CC BY
99
УДК 621.384.3
О ПРИНЦИПАХ ПОСТРОЕНИЯ ИНФРАКРАСНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ АНАЛИЗА ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Изложены основные требования к инфракрасному (ИК) диагностическому оборудованию для определения температурных режимов узлов и деталей транспортных средств (ТС). Рассмотрены общие принципы построения диагностических комплексов.
Ключевые слова: инфракрасная диагностика, приемники ИК-излучения, тепловизоры, тепловизионные системы, ИК-термография.
В.И. Бедратый
Введение
Эксплуатационная надёжность и эффективность ТС во многом определяется их техническим состоянием. Работоспособность всех систем ТС существенно влияет на расходование топливноэнергетических и трудовых ресурсов, а также на безопасность движения. Одним из путей повышения эксплуатационной надёжности и эффективности ТС является внедрение в систему технического обслуживания и ремонта методов и средств диагностики. В последние годы с развитием средств электроники появились и совершенствуются в направлении расширения их функциональных возможностей, усложнения решаемых задач и применения микропроцессоров и ЭВМ и средства диагностирования.
Одним из перспективных направлений диагностики ТС является бесконтактная ИК-диагнос-тика. За последние годы ИК-техника интенсивно развивалась, что обусловлено, прежде всего, появлением ряда новых технических идей, позволяющих улучшить эксплуатационные характеристики ИК-систем, упростить их конструкцию и существенно снизить стоимость. Новые идеи относятся в первую очередь к основному элементу приёмной системы - фотоприёмному устройству. Вслед за созданием твёрдотельных формирователей сигналов изображения в видимой области спектра, многоэлементные приёмники изображения, функционирующие на новых принципах, создаются и для ИК-диапазона. Интенсивное развитие тепловидения вызвано рядом причин, включающих возросшие потребности в теплови-зионных системах в различных областях науки и техники и качественное улучшение элементной базы (в первую очередь приёмников ИК-излучения), на основе которой создаются эти приемные системы.
Анализ публикаций
Вопросу диагностирования ТС с использова-нием ИК аппаратуры посвящено значительное число публикаций. В частности, для обеспечения безопасности передвижения ТС при неблагоприятных погодных условиях, а также для поддержания заданного теплового режима в салонах при низкой температуре окружающей среды, необходим обогрев стёкол ТС, который реализуется различными методами: теплым воздухом, спиралями, закреплёнными на специальных держателях, плёночными нагревательными элементами. Это объясняет практическую необходимость разработки методов контроля равномерности температурных полей электрообогревных стёкол, которые бы позволили сравнивать разные конструкторские и технологические решения, направленные на выравнивание поля температур по соответствующей поверхности. Контактные методы контроля температур имеют ряд недостатков: наличие контакта с излучающей поверхностью, невозможность количественного измерения величины неравномерности, сложность в документировании информации. Бесконтактные методы контроля равномерности температуры свободны от указанных недостатков и могут быть реализованы с помощью оптико-электронных измерительных систем. В частности, для исследования электрообогревных стёкол был разработан специализированный тепловизор с расширенными функциональными возможностями и улучшенным метрологическими характеристиками [1].
Для безопасной эксплуатации полотна автострад и взлётно-посадочных полос аэродромов необходимо контролировать их состояние, поскольку всегда существует вероятность разрушения этих объектов. Это особенно важно в условиях, которые характеризуются существенными сезонными
колебаниями температуры, большим количеством осадков, сложным характером дренажа почвенных вод и т.п., что приводит к созданию в асфальтобетонном покрытии пустот, расслоений, трещин и других дефектов. Одним из эффективных методов контроля асфальтобетонных покрытий является тепловой метод, позволяющий обнаружить дефекты по тепловому контрасту на поверхности покрытия [2].
Блоки электронных узлов и систем ТС (в частности, автомобилей) работают в неблагоприятных температурных условиях (температура в месте установки блоков принимает значения от 230 до 400 К). Поэтому представляется актуальным ещё на стадии проектирования блока оценивать его тепловой режим и принимать соответствующие меры для обеспечения нормального теплового режима, при котором температура окружающей среды, корпуса или электрорадиоэлементов не превышает значений, указанных в технических условиях. Наиболее рациональный путь для анализа тепловых режимов блоков и деталей на этапе проектирования - это математическое моделирование теплообмена в блоках с учётом внешних температурных влияний [3].
