Радіометричний спосіб вимірювання температури віддалених об’єктів в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль та пристрій (іч-радіометр) для його здійснення

1. Пристрій (ІЧ-радіометр), що має оптичну систему з послідовно розташованими на головній оптичній осі об'єктивом, що складається з ІЧсвітлофільтрів та системи лінз, управління яким здійснюється за допомогою системи управління, першу діафрагму, перший виконавчий механізм, вихід якого кінематично з'єднаний з першою діафрагмою, мікроконтролер, цифровий відліковий пристрій, десятковий міні-індикатор, модулятор, що складається з обтюраторного диска та мікродвигуна для обертання диска, фокусуючу лінзу, параболічне дзеркало, перше відбиваюче дзеркало та окуляр з візиром, який оптично з'єднаний з десятковим міні-індикатором через перше відбиваюче дзеркало, послідовно і електрично з'єднані між собою фотоприймач, підсилювач, синхронний детектор, узгоджувальний підсилювач, вихід якого підключений до порту "А", яким є вхід аналогоцифрового перетворювача, вбудованого в мікроконтролер, входи-виходи паралельного порту "С" якого з'єднані з однойменними входами-виходами клавіатури і флеш-пам'яті, входи-виходи третього паралельного порту "D" підключені до входіввиходів системи управління об'єктивом, входивиходи четвертого паралельного порту "Е" підключені до об'єднаних між собою однойменних входіввиходів цифрового відлікового пристрою і десяткового міні-індикатора, який відрізняється тим, 2 (19) 1 3 88238 4 об'єкта дослідження та потоку Ф1 від чорного тіла з першим значенням потужності, перетворення потужності третього потоку в постійну напругу U3, вимірювання її та запам'ятовування отриманого значення, формування четвертого потоку оптичного випромінювання Ф4 ({Ф4}={Ф2}+{Фх}) шляхом об'єднання дії на чутливий елемент фотоприймача двох потоків оптичного випромінювання - потоку Фх від об'єкта дослідження та потоку Ф2 від чорного тіла з другим значенням потужності, перетворення потужності четвертого потоку в постійну напругу U4, вимірювання її та запам'ятовування отриманого значення, з наступним визначенням дійсного значення температури за рівнянням вимірювань Tx = Sф 4 F x , де Ф х - потужність потоку інфрачервоного випромінювання; Sф - крутість перетворення потужності потоку інфрачервоного випромінювання у температуру æ ö ç Sф = 4 1 ÷ ; t - коефіцієнт прозорості атç stesпр ÷ è ø мосфери (додатково вимірюється); sпp - площа приймача потоку оптичного випромінювання; e відносна випромінююча здатність об'єкта, яка апріорі відома чи додатково вимірюється; s =5,67•1012 Вт/см2•град4 - постійна випромінювання, який відрізняється тим, що перший та другий потоки оптичного випромінювання Ф1 та Ф2 формують такими, щоб півсума значень їх потужностей дорівнювала {Ф0}=({Ф1}+{Ф2})/k2 і відповідала першій нормованій за розміром температурі Т0 у четвертому степені, при цьому напіврізниця значень потужностей дорівнювала { D Ф0}=({Ф1}-{Ф2})/k2 і відповідала нормованій за розміром температурі D Т0 у четвертому степені, всі зазначені потоки оптичного випромінювання, що фокусують на вхідний отвір фотоприймача заданої форми та з заданою площею поверхні, оптично підсилюють у однакове число разів, формують з однаковими тілесними кутами і з однаковими діаметрами оптичних плям, рівними діаметру площі поверхні вхідного отвору фотоприймача, за допомогою окуляра радіометра встановлюють оптичний зв'язок між вхідним отвором фотоприймача та оком оператора, шляхом точного наведення оптичної системи на об'єкт дослідження здійснюють збігання геометричної та оптичної осей до моменту часу повного суміщення діаметрів оптичної плями, вхідного отвору фотоприймача та кола вирізу окуляра, а після здійснення зазначених тактів вимірювання визначають дійсне значення потужності потоку оптичного випромінювання від досліджуваного об'єкта і судять за рівнянням вимірювань Винахід відноситься до радіометрії, зокрема до вимірювання температури віддалених тіл по потужності інфрачервоного випромінювання і може бути використаний у радіометрах, приладах нічного бачення, далекомірах тощо для високоточного вимірювання температури об'єктів. Відомий радіометричний спосіб вимірювання температури віддалених об'єктів (див. Криксунов Л.З. Приборы ночного видения. М.: Техника, 1975, с. 64-67), оснований на оптичному підсиленні потужності інфрачервоного випромінювання Фх від віддаленого нагрітого об'єкта, перетворенні у напругу потужності підсиленого потоку інфрачервоного випромінювання, вимірюванні та запам'ятовуванні діючого значення напруги з подальшим визначенням дійсного значення температури Тх згідно з відомим рівнянням вимірювання. Недоліком відомого способу є залежність результату вимірювання від абсолютних значень функції перетворення вимірювального каналу та їх відхилень від номінальних значень (нестабільність) під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів. Відомий спосіб не забезпечує виключення адитивної та мультиплікативної складових похибки вимірювання, а також похибки від нелінійності функції перетворення вимірювального каналу. Це обмежує практичне використання запропонованого способу. Відомий радіометричний спосіб вимірювання температури віддалених об'єктів (див., наприклад, Кондратов В.Т., Зарніцина Г.