RU2727349C1 - Method of thermography of a remote object - Google Patents

Method of thermography of a remote object Download PDF

Info

Publication number
RU2727349C1
RU2727349C1 RU2019141904A RU2019141904A RU2727349C1 RU 2727349 C1 RU2727349 C1 RU 2727349C1 RU 2019141904 A RU2019141904 A RU 2019141904A RU 2019141904 A RU2019141904 A RU 2019141904A RU 2727349 C1 RU2727349 C1 RU 2727349C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
receiver
atmosphere
measured
radiation
Prior art date
Application number
RU2019141904A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вячеслав Петрович Ходунков
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева"
Priority to RU2019141904A priority Critical patent/RU2727349C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2727349C1 publication Critical patent/RU2727349C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and a method for thermography of a remote object. Method includes formation in a given spectral range of an image of a remote object at a receiving site of a matrix radiation detector, recording electric signals from sensitive elements of the receiver and forming an array of digital data of temperature of the object. At that, contact temperature is used to measure temperature of atmosphere at receiver location, to correct reflected radiation receiver temperature, taking radiation coefficient of atmosphere equal to one, and achieving equality of the measured temperature of the atmosphere to its actual temperature, measured by a contact method at the location of the receiver. After correcting, a new array of digital data of the temperature field of the object is formed, which is taken as an array of its actual temperatures.EFFECT: technical result consists in improvement of accuracy of measurements and expansion of the range of measured objects.1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности - к температурным измерениям, осуществляемым с помощью инфракрасных средств измерений, может быть использовано при тепловых испытаниях различных техногенных объектов и предназначено для дистанционных измерений действительных температурных полей удаленных или слабо нагретых объектов.The invention relates to measuring technology, in particular to temperature measurements carried out using infrared measuring instruments, can be used in thermal tests of various man-made objects and is intended for remote measurements of actual temperature fields of remote or weakly heated objects.

На современном уровне развития техники для дистанционного измерения температуры (термографирования) удаленных объектов применяются или известны следующие способы.At the present level of development of technology for remote temperature measurement (thermography) of remote objects, the following methods are used or known.

Известен способ, который включает формирование на одной длине волны инфракрасного (ИК) излучения двух изображений на каждом из двух матричных приемников изображения. Одно из двух изображений на каждом приемнике является изображением объекта исследования, а другое является изображением эталона температуры, формирование которого осуществляют при тех же условиях формирования изображения, что и для объекта исследования. Изображение на одном из двух приемников формируют с помощью устройства зеркальной развертки. На основе полученных данных формируют массив цифровых данных от всех изображений с учетом связи между яркостной температурой, воспроизводимой эталоном температуры, и соответствующим ей цифровым значением электрического сигнала с элементов обоих приемников изображения (патент РФ №2552599, МПК G01J 5/00; G01J 5/52, опубл. 10.06.2015, БИ №16). Заявленный технический результат - увеличение временного разрешения измерений.The known method, which includes the formation at one wavelength of infrared (IR) radiation of two images on each of the two matrix image receivers. One of the two images on each receiver is an image of the object of investigation, and the other is an image of a temperature standard, the formation of which is carried out under the same imaging conditions as for the object of investigation. The image on one of the two receivers is formed using a mirror scanner. Based on the data obtained, an array of digital data is formed from all images, taking into account the relationship between the brightness temperature reproduced by the temperature standard and the corresponding digital value of the electrical signal from the elements of both image receivers (RF patent No. 2552599, IPC G01J 5/00; G01J 5/52 , publ. 10.06.2015, BI No. 16). The claimed technical result is an increase in the time resolution of measurements.

В указанном способе для обеспечения заданной точности измерений температуры удаленного или слабо нагретого объекта требуется процедура калибровки устройства по эталону температуры, которая должна проводиться в условиях, идентичных условиям реальных измерений. К этим условиям относятся - расстояние от объекта до приемника и пропускание оптического тракта между ними. Без предварительной калибровки устройства при отсутствии априорных данных о расстоянии до объекта и значении пропускания оптического тракта невозможно установить точную связь между мощностью ИК излучения, падающего на приемник, и температурой объекта. В большинстве случаев выполнить дистанционную калибровку, т.е. предварительно разместить на месте исследуемого объекта эталон, нагретый до известной заданной температуры, невозможно. В отсутствие калибровки возможным представляется только измерение дистанции до объекта (например, лазерным дальномером), в то время как коэффициент пропускания ИК излучения данной трассы - не поддается оперативному контролю или измерению. Таким образом, задача обеспечения высокой точности термографирования удаленных или слабо нагретых объектов абсолютным методом (по величине мощности падающего на приемник потока излучения) не может быть решена с помощью данного способа. Это его недостаток.In this method, in order to ensure the specified accuracy of temperature measurements of a remote or weakly heated object, a procedure for calibrating the device against a temperature standard is required, which must be carried out under conditions identical to those of real measurements. These conditions include the distance from the object to the receiver and the transmission of the optical path between them. Without preliminary calibration of the device, in the absence of a priori data on the distance to the object and the value of the transmission of the optical path, it is impossible to establish an accurate relationship between the power of IR radiation incident on the receiver and the temperature of the object. In most cases, perform a remote calibration, i.e. it is impossible to preliminarily place a standard heated to a known specified temperature on the site of the object under study. In the absence of calibration, it is only possible to measure the distance to the object (for example, with a laser rangefinder), while the transmittance of infrared radiation of this route is not amenable to operational control or measurement. Thus, the problem of ensuring high accuracy of thermography of remote or weakly heated objects by the absolute method (in terms of the power of the radiation flux incident on the receiver) cannot be solved using this method. This is his disadvantage.

