Средства контроля температуры

Термометры

Эти приборы можно разделить на жидкостные, манометрические термометры, термопары, термометры сопротивления, термоиндикаторы.

Действие жидкостных термометров основано на термическом расширении жидкости, заключенной в капилляре термометра.

Их выпускают в различных модификациях для температурного диапазона 0.500С. Изготовляют также термометры специального назначения, например электроконтактные, используемые для регулирования технологических процессов, и максимальные (минимальные), предназначенные для регистрации максимальной (минимальной) температуры в данный период.

Действие манометрических термометров основано на зависимости между температурой и давлением рабочего вещества (обычно газа), заключенного в замкнутом объеме.

Газовые манометрические термометры предназначены для измерения температур в пределах от - 160 до +600°С. Рабочим веществом обычно является азот.

Конденсационные (парожидкостные) манометрические термометры работают в диапазоне от - 60 до +320 "С. Рабочие вещества - метилхлорид, спирт, этиловый эфир.

Жидкостные манометрические термометры используют для измерений температур в области от - 160 до +320°С (ртутные от - 25 до +600°С). Рабочая жидкость ртуть, метаксилол, силиконовые жидкости, металлы с низкой точкой плавления. Длина гибкого капилляра, соединяющего термобаллон с корпусом прибора, может достигать 60 м.

Действие термометров сопротивления основано на измерении электрического сопротивления вещества (металлов и их окислов, солей и т.д.) в зависимости от температуры.

Чувствительный элемент термометра сопротивления (обычно металлическая проволока) закреплен на каркасе из слюды или кварца и помещается в баллон для защиты датчика от окружающей среды. В зависимости от условий применения термометра баллон изготовляют из кварца, стекла, фарфора или металла.

Термометры сопротивления изготовляют из платины (ТСП), меди (ТСМ) или полупроводников. Рабочий интервал температур ТСП от - 200 до +650°С, ТСМ - от

50 до +180°С. Инерционность термометров сопротивления колеблется от 1 мин до 9 с.

Погрешность эталонных платиновых термометров сопротивления равна ±0,0001°С при 0 "С и ±0,001 при +100°С.

Наиболее чувствительными являются полупроводниковые термометры сопротивления. Их изготовляют в форме пластинок и сфер малого диаметра.

Как правило, чувствительный элемент остеклован для защиты от влияния среды. По сравнению с ТСП и ТСМ их габариты меньше (d = 1.7 мм, l = 7.13 мм).

Работа термоэлектрических термометров основана на термоэлектрическом эффекте, возникающем в термопаре. Термопарой или термоэлементом называют цепь из двух разнородных электрических проводников (термоэлектродов), концы которых соединены (сваркой, пайкой и т.п.). При наличии разности температур в местах соединения термоэлектродов в цепи генерируется термо ЭДС.

Значение ЭДС зависит только от температуры спаев и материала термоэлектродов, но не зависит от диаметра и длины проводников и распределения температуры по их длине.

Если температура одного из концов термопары постоянная (например, он погружен в воду с тающим льдом или термостабилизирован другим способом), то ЭДС зависит только от температуры ее рабочего конца. Наиболее известные материалы термоэлектродов - платина, железо, молибден, вольфрам, медь, магнанин, платинородий, хромель, копель, алюмель, константан. Конструктивное оформление термопар разнообразно и должно соответствовать условиям их эксплуатации. Часто рабочие концы помещают в защитные оболочки из фарфора или другого материала.

Различают термопары со стандартными и нестандартными градуировками.

К термопарам с нестандартными градуировками относятся медьконстантовые, вольфрамрениевые, вольфраммолибденовые и др. В основном их используют для специальных измерений, например, в диапазоне высоких температур (2500°С для термопар типа карбид титана-графит).

Преимущества термоэлектрических термометров - линейность в широком диапазоне температур, чувствительность и стабильность показаний, простота изготовления. Недостаток - сравнительно большая постоянная времени (1.10 с).

Применение микропроцессоров позволяет реализовать накопление и вызов максимальных и минимальных температур, вычислить скорость изменения температуры, коммутацию нескольких измерительных каналов, автокалибровку и т.д.

