RU1787267C - Фотоэлектрический компенсирующий пирометр - Google Patents

Abstract

Использование: область пирометрии различных тел, измерени  параметров лазерного и.других излучений. Сущность: рабоча  поверхность комбинированного термоэлектронного преобразовател  установлена на термостат и подключена к неинвертирующим входом усилител  к общей шине, друга -фотоприемником подключена к инвертирующему входу усилител , а компенсатором к выходу дифференциального усилител , при этом фотоприемник и компенсатор выполнены в виде единого конструктивного модул  и помещены в термостат, Кроме того, рабочие элементы могут быть объединены в группы с измен емым соотношением , а температура термостата может измен тьс . 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относитс  к оптической пирометрии и может быть использовано в пирометрах дл  измерени  температуры различных тел в процессе технологического производства, дл  измерени  параметров лазерного и других излучений, а также в исследовательской практике при проведении темлераратурных исследований повышенной точности.

Известны конструкции фотоэлектрических пирометров, например ППТ-121, ПЧД- 141, содержащие корпус, объектив, апертурную и полевую диафрагмы, коллектив (конденсатор), диафрагму фотоприемника , термоэлектрический термостат, фотоприемник, в качестве которого используетс  термобатаре  спаев термопар или фотодиод, электронную систему измерени , построенную по принципу пр мого усилени  сигнала фотоприемника с дальнейшим его измерением.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  пирометр, содержащий температурный датчик с раздельными первой и второй поверхност ми (термобатаре ), чувствительным к температуре , дл  выработки разностного сигнала, первую линзу и диафрагму, фокусирующую термоизлучение от объектива на первую поверхность, вторую линзу и вторую диафрагму , фокусирующую излучение от эталонного (те.плового) источника на вторую поверхность-датчика. Измен   температуру эталонного источника при помощи дифференциального усилител , добиваютс  равенства нулю разностного сигнала отдатчика . О температуре объекта суд т по мощности , выдел емой в цепи нагревательного

XI

00

х| hO

Os

XI

СО

элементГЭталонного источника сравнени , или по непосредственному измерению температуры эталонного источника.

Основными причинами по влени  погрешности в данном приборе  вл ютс  из- менение чувствительности датчика к излучению в инфракрасной области при изменении температуры корпуса прибора, так датчик не тёрмостатирован, а также зависимость тока, протекающего в цепи на- грева эталбШрго источника, не только от температуры объекта измерени , но и от температуры окружающей среды, Температурна  компенсаци , предусмотренна  в данном приборе, устран ет плавание нул  прибора при изменении температуры корпуса и не устран ет главной причины возникновени  погрешности, суть которой в том, что при изменении температуры датчика , при неизменной температуре объекта, измен етс  разность энергии излучений объекта и датчика, воздействующей на датчик , что приводит к изменению условий передачи энергий между объектом измерени  и датчиком, привод щих к изменению показа- ний прибора. Дл устранени  этого недостатка необходима температурна  стабилизаци  как датчика разностного сигнала, так и эталонного источника излучени .

Цель изобретени  - расширение темпе- ратурного диапазона и повышение точности измерени  температуры.

Цель достигаетс  тем, что в предлагаемом пирометре используетс  комбинированный термоэлектронный преобразователь, одна рабоча  поверхность которого установлена на термостат и подключена вместе с неинвертирующим входом усилител  к общей шине, друга  определенной частью рабочих элементов, выполн ющих функции фотоприемника, подключена к инвертирующему входу усилител , оставшейс  же частью рабочий элементов, выполн ющих функцию компенсатора, вместе с блоком измерени  - к выходу дифференциального усилител . Таким образом, в фотоприемник и комггенсатор  вл ютс  част ми одной и той же рабочей поверхности преобразова- Yerta и выполнены в виде единого конструктивного модул , помещенного в термостат.

Блок-схема, по сн юща  принцип действи  компенсирующего пирометра, приве- дена на фиг. 1, где 1 - оптическа  система, проектирующа  излучение U от исследуемого объекта на комбинированный термоэлек- тронный преобразователь (ТЭП), 2 - комбинированный ТЭП, имеющий две рабочие поверхности, выполн ющий две функции: фотоприемника 3, преобразующего разность температур первой и второй рабочих поверхностей ТЭП в пропорциональный электрический сигнал, и компенсатора 4, измен ющего температуру первой рабочей поверхности ТЭП, на которой расположены и фотоприёмник 4 и компенсатор 4 таким образом, чтобы разность температур между первой поверхностью и второй, установленной на термостат, оставалась посто нной, 5 - усилитель разностного сигнала, получаемого от фотоприемника 3, служит дл  питани  компенсатора 4 током, пропорциональным величине сигнала с фотоприемника 3, 6 - блок индикации , преобразующий выходной ток дифференциального усилител , пропорциональный температуре объекта, в цифровой код с визуализацией его на индикаторе, а также обеспечивающий возможность подключени  аналогового измерительного прибора .

Блоки 8-11 представл ют собой систему автоматического регулировани  температуры как термостата 7, так и температуры установленной на нем второй рабочей поверхности комбинированного ТЭП.

Датчик 8 температуры вырабатывает сигнал, пропорциональный отклонению температуры термостата 7 от величины, заданной задатчиком 11 температуры. Усилитель 9 усиливает разностный сигнал датчика 8 температуры, а подключенный к выходу усилител  9 компенсатор 10 восстанавливает требуемую температуру термостата 7.

Функциональна  схема пирометра приведена на фиг. 2. Излучение от объекта 13 направл етс  объективом 2 через отверстие апертурной диафрагмы 3 на плоскость полевой диафрагмы 5. Часть энергии излучени , ограниченной полевой диафрагмой 5, направл етс  линзой 4 через отверстием диафрагмы фотоприемника 6 на первую плоскость а комбинированного ТЭП 7 и измен ет ее температуру. Втора  плоскость б комбинированного ТЭП 7 (в дальнейшем измерительный ТЭП) термостатирована другим ТЭП 8, который совместно с датчиком температуры термостата 10 и усилителей 9, поддерживает температуру термостата 14 и второй плоскости б измерительного ТЭП 7 посто нной.

Дл  создани  оптимальных условий измерени  положительных или отрицательных температур объекта температура термостатировани  может быть задана как выше, так и ниже 0°С, а ТЭП 8 может быть как одноступенчатый, так и многоступенчатый в зависимости оттребований к пирометру и условий, эксплуатации, при этом отдельные ступени термостатирующих ТЭП могут иметь свою систему управлени  со

Своим датчиком температуры и усилителем. В качестве ТЭП термостата в данном приборе используетс  твердотельуый электронный микроохладитель ТЭМО, выпускаемый отечественной промышленностью.

Измерительный ТЭП 7 выполнен на базе твердотельного электронного микроохладител  ТЭМО, в котором часть рабочих полупроводниковых термоэлементов, например 2/3, используетс  в качестве фотоприемника и включена во входную цепь дифференциального усилител  11, оставша с  часть термоэлементов выполн ет функцию компенсатора излучени  от объекта и подключена к выходу этого же усилител .

Измен   ток через термоэлементы, служащие в качестве компенсатора излучени , дифференциальным усилителем 11 добиваютс  равенства нулю разностного сигнала от части термоэлементов, служащих в качестве нуль-индикатора, при этом температура плоскости а измерительного ТЭП 7 принимает значение температуры плоскости б и температуру термостатировани . О температуре объекта суд т по току в выходной цепи дифференциального усилител  11 фотоприемника, измер емому блоком измерени .

Така  конструкци  измерительного ТЭП объедин ет в одном модуле фотоприемник и компенсатор излучени  от объекта, реализу  компенсационный метод измерени  температуры, и позвол ет решить вопрос одновременной термостабилизации фотоприемника и эталонного источника излучени . Кроме того, компенсатор непосредственно воздействует на фотоприемник, что значительно повышает его эффективность вследствие отсутстви  потерь энергии и передаче, что повышает точность измерени  и расшир ет пределы измер емых температур.