Известен также способ, заключающийся в том, что формируют изображение объекта на приемной площадке матричного приемника, элементы которого способны регистрировать излучение, по крайней мере, в двух различных участках спектра ИК диапазона спектра, после чего определяют температуру поверхности объекта в результате анализа изображений, полученных в двух спектральных диапазонах (патент США, №6758595, МПК G01K 3/00, опубл. 06.07.2004). Недостаток способа заключается в недостаточной точности измерения температуры. Данный недостаток обусловлен неконтролируемым различием пропускания оптических фильтров, задающих тот или иной спектральный диапазон измерения. Кроме того, способ обеспечивает измерение яркостной, а не действительной температуры объекта. При отсутствии априорных данных о спектральном коэффициенте излучения объекта получение истинных значений действительной температуры объекта в данном способе становится невозможным.There is also known a method consisting in the fact that an image of an object is formed on the receiving area of a matrix receiver, the elements of which are capable of recording radiation in at least two different parts of the IR spectrum, after which the temperature of the object surface is determined as a result of analyzing the images obtained in two spectral ranges (US patent, No. 6758595, IPC G01K 3/00, publ. 06.07.2004). The disadvantage of this method is the insufficient accuracy of temperature measurement. This drawback is due to the uncontrollable difference in the transmission of optical filters that set one or another spectral measurement range. In addition, the method provides for the measurement of the luminance rather than the actual temperature of the object. In the absence of a priori data on the spectral emissivity of the object, obtaining the true values of the actual temperature of the object in this method becomes impossible.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип), заключающийся в том, что формируют изображение объекта на приемной площадке матричного электронного приемника изображения в инфракрасном диапазоне спектра, осуществляют дополнительную спектральную селекцию излучения, падающего на приемную площадку приемника изображения, в пределах интервала длин волн от 7 мкм до 14 мкм с помощью спектрально-селективного элемента, имеющего монотонную зависимость пропускания от длины волны, осуществляют дополнительную регистрацию электрических сигналов с элементов матричного электронного приемника изображения, производят аналого-цифровое преобразование данных сигналов и формируют дополнительный массив цифровых данных изображений объекта, а массив цифровых данных температуры объекта формируют путем определения значений отношения соответствующих элементов основного и дополнительного массивов цифровых данных изображения объекта (патент РФ №2324152, МПК G01J 5/00, опубл. 10.05.2008, БИ №13). Заявленный технический результат - повышение точности определения температуры слабо нагретых объектов.The closest to the proposed method is a method (prototype), which consists in the fact that the image of the object is formed on the receiving area of the matrix electronic image receiver in the infrared range of the spectrum, additional spectral selection of radiation incident on the receiving area of the image receiver is carried out within the wavelength interval from 7 μm to 14 μm using a spectral-selective element having a monotonic dependence of the transmission on the wavelength, additional registration of electrical signals from the elements of the matrix electronic image receiver is carried out, analog-to-digital conversion of these signals is performed and an additional array of digital data of object images is formed, and the array digital data of the object temperature is formed by determining the values of the ratio of the corresponding elements of the main and additional arrays of digital data of the object image (RF patent №2324152, IPC G01J 5/00, publ. 10.05.2008, BI №13) ... The claimed technical result is an increase in the accuracy of determining the temperature of weakly heated objects.

В сравнении с другими способами, указанный способ позволяет более точно измерять температуру, тем не менее, ему характерна погрешность, которая связана с использованием градуировочной зависимости, построенной в предположении равенства спектральных энергетических яркостей объекта и идеального абсолютно черного тела. В действительности, это не так, - значения указанных спектральных энергетических яркостей отличаются на некоторую величину, которая определяется спектральным коэффициентом излучения объекта. Поэтому способ обеспечивает измерение температуры объекта, отличающейся от его действительной температуры на некоторую величину. Причем, данное отличие тем больше, чем сильнее коэффициент излучения объекта отличается от единицы. Поэтому данный способ преимущественно применим для объектов с высоким коэффициентом излучения, например, большим 0,9. В этом заключаются главные недостатки способа - недостаточная точность и ограничение по номенклатуре измеряемых объектов, накладываемое коэффициентом излучения объекта.In comparison with other methods, this method allows you to more accurately measure the temperature, however, it is characterized by an error that is associated with the use of a calibration dependence, built on the assumption of equality of the spectral energy brightness of the object and an ideal black body. In reality, this is not the case - the values of the indicated spectral radiance differ by a certain amount, which is determined by the spectral emissivity of the object. Therefore, the method provides measurement of the temperature of the object, which differs from its actual temperature by a certain amount. Moreover, this difference is the greater, the more the emissivity of the object differs from unity. Therefore, this method is mainly applicable for objects with a high emissivity, for example, greater than 0.9. This is the main disadvantage of the method - insufficient accuracy and limitation on the nomenclature of measured objects, imposed by the emissivity of the object.

Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение номенклатуры измеряемых объектов.The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy and expand the range of measured objects.

Указанная цель достигается за счет того, что в предлагаемом способе термографирования удаленного объекта в заданном спектральном диапазоне формируют изображение удаленного объекта на приемной площадке матричного приемника излучения, осуществляют регистрацию электрических сигналов с чувствительных элементов приемника и по ним формируют массив цифровых данных температуры объекта, контактным способом измеряют температуру атмосферы в месте расположения приемника, корректируют отраженную температуру приемника излучения, при этом принимают коэффициент излучения атмосферы равным единице, и добиваются равенства измеренной приемником температуры атмосферы ее действительной температуре, измеренной контактным способом в месте расположения приемника, после выполнения корректировки формируют новый массив цифровых данных температурного поля объекта, который принимают за массив его действительных температур.This goal is achieved due to the fact that in the proposed method of thermography of a remote object in a given spectral range, an image of a distant object is formed on the receiving area of a matrix radiation receiver, electrical signals are recorded from the sensitive elements of the receiver, and an array of digital data of the object temperature is formed from them, and the contact method is measured the temperature of the atmosphere at the location of the receiver, the reflected temperature of the radiation receiver is corrected, while the emissivity of the atmosphere is taken to be unity, and the atmospheric temperature measured by the receiver is equal to its actual temperature, measured by the contact method at the location of the receiver, after performing the correction, a new array of digital temperature data is generated. fields of the object, which is taken as an array of its actual temperatures.

Сущность изобретения заключается в следующем.The essence of the invention is as follows.

Предлагаемый способ основывается на уравнении измерения, вывод которого представлен ниже. При выводе использована схема измерений, структурная схема которой представлена на фиг. 1, где: 1 - объект измерения, 2 - матричный приемник теплового излучения, 3 - оптическая система средства измерения, при этом, совокупность элементов 2, 3 образует средство измерения температуры.The proposed method is based on the measurement equation, the output of which is presented below. In the output, a measurement circuit was used, the block diagram of which is shown in Fig. 1, where: 1 is the object of measurement, 2 is a matrix receiver of thermal radiation, 3 is the optical system of the measuring instrument, while the set of elements 2, 3 forms a temperature measuring instrument.

Возьмем в качестве измеряемого объекта 1 любой удаленный объект, окруженный слоем атмосферы и имеющий малый тепловой контраст по отношению к окружающему его атмосферному фону (объект слабо нагрет). Какая-либо информация об объекте отсутствует, но при этом известны технические характеристики средства измерения 2 - матричного приемника ИК излучения (далее - приемник) и известно значение температуры окружающей атмосферы в месте его расположения. Поставленная задача -измерить действительную температуру поверхности объекта или его отдельно взятого участка.Let us take as the measured object 1 any distant object surrounded by a layer of the atmosphere and having a low thermal contrast with respect to the surrounding atmospheric background (the object is slightly heated). There is no information about the object, but at the same time the technical characteristics of the measuring instrument 2 - the matrix receiver of infrared radiation (hereinafter referred to as the receiver) are known and the value of the temperature of the surrounding atmosphere at its location is known. The task is to measure the actual temperature of the surface of an object or its separate area.

Для вывода уравнения измерения используем закон Стефана-Больцмана, являющийся теоретической основой для радиационной термометрии. Согласно данному закону, в полном спектре теплового излучения плотность потока собственного излучения с единицы поверхности идеального абсолютно черного тела (АЧТ) qrad 0 в вакууме, равна:To derive the measurement equation, we use the Stefan-Boltzmann law, which is the theoretical basis for radiation thermometry. According to this law, in the full spectrum of thermal radiation, the flux density of intrinsic radiation from a unit surface of an ideal black body (black body) q rad 0 in vacuum is:

Figure 00000001
Figure 00000001

гдеWhere

σ - постоянная Стефана-Больцмана,σ - Stefan-Boltzmann constant,

ТАЧТ - действительная температура АЧТ. Blackbody T - actual blackbody temperature.

Всякий реальный нагретый объект 1 окружен атмосферой и имеет коэффициент излучения εob, меньший, чем у АЧТ (εАЧТ=1). При этом объект излучает тепловой поток, который складывается из потока собственного излучения и потока, переизлучаемого от атмосферы. Поэтому в отличие от АЧТ плотность потока собственного излучения реального объекта в окружающую его атмосферу с учетом коэффициента излучения описывается уравнением:Any real heated object 1 is surrounded by the atmosphere and has an emissivity ε ob , which is less than that of a blackbody (ε blackbody = 1). In this case, the object emits a heat flux, which consists of the flux of its own radiation and the flux re-radiated from the atmosphere. Therefore, in contrast to the blackbody, the flux density of the natural radiation of a real object into the surrounding atmosphere, taking into account the emissivity, is described by the equation

Figure 00000002
Figure 00000002

гдеWhere

Tob - действительная температура объекта,T ob is the actual temperature of the object,

εback - коэффициент излучения атмосферы,ε back is the emissivity of the atmosphere,

Tback - действительная температура атмосферы.T back is the actual temperature of the atmosphere.

