Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов визуализации температуршх полей. метод изооптического термопреобразования. постановка задачи исследования 15
1.1. Анализ методов визуализации температурных полей . 15
1.2. Визуализация температурного поля методом иэоолти-ческого термопреобразования 26
1.3. Постановка задачи исследования 35
2. Термооптические характеристики изооптических преобра зователей для исследования тепловых полей 38
2.1. Выбор полимера как термочувствительного компонента преобразователя 38
2.2. Расчет основных термооптических параметров преобразователя типа ИПС 43
2.3. Исследование влияния температурного градиента по толщине изооптического преобразователя на его термооптические параметры 46
3. Экспериментальное исследование термооптических парамет ров преошазователей ипа ипс. разработка ряда преобра зователей для температурного диапазона от минус 20 до плюс 150 С 65
3.1. Результаты разработки изооптических систем на ос нове полимерных материалов 65
3.2. Измерительная аппаратура и методика экспериментального исследования 69
3.3. Экспериментальное исследование температурно-спектральной характеристики и термооптических параметров преобразователей типа ИКС 76
3.4. Экспериментальное исследование спектральной избирательности преобразователей типа ИКС 84
3.5. Экспериментальное исследование термооптических параметров в зависимости от температурного градиента по толщине изооптического преобразователя 92
3.6. Методика выбора компонентов, обеспечивающих преобразователю заданные характеристики 104
3.7. Разработка ряда преобразователей типа ИКС для исследования температурных полей 108
4. Разработка аппаратуры для иссщования температурных полей методом и30ошмческ0го термопреобразования 130
4.1. Анализ пространственно-спектральной структуры оптического сигнала изооптического термопреобраэо-вателя 130
4.2. Разработка принципов визуализации и регистрации температурных полей методом изооптического термопреобразования 144
4.3. Аппаратура для визуализации и исследования температурных полей 157
Выводы 170
5. Разрешающая спосошость измерителшого комплекса для исследования температурных полей 172
5.1. Основные параметры, характеризующие разрешающую способность измерительного комплекса 172
5.2. Исследование пороговой температурной разрешающей способности 177
5.3. Исследование геометрической разрешающей способности 180
5.4. Исследование разрешающей способности изооптичес-кого комплекса при измерении локальных температур 187
5.5. Исследование методов повышения разрешающей способности изооптических преобразователей 192
6. Метролошческие характерисіики комплекса для исследо вания тепловых полей методом и300птического термопреобразования 205
6.1. Инструментальная погрешность изооптических преобразователей для исследования температурного поля- 205
6.2. Инструментальная погрешность аппаратуры для исследования температурных полей 207
6.3. Инструментальная погрешность измерительного комплекса для определения поверхностного распределения плотности тепловых потоков 212
6.4. Определение температурного поля объекта по результатам его экспериментального исследования 218
6.5. Перспективы развития и область применения мето да 229
Выводы 248
Заключение 250
Список литературы 252
Приложение I
- Визуализация температурного поля методом иэоолти-ческого термопреобразования
- Расчет основных термооптических параметров преобразователя типа ИПС
- Измерительная аппаратура и методика экспериментального исследования
- Разработка принципов визуализации и регистрации температурных полей методом изооптического термопреобразования
Введение к работе
Решение актуальных проблем 80-х годов и одиннадцатой пятилетки предусматривает все большее внедрение радиоэлектроники во все отрасли народного хозяйства.
Современные радиоэлектронные системы представляют собой сложные комплексы, состоящие из огромного числа различных элементов, таких, как полупроводниковые приборы, интегральные схемы и т.д. Работоспособность таких систем зависит от внутренних физических процессов в отдельных радиокомпонентах, большое влияние на которые оказывает температура. От 10 до 50% случаев выхода из строя радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) связаны с нарушением ее теплового режима либо с работой в предельно допустимых температурных условиях /1-4/. В связи с этим постоянно возрастает роль тепловых измерений в РЭА. По данным /5/, 90-95$ всех форм энергии в РЭА превращается в тепловую, и тепловое поле в аппаратуре является эффективным показателем ее качества и надежности.