Цель и постановка задачи
Дальнейшие работы по применению тепловых методов диагностики на транспорте, безусловно, являются актуальными и позволяют усовершенствовать диагностическое оборудование ТС. Поэтому целью настоящей работы является разработка общих принципов использования тепловых и, в частности, тепловизионных методов и средств для получения количественной информации о температурных режимах работы систем, узлов и деталей ТС. Для решения поставленной задачи следует провести анализ работы тепловых и тепловизионных устройств и систем, разрабо-таных к настоящему времени, с целью их применения для диагностики ТС, с учётом условий эксплуатации последних: рабочего диапазона температур, надёжности и достоверности диагностической информации, трудоёмкости диагностирования.
Выбор тепловизионных систем и режимов их работы
При выборе тепловизионной системы необходимо обеспечить многие, зачастую противоречивые требования: надёжность, высокую чувствительность в заданном диапазоне температур, простоту в обслуживании, невысокую стоимость оборудования, малые габариты и вес измерительной установки. Возрастающий интерес к тепловизион-ным (или в общем случае ИК-системам) за последнее время совпал с качественным скачком в создании приёмников ИК-излучения на новых принципах функционирования. В последние годы
создана и интенсивно развивается техника так называемой повышенной плотности съёма информации в фокальной плоскости приёмной системы. Для диапазона рабочих температур систем, узлов и деталей транспортных средств 230-400 К и окон прозрачности атмосферы 3-5 и 8-14 мкм уже к концу 70-х годов прошлого века были разработаны и серийно выпускались одноэлементные приёмники ИК-излучения, пороговые характеристики которых определялись флуктуациями излучения фона. Для таких систем улучшить пороговую чувствительность можно было только за счёт ухудшения других характеристик, например, уменьшения поля обзора или увеличения времени обзора. Анализ показывает, что существенно улучшить характеристики ИК-систем можно за счёт увеличения числа фоточувствительных элементов в приёмнике излучения. В этом случае уменьшается полоса частот, в которой детектируется шум, и обеспечиваются высокие пороговые параметры приёмной системы. Для уменьшения тепловой нагрузки на систему охлаждения предложен новый метод построения многоэлементных приёмников излучения. Суть метода заключается в объединении матрицы фоточувствительных элементов с процессором, осуществляющим первичную обработку сигнала непосредственно в фокальной плоскости приёмной системы. Такой процессор в простейшем случае должен производить мультиплексирование сигналов различных элементов многоэлементного приёмника. В этом случае число электрических выводов, соединяющих охлаждаемую и неохлаждаемую части многоэлементного приёмника, резко уменьшается. Более совершенный процессор должен одновременно проводить и первичную обработку сигнала, например, усиливать сигнал, суммировать сигналы соседних элементов с некоторым сдвигом по фазе и т.п. Структурная схема фотоприём-ного устройства на многоэлементном приёмнике излучения представлена на рис. 1.
Дальнейшее развитие тепловизионных систем для диагностики ТС связано с разработкой методов и устройств (в том числе оптических) для обработки информации и с созданием новых средств регистрации ИК-илучения. Совершенствование фотоприёмных устройств, сочетающееся с достижениями микроэлектроники, позволяет ожидать значительного прогресса в этой области. В частности, появление новых типов тепловизи-онных систем, основанных на электронном сканировании, значительно ослабляет интерес к разработке новых приборов с традиционным сканированием (оптическим). Их преимущества -низкая стоимость, простота автоматизации и эксплуатации, высокое температурное разрешение. В тех случаях, когда не требуется сканирование в обеих плоскостях, можно эффективно применять относительно несложное устройство типа «термопрофиль», интерес к которому возрастает благодаря использованию термоэлектрического
охлаждения элемента. В диагностике ТС подобные устройства можно использовать для анализа пространственного распределения ИК-излучения узлов и деталей изучаемой системы, а также для исследования неравновесных тепловых процессов.