При дальнейших преобразованиях учтем, что вблизи горизонта коэффициент излучения атмосферы близок к единице, т.е. εback≈1 (Хэкворд Генри Л. Инфракрасное излучение. Пер. с англ., М.-Л.: Энергия, 1964, 336 с.), поэтому излучение атмосферы вблизи горизонта подобно излучению абсолютно черного тела, находящегося при температуре атмосферы Tback. На основании этого примем допущение, что εback=1, с учетом его уравнение (2) приобретает вид:With further transformations, we will take into account that near the horizon the emissivity of the atmosphere is close to unity, i.e. ε back ≈1 (Hackward Henry L. Infrared radiation. Transl. from English, M.-L .: Energiya, 1964, 336 p.), therefore, the radiation of the atmosphere near the horizon is similar to the radiation of an absolutely black body located at an atmospheric temperature T back ... Based on this, let us assume that ε back = 1, taking into account its equation (2) takes the form:

Figure 00000003
Figure 00000003

В случае, когда разность температуры объекта Tob и окружающей его атмосферы Tback мала (объект слабо нагрет), т.е. ΔT=Tob-Tback<<Tob, уравнению (3) можно придать более простую форму. Для этого представим его правую часть в виде:In the case when the temperature difference between the object T ob and the surrounding atmosphere T back is small (the object is weakly heated), i.e. ΔT = T ob -T back << T ob , equation (3) can be given a simpler form. To do this, we represent its right side as:

Figure 00000004
Figure 00000004

При малости величины ΔT выражение в скобках будет незначительно отличаться от величины 4Tback 3, поэтому можно принять:If the value of ΔT is small, the expression in parentheses will slightly differ from the value 4T back 3 , so you can take:

Figure 00000005
Figure 00000005

Уравнение (4) описывает величину плотности собственного потока излучения с единицы поверхности реального тела.Equation (4) describes the density of the intrinsic radiation flux from a unit surface of a real body.

Применительно к дистанционным измерениям, указанный поток от объекта 1, пройдя через слой атмосферы и оптическую систему 3 средства измерения, ослабляется до величины qrad (1) и попадает в приемник 2. С учетом (4) величину плотности потока излучения qrad (1) можно описать уравнением вида:With regard to remote measurements, the specified flux from object 1, having passed through the atmosphere layer and the optical system 3 of the measuring instrument, is attenuated to the value q rad (1) and enters the receiver 2. Taking into account (4), the value of the radiation flux density q rad (1) can be described by an equation of the form:

Figure 00000006
Figure 00000006

гдеWhere

ΔT1=Tob-Tmatrix - разность действительной температуры объекта 1 и действительной температуры Tmatrix приемника 2,ΔT 1 = T ob -T matrix is the difference between the actual temperature of the object 1 and the actual temperature T matrix of the receiver 2,

τopt, τ - коэффициенты пропускания излучения оптической системой 3 приемника 2 и атмосферой, соответственно.τ opt , τ are the transmittance of the radiation by the optical system 3 of the receiver 2 and the atmosphere, respectively.

Приемник 2 часть падающего в него потока поглощает, а некоторую его часть отражает. Соотношение данных частей определяется коэффициентом излучения εmatrix приемника 2. Плотность потока излучения, которое поглощает приемник 2, можно представить в виде аналогичном (5):Receiver 2 absorbs part of the flux incident into it, and reflects some of it. The ratio of these parts is determined by the emissivity ε matrix of the receiver 2. The density of the radiation flux absorbed by the receiver 2 can be represented as similar to (5):

Figure 00000007
Figure 00000007

гдеWhere

ΔT2=(Tob,meas-Tback,meas) - разность измеренных приемником температуры объекта Tob,meas и атмосферы Tback,meas.ΔT 2 = (T ob, meas -T back, meas ) is the difference between the temperature of the object T ob, meas and the atmosphere T back, meas measured by the receiver.

В установившемся (стационарном) тепловом режиме поток излучения, поглощенный приемником 2, меньше падающего потока на величину Δqrad (2)=(1-εmatrix)qrad (1), или qrad (1)=qrad (2)matrix, поэтому из (5), (6) следует равенство:In the steady-state (stationary) thermal regime, the radiation flux absorbed by the receiver 2 is less than the incident flux by the value Δq rad (2) = (1-ε matrix ) q rad (1) , or q rad (1) = q rad (2) / ε matrix , therefore from (5), (6) equality follows:

Figure 00000008
Figure 00000008

Выразим из (7) коэффициент пропускания атмосферы, получаем:Let us express the atmospheric transmittance from (7), we obtain:

Figure 00000009
Figure 00000009

На приемный элемент также попадает излучение атмосферы, плотность потока которого, с учетом того, что εback=1, равна:The receiving element also receives atmospheric radiation, the flux density of which, taking into account the fact that ε back = 1, is equal to:

Figure 00000010
Figure 00000010

гдеWhere

ΔT3=Tback-Tmatrix - разность действительных температур атмосферы и приемного элемента.ΔT 3 = T back -T matrix is the difference between the actual temperatures of the atmosphere and the receiving element.

