Система измерения температуры нагретых объектов

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕТЫХ ОБЪЕКТОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Герман Михаил Леонидович Файн Исаак Вениаминович Ознобишин Александр Николаевич Корнеев Сергей Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Система визуализации и измерения температуры нагретых объектов, состоящая из видеокамеры с приемником излучения на основе матрицы элементов с зарядовой связью,устройства обработки изображения, устройства вывода изображения и фильтра, отличающаяся тем, что видеокамера выполнена в виде устройства с цифровым интерфейсом,а устройство обработки и устройство вывода изображения совмещены в один узел.(56) 1. Тарасов В.В., Якушенко Ю.Г. Инфракрасные системы смотрящего типа. - . 2004. - . 15-430. 2.03029773, МПК 01 5/48, 2003. 3. Патент 1302 760, МПК 01 5/02,30 13/28, 2003. 30652006.10.30 Полезная модель относится к средствам бесконтактного измерения и визуализации высоких температур (выше 400 ) нагретых объектов и может быть использована в металлургии и машиностроении, где необходимо знание температуры объектов для управления процессами нагрева или охлаждения и регулирования качества готовых изделий. Во многих высокотемпературных промышленных процессах использование контактных методов измерения температур, например с помощью термопар, неприемлемо по производственным условиям. В то же время хорошо известны бесконтактные средства измерения высоких температур поверхности объектов, такие как пирометры и тепловизоры (термографы), являющиеся системами неразрушающего контроля. Известны тепловизоры, представляющие собой оптико-электронные приборы, служащие для регистрации теплового излучения нагретых объектов в инфракрасном диапазоне с последующим формированием с помощью системы сканирования и развертки их изображений. Они состоят из оптической системы, фотоприемного устройства и электронной системы. Оптическая система прибора состоит, как правило, из главной линзы (объектива), системы диафрагм и защиты от боковых подсветок, а также фильтра. Главная линза собирает поток излучения объекта измерения и передает его на фотоприемник. Система диафрагм и защиты от боковых подсветок определяет показатель визирования прибора и устраняет влияние излучения посторонних объектов на результаты измерения. Фильтр служит для задания рабочего спектрального диапазона прибора. Фотоприемнос устройство состоит из матрицы-фотоприемника и датчика температуры. Фотоприемник преобразует тепловое излучение в электрический сигнал. Датчик температуры позволяет устранить влияние окружающей температуры на характеристики фотоприемника. Электронная система включает аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь,схему формирования термограммы и устройство записи информации. Традиционные тепловизоры используют в качестве приемников болометрические матрицы или другие приемники, чувствительные к излучению в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне длин волн (5-14 мкм) 1. Недостатком традиционных тепловизоров является то, что их приемники работают с эффективной длиной волны в средней и далекой инфракрасной области,а следовательно, чувствительны к заданию коэффициента излучательной способности(степени черноты) снимаемого объекта. Кроме того, тепловизионные системы имеют очень высокую стоимость, что ограничивает их использование в производственных условиях для анализа температурных полей и управления технологическими процессами. Известна система измерения температурного поля поверхности объекта, которая состоит из цифровой фотокамеры и мобильного компьютера 2. Она регистрирует излучение в видимом свете. Недостатком такой системы является сравнительно низкая скорость регистрации. Кроме того, использование видимого спектрального диапазона ограничивает нижний предел измерений температурой 600 и ухудшает точность измерений за счет влияния посторонних нетепловых источников света. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой системе является система,которая описана в патенте 3 (прототип). Эта система содержит черно-белую видеокамеру с приемником излучения на основе матрицы элементов с зарядовой связью, фильтр, устройство обработки изображения и устройство вывода изображения. Недостатком данной системы является наличие большого количества узлов, что усложняет ее конструкцию и не позволяет использовать ее в качестве переносного мобильного устройства. Задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции системы измерения температур нагретых объектов и обеспечение ее мобильности. Поставленная задача решается за счет того, что в известной системе измерения температуры нагретых объектов, состоящей из видеокамеры с