивостями (хвильовий опір, густина), УЗХ частково відбиваються, а частково проходять в це середовище, де поглинаються. При проходженні через дане середовище відбувається явище дифракції і інтерференції.

На границі розділу двох середовищ (вважаємо, що це границя у вигляді площини) повздовжня хвиля в середовищі густиною ρ₁ і швидкістю с₁ доходить до границі з іншим середовищем густиною ρ₂ і швидкістю с₂ під певним кутом α (див.рис.)

На рисунку параметри з індексами l відносяться до повздовжніх хвиль, а з індексами t – до поперечних хвиль.

При перпендикулярному падінні УЗ-променів на границю розділу двох середовищ, відбитий промінь також буде перпендикулярний до даної границі.

При нахиленому падінні УЗХ на границю розділу двох середовищ, частина хвилі відіб’ється від межі під певним кутом, а частина буде поширюватися в інше середовище. Якщо перше середовище є твердим тілом, в якому можуть поширюватися як поперечні так і поздовжні коливання, то частина енергії падаючої хвилі (поздовжньої) перетвориться в зсувну хвилю (поперечну).

Якщо промені падають на границю розділу двох середовищ під кутами, які відрізняють від прямого, то поряд із відбитими хвилями спостерігаються заломлені хвилі, причому відношення синусів кутів падіння, відбиття і заломлення рівне відношенню швидкостей поширення коливань відповідно в середовищах І і ІІ, тобто:

.

Ця формула носить назву закону синусів або закону Снеліуса.

Знаючи швидкість поширення УЗК в призмі і в ОК, можна розрахувати значення кутів поширення повздовжніх і зсувних хвиль в другому середовищі в залежності від кута падіння α за законом Снеліуса. Побудовано спеціальні графічні залежності кутів γ₂, β₁, і γ₁ від кута падіння α. За допомогою цих графіків можна визначати значення кутів поширення відбитих і заломлених хвиль в даних середовищах в залежності від кута падіння α

4. Первинні перетворювачі теплових величин. Індикатори теплових полів. Пристрої, використовувані в тепловому контролі.

Первинні вимірювальні перетворювачі можуть формувати з поступаючого теплового потоку інформацію для безпосереднього використання її оператором чи для передачі її у вигляді електричних сигналів до вторинних перетворювачів або пристроїв обробки інформації.

Термометри розширення відносяться до 1-ої групи перетворювачів і основані на вільному розширенні термометричної рідини чи на залежності тиску в замкнутому об'ємі термометричної речовини (рідина, газ, пара) від температури.

Найбільше поширення в силу простоти виготовлення і доброї точності мають склянні рідинні термометри (ртутні і рідинні).

Для підвищення точності можуть мати дві системи – з широким і вузьким діапазоном вимірювання, причому точний відлік прово­диться по короткій розтягнутій шкалі.

Помимо склянних рідинних термометрів загального застосування випускаються і спеціальні, наприклад, термометри, які вимірюють мінімальну чи максимальну температуру. Скляні термометри є одними з найточніших засобів вимірювання температури.

Манометричні термометри в залежності від виду робочої речовини бувають рідинні, конденсаційні і газові. Термосистема манометричного термометра складається з термобалона, манометричноії пружини необхідної жорсткості, запаяної на кінці, де закріплена вказівна стрілка, і з'єднувального капіляру.

Манометричні термометри дають можливість дистанційно (шляхом видовження капіляру до 60 м) вимірювати температуру, що дозволяє застосовувати їх в найскладніших умовах (наприклад, глибинні).

Термометри розширення прості в будові і в застосуванні, дозволяють досить точно вимірювати безпосередньо температуру рідких і газоподібних середовищ. Постійна нагріву термометрів розширення визначається часом нагрівання термометричної речовини і звичайно дорівнює від 10 с до кількох хвилин.

Термометри розширення можуть бути безпосередньо використані для теплового контролю таких виробів, які містять рідкі чи газові компоненти. Із-за великих розмірів і малої чутливості до ІЧВ термометри використовують в ТНК найчастіше при градуюванні вимірювальної апаратури по температурі випромінюючого тіла.

Термоелектричні перетворювачі (термопари, термоелементи) відносяться вже до другої групи і містять спай з двох різнорідних матеріалів, при нагріванні яких появляється термо е.р.с., яка мо­нотонно зростає при збільшенні температури спайки і залежить від матеріалу термопари (ефект Зеєбека). Таким чином, термопара перетворює теплову енергію в енергію постійного струму. (зворотнє явище – ефект Пельтьє) .