Рис. 1. Структурная схема фотоприёмного устройства на многоэлементном гибридном приемнике излучения с электронными схемами обслуживания. 1 - матрица фото-чувствительных элементов; 2 - схема объединения матрицы 1 и процессора 3; 3 - процессор; 4 - устройства усиления и интегрирования сигнала; 5 - аналогово-цифровой преобразоыватель; 6 - цифро-аналоговый преобразователь; 7 - ОЗУ
Перспективными являются устройства ИК-диаг-ностики, использующие пироэлектрические видиконы. Преимуществом тепловизионной системы с пироэлектрическим видиконом является использование телевизионного стандарта изображения, высокое временное разрешение и компактность, сочетающиеся с хорошим пространственным разрешением. В развитии пироэлектрических видиконов достигнуты практически предельные параметры [4]. К числу пироэлектрических тепловизионных систем, предназначенных для научных исследований, относятся камеры с пировидиконом, имеющим максимум чувствительности в области 3,0 - 5 и 8 -14 мкм, что обеспечивает потребности их практического применения для изучения температурных режимов узлов и деталей ТС. Особенностью использования пировидиконов в автоматизированных системах является трудность обеспечения сверхбыстродействующих АЦП (для ввода информации за время формирования телевизионного кадра) и необходимость применения быстродействующих спецпроцессоров для обработки данных в реальном времени с учётом характеристики используемого пировидикона. Несмотря на широкое внедрение пировидиконов, с ними успешно конкурируют приборы с зарядовой связью (ПЗС).
ПЗС с самого начала их возникновения применялись для формирования видеосигнала и аналоговой обработки информации, заменяя вакуумные передающие телевизионные трубки. Такой миниатюрный твёрдотельный аналог видикона
представляет собой кремниевую пластину, содержащую несколько сот тысяч емкостей (20х20 мкм), созданных на основе металл-окисел-полупроводниковых (МОП)-структур, заряд которых пропорционален освещенности пластины. Меняя поочерёдно смещение на электродах емкостей, заряды перемещают на выход формирователя и усиливают, тем самым осуществляя электронное сканирование. Технологичность кремния привела к разработке кремниевых ИК-детекторов, легированных индием, таллием, серой, галлием и др., работающих при охлаждении до 20 - 80 К. Спектральный диапазон 3 - 5, 5 - 8, 8 - 14 мкм и температура охлаждения ИК ПЗС определяются типом примеси. Применение ПЗС в тепловидении позволяет отказаться от устройств сканирования и фокальной оптики, обеспечивает высокую надёжность, чувствительность и разрешение в режиме накопления заряда, что делает перспективным построение ИК-диаг-ностических систем, приспособленных к изучению температурных режимов ТС.
Перспективной для диагностики ТС является модульная конструкция системы ИК-термографии. Одним из примеров тепловизионной системы модульной компоновки, ориентированной на обработку информации в цифровой форме, является система тепловизор - ЭВМ. Особенность её - лёгкость адаптации к различным условиям измерений и возможность варьировать диапазон скорости развёртки изображения и поля обзора. Система ввода информации в ЭВМ позволяет осуществлять введение в ЭВМ до пяти кадров, что существенно повышает точность измерений
[5].
Система спектрального анализа в ИК-термо-графии позволяет получать одновременно с ИК-изображением объекта распределение энергии его излучения по спектру. При этом можно достичь качественного уровня знаний об объекте. Для этой цели следует использовать быстродействующие ИК-спектрорадиометры. С помощью этих приборов можно определить спектральную прозрачность атмосферы. Для изменения угла поворота дифракционной решётки следует использовать шаговый двигатель под управлением микро-ЭВМ, а напряжение, пропорциональное измеренному коэффициенту пропускания (отражения) с функционального резистора подавать на вход АЦП. Полученный спектр сохраняется и (или) обрабатывается по заданному алгоритму. Для решения ряда задач диагностики ТС нет необходимости применять в полной мере возможности тепловизионной аппаратуры и, прежде всего, получения всей тепловой картины узла или детали. Зачастую достаточно измерить температуру в отдельных точках. В таком случае представляется целесообразным бесконтактную диагностику обеспечивать с помощью ИК-ра-диометра. Основным чувствительным элементом
такого радиометра может быть пироэлектрический приёмник излучения, обладающий неселективными характеристиками и чувствительностью в широкой области спектра. Высокая чувствительность пироэлектрических приёмников обеспечивается выбором пироэлектрического материала (наиболее часто триглицинсульфата или Li Та 03) и применением специальных покрытий для электрода. В значительной степени спектральные характеристики фотоприёмника определяются материалом его окна. Для измерения температур можно рекомендовать пироэлектрический приёмник излучения, позволяющий проводить эксперименты в диапазоне длин волн 2 - 25 мкм. Модулирование потока ИК-излучения объекта следует осуществлять обтюратором, вращающимся с частотой порядка 20 Г ц. Фокусировку потока можно обеспечить простым сферическим зеркалом. В зависимости от характера проводимых измерений следует предусмотреть возможность подключения схем для усиления сигнала. Для прямоугольной входной функции чувствительность K фотоприёмника определяется соотношением
K = avKJRE(1-elRECR)e\RтHт)-\
где а - поглощательная способность, К - токовая чувствительность, RE - сопротивление обратной связи, CR - общая ёмкость в режиме генератора напряжения, RT - тепловое сопротивление, HT - тепловая ёмкость.