О. Спосіб визначення дійсного значення температури. Деклараційний патент №56614 А від 15.05.2003. Бюл. №5, 2003. МПК 7 G 01 R 7/00), оснований на поділі світлового потоку від нагрітого тіла на два сфокусованих потоки, візуалізації зображення об'єкту по одному з потоків, направленні другого світлового потоку на поверхню чутливого елемента фотоприймача, виділенні з нього інформативного світлового потоку у заданому діапазоні довжин хвиль, перетворенні його у постійну напругу шляхом низькочастотної модуляції потоку, перетворенні в електричний сигнал, підсиленні його по амплітуді, демодуляції, інтегруванні і вимірюванні одержаної напруги, по якій судять про дійсне значення температури з використанням електронних таблиць відповідності. У відомому способі на результат вимірювання впливає похибка від неточного визначення місцеположення об'єкту дослідження і неточного наведення радіометра на об'єкт дослідження. Недоліком цього способу є також вплив на результат вимірювання послаблення потоку оптичного випромінювання, що вносить оптична система. Найбільш близьким до запропонованого є радіометричний спосіб вимірювання температури віддалених об'єктів (див. Кондратов В.Т., Зарницина Т.О. Деклараційний патент на винахід F x = F0 × g 2 - k1 ((U3 - U4 ) - (U1 - U2 )) ф , × (U2 - U1) + g ф [ ((U2 - U0 ) + (U1 - U0 )) ] k2 де g ф= D Ф0/Ф0; k1=1; k2=2. 5 №68026 А від 15.07.2004. Бюл. №7, 2007. МПК 7 G01 R 7/00), заснований на тому, що розділяють потік випромінювання від нагрітого об'єкту на два інформативні потоки, визначають місцеположення досліджуваного об'єкта по першому потоку, виключають дію другого потоку випромінювання Фх на поверхню чутливого елемента фотоприймача, перетворюють у постійну напругу інтенсивність темнового потоку Ф1 при температурі Т1 навколишнього середовища, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення напруги U1, формують перший нормований за розміром інтенсивності потік випромінювання Ф2, що відповідає першій нормованій за розміром температурі Т2, перетворюють інтенсивність потоку випромінювання Ф2 в постійну напругу U2, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, формують другий нормований за розміром інтенсивності потік випромінювання Ф3, що відповідає другій нормованій за розміром температурі Т3, близькій за розміром температурі Т2, перетворюють інтенсивність потоку випромінювання Ф3 в постійну напругу U3, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, діють потоком випромінювання Фх, що відповідає вимірювальній температурі Тх, на поверхню чутливого елемента фотоприймача, збільшують розмір інтенсивності потоку випромінювання Фх на розмір інтенсивності першого потоку випромінювання Ф2, перетворюють інтенсивність першого сумарного потоку випромінювання Ф4 в постійну напругу U4, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, збільшують розмір інтенсивності потоку випромінювання Фх на розмір інтенсивності другого потоку випромінювання Ф3, перетворюють інтенсивність другого сумарного потоку випромінювання Ф5 в постійну напругу U5, вимірюють її і запам'ятовують отримане значення, по одержаним значенням напруг визначають дійсне значення інтенсивності потоку випромінювання, по одержаному результату з використанням таблиць відповідності судять про температуру досліджуваного об'єкта, від відомих відрізняється тим, що перед формуванням першого та другого потоків випромінювання Ф2 та Ф3, генерують стабільний та калібрований за розміром інтенсивності потік випромінювання Ф0, формування першого потоку випромінювання Ф2 здійснюють шляхом зменшення інтенсивності стабільного за розміром потоку випромінювання Ф0 в k1 рази, де k1=1,01, ..., 1,30, формування другого потоку випромінювання Ф3 здійснюють шляхом зменшення інтенсивності стабільного за розміром потоку випромінювання Ф0 в k2 рази, де k2=k1+(3¸10)Dл, де Dл - максимально допустима похибка вимірювання потоку випромінювання, а дійсне значення інтенсивності потоку випромінювання визначають згідно з рівняннями надлишкових вимірювань F x = F0 × g 2- k1 ((U4 - U5 ) - (U3 - U2 )) ф , × (U3 - U2 ) + gф ((U3 - U1) + (U2 - U1)) k2 де U0 - напруга, пропорційна потоку випромінювання ({U0}={S0}{Ф0}, де S0 -коефіцієнт пропорційності); gф=DФ0/Ф0. Недоліком відомого способу є вплив на результат вимірювання температури похибки наве 88238 6 дення оптичної системи на об'єкт дослідження, похибки від наявності різниці діаметрів оптичних плям кожного потоку, що поступає на фотоприймач, а також похибки від нерівності коефіцієнтів підсилення оптичних сигналів. Все це обумовлює недостатньо високу точність вимірювання температури. В основу винаходу поставлена технічна задача створення такого радіометричного способу вимірювання температури віддалених об'єктів, при якому забезпечується високоточне направлення радіометра на досліджуваний об'єкт та зворотного направлення потоку оптичного випромінювання від нього на фотоприймач радіометра, рівність діаметрів оптичних плям кожного потоку, що поступає на фотоприймач, рівності коефіцієнтів підсилення оптичних сигналів, виключення дії на результат вимірювання абсолютних значень параметрів функції перетворення і їх відхилень від номінальних значень, по причині старіння функціональних блоків та елементів вимірювального каналу за часом та від дії зовнішніх дестабілізуючих