Неохлаждаемые тепловизоры

Кроме фотоэффекта для фиксации теплового излучения поверхности исследуемого объекта может применяться методика болометрии. Т.е. методика измерения сопротивления проводника, меняющегося вследствие нагрева падающим на него излучением. Двумерные матрицы миниатюрных терморезисторов, предназначенные для фиксации теплового изображения, получили название микроболометров. Важным преимуществом микроболометров является отсутствие необходимости охлаждения при достаточно высокой чувствительности к излучению в диапазоне 8-14 мкм.

Тепловизоры на базе микроболометров получили на данный момент наибольшее распространение. Это обусловлено следующими их преимуществами:

· невысокая, по сравнению с охлаждаемыми моделями, цена;

· компактность;

· низкое энергопотребление;

· высокая надёжность;

· быстрый выход на рабочий режим;

· и т.д.

Однако имеются и значимые недостатки:

· относительно небольшое разрешение по времени;

· несколько меньшее пространственное разрешение;

· меньшая чувствительность к излучению;

· более высокий уровень шумов.

Мультиспектральные тепловизоры

Описанные выше варианты тепловизоров основаны на методике радиационной пирометрии со всеми свойственными ей недостатками.

Для реализации методики мультиспектральной пирометрии используют комбинацию из двух тепловизоров, работающих в разных диапазонах ИК спектра.

В случае измерения удалённых объектов два прибора располагаются параллельно рядом друг с другом. Для измерений объектов, расположенных вблизи, применяют различные оптические элементы, пространственно разделяющие изображения в среднем (2-5 мкм) и дальнем (8-14 мкм) ИК диапазонах, формируя каждое из них на своей матрице.

Данный подход, реализуя все преимущества мультиспектральной пирометрии, имеет однако несколько серьёзных проблем. В первую очередь это – цена, которая значительно выше цены приборов, работающих в одном диапазоне. Кроме того, излучение среднего ИК диапазона фиксируется только охлаждаемыми матрицами со всеми их недостатками.

Глава 3. Приборы, установки и методы исследования

В процессе работы по организации систем диагностики распределения температуры на поверхности обращенных к плазме материалов изучались различные измерительные приборы, как серийные, так и изготовленные автором. Приборы первоначально тестировались на созданном специально для этой цели калибровочном стенде, а затем – на кафедральных установках плазменного азотирования и пучково-плазменого разряда, а также на установке-имитаторе пристеночной плазмы токамака, расположенной в Казахстане.

Калибровочный стенд

Для калибровки приборов бесконтактного измерения распределения температуры на поверхности был создан калибровочный стенд, состоящий из двух полосок вольфрамовой фольги, через которые пропускается ток, с находящейся между ними термопарой. Фольга располагается в вакуумной камере, что необходимо для обеспечения стабильности температуры, т.к. потоки воздуха создают на поверхности сложное по форме и непрерывно изменяющееся распределение температуры. Схематичное изображение калибровочного стенда приведено на рисунке 1. Изначально предполагалось, что в вакууме фольга будет иметь равномерную температуру, которая будет измеряться термопарой. Однако на практике из-за тепловой неустойчивости (чем выше температура металла – тем выше сопротивление – тем сильнее нагрев – тем выше температура) распределение оказалось неравномерным. Таким образом, калибровку пришлось осуществлять только по участку фольги, расположенному непосредственно вокруг точки касания термопары. Он был виден на изображении по немного меньшей температуре за счёт отвода тепла термопарой. Тепловое изображение калибровочного стенда с отмеченным чёрной квадратной рамкой участком изображения, по которому осуществлялась калибровка, приведены на рисунке 2.

3.2 Неохлаждаемый тепловизор Fluke Ti400

В рамках работ по плазменному азотированию, где не стоит существенных требований по временному разрешению, использовался серийный тепловизор Fluke Ti400. Данный прибор внесён в государственный реестр средств измерений под номером 56816-14 и представляет собой неохлаждаемый тепловизор на базе микроболометра.

Его основные характеристики:

· диапазон измеряемых температур от -20 до 1200 °C

· погрешность измерений ±2 °C или ±2%

· частота кадров 9 Гц

· разрешение матрицы 320x240 пикселей

· тепловая чувствительность ≤0,05 °C

· спектральный диапазон от 7,5 до 14 мкм

· угловое разрешение 1,31 мрад

· углы обзора 24°x17°

· минимальная дистанция фокусировки 15 см