RU139153U1

RU139153U1 - POLYCHROMATIC PYROMETER

Info

Publication number: RU139153U1
Application number: RU2013154369/28U
Authority: RU
Inventors: Борис Петрович Ионов; Антон Борисович Ионов; Егор Владимирович Плоткин; Надежда Сергеевна Чернышева
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2014-04-10

Abstract

Полихроматический пирометр, содержащий объектив, фотоприемники, перед которыми установлены спектральные фильтры, усилители сигналов каждого фотоприемника, подключенные к микропроцессору, управляющему индикатором температуры, вращающееся зеркало, осуществляющее развертку изображения регистрируемого объекта, отличающийся тем, что полихроматический пирометр снабжен, по меньшей мере, одним эталонным источником излучения с соответствующей фокусирующей системой для каждого источника излучения, а также дополнительным вращающимся зеркалом, установленным параллельно оптической оси объектива так, что оси вращения зеркал совпадают, при этом управляющий коэффициентом усиления вход каждого из усилителей подключен к микропроцессору.A polychromatic pyrometer containing a lens, photodetectors in front of which spectral filters are mounted, signal amplifiers of each photodetector connected to a microprocessor that controls the temperature indicator, a rotating mirror that scans the image of the recorded object, characterized in that the polychromatic pyrometer is equipped with at least one reference a radiation source with an appropriate focusing system for each radiation source, as well as an additional rotating mirror scrap set parallel to the optical axis of the lens so that the axis of rotation of the mirrors coincide with the gain control input of each of the amplifiers connected to the microprocessor.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к средствам бесконтактного измерения температуры.The utility model relates to measuring technique, namely, to means of non-contact temperature measurement.

Известно устройство бесконтактного измерения температуры (RU 2213942 МПК G01J 5/60, опубл. 10.10.2003), содержащее оптическую систему, блок спектрального разложения, матрицу приемников и процессорный блок. Для вычисления значения температуры используется информация о спектральном распределении с каждого элемента матрицы.A device for non-contact temperature measurement (RU 2213942 IPC G01J 5/60, publ. 10/10/2003) containing an optical system, a spectral decomposition unit, a matrix of receivers and a processor unit. To calculate the temperature value, information on the spectral distribution from each matrix element is used.

Однако в известном устройстве существует индивидуальная зависимость параметров каждого элемента матрицы (неравномерность) от внешних условий, в частности, окружающей температуры (собственной температуры матрицы) и долговременной стабильности ее параметров (старения), что приводит к снижению точности измерений.However, in the known device there is an individual dependence of the parameters of each element of the matrix (unevenness) on external conditions, in particular, the ambient temperature (intrinsic temperature of the matrix) and the long-term stability of its parameters (aging), which reduces the accuracy of the measurements.

Известен также трихроматический пирометр (RU 2347198 МПК G01J 5/00, опубл. 20.02.2009), содержащий оптическую схему деления входного потока излучения, оптический модулятор и три фотоприемные площадки, принимающие излучение в различных спектральных интервалах.Also known is a trichromatic pyrometer (RU 2347198 IPC G01J 5/00, published February 20, 2009) containing an optical scheme for dividing the input radiation flux, an optical modulator, and three photodetector sites receiving radiation in different spectral ranges.

Однако точность измерения температуры данным устройством также зависит от индивидуального влияния дестабилизирующих факторов (температуры, «старения») на каждый из приемников излучения.However, the accuracy of temperature measurement with this device also depends on the individual influence of destabilizing factors (temperature, "aging") on each of the radiation detectors.

Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является полихроматический пирометр (RU 2377511 МПК G01J 5/10, опубл. 27.12.2009). Устройство содержит вращающееся зеркало, осуществляющее развертку изображения объекта, расположенные по окружности фотоприемники со спектральными фильтрами, усилители, подключенные между выходом каждого фотоприемника и входами микропроцессора. При вращении зеркала в фотоприемники поочередно попадает излучение от объекта в спектральном интервале, определяемом индивидуальным фильтром. В результате по измерениям энергетической яркости для нескольких участков спектра и решения соответствующей системы уравнений, добиваются инвариантности показаний к излучательной способности объекта.The closest to the claimed utility model is a polychromatic pyrometer (RU 2377511 IPC G01J 5/10, publ. 27.12.2009). The device contains a rotating mirror that scans the image of the object, photodetectors located around the circumference with spectral filters, amplifiers connected between the output of each photodetector and the inputs of the microprocessor. When the mirror rotates, the radiation from the object in the spectral range determined by the individual filter alternately enters the photodetectors. As a result, by measuring the energy brightness for several parts of the spectrum and solving the corresponding system of equations, they achieve the invariance of the readings for the emissivity of the object.

Однако при воздействии внешних факторов, например, температуры окружающей среды, старения и т.п., индивидуально изменяющих параметры каждого из приемников излучения, точность измерения может существенным образом снизиться.However, when exposed to external factors, for example, ambient temperature, aging, etc., individually changing the parameters of each of the radiation detectors, the measurement accuracy can significantly decrease.

Техническим результатом является повышение точности измерения при воздействии внешних факторов.The technical result is to increase the measurement accuracy when exposed to external factors.

Данный технический результат достигается тем, что полихроматический пирометр снабжен, по меньшей мере, одним эталонным источником излучения с соответствующей фокусирующей системой для каждого источника излучения, а также дополнительным вращающимся зеркалом, установленным параллельно оптической оси входного объектива так, что ось вращения зеркал совпадают, при этом, усилитель на выходе каждого из фотоприемников выполнен с изменяемым коэффициентом излучения, причем вход управления коэффициентом усиления каждого из усилителей подключен к микропроцессору.This technical result is achieved in that the polychromatic pyrometer is equipped with at least one reference radiation source with an appropriate focusing system for each radiation source, as well as an additional rotating mirror mounted parallel to the optical axis of the input lens so that the axis of rotation of the mirrors coincide, while , the amplifier at the output of each of the photodetectors is made with a variable emissivity, and the gain control input of each of the amplifiers is connected en to the microprocessor.

На фиг. 1 изображена схема полихроматического пирометра, на фиг. 2 представлен вид по стрелке A схемы пирометра для шести участков спектра.In FIG. 1 shows a diagram of a polychromatic pyrometer; FIG. Figure 2 shows the view along arrow A of the pyrometer diagram for six spectral sections.

Пирометр содержит объектив 1, перед которым установлено вращающееся зеркало 2, приводимое в движение с помощью двигателя 3, при этом ось вращения зеркала 2, совпадает с оптической осью входного объектива пирометра.The pyrometer comprises a lens 1, in front of which a rotating mirror 2 is mounted, driven by a motor 3, while the axis of rotation of the mirror 2 coincides with the optical axis of the input lens of the pyrometer.

Фотоприемники 4 расположены в одной плоскости по окружности, через центр которой проходит оптическая ось входного объектива пирометра. Плоскость расположения фотоприемников перпендикулярна оптической оси входного объектива пирометра. Перед каждым фотоприемником 4 имеется соответствующий спектральный фильтр 5, к выходу каждого фотоприемника подключен соответствующий усилитель 6 с изменяемым коэффициентом усиления.Photodetectors 4 are located in the same plane around a circle through the center of which passes the optical axis of the input lens of the pyrometer. The plane of location of the photodetectors is perpendicular to the optical axis of the input lens of the pyrometer. Before each photodetector 4 there is a corresponding spectral filter 5, the corresponding amplifier 6 with a variable gain is connected to the output of each photodetector.

В плоскости фотоприемников расположены эталонные источники излучения 7 с фокусирующей системой 8 для каждого. Пирометр содержит дополнительное вращающееся зеркало 9, установленное параллельно оптической оси входного объектива и приводимое в движение с помощью двигателя 3. Оси вращения зеркал 2 и 9 совпадают.In the plane of the photodetectors are located reference radiation sources 7 with a focusing system 8 for each. The pyrometer contains an additional rotating mirror 9 mounted parallel to the optical axis of the input lens and driven by the motor 3. The axis of rotation of the mirrors 2 and 9 coincide.