Вместе с тем, анализ методов теплового контроля РЭА показывает, что при многообразии способов и средств локального измерения температуры наблкщается значительное отставание в разработке методов непрерывного исследования тепловых полей. Методы инфракрасной (ЙК) термометрии, получившие относительное распространение во многих отраслях техники, не находят практического применения в РЭА ввиду широкой номенклатуры радиокомпонентов и отсутствия достоверных данных о их коэффициенте черноты. Другие известные методы исследования температурных полей аппаратурно сложны и специфичны, что ограничивает их использование в РЭА. В то же время методы исследования тепловых полей (поверхностного распределения температуры и тепловых потоков) отличаются значительно большей информативной способностью по сравнению с контролем параметров в отдельных точках объекта, применение их исключает ошибки при выявлении областей локального перегрева, при оценке топологии радиоэлектронных плат с точки зрения теплового режима работы РЭА, обеспечивает полный объем данных для прогнозирования надежности аппаратуры. В связи с этим разработка новых эффективных методов исследования тепловых полей с учетом специфики температурного контроля РЭА является актуальной проблемой.
Ц е ль ю диссертации является разработка методов исследования тепловых полей на основе изооптического термопреобразования и соответствующего измерительного комплекса, отвечающего требованиям температурного контроля РЭА по точности, безопасности иэмеренийи разрешающей способности. - Целесообразность разработки изооптического метода обоснована результатами анализа известных методов исследования тепловых полей, проблем в области температурного контроля РЭА и физических основ изооптического термопреобраэования.
Разработка метода проводится по приказу Министра № 34 от 25.01.80 г.
В настоящей диссертационной работе показано, что наиболее перспективными для решения поставленной задачи являются иаоопти-ческие композиции на основе полимерных материалов, оптимальными из которых признаны кремнийорганические каучуки марки СКТФВ. Это обусловлено технологичностью каучуков, уникальными изоляционными и диэлектрическими свойствами (что существенно с учетом условий работы РЭА), химической стойкостью к воздействию солнечного света и повышенной влажности, высокими температурно-спектральной чувствительностыо и спектральной избирательностью изооптических композиций на основе каучуков, возможностью изготовления преобразователей в виде эластичных пленок, гибких пластин, замазки и лака.
В результате исследования термооптических параметров композиций на основе каучуков, наполненных порошком оптических стекол (ИКС), разработана методика выбора компонентов, обеспечивающих преобразователю заданные характеристики. По этой методике разработан ряд преобразователей для измерений в области от минус 20 до плюс 150 °С, соответствующей температурному диапазону работы РЭА.
Разработка научных принципов построения приборов для визуализации температурного поля позволила создать ряд установок и специализированных приставок, обеспечивающих высокий цветовой контраст, приемлемую точность и разрешающую способность при исследовании тепловых полей в РЭА. Определена область целесообразного применения метода исследования тепловых полей на основе изооптического термопреобразования.
В диссертационной работе обоснованы следующие научные положения:
I. Температурная зависимость рефракционных параметров крем-нийорганических каучуков в области температур от минус 20 до плюс 150 С близка к линейной, а их дисперсионная зависимость описывается двучленной формулой Коши с точностью, достаточной для расчета термооптических параметров преобразователей типа ИКС с относительной погрешностью, не превышающей 2,3$ при доверительной вероятности 0,99.
2.Температурный градиент по толщине преобразователя искажает его температурно-спектральную характеристику и уменьшает свето-пропуекание пропорционально величине градиента, толщине преобразователя, кратности прохождения сквозь него светового потока и смещению контура пропускания преобразователя в коротковолновую область спектра.
3. Пространственно-спектральная структура выходного сигнала преобразователя такова, что его рабочий сигнал (максимум нулевого порядка) окружен симметричной системой дифракционных колец гало (рассеянной составляющей). Угловое отклонение колец гало от рабочего сигнала растет с уменьшением размера оптических не-однородностей изооптического слоя.
