Афонин А.В., Ньюпорт Р.К., Поляков В.С. и др. Основы инфракрасной термографии

Подождите немного. Документ загружается.

171

Êàê ïðàâèëî, ïèðîìåòðû ñíàáæàþòñÿ æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèì

äèñïëååì, íà êîòîðûé ìîæåò áûòü âûâåäåíà ñëåäóþùàÿ èíôîðìàöèÿ:

çíà÷åíèå òåìïåðàòóðû, ãðàôèê òåìïåðàòóð â îïðåäåëåííîì äèàïàçîíå

âðåìåíè, çíà÷åíèå óñòàâêè èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòè, óñòàâêà ïî

òåìïåðàòóðå ñðàáàòûâàíèÿ ñèãíàëèçàöèè, ñèãíàëèçàöèÿ î íåîáõîäè-

ìîñòè ñìåíû èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ.

Òàáëèöà 2.11.

Thermopoint 90, AGEMA.

Òåõíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè

172

Ïðîäîëæåíèå òàáëèöû 2.11

Òàáëèöà 2.12.

Ïèðîìåòðû, äëÿ èçìåðåíèÿ èçëó÷åíèé ñåðûõ òåë, ÒÅÕÍÎÀÑ.

Òåõíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè

173

ÃËÀÂÀ 3

ÒÅÐÌÎÐÀÄÈÎÌÅÒÐÈ×ÅÑÊÈÅ ÈÇÌÅÐÅÍÈß

3.1. Óðàâíåíèå ñóììàðíîé ñâåòèìîñòè, èñïîëüçóåìîå

â òåðìîãðàôè÷åñêèõ ñèñòåìàõ

Ðàäèîìåòðè÷åñêèå ïðèáîðû ÿâëÿþòñÿ ëèíåéíîé ñèñòåìîé â øè-

ðîêîì äèíàìè÷åñêîì äèàïàçîíå â ôóíêöèè ïîòîêà èçëó÷åíèÿ, ïàäàþ-

ùåãî íà ïðèåìíèê, èëè ÿðêîñòè îáúåêòà. Â óðàâíåíèè ñèãíàëà íà âû-

õîäå îïòèêî-ýëåêòðîííîãî òðàêòà âõîäèò âåëè÷èíà, íàçûâàåìàÿ

ýôôåêòèâíîé ÿðêîñòüþ, ðàâíàÿ

(3.1)

â ôóíêöèè ýôôåêòèâíîé èëè ðàäèàöèîííîé òåìïåðàòóðû T

îáúåêòà,

ãäå j(l)  îòíîñèòåëüíàÿ ñïåêòðàëüíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ÷óâñòâèòåëü-

íîñòè âñåãî òðàêòà. Òåðìîãðàôè÷åñêèé òåïëîâèçîð, îòãðàäóèðîâàííûé

ñ ïîìîùüþ èìèòàòîðà àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà, îïðåäåëÿåò èìåííî

ýôôåêòèâíóþ òåìïåðàòóðó. Ýòà òåìïåðàòóðà áóäåò ðàâíà èñòèííîé òåð-

ìîäèíàìè÷åñêîé òåìïåðàòóðå îáúåêòà â ñëó÷àå, åñëè òåëî èìååò

âûñîêèé êîýôôèöèåíò èçëó÷åíèÿ, áëèçêèé ê åäèíèöå, è íàõîäèòñÿ â

óñëîâèÿõ, êîãäà ìîæíî ïðåíåáðå÷ü âëèÿíèåì ïðîçðà÷íîñòè è èçëó÷å-

íèÿ àòìîñôåðû.

Â òåðìîãðàôè÷åñêèõ ñèñòåìàõ äëÿ ó÷åòà âëèÿíèÿ ôàêòîðîâ è

ñâîéñòâ èçëó÷åíèÿ îáúåêòà ïðè îïðåäåëåíèè èñòèííîé òåðìîäèíàìè-

÷åñêîé òåìïåðàòóðû èñïîëüçóåòñÿ óðàâíåíèå ñóììàðíîé ýôôåêòèâíîé

ÿðêîñòè, îòíîñÿùååñÿ ê íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííîìó ñëó÷àþ èçëó÷å-

íèé. Îáúåêò ñ÷èòàåòñÿ íåïðîçðà÷íûì ñåðûì èçëó÷àòåëåì, äëÿ êîòîðî-

ãî âûïîëíÿåòñÿ çàêîí Ëàìáåðòà, íàõîäÿùèìñÿ â óñëîâèÿõ ñòàíäàðò-

íîé àòìîñôåðû. Òàêèì îáðàçîì, ýôôåêòèâíàÿ ÿðêîñòü â ôóíêöèè

èçìåðÿåìîé ðàäèàöèîííîé òåìïåðàòóðû ðàâíà

, (3.2)

ãäå e  ñðåäíèé èíòåãðàëüíûé êîýôôèöèåíò èçëó÷åíèÿ â ñïåêòðàëü-

íîé ïîëîñå ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïðèáîðà.