факторів, тобто автоматична корекція похибок вимірювання. Для вирішення поставленої задачі запропоновано радіометричний спосіб вимірювання температури віддалених об'єктів в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль та пристрій (ІЧ-радіометр) для його здійснення, оснований на визначенні місцеположення досліджуваного об'єкта, візуалізації його зображення, направленні потоку оптичного випромінювання від об'єкту дослідження на фотоприймач радіометра, формуванні нормованих за значенням потужності першого та другого потоків оптичного випромінювання Ф1 та Ф2, виключенні дії потоків оптичного випромінювання на поверхню чутливого елемента фотоприймача, перетворенні у постійну напругу потужності темнового потоку Фт при температурі Т1 навколишнього середовища, вимірюванні її та запам'ятовуванні отриманого значення напруги U0, перетворенні потужності потоку оптичного випромінювання Ф1 в постійну напругу U1, вимірюванні її та запам'ятовуванні отриманого значення, перетворенні потужності потоку оптичного випромінювання Ф2 в постійну напругу U2, вимірюванні її та запам'ятовуванні отриманого значення, формуванні третього потоку оптичного випромінювання Ф3 ({Ф3}={Ф1}+{Фх}) шляхом об'єднання дії на чутливий елемент фотоприймача двох потоків оптичного випромінювання, - потоку Фx від об'єкту дослідження та потоку Ф1 від чорного тіла з першим значенням потужності, перетворенні потужності третього потоку в постійну напругу U3, вимірюванні її та запам'ятовуванні отриманого значення, формуванні четвертого потоку оптичного випромінювання Ф4 ({Ф4}={Ф2}+{Фх}) шляхом об'єднання дії на чутливий елемент фотоприймача двох потоків оптичного випромінювання, - потоку Фх від об'єкту дослідження та потоку Ф2 від чорного тіла з другим значенням потужності, перетворенні потужності четвертого потоку в постійну напругу U4, вимірюванні її та запам'ятовуванні отриманого значення, з наступним визначенням дійсного значення температури за рівнянням вимірювань 7 Tx = Sф 4 F x де Ф х - потужність потоку інфрачервоного випромінювання; Sф - крутість перетворення потужності потоку інфрачервоного випромінювання у темпеæ ö ÷ ; t - коефіцієнт прозороратуру ç Sф = 4 1 ç ste sпр ÷ è ø сті атмосфери (додатково вимірюється); sпр - площа приймача потоку оптичного випромінювання; e - відносна випромінююча здатність об'єкту, яка апріорі відома чи додатково вимірюється; s=5,67×10-12Вт/см2×град4 - постійна випромінювання, від відомих відрізняється тим, що перший та другий потоки оптичного випромінювання Ф1 та Ф2 формують такими, щоб напівсума значень їх потужностей дорівнював {Ф0}=({Ф1}+{Ф2})/k2 і відповідав першій нормованій за розміром температурі T0 у четвертій степені, при цьому напіврізниця значень потужностей дорівнювала {DФ0}=({Ф1}-{Ф2})/k2 і відповідала нормованій за розміром температурі DT0 у четвертій степені, всі зазначені потоки оптичного випромінювання, що фокусують на вхідний отвір фотоприймача заданої форми та з заданою площею поверхні, оптично підсилюють у однакове число разів, формують з однаковими тілесними кутами і з однаковими діаметрами оптичних плям, рівними діаметру площі поверхні вхідного отвору фотоприймача, за допомогою окуляра радіометра встановлюють оптичний зв'язок між вхідним отвором фотоприймача та оком оператора, шляхом точного наведення оптичної системи на об'єкт дослідження здійснюють збігання геометричної та оптичної осей до моменту часу повного суміщення діаметрів оптичної плями, вхідного отвору фотоприймача та кола вирізу окуляра, а після здійснення зазначених тактів вимірювання визначають дійсне значення потужності потоку оптичного випромінювання від досліджуваного об'єкту судять за рівнянням вимірювань F x = F0 × g 2 - k1 (U3 - U4 ) - (U1 - U2 ) ф , × (U2 - U1) + gф [(U2 - U0 ) + (U1 - U0 )] k2 де gф=DФ0/Ф0; k1=1; k2=2. 2. Пристрій (ІЧ-радіометр) по п.1, який включає в собі оптичну систему з послідовно розташованими на головній оптичній вісі об'єктивом, що складається з ІЧ-світлофільтрів та системи лінз, управління яким здійснюється за допомогою системи управління, першу діафрагму, першій виконавчий механізм, вихід якого кінематично з'єднаний з першою діафрагмою, мікроконтролер, цифровий відліковий пристрій, десятковий мінііндикатор, модулятор, що складається з обтюраторного диску та мікродвигуна, що здійснює обертання цього диску, фокусуючу лінзу, параболічне дзеркало, перше відбиваюче дзеркало та окуляр з візиром, який оптично з'єднаний з десятковим мінііндикатором через перше відбиваюче дзеркало, послідовно і електрично з'єднані між собою фотоприймач, підсилювач, синхронний детектор, узгоджувальний підсилювач, вихід якого підключений до порту "A", яким є вхід аналого-цифрового перетворювача вбудованого в мікроконтролер, входивиходи паралельного порту "С" якого з'єднані з 88238 8 однойменними входами-виходами клавіатури і флеш-пам'яті, входи-виходи третього паралельного порту "D" підключені до входів-виходів системи управління об'єктивом, входи-виходи четвертого паралельного порту "E" підключені до об'єднаних між собою однойменних входів-виходів цифрового відлікового пристрою і десяткового міні-індикатора, від відомих відрізняється тим, що додатково введені напівпрозора пластина, друга діафрагма та другий виконавчий механізм, які кінематично з'єднані між собою, кодокероване джерело нормованого за значенням потужності потоку оптичного ІЧвипромінювання (чорне тіло), входи якого підключені до входів-виходів другого паралельного порту "С" мікроконтролера, вихід кодокерованого джерела оптично з'єднаний з оптичним входом фотоприймача через отвори у корпусі оптичної системи і другої діафрагми, напівпрозору пластину, гіперболічне дзеркало, лінзу і отвори у обтюраторному диску модулятора, входи управління синхронним детектором, мікро-двигуном модулятора, першим та другим виконавчими механізмами підключені, відповідно, до відповідних розрядів першого паралельного порту "B" мікроконтролера, при цьому напівпрозора пластина розташована в середині оптичної системи, а гіперболічне дзеркало виконано з отвором у його геометричному центрі, що співпадає з оптичною віссю оптичної системи і її віссю симетрії. На малюнку наведена структурна схема цифрового ІЧ-радіометра, де: 1 - об'єктив; 2 і 3 - перша і друга діафрагми; 4 - напівпрозора пластина; 5 фотоприймач потоку оптичного ІЧвипромінювання; 6 - обтюраторний диск модулятора; 7 - фокусуюча лінза; 8 - параболічне дзеркало з отвором; 9 - відбивне дзеркало; 10 - об'єктив з окуляром; 11 - міні-індікатор; 12 - кодокероване джерело потоку оптичного випромінювання (чорне тіло); 13 - система управління; 14 і 15 - перший і другий виконавчі механізми; 16 - мікродвигун модулятора; 17 - цифровий відліковий пристрій; 18 клавіатура; 19 - підсилювач; 20 - синхронний детектор; 21 - узгоджувальний підсилювач; 22 - флешпам'ять; 23 - мікроконтролер. Відомо, що потужність потоку інфрачервоного випромінювання від нагрітого об'єкту пов'язана з температурою за законом Стефана-Больцмана: 4 4 (1) F x = t × sпр × e × s × Tx = ST × Tx , де Ф х - потужність потоку інфрачервоного випромінювання об'єкту вимірювання; t - коефіцієнт прозорості атмосфери (визначається експериментально); sпр- площа фотоприймача потоку оптичного випромінювання (визначається експериментально); e - відносна випромінююча здатність об'єкту (вибирається з довідкової технічної літератури); s=5.67×10-12Вт/см2×град4 - постійна випромінювання; Тх - температура віддаленого об'єкту дослідження; ST=t×sпр×e×s - крутість перетворення температури у потужність потоку інфрачервоного випромінювання. Припустимо, що реальна функція перетворення вимірювального каналу описується рівнянням величин виду 9 ' ' (2) Ux = Sн × (F x )2 + S'л × F x + DUн , де S'H - реальна кубічна складова чутливості приймача потоку інфрачервоного випромінювання ({S'H}={SH}(1+ gн)); SH - номінальна за значенням квадратична складова чутливості фотоприймача потоку оптичного випромінювання; g н -відносна зміна квадратичної складової чутливості приймача ( g н={ D Sн}/{Sн}); DSH - абсолютна зміна квадратичної складової чутливості фотоприймача під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів;, S'л - лінійна складова чутливості фотоприймача ({S'л}={Sл}(1+ g л)); Sл - номінальна за значенням лінійна складова чутливості фотоприймача; g л відносна зміна лінійної складової чутливості фотоприймача ( gл={ D SЛ}/{SЛ}); D U' - реальна вихідна напруга вимірювального каналу при нульовому значенні потужності потоку оптичного випромінювання Фx ({ D U'}={ D U}+{ D ад}); D Uн - номінальна за значенням вихідна напруга вимірювального каналу; D ад - адитивна складова похибки перетворення потоку оптичного випромінювання у вихідну напругу вимірювального каналу; D мп - мультиплікативна складова похибки перетворення потоку оптичного випромінювання у вихідну напругу вимірювального каналу ({ D мп}={ D МПН}+{ D МПЛ}). З урахуванням закона Стефана-Больцмана (1), функція перетворення (2) прийме вид: (3) Ux=S'H(STTx4)2+S'л{SТTx4)+ D U'Н. Запропонований радіометричний спосіб вимірювання температури віддалених об'єктів в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль та пристрій (14радіометр) для його здійснення основані на визначенні місцеположення досліджуваного об'єкта, візуалізації його зображення, формуванні нормованих за значенням потужності першого та другого потоків оптичного випромінювання Ф1 та Ф2, направленні потоку оптичного випромінювання від об'єкту дослідження на фотоприймач радіометра та на перетворенні у напругу (4) Uхі=S'Н×Фxi2+S'л×Фхі+ D U'Н; потужності відповідних потоків оптичного випромінювання від об'єкту та від чорного тіла. Отримані напруги вимірюються, а діючі значення кожної з них запам'ятовуються у вигляді кодів чисел Ni=S0×Uxi, (5) де S0 - крутість аналого-цифрового перетворювання; Ni - числове значення напруги Uxi. Дійсне значення температури Тх визначають за відповідним рівнянням вимірювання. Згідно з запропонованим радіометричним способом вимірювання температури віддалених об'єктів в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль, виключають дію потоків оптичного випромінювання від об'єкту дослідження на фотоприймач радіометра. Перетворюють у постійну напругу U0= D U'H. (6) потужність темрявого потоку Фт при температурі Т1 навколишнього середовища. Діюче значення напруги U0 (6) запам'ятовують. Почергово формують перший та другий потоки оптичного ІЧ-випромінювання Ф1 і Ф2. Причому ці 88238 10 потоки формують такими, щоб напівсума значень їх потужностей дорівнював {Ф0}=({Ф1}+{Ф2})/k2 і відповідав першій нормованій за розміром температурі Т0 у четвертій степені, а напіврізниця значень потужностей дорівнювала б { D Ф0}=({Ф1}{Ф2})/k2 і відповідала нормованій за розміром температурі D T0 у четвертій степені. Спочатку формують потік оптичного ІЧвипромінювання Ф1, потужність якого пропорційна нормованій за значенням температурі T01 ({Т01}={T0}-{ D T0}) у четвертій степені. Причому значення потоку Ф1 оптичного ІЧ-випромінювання дорівнює {Ф1}={Ф0}-{ DФ0}, де Ф0 і DФ0 - нормовані за значенням потужності потоки оптичного випромінювання. Причому { DФ0} приблизно складає 2%... 