Волоконно-оптические термометры (ВОТ) - выполняются из кварцевого моноволокна диаметром 0,2.1 мм, длиной до 100 м, на торце которого, вводимого в контролируемый объем, располагается микрокапсула с веществом, изменяющим свои оптические свойства при нагреве (люминофор, жидкий кристалл, двупреломляющийся кристалл и т.д.). На другом конце располагаются источник света (обычно светодиод) и фотодиод для регистрации излучения, огражденного от капсулы термодатчика. Достоинство ВОТ - отсутствие гальванической связи с объектом, нечувствительность к электромагнитным помехам, нетоксичность, малые габариты, высокое быстродействие.

Действие термоиндикаторов основано на изменении агрегатного состояния, яркости и цвета свечения некоторых веществ при нагреве. С их помощью можно быстро и экономично получить информацию о тепловом режиме объекта. Преимуществом термоиндикаторов является возможность запоминания распределения температур в процессе испытаний, простота и наглядность, экономичность. К недостаткам термоиндикаторов следует отнести инерционность, сравнительно невысокую точность, необходимость нанесения на изделие специальных покрытий, сложность изучения динамических температурных режимов. Включение их в системы терморегулирования представляет значительные трудности. Термохроные термоиндикаторы с химическим взимодействием компонентов (галоидные комплексные соли серебра, ртути, меди) могут вступать в реакцию с металлами, поэтому их наносят на ленты из ткани, бумаги, фольги и пр. Существуют обратимые (многократно меняющие цвет при нагреве) и необратимые термоиндикаторы этого типа.

Жидкокристаллические термоиндикаторы представляют собой органические соединения, одновременно обладающие свойствами жидкости (текучесть) и твердого кристаллического тела (анизотропия, двойное лучепреломление). При изменении температуры жидкий кристалл меняет свой цвет. Жидкие кристаллы эффективно используют при исследовании температур в электронных схемах для обнаружения дефектов типа нарушения сплошностей. Они выпускаются в виде пленок и жидких растворов.

Плавящиеся термоиндикаторы существуют двух типов: плавкие покрытия и термосвидетели. Покрытия выпускают в виде термокарандашей (мелков), термолаков, термотаблеток (термопорошков). Изготовляются на основе воска, стеарина, парафина или соединений серы, цинка, свинца (для высоких температур). На поверхности изделия термокарандашом наносят риску, которая плавится при достижении заданной температуры. Действие термолаков аналогично. Термосвидетели представляют собой нанизанные на тугоплавкую проволоку пластинки из металлов, плавящихся при различных температурах.

Действие люминофорных термоиндикаторов основано на температурной зависимости цвета или интенсивности люминесценции некоторых веществ, например сульфидов цинка и кадмия. Недостатком люминофорных индикаторов является необходимость точной стабилизации возбуждающего люминесценцию излучения (обычно ультрафиолетового).

Принцип действия изооптических термоиндикаторов (ИОТ) основан на эффекте Христиансена, заключающегося в рассеянии света смесью двух прозрачных (например, порошок стекла в глицерине), если показатели преломлена компонентов различны. При совпадении этих показателей для какой-либо частоты света, наблюдается селективное усиление направленного пропускания смеси. Зависимость дисперсионной характеристики некоторых органических жидкостей от температуры приводит к изменению цвета смеси в проходящем свете при ее нагреве. ИОТ выпускаются в виде стеклянных капсул.

Бесконтактные дистанционные измерители температуры - пирометры.

Действие пирометров излучения основано на фото электрической, визуальной и фотографической регистрации интенсивности теплового излучения нагретых теп" пропорционального их температуре. Пирометры обычно имеют объектив для фокусировки излучения на фотодетектор, светофильтры и блок электронной обработки сигнала. При контроле температуры объектов в труднодоступных полостях применяют пирометры в сочетании с волоконно-оптическими световодами. Калибровка пирометров проводится по эталонным источникам [абсолютно черное тело (АЧТ), пирометрические лампы и т д.].

Яркостными пирометрами измеряют спектральную яркость объекта на определенной длине волны, которая сравнивается с яркостью АЧТ. В качестве АЧТ используется спираль специальной лампы накаливания. Яркостные пирометры применяют для измерения высоких температур (св.600°С), при которых тела начинают излучать в видимой области, а интенсивность излучения достаточна для его регистрации в узком спектральном диапазоне визуально или с помощью фотоприемников типа ФЭУ, фотодиода.

Цветовыми пирометрами измеряют интенсивность излучения объекта в двух узких зонах спектра, отношение которых сравнивается с соответствующим отношением для АЧТ. Показания цветовых пирометров не зависят от коэффициента излучения объектов.