Найдем значение плотности потока излучения, которое попадает на приемный элемент от собственного излучения объекта, для этого вычтем из уравнения (5) уравнение (9), получаем:Let us find the value of the radiation flux density that falls on the receiving element from the object's own radiation, for this we subtract equation (9) from equation (5), we obtain:

Figure 00000011
Figure 00000011

Так как нами принято, что ΔT1=Tob-Tmatrix и ΔT3=Tback-Tmatrix, поэтому получаем:Since we have assumed that ΔT 1 = T ob -T matrix and ΔT 3 = T back -T matrix , so we get:

Figure 00000012
Figure 00000012

С другой стороны, для виртуального абсолютно черного тела, окруженного атмосферой с температурой Tback и находящегося при той же самой температуре реального тела при отсутствии поглощения в атмосфере и оптической системе, величина плотности потока, падающего на приемный элемент от АЧТ, с учетом уравнений (3) и (4) может быть выражена уравнением вида:On the other hand, for a virtual absolutely black body surrounded by an atmosphere with a temperature T back and located at the same temperature of a real body in the absence of absorption in the atmosphere and optical system, the value of the flux density falling on the receiving element from the black body, taking into account equations (3 ) and (4) can be expressed by an equation of the form:

Figure 00000013
Figure 00000013

Данная величина должна быть равна величине плотности результирующего потока излучения, рассчитываемой по уравнению (11) и должна вызывать одинаковые отклики (выходные сигналы) приемника. Исходя из этого, приравняем уравнения (11) и (12), получаем:This value should be equal to the value of the resulting radiation flux density, calculated according to equation (11) and should cause the same responses (output signals) of the receiver. Based on this, we equate equations (11) and (12), we obtain:

Figure 00000014
Figure 00000014

Подставим в (13) полученное ранее уравнение (8) для коэффициента пропускания атмосферы τ, после преобразований получаем уравнение для действительной температуры объекта:We substitute in (13) the previously obtained equation (8) for the atmospheric transmittance τ, after transformations we obtain the equation for the actual temperature of the object:

Figure 00000015
Figure 00000015

Так как в начальной постановке задачи принято допущение о том, что объект слабо нагрет, - это означает, что нагрев приемника от излучения объекта чрезвычайно мал, что, в свою очередь, дает основание с высокой точностью принять, что собственная температура приемника Tmatrix равна температуре атмосферы Tback, т.е. Tmatrix=Tback. Тогда уравнение (14) упрощается и приобретает вид:Since in the initial formulation of the problem it was assumed that the object is weakly heated, this means that the heating of the receiver from the radiation of the object is extremely small, which, in turn, gives reason to accept with high accuracy that the receiver's own temperature T matrix is equal to the temperature atmosphere T back , i.e. T matrix = T back . Then equation (14) is simplified and takes the form:

Figure 00000016
Figure 00000016

Полученное уравнение вполне логично: в том случае, когда средство измерения дает значение температуры атмосферы, равное ее действительной температуре, т.е. Tback,meas=Tback, то и измеренная им температура объекта равна действительной температуре. Это подтверждает правильность полученного уравнения. На практике, ввиду поглощения излучения атмосферой, измеренная температура атмосферы в месте нахождения объекта всегда меньше ее действительного значения, поэтому и измеренная температура объекта всегда меньше ее действительной температуры.The resulting equation is quite logical: in the case when the measuring instrument gives the value of the atmospheric temperature equal to its actual temperature, i.e. T back, meas = T back , then the object temperature measured by it is equal to the actual temperature. This confirms the correctness of the obtained equation. In practice, due to the absorption of radiation by the atmosphere, the measured temperature of the atmosphere at the location of the object is always less than its actual value, therefore the measured temperature of the object is always less than its actual temperature.

Из уравнения (15) следует основа предлагаемого способа, которая кратко формулируется следующим образом:From equation (15) follows the basis of the proposed method, which is briefly formulated as follows:

если аппаратным средством регулировки средства измерения добиться равенства измеренной им температуры атмосферы Tback,meas и ее действительной температуры Tback, т.е. равенство Tback,meas=Tback, то в этом случае измеренная температура объекта становится равной его действительной, т.е. Tob,meas=Tob.if the hardware for adjusting the measuring instrument to achieve the equality of the measured atmospheric temperature T back, meas and its actual temperature T back , i.e. equality T back, meas = T back , then in this case the measured temperature of the object becomes equal to its actual, i.e. T ob, meas = T ob .

Для выполнения данной корректировки необходимо знание действительной температуры атмосферы Tback, окружающей объект. Если принять, что температура атмосферы в месте расположения объекта и в месте расположения средства измерения (приемника) одинакова, то в этом случае искомая температура атмосферы Tback может быть измерена в месте расположения приемника любым контактным средством измерения, например, термометром. Кроме того, так как при выводе (15) использовано допущение о том, что коэффициент излучения атмосферы равен единице (εback=1), поэтому одновременно с корректировкой температуры требуется корректировка по коэффициенту излучения, а именно - на средстве измерения необходимо установить значение коэффициента излучения εback=1. При соблюдении данных требований измеряемая матричным приемником 2 температура объекта, согласно уравнению (15), будет равна его действительной температуре.To make this correction, it is necessary to know the actual temperature of the atmosphere T back surrounding the object. If we assume that the temperature of the atmosphere at the location of the object and at the location of the measuring instrument (receiver) is the same, then in this case the desired atmospheric temperature T back can be measured at the location of the receiver by any contact measuring instrument, for example, a thermometer. In addition, since the derivation of (15) used the assumption that the emissivity of the atmosphere is equal to one (ε back = 1), therefore, simultaneously with the temperature correction, an emissivity correction is required, namely, the emissivity value must be set on the measuring instrument ε back = 1. If these requirements are met, the temperature of the object measured by the matrix receiver 2, according to equation (15), will be equal to its actual temperature.

