CS210128B1 - Radiometr - Google Patents

Abstract

Vynález se týká přenosného a rychle'ho bezkontaktního měření teploty různých cbjekt ů. Podstata radiometru podle vynálezu spočívá v tom, přerušovač záření je tvořen kmitavým jazýčkem s průměrnou eniísivitou menší než 0,02, uloženým pohybliví' a s minimální vůlí. v tepelně vodivém pouzdru, ječ íe tepelně vodivě spojeno s plást čtu čidla, p ř i č e m ž vlast n i c i 11 i v ý e 1 e m e n t č i d 1a j e tepelně, vodivě spojen s vy hod noc o v <:čeia teploty, jehož výstup je napojen na první vstup vyhodnocovacího jysněmu pro určení kalibiované hodnoty teploty měřeného objektu nezávisle na teplotě rudíometru současným zpracováním signálu vyhodnocované teploty a signálu čidla, a výstup vlafilnílio citlivého elementu čidla je napojen přes zesilovač signálu na druhý vstup vyhodnocovat i ho s y s t. dmu , Radiometr podle vynálezu je možno s výhodou použít ve všech aplikacích, kde je třeba pohotově měřit teplotu s přesností řádově zlomky °C bez nutnosti opakované rekalibraee přístroje při změnách teploty okolí například v medicíně pří diagnostice, kontrole operačních polí při ochlazeni crganísiau, nebo přehřátí ozařovaných tkán·., d á i e pro bezkontaktní, dálkovou d e t ek c i z i - vých objektů a rovněž v n á roč n ý c h techπo 1 o - gíckých procesech různých oblastí výroby,

Description

Vynález se týká radiometru pro přesné a rychlé bezkontaktní měření teploty objektů, korigovaného vůči změnám teploty jeho okolí, osazeného tepelným Čidlem záření, zesilovačem jeho signálu, přerušovačem záření a kontaktním vyhodnocovačem teploty zmíněného čidla 'záření .

Radiační měření teploty objektů tepelně zářících je založeno na skutečností, še signál tepelného čidla opatřeného přerušovačem, modulujícím tepelný zářivý tok je obecně úměrný hodnotě rozdílu výměny zářivého toku mezi měřeným objektem a čidlem a mezi přerušovačem a zmíněným čidlem. Vyjádříme-li výslednou zářivou výměnu jako funkci teploty T_g měřeného objektu a skutečné teploty T_m přerušovače, či jeho zdánlivé teploty, vystihující např. teplotu dominujícího referenčního zdroje záření, zrcadleného přerušovačem a citlivost čidla jako funkci jeho teploty T_d , lze při znalosti emisivit £_e měřeného objektu, *' přerušovače a £_d čidla, při znalosti spektrální propustnosti £ prostředí mezi citlivým elementem čidla a měřeným objektem, koeficientem y geometrie chodu záření v radiometru a koeficientu^ modulace záření, vyhodnotit teplotu T_g měřeného objektu .

Přesnost měřeni teploty T_s měřeného objektu je principiálně limitována, při pevně zadané teplotě T_m přerušovače ve výše uvedeném významu, přesností odečtu signálové odezvy, tj. vlastním šumem čidla a zesilovače jeho signálu. V praxi bude nutno započítat i nepřesnost zadání teploty T_m přerušovače. Pro dlouhodobou stabilitu, reprodukovat elnost měření a nezávislost měřených hodnot T_s na teplotě okolí je pak rozhodující funkční*závislost citlivosti čidla na jeho teplotě T_d i stabilita teploty T_m vůči změnám teploty okolí.

Zvolíme-li v radiometru podmínky tak, aby tepelné čidlo bylo dostatečně spektrálně neselektívní, s konstantní průměrnou emisivitou Sd ¹ , teploty T_d a T_m byly maximálně blízké a emisivita <_ra<0,02, lze teplotu T_s měřeného objektu ve zjednodušené formě vyjádřit vztahem

T_s = /T* ₊ ZÍT_d; .p*V_d,/’/⁴ kde Δ U_dq je efektivní hodnota zesíleného signálu čidla a ύΤ^ J je koeficient signálu ZaU(1_s, korigující vliv teploty T_ci čidla na jeho citlivost, při konfiguračním a materiálovém parametru .

Známá uspořádání radiometru řeší realizací přerušovače záření tím, že pohyb přerušovacího jazýčku odvozují z rotačního pohybu elektrického motorku a teplotu tohoto jazýčku T_m, popřípadě i teplotu čidla Tj stabilizují s různou přesností, podle žádané přesnosti měření teploty T_s .

Nevýhodou těchto radiometru je skutečnost, že pohon přerušovače je zdrojem rušivých tepelných gradientů, mechanických vibrací a s nimi souvisejících šumů uvnitř zařízení, které dále omezují dosažitelnou přesnost popřípadě rychlost měření. Další nevýhodou takovéhoto pohonu přerušovače je poměrně složité získávání synchronizačních impulzů pro účely synchronní detekce signálu čidla. Nevýhodou dosavadních radiometru je dále nutnost stabilizovat teplotu T_ra přerušovače, popř. teplotu T'_d čidla pomocí poměrně složitého termoregulačního zařízení, které navíc svou tepelnou časovou konstantou limituje pohotovost měření. Náročným technickým problémem je i realizace kalibračního normálu záření a samotné kalibrování stupnice teploty T_g.

Výhodou radiometru podle vynálezu je, že pohyb jazýčku přerušovače je odvozen od kmitavého, běžně používaného mechanismu, jehož kmitavý systém je lehký, dynamicky vyvážený a jehož rozptylový ztrátový výkon je nepatrný, takže přídavný šum přerušovače záření do signálového kanálu je zanedbatelný. Tento mechanismus pracuje s malým útlumem, kde zmenšení amplitudy každého kyvu v důsledku ztrát třením je doplňováno z elektrického zdroje ve formě impulzů s pevným fázovým vztahem ke kmitům jazýčku přerušovače záření. Tyto impulzy jsou zároveň využity pro synchronní detekci signálu.

Nevýhody spojené se stabilizací teploty T_m přerušovače, popř. teploty T_d čidla záření v dosavadních radiometrech jsou odstraněny tím, že jejích termostabilizace je nahrazena stálým, kontaktním měřením teploty Tj , přičemž vliv teploty přerušovače T_m je potlačen nízkou hodnotou emesivíty a pro kalibraci signálu z-U_ds, při okamžité hodnotě teploty Čidla T_d, se využívá hodnot kalibrační křivky koeficientu

Kmitavý jazýček přerušovače může být připevněn ke kotvě hodinového mechanismu s elektromagnetickým impulsním pohonem v každém cyklu anebo alternativně ke kotvě deprezského vychylovacího systému, což umožňuje pří relativně nízkých výrobních nákladech vysokou spolehlivost a přesnost přerušování záření.

Tepelné čidlo může být s výhodou vytvořeno jako rychlé pyroelektrické Čidlo a zesíolovač jeho signálu muže být zapojen jako proudově napětiový převodník s obvodem optimalizujícím rychlost měření, velikost signálové odezvy a odstup signálu od šumu.

Podstata radiometru podle vynálezu spočívá v tom, že přerušovač záření je tvořen kmi.tavým jazýčkem s průměrnou emisivitou menši než 0,02, uloženým pohyblivě a s minimální vůlí v tepelně vodivém pouzdru, jež je tepelně vodivě spojeno s pláštěm čidla, přičemž vlastní citlivý element čidla je tepelně, vodivě spojen s vyhcdnocovaČem teploty, jehož výstup je napojen na první vstup vyhodnocovacího systému pro určeni kalibrované hodnoty teploty měřeného objektu nezávisle na teplotě radiometru, a výstup vlastního citlivého elementu čidla je napojen přes zesilovač signálu na druhý vstup vyhodnocovacího systému .

Příklad zapojení radiometru podle vynálezu je znázorněn na připojeném výkresu, který představuje blokové schéma radiometru.

Na obrázku je optická soustava 2 umístěna mezi měřeným objektem 2 ^a přerušovačem 3 záření, který sestává z kmitavého jazýčku 3 1 a z tepelně vodivého pouzdra 3 2 . Kmitavý jazýček 31 přerušovače záření je uložen pohyblivě a s minimální vůlí v tepelně vodivém pouzdře 3 2, jež je tepelně vodivě spojeno s pláštěm čidla 9_ a tento systém přerušovače a čidla je ke zvýšení přesností tepelně izolován od okolí izolantem 91.

Kmitavý jazýček 31 je připevněn ke kotvě 54 hodinového mechanismu 5_ s elektromagnetickým impulsním pohonem 56, jehož výstup je přiveden na vstup 73 vyhodnocovacího systému 7_ pro účely synchronní detekce,

K citlivému elementu Čidla 9_ je tepelně vodivě připojen v-yhodnocovač ,_8 teploty T_d čidla záření a výstup tohoto vyhodnocované je napojen na vstup 71 vyhodnocovacího systému 2 P^ro vyhodnocování signálu tepelného čidla _9 a vyhodnocované 2 jeho teploty T_d, přičemž na vstup 72 je napojen výstup tepelného čidla 9_ přes zesilovač 10 signálu Čidla.

Vyhodnocovací systém 7 tepelného čidla a vyhodnocovače 2 jeho teploty obsahuje v řadě za sebou zapojené tyto prvky:

synchronní detektor 74, integrační filtr 75 a výpočtovou část s pamětí 7 6 . Výstup vyhodnocovacího obvodu 7_ J^e napojen na vstup indikátoru 16. Tepelné Čidlo 2 J^e vytvořeno jako pyroelektrické a zesilovač 10 jeho signálu je zapojen jako proudově napěťový převodník, se zpětnovazební impedancí danou odporem 11 a parazitní kapacitou 12, jejíž vliv je neutralizován prostřednictvím rozptylové kapacity 15 vazebního prvku 1 4 napájeného z ínvertuJTc ího zesilovače 13, jehož vstup je připojen na výstup zesilovače 10 signálu čidla.

Kontaktním vyhodnocovačem teploty Tj čidla záření může být měřicí dioda a systém přerušovače s Čidlem je tepelně izolován od okolí. V tomto uspořádání pak zařízení podle vynálezu pracuje takto:

Teploty T_m a jsou vzájemně velmi blízké a to staticky i dynamicky, protože vliv fluktuací teploty okolí lze redukovat tepelným filtrem sestávajícím z tepelného odporu zmíněné tepelné izolace a tepelné kapacity systému tepelného spojení přerušovač - čidlo. Hodnotu teploty T_m ve vztahu shora uvedené rovnice lze tedy nahradit naměřenou teplotou Tj, Současně lze bezprostředně určovat koeficienty '^(Tj , např. měřením elektrické odezvy z.Uj_s (T<j) , jestliže teplota zdroje T_g je dána teplotním normálem, realizovaným s výhodou lázní konstantní teploty v termodynamické rovnováze. Hodnoty <.4:1^; >) jsou v dostatečně jemném odstupňování T^ yloženy v paměťových obvodech. Použita digitální technika přiřazuje každé okamžité hodnotě Tj odpovídající hodnotu ^(/&ái a pro každou hodnotu /jkUjg vztaž’enou k měřenému objektu řeší vztah shora uvedené rovnice.

Modulovaná výměna tepelného záření měřeného objektu 2 ⁸ tepelným čidlem 9 vyvolá elektrickou odezvu Čidla, jež je*zesílena zesilovačem 1 0, přivedena na vstup 7 2 vyhodnocovacího systému 7_, synchronně detektována detektorem 74, filtrována filtrem 75 a spolu s údajem vyhodnocovače 8 teploty čidla 2» přivedeným na vstup 71 vyhodnocovacího systému 7_ aritmeticky zpracována v bloku 76 a indikována indikátorem 16 jako měřená teplota T_s .

V případě, že tepelné čidlo 9 je vytvořeno jako čidlo.pyroelektrické a pří současných maximálních nárocích na poměr signálu k šumu, na velikost odezvy a na šíří pásma s frekvenčně nezávislou odezvou na výstupu zesilovače 10 signálu čidla, se jeví. výhodným použít zesilovač 10 signálu čidla v zapojení proudově napěťového převodníku s neutralizovanou parazitní kapacitou 12 pomocí neutralizačního zesilovače 13 invertujícího výstupní signál zesilovače 29.» na jehož vstup je volně kapacitně navázán rozptylovou kapacitou 22 vazebního prvku Μ výstup neutralizačního zesilovače 22· * ’

Radiometru podle vynálezu je možno s výhodou použít ve všech aplikacích, kde je třeba pohotově měřit teplotu s přesností řádově zlomky °C bez nutnosti opakované rekalibrace přístroje při změnách teploty okolí, např, v medicíně při diagnostice, kontrole operačních polí při ochlazení organismu, nebo přehřátí ozařovaných tkání, dále pro bezkontaktní, dálkovou detekci živých objektů a rovněž v náročných technologických procesech různých oblastí výroby.

Claims (4)

1. !. Radiometr pro přesné a rychlé bezkontaktní. měření teploty objektů tepelně zářících, osazený tepelným čidlem, přerušovačem záření a zesilovačem výstupního signálu čidla záření, vyznačený tím, že přerušovač /3/ záření je tvořen kmitavým jazýčkem /31/ s průměrnou emisivitou menší než 0,02, uloženým pohyblivě a s minimální vůlí v tepelně vodivém pouzdru /32/, jež je tepelně vodivě spojeno s pláštěm čidla /9/, přičemž vlastní citlivý element čidla /9/ je tepelně vodivě spojen s vyhodnocovačem teploty /8/, jehož výstup je napojen na první vstup /71/ vyhodnocovacího systému /7/ pro určení kalibrované hodnoty teploty měřeného objektu nezávisle na teplotě radiometru a výstup vlastního citlivého elementu čidla /9/ je napojen přes zesilovač /10/ signálu na druhý vstup /72/ vyhodnocovacího systému /7/.
2. 2. Radiometr podle bodu 1, vyznačený tím, že kroitavý jazýček /31/ přerušovače /3/ záření je připevněn ke kotvě /54/ hodinového mechanismu /5/ s elektromagnetickým impulzníni pohonem /6/ v každém cyklu.
3. 3. Radiometr podle bodu 1, vyznačený tím, že kroitavý jazýček /31/ přerušovače /3/ záření jo připevněn ke kotvě deprezskébo vychylovacího systému.
4. 4. Radiometr podle bodu 1, vyznačený tím, že tepelné čidlo /9/ je vytvořeno jako čidlo pracující s pyroelektrickým efektem, přičemž zesilovač /10/ jeho signálu je zapojen jako proudově napěťový převodník, na jehož výstup je napojen vstup neutralizačního zesilovače /13/, jehož výstup je napojen přes rozptylový vazební prvek /14/ na vstup zesilovače /10/ signálu Čidla.