Анализ температурных полей

Пирометрические методы находят все более широкое применение для получения видимого изображения и регистрации температурного поля по­верхности материальных объектов. Приборы для наблюдения и исследования объ­ектов по их тепловому излучению называются тепловизорами.

Первые приборы, разработанные для ночного видения, основанные на при­менении электронно-оптических методов усиления и визуализации фотоэлектро­нов, имели спектральный диапазон чувствительности до 1,3 мкм и позволяли наблюдать распределение температур только выше 400 °С.

Телевизионные приемные трубки - видиконы с фоторезистивным слоем из пленки оксида свинца или сульфида оксида свинца чувствительны к излучению до 2 мкм. Чувствительные телекамеры, снабженные такими видиконами, дают возможность определять температурное поле при температурах выше 250 °С.

Создание чувствительных приемников инфракрасного излучения, спектраль­ная чувствительность которых простирается далеко в инфракрасную область спектра, открыло широкие возможности для развития термографии и тепловиде­ния объектов с более низкими температурами. Применение в качестве приемни­ков излучения пироэлектрических элементов дает возможность получать ви­димое изображение температурного поля объектов с температурой от -20 до +2000 °С.

Телевизионные приемники инфракрасного излучения, в которых видикон выполнен со сканируемой поверхностью из пироэлектрического кристалла три-глицилсульфата, позволяют создавать чувствительные пироэлектрические тепло­визоры, известные под названием пиротронов, пироконов или видиконов пиро­электрических, которые обеспечивают прием инфракрасного излучения вплоть до 40 мкм.

Структур­ная схема тепловизора показана на рис. 29-2. Приемно-оптическая система 7, управ­ляемая сканирующей системой УСкС, производит обзор объекта и разлагает его изображение в ряд точек, излучение от ко­торых воспринимается приемником излучения 6, выходной сигнал которого подается на усилитель УВО. Сигналы с усилителя УВО и устройств развертки и синхронизации ГПН создают на экране электронно-лучевой трубки²5 видимое изображение температурного поля поверхности исследуемого объекта.

Обзор происходит в пределах поля зрения, определяемого углами α и β, за время , называемое временем кадра. В качестве приемников излучения применяются фоторезисторы из антимонида индия, охлаждаемые жидким азотом до -196°С. Такие приемники имеют постоянную времени 1 мкс, что позволяет в зависимости от требуемого геометрического разрешения полу­чать кадры с частотой 0,5÷60 Гц. Низкая частота кадров пока ограничивает применение тепловизоров при исследовании динамики тепловых процессов и на­блюдении быстродвижущихся объектов.

Рис. 29-2. Структур­ная схема тепловизора, 1 – электронно-лучевая трубка; 2 – электронная пушка; 3 – вертикально отклоняющие пластины; 4 – горизонтально отклоняющие пластины; 5 - экран электронно-лучевой трубки; 6 - приемник излучения; 7 - приемно-оптическая система; УВО – усилитель вертикального отклонения луча; УГО – усилитель горизонтального отклонения луча; ГПН – генератор пилообразного напряжения; УСкС - управ­ляющая сканирующая система

Можно увеличить геометрическое раз­решение и частоту кадров применением нескольких приемников, соединенных в строку или детекторную матрицу.

Важной характеристикой тепловизоров является их порог чувствительно­сти - минимально определяемая разность температур ΔТ_мин на поверхности АЧТ (=1) с температурой 25°С, при которой отношение сигнала к собствен­ным шумам тепловизора должно быть равно 1. У серийно выпускаемых тепло­визоров ΔТ_мин = 0,1÷ 0,3 °С.

а)	б)

Рис. 29-3. Внешний вид тепловизора – а) и изображение температурных полей двигателя на экране тепловизора – б)

Для исследования температурных полей малых объектов разработаны тепловизорные микроскопы и микрорадиометры, применяемые, например, для ис­следования температурного поля микросхем с целью обнаружения скрытых де­фектов. В таких приборах используется микроскопная оптика с увеличением от 3 до 125. Известны микрорадиометры, имеющие пространственное разрешение 10 мкм и температурное разрешение ΔТ=0,06°С в диапазоне температур от -30 до +850°С.

Тепловидение и термография широко применяются при геологиче­ских и климатологических исследованиях земной поверхности, в медицинской практике для диагностики, в строительстве для проверки теплоизоляции зданий, для обнаружения мест перегрева в электрических цепях и у различного рода энергетического оборудования, для измерения механических напряжений и деформаций. Для температурного зондиро­вания атмосферы применяются спутниковые радиометры, а для поисков залежей полезных ископаемых - спектрорадиометры. Такие приборы обычно градуиру­ются непосредственно в единицах температуры или в единицах энергетической яркости.

Стробоскопический метод измерения угла опережения зажигания

Углом опережения зажигания (УОЗ) называется угол поворота коленчатого вала двигателя от момента подачи искры в цилиндр, до момента прихода поршня этого цилиндра в верхнюю мертвую точку.

Графически УОЗ представлен на рис. 29-4, в виде шкива 1 коленчатого вала двигателя с меткой 2. На рисунке метка 2 показана в тот момент, когда на свечу первого цилиндра двигателя подается высокое напряжение и между её электродами проскакивает искра. Здесь же показана метка 3 на блоке двигателя.

При совмещении метки 2 на шкиве 1 с меткой 3 на блоке двигателя поршень первого цилиндра приходит в верхнюю мертвую точку (ВМТ). Тогда угол поворота Δколенчатого вала двигателя от момента искрообразования в его первом цилиндре до момента совмещения меток 2 (на шкиве) и 3 (на блоке) и есть угол опережения зажигания - УОЗ.

Рис. 29-4. Метки на шкиве и блоке двигателя автомобиля

Следовательно, для измерения УОЗ необходимо регистрировать два события: момент подачи искры в первый цилиндр двигателя и момент совмещения метки 2 на шкиве, с меткой 3 на блоке цилиндров. Измерение УОЗ осуществляется при помощи стробоскопа. Стробоскоп – это электронный прибор с лампой – вспышкой, который позволяет наблюдать вращающиеся (движущиеся) детали в неподвижном состоянии в свете вспышек лампы. Стробоскоп (рис. 29-5, а) подключается к автомобильной бортовой сети. Преобразователь напряжения ПНстробоскопа преобразует напряжение бортовой сети12В в высокое напряжении +400В, для питания лампы-вспышкиИСЛ, и низкое, +5В для питания электронных элементов стробоскопа.

элементов схемы.

Индуктивный датчик ИД стробоскопа устанавливается на высоковольтный провод свечи первого цилиндра.

Стробоскоп работает следующим образом. При работе двигателя и подаче высокого напряжения в его первый цилиндр индуктивный датчикИД преобразует его в электрический сигналU_ид(см. рис. 29-5, б).

Как известно, в момент времени t_ов первый цилиндр подается искра. Об этом свидетельствует резкое возрастание напряженияU_ид. Затем сигнал от индуктивного датчикаИДпоступает в фильтрФ, который отфильтровывает из него короткий максимальный импульс напряженияU_фв момент времениt_о. Этот импульс напряженияU_фпоступает в формирователь стандартных импульсовФИ₁. При поступлении короткого импульса от фильтра в формировательФИ₁ на его выходе, в момент времениt_овырабатывается один стандартный импульс заданной длительности_фии амплитудыU_имп.

Если кнопка Кн стробоскопа не нажата и находится в положении, показанном на рис. 29-5, а), то стандартные импульсы поступают через замкнутые контактыК_1.1на стрелочный прибор стробоскопа. Каждый импульс отклоняет его стрелку. Чем чаще подается искра в первый цилиндр двигателя, тем чаще поступают импульсыU_импна стрелочный прибор и тем дальше отклоняется его стрелка. Таким образом, при данном положении кнопкиКнпереключателя стрелочный прибор показывает частоту вращения коленчатого вала двигателяn_е. Чтобы измерить величину угла опережения зажигания, необходимо нажатием на кнопкуКнпереключить контакты переключателя так, чтобы контактК_1.1разомкнулся, а контактК_1.2замкнулся.

При измерении УОЗстандартные импульсы поступают на вход ждущего мультивибратораЖМВ, запуская его в момент времениt_о, подачи искры в первый цилиндр. При этом ждущий мультивибраторЖМВоткрывается и на его выходе появляется напряжениеU_им. Отличительной особенностью ждущего мультивибратораЖМВ является возможность регулирования длительности импульса на его выходе.

	б)	Рис. 29-5 Структурная схема электронного стробоскопа для измерения угла опережения зажигания – а) и диаграммы его работы – б)
	а)

Вращая переменный резистор R_р,оператор – диагност имеет возможность или увеличивать или уменьшать время_жмвдлительности импульса на выходеЖМВ.Это необходимо для того, чтобы управлять моментом вспышки лампыИСЛ.

Из схемы (рис. 29-5, а) видно, что импульсы от ждущего мультивибратора ЖМВ поступают в электронный ключ (электронный переключатель)ЭК. В исходном состоянии ключЭКзамыкает контакт 1 с контактом 3. При этом высокое напряжение +400В заряжает накопительный конденсаторС₁. Падающий фронт импульсаЖМВ, в момент времениt_о, переключает электронный ключЭКв положение, при котором контакт 1 замыкается с контактом 2, соединяя конденсатор С₁с импульсной лампой – вспышкойИСЛ. Весь накопленный конденсаторомС₁ заряд энергии поступает на лампуИСЛ, вызывая её короткую и очень яркую вспышку в момент времениt₁.

Как уже было отмечено ранее, оператор - диагност имеет возможность изменять время _жмвдлительности импульса на выходеЖМВ, вращая переменный резисторR_р. Представим, что резистор R_рустановлен на самую малую длительность импульса_жмв = 0. Тогда импульсная лампа - вспышкаИСЛбудет вспыхивать в момент времениt₁, т.е. в момент подачи искры в первый цилиндр двигателя. Если при этом направить свет лампыИСЛна шкив коленчатого вала двигателя и метку на его блоке (рис. 29-4) то мы увидим в свете вспышек шкив 1 в неподвижном состоянии относительно метки 3 на блоке двигателя. Причем метка 2 на шкиве будет находиться в том положении, в котором находится коленчатый вал двигателя в момент подачи искры в первый цилиндр. Это положение обозначено на рис. 29-4. значком «молния».

Теперь немного повернем ручку резистора R_ртак, чтобы длительность импульса_жмв≠ 0. Следовательно, вспышки лампы ИСЛтеперь будут происходить с некоторой задержкой, поскольку от момента подачи искры в первый цилиндр в момент времениt_ои моментом времениt₁ вспыхивания лампыИСЛбудет проходить некоторое время, равное длительности импульса_жмв. За это время коленчатый вал успеет повернуться на некоторый угол и расстояние между метками 2 и 3 (рис. 29-4) уменьшится.

Таким образом, вращая ручку резистора R_рможно так изменить длительность импульса_жмв, что вспышки импульсной лампы будут происходить в момент прихода поршня первого цилиндра в верхнюю мертвую точкуВМТ.

При этом напряжение на выходе ЖМВ будет появляться в момент подачи искры в первый цилиндр двигателя, а снижаться до нуля - в момент прихода поршня первого цилиндра в ВМТ.

Другими словами, длительность _жмвимпульса на выходеЖМВ будет пропорциональна величине угла опережения зажигания. Взгляните на схему (рис. 29-5, а). Кроме того, что эти импульсы поступают на электронный ключЭК, через замкнутый контактК_1.2они поступают и на стрелочный прибор стробоскопа. Стрелка прибора отклоняется пропорционально времени_жмвдлительности импульсаЖМВи показываетвеличину угла опережения зажиганияΔкак угла поворота коленчатого вала от момента искрообразования в первом цилиндре до момента прихода его поршня вВМТ.