Отношение частот и (2лRECR)"1 опре-
деляет форму выходного сигнала пироэлектрического приёмника. При медленно изменяющемся
сигнале /<(2лRTЯT)"1 форма выходного сигнала соответствует входному.В случае высокочастотной модуляции ^(2^еС^-1 выходной сигнал определяется полной энергией падающего импульса ИК-излучения и амплитуда сигнала измеряется в его конце. В этом случае чувствительность фотоприёмника находится по выражению
К=а^С\
Из приведенного следует, что при измерении потоков излучения необходимо тщательно выбирать частоту модуляции, способ её стабилизации, момент измерения величины выходного сигнала относительно начала периода модуляции. Особое внимание следует уделять вопросу стабилизации температуры корпуса фотоприёмника и определению величины средней мощности ИК-излучения, падающего на детектор, так как с увеличением температуры чувствительность его резко падает. Использование ИК-радиометров в составе тепловизионной системы позволяет значительно расширить её функциональные возможности. Это достигается применением ИК-радиометров для наблюдения за динамикой изме-
нения температуры на участках объекта недоступных для тепловизионных измерений, оценки спектрального состава регистрируемого излучения в широком спектральном диапазоне (2 - 25 мкм), получения предварительных оценок о диапазоне рабочих температур и возможности проведения тепловизионных измерений.
Выводы
Проблема тепловой диагностики узлов, устройств и деталей транспортных средств с каждым годом становится всё более актуальной. К настоящему времени разработано большое число ИК-уст-ройств, различающихся по своим характеристикам и параметрам, по стоимости, надёжности, точности и ряду других важных для практического использования параметров. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо тщательно определить условия ИК-термического эксперимента: температурный диапазон, требования к точности и надёжности результата, цены оборудования, трудоёмкости опытов, необходимости документирования результатов эксперимента и т.п. Тщательное планирование метрологических работ с учётом уровня развития ИК-диагностики позволит в каждом конкретном случае получить необходимый результат с минимальными экономическими затратами.
Литература
1. Коломзаров Ю.В., Кравченко С.Л., Маслов
B.П. та ін.Тепловізійний неруйнівний метод дослідження прозорих тонкоплівкових на-грівачів // Космічна наука і технологія. -2005. - т. 11. - № 5/6. - С.Ш-П4.
2. Сизов Ф.Ф., Бехтір О.В., Білевич Е.О. та ін.
Багатоелементний тепловізор з високою температурною чутливістю та телевізійною частотою кадрів // Наука та інновації. -2005. - Т.1. - №3. - С.20-23.
3. Журавлев А.А. Метод математического моде-
лирования и бесконтактные измерения тепловых режимов электронных устройств автомобиля. Тепловидение / Сб. научн. трудов. - М., 1988. - С. 112-117.
4. Таубкин И.И., Трищенков М.А. Предельные
значения чувствительности тепловизоров и информативности систем технического зрения // Прикладная физика. - 2001. - №6. -
C.48-60.
5. Колобродов В.Г. Аналіз методик визначення
дальності дії тепловізійної системи спостереження // Наук. вісті нац.техн. ун-ту України. - К.: Київ. політехн. ін-т. - 2001. - №3. -С. 100-103.
Рецензент: О.П. Алексеев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 10 января 2007 г.