Выход каждого из усилителей 6 соединен с соответствующим входом микропроцессора 10. Управляющий коэффициентом усиления вход каждого из усилителей подключен к индивидуальному выходу микропроцессора. К микропроцессору 10 также подключен индикатор температуры 11.The output of each of the amplifiers 6 is connected to the corresponding input of the microprocessor 10. The gain control input of each of the amplifiers is connected to the individual output of the microprocessor. A temperature indicator 11 is also connected to the microprocessor 10.

Пирометр работает следующим образом. После включения прибора запускается двигатель 3, в результате на каждый фотоприемник 4 за время одного оборота последовательно попадает излучение от измеряемого объекта, формируемое фокусирующей системой 1 и зеркалом 2, а также эталонных источников 7, проецируемое фокусирующими системами 8 и зеркалом 9.The pyrometer works as follows. After turning on the device, engine 3 starts, as a result, radiation from the measured object generated by the focusing system 1 and mirror 2, as well as reference sources 7 projected by focusing systems 8 and mirror 9, is sequentially delivered to each photodetector 4 during one revolution.

Сигнал на выходе фотоприемника 4 зависит от величины потока излучения, попавшего на приемник от объекта (или эталонного источника). Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления 6 производит усиление данного сигнала и передает его на вход микропроцессора 10, который регистрирует данное значение. В момент, когда на фотоприемник 4 попадает излучение от одного из эталонных источников 7, измеренное значение сигнала сравнивается с некоторым постоянным значением, записанным в памяти микропроцессора 10 на этапе калибровки пирометра. Далее микропроцессор осуществляет подстройку коэффициента усиления для усилителя 6 таким образом, чтобы измеренное значение сигнала фотоприемника стремилось к постоянному значению, записанному в память микропроцессора. Таким образом, за несколько оборотов система автоподстройки производит подбор требуемого коэффициента усиления для данного спектрального канала. Аналогично происходит подбор коэффициента усиления для других спектральных каналов, причем в качестве эталонного 7 может использоваться как один и тот же, так и разные источники.The signal at the output of the photodetector 4 depends on the magnitude of the radiation flux incident on the receiver from the object (or reference source). An amplifier with a variable gain 6 amplifies this signal and transfers it to the input of the microprocessor 10, which registers this value. At the moment when radiation from one of the reference sources 7 enters the photodetector 4, the measured signal value is compared with a certain constant value recorded in the memory of the microprocessor 10 at the stage of calibration of the pyrometer. Next, the microprocessor adjusts the gain for the amplifier 6 so that the measured value of the photodetector signal tends to a constant value recorded in the microprocessor memory. Thus, in a few revolutions, the auto-tuning system selects the required gain for a given spectral channel. Similarly, the gain is selected for other spectral channels, moreover, the same or different sources can be used as a reference 7.

В момент, когда на один из фотоприемников 4 попадает излучение от объекта, регистрация сигнала происходит аналогичным образом, причем коэффициент усиления усилителя соответствует результату автоподстройки. После регистрации сигналов со всех фотоприемников микропроцессор вычисляет искомую температуру объекта и выдает соответствующее значение на индикатор. Значение температуры вычисляется из максимального приближения взаимного соотношения сигналов в различных спектральных интервалах (с разных фотоприемников) спектральному распределению, описываемому законом Планка. В простейшем случае (пирометр спектрального отношения), значение температуры вычисляется исходя из формулы:At the moment when radiation from the object enters one of the photodetectors 4, the signal is recorded in a similar way, and the gain of the amplifier corresponds to the result of auto-tuning. After registering the signals from all photodetectors, the microprocessor calculates the desired temperature of the object and gives the corresponding value to the indicator. The temperature value is calculated from the maximum approximation of the mutual relation of the signals in different spectral ranges (from different photodetectors) to the spectral distribution described by Planck's law. In the simplest case (spectrometer pyrometer), the temperature value is calculated based on the formula:

,

где

,

,Where

,

L₁, L₂ - регистрируемые пирометром энергетические яркости, соответствующие длинам волн λ₁, λ₂,L ₁ , L ₂ - recorded by the pyrometer energy brightness corresponding to wavelengths λ ₁ , λ ₂ ,

C₁, C₂ - коэффициенты,C ₁ , C ₂ - coefficients,

T - искомая температура,T is the desired temperature,

k₁, k₂ - индивидуальные коэффициенты преобразования приемников излучения.k ₁ , k ₂ - individual conversion factors of radiation receivers.

При вращении блока зеркал 2 и 9, помимо развертки, происходит оптическая модуляция потока излучения, поступающего на каждый приемник 4, как от измеряемого объекта, так и от эталонных источников 8. В данной полезной модели функцию модулятора выполняет вращающееся зеркало 9.When the block of mirrors 2 and 9 rotates, in addition to the sweep, optical modulation of the radiation flux arriving at each receiver 4 occurs both from the measured object and from the reference sources 8. In this utility model, the rotating mirror 9 performs the modulator function.

Сигнал на выходе фотоприемника 4 зависит от величины потока излучения попавшего на приемник от объекта, определяемого температурой объекта, а также характеристикой преобразования фотоприемника 4, которая индивидуальна для каждого экземпляра. Индивидуальность проявляется, в частности, в том, что каждый из фотоприемников 4 различным образом изменяет свои параметры (крутизну преобразования и т.п.) при изменении температуры окружающей среды (его собственной температуры). Для того чтобы нивелировать указанные выше индивидуальные особенности в данном техническом решении используется автоматическая подстройка коэффициентов усиления усилителей 6 под сигналы эталонных источников 7, причем различные фотоприемники 4 и эталонные источники легко могут быть сгруппированы по рабочим спектральным интервалам, путем их соответствующего взаимного расположения.The signal at the output of the photodetector 4 depends on the magnitude of the radiation flux incident on the receiver from the object, determined by the temperature of the object, as well as the conversion characteristic of the photodetector 4, which is individual for each instance. The individuality is manifested, in particular, in the fact that each of the photodetectors 4 in various ways changes its parameters (conversion slope, etc.) with a change in the ambient temperature (its own temperature). In order to neutralize the above individual features, this technical solution uses automatic adjustment of the amplification factors of amplifiers 6 to the signals of reference sources 7, and various photodetectors 4 and reference sources can easily be grouped according to the working spectral intervals by their respective relative positions.

Известно, что с течением времени в ходе эксплуатации, особенно в тяжелых условиях, происходит деградация параметров (уменьшение значений коэффициентов чувствительности к) фотоприемников 4. Данная полезная модель позволяет оценить степень деградации путем сравнения значения управляющего воздействия, выдаваемого на регулируемый усилитель 6 каждого канала при подстройке под эталон на этапе производства и на этапе эксплуатации. Это позволяет заблаговременно принять решение о поверке, ремонте и калибровке оборудования и возможности его дальнейшей эксплуатации. Предупреждение о превышении предела деградации выводится на индикатор температуры 11 в виде дополнительной информации.It is known that over time during operation, especially under severe conditions, the degradation of the parameters (decrease in the sensitivity coefficients of k) of the photodetectors 4 occurs. This useful model allows us to estimate the degree of degradation by comparing the value of the control action outputted to the adjustable amplifier 6 of each channel when tuning under the standard at the production stage and at the operation stage. This allows you to make a decision in advance on the verification, repair and calibration of equipment and the possibility of its further operation. A warning about exceeding the degradation limit is displayed on the temperature indicator 11 in the form of additional information.

Таким образом, данный пирометр позволяет повысить точность измерения при воздействии внешних факторов.Thus, this pyrometer can improve the accuracy of measurements when exposed to external factors.

Claims

A polychromatic pyrometer containing a lens, photodetectors in front of which spectral filters are mounted, signal amplifiers of each photodetector connected to a microprocessor that controls the temperature indicator, a rotating mirror that scans the image of the recorded object, characterized in that the polychromatic pyrometer is equipped with at least one reference a radiation source with an appropriate focusing system for each radiation source, as well as an additional rotating mirror scrap set parallel to the optical axis of the lens so that the axis of rotation of the mirrors coincide with the gain control input of each of the amplifiers connected to the microprocessor.