Термо е.р.с. в широкому діапазоні температур нелінійно залежить від температури, тому при вимірюваннях треба користуватись поправочними коефіцієнтами. Щоб одержати велику термо е.р.с., термопари з'єднують в батарею, лишень треба прийняти заходи по стабілізаціі умов роботи, в першу чергу температури холодного спаю. Інерційність термопар визначається часом нагрівання спайки, а їх постіина часу досягає десятків секунд.

Термопари для ТНК використовують рідко, в основному так сакмо, як термометри для вимірювання потужних теплових випромінювань, і градуювання апаратури неруйнівного контролю по температурі, а також у випадку необхідності записування приростів температури, оскільки вимірювання з їх допомогою найчастіше проводяться автоматичними потенціметрами.

Терморезистори використовують властивість різних матеріалів змінювати електричний опір в залежності від температури.

Терморезистори з чистих металів звичайно виготовляють шляхом намотки тонкого каліброваного дроту на керамічний каркас, а зверху покривають захисною оболонкою. Застосовують дротину з міді високої чистоти, нікелю і платини. Терморезистори з металів випускаються 2-го і 3-го класів точності, що відповідає основній похибці вимірювань в залежності від вимірюваної температури від 0,2° до 20°. Основні експлуатаційні показники металічних терморезисторів такі ж як у термопар, тому області застосування їх близькі.

Напівпровідникові терморезистори виготовляють з різних матеріалів: германію, окислів міді, марганцю, кобальту і ін. Термо­резистори серій ММТ, КМТ і ТМ подібні, використовують тоді, коли потрібно вимірювати середні температури з невеликою точністю.

Напівпровідникові резистори призначені для реєстрації потоків випромінювання, часто називають фоторезисторами. До них відносяться резистори серії ФСА, виготовлені на основі сірчистого свинцю, і дозволяють перетворювати потоки випромінювань видимого та ІЧ діапазонів в зміну опору. Постійна часу цих фоторезисторів дорівнює 40 мкс.

Оскільки створювати вільні заряди можуть кванти випромінювання з достатньою енергією для напівпровідникових терморезисторів, які сприймають теплове випромінювання, існує "червона границя" – найбільша довжина хвилі коливань _ч, вище якої падаюче випромінювання не приводить до суттєвої зміни опору.

Терморезистор типу БКМ-2, який є болометром, призначений для реєстрації малих потоків випромінювання, має більш довгохвильову границю за рахунок нагромадження енергії падаючого випромінювання у вигляді теплоти і постійну часу біля 6 мс. Конструктивно в одному корпусі об'єднані два однакові терморезистори – з’єднані в балансну чи мостову схему, причому один з резисторів закритий екраном від падаючого випромінювання. Це суттєво підвищує стабільність роботи апаратури.

Розвиток напівпровідникової техніки привів до створення малогабаритних терморезисторів, які в поєднанні з глибоким охолодженням дозволяють одержати високу чутливість, швидкодію і збільшити _ч. До таких перетворювачів відносяться фоторезистори на основі антимоніду індію і германію, легованого різними металами (золотом, ртуттю, міддю, цинком, сурмою) і напівпровідники типу "кадмій-ртуть-телур". Постійна часу для цих фоторезисторів зменшується при більш глибокому охолодженні від 1 мкс (77 °К) до 0,01 мкс (4,2 °К).

Напівпровідникові прилади з р-n переходом також можуть застосовуватись для перетворення теплових випромінювань в електричний сигнал. До таких приладів відносяться фотодіоди (ФД-3, ФДК-1 і ін) і фототранзистори. Але фотодіоди і фототранзистори, які є тепер, охоплюють невелику область ІЧВ і ефективні в оптичному і прилягаючому до нього діапазоні хвиль. Так, червона границя германієвого діда ФД-3 _ч=1,8 мкм, а у кремнієвого фотодіода типу ФДК-1 _ч=1,5 мкм, їх постійна часу становить 10 мкс, а чутливість 25 і 5 мА/лм відповідно. Метрологічні характеристики фотодіодів і фототранзисторів невисокі, тому їх застосування обмежено переважно використанням в пристроях автоматики при досить великому значенні густини потоку випромінювання.

