Sb95749

УДК 621.365.5 ББК З.280.7 П31

Печенков А. Ю., Галунин С. А.

П31 Температурные измерения: электрон. учеб.-метод. пособие. СПб.: Издво СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. 21 с.

ISBN 978-5-7629-2146-6

Рассматриваются техника и технология бесконтактного измерения температуры тел оптическими пирометрами излучения, работающими в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

Предназначены для подготовки студентов по направлениям 13.03.02 и 13.04.02 – «Электроэнергетика и электротехника», а также могут быть полезны инженерно-техническим работникам и студентам других специальностей.

УДК 621.365.5 ББК З.280.7

Рецензент: канд. техн. наук В. С. Федорова (ПГУПС Императора Александра I).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве электронного учебно-методического пособия

2

Лабораторная работа 1

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ, КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛОВИЗОРА VARIOSCAN 3012

И ПРИОБРЕТЕНИЕ НАВЫКОВ РАБОТЫ С НИМ

Цель работы: изучение схемы и характеристик тепловизора Varioscan 3012 и приобретение навыков работы с ним.

Программа работы:

1.Ознакомиться с принципом работы и конструкцией тепловизора.

2.Освоить меню и принцип работы с тепловизором.

3.Получить навыки работы с тепловизором.

4.Нарисовать эскиз объекта исследования и нанести значения температур нагретых компонентов.

1.1. Общие сведения

Любое нагретое тело испускает поток инфракрасного излучения. Одной из характерных особенностей такого излучения является то, что оно меньше, чем видимый свет, поглощается и рассеивается мутными средами. Многие вещества, непрозрачные для видимого света, прозрачны для инфракрасных лучей. Вследствие того, что тела вокруг нас нагреты неравномерно, складывается некая картина распределения инфракрасного излучения. Фиксирование температурной разницы «объект – фон» и преобразование полученной информации в изображение, видимое глазом, осуществляется с помощью тепловизоров.

Основные рабочие диапазоны тепловизионной аппаратуры охватывают следующие области длин волн: 8…14 мкм (область далекого инфракрасного излучения) и 3,0…5,5 мкм (область среднего инфракрасного излучения). Именно в этих областях приземные слои атмосферы прозрачны для инфракрасного излучения, а излучательная способность наблюдаемых объектов с температурой от –50 до +50 С максимальна. Таким образом, тепловизионные приборы способны обеспечивать большую дальность видения в любое время суток даже при несколько пониженной прозрачности атмосферы (тумане, дожде, снегопаде, пыли, дыме).

Тепловизор представляет собой оптико-электронную систему для получения видимого изображения объектов, испускающих невидимое тепловое (инфракрасное) излучение. Упрощенно, принцип работы тепловизора таков:

3

инфракрасное излучение через особую, прозрачную для инфракрасных волн оптику из кремния или германия, попадает на матрицу фотоприемников, откуда сигнал подается на мультиплексоры фотоприемного устройства. Затем, после аналоговой и цифровой коррекции полученных сигналов, сформированное изображение распределения тепловых полей по поверхности объекта выводится на дисплей. Изображение на матрице получают построчно с помощью системы сканирования, состоящей из горизонтального и вертикального сканеров. Вертикальный сканер перемещает тепловую точку со строки на строку, а горизонтальный – вдоль строки. В результате получается растровое изображение. Чувствительность детектора к тепловому излучению тем выше, чем ниже его собственная температура, поэтому либо матрицу фоточувствительных элементов охлаждает микрокомпрессорная система, либо используется термостабилизация при помощи термоэлектрической системы.

Термограммы являются основой для анализа информации о тепловом состоянии объекта. Наличие тепловых неоднородностей характеризуется изменением температуры на части поверхности объекта по сравнению с другими его участками. Таким образом, неразрушающий метод измерений – тепловой неразрушающий контроль – дает возможность оперативно проводить натурные обследования объекта.

1.2. Описание тепловизора VARIOSCAN 3012

Упрощенная структурная схема тепловизора Varioscan 3012 приведена на рис. 1.1 (здесь 1 – окно, 2 – LCD-дисплей, 3 – вертикальный сканер, 4 – горизонтальный сканер, 5 – асферическая линза, 6 – сменные фильтры, 7 – прерыватель, 8 – детектор, 9 – компьютер). Тепловизор работает в диапазоне длин волн 2…5 мкм. Горизонтальный сканер сканирует объект с разрешением 300 точек в линии с частотой 135 Гц. Этот сканер работает как резонансный осциллятор, приводимый в движение двигателем постоянного тока. Вертикальный сканер строит изображение объекта из 200 индивидуальных линий и обновляет его с частотой 1,25 Гц. Возможно использование режима построения изображения из 100 или 50 линий. Информация об инфракрасном излучении объекта передается от сканера к детектору через асферическую линзу, позволяющую фокусировать камеру на объекте с расстояния от 0,2 м до бесконечности.

4

2

1

Рис. 1.1. Структурная схема тепловизора

Varioscan 3012

После каждого получения изображения объекта в оптическую часть тепловизора передвигается прерыватель, где термопарой измеряется его температура. Таким образом, путем сравнения интенсивности излучения объекта и температуры прерывателя становятся возможными непрерывные измерения температуры. Между оптикой и детектором расположен набор оптических фильтров, позволяющих проводить измерения при высоких температурах объекта. Матрица инфракрасных детекторов охлаждается при помощи трехступенчатой системы термоэлектрического охлаждения. Выходной электрический сигнал от детектора усиливается, оцифровывается и передается для последующей обработки в компьютер.