20% від {Ф0} і перевищує поріг чутливості фотоприймача не менше ніж у 3-10 разів. Перетворюють потужність першого потоку Ф1 оптичного ІЧ-випромінювання в постійну напругу U1=S'н×Ф12+S'л×Ф1+ DU'н. (7) Діюче значення напруги U1 (7) також запам'ятовують. Потім формують другий потік оптичного інфрачервоного випромінювання Ф2, потужність якого пропорційна нормованій за значенням температурі T02 ({T02}={T0}+{ DT0}) у четвертій степені. Причому значення потужності потоку Ф2 дорівнює {Ф2}={Ф0}+{ D Ф0}. Перетворюють потужність другого потоку оптичного випромінювання у напругу (8) U2=S'н×Ф22+S'л×Ф2+ DU'н. Діюче значення напруги U2 (8) запам'ятовують. Після цього формують третій потік оптичного ІЧ-випромінювання Ф3 шляхом об'єднання дії на чутливий елемент фотоприймача оптичних потоків інфрачервоного випромінювання з відомим ({Ф1}) і невідомим ({Фх}) значеннями потужності. В результаті потужність потоку оптичного ІЧвипромінювання Ф3 буде дорівнювати {Ф3}={Ф1}+{Фx}. Перетворюють потужність третього потоку інфрачервоного випромінювання у напругу (9) U3=S'н×Ф32+S'л×Ф3+ D U'н. Діюче значення напруги U3 (9) запам'ятовують. Далі формують четвертий потік оптичного інфрачервоного випромінювання Ф4 ({Ф4}={Ф2}+{Фx}) шляхом об'єднання дії на приймач оптичних потоків інфрачервоного випромінювання з відомим ({Ф2}) і невідомим ({Фх}) значенням потужностей. Перетворюють потужність четвертого сформованого оптичного потоку у напругу (10) U4=S'H×Ф42+S'л×Ф4+DU'H. Діюче значення напруги U4 (10) запам'ятовують. Про дійсне значення температури судять згідно з рівнянням надлишкових вимірювань Tx = 4 Fx =4 1 × 4 F x = Sф 4 F x , (11) stesпр s × t × e × sпр де k Dl - коефіцієнт пропорційності, який залежіть від смуги довжин хвиль інфрачервоного випромінювання, у якій визначається температура об'єкту дослідження; Фх - потужність потоку інфрачервоного випромінювання від віддаленого об'єкту 11 дослідження, яка визначається за рівнянням надлишкових вимірювань Фx = Ф0 × g 2 - k1 (U3 - U4 ) - (U1 - U2 ) ф , (12) × (U2 - U1) + gф (U2 - U0 + U1 - U0 ) k2 g ф= D Ф0/Ф0; kх=1; k2=2; Sф - крутість перетворення потужності потоку ІЧ-випромінювання у темæ ö ÷ ; t - коефіцієнт пропературу ç Sф = 4 1 ç stesпр ÷ è ø зорості атмосфери (додатково вимірюється); sпр площа приймача потоку оптичного випромінювання; e - відносна випромінююча здатність об'єкту, яка апріорі відома чи додатково вимірюється; -12 2 4 s =5,67×10 Вт/см ×град - постійна випромінювання. Слід підкреслити, що згідно запропонованому способу, зазначені потоки оптичного випромінювання фокусують на вхідний отвір фотоприймача заданої форми та з заданою площею поверхні. Причому отвір фотоприймача може бути прямокутної, квадратної чи круглої форм. Бажано щоб й оптичні плями були тієї ж форми, щоб на 100% використати площу чутливої поверхні фотоприймача. Оскільки оптимальним є отвір круглої форми, то, у разі наявності отвору іншої форми, можливо його маскування, тобто встановлення на фотоприймач вхідної діафрагми з круглим отвором. Потоки ІЧ-випромінювання оптично підсилюють у однакове число разів. Це необхідно для отримання рівно точних вимірювань їх потужностей, тобто для підвищення точності вимірювання. Крім того, потоки оптичного випромінювання формують з однаковими тілесними кутами і з однаковими діаметрами оптичних плям, рівними діаметру площі поверхні вхідного отвору фотоприймача. У цьому випадку мінімізуються витрати потужності потоків оптичного випромінювання, тобто у напруги перетворюється практично вся потужність цих потоків. Особливістю зазначеного способу є необхідність встановлення оптичного зв'язку між вхідним отвором фотоприймача та оком оператора. Це дає можливість оператору візуально виключити витрати потоків оптичного випромінювання, завдяки 100% попаданні їх на вхідний отвір фотоприймача. Шляхом точного наведення оптичної системи на об'єкт дослідження здійснюють збігання геометричної та оптичної осей до моменту часу повного суміщення діаметрів оптичної плями, вхідного отвору фотоприймача та кола вирізу окуляра. Це забезпечує підвищення точності визначення дійсного значення потужності потоку оптичного випромінювання від об'єкту дослідження. Як видно з рівняння величин (12), результат вимірювання потужності потоку оптичного випромінювання не залежить від параметрів функції перетворення вимірювального каналу з фотоприймачем (S'H, SЛ' і D U') та їх відхилень від номінальних значень. Тобто складові систематичної похибки вимірювання D мп ({ D мп}={ D мпн}+{ D мпл}) та D ад виключаються. Виключається також дія на результат вимірювання похибки від нелінійності, 88238 12 що обумовлена наявністю квадратичної складової у функції перетворення вимірювального каналу. Це свідчить