Научную новизну работы составляют следующие результаты:
разработаны теоретические основы и реализован новый метод исследования температурных полей на основе изооптического термопреобразования;
предложен и теоретически обоснован новый метод измерения поверхностного распределения плотности теплового потока, основанный на зависимости еветопропускания от температурного перепада по толщине изооптического преобразователя;
определены температурная чувствительность, геометрическая разрешающая способность и метрологические характеристики метода.
На защиту выносятся:
метод исследования температурных полей на основе изооптического термопреобразования;
метод измерения поверхностного распределения плотности теплового потока;
расчегная методика выбора компонентов, обеспечивающих преобразователю заданные характеристики;
научные принципы построения приборов для визуализации и исследования температурных полей методом изооптического термопреобразования ;
результаты исследования температурной чувствительности и геометрической разрешающей способности метода;
методика определения действительных температурных полей объектов по результатам измерений.
Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан ряд преобразователей оригинальной конструкции, обеспечивающих высокую геометрическую разрешающую способность (до 2 штрихов на I мм) и точность исследования температурного поля (инструментальная погрешность не более 0,7 К). Разработана технология их изготовления.
Создан ряд приборов и специализированных приставок, обеспечивающих высокий цветовой контраст визуализованной картины поля, регистрацию изотерм и высокую точность измерений (инструментальная погрешность не более 0,9 К). Их новизна защищена 18 авторскими свидетельствами и 2 положительными решениями ВНИИГПЭ о выдаче авторского свидетельства.
Разработанный измерительный комплекс удовлетворяет требованиям температурного контроля РЭА по точности и геометрической разрешающей способности, обеспечивает безопасность и оперативность измерений.
Измерительный комплекс эргономичен, отличается аппаратурной простотой и низкой стоимостью, удобен в эксплуатации.
Разработанный комплекс может быть успешно использован так же в электронной, авиационной и других отраслях народного хозяйства.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и одиннадцати приложений. По объему диссертация содержит 144 страницы машинописного текста, 13 таблиц и 95 рисунков. Приложения составляют 60 страниц.
Результаты работы докладывались на 2-й научно-технической конференции по тепловым режимам и системам охлаждения РЭА, Одесса, 1973, на отраслевом семинаре по температурным измерениям, Одесса, 1976, координационном совещании работников тепловых служб, Одесса, 1978.
Основное содержание работы изложено в статьях /29,45,48,74, 77,88/, материалы диссертации вошли в ряд научно-технических отчетов /55, 79/.
Разработанный измерительный комплекс для исследования температурных полей внедрен в практику теплового контроля РЭА на предприятиях п/я А-7866, п/я А-7438,1 ЦКБ "Алмаз", і
Визуализация температурного поля методом иэоолти-ческого термопреобразования
Изооптический способ визуализации тепловых полей был предложен автором в 1962 году /23/. Несколько позже (в 1965 г.) был предложен /24/ и в дальнейшем реализован изооптический метод дистанционного измерения локальных температур и соответствующий измерительный комплекс /25, 26/.
Визуализация температурного поля основана на использовании изооптического преобразователя (платы), выполненной на основе т - компонентной (/7?= 2,3...) оптически неоднородной рассеивающей системы - изооптики /27, 28/. Преобразователь представляет собой многослойную (обычно трехслойную) пленочную структуру, в которой между прозрачными подложками из стекла, слюды, либо полимера расположен термочувствительный слой (изооптика).
Метод изооптического термопреобраэования основан на селективном пропускании света оптически неоднородными системами типа суспензии (органическая жидкость - стекло, органическая жидкость-полимер) или твердого раствора (полимер - стекло, стекло -кристалл). Оптически неоднородная система является изооптикой при условии, что ее компоненты обладают следующим комплексом свойств:а) оптически изотропны и не имеют полос поглощения в видимой области спектра;б) имеют близкие показатели преломления в рабочем диапазонесистемы ( /г,»/ );в) оличаются дисперсионными характеристиками показателейпреломления ( 4 у AFC2 );г) отличаются по величине либо знаку температурным коэффи циентом показателя преломления ( г ф % ) /29/.