приемником излучения на основе матрицы элементов с зарядовой связью, устройства обработки изображения, устройства вывода изображения и фильтра, согласно предлагаемому техническому решению, видео 2 30652006.10.30 камера выполнена в виде устройства с цифровым интерфейсом, а устройство обработки и устройство вывода изображения совмещены в один узел. На фиг. 1 представлен общий вид системы измерения температуры нагретых объектов. На фиг. 2 - блок-схема видеокамеры с цифровым интерфейсом. Как видно из фиг. 1, предлагаемая система измерения температуры нагретых объектов состоит из видеокамеры 1 с цифровым интерфейсом 2 (фиг. 2), обеспечивающей получение цифрового видеоизображения высокотемпературных объектов в ближнем инфракрасном диапазоне. Система состоит из узла, совмещающего в себе устройство обработки изображения 3 и устройство вывода изображения 4, представляющего собой мобильный компьютер 5. Мобильный компьютер 5 соединен кабелем 6 с видеокамерой 1. Система содержит также объектив 7, фокусирующий излучение, и фильтр 8. Таким образом, система включает стандартные компоненты, поэтому является достаточно простой и дешевой. Совмещение в один узел устройства обработки изображения и устройства вывода изображения в виде мобильного компьютера обеспечивает компактность и мобильность системы в целом. Видеокамера 1 с цифровым интерфейсом 2 (фиг. 2) состоит из видеоконтроллера 9, связанного линией связи 10 с приемником излучения 11 на основе матрицы элементов с зарядовой связью и линиями связи 12 и 13 с аналого-цифровым преобразователем 14. Видеоконтроллер 9 также связан с мобильным компьютером 5 цифровым интерфейсом 2. Приемник излучения 11 линией связи 15 соединен с аналого-цифровым преобразователем 14. Система работает следующим образом. Поток инфракрасного излучения, испускаемый объектом (на чертеже не показан), проходит через фильтр 8, который блокирует видимый свет для исключения посторонних шумов. Далее излучение, проходя через объектив 7, фокусируется и попадает в видеокамеру 1. Цифровые данные по кабелю 6 записываются в мобильный компьютер 5. Мобильный компьютер 5 обеспечивает управление видеокамерой 1, обработку полученной информации, вывод термограмм и запись результатов измерений. Кабель 6 служит для передачи команд управления параметрами съемки от мобильного компьютера 5 к видеокамере 1, и передачи цифрового сигнала от видеокамеры 1 к мобильному компьютеру 5, а также питания видеокамеры 1. Видеоконтроллер 9 (фиг. 2) обеспечивает связь с мобильным компьютером 5 и по линии связи 10 выдает пилот-сигнал па приемник излучения 11, формирует параметры и выдает их по линии связи 13 на аналого-цифровой преобразователь 14, получает по линиям связи 12 цифровой сигнал от аналого-цифрового преобразователя 14 и обрабатывает его. Приемник излучения 11 преобразует энергию падающего на него потока инфракрасного излучения в электрическое напряжение. Пульс аналогового сигнала по каналу 15 попадает в аналого-цифровой преобразователь 14. Видеоконтроллер 9 управляет через линию связи 10 экспозицией съемки. Через цифровой интерфейс 2 и кабель 6 цифровой сигнал поступает в мобильный компьютер 5. Управление экспозицией необходимо потому, что аналоговый сигнал, формируемый в приемнике излучения 11, очень быстро меняется в зависимости от температуры поверхности объекта. Так, на длине волны 0,9 мкм интенсивность сигнала при изменении температуры от 400 до 1000 меняется более чем в 70000 раз. Поэтому предлагаемая система измерения температуры нагретых объектов, имеющая управление экспозицией, обеспечивает измерение в широком интервале температур от 400 до 1000 и выше. Эксперименты показали, что система имеет высокую повторяемость измерений, высокое температурное разрешение (менее 0,5 ) при средней квадратичной ошибке около 2,5 . При большом контрасте температур на поверхности объекта одного снимка часто не достаточно, чтобы одновременно оценить температуру холодных и нагретых частей поверхности, поэтому полное тепловое поле необходимо получать комбинацией снимков с различной экспозицией. Использование цифрового интерфейса связи компьютера и каме 3 30652006.10.30 ры, обеспечивающего высокую скорость передачи данных, позволило за цикл измерений осуществить съемку поверхности с несколькими экспозициями. Приведенные данные свидетельствуют, что поставленная задача достигнута, создана относительно простая, дешевая, компактная и мобильная тепловизионная система, которая может быть использована в системах контроля и управления процессами нагрева и охлаждения в машиностроении и металлургии, технические характеристики которой превосходят показатели других тепловизионных систем. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4