Радиационные пирометры, работающие в широком спектральном диапазоне, наиболее часто используют для измерения температуры слабонагретых тел.

Применяют объективы из материалов, прозрачных в соответствующей спектральной области. Стекло используют для измерения температур от 900 "С. Кварц применяют для регистрации температур более 400°С. Объективы из фтористого лития или фтористого бария позволяют фиксировать температуры в диапазоне 20.500 Часто используют также германиевую и зеркальную.

Существенное влияние на показания радиационного пирометра оказывает состояние поверхности контролируемого объекта, поскольку оно связано с его излучательной способностью.

Современные модели пирометров, в том числе портативных автономных, снабжаются встроенным микропроцессором, реализующим запоминание максимальной, средней и минимальной температуры за время измерения. коррекцию излучательной способности автокалибровку прибора и другие функции.

Для определения распределения температуры по поверхности объекта вдоль заданной линии развертки применяют радиационные пирометры с оптико-механической системой линейного сканирования - термопрофили.

Перед приемником могут быть установлены фильтры для исключения влияния отраженных от объектов солнечных лучей или подавления излучения объекта в диапазоне его прозрачности.

В схеме прибора предусмотрен эталонный температурный источник, уровень излучения которого поддерживается с высокой точностью. Таким образом, на детектор последовательно попадает ИК-излучение от объекта и опорного излучателя, относительная интенсивность которых сравнивается с помощью электронной схемы.

После усиления сигналы детектора, пропорциональные ИК-излучению объекта и эталонного излучения, подаются на кинескоп блока индикатора и воспроизводятся в виде яркой линии.

Быстродействие термопрофиля обычно 25 строк/с, чувствительность 0,1°С (при +20°С), пространственная разрешающая способность 10' при поле обзора до 80°.

Система "Термопрофиль" предназначена для контроля протяженных движущихся объектов в процессе производства. Комбинация "Термопрофиля" с ЭВМ дает возможность автоматического управления температурным режимом в производственных процессах.

Применение гибких световодов в пирометрах позволяет, например, осуществлять контроль воспламенения воздушно-топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания. Для этого входные концы стекловолоконных жгутов устанавливаются в различных цилиндрах контролируемого объекта. Выходные торцы жгутов сформированы в виде одного кадра, что позволяет одновременно снимать на пленку процесс горения во всех контролируемых точках. При необходимости на ту же пленку может регистрироваться излучение эталонного источника, поданное по отдельному жгуту.

Широкое применение находят волоконно-оптические телевизионные пирометры. Они обладают рядом преимуществ - возможностью усиления контраста изображения, высоким качеством изображения, возможностью его размножения на несколько телевизионных приемников и на большом удалении от объекта.

Область спектральной чувствительности инфракрасных видиконов простирается до 2 мкм с максимумом около 1 мкм. Применение фотопроводящего слоя из солей окиси свинца, обработанного серой, может сдвинуть границу чувствительности дальше 2 мкм. Разрешающая способность ИК видиконов достигает 10 мм^-1. Температурная чувствительность 1.3°С в диапазоне 300.600°С.

Создание световодов из мышьяковисто-сернистых стекол, пропускающих инфракрасное излучение в диапазоне 1,5.14 мкм, позволяет в сочетании с соответствующими детекторами (пировидикон, охлаждаемые фотосопротивления из сурьмянистого индия и др.) регистрировать тепловое излучение находящихся в труднодоступных полостях объектов с температурами 20.100 "С. Эта световоды имеют высокий показатель преломления и апертуру, выше 1, что позволяет в сочетании с высоким уровнем топологической мобильности, присущей волокнистой оптике, создавать системы контроля, энергетическая чувствительность которых значительно превосходит возможности классической оптики.

Тепловизионная аппаратура

В основу принципа действия тепловизионных приборов положено двухмерное преобразование собственного теплового излучения от объектов и местности, ил фона, в видимое изображение, что является одной из высших форм преобразования и хранения информации. Наличие в поле зрения регистрируемого теплового контраста позволяет визуализировать на мониторе полутоновые черно-белые, или адекватные им "псевдоцветные", тепловизионные изображения.

Тепловизионная техника обладает рядом достоинств и присущих только ей возможностей: обнаружение удаленных только теплоизлучаюших объектов (или целей) независимо от уровня естественной освещенности, а также до определенной степени - тепловых и других помех (дождя, тумана, снегопада, пыли, дыма и др.).