174

Ïîñêîëüêó äëÿ ëàìáåðòîâñêîãî èçëó÷àòåëÿ ñâåòèìîñòü ïîâåðõíîñòè

R=B/p, òî óðàâíåíèå (3.2) ìîæíî ïåðåïèñàòü

, (3.3)

ãäå ýôôåêòèâíûå âåëè÷èíû ñâåòèìîñòè À×Ò ïðè ðàçíûõ òåìïåðàòó-

ðàõ îïðåäåëÿþòñÿ èíòåãðàëüíûì óðàâíåíèåì òèïà (3.1).

Â ïðèáîðå âåëè÷èíà ñèãíàëà â èçîòåðìè÷åñêèõ åäèíèöàõ ðàâíà

, (3.4)

ãäå K

 êàëèáðîâî÷íûé êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè, îïðåäå-

ëÿåìûé ïðè êàëèáðîâêå ïðèáîðà, ñâÿçûâàåò èçîòåðìè÷åñêèå åäèíèöû è

ñâåòèìîñòü À×Ò. Îïðåäåëåíèå òåðìîäèíàìè÷åñêîé òåìïåðàòóðû âû-

ïîëíÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ óðàâíåíèÿ

(3.5)

ñ ó÷åòîì ïðåäâàðèòåëüíî âû÷èñëåííûõ õàðàêòåðèñòèê àòìîñôåðû è

ôîíîâîé çàñâåòêè íà îñíîâå èñõîäíûõ äàííûõ, ââîäèìûõ â êîìïüþ-

òåð äî âûïîëíåíèÿ èçìåðåíèé. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî óòî÷íåííîå çíà÷åíèå

ñèãíàëà â èçîòåðìè÷åñêèõ åäèíèöàõ ðàâíî

, âåëè÷èíà T

îïðåäåëÿåòñÿ ïî ìàññèâàì êàëèáðîâî÷íûõ äàííûõ.

Ðàññìîòðèì îñíîâíûå ñîñòàâëÿþùèå ðàáî÷åãî óðàâíåíèÿ (3.5).

Âåëè÷èíà ýôôåêòèâíîãî êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ àòìîñôåðû

íà òðàññå íàáëþäåíèÿ äëèííîé L ðàññ÷èòûâàåòñÿ

. (3.6)

Ïîñêîëüêó âåëè÷èíà ýôôåêòèâíîãî êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ

ñëàáî çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû îáúåêòà, òî ìîæíî ïðèíÿòü â (3.6) T

@ T

175

ïðåäâàðèòåëüíî îïðåäåëèòü ðàäèàöèîííóþ òåìïåðàòóðó îáúåêòà è çà-

òåì âû÷èñëèòü ýôôåêòèâíîå ïðîïóñêàíèå àòìîñôåðû. Ïðîãðàììíîå

îáåñïå÷åíèå ðàñ÷åòà ïðîçðà÷íîñòè àòìîñôåðû ñîâðåìåííûõ òåðìîðà-

äèîìåòðè÷åñêèõ ñèñòåì îñíîâûâàåòñÿ íà èçâåñòíîé ìåòîäèêå è ïðîãðàì-

ìå Lowtran, ÷òî ïîêàçàíî, íàïðèìåð, ïðè àíàëèçå îøèáîê èíñòðóìåíòàëü-

íûõ ïîãðåøíîñòåé òåïëîâèçîðîâ Inframetrics 2100 è Agema 880 [26].

Äëÿ ïðèìåðà ïðèâåäåì ðàñ÷åòû ýôôåêòèâíîãî èçëó÷åíèÿ ÷åðíîãî

òåëà äëÿ ãîðèçîíòàëüíîé òðàññû. Äàííûå ðàññ÷èòàíû äëÿ îáëàñòè ñïåê-

òðà 812 ìêì è 3,55,5 ìêì äëÿ òåïëîâèçèîííîé àïïàðàòóðû, èìåþ-

ùåé îòíîñèòåëüíûå ñïåêòðàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè ÷óâñòâèòåëüíîñòè.