Механизм изооптического термопреобразования состоит в том, что при освещении преобразователя коллимированным пучком белого света на его выходе образуется коллимированный цветной луч с длиной волны Л0 (направленная составляющая светового сигнала), для которой система изотропна (совпадают показатели преломления компонентов, /z,(/ ) = пг ( л0 ), и конус рассеянных под различными углами лучей всех других спектральных составляющих белого света, образующих так называемое цветное гало.
Как правило, в изооптических системах один из компонентов является термочувствительным, например, жидкость с большим тем-пературным коэффициентом показателя преломления - р- , второй-неяермочувствительным, например, стекло, величина - & у которого на два порядка меньше, чем у жидкости. При изменении температуры изооптики точка пересечения графиков дисперсионной зависимости п. {Л) компонентов (изотропная точка) смещается по спектру вследствие изменения величины показателя преломления -термочувствительного компонента.
Сущность метода ясна из рис.1.3, на котором 1,2,3 - семейство дисперсионных характеристик термочувствительного компонента, 4 - дисперсионная характеристика нетермочувствительного компонента» 5,6,7 - контуры пропускания изооптики при соответствующих температурах.
Изменение температуры преобразователя приводит к сдвигу его полосы пропускания, что проявляется как изменение цвета выходного луча от красного до фиолетового (через все цвета спектра).
Контур пропускания изооптики (для коллимированного луча) в видимом диапазоне спектра подобен графику нормального статистического распределения. Спектральное положение максимума пропускания преобразователя зависит от его локальной температуры и при создании на нем температурного рельефа позволяет получить цветное оптическое изображение температурного поля, где каждому значению температуры преобразователя соответствует свой цвет.
Изооптические преобразователи могут работать в контактных и дистанционных системах визуализации тепловых полей. В первом случае преобразователь устанавливается на поверхности исследуемого объекта, тепловая связь между ними осуществляется кондук-тивно, во втором случае преобразователь и объект разнесены, тепловая связь между ними осуществляется тепловым излучением.
В зависимости от назначения изооптические преобразователи выполняются для работы "на просвет" (в диаскопических системах визуализации температурных полей прозрачных объектов и сред) либо "на отражение" (в зпископических и дистанционных системах при исследовании непрозрачных объектов). У преобразователей, работающих "на просвет", обе подложки прозрачны, у работающих "на отражение" - одна из подложек имеет внутреннее зеркальное покрытие. У преобразователей для дистанционных систем визуализации на внешнюю сторону подложки с зеркальным покрытием нанесен слой черни для интенсивного поглощения теплового излучения.
Изооптические системы разного типа отличаются друг от друга термочувствительностью и спектральной избирательностью в зависимости от температурных и дисперсионных свойств рефракционных параметров компонентов. Оптимальными по термочувствительности и спектральной избирательности,, являются изооптические смеси на основе органических жидкостей и оптических стекол (ИЖС),что объясняется большими величинами - и А/гс органических жидкостей /26/. Рабочий температурный диапазон ИЖС колеблется от единиц К, что удовлетворяет требованиям широкого круга задач прикладной термометрии. Их высокая спектральная избирательность обеспечивает термопреобразователю высокую цветовую контрастность.
Серьезным недостатком преобразователей типа ИЖС является сложность изготовления герметичного тонкостенного корпуса. Полимерные материалы для его изготовления практически непригодны в связи с тем, что подавляющее большинство используемых органических жидкостей (парафины, кислородные, азотные соединения и т.д.) являются активными растворителями, а изготовление метал-ло-стеклянных корпусов сопряжено с большими технологическими и конструктивными трудностями. Они связаны с низкой механической прочностью корпуса и температурным расширением жидкости, для компенсации которого в корпусе преобразователя оставляется газовый объем, требующий маскировки. Наиболее серьезным недостатком этих корпусов применительно к преобразователям для исследования температурных полей является их высокая теплопроводность, что, несмотря на малую теплопроводность изооптики (порядка 0,3 Вт.м .K-i) исключает возможность контрастной передачи температурного рельефа и приводит к резкому ухудшению геометрической разрешающей способности преобразователя.