Начало развития тепловизионной техники было положено в конце 60-х годов исследованиями по двум основным направлениям: с использованием дискретных приемников излучения совместно с системами сканирования (развертки) изображения и приборов без механического сканирования на базе двухмерных ИК-приемников.

При этом можно условно выделить четыре поколения их развития.

Нулевое поколение - основано на применении единичных охлаждаемых приемников и двухмерной (строчной и кадровой) развертки с помощью сканирующей оптико-механической системы; первое поколение - на применении строчных линеек приемников и упрощенной кадровой развертки; второе поколение - на использовании сгруппированных нескольких линеек (с временной задержкой и накоплением) и более низкоскоростной системой развертки. Ко второму поколению можно также отнести вакуумные приборы с электронным сканированием приемной мишени - пироконы.

Принципиально новое третье направление основано на применении "одновременно смотрящих", т.е. фокально-плоскостных, твердотельных многоэлементных матриц без использования вообще оптико-механических систем развертки изображения. При этом, для обеспечения высокой температурной чувствительности матрицы на квантовых приемниках должны иметь криогенное охлаждение. При использовании пироэлектрических матриц исключаются вакуумная электронная оптика и фокусирующе-отклоняющая система.

Преобразователи с оптико-механическим сканированием (ПОМС) использовались главным образом на участке ИК-спектра 13.15 мкм для анализа собственного теплового излучения объектов, пока не были созданы эффективные многоэлементные преобразователи

В приборах этого типа сканирование происходит перемещением объекта относительно неподвижного детектора излучения либо изменением направления оптической оси объектива с помощью системы вращающихся или колеблющихся зеркал.

Структурная схема тепловизора с оптико-механическим сканированием включает приемную оптическую систему 1, детектор ИК-лучей 2, сканирующую систему 3, обеспечивающую последовательный просмотр объекта по заданному закону, усилитель 4, систему развертки и синхронизации 5 и кинескоп 6 (рис.1).

Принцип действия тепловизора заключается в просмотре по заданному закону движения поверхности объекта узким оптическим лучом с угловым размером 8, сформированным системой объектив - приемник. Обзор происходит в пределах угла поля зрения (углы α и β) за время Т, которое принято называть временем кадра. Угол δ носит название мгновенного угла поля зрения.

Тепловизор позволяет выделять на тепловом изображении объекта области одинаковых температур с помощью изотерм, высвечивающихся на кинескопе. В нижней части кадра формируется серая шкала, которая используется для измерения температуры. При этом яркость отдельных участков изображения объекта сравнивают с яркостью элементов шкалы, для которой при калибровке прибора определяют температурный перепад, соответствующий переходу от белого до черного.

Применение в тепловизорах узкополосных фильтров, прозрачных на длине волны 3,39 мкм, где имеется окно прозрачности газа СО₂, позволяет фиксировать ИК-излучение через пламя.

Наличие линзовой оптики позволяет легко изменять увеличение системы сменой объективов.

Тепловизоры обычно имеют черно-белые или цветные видеомониторы и устройства аналоговой и цифровой обработки изображения (выделение изотерм, обращение контраста, представление в псевдоцветах, термопрофильное квазиобъемное представление теплового поля и т.п.).

В последнее время широко применяют тепловизионные системы с блоками цифровой памяти, имеющие интерфейс и работающие в комплексе с мини-ЭВМ.

Перспектива развития тепловизионных систем заключается в создании спектральных цифровых камер, в том числе, стереоскопических, а также разработке радиотепловизионных приборов для диапазона длин 0,1.1 мм, в котором многие диэлектрики прозрачны, и представляется возможность измерять их внутреннюю температуру.

Рис. 1. Структурная схема сканирующего тепловизора с охлаждаемым одноэлементным приемником излучения: 1 - оптическая система; 2 - приемник излучения; 3 - сканирующее устройство; 4 - усилитель; 5 - система развертки и синхронизации; 6 - электронно-лучевая трубка

В усилительном устройстве обеспечена линейная зависимость выходного напряжения от измеряемой температуры, что позволяет измерять температуру изделий.