Таким образом, полученное уравнение (15) является уравнением измерения для действительной температуры объекта Tob. Для получения искомого значения Tob необходимо с помощью средства измерения, например, с помощью тепловизионной камеры, измерить температуру атмосферы в области объекта Tback,meas и температуру самого объекта Tob,meas, а с помощью другого средства измерения, например контактного, измерить действительную температуру атмосферы в месте нахождения камеры Tback, далее выполнить соответствующие корректировки, в результате чего в тепловизионной камере формируется массив данных действительного температурного поля объекта.Thus, the resulting equation (15) is the measurement equation for the actual temperature of the object T ob . To obtain the desired value T ob, it is necessary using a measuring instrument, for example, using a thermal imaging camera, to measure the temperature of the atmosphere in the area of the object T back, meas and the temperature of the object itself T ob, meas , and using another measuring instrument, such as a contact, to measure the actual temperature of the atmosphere at the location of the camera T back , then make the appropriate adjustments, as a result of which a data array of the actual temperature field of the object is formed in the thermal imaging camera.

При этом, для осуществления способа должны быть выполнены следующие условия и допущения:At the same time, for the implementation of the method, the following conditions and assumptions must be met:

- объект слабо нагрет, - это означает, что в пределах заданной точности для него справедливо приближение (4), кроме того, излучение от объекта не вызывает сколь-нибудь значительного нагрева приемника, поэтому выполняется допущение о равенстве температур приемника и атмосферы, т.е. Tmatrix=Tback;- the object is weakly heated, - this means that within the specified accuracy, approximation (4) is valid for it, in addition, the radiation from the object does not cause any significant heating of the receiver, therefore, the assumption is made that the temperatures of the receiver and the atmosphere are equal, i.e. ... T matrix = T back ;

- температура атмосферы в месте расположения приемника равна температуре атмосферы в месте расположения объекта (температуре приобъектной атмосферы).- the temperature of the atmosphere at the location of the receiver is equal to the temperature of the atmosphere at the location of the object (the temperature of the on-site atmosphere).

Следует иметь в виду, что хотя вывод уравнения измерения сделан в предположении, что средство измерения регистрирует поток излучения от объекта во всем тепловом спектральном диапазоне, он также действителен и для любой части теплового спектра, в котором, например, работает выбранное средство измерения. При рассмотрении конкретного спектра вывод уравнения измерения становится очень объемистым, но приводит к идентичному результату. Поэтому полученное уравнение измерения (15) полностью применимо для квази- и моноспектральных средств измерения.It should be borne in mind that although the derivation of the measurement equation is made on the assumption that the measuring instrument registers the radiation flux from the object in the entire thermal spectral range, it is also valid for any part of the thermal spectrum in which, for example, the selected measuring instrument operates. When considering a specific spectrum, the derivation of the measurement equation becomes very voluminous, but leads to an identical result. Therefore, the obtained measurement equation (15) is fully applicable for quasi and monospectral measuring instruments.

Предлагаемый способ легко реализуется при помощи тепловизора и любого контактного средства измерения температуры.The proposed method is easily implemented using a thermal imager and any contact temperature measuring device.

Порядок осуществления способа.The order of implementation of the method.

Тепловизор фокусируют на измеряемый объект и выполняют термографирование объекта. В результате термографирования на экране тепловизора получают тепловой портрет объекта и приобъектного слоя атмосферы, а также соответствующий данному портрету попиксельный массив температурных данных. Одновременно любым контактным средством измерения температуры, например, термопарой, измеряют температуру атмосферы Tback,конт в месте расположения тепловизора. С помощью опции тепловизора «коэффициент излучения» устанавливают значение коэффициента излучения равное 1,0 и с помощью опции «средняя температура в выделенной области» выделяют на тепловом портрете область приобъектной атмосферы и находят значение ее средней температуры Tback,meas. Оно всегда отличается (меньше) от действительной температуры атмосферы на некоторую величину. Затем путем поочередного использования опций «средняя температура в выделенной области» и «отраженная температура Tback» подбирают такое установочное значение температуры Tback, при котором будет выполнено равенство температуры атмосферы, измеренной тепловизором и контактным средством измерения, т.е. Tback,meas=Tback,конт. В результате выполненной корректировки установочных данных тепловизора на его экране формируется новый тепловой портрет и новый массив температурных данных, который соответствует действительному температурному полю. Из полученного массива данных получают необходимую информацию о действительном тепловом поле измеряемого объекта.The thermal imager is focused on the measured object and thermography of the object is performed. As a result of thermography, a thermal portrait of the object and the near-object layer of the atmosphere is obtained on the thermal imager screen, as well as a per-pixel array of temperature data corresponding to this portrait. At the same time, any contact temperature measuring device, for example, a thermocouple, measures the temperature of the atmosphere T back, cont at the location of the thermal imager. Using the "emissivity" option of the thermal imager, set the emissivity value equal to 1.0, and using the "average temperature in the selected area" option , select an area of the on-site atmosphere in the thermal portrait and find its average temperature T back, meas . It always differs (less) from the actual temperature of the atmosphere by some value. Then, by alternately using the options "average temperature in the selected area" and "reflected temperature T back ", a set temperature value T back is selected, at which the temperature of the atmosphere measured by the thermal imager and the contact measuring device will be equal, i.e. T back, meas = T back, cont . As a result of the performed correction of the installation data of the thermal imager, a new thermal portrait and a new array of temperature data are formed on its screen, which corresponds to the actual temperature field. From the received data array, the necessary information about the actual thermal field of the measured object is obtained.

