CC BY
45
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СЛОЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ОСНОВЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ТЕРМОГРАММ
Василий Михайлович Тымкул
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)352-11-59, e-mail: fantasy_2000@ngs.ru
Любовь Васильевна Тымкул
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)352-11-59, e-mail: fantasy_2000@ngs.ru
Юрий Александрович Фесько
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кафедра наносистем и оптотехники, тел. 8913-752-92-38, e-mail: y.a. fesko@gmail. com
В работе рассматривается методика дистанционного измерения температуры сложных поверхностей с использованием поляризационных термограмм. Методика основана на анализе термограмм с азимутами поляризации 45 и 90 градусов, использовании закона Стефана-Больцмана и теории отражения Френеля. Приведены результаты экспериментальных исследований температуры сложной поверхности носовой части фюзеляжа самолета С-80, которые подтверждают справедливость предлагаемой методики.
Ключевые слова: поляризационная термограмма, азимут поляризации, собственное тепловое излучение, сложная поверхность, абсолютная температура.
METHODS AND RESULTS
OF TEMPERATURE MEASURING COMPLICATED SURFACE BASED ON POLARIZATION THERMOGRAM
Vasily M. Tymkul
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, Candidate of Technical Sciences, Professor, Professor of Nanosystems and Optical Devices Department, tel. (383)352-11-59, e-mail: fantasy 2000@ngs.ru
Lyubov V. Tymkul
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of Nanosystems and Optical Devices Department, tel. (383)352-11-59, e-mail: fantasy 2000@ngs.ru
Yuri A. Fesko
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, Nanosystems and Optical Devices Department, tel. 8913-752-92-38, e-mail: y.a. fesko@gmail. com
The technique for remote temperature measurement of complicated surfaces using polarized infrared images is considered. It is based on thermogram analysis with polarization azimuth of 45 and 90 degrees, using the Stefan-Boltzmann law and the theory of Fresnel reflection. The experimental results of a complex surface temperature of the forward fuselage of aircraft S-80, which confirm the validity of the proposed method are shown.
Key words: polarization thermogram, polarization azimuth, own thermal radiation, complicated surface, absolute temperature.
Важнейшей и актуальной задачей современной науки, техники, медицины и производства является точное измерение абсолютной температуры различных объектов. В современной оптической пирометрии и тепловидении [1, 2] разработаны и исследованы ряд методов и схем для неконтактного измерения абсолютной температуры поверхности объектов, которые позволяют сократить перечень априорной информации об измеряемом объекте и снизить погрешность результатов измерения для объектов из различных конструкционных материалов. Тем не менее, для объектов с неплоскими поверхностями имеется ряд ограничивающих обстоятельств, которые определяются неоднозначностью значений сигналов, формируемых на выходе регистрирующих измерительных систем и температурой поверхности объекта.
В общем виде сигнал, регистрируемый тепловизионным измерительным прибором, равен (1):
иъ = 7i~lTaToSdAcos(t^)W°(T)s(^) = K • W°(T)s(^), (1)
где W°(T) - функция Планка для интегральной светимости АЧТ; е(у) -индикатриса коэффициента излучения материала поверхности объекта; K -постоянная прибора и условий наблюдения объекта; у - угол ориентации нормали к элементу dA поверхности объекта по отношению к наблюдателю; S - интегральная чувствительность приемника излучения тепловизора; та и то - коэффициенты пропускания слоя атмосферы между тепловизором и объектом и оптической системы тепловизора.
Поскольку сигнал, регистрируемый измерительной аппаратурой, зависит от температуры, индикатрисы коэффициента излучения материала, а также формы поверхности (угла у) объекта, то в общем виде имеется неоднозначность в определении, как формы поверхности, так и абсолютной температуры. Для определения необходимой и достаточной информации при измерении температуры исследуемого объекта нами предлагается использовать разработанные методы определения трехмерной формы объектов [3-5], которые позволяют определить вначале ориентацию элементов поверхности объекта и в последствии форму поверхности наблюдаемой поверхности и значение индикатрисы е(у). В предложенных методах информацию об ориентации элементов поверхности объектов получают из анализа регистрируемого их поляризованного собственного излучения прошедшего через поляризационный фильтр.