про те, що запропонований спосіб забезпечує виключення систематичних похибок вимірювання завдяки використанню описаного способу та відповідного рівняння надлишкових вимірювань. Останнє характерне тільки для функції перетворення вимірювального каналу, що описується квадратичним тричленом. Таким чином, запропонований радіометричний спосіб надлишкових вимірювань температури віддалених об'єктів в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль забезпечує автоматичну корекцію похибок вимірювання, виключення дії на похибки вимірювання нелінійності функції перетворення вимірювального каналу, абсолютних значень параметрів функції перетворення та їх відхилень від номінальних значень, що обумовлені процесами старіння функціональних блоків та елементів вимірювального каналу за часом, впливом температури, вологості, тиску та інших дестабілізуючих факторів. Крім того, запропонований спосіб забезпечує високу точність наведення оптичної системи на об'єкт дослідження та переносу його зображення на чутливий елемент фотоприймача. В цілому запропонований спосіб забезпечує вирішення зазначеної технічної задачі. Пояснимо сутність запропонованого методу на прикладі роботи цифрового ІЧ-радіометру, структурна схема якого наведена на малюнку. Першим на головній оптичній осі ІЧрадіометра розташований об'єктив 1. Він складається з ІЧ-світлофільтрів для пропускання оптичного випромінювання у діапазоні довжин хвиль 8мкм... 14мкм, та системи лінз, яка забезпечує необхідний коефіцієнт оптичного підсилення вхідних сигналів. Управління об'єктивом здійснюється за допомогою системи управління 13. На головній оптичній вісі ІЧ-радіометра розташована також перша діафрагма 2, вихід якої кінематично з'єднаний з першим виконавчим механізмом 14. Також на головній оптичній осі ІЧ-радіометра розташовані фотоприймач 5 потоку оптичного ІЧвипромінювання, модулятор 6, фокусуюча лінза 7, параболічне дзеркало з отвором 8, відбиваюче дзеркало 9 та окуляр 10 з візиром. Останній оптично з'єднаний з десятковим міні-індікатором 11 через відбиваюче дзеркало 9. Також у ІЧ-радіометр введені послідовно і електрично з'єднані між собою фотоприймач 5 потоку оптичного ІЧ-випромінювання 5, підсилювач 19, синхронний детектор 20, узгоджувальний підсилювач 21, вихід якого підключений до порту "А", яким є вхід аналого-цифрового перетворювача вбудованого в мікроконтролер 23. Входи-виходи паралельного порту "С" мікроконтролера 23 з'єднані з однойменними входамивиходами клавіатури 18 і флеш-пам'яті 22. Входивиходи третього паралельного порту "D" підключені до входів-виходів системи управління 13 об'єктивом 1. Входи-виходи четвертого паралельного порту "Е" мікроконтролера 23 підключені до об'єднаних між собою однойменних входів-виходів цифрового відлікового пристрою 17 і десяткового міні-індикатора 11. 13 Від відомих ІЧ-радіометр відрізняється тим, що в нього додатково введені напівпрозора пластина 4, друга діафрагма 3 та другий виконавчий механізм 15, які кінематично з'єднані між собою. Крім того, у ІЧ-радіометр введено кодокероване джерело 12 нормованого за значенням потужності потоку оптичного ІЧ-випромінювання (чорне тіло). Входи джерела 12 потоку оптичного ІЧвипромінювання підключені до входів-виходів другого паралельного порту "С" мікроконтролера 23. Вихід кодокерованого джерела 12 оптично з'єднаний з оптичним входом фотоприймача 5 через отвори у корпусі оптичної системи і другої діафрагми 3, напівпрозору пластину 4, гіперболічне дзеркало 8, лінзу 7 і отвори у обтюраторному диску 6 модулятора. Входи управління синхронним детектором 20, мікродвигуном модулятора 16, першим та другим виконавчими механізмами 14 і 15 (див. малюнок, виходи "в" і "г" порту "В") підключені, відповідно, до відповідних розрядів першого паралельного порту "5" мікроконтролера 23. При цьому напівпрозора пластина 4 розташована в середині оптичної системи, а гіперболічне дзеркало 8 виконано з отвором у його геометричному центрі, що співпадає з оптичною віссю оптичної системи і її віссю симетрії. Після включення джерела живлення (на малюнку не показаний), всі функціональні блоки ІЧрадіометра встановлюються у початковий стан: цифровий відліковий пристрій 17 та десятковий міні-індикатор 11 показують нулі. Перший виконавчий механізм 14 встановлюється у відкрите положення, при якому діафрагма 2 відкрита. Наводять ІЧ-радіометр на об'єкт дослідження. Наведення відбувається за допомогою візиру, що накреслений в площині окуляра 10. Частина потоку оптичного ІЧ-випромінювання від об'єкту дослідження відбивається від параболічного дзеркала 8 і за допомогою лінзи 7 фокусується на чутливий елемент фотоприймача 5. Це видно за допомогою окуляра 10 з візиром. При цьому об'єкт дослідження чи його частина площі повинні відображатися в середині (в центрі) вхідного отвору фотоприймача 5 з одного боку і в центрі кола візира окуляра 10, - з другого. У такому випадку потік оптичного випромінювання відповідної потужності точно поступить від об'єкту дослідження на фотоприймач 5 оптичного ІЧ-випромінювання. Друга діафрагма 3 встановлюється у положення, протилежне показаному на малюнку, тобто забезпечує переривання проходження потоку оптичного випромінювання від джерела 12 на фотоприймач 5. За допомогою клавіатури 18 у вбудовану пам'ять мікроконтролера 