В то же время спектрофотометрический анализ структуры цветного изображения температурного поля, отображаемого изооптичес-ким преобразователем,показывает, что по геометрической разрешающей способности последние не должны уступать люминесцентным, эвапарографическим и жидкокристаллическим преобразователям.Таким образом, применение металло-стеклянного корпуса в случае термопреобразователя для исследования температурного поля исключено, что, в свою очередь, практически исключает использование всех ранее разработанных изооптических систем типа ИЖС.Из вышеизложенного следует вывод о том, что изооптические термопреобразователи для исследования температурных полей целесообразно
Расчет основных термооптических параметров преобразователя типа ИПС
В работе /26/ определены основные термооптические параметры изооптических преобразователей типа ИЖС для измерения локальных температур при допущении об изотермичности объекта в месте их установки.
Изооптический преобразователь типа ИПС предназначен для исследования температурных полей, и предполагается, что отдельные его участки в зависимости от отображаемого температурного рельефа могут находиться при различных температурах. Разделив его условно на изотермические участки, можно при описании его исполь зовать параметры, характерные для изооптического преобразователя локальных температур, а именно:рабочий температурный диапазон 47 (« "тах), определя емый температурным интервалом, в пределах которого контур пропускания преобразователя смещается в пределах видимой области спектра, от Атіп до Лта ;температурно-спектральную чувствительность , , харак-теризующую скорость спектрального смещения контура пропускания в зависимости от температуры;спектральную полуширину полосы пропускания /1 , определяемую спектральным интервалом, в пределах которого пропускание света составляет не менее половины максимального, соответствующего центру полосы Л0 .
Температурно-спектральная характеристика i=f{AQ) устанавливает однозначную зависимость между спектральным положением максимума пропускания преобразователя и его температурой.
Рабочий температурный диапазон ограничивает область применения преобразователя, а и 2 определяют его инструментальную погрешность.
Расчетные соотношения, выражающие основные термооптические параметры преобразователя типа ИПС через оптические константы и геометрические характеристики его компонентов, могут быть получены, как и в /26/ для преобразователей типа ЙЖС, на основе уравненияопределяющего температурно-спектральную область "изооптического" состояния оптически неоднородной системы.
Применение уравнения (2.1) в данном случае затруднено в связи с отсутствием достаточного объема данных с температурной и дисперсионной зависимости рефракционных параметров полимеров, что исключает обоснованный выбор для них дисперсионной формулы, описывающей зависимость п =у(л), и аналитическое представление температурной зависимости п =f{ ).
Учитывая близость внутренней структуры жидкостей и полимеров в аморфном состоянии (наличие близкого порядка), представляется возможным использовать формулы, полученные в работе /26/ для систем типа ИЖС, в качестве первого приближения для систем типа ИПС /45/. Оценка погрешности такого приближения будет произведена на основе анализа результатов экспериментального исследования полимерных композиций. Это позволит уточнить формулы для расчета параметров систем типа ИПС, введя в них поправку на систематическую погрешность с соответствующей оценкой ее неучтенной составляющей, установить пригодность успешно использованной ранее для систем типа ИЖС двучленной формулы Коши /46/ для описания дисперсионной зависимости рефракционных параметров полимеров.
Таким образом, в качестве первого приближения для расчета термооптических параметров и температурно-спектральной характеристики систем типа ИПС приняты следующие формулы:$ - константа, определяемая формой, размером частиц стекла, их распределением в изооптической системе и объемным соотношением компонентов; Ж0 - длина пути луча света в пределах изооптической системы» мкм; d - определяющий размер частиц стекла, мкм. Формула (2,2) соответствуетЛ№гп = 0,45 мкм.л бб мкм. Ограничение видимой области спектра интервалом длин волн 0,45 -- 0,65 мкм обусловлено требованием обеспечения хорошей видности света в этом диапазоне.2.3. Исследование влияния температурного градиента по толщине изооптического преобразователя на его термооптические параметры
Исследование спектральной избирательности систем типа ЖС было проведено в /26/ при допущении об изотермичности преобразователя.
Это допущение было оправдано тем, что, благодаря высокой теплопроводности металло-стеклянного корпуса преобразователя для измерения локальных температур, температурный перепад на нем был незначительным, У преобразователей для исследований температурных полей это условие не выполняется в связи с низкой теплопроводностью полимерной структуры. При исследовании температурного поля объекта тепловой поток, рассеиваемый им в окружающую среду, проходит сквозь преобразователь, установленный на поверхности объекта, как показано на рис.2.I. Температурный где о - удельный тепловой поток, рассеиваемый объектом;А - теплопроводность преобразователя в направлении ? .
При исследовании объектов с большой мощностью тепловыделе-ния температурный перепад по толщине преобразователя м = —т-2а может достигать десятков К, что исключает в этом случае использование формулы (2.4) для расчета его полосы пропускания. Преобразователь при наличии температурного градиента по толщине может быть представлен как совокупность тонких слоев со смещенными по спектру контурами пропускания, как показано на рис.2.2.Ослабление силы потока dJ при прохождении света сквозь изооптический слой толщиной "Z , температурный перепад « на котором можно считать пренебрежимо малым, определено путем дифференцирования формулы Рамана /47/характеризующей силу О светового потока, прошедшего сквозь изооптический слой толщиной - при Const С JQ - сила света на входе преобразователя),Для выражения температурной и дисперсионной зависимости показателя преломления nfU\t) полимера в качестве первого приближения соответствии с изложенным в п.2.2, использована формула, полученная для органических жидкостей /26/,
Измерительная аппаратура и методика экспериментального исследования
Экспериментальное исследование термооптических параметров изооптических преобразователей в области температур от 20 до 150 С проводилось на стенде, схема которого показана на рис.3.2 /26/.
Преобразователь термостатировался в камере с прозрачными окнами при определенном значении температуры с в пределахДТ {Атїл -Лтал) ДЛЯ ОбеСПЄЧЄНИЯ ТребуемОгО ТвПЛОВОГО рЄЖИМасквозь рубашку камеры прогонялась жидкость соответствующей температуры. Регулирование температуры жидкости и ее циркуляция осуществлялись жидкостным ультратермостатом типа УТ-І5. Для измерения температуры в камере использовался контрольный термометр термоэлектрический дифференциальный типа ХК в сочетании с потенциометром типа Р363/І. Погрешность измерения температуры в камере составляла ± 0,2 К.
Сила света в пучке, прошедшем сквозь изооптическую плату, измерялась с помощью установленного на оптической оси стенда фотоумножителя типа ФЭУ-69 с областью спектральной чувствитель ности 300-800 нм. Выходной сигнал фотоумножителя измерялся с помощью фотоусилителя типа ФІІ6/2.
Изменяя спектральный состав света, направляемого на преобра зователь, и измеряя силу света на выходе из него с учетом спектральной характеристики стенда, определяли контур пропускания преобразователя j- f/Aj , где 7а и «У - сила света на входе и выходе преобразователя.
По нормированному контуру пропускания на уровне -Ц= = 0,5определяли спектральную полуширину /У полосы и спектральноеположение Л0 максимума пропускания преобразователя.
Термостатируя преобразователь при различных значениях температуры (, с интервалом 2-3 К), определяли Яа при каждом фиксированном значении температуры t= Const . Совокупность соответствующих значений и Ла определяет температурно-спектральную характеристику преобразователя t=f(d0). Рабочий температурный диапазон определяли по температурно-спектральной характеристике как разность значений температуры, соответствующих значениям Л0 = 0,45 и 0,65 мкм. Температурно-спектральную чувствитель-ность -j- находили в результате графического дифференцирова ния функции
При исследовании термооптических параметров в диапазоне температур ниже 20 С преобразователи термостатировались в камере тепла и холода типа " zonfancfi Со стеклянным окном. Схема стенда показана на рис.3.3. С целью стабилизации температуры преобразователь устанавливали на массивном диске из материала с высокой теплопроводностью. При этом колебания его температуры при фиксированном положении эадатчика не превышали + 0,2 К.
Методика исследования преобразователей на этом стенде принципиально не отличается от ранее описанной, за исключением Схема стенда для исследования термооптических параметров преобразователей, работающих при температуре ниже 20 Стого, что на первом стенде преобразователь работает в режиме "на просвет", а во втором - "на отражение", и при исследовании его спектральной избирательности необходимо учитывать соответствующее увеличение длины пути света в пределах преобразователя.