Фактически анализируются поляризационные термограммы объектов, полученные при различных линейных азимутах поляризации, а также при использовании комбинированного фильтра, содержащего ахроматическую четверть-волновую (А/4) пластину и ИК поляризатор [3-5].
На основе анализа двух поляризационных термограмм с азимутами 45° и 90° определяется угол у ориентации элементов поверхности объекта по следующей формуле:
/ = arccos
1 -
1 — и о
а • cos
Г1—и 11
ад о
_и2 - 1],
(2)
где и и и2 - величины видеосигналов поляризационных термограмм элементов изображения; а - параметр, зависящий от материала и шероховатости поверхности объекта.
Для нахождения значения индикатрисы коэффициента излучения е(у) при измеренном угле у воспользуемся следующими соображениями.
На основе теории отражения Френеля и закона сохранения энергии величины сигналов для параллельной и перпендикулярной компонент собственного излучения можно записать в виде:
и = К -Ж°(Т)еа(¥);
и±= К - Ж ° (Т )е± (И.
Причём, параллельная ец(у) и перпендикулярная еДу) компоненты коэффициента излучения материала в зависимости от оптических свойств материала поверхности определяются выражениями (3) и (4) [1,2]:
£□(/) =
4п cos/
(п cos/ +1) + k 2cos2/
(3)
£± (/)
4п cos/
(4)
где п и k - действительная и мнимая части комплексного показателя преломления материала поверхности объекта.
Из выражений (3) и (4) следует зависимость коэффициента излучения поверхности не только от материала, но и от направления ее наблюдения относительно вектора нормали поверхности. Таким образом, применение метода определения формы поверхности объекта уточняет значение
коэффициента излучения, который используется для определения температуры в пирометрии и тепловидении как элемент априорной информации об объекте.
Рассмотрим это более подробно. На основании закона Стефана-Больцмана для собственного теплового излучения зависимость видеосигнала интегральной по длинам волн термограммы от температуры поверхности объекта может быть представлена в виде:
С учетом (3) и (4) индикатрису коэффициента излучения можно найти:
где п - параметр, зависящий от шероховатости поверхности объекта.
Тогда температуру поверхности можно определить следующим образом:
Приведем формулу (7) к инженерному виду. Для этого, выражение (5) необходимо нормировать на постоянную величину оК:
Таким образом, на основании анализа поляризационных термограмм с азимутами ?п=45° и ?п=90°, закона Стефана-Больцмана и теории Френеля, разработана методика измерения абсолютной температуры наблюдаемых сложных поверхностей. Данная методика может найти широкое применение при тепловых испытаниях поверхностей авиационной техники, а также при измерении теплозащитных свойств строительных и энергоемких объектов.
Экспериментальные исследования абсолютной температуры сложной поверхности летательных аппаратов проводились на базе ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина».
В качестве опытного объекта в эксперименте использовалась носовая часть фюзеляжа летательного аппарата С-80, фотография которого и профиль с маркерами измерения температуры приведены на рис. 1.
Среднеарифметические результаты измерения температуры по маркерам, согласно рис. 1б, оптическим пирометром ^егторо^ и тепловизионной камерой 1п£гаСат при нормальных климатических условиях (НКУ) и при температуре среды 24,4 °С приведены на рис. 2.
и = К • є(/)аТ4.
(5)
(6)
(7)
и = и/Ка ;
тогда значение абсолютной температуры определяется по формуле:
т = 4 и' /£(/),
8 2 4
где о=5,67-10" (Вт/м •К ) - постоянная Стефана-Больцмана.
