RU1904U1 - Оптический пирометр - Google Patents

Abstract

1. ОПТИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТР, включающий последовательно размещенные входной объектив, модулятор, фотоприемник, усилитель и синхронный детектор, а также оптически сопряженный с фотоприемником через модулятор источник сравнения, содержащий тело сравнения с датчиком температуры, подключенным к входу преобразователя температуры в электрический сигнал, выход которого соединен с входом индикатора через аналого-цифровой преобразователь, отличающийся тем, что в него введено пороговое устройство со схемой сравнения, вход которого подключен к выходу синхронного детектора, а выход - к второму входу аналого-цифрового преобразователя, тело сравнения выполнено в виде малоинерционного источника теплового излучения, который соединен с источником питания и служит датчиком температуры тела сравнения, апертура которого выполнена равной апертуре входного объектива.2. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что в него введен источник обратного луча, оптически сопряженный с входным объективом.3. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что в нем установлен фотоприемник, чувствительный в области 3-5 мкм.4. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что малоинерционный источник теплового излучения выполнен в виде нанесенной на диэлектрическую подложку металлической или полупроводниковой пленки с зачерненной поверхностью.

Description

ОПТРШСКШ ПИРОМЕТР.

Полезнал модель относится к области температурных измерений, а более конкретно к оптической пирометрии, и может использоваться при конструировании портативных приборов для бесконтактного измерения температуры объектов в диапазоне, близком к температуре окружающей среды, например, при медицинских исследованиях.

Одним из известных низкотемпературных переносных оптических пирометров является отечественный пирометр ВТ-2. flJ. Для регистращи излучения в нём используется спектральный диапазон 8-14 мкм.Пирометр содержит приёмник дучистой энергии в виде батареи последовательно-вкдпэ1ё| йнх термопар,

нанесённых на тонкую слвдяную пласт|1аогшёЦдом испарения в вакууме. Одинаковое число спаев термопар направлены в противоположные стороны. На одну из сторон падает излучение от измеряемого объекта, на другую - от источника сравнения, выполненного на основе тонкой пластинки из керамики ВеС с зачернённой поверхностью, напаянной на подогреватель. Подогреватель построен на термобатарее, соединённой с источником питания. В зависимосш от направления тока такая батарея мо}Еет охлшкдать илй нагревать источник сравнения, рег лируя его температз ру, которая измеряется с помощью укреплённого на кераглической пластине микротермистора. Показания термистора отражаются на самописце или через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) поступают на жидкокристаллический индикатор. В процессе измерений текшература источника сравнения автоматически регулируется тагам образом, чтобы излучаемый

.-.. -. - - . /. -

ДМ поток теплового излучения полностью компенсировал поток излучения от исследуемого объекта. Факт компенсащш фикси руется гальванометром, включённым в цепь батареи термопар. Температура тела сравнения, зафиксированная при компенсации потоков, равна температуре исследуемого объекта.

Основным недостатком описанного пирