Устройство теплового контроля нагретой поверхности

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ НАГРЕТОЙ ПОВЕРХНОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Марков Алексей Петрович Марукович Евгений Игнатьевич Патук Елена Михайловна Сергеев Сергей Сергеевич Старовойтов Анатолий Григорьевич Станюленис Юрий Ленгинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для теплового контроля нагретой поверхности, содержащее элементы геометрической и волоконной оптики, объединенные в световодный коллектор, связанный с оптической системой фокусировки излучения, выполненной в виде сдвоенной конструкции,15255 1 2011.12.30 за первым объективом и первой точечной диафрагмой первой части которой установлен дефлектор, расположенный в плоскости отраженного от нормированной поверхности излучения, информативная часть которого через второй объектив и вторую точечную диафрагму второй части оптической системы фокусировки излучения направлена на линейно распределенный фотоприемник спектрального разложения, выполненный координатным,выход которого связан с блоком обработки информации. Изобретение относится к измерению и контролю теплофизического состояния нагретых тел в литье и металлургии и может быть использовано для автоматизированного теплового контроля изделий других отраслей со схожими задачами технологического контроля. Известны термоэлектрические термометры с защитной и без защитной оболочки контактного типа 1. - С. 324-325 327-330. Недостатками таких устройств являются ограниченная динамическая достоверность, нестабильность параметров электрической цепи и сложности компенсационных схем. Известны бесконтактные устройства измерения температуры оптическими способами. Оптические радиационные пирометры с непосредственным приемом излучения отличаются своей простотой. Более универсальными являются пирометры сравнения, отличающиеся простотой применения и высокой точностью измерений. Тепловой контроль нагретой поверхности производится по эффективной (кажущейся) температуре поверхности 1. - С. 341-348. Недостатками таких устройств являются необходимость точного визирования, учета влияния состояния поверхности, влияние посторонних засветок и сложности настройки,что ограничивает достоверность и производительность контроля. Известны бесконтактные многодиапазонные пирометры и комбинированные пирометры с телевизионными системами. Данные устройства обеспечивают приемлемую точность измерения температуры нагретой поверхности за счет специальной пооперационной калибровки в определенном (сравнительно узком) температурном диапазоне, характерном для каждой поверхности 2. - С. 47-49. Недостатками таких устройств являются сложности спектрально-энергетических согласований, влияние состояния поверхности и ее излучательной способности, что ограничивает достоверность и производительность контроля. Известны современные устройства тепловизионного контроля нагретой поверхности 3. - С. 36-38. Недостатками таких устройств являются пространственно-временной разрыв в операциях съема и обработки текущей информации о распределении температуры контролируемой поверхности обработка информативных излучений по жесткой программе не учитывает эксплуатационные условия, реальный коэффициент излучения и другие факторы,что не всегда обеспечивает достоверность результатов и ограничивает производительность. Информационно-измерительные преимущества бесконтактных пирометров обеспечивают им широкую перспективу совершенствования и практического применения. Однако недостатки пирометрических измерений, такие как трудности учета многофакторных зависимостей эффективной температуры и термодинамической температуры поверхности от излучательной способности, изменяющегося спектра и интенсивности,колебания расстояния до приемника, а также геометрических параметров поля зрения и оптической системы и т.д. ограничивает их применимость. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому устройству является многоканальное устройство для измерения пирометрических характеристик, содержащее оптическую систему формирования излучения, элементы геометрической и волоконной оптики и светоприемники 4. 2 15255 1 2011.12.30 Однако сложности наведения и спектрально-энергетического согласования теплового излучения поверхности и приемника излучений (фотодиода как датчика температуры) ограничивают достоверность и производительность контроля. Единой технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение,является повышение достоверности и производительности теплового контроля. Задача достигается тем, что в устройстве для теплового контроля нагретой поверхности элементы геометрической и волоконной оптики, объединенные в световодный коллектор, связанный с оптической системой фокусировки излучения, выполненной в виде сдвоенной конструкции, за первым объективом и первой точечной диафрагмой первой части которой установлен дефлектор, расположенный в плоскости отраженного от нормированной поверхности излучения, информативная часть которого через второй объектив и вторую точечную диафрагму второй части оптической системы фокусировки излучения направлена на линейно распределенный фотоприемник спектрального разложения, выполненный координатным, выход которого связан с блоком обработки информации. В воспринимаемом через световодный коллектор излучении одной оптической системой формируют (создают) дифракционное поле в виде совокупности асимметричных расходящихся парциальных пучков с соответствующей им длиной волны. При этом воспринятый под угломлучистый поток с некоторой длиной волныотклоняют в сторону оптической оси с сохранением его гомоцентричности. За счет однозначного соответствия углакаждой точке фокусировки на оптической оси системы соответствует определенная спектральная компонента с длиной волны . Параметры другой оптической системы подобраны так, что отраженное от экрана (поверхности) излучение соответствует телескопическому ходу лучей в пространстве предметов. Из оптического изображения,формируемого в задней фокальной плоскости второго объектива (второй оптической системы), выделяют некоторую информативную часть этого изображения, содержащую сфокусированную компоненту с присутствием частичных потоков других длин волн. Формируемая в дальней зоне дифракционная картина в виде распределенного спектра содержит измерительную информацию о температуре нагретой поверхности, определяемую по соотношению экстремальных интенсивностей в распределенном спектре излучения в реальных пространственно-временных координатах. На фигуре представлена схема устройства для теплового контроля нагретой поверхности. Устройство содержит конструктивно и функционально связанные оптические элементы, с помощью которых световодным коллектором снимается излучение нагретой поверхности 1, защитное стекло 2, микрообъектив 3, жгуты оптических волокон 4, коллектор световодный 5, первый объектив 6, первую точечную диафрагму 7, оптически связанную с дефлектором 8 и нормированной отражающей поверхностью 9, светоделитель 10, второй объектив 11 с диафрагмой 12, фотоприемник 13 и блок обработки информации 14. Устройство функционирует следующим образом. Воспринимаемое излучение нагретой поверхности 1 через защитное стекло 2 микрообъективом 3 фокусируется на входных торцах жгутов оптических волокон 4. Выходы этих жгутов объединены в коллектор световодный 5, излучение с выхода которого фокусируется первым объективом 6 на первую точечную диафрагму 7. Создаваемое за ней дифракционное поле с радиально симметричным спектрально-распределенным пучком дефлектором 8 направляется в сторону оптической оси с сохранением его гомоцентричности. При этом каждой спектральной компоненте излучения поверхности соответствует свое расположение точки фокусировки на оптической оси. Сходящийся пучок излучения воспринимается нормированной отражающей поверхностью 9 с известной отражательной способностью. Отраженным от светоделителя 10 излучением в задней фокальной плоскости второго объектива 11 создают информативное изображение, центральная часть которого посредством диафрагмы 12 формирует в дальней зоне дифракции информационную картину линейно распределенно 3 15255 1 2011.12.30 го спектра излучения, который воспринимается линейно распределенным (координатным) фотоприемником 13. Выходы фотоприемника связаны с блоком обработки информации 14. Блок обработки информации, воспринимая выходной сигнал фотоприемников, по соотношению максимальной и минимальной зафиксированных спектральных компонент в распределенном спектре воспринятого излучения нагретой поверхности получают информацию о ее температуре (отображение, документирование, хранение). Источники информации 1. Измерения в промышленности. Справ. изд. в 3-х кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура Пер. с нем. / Под ред. П.Профоса. - 2-е изд. перераб. и доп. - М. Металлургия,1990. 2. Гусев Г.В., Харозов В.Г. Измерение высоких температур в промышленности бесконтактными термометрами (пирометрами излучения) // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2006. -5. - С. 47-51. 3. Ивченко В.Д., Кананадзе С.С. Обзор современных технологий тепловизионного контроля // Приборы и системы управления. Контроль. Диагностика. - 2006. -2. С. 36-38. 4. Патент 2366909 С 1, 2009. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4