Електронновакуумні прилади використовують зовнітшній фотоефект (фотоелементи, ФЕП, ЕОП) чи внутрішній фотоефект (ЕПТ). Електронновакуумні прилади мають малий діапазон спектральної чутливості до теплового випромінювання (до довжин хвиль 1,5-3 мкм), що обмежує їх застосування. Фотоелементи не мають широкого застосування із-за малої чутливості.

ФЕП (фотоелектронні помножувачі) мають катод, який випускає під дією променевої енергії електрони, ряд динодів (від I до 14) – допоміжних електродів, які мають великий коефіцієнт електронної емісії, і анод, який збирає вибиті електрони. На диноди і анод подано позитивну напругу, причому тим більшу, чим дальше динод від катоду (до декілька тисяч вольт). За рахунок багатократної вторинної емісії від прискорених електронів і динодів струм аноду значно більший (до 10⁷ раз) від первинного фотоструму. ФЕП мають малу інерційність (частота до 1ОО МГЦ) .

Рисунок 2.16 – Схема фотоелектронного помножувача.

Електронно-оптичний перетворювач являється приладом, який дозволяє перенести невидиме інфрачервоне зображення на вихідний екран, який світить-ся видимим світлом. ІЧВ падає на фотокатод (наприклад киснево-цезієвий) і викликає емісію електронів, причому кількість електронів, які вилетіли, тим більша, чим більша густина потоку падаючого ІЧВ. Вільні електрони приско-рюються і фокусуються на відповідну точку вихідного флуоресцентного екра-ну. За рахунок одержаної електронами енергії електричного поля, яке створене високовольтним джерелом живлення, сформоване видиме зображення на екрані має яскравість, достатню для візуального спостереження. При необхідності одержати ще більшу яскравість використовують каскадні і канальні ЕОП.

ЕОП використовують в тих випадках, коли необхідно оперативно одержати видиме зображення в реальному масштабі часу безпосередньо в зоні ІЧВ і переважно без опромінення ОК. Але одер­жане зображення не може бути передане на великі віддалі.

Піроелектричні перетворювачі - основані на властивості деяких кристалічних діелектриків (піроелектриків) електризуватись під дією тепла (охолодження). Поверхнева густина виникаючих зарядів прямо пропорційна градієнту температури на гранях піроелектрика.

На основі піроелектриків створені: перетворювач у вигляді піроелектричного конденсатора з поглинаючим ІЧВ покриттям в якості обкладок і передаюча ЕПТ (пірикон) з мішенню з піроелектричного матеріалу. Піроелектричні перетворювачі працюють в широкому спектральному діапазоні (_ч=14 мкм). Чутливість піроелектричного конденсатора велика і досягає 20 В/К⁰ незалежно від його площі при постійній часу 0,1 - 10 мкс. Оскільки піроелектрик реагує на пере­пад температур, його доцільно використовувати для контролю в динамічночу режимі. У випадку необхідності використання його в статично­му режимі чи при повільних змінах потоку ІЧВ перед піроелектричним перетворювачем встановлюють модулятор.

Недостатком піроелектричних перетворювачів є великий вхідний опір, вплив вібрацій та других зовнішніх впливів.

Еджеограф. Робота базується на зміні прозорості плівок деяких напівпро-відникових матеріалів в монохроматичному світлі з визначеною довжиною хвилі в залежності від температури. Еджеограф з плівкою з аморфного селен має роздільну здатність 4 лінії/мм, інерційність 0.5 с. Чутливість його достатня для одержання зображення з температурою на 10-15 С вище кімнатної.

Рідкокристалічні перетворювачі ІЧВ. Їхня дія базується на властивості рідких кристалів холестеринного типу різко змінювати свої оптичні властивості при підвищенні температури. Плівку такої речовини наносять на тонку мембрану, на яку вже нанесено шар, який поглинає ІЧВ широкого спектраль-ного діапазону. Поглинуті цим шаром ІЧ промені викликають місцеві зміни температури, які пропорційні інтенсивності ІЧВ відповідних ділянок ОК і ці зміни проявляються у вигляді кольорових термографічних зображень. Чутливість таких перетворювачів не дуже велика. Роздільна здатність становить 5 ліній/мм. Інтенсивність 1-6 с. Спектральний діапазон досить широкий.

Рідкокристалічний перетворювач тепло­вого (ІЧ) зображення в видиме. В цьому перетворювачі одна сторо­на мембрани зачорнена, а друга покрита тонким шаром рідких кристалів типу холестирину. При локальній зміні температури мембрани внаслідок дії ІЧВ максимум розсіювання світла рідкими кристалами зміщується в короткохвильову область видимої ділянки спектру, що викликає зміну забарвлення шару.