Пример осуществления способа. С помощью предлагаемого способа было измерено тепловое поле морского танкера-бункеровщика в пригоризонтном слое атмосферы. Танкер длиной 96 м с дедвейтом 3000 тонн был удален от наблюдателя на расстояние ≈925 метров. Для измерений использовался тепловизор IR913 и хромель-копелевые термопары с известной чувствительностью. Тепловизор IR913 выполнен на базе неохлаждаемой микроболометрической матрицы размером 320×240 пикселей с размером одного пиксела 50×50 мкм, оснащен штатным объективом, обеспечивающим угловое поле зрения FOV=12×16° и угловое разрешение IFOV=0,9 мрад. Температурная чувствительность тепловизора IR913 ΔTNETD=0,08 К.An example of the implementation of the method. The proposed method was used to measure the thermal field of a sea bunkering tanker in the near-horizon layer of the atmosphere. A 96 m long tanker with a deadweight of 3000 tons was removed from the observer at a distance of ≈925 meters. An IR913 thermal imager and Chromel-Copel thermocouples with a known sensitivity were used for measurements. The IR913 thermal imager is based on an uncooled microbolometric matrix of 320 × 240 pixels with a single pixel of 50 × 50 μm, equipped with a standard lens providing an angular field of view FOV = 12 × 16 ° and an angular resolution of IFOV = 0.9 mrad. Thermal sensitivity of the IR913 thermal imager ΔT NETD = 0.08 K.

Для оценки точностных возможностей способа несколько термопар были установлены на контрольной поверхности танкера, а две другие термопары использовались для измерения температуры атмосферы: одна - в месте расположения тепловизора, другая - в месте расположения танкера. В результате измерений согласно предлагаемому способу получены результаты, которые представлены в таблице,To assess the accuracy of the method, several thermocouples were installed on the control surface of the tanker, and two other thermocouples were used to measure the temperature of the atmosphere: one at the location of the thermal imager, the other at the location of the tanker. As a result of measurements according to the proposed method, the results are obtained, which are presented in the table,

Figure 00000017
Figure 00000017

гдеWhere

Tback1 - температура атмосферы, измеренная термопарой в месте расположения тепловизора,T back1 is the temperature of the atmosphere measured by a thermocouple at the location of the thermal imager,

Tback2 - температура атмосферы, измеренная термопарой в месте расположения танкера,T back2 - temperature of the atmosphere measured by a thermocouple at the location of the tanker,

Tback,meas - измеренная температура приобъектной атмосферы после корректировки,T back, meas - measured temperature of the on-site atmosphere after correction,

Tob1 - действительная температура контрольной поверхности объекта, измеренная тепловизором после корректировки,T ob1 - actual temperature of the control surface of the object, measured by the thermal imager after correction,

Tob1_ - средняя температура контрольной поверхности объекта, измеренная термопарами. Оценка погрешности измерений выполнялась по отношению разностей температур (Tob2-Tob1) к абсолютному температурному контрасту (Tob2-Tback) и составила 1,7%. Для других измерений, выполненных на других объектах и в других условиях, расхождение в результатах измерений не превысило 2%.T ob1_ - average temperature of the control surface of the object, measured by thermocouples. The estimation of the measurement error was carried out in terms of the ratio of temperature differences (T ob2 -T ob1 ) to the absolute temperature contrast (T ob2 -T back ) and amounted to 1.7%. For other measurements carried out at other objects and under different conditions, the discrepancy in the measurement results did not exceed 2%.

Полученный результат для данного вида измерений может считаться точным результатом и превосходит результаты, достигнутые в настоящее время. Таким образом, в сравнении с известными способами предлагаемый способ обеспечивает более высокую точность измерений и одновременно расширяет номенклатуру измеряемых объектов, т.к. для его реализации не требуется знание коэффициентов излучения объекта и пропускания атмосферы.The result obtained for this type of measurement can be considered an accurate result and surpasses the results currently achieved. Thus, in comparison with known methods, the proposed method provides a higher measurement accuracy and at the same time expands the range of measured objects, because its implementation does not require knowledge of the radiation coefficients of the object and the transmittance of the atmosphere.