В 1980 - 90-е года были разработаны и широко пользовались тепловизионные приборы, используют". пироконы. Они обеспечивают телевизионный стандарт изображения: 625 строк при частоте кадров 50 Гц. Применен способ обработки сигнала, исключающий мерцание. Синхронный двигатель приводит во вращение обтюратор, который перекрывает падающее тепловое излучение с частотой 25 Гц. Сигнал от предусилителя поступает в процессор кадров, в котором запоминаются и вычитаются чередующиеся поля (полукадры), в результате полезная составляющая сигнала удваивается, а неравномерности фона и шумы мишени, имеющие постоянную полярность, значительно уменьшаются. Далее чередующиеся поля инвертируются и формируется сигнал изображения постоянной полярности. Сигналы с усилителей "привязываются" к стандартному уровню черного в выходном сигнале. После выведения сигналов синхронизации и гашения полный сигнал, содержащий восемь градаций серого, может быть подан на любой монитор. Достигнуто температурное разрешение 0,3°С при 50 линиях на диаметре мишени и относительном отверстии объектива 1: 1.

Достоинством тепловизионных приборов с пироконом является возможность создания компактных малогабаритных приборов.

Тепловые приборы на пироконах занимали значительное место в мобильных средствах контроля и обзора окружающей среды. Поскольку прибор не требует специального охлаждения, он хорошо подходит для длительного наблюдения и контроля в сложных условиях.

Возможные методы и средства теплового неразрушающего контроля

Вибротепловизионный метод

Вибротепловизионный метод особенно перспективен для анализа изделий, работающих в условиях вибрации. В материалах с дефектами структуры под воздействием вибрации возникают температурные поля, что обусловлено рассеянием энергии колебаний на дефектах и превращением ее в теплоту за счет внутреннего перегрева в материале. В областях нарушения гомогенности структуры возникают локальные зоны перегрева объекта. На термограммах вибрирующих пластин и других объектов четко выявляются дефекты типа расслоений, несплошностей и т.п.

При температурной чувствительности тепловизора 0,1 К в полимерных материалах дефекты типа расслоений размером порядка 5 х 6 мм2 выявляются на глубинах залегания до 2.3 мм.

В "слабых" (дефектных) зонах объекта амплитуды колебаний больше соответствующих значений для бездефектных участков материала. Разность температур растет с увеличением частоты колебаний, достигая 0,8 К при частоте 100 Гц и t ~ 50 с для образцов из стали. Вибрация изделий на частотах, соответствующих резонансным колебаниям дефектных участков, дополнительно повышает чувствительность метода.

Вибрационное возбуждение объектов можно реализовать с помощью пьезоакустических и других стандартных средств. Наиболее информативный диапазон частот выбирают либо расчетным путем, либо экспериментально на имитаторах дефектов. Каждому дефекту соответствует своя характерная частота, поэтому контроль целесообразно проводить на нескольких частотах.

Метод тепловой томографии

Тепловая томография (ТТ) - метод визуализации внутренних сечений объекта с помощью тепловых эффектов. Его можно реализовать импульсным облучением объекта плоским равномерным пучком излучения и последовательной регистрацией "тепловых отпечатков" дефектов или неоднородностей теплофизических пап метров контролируемой структуры на противоположной стороне изделия с помощью быстродействующего тепловизора.

Один из вариантов ТТ основан на регистрации на термограммах в различные моменты времени тепловых изображений дефектов, расположенных на различной глубине. Записывая эти изображения, например в цифровое ОЗУ, можно затем последовательно просматривать строение слоев изделия на различной глубине. Этот метод получил название метода хронологических термограмм (ХТГ) или динамической тепловой термографии (ДТТ). Исходной зависимостью теории ДТТ является зависимость температурного перепада над дефектом от времени. Количество различимых слоев достигает n = 15 для углепластика, n = 6 - для бетона.

Другой вариант ТТ основан на использовании алгоритмов реконструкции изображений, используемых в традиционной технике томографа. Например, система трехмерного контроля внутренних тепловых неоднородностей объекта может быть основана на использовании "эффекта миража". С помощью цилиндрической линзы на поверхности изделия фокусируется лазерное излучение в виде узкой полоски. Вспомогательный лазерный луч направляется вдоль этой полоски над поверхностью изделия (например, полированной кремниевой пластинки и т.п.). Объект последовательно перемешается в направлении, перпендикулярном освещаемой полоске, а после каждого цикла перемещения поворачивается относительно оси, совпадающей с направлением излучения. С помощью позиционно-чувствительного фотоприемника получают матрицу "проекций" для всех положений объекта, а затем восстанавливают изображение по стандартным алгоритмам. Для трехмерного контроля используют второй пробный луч, направляемый параллельно первому над обратной стороной объекта.