Друга  модификаци  этого пирометра использует комбинированный измерительный ТЭП дл  измерени  температуры в двух поддиапазонах, При измерении температуры объекта с малой энергией излучени  в качестве фотоприемника задействована больша  часть, например 2/3 всего количества термоэлементов, а оставша с  часть используетс  в качестве компенсирующих термоэлементов, включенных на выходе дифференциального усилител . Дл  измерени  высоких температур или лазерного излучени  с большой энергией излучени  прибор снабжен переключателем, который мен етс  местами подключение к усилителю частей измерительного ТЭП. Меньшую часть, например 1/3, переключает на вход усилител  в качестве фотоприемника, а

большую часть - к выходу усилител , что позвол ет увеличить мощность компенсатора и расшир ет пределы измер емых температур (фиг. 3).

5Третий вариант пирометра использует все термоэлементы ТЭП одновременно в качестве фотоприемника и в качестве компенсирующих термоэлементов.

В соответствии с эффектами Зеебека и

0 Пельтье ток, проход щий по термоэлементам в направлении разностной термоЭДС, вызванной нагревом одной из плоскостей а ТЭП получением от объекта, охлаждает ее и по достижении определенного значени 

5 температура обеих плоскостей а и б сравн етс , а разностна  термоЭДС при этом равна нулю. Дл  осуществлени  такого режима работы ТЭП подключен к инвертирующему входу дифференциального усили0 тел , а отрицательна  обратна  св зь

образована нагрузочным резистором R0c,

включенным между выходом усилител  и

его инвертирующим входом, при этом блок

. 12 измерени  подключен к выходу диффе5 ренциального усилител  фотоприемника- компенсатора. Таким образом ТЭП работает в режиме фотоприемника с самокомпенсацией (фиг. 4).

Предлагаемый пирометр и его мод ифи0 кации позвол ют увеличить точность измерени  и значительно расширить диапазон измер емых температур в широком спектре излучени .

Термостатирование второй плоскости

5 измерительных ТЭП позвол ет значительно повысить точность измерени  температуры, В результате применени  в качестве компенсирующего, устройства ТЭП, нагревающего или охлаждающего плоскость, на

0 которой происходит компенсаци  излучени , предлагаемые модификации пирометра могут измер ть температуру объектов как выше, так и ниже 0°С.

Claims (3)

1. Формула изобретени 

   51. Фотоэлектрический компенсирующий пирометр, содержащий оптическую систему , комбинированный термоэлектронный преобразователь с двум  рабочими поверхност ми дл  выработки разностного

   0 сигнала, пропорционального, разности температур указанных поверхностей, дифференциальный усилитель, термостат, блок измерени , отличающийс  тем, что, с целью расширени  температурного диапа5 зона и повышени  точности измерений,- одна рабоча  поверхность комбинированного термоэлектронного преобразовател  установлена на термостат и подключена с неинвертирующим входом усилител  к общей шине, друга  - частью рабочих элементов,

   выполн ющих функцию фотоприемника, подключена к инвертирующему входу усилител , оставшейс  же частью, выполн ющей функцию компенсатора, с блоком измерени  подключена к выходу дифференциального усилител , а фотоприемник и компенсатор выполнены в виде единого конструктивного модул  и помещены в термостат .

   2. Пирометр по п. 1,отличающийс  тем, что, с целью расширени  предела измерени , рабочие элементы комбинированного термоэлектронного преобоазовател 
2. 2

   объединены установленным между ним и дифференциальным усилителем-переключателем в отдельные группы с измен емым соотношением элементов, общие выводы которых подключены к переключателю.

   3. Пирометр по пп. 1и 2, отличающий с   тем, что, с целью измерени  температур выше и ниже 0°С, одна рабоча  поверхность комбинированного термоэлектронного преобразовател  установлена на термостате с измен емой температурой термостати рова ни .
3. Фиг.1

   Пирометр фотоэлектрический компенсирующий