Äëÿ òîãî ÷òîáû îöåíèòü ïðîïóñêàíèå â êîíêðåòíûõ àòìîñôåðíûõ

óñëîâèÿõ íàáëþäåíèÿ íàäî îïðåäåëèòü ýêâèâàëåíòíîå ðàññòîÿíèå è

êîëè÷åñòâî îñàæäåííîé âîäû è ïî ïðèâîäèìûì íèæå òàáëèöàì ñ ïî-

ìîùüþ ëèíåéíîé èíòåðïîëÿöèè âû÷èñëèòü ýôôåêòèâíûé êîýôôèöè-

åíò ïðîïóñêàíèÿ. Â òàáëèöàõ 3.1 è 3.2 ïðèâåäåíû ýôôåêòèâíûå êîýô-

ôèöèåíòû ïðîïóñêàíèÿ àòìîñôåðû íà áîëüøèõ òðàññàõ äëÿ ÷åðíîãî

òåëà ñ òåìïåðàòóðîé 300°Ê, äëÿ äâóõ çíà÷åíèé ìåòåîðîëîãè÷åñêîé äàëü-

íîñòè âèäèìîñòè 3 êì è 20 êì, à â òàáëèöàõ 3.3 è 3.4  äëÿ êîðîòêèõ

òðàññ òîëüêî ïðè ÌÄÂ=20 êì, ò.ê. íà êîðîòêèõ ðàññòîÿíèÿõ àýðîçîëü-

íîå îñëàáëåíèå ñëàáî âëèÿåò íà ïðîçðà÷íîñòü àòìîñôåðû.

Â òàáëèöàõ 3.5 è 3.6 ïðèâåäåíû ýôôåêòèâíûå êîýôôèöèåíòû ïðî-

ïóñêàíèÿ íà êîðîòêèõ òðàññàõ, íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóåìûõ ïðè èç-

ìåðåíèÿõ â ýíåðãåòèêå äëÿ òåëà ïðè òåìïåðàòóðå 400°Ê, ãäå ïðè ñîïî-

ñòàâëåíèè ñ äàííûìè òàáëèö 3.3 è 3.4 âèäíà ñëàáàÿ çàâèñèìîñòü

ýôôåêòèâíîãî ïðîïóñêàíèÿ îò òåìïåðàòóðû îáúåêòà â îáëàñòè 812 ìêì

è ñóùåñòâåííàÿ çàâèñèìîñòü â îáëàñòè ñïåêòðà 3,55,5 ìêì.

Â ñîîòâåòñòâèè ñ óðàâíåíèåì (3.5) ñâåòèìîñòü À×Ò ïðè òåìïåðà-

òóðå ýôôåêòèâíîé ôîíîâîé çàñâåòêè T

ðàâíà ýôôåêòèâíîé îñâåùåí-

íîñòè ïîâåðõíîñòè íàáëþäàåìîãî îáúåêòà èç ïîëóñôåðû, ÷àñòü êîòî-

ðîé ñ êîýôôèöèåíòîì (1-e) îòðàæàåòñÿ â íàïðàâëåíèè íàáëþäàòåëÿ.

Âûÿñíèì, êàêèì îáðàçîì îïðåäåëÿåòñÿ ýôôåêòèâíàÿ îñâåùåííîñòü

ïîâåðõíîñòè îáúåêòà.

Ýôôåêòèâíàÿ îñâåùåííîñòü ôîíîâîé çàñâåòêè âåðõíåé ïîëóñôå-

ðû äëÿ ãîðèçîíòàëüíîé ïîâåðõíîñòè áóäåò ðàâíà

. (3.7)

176

Òàáëèöà 3.1.

Ýôôåêòèâíûå êîýôôèöèåíòû ïðîïóñêàíèÿ àòìîñôåðû

â îáëàñòè ñïåêòðà 812 ìêì äëÿ T

=300°Ê

Òàáëèöà 3.2.

Ýôôåêòèâíûå êîýôôèöèåíòû ïðîïóñêàíèÿ àòìîñôåðû

â îáëàñòè ñïåêòðà 3,55,5 ìêì äëÿ T

=300°Ê

177

Òàáëèöà 3.3.

Ýôôåêòèâíûå êîýôôèöèåíòû ïðîïóñêàíèÿ àòìîñôåðû â îáëàñòè

ñïåêòðà 812 ìêì íà êîðîòêèõ òðàññàõ äëÿ T

=300°Ê, ÌÄÂ=20 êì

Òàáëèöà 3.4.

