Устройство для преобразования собственного теплового излучения объектов в электрический сигнал и подавления оптических помех в быстродействующих радиационных термометрах (варианты)
Устройство для преобразования собственного теплого излучения объектов в электрический сигнал и подавления оптических помех в быстродействующих радиационных термометрах относится к технической оптике и может быть использовано в приборах, осуществляющих измерение величины потока ИК-излучения при дистанционных измерениях температуры быстротекущих процессов в полевых условиях. В качестве одного из применений можно назвать аппаратуру бесконтактного определения перегрева букс подвижного состава по ходу поезда ДИСК-БКВ-Ц/КТСМ, которая устанавливается стационарно около рельсового полотна. Недостаток данной аппаратуры - попадание солнечного излучения на входной зрачок иммерсионного болометра, приводящее к выдаче ложных тревог и остановок поезда. Заявляемая полезная модель обеспечивает повышение устойчивости аппаратуры к оптическим помехам и устранение ложных срабатываний. Указанная цель достигается тем, что непосредственно перед входным зрачком иммерсионного болометра размещается дихроический интерференционный оптический фильтр, отрезающий коротковолновые спектральные составляющие солнечного излучения и исключающий их попадание на приемную площадку чувствительного элемента болометра. Отрезающее интерференционного покрытие может быть нанесено непосредственно на сферическую поверхность иммерсионной линзы болометра; на примыкающую к вершине линзы плоскопараллельную пластину из германия; или на прозрачную в рабочем диапазоне длин волн подложку (например, из кремния), установленную в одеваемую на корпус болометра металлическую оправу, (фиг.1; фиг.2; фиг.3)
Полезная модель относится к технической оптике и может быть использована в устройствах, осуществляющих измерение величины потока ИК излучения при дистанционных измерениях температуры быстротекущих процессов в полевых условиях.
В бесконтактных радиационных пирометрах, предназначенных для измерения температур, близких к комнатной, используются тепловые (термопарные, болометрические, пироэлектрические) приемники инфракрасного излучения, неселективные к спектральному составу измеряемого излучения вплоть до длин волн 15 мкм. Стационарные и переносные бесконтактные термометры находят самое широкое применение в управлении технологическими процессами, энергетике, на транспорте, в жилищно-коммунальном хозяйстве. В качестве одного из применений можно назвать аппаратуру бесконтактного определения перегрева букс подвижного состава по ходу поезда ДИСК-БКВ-Ц/КТСМ. Оптические устройства, например напольные камеры аппаратуры ДИСК-БКВ-Ц/КТСМ, стационарно устанавливаются около рельсового полотна и ориентируются таким образом, чтобы оптическая ось инфракрасного оптического канала была направлена в заданное место буксового узла проходящего состава. Учитывая высокую скорость движения поезда, эта аппаратура должна контролировать достаточно быстрые изменения температуры. Поэтому в таких устройствах могут применяться только быстродействующие тепловые приемники излучения - например, иммерсионные терморезисторные болометры, в состав которых входит собирающий оптический элемент (линза); находящийся в оптическом контакте с приемной площадкой чувствительного элемента приемника. Такая конструкция обеспечивает значительное уменьшение размеров (теплоемкости) чувствительного элемента и увеличение теплоотвода от чувствительного элемента, благодаря чему быстродействие приемника повышается до уровня, достаточного для измерения температуры буксовых узлов на скоростях движения подвижного состава до 400 км/час. Кроме того, применение иммерсионных болометров позволяет исключить дополнительные оптические элементы и значительно упростить (удешевить) аппаратуру в целом.
Как указано выше, приемные камеры аппаратуры бесконтактного определения перегрева букс подвижного состава устанавливаются непосредственно у рельсового полотна, поэтому на входной зрачок иммерсионного болометра помимо собственного теплового излучения нагретых букс может кратковременно попадать прямое и отраженное солнечное излучение, имитирующее завышение температуры буксового узла и приводящее к выдаче ложных тревог (остановок поездов). Для уменьшения влияния солнечных засветок, напольные камеры должны устанавливаться таким образом, чтобы с учетом географического расположения минимизировать вероятность прямого попадания солнечного излучения на входной зрачок иммерсионного болометра [«Система автоматического контроля технического состояния подвижного состава по ходу поезда ДИСК-БКВ-Ц» Москва, «Транспорт», 1994 г.]. Тем не менее, при нарушении целостности обшивки и дна открытых вагонов, прохождении пустых контейнерных платформ и т.п. исключить попадание солнечных лучей полностью нельзя. Кроме того, на входной зрачок болометра могут попадать солнечные блики от металлических частей и отражающих (например, масляных) загрязнений подвижного состава.