а) б)
Рис. 1. Носовая часть фюзеляжа ЛА С-80 а) фотография ЛА; б) контур профиля с маркерами
----1 - ТВП;
Номер маркера
Рис. 2. Значения температуры носовой части фюзеляжа ЛА С-80
Поверхность объекта выполнена из различных по излучательным характеристикам материалов. Этим объясняется достаточно резкое изменение температурной кривой в области от маркера 1 до маркера 10. При этом следует отметить участок 6-10, который выполнен из стеклопластика и имеет выпуклую форму с изменяющимся углом у между нормалью и направлением измерения, поэтому здесь выражена характерная зависимость изменения температуры от ориентации излучающей площадки. Угловая индикатриса коэффициента излучения материала (маркеры 6-10, рис. 2) приведена на рис. 3 а.
На основе описанной методики измерения температуры с учетом формы поверхности выполнены эксперименты, конечные результаты которых приведены на рис. 3б.
---1 - ТВП; ----2 - Пирометр;
- 3 - Пирометр (по нормали); •••*•• 4 - Эксперимент
Номер маркера
а) б)
Рис. 3. Индикатриса коэффициента излучения и результаты измерения температуры сложной поверхности ЛА С-80
В целом, на рис. 3б приведены следующие данные температуры поверхности объекта: 1 - результаты измерения тепловизионной камерой (ТВП) без учета ориентации элементов поверхности; 2 - результаты измерения температуры пирометром при наблюдении элементов поверхности ЛА с позиции наблюдения ТВП (кривая 2); 3 - результаты измерения температуры пирометром при наблюдении элементов поверхности по их нормали; 3 - результаты измерения температуры по предлагаемой методике на основе поляризационных термограмм. При этом полученные поляризационные тепловизионные изображения объекта приведены на рис. 4.
б) ?п=0° в) ?п=45° г) ?п=90°
Рис. 4. Поляризационные тепловые изображения самолета С-80
Кроме того, следует отметить, что пирометр «^егторотЪ> был откалиброван по излучению эталонного источника, который входил в комплект контрольно-юстировочной аппаратуры к тепловизору «Радуга-ЭВМ» («Азовский оптико-механический завод», Россия).
Анализ измерений и данных графиков (рис. 2 и 3б) подтверждает различие значений температуры поверхности от угла наблюдения относительно её вектора нормали, а также возможность определения температуры сложных поверхностей на основе предложенной методики с использованием поляризационных термограмм. Измерение температуры с использованием предложенной методики позволяет сократить перечень априорной информации об измеряемом объекте и снизить погрешность результатов измерения как для объектов из различных конструкционных материалов, так и для объектов с неплоскими поверхностями, имеющих ряд ограничивающих обстоятельств, которые определяются неоднозначностью значений сигналов, формируемых на выходе регистрирующих измерительных систем и температурой поверхности объекта.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Свет, Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур [Текст] / Д. Я. Свет. - М.: Наука, 1982. - 296 с.
2. Снопко, В.Н. Спектральные методы оптической пирометрии нагретой поверхности [Тескт] / В.Н. Снопко. - Минск : Наука и техника, 1988. - 152 с.
3. Пат. 2410654 РФ, МПК G01J 5/52. Способ измерения температуры [Текст] / В. М. Тымкул, Л. В. Тымкул, Ю. А. Фесько, Д. С. Шелковой.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СГГА». - № 2009134008/28; опубл. 27.01.2011; Бюл. № 3. - 6 с.
4. Пат. 2431936 РФ, МПК H04N 5/33. Способ тепловизионного распознавания формы объектов [Текст] / Тымкул В.М., Фесько Ю.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СГГА». - 2010129703/09; заявл. 15.07.2010; опубл. 20.10.2011, Бюл. № 29. -8 с.
5. Пат. 2141735 РФ, МКИ H04N 5/33. Способ тепловизионного распознавания формы объектов / В.М. Тымкул, О.В. Тымкул, Л.В. Тымкул, М.И. Ананич, заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СГГА». - №95111870; заяв 11.02.95; опубл. 20.11.99, Бюл. № 32. - 4 с.
© В. М. Тымкул, Л. В. Тымкул, Ю. А. Фесько, 2014