Claims (1)

Способ термографирования удаленного объекта, заключающийся в том, что в заданном спектральном диапазоне формируют изображение удаленного объекта на приемной площадке матричного приемника излучения, осуществляют регистрацию электрических сигналов с чувствительных элементов приемника и по ним формируют массив цифровых данных температуры объекта, отличающийся тем, что контактным способом измеряют температуру атмосферы в месте расположения приемника, корректируют отраженную температуру приемника излучения, при этом принимают коэффициент излучения атмосферы равным единице, и добиваются равенства измеренной приемником температуры атмосферы ее действительной температуре, измеренной контактным способом в месте расположения приемника, после выполнения корректировки формируют новый массив цифровых данных температурного поля объекта, который принимают за массив его действительных температур.The method of thermography of a remote object, which consists in the fact that in a given spectral range an image of a remote object is formed on the receiving area of a matrix radiation receiver, electrical signals are recorded from the sensitive elements of the receiver and an array of digital data of the object temperature is formed, characterized in that the contact method is measured the temperature of the atmosphere at the location of the receiver, the reflected temperature of the radiation receiver is corrected, while the emissivity of the atmosphere is taken to be unity, and the atmospheric temperature measured by the receiver is equal to its actual temperature, measured by the contact method at the location of the receiver, after performing the correction, a new array of digital temperature data is generated. fields of the object, which is taken as an array of its actual temperatures.
RU2019141904A 2019-12-13 2019-12-13 Method of thermography of a remote object RU2727349C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141904A RU2727349C1 (en) 2019-12-13 2019-12-13 Method of thermography of a remote object

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019141904A RU2727349C1 (en) 2019-12-13 2019-12-13 Method of thermography of a remote object

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2727349C1 true RU2727349C1 (en) 2020-07-21

Family

ID=71741299

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019141904A RU2727349C1 (en) 2019-12-13 2019-12-13 Method of thermography of a remote object

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2727349C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2755075C1 (en) * 2020-11-23 2021-09-14 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" Method for over-horizontal detection of man-general marine objects

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6758595B2 (en) * 2000-03-13 2004-07-06 Csem Centre Suisse D' Electronique Et De Microtechnique Sa Imaging pyrometer
RU2324152C1 (en) * 2006-09-25 2008-05-10 Открытое акционерное общество "ЛОМО" Thermal imaging technique and device
CN103604504B (en) * 2013-10-15 2016-06-29 中国人民解放军海军工程大学 A kind of accurate temp measuring method of infra-red radiation
RU2659457C2 (en) * 2016-05-25 2018-07-02 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук" (НИИСФ РААСН) Method of investing the object surface by the infrared device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6758595B2 (en) * 2000-03-13 2004-07-06 Csem Centre Suisse D' Electronique Et De Microtechnique Sa Imaging pyrometer
RU2324152C1 (en) * 2006-09-25 2008-05-10 Открытое акционерное общество "ЛОМО" Thermal imaging technique and device
CN103604504B (en) * 2013-10-15 2016-06-29 中国人民解放军海军工程大学 A kind of accurate temp measuring method of infra-red radiation
RU2659457C2 (en) * 2016-05-25 2018-07-02 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук" (НИИСФ РААСН) Method of investing the object surface by the infrared device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2755075C1 (en) * 2020-11-23 2021-09-14 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" Method for over-horizontal detection of man-general marine objects

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109632104B (en) Infrared array radiation source calibration device and calibration method
CN109655162A (en) Thermal infrared imager temperature measurement correction system and method
US7422365B2 (en) Thermal imaging system and method
US6891160B2 (en) Method and apparatus for temperature compensation of an uncooled focal plane array
KR101236551B1 (en) Radiometry using an uncooled microbolometer detector and infra-red camera using thereof
US20050205785A1 (en) Imaging device with multiple fields of view incorporating memory-based temperature compensation of an uncooled focal plane array
CN103954366B (en) Huge surface source black body calibration system used under vacuum cold condition
GB2099990A (en) Temperature measurement using thermal imaging apparatus
Krenzinger et al. Accurate outdoor glass thermographic thermometry applied to solar energy devices
CN115265803A (en) Method for measuring infrared spectrum radiation characteristics of remote point target
Bieszczad et al. Measurement of thermal behavior of detector array surface with the use of microscopic thermal camera
RU2727349C1 (en) Method of thermography of a remote object
De Los Ríos et al. The infrared camera prototype characterization for the JEM-EUSO space mission
Shanks et al. Stokes resolved differential temperature: an important metric of polarimetric precision in the long-wave infrared
Paes et al. Calibration uncertainty of MEMS thermopile imagers for quantitative temperature measurement
Randa et al. Proposal for development of a national microwave brightness-temperature standard
Kienitz Thermal imaging as a modern form of pyrometry
Novoselov et al. Study of Temperature Remote Diagnostics Systems of Industrial Electrical Installations
US20240159594A1 (en) Calibration mechanism for thermal imaging systems
Pron et al. Measurements without contact in heat transfer. Part B: Quantitative Infrared Thermography
Soldani Infrared signature: Theory and example of practical measurement methods
Braim Technique for the analysis of data from an imaging infrared radiometer
Nugent et al. Wide angle infrared cloud imaging for measuring cloud statistics in support of earth space optical communication
WO2022097133A1 (en) Generation of a temperature map
Tian et al. Compensation to the output drift for cooled infrared imaging systems at various ambient temperatures