Технические характеристики тепловизора VARIOSCAN 3012

На рис. 1.4 показано как зависит размер сканируемой области объекта от расстояния до объекта для масштабного коэффициента «0». При нажатии верхней кнопки «Изменение масштаба» происходит переход к следующему более высокому масштабному коэффициенту. Двойное нажатие этой кнопки устанавливает пятикратное увеличение масштаба. При нажатии нижней кнопки «Изменение масштаба» активизируется следующий более низкий, масштабный коэффициент. Двойное нажатие этой кнопки устанавливает двукратное увеличение масштаба.

Рис. 1.4. Соотношения между размером области сканирования и расстоянием до объекта

7

Чтобы выключить активизированный фиксированный масштаб, необходимо дважды нажать любую кнопку установки масштаба.

Температурный диапазон. Нажатие кнопок «Яркость» (3 в режиме записи) позволяет выбрать ширину диапазона измеряемых температур Т, а нажатие кнопок «Контрастность» – выбрать среднее значение измеряемой

Цветовая палитра. Для термограммы можно выбрать одну из пяти цветовых палитр. Они выбираются многократным нажатием кнопки выбора палитры до тех пор, пока не появится желаемая палитра: 256, 32 или 16 цветов, 256 оттенков серого, нормальное или инверсное изображение.

Режим фиксации. Однократным нажатием на кнопку Esc в режиме записи запускается режим фиксации. При выполнении этой команды захват изображения прекращается. Дисплей при этом показывает последнее зафиксированное изображение. В режиме фиксации функциональные назначения кнопок изменяются (рис. 1.5).

1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

Рис. 1.5. Функциональные кнопки в режиме фиксации

В верхнем ряду слева направо: 1 – окно статуса (вывод информации о текущих значениях параметров, таких как дата, время, выбранный фиксированный температурный диапазон измерений, коэффициент черноты, фокус, заряд аккумулятора (в вольтах для неизвестных аккумуляторов и в процентах – для известных), внутренняя температура камеры (эта температура учитывается при вычислении температуры объекта), объем свободной памяти, количество сохраненных изображений); 2 – автоматические режимы (можно выбрать режимы автоматического определения фокуса, температуры окружающего воздуха, температурного диапазона шкалы температур, а также режим автоматической записи изображений с определенным временным шагом); 3 – установка температур (указываются фиксированный температурный

8

диапазон шкалы температур, коэффициент черноты, коэффициент поглощения, температура окружающего воздуха, температура соседних нагретых тел); 4 – настройки (указываются имена файлов с изображениями, комментарии к ним, выбор носителя данных (памяти), дата, время и др.); 5 – менеджер файлов; 6 – установки пользователя. В нижнем ряду слева направо: 7 – текущее изображение; 8 – массив изображений; 9 – предыдущее изображение; 10 – следующее изображение; 11 – сохранить изображение; 12 – вернуться в режим записи.

Менеджер файлов. Система управления файлами служит для обработки файлов, сохраненных в памяти. Здесь функциональное назначение кнопок распределяется следующим образом (рис. 1.6). В верхнем ряду слева направо: 1 – имя файла; 2 – выделить/отменить выделение (однократным нажатием кнопки выделяют или отменяют выделение текущего изображения для копирования; двойным нажатием помечаются все изображения; тройным нажатием отменяется выделение всех изображений); 3 – копировать; 4 – коллекция изображений. В нижнем ряду слева направо: 5 – выбор памяти (следует нажимать эту кнопку, чтобы переключиться между карточкой с памятью и внутренней памятью); 6 – выбранный тип памяти (при нажатии кнопки отображается количество сохраненных файлов и количество свободной памяти, при повторном нажатии окно статуса исчезнет); 7 – предыдущее изображение; 8 – следующее изображение; 9 – удалить изображение (нажатие этой кнопки открывает окно, показывая выбранную термограмму, если требуется удалить термограмму, необходимо ответить на соответствующий вопрос «Да» (Yes)); 10 – вернуться в режим фиксации.

Рис. 1.6. Функциональные кнопки менеджера файлов

Двойное нажатие кнопки Esc в режиме записи приводит к завершению работы с камерой. При этом появляется окно с вопросом «Close program/save config.». Если ответить «Нет» (No), система возвратится в режим записи. Если ответить «Да» (Yes), система сохранит настройки во внутренней памяти и

9

завершит работу камеры. Внимание! Пожалуйста, в течение этого процес-

са не нажимайте никаких кнопок!

1.4.Задание

1.Установите тепловизор на ровную твердую и устойчивую поверхность. Наведите тепловизор на объект исследования – материнскую плату персонального компьютера.

2.Введите необходимые начальные установки. Сохраните термограмму на внешнюю карту памяти.

3.Перенесите файл с изображением на ноутбук и запустите программу TermoView. Определите наиболее нагретые микросхемы и иные компоненты материнской платы, а также температуру этих объектов.

4.Нарисуйте эскиз материнской платы с обозначением нагретых объектов и их температуры.

1.5.Требования к отчету

Отчет по работе должен содержать:

1.Цель работы.

2.Структурную схему тепловизора Varioscan 3012.

3.Функциональные возможности тепловизора Varioscan 3012.

4.Эскиз материнской платы компьютера с обозначением нагретых объектов и их температуры.

5.Выводы.

1.6.Контрольные вопросы

1.В чем заключается принцип работы тепловизора?

2.Каковы устройство и составные части тепловизора?

3.Каковы области практического использования тепловизора?

4.Для каких целей в инфракрасной камере используется набор оптических фильтров?

Список рекомендованной литературы

Госсорг Ж. Инфракрасная термография / Пер. с фр. М.: Мир, 1988. Поскачей А. А., Чубаров Е. П. Оптико-электронные системы измерения

температуры. М.: Энергоатомиздат, 1988.

10