Недоліки: а) необхідність забезпечення високої теплової чутливості поверхні робить її дуже сприйнятливою до ІЧВ корпусу і вимагає ізоляції поверхні від всіх теплових джерел крім розглядуваної картини; б) погана передача динамічних теплових процесів; в) невисока контрастність зображення із-за впливу фону; г) на відносно великій чутливій поверхні важко забезпечити рівномірну чутливість.

Евапорограф відноситься до нескануючих систем, які створюють видиме зображення, поряд з ОЕП. Він має здатність, подібно фотопластинці (чутливість до ІЧВ), акумулювати випромінювання. Це типовий представник перетворювачів теплового зображення.

В евапорографі зображення спостережуваного ОК проектується на тонку мембрану, і температура в різних ділянках мембрани виявляється різною в відповідності з кількістю теплоти, яка поглинулась. Завдяки нагріванню мембрани ІЧВ олійна плівка, сконденсована на задній стороні мембрани не-рівномірно випаровується. Таким чином різниця температур перетворюється в різницю товщин олійної плівки. Якщо розглядати мембрану в відбитому світлі, то різниця в товщині плівки проявляєтся в вигляді різного інтерференційного эабарвлення, подібно кольорам тонких олійних плівок на поверхні води. Час, який потрібний для одержання зображення, залежить від різниці температур ОК і фону, коливається в межах від долей секунди до десятків секунд.

Є різні конструкції евапорографів, але принцип дії більшості їх однаковий: тонка мембрана є стінкою камери з перенасиченою олійною парою і вся система знаходиться в тепловій рівновазі, яка порушиться при наведенні на мембрану зображення теплової картини. Інколи наносять на тильну сторону зачорненої мембрани рідку плівку з малою в’язкістю. При наведенні зображення на мембрану виникають деформації на поверхні плівки, викликані змінами поверхневого натягу.

Інколи використовують не олійну пару, а аерозоль, частинки якої конден-суються на ділянках з більш низькою температурою. Корені евапорографії беруть початок із дослідів Д.Гершеля (1840 р.), який використовував з подібною метою тонкий фільтрувапьний папір, закопчений з однієї сторони і змочений в спирті.

Можливі і інші типи перетворювачів теплового випромінювання з подібними принципами. В ролі несучої плівки використовуються тонкі плівки з нітроцелюлози, поліетилентерефталату чи окису алюмінію.

Для поглинання випромінювання використовуються шари металічної черні, наприклад золота, чи напівпрозорі шари металу.

При створенні апаратури чи організації ТНК крім джерела нагрівання, ОК, первинного вимірювального перетворювача, блоків і пристроїв загального характеру (електронні блоки і елементи, механічні пристрої і т.п.) використовуються спеціальні типи пристроїв і елементів, специфічних для області теплових процесів та вимірювання. До них відносяться об’єктиви чи інші оптичні системи, фільтри, моделі абсолютно чорного тіла (АЧТ), холодильники, світлопроводи ІЧВ і деякі ін.

Об’єктиви, які встановлюються біля первинного перетворювача ІЧВ, перерозподілюють потік енергії випромінювання для більш ефективного його використання. Найчастіше об’єктив, розміщений біля джерела випромінювання, концентрує всю енергію або створює потік з рівномірною густиною. Об’єктив, який працює разом з первинним вимірювальним перетворювачем, збирає і фокусує енергію ІЧВ з площі, значно більшої від чутливої площі перетворювача. В залежності від елементів, використовуваних в об’єктиві, вони можуть бути лінзові, дзеркальні і лінзово-дзеркальні.

Об’єктиви для інфрачервоної області принципіально будують на тих же принципах і з подібних елементів, що і оптичні елементи видимої області спектру. Головна відмінність полягає в тому, що в ІЧ-об’єктивах використовують спеціальні матеріали: сірчисті сполуки миш’яку і халькогенідів (сапфір, германій, кремній) – вони пропускають ІЧВ до 6 мкм.

З матеріалів, які застосовують для виготовлення лінз і призм, старанно видаляють залишки води, парів та газів. Найчастіше використовують кристали BaF, CaF₂, LiF, сапфір, плавлений кварц, оптичну кераміку.