23 вводяться необхідні константи та таблиця значень коефіцієнтів випромінювання об'єктів різного типу та залежність значень коефіцієнт пропорційності k Dl від встановленої смуги довжин хвиль інфрачервоного випромінювання, у якій визначається температура об'єкту дослідження. Після включення джерела живлення, з виходів порту "С" мікроконтролера 22 видається сигнал, що включає мікродвигун 16. Останній здійснює 88238 14 обертання обтюраторного диску 6 і, таким чином, модуляцію потоку оптичного випромінювання, що поступає на фотоприймач 5. ІЧ-радіометр готовий до проведення вимірювань. Процес вимірювання температури об'єкту дослідження складається з 5 тактів. У першому такті по команді з порту "D" мікроконтролера 23 перший виконавчий механізм 14 переводить діафрагму 2 у закритий стан. На другий виконавчий механізм 15 з виходів порту "D" мікроконтролера 23 поступає сигнал, за яким друга діафрагма 3 закривається, тобто переводиться у стан, протилежний показаному на малюнку. Друга діафрагма 3 перекриває потік оптичного випромінювання від кодокерованого джерела 12 (чорного тіла). У першому такті на вхід приймача 5 потоки оптичного випромінювання від об'єкту та чорного тіла не поступають. Змінний електричний сигнал з приймача 5 підсилюється до необхідного рівня за допомогою підсилювача 19 вимірювального каналу, детектується за допомогою синхронного детектора 20 і, через узгоджуючий підсилювач 21, поступає на вхід аналого-цифрового перетворювача у вигляді напруги U0 (6). Після перетворення на виході аналогоцифрового перетворювача маємо код числа (13) N0=S0×U0=S0 D U'H, який запам'ятовується у пам'яті мікроконтролера 23 й використовується для подальших перетворень. У другому такті по команді з порту "С" мікроконтролера 23 встановлюється перше нормоване значення потужності потоку Ф1 оптичного ІЧвипромінювання на виході джерела 12 (чорного тіла). Одночасно по команді з порту "B" мікроконтролера 23 другий виконавчий механізм 15 переводить другу діафрагму 3 у відкритий стан. При цьому потік оптичного ІЧ-випромінювання Ф1 проходить крізь відкриту діафрагму 3 і отвір у корпусі оптичної системи, відбивається від напівпрозорого дзеркала 4, гіперболічної лінзи 8 і крізь оптичну лінзу поступає на вхід фотоприймача 5 вже модульованим у часі обтюраторним диском 6. Змінний електричний сигнал фотоприймача 5 підсилюється до необхідного рівня за допомогою підсилювача 19 вимірювального каналу, детектується за допомогою синхронного детектора 20 і, через узгоджувальний підсилювач 21, поступає на вхід аналого-цифрового перетворювача у вигляді напруги U1 (7). Після перетворення у код напруги (7) на виході аналого-цифрового перетворювача формується код числа (14) N1=S0×U1=S0(S'0×Ф21+S'л×Ф1)+ D U', який запам'ятовується у пам'яті мікроконтролера 23 й використовується для подальших перетворень. У третьому такті по команді з виходу порту "С" мікроконтролера 23 встановлюється другий, нормований за значенням потужності потік Ф2 ({Ф2}={Ф0}+{ D Ф0}) оптичного випромінювання з виходу джерела 12 (чорного тіла). При цьому потік оптичного ІЧ-випромінювання Ф2 проходить крізь відкриту діафрагму 3 і отвір у корпусі оптичної системи, відбивається від напівпрозорого дзеркала, 15 88238 гіперболічної лінзи 8 і крізь оптичну лінзу 7 і обтюраторний диск 6 поступає на вхід приймача 5 вже модульованим у часі. Змінний електричний сигнал з виходу приймача 5 підсилюється до необхідного рівня за допомогою підсилювача 19 вимірювального каналу, детектується за допомогою синхронного детектора 20 і, через узгоджуючий підсилювач 21, поступає на вхід аналого-цифрового перетворювача у вигляді напруги U2 (8). Після перетворення на виході аналого-цифрового перетворювача формується код числа (15) N2=S0×U2=S0(S'0×Ф22+S'л×Ф2)+ DU'н, який запам'ятовується у пам'яті мікроконтролера 23 й використовується для подальших перетворень. У четвертому такті по команді з порту "С" мікроконтролера 22 потік оптичного ІЧвипромінювання з виходу джерела 12 (чорного тіла) встановлюється рівним потоку Ф1 оптичного випромінювання з нормованою за значенням потужністю ({Ф1}=(Ф0)-{ D Ф0}). По команді з порту "b" мікроконтролера 23 перший виконавчий механізм 14 переводить першу діафрагму 2 у відкритий стан. Потік Ф1 оптичного ІЧ-випромінювання від джерела 12 проходить крізь відкриту другу діафрагму 3 і отвір у корпусі оптичної системи, відбивається від напівпрозорого дзеркала 4, гіперболічної лінзи 8 і крізь оптичну лінзу 7 і обтюраторний диск 6 поступає на вхід приймача 5 вже модульованим у часі. Одночасно з ним потік оптичного ІЧвипромінювання Фx від об'єкту дослідження проходить крізь об'єктив 1, відкриту першу діафрагму 2 і, відбиваючись від гіперболічного дзеркала 8, поступає через лінзу 7 і обтюраторний диск 6 на вхід приймача 5 вже модульованим у часі. У цьому такті на вхід фотоприймача 5 потрапляє перший сумарний потік Ф3 з потужністю {Ф3}={Ф1}+{Фх}. Змінний електричний сигнал з фотоприймача 5 підсилюється до необхідного рівня за допомогою підсилювача 19 вимірювального каналу, детектується за допомогою синхронного детектора 20 і, через узгоджувальний підсилювач 21, поступає на вхід аналого-цифрового перетворювача у вигляді напруги U3 (9). Після перетворення на виході аналого-цифрового перетворювача маємо код числа N3=S0×U3=S0(S'н×(Ф1+Фх)2+S'л×(Ф1+Фх))+ D U'Н,(16)який запам'ятовується у пам'яті мікроконтролера 23 й використовується для подальших перетворень. 