Ýôôåêòèâíûå êîýôôèöèåíòû ïðîïóñêàíèÿ àòìîñôåðû â îáëàñòè

ñïåêòðà 3,55,5 ìêì íà êîðîòêèõ òðàññàõ äëÿ T

=300°Ê, ÌÄÂ=20 êì

Òàáëèöà 3.5.

Ýôôåêòèâíûå êîýôôèöèåíòû ïðîïóñêàíèÿ àòìîñôåðû â îáëàñòè

ñïåêòðà 812 ìêì íà êîðîòêèõ òðàññàõ äëÿ T

=400°Ê, ÌÄÂ=20 êì

178

Â òàáëèöàõ 3.7 è 3.8 ïðèâåäåíû äàííûå ïî ýôôåêòèâíîé îñâå-

ùåííîñòè ôîíîâîé çàñâåòêè äëÿ ãîðèçîíòàëüíîé ïîâåðõíîñòè

ñïåêòðàëüíîé îáëàñòè ðàáîòû òåðìîðàäèîìåòðè÷åñêèõ ïðèáîðîâ

812 ìêì è 3,55,5 ìêì.

Òàáëèöà 3.7.

Ýôôåêòèâíàÿ îñâåùåííîñòü âåðõíåé ïîëóñôåðîé äëÿ ãîðèçîíòàëüíîé

ïîâåðõíîñòè íàçåìíûõ îáúåêòîâ â Âò/ì

äëÿ îáëàñòè ñïåêòðà 812 ìêì

Òàáëèöà 3.8.

Ýôôåêòèâíàÿ îñâåùåííîñòü âåðõíåé ïîëóñôåðîé äëÿ ãîðèçîíòàëüíîé

ïîâåðõíîñòè íàçåìíûõ îáúåêòîâ â Âò/ì

äëÿ îáëàñòè ñïåêòðà 3,55,5 ìêì

Êàê ïîêàçûâàþò ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ, ïðèâåäåííûå â òàáëèöå 3.9,

äëÿ îáëàñòè ñïåêòðà 812 ìêì ýôôåêòèâíàÿ òåìïåðàòóðà ôîíîâîé çàñ-

âåòêè âåðõíåé ïîëóñôåðû áëèçêà ê ñðåäíåé òåìïåðàòóðå âîçäóõà T

ñîîòâåòñòâèè ñ ïîãîäíûìè êîìïëåêñàìè â óñëîâèÿõ ñïëîøíîé îáëà÷-

Òàáëèöà 3.6.

Ýôôåêòèâíûå êîýôôèöèåíòû ïðîïóñêàíèÿ àòìîñôåðû â îáëàñòè

ñïåêòðà 3,55,5 ìêì íà êîðîòêèõ òðàññàõ äëÿ T

=400°Ê, ÌÄÂ=20 êì

179

íîñòè, â òî âðåìÿ êàê â óñëîâèÿõ áåçîáëà÷íîãî íåáà îíà îòëè÷àåòñÿ

íà -43-52°Ñ äëÿ ãîðèçîíòàëüíûõ ïîâåðõíîñòåé.

Òàáëèöà 3.9.

Îòêëîíåíèå (T

-T

) ýôôåêòèâíûõ òåìïåðàòóð ôîíîâîé çàñâåòêè âåðõ-

íåé ïîëóñôåðû îò ñðåäíåé òåìïåðàòóðû ïðèçåìíîãî âîçäóõà äëÿ ãîðè-

çîíòàëüíûõ ïîâåðõíîñòåé â îáëàñòè ñïåêòðà 812 ìêì è 7,513,5 ìêì

Ïðè ðàñøèðåíèè ñïåêòðàëüíîãî äèàïàçîíà ðàáîòû ðàäèîìåòðè-

÷åñêîé àïïàðàòóðû äëèíîé âîëíîâîé îáëàñòè äî 7,513,5 ìêì, ÷òî èíîã-

äà èñïîëüçóþò â ïèðîìåòðàõ è â òåïëîâèçîðàõ íà íåîõëàæäàåìûõ ìàò-

ðèöàõ, îòêëîíåíèå T

îò ñðåäíåé òåìïåðàòóðû ïðèçåìíîãî âîçäóõà

óìåíüøàåòñÿ è ñîñòàâëÿåò 3243°Ñ â óñëîâèÿõ áåçîáëà÷íîãî íåáà.