Исследование температурно-спектральных характеристик преобразователя в зависимости от температурного градиента по толщине проводилось на стенде, показанном на рис.3.2, при использовании термостатированных камер специальной конструкции, обеспечивающих работу преобразователя в режиме "на просвет" и "на отражение". Конструкция соответствующих камер и схема их установки показана на рис.3.4 и 3.5.
При работе в режиме отражения преобразователь устанавливался на теплопроводной стенке жидкостной термостатированной камеры. Вариации температурного градиента по толщине преобразователя осуществлялись путем изменения условий теплообмена его с окружающей средой, что обеспечивалось в результате изменения расхода воздуха, прогоняемого вентилятором. Расход воздуха изменяли регулировкой напряжения питания вентилятора. Скорость воздушного потока контролировалась термоанемометром типа ЗА-2М. Температурный перепад по толщине преобразователя измерялся с помощью контрольного термометра термоэлектрического дифференциального типа ХК, рабочие спаи которого были установлены на внутренней и наружной поверхностях преобразователя.
Погрешность аппаратуры для измерения температуры составляла + 0,2 К.При исследовании в режиме "на просвет" преобразователь устанавливался непосредственно на прозрачной стенке камеры, см. рис.3.5. Изменение температурного градиента и его контроль осуществлялись аналогично описанному выше.
Конструкция камеры для исследования термооптических параметров в зависимости от температурного градиента по толщине изооптичеекого преобразователя в режиме отражения
Конструкция камеры для исследования термооптических параметров в зависимости от температурного градиента по толщине преобразователя, работающего "на просвет"а - вид сверху; б - вид сбоку; I - жидкостная термостатированная камера; 2 - вентилятор; 3 - патрубок вентилятора; 4 - преобразователь; 5 - сквозной канал в камере; 6 - стеклянное окно камеры.
Исследование контура и спектральной полуширины полосы пропускания преобразователя также проводилось по методике,описанной ранее. Светопропускание измерялось как отношение силы света на выходе (У) и входе ( С/о ) преобразователя для Я0 , соответствующей его максимуму пропускания.При исследовании влияния температурного градиента на термооптические параметры, изменяя температурный перепад по толщине преобразователя, сохраняли неизменным А0 благодаря соответствующей регулировке температуры его основания. Измерения проводились для ряда фиксированных значений Л0 = Const.
Параметры преобразователя при наличии температурного градиента С Л0 ,/? , 7) сравнивались с аналогичными параметрами в отсутствии градиента, измеренными на этом же стенде у преобразователя, термостатированного при температуре t , соответствующей совпадению его максимума пропускания с Л0 в камере, показанной на рис.3.2.
Разработка принципов визуализации и регистрации температурных полей методом изооптического термопреобразования
Визуализация температурных полей с помощью изооптического преобразователя предполагает решение ряда задач, основными из которых являются:- исключение влияния гало на изображение поля;- повышение цветового контраста изображения полей с малым температурным градиентом;- представление визуализованных полей в удобной для регистрации форме;
Указанные задачи решались с учетом обеспечения устройствам визуализации приемлемых габаритов, конструктивной простоты и малой стоимости.
Как показано в п.4.1, выходной синал преобразователя имеет сложную пространственно-спектральную структуру, что исключает использование ранее разработанной техники визуализации фазовых неоднородных структур, как правило, предназначенной для работы в монохроматическом свете /60 - 64/.
Кольцевая структура гало налагает определенные ограничения на возможные конструкции селектирующих узлов, так как последние должны выполняться в виде осесимметричных устройств.
Как указывалось в первой главе, визуализация двумерного теплового поля может осуществляться несколькими способами:а) последовательное сканирование поля одиночным тонким лучом, обходящим преобразователь по специальной траектории;б) панорамное воспроизведение, при котором температурноеполе преобразователя визуализуется одновременно и полностью;в) фрагментарное сканирование, являющееся сочетанием двухпредыдущих (информация о полной панораме поля получается в результате последовательной визуализации его отдельных областей).