Для получения изображения форматом 18 х 18 точек достаточно выполнить 36 измерений (18 х 2 с поворотом на 90°). Увеличение количества проекций улучшает качество изображения, но резко повышает длительность обработки. В настоящее время есть перспектива создания методов ТТ, работающих в реальном времени.

Тепловизионный метод контроля влажности

Наличие влаги в объектах, особенно пористых, с развитой поверхностью обусловливает интенсивный процесс испарения за счет инфильтрации воды из подповерхностных областей материала. Процесс испарения сопровождается уменьшением температуры поверхности объекта. Тепловизионные методы позволяют дистанционно наглядно и оперативно определять места скопления влаги в объектах по термографическому изображению на котором зоны с повышенной интенсивностью испарения выглядят как менее нагретые.

Такие методы применимы в естественных условиях при наличии градиентов температуры между объектом и окружающей средой. Использование каких-либо источников искусственного нагрева изделий (например, мощных ИК-лазеров, СВЧ генераторов и т.п.), стимулирующих повышение скорости испарения, дополнительно увеличивает информативность метода.

Методы отличаются оперативностью и простоте процедур контроля. Однако количественная интерпретация результатов контроля достаточно трудна, что обусловлено сложностью анализа процесса массо- и тепло переноса, особенно в сложных метеоусловиях В этим елесообразно использовать тепловизионные методы в сочетании с каким-либо традиционным методов измерения влажности, используемым для получения калибровочных оценок влажности материала в некоторых опорных, реперных точках объекта. Например, эффективно сочетание тепловизионного метода с инфракрасной рефлектометрией, реализуемой, например, с помощью ИК лазеров или других источников. Метод инфракрасной рефлексометрии основан на сильной зависимости интенсивности поглощения излучения в некоторых характерных линиях ИК-спектра от влагосодержания вещества. Для исключения мешающих факторов (колебания отражательной способности, обусловленные локальными изменениями шероховатости, цветности и подобными свойствами материала) применяют дифференциальный метод, который основан на сравнении коэффициентов отражения объекта в двух участках спектра. В одном участке отражение не зависит от влажности материала, но изменяется в соответствии с упомянутыми факторами, а в другом - зависит от этих факторов, и от влажности.

Вихретокотепловой метод

Вихретокотепловой (ВТТ) метод основан на радиоимпульсном возбуждении металлических объектов полем индуктора, приеме теплового отклика приповерхностным преобразователем во время и после теплового воздействия и анализе амплитудно-временной информации. Ход теплового процесса определяется теплофизическими и одновременно электромагнитными параметрами объекта, что позволяет в одном эксперименте проводить исследования как тепловыми, так и вихретоковыми методами. В частности, коэффициент температуропроводности чувствителен к химическому составу, тепловому" старению, термообработке, размерам зерна сплавов. С помощью метода ВТТ возможна также (при фиксированных прочих параметрах) тепловая толщинометрия I ферромагнитных и тонкостенных изделий, изделии грубой поверхностью и др.

Характерные значения параметров приборов, реализующих метод ВТТ: рабочая частота 30.100 кГц, время нагрева 1.3 с, вводимая от индуктора мощность 100.150 Вт, диапазон контролируемых толщин 0,2.2 мм, радиус индуктора 10 мм, чувствительность пирометра на базе пироэлектрического детектора 0,05.0,1 К.

Радио тепловой метод

В процессе ТНК необходимо регистрировать объемное распределение температуры в объектах. Одним из методов измерения температуры приповерхностных и глубинных слоев изделий из диэлектриков, прозрачных в радиодиапазоне (диапазон длин волн от 1 до 100.150 мм), может быть СВЧ термометрии (СВЧТ).

Большинство материалов непрозрачны в ИК-диапазоне спектра, но хорошо пропускают СВЧ излучение. Глубина проникновения сильно зависит от длины волны и химического состава вещества. Для длин волн X = 100 мм она составляет до 200 мм и более (например, для биологических объектов), для волн с X = 1 мм - порядка 0,5.2 мм. С ростом длины волны разрешающая способность падает.

Созданы средства локальной СВЧТ и системы радио-тепловидения. Следует отметить малую интенсивность потока теплового излучения от слабонагретых объектов в СВЧ диапазоне. Например, при Т= 30°С излучение с длиной волны X = 10 см в 10s раз слабее, чем излучение с X = Хмах = 10 мкм. Это требует применения сверхчувствительных детекторов (обычно сверхпроводящих болометров, охлаждаемых до гелиевых температур) с чувствительностью порядка 0,01.0,65 К. Кроме того, в СВЧТ велико время накопления сигнала (г > 10 с и более). СВЧТ реализуется в контактном и бесконтактном вариантах. Контактная СВЧТ реализуется с помощью антенны-зонда, например рупорного типа, которая накладывается на объект. При этом возможен как дифференциальный, так и абсолютный методы измерения. Бесконтактная СВЧТ реализуется в основном в диапазоне длин волн 1.10 мм. Радиотепловое излучение объектов фокусируется на приемник с помощью радиооптических систем

Метод СВЧТ находится в стадии интенсивного развития и уже сегодня используется в медицинских исследованиях.

Теплоголографический ТНК композитов

Контроль тонкостенных оболочек из полимерных композиционных материалов, прочность которых существенно зависит от дефектов типа воздушных расслоений, "слипнутых" отслоений и т.д., эффективен с помощью комбинированного теплоголографического метода.

Он заключается в нагреве (тепловом нагружении) изделия и совместной регистрации термограмм и голографических интерферограмм нагретой поверхности. При этом обнаружение дефектов производится по наличию аномалий интерференционных полос, а их протяженность и глубина залегания на основании анализа термограмм контролируемой зоны изделия при его нагреве галогенными лампами. Оператор с помощью голографического интерферометра с термопластической системой записи изображений и телевизионной системой практически в реальном масштабе времени наблюдает интерферограмму. В случае обнаружения аномалий (дефектных участков) на интерферограмме дальнейшая обработка дефектоскопической информации производится с помощью программного анализа термограмм, записанных в памяти ПЭВМ. Дефектоскопические процедуры реализуются на основе физико-математической модели процесса контроля (двухмерная обратная задача нестационарной теплопроводности).

Фототермоакустические методы ТНК

В методе фототермоакустики лазерное (в общем случае оптическое) излучение проходит через оптическую систему и попадает на поверхность исследуемого образца, в котором под воздействием излучения возникают температурные и акустические поля, по которым можно судить о структуре и параметрах изделия.

Поглощение лазерного импульса приводит к нестационарному повышению температуры поверхностного слоя как поглощающей, так и (за счет теплопроводности) прозрачной среды. При этом происходит возбуждение акустических волн как в прозрачной, так и в поглощающей среде.

Все тепловые методы фототермоакустики позволяют работать с порошками: светорассеивающими, радиоактивными, нагретыми до высокой температуры средами и т.д. Для измерения температуры приповерхностного слоя используют термопары, термисторы, пироэлекттческие пленки, а также ИК-радиометры (бесконтактные методы). Контактные методы применимы только хорошо теплопроводящих сред и при весьма низких частотах модуляции.

К тепловым методам относятся также способы регистрации оптико-акустического сигнала по зависимости показателя преломления сред от температуры.

В методе тепловой линзы с использованием пробного луча пробный луч подфокусируется или дефокусируется тепловой линзой, появление которой вызвано неоднородным нагревом среды основным лучом.

Метод тепловой линзы наиболее удобен для исследования прозрачных сред и позволяет измерять коэффициенты поглощения вплоть до 10"7.10"8 см"1. Он может применяться как непосредственно, так и косвенно, для определения распределения температуры, коэффициентов температуропроводности, скоростей потока газов и тому подобного. При ортогональном расположении основного и пробного лучей отклонение луча тепловой линзой часто называют "эффектом миража".

Частотный диапазон этого метода ограничен в основном шумами источника пробного излучения и фотоприемника, а также (при косвенной регистрации) диаметром луча. Диагностика по этому методу сопряжена с трудностями разделения температурного и акустического полей. Тем не менее этот метод широко распространен, в частности, в оптотермической микроскопии. Изменения показателя преломления можно определить также интерферометрическими, гетеродинными и другими подобными методами.

Непосредственно к тепловым методам примыкает метод "фотодефлекционной спектроскопии", суть которого в рассеянии пробного излучения на деформациях поверхности поглощающей среды, вызванных неоднородным лазерным нагревом. Обычно стараются сфокусировать пробное излучение на склон "выпучивания" в область наибольшего наклона поверхности для получения максимального сигнала.

От изменения температуры поверхности зависят не только показатель преломления, что используется в фоторефрактивных методах, но и коэффициенты поглощения и рассеяния света.