Ýòî ïðîèñõîäèò çà ñ÷åò óâåëè÷åííîãî âêëàäà èçëó÷åíèÿ ïàðîâ âîäÿíîãî

ïàðà è óãëåêèñëîãî ãàçà. Òàêîé æå ýôôåêò íàáëþäàåòñÿ â ñïåêòðàëüíîì

äèàïàçîíå 3,55,5 ìêì, êîòîðûé âêëþ÷àåò ñèëüíóþ ïîëîñó ïîãëîùåíèÿ

óãëåêèñëîãî ãàçà íà 4,3 ìêì. Â ýòîì äèàïàçîíå äëÿ ãîðèçîíòàëüíûõ ïî-

âåðõíîñòåé îòêëîíåíèå T

îò T

ñîñòàâëÿåò 12,014,8°Ñ â óñëîâèÿõ

áåçîáëà÷íîãî íåáà ïðè îòñóòñòâèè ñîëíå÷íîé çàñâåòêè â íî÷íîå âðå-

ìÿ, ÷òî ïîêàçàíî â òàáëèöå 3.10. Ïðè íàëè÷èè ïðÿìîé ñîëíå÷íîé çàñ-

âåòêè â äíåâíîå âðåìÿ ýêâèâàëåíòíàÿ òåìïåðàòóðà ôîíà ñóùåñòâåííî

ïîâûøàåòñÿ â îáëàñòè ñïåêòðà 3,55,5 ìêì.

Òàáëèöà 3.10.

Îòêëîíåíèå ýôôåêòèâíûõ òåìïåðàòóð ôîíîâîé çàñâåòêè âåðõíåé ïîëó-

ñôåðû îò ñðåäíåé òåìïåðàòóðû ïðèçåìíîãî âîçäóõà äëÿ ãîðèçîíòàëü-

íûõ ïîâåðõíîñòåé â îáëàñòè ñïåêòðà 3,55,5 ìêì

180

Âñëåäñòâèå íåîäíîðîäíîñòè ôîíîâîé çàñâåòêè îñâåùåííîñòü ïî-

âåðõíîñòåé îáúåêòà áóäåò çàâèñåòü îò îðèåíòàöèè ïîâåðõíîñòè. Îñòà-

íîâèìñÿ íà ðàññìîòðåíèè äâóõ êðàéíèõ ñëó÷àåâ: ýòî óæå ðàññìîòðåí-

íûé âûøå ñëó÷àé ãîðèçîíòàëüíîé ïîâåðõíîñòè è âåðòèêàëüíîé

ïîâåðõíîñòè.

Íà ðèñ. 3.1 ïîêàçàíà ñèñòåìà êîîðäèíàò è åäèíè÷íàÿ ñôåðà, ó êî-

òîðîé âåðõíÿÿ ïîëóñôåðà íàõîäèòñÿ âûøå ïëîñêîñòè XOY, è îñü Z íà-

ïðàâëåíà â çåíèò. Íèæå ýòîé ïëîñêîñòè íàõîäèòñÿ íèæíÿÿ ïîëóñôåðà.

Èçâåñòíî, ÷òî òåïëîâîå èçëó÷åíèå àòìîñôåðû íå çàâèñèò îò àçèìó-

òàëüíîé êîîðäèíàòû, à çàâèñèò òîëüêî îò çåíèòíîãî óãëà Q. Óðîâíè

ðàâíîé ÿðêîñòè àòìîñôåðû ïðîõîäÿò ïî àëüìóêàíòàðàòàì, îäèí èç êî-

òîðûõ ïîêàçàí íà åäèíè÷íîé ñôåðå, îãðàíè÷åííûé çåíèòíûìè óãëà-

ìè Q

è Q

j+1

. Ðàçíîñòü ýòèõ óãëîâ òàêîâà, ÷òî â èõ ïðåäåëàõ ìîæíî

ñ÷èòàòü ÿðêîñòü èçëó÷åíèÿ àòìîñôåðû ïîñòîÿííîé.

Ýíåðãåòè÷åñêàÿ îñâåùåííîñòü îò ïðîòÿæåííîãî èñòî÷íèêà â âèäå

êîëüöà íà åäèíè÷íîé ïîëóñôåðå äëÿ ãîðèçîíòàëüíîé ïîâåðõíîñòè XOY

áóäåò ïðîïîðöèîíàëüíà ïëîùàäè ïðîåêöèè ýòîãî êîëüöà íà ãîðèçîí-

Ðèñ. 3.1. Ïðîåêöèÿ êîëüöà àëüìóêàíòàðàòà íà ãîðèçîíòàëüíóþ è âåðòèêàëü-

íóþ ïëîñêîñòè