Способ последовательного сканирования для изооптического преобразователя может быть, в принципе, решен с помощью ранее разработанных для измерения локальных температур приборов типа "Глория" и "Спект" /30, 31/. Подавление гало в этих приборах осуществляется автоматически,.так как при малых размерах преобразователя (0 4 - 5 мм) и больших измерительных базах (I - 5 м) в силу естественного углового расхождения рассеянных лучей влияние гало практически неощутимо, а направленная компонента доходит до регистрирующего прибора без ослабления. Однако реализация на их основе устройств визуализации температурных полей связана с необходимостью применения сложных оптико-механических узлов развертки и использования большой измерительной базы, что затрудняет реализацию установки приемлемых габаритов и стоимости.
Панорамный способ визуализации с (фильтрацией на основе естественного рассеяния лучей гало также мало перспективен,так как при обычных размерах преобразователя требует использования источника света с высокой степенью коллимации при большом сечении пучка, что из-за большой измерительной базы связано с серьезными техническими трудностями.
Для решения этой проблемы был разработан принцип черного капилляра /65/ применительно к методу фрагментарного сканирования, осуществляющий фильтрацию выходного сигнала в параллельном ходе лучей. Для реализации предложенного метода использован черненный перфорированный экран достаточной толщины, установленный на определенном расстоянии за преобразователем. Каждое круглое отверстие экрана является капиллярным коллиматором, так как его диаметр достаточно мал, а глубина достаточно велика, чтобы поглотить черненной внутренней поверхностью рассеянную компоненту, пропустив направленную составляющую сигнала, рис.4.9. На выходе экрана наблюдается цветная мозаика, в которой каждое цвет ное пятно несет информацию о температуре определенного участка преобразователя. Для получения полной панорамы поля необходимо периодически перемещать экран в плоскости, перпендикулярной оси светового пучка.
Данные, полученные в п.4.1, позволяют оценить геометрические параметры перфорированного экрана. Как было показано, угловое отклонение 1-го дифракционного кольца для типичного преобразователя составляет у/ І9Ь. Если перфорированный экран установить непосредственно за преобразователем, то из рис.4.9,а, следует, что минимально допустимая толщина экрана ds и диаметр капилляра % находятся в соотношениии при с= 2 мм толщина экрана для у//я:1,50 составляет ds =. 80 мм. При такой толщине затруднено использование экрана в динамическом режиме. Целесообразней использовать экран тол щиной порядка = 10 мм, удалив его от преобразователя на расстояние L =с/э-с// . Как следует из рис.4.9,б, предложенная компоновка экрана и преобразователя обеспечивает поглощение 1-го дифракционного кольца гало при малой оптической базе установки и приемлемом весе экрана, позволяющем использовать последний в колебательном режиме.
Наряду с разработкой способа фильтрации выходного сигнала в параллельном ходе был предложен метод фильтрации в коническом ходе лучей /66/. Предложенный метод реализуется при установке преобразователя между линзами двухлинзового коллиматора в парал лельном ходе лучей, рис.4.10. Выходной сигнал преобразователя фокусируется второй линзой коллиматора. Вследствие осевой симметрии рабочий сигнал собирается в фокусе линзы, а гало образует кольцевую область вокруг него. Это позволяет отфильтровать направленную компоненту с помощью круглой отрезающей диафрагмы, при этом оптическая база прибора мала и определяется фокусным расстоянием второй коллиматорной линзы.
Эти способы фильтрации были положены в основу разработки приборов для визуализации и исследования температурных полей.
При исследовании полей с малым температурным градиентом даже в случае удовлетворительной фильтрации визуализованная кар тина поля имеет низкий цветовой контраст. С целью повышения точности исследования полей с малым температурным градиентом разрабатывались методы повышения цветового контраста путем хроматиче ской трансформации выходного сигнала преобразователя.Первый метод повышения контраста состоит в добавлении к двум близким малоразличимым цветам изображения третьего цвета, повышающего хроматический контраст между ними. Метод реализуется при проектировании дополнительного цветного фона на изоб