16 У п'ятому такті по команді з порту "С" мікроконтролера 23 на виході джерела 12 (чорного тіла) встановлюється потік Ф2 оптичного випромінювання з другою нормованою за значенням потужністю, тобто {Ф2}={Ф0}+{ D Ф0}. Потік Ф2 оптичного випромінювання проходить крізь відкриту другу діафрагму 3 і отвір у корпусі оптичної системи, відбивається від напівпрозорого дзеркала 4, гіперболічної лінзи 8 і крізь оптичну лінзу 7 і обтюраторний диск 6 також поступає на вхід фотоприймача 5 вже модульованим у часі. Одночасно з ним потік оптичного ІЧвипромінювання Фх від об'єкту дослідження проходить крізь об'єктив 1, відкриту першу діафрагму 2 і, відбиваючись від гіперболічного дзеркала 8, поступає через лінзу 7 і обтюраторним диском 6 на вхід фотоприймача 5 також модульованим у часі. В п'ятому такті на вхід фотоприймача 5 потрапляє другий сумарний потік Ф4 з потужністю {Ф4}={Ф2}+{ФХ}. Змінний електричний сигнал з виходу приймача 5 підсилюється до необхідного рівня за допомогою підсилювача 18 вимірювального каналу, де тектується за допомогою синхронного детектора 19 і, через узгоджуючий підсилювач 20, поступає на вхід аналого-цифрового перетворювача у вигляді напруги U4 (10). Після перетворення на виході аналого-цифрового перетворювача отримуємо код числа N5=S0×U'5=S0(S'н×(Ф2+Фх)2+S'л×(Ф2+Фх))+ D U',(17) який запам'ятовується у пам'яті мікроконтролера 23 й використовується для подальших перетворень. Далі мікроконтролер 23 по заданій програмі здійснює обчислення дійсного значення температури згідно з рівнянням числових значень Nx = 4 {F x } , { t} × {e} × {s} × {sпр } де {Фх} - значення потужності потоку ІЧвипромінювання від об'єкту дослідження t - коефіцієнт прозорості атмосфери (визначається заздалегідь й записується у пам'ять мікроконтролера); {sпр} - значення площі приймача потоку оптичного випромінювання; e - відносна випромінююча здатність об'єкту (для об'єктів різного типу вибирається з довідкової технічної літератури і записується у пам'ять мікроконтролера); -12 2 4 s =5,67×10 Вт/см ×град - постійна випромінювання. Причому значення {Фх} потужності потоку ІЧвипромінювання від об'єкту дослідження визначається за рівнянням числових значень { g 2 } - {k1} ({ N 3 } - { N 4 }) - ({ N1} - { N 2 } ) ф . {F x } = {F 0 } × × ({ N 2 } - { N1} ) + { g ф }({ N 2 } - { N 0 } + { N1} - { N 0 }) {k 2 } Значення температури об'єкту через порт "E" мікроконтролера 23 поступає на мінііндікатор 11 та на цифровий обчислювальний пристрій 18, де й відображається. Завдяки відбивному дзеркалу 9 результат вимірювання можливо спостерігати безпосередньо у верхній частині вікна окуляра 10. (18) (19) Як видно з рівняння числових значень (12), результат визначення потужності потоку оптичного ІЧ-випромінювання від об'єкту дослідження не залежить від параметрів функції перетворення вимірювального каналу та їх відхилень від номіналь 17 88238 них значень під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів. Завдяки незалежності результату вимірювання від параметру SH, виключається похибка й від нелінійності функції перетворення вимірювального каналу. У цьому можна впевнитися, якщо у (12) підставити вирази для результатів проміжних вимірювань. Отримання з високою точністю значення {Фх} потужності потоку оптичного ІЧвипромінювання забезпечує й отримання з високою точністю дійсного значення температури об'єкту дослідження. Як було сказано вище, в кожному такті вимірювання потоки оптичного випромінювання фокусуються на вхідний отвір фотоприймача 5 заданої форми та з заданою площею поверхні. Причому отвір фотоприймача 5 бажано щоб був круглої форм, щоб на 100% використати площу його чутливої поверхні. Особливістю зазначеного технічного рішення є те, що потоки ІЧ-випромінювання оптично підсилюють у однакове число разів. Це необхідно для отримання рівноточних результатів вимірювань їх потужностей, тобто для підвищення точності вимірювання. Другою особливістю зазначеного способу є встановлення оптичного зв'язку між вхідним отво Комп’ютерна верстка М. Ломалова 18 ром фотоприймача 5 та оком оператора. Це дає можливість оператору візуально виключити витрати потоків оптичного випромінювання, завдяки точному наведенні їх на вхідний отвір фотоприймача 5. Шляхом точного наведення оптичної системи на об'єкт дослідження здійснюється збігання геометричної та оптичної осей і повне суміщення діаметрів оптичної плями, вхідного отвору фотоприймача та кола вирізу окуляра 10. Це забезпечує підвищення точності визначення дійсного значення потужності потоку оптичного випромінювання від об'єкту дослідження. Таким чином, запропоноване технічне рішення забезпечує вирішення поставленої технічної задачі і забезпечує автоматичне виключення похибки від нелінійності функції перетворення вимірювального каналу, впливу на результат вимірювання абсолютних значень параметрів функції перетворення та їх відхилень від номінальних значень, що обумовлені процесами старіння функціональних блоків та елементів вимірювального каналу за часом, зміною їх значень під впливом температури, вологості, тиску та інших дестабілізуючих факторів. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601