Известно, что максимум спектра солнечного излучения лежит в видимой области и, с учетом спектральных интервалов пропускания атмосферы, для длин волн более 6,2 мкм длинноволновыми составляющими излучения солнца на уровне земли можно пренебречь. Поэтому для исключения солнечных засветок в оптические схемы низкотемпературных радиационных термометров традиционно вводят дихроические (отрезающие) оптические фильтры с длиной волны среза 6,6-7 мкм. Поскольку такие фильтры достаточно дороги, для уменьшения их геометрических размеров фильтры устанавливают как можно ближе к фокальной плоскости оптической системы, в крайнем случае, после конденсора. Дополнительные оптические элементы заметно усложняют конструкцию и повышают стоимость инфракрасных оптических устройств.
В результате проведенного поиска не выявлено наиболее близкого аналога (прототипа) того же назначения, что и заявленное решение.
Полезная настоящая модель обеспечивает подавление коротковолновых оптических помех в быстродействующих радиационных низкотемпературных термометрах с иммерсионным приемником инфракрасного излучения, прежде всего в системах автоматического контроля технического состояния подвижного состава по ходу поезда. Указанная цель достигается тем, что непосредственно перед входным зрачком иммерсионного болометра размещается дихроический интерференционный оптический фильтр, отрезающий коротковолные спектральные составляющие солнечного излучения и исключающий их попадание на приемную площадку чувствительного элемента болометра. Дихронический интерференционный оптический фильтр может иметь три варианта исполнения. Отрезающее интерференционное покрытие может быть нанесено непосредственно на сферическую поверхность иммерсионной линзы болометра (1 вариант), на примыкающую к вершине линзы теплоотводящую плоскопараллельную пластину из германия (2 вариант) или на прозрачную в рабочем диапазоне длин волн подложку (например, из кремния) - вариант 3, установленную в одеваемую на корпус болометра металлическую оправу. Небольшой диаметр входного зрачка иммерсионного болометра позволяет ограничить геометрические размеры фильтра и снизить его стоимость.
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленной полезной модели всех трех вариантов, является повышение устойчивости аппаратуры к оптическим помехам и тем самым уменьшение количества выдаваемых аппаратурой ложных тревог с минимальными затратами.
На фигуре 1 показан 1-ый вариант исполнения предлагаемого отрезающего интерференционного фильтра, нанесенного непосредственно на сферическую поверхность иммерсионной линзы.
На фигуре 2 показан 2-ой вариант исполнения предлагаемого отрезающего интерференционного фильтра, выполненного в виде примыкающей к вершине линзы теплоотводящей плоскопараллельной пластины из германия с нанесенным на обе ее стороны многослойным интерференционным покрытием.
На фигуре 3 показан 3-ий вариант исполнения предлагаемого отрезающего интерференционного фильтра, представляющего собой установленную в одеваемую на корпус болометра металлическую оправу прозрачную подложку с нанесенным на обе ее стороны многослойным интерференционным покрытием.
На фигуре 4 показан узел иммерсионного приемника излучения (иммерсионного болометра), используемый в аппаратуре бесконтактного определения перегрева букс ДИСК-БКВ-Ц/КТСМ, в котором реализована заявляемая полезная модель.
Рассмотрим конкретные варианты исполнения заявляемой полезной модели.
ВАРИАНТ-1
Многослойное интерференционное покрытие 1, состоящее из чередующихся слоев прозрачных в рабочем оптическом диапазоне (8-14 мкм) материалов с высоким и низким коэффициентом преломления (например, РbТе и ZnS) нанесено непосредственно на сферическую поверхность германиевой иммерсионной линзы 2 болометра 3 (фиг.1). Слои получены распылением исходных материалов в вакууме. Полное количество слоев может составлять, например, 32, на внешней поверхности расположен слой с низким коэффициентом преломления. В этом случае для реализации противосолнечного фильтра дополнительные оптические детали не требуются, что заметно снижает материалоемкость устройства. Выделяющееся при отражении коротковолновой части спектра солнечного излучения тепло эффективно отводится в рабочий объем германиевой иммерсионной линзы, препятствуя переизлучению в рабочем инфракрасном интервале пропускания иммерсионной линзы.