Дзеркальні об’єктиви простіше зробити широкосмуговими, так як, починаючи уже з >1 мкм, коефіцієнт відбивання полірованих плівок срібла, алюмінію (які найчастіше застосовуються), золота і міді перевищує 97%. Обробка дзеркал легша, чим лінз, оскільки високу якість поверхні необхідно одержати тільки з однієї сторони.

У довгохвильовій області можуть бути використані різні природні кристали: KBr (_ч=30мкм), КСl (_ч=23мкм), NaCl (_ч=17мкм), CsJ (_ч=55мкм), штучні кристали на основі йодисто-бромистого галлію і хлористо-бромистого галлію (_ч=29 мкм; _ч=35мкм), оптична кераміка (з розривами в 10 мкм до 200 мкм).

Фільтри змінюють спектральний склад випромінювання, пропускаючи його частину, яка несе корисну інформацію, і затримують ту частину випромінювання, яка заважає. В залежності від призначення фільтри бувають спектральні, які виділяють необхідну ділянку спектру, компенсаційні, які придають спектральній характеристиці потрібний вид, нейтральні – рівномірно послаблюють випромінювання, не змінюючи його спектрального складу, що поліпшує експлуатаційні показники, розширює динамічний діапазон потоків, захищає об’єктив від забруднень і т.п.

За спектральними характеристиками пропускання розрізняють фільтри: довгохвильові, короткохвильові і смугові, які пропускають випромінювання у вузькій смузі довжин хвиль. Фільтри можуть бути побудовані на різних принципах: найпростіший – одношаровий, його властивості визначаються матеріалом, з якого він виготовлений; інтерференційний-багатошаровий, його характеристики визначаються властивостями, товщинами шарів і їх поєднаннями; фільтри, які вибірково відбивають випромінювання.

Фільтри, виготовлені шляхом напилення шарів з різних матеріалів, можуть бути виготовлені із заздалегідь заданими властивостями.

Моделі абсолютно чорного тіла (АЧТ). АЧТ – це спеціальні пристрої, в яких в необхідному діапазоні температур випромінювання близьке до випромінювання АЧТ. Моделі АЧТ необхідні для градуювання і випробовування aпapaтypи THK і створення еталонного випромінювання при використанні компенсаційних і балансних методів.

Конструкції моделей АЧТ можуть бути різними в залежності від конкретного її призначення: плоска, трубчаста, клиновидна, сферична порожниста, циліндрична і ін. При необхідності випромінююча чи поглинаюча зона моделі АЧТ нагрівається чи охолоджується, для чого використовуються різні печі, термостати, теплові бані, холодильники, кріогенні рідини. Трубчаста модель АЧТ забезпечує одержання випромінювання, близького до випромінювання джерела (рисунок 2.18).

Рисунок 2.18 - Трубчаста модель АЧТ.

Зона випромінювання АЧТ у вигляді нагрітої порожнини визначається її вихідним отвором. Модель АЧТ з використанням порожнини нагрівається, обтікаючою її рідиною. Рідина нагрівається електронагрівником. Матеріалом сфери може бути метал, графіт, жаростійкий фарфор – в залежності від діапазону температур і речовини рідини (рисунок 2.19).

Рисунок 2.19 - Сферична модель АЧТ.

Холодильні пристрої необхідні для охолодження перетворювачів, що знижує їх порогову потужність, шуми і підвищує чутливість. Крім того, якщо первинний вимірювальний перетворювач охолоджується кріогенною рідиною, яка кипить, то його характеристики будуть дуже стабільні, оскільки температура рідини, яка кипить, є постійна. Холодильні пристрої можуть бути побудовані і з використанням різних фізичних ефектів (охолодження газу при розширенні, ефект Пельтьє і ін.).

В апаратурі НК найчастіше використовуються кріостати, у вигляді посудини Дюара, яка є колбою з подвійними дзеркальними стінками, проміжок між якими вакуумований. В колбу заливається зріджений газ (азот, повітря, водень, гелій), який і охолоджує перетворювач (датчик) до температури кипіння за рахунок поступання зовнішньої теплоти (для цих газів температури кипіння становлять відповідно: 77°К, 81°К, 20°К, 4.2°К). Щоб пропустити ІЧВ, вікно виготовляють з відповідного матеріалу (сапфір, германій). Колба закривається пробкою, яка має дрібні дренажні канали (рисунок 2.20).

Рисунок 2.20 - Холодильник.