ВАРИАНТ-2
Изготовленная из германия плоскопараллельная пластина 4 (фиг.2) установлена в пределах корпуса болометра 3 непосредственно перед иммерсионной линзой 2 и находится в тепловой связи с корпусом. На внешнюю и внутреннюю поверхности пластины нанесено многослойное интерференционное покрытие 1, состоящее из чередующихся слоев прозрачных в рабочем оптическом диапазоне (8-14 мкм) материалов с высоким и низким коэффициентом преломления (например, РbТе и ZnS). Нанесение интерференционного покрытия на обе стороны фильтра позволяет уменьшить число слоев покрытия с каждой из сторон и упростить технологию нанесения покрытия. Диаметр плоскопараллельной пластины равен диаметру входного зрачка болометра, например, 12 мм. Толщина плоскопараллельной пластины (1,5 мм) выбрана таким образом, чтобы с учетом теплоотвода на корпус болометра исключить ее нагрев поглощенным интерференционным покрытием излучением коротковолновой части солнечного спектра и тем самым избежать связанного с этим нагревом вторичного теплового излучения, способного вызвать ложное срабатывание аппаратуры.
ВАРИАНТ-3
На внешнюю и внутреннюю поверхности прозрачной в требуемом диапазоне инфракрасного спектра тонкой пластины 3 (фиг.3), изготовленной, например, из кремния, нанесено многослойное интерференционное покрытие 1, состоящее из чередующихся слоев прозрачных в рабочем оптическом диапазоне (8-14 мкм) материалов с высоким и низким коэффициентом преломления (например, РbТе и ZnS). Нанесение интерференционного покрытия на обе стороны фильтра позволяет уменьшить число слоев покрытия с каждой из сторон и упростить технологию нанесения покрытия. Пластина закреплена в оправе 6, установленной в свою очередь, на корпус иммерсионного болометра 3.
В качестве конкретного примера применения заявляемой полезной модели на (фиг.4) представлен узел иммерсионного приемника излучения (иммерсионного болометра), используемый в аппаратуре бесконтактного определения перегрева букс ДИСК-БКВЦ/КТСМ. Иммерсионный болометр 7 установлен в крепежную цангу 8, капсулы 9, приемная камера 10. Приемная камера располагается непосредственно у рельсового полотна и монтируется на шпалу или на отдельный фундамент. Германиевая иммерсионная линза формирует поле зрение устройства с показателем визирования не менее 30. При прохождении состава тепловое изображение части буксового/тормозного узла проецируется на приемную площадку иммерсионного болометра, на выходе которого возникает электрический сигнал, пропорциональный температуре буксового узла.
Использование дихроического интерференционного фильтра обеспечивает подавление оптических помех за счет отрезания коротко-волновых спектральных составляющих солнечного излучения и исключает его попадание на приемную) площадку чувствительного элемента болометра. Могут использоваться все три варианта исполнения заявляемой полезной модели.
Возможность осуществления заявляемой полезной модели с реализацией указанного назначения подтверждена полевыми испытаниями в аппаратуре ДИСК-БКВ-Ц/КТСМ, что ни в коей мере не ограничивает применимость предлагаемой полезной модели.
ЗАО «Риэлта» освоила выпуск заявляемых приспособлений. Технологических затруднений нет.
1. Устройство для преобразования собственного теплового излучения объектов в электрический сигнал и подавления оптических помех в быстродействующих радиационных термометрах, содержащее приемник ИК-излучения с иммерсионной линзой и многослойный дихроический интерференционный фильтр, выполненный в виде оптического покрытия, нанесенного непосредственно на входную сферическую поверхность иммерсионной линзы.
2. Устройство для преобразования собственного теплового излучения объектов в электрический сигнал и подавления оптических помех в быстродействующих радиационных термометрах, содержащее приемник ИК-излучения с иммерсионной линзой и многослойный дихроический интерференционный фильтр, выполненный в виде примыкающей к вершине сферической поверхности линзы плоскопараллельной пластины из прозрачного в рабочем диапазоне длин волн материала с высокой теплопроводностью (например, из германия), на обе стороны которой нанесено многослойное интерференционное покрытие.
3. Устройство для преобразования собственного теплового излучения объектов в электрический сигнал и подавления оптических помех в быстродействующих радиационных термометрах, содержащее приемник ИК-излучения с иммерсионной линзой и многослойный дихроический интерференционный фильтр, выполненный в виде одеваемой на внешний корпус иммерсионного приемника излучения оправы, в которую вправлена прозрачная в рабочем диапазоне длин волн подложка (например, из кремния) с нанесенным на обе ее стороны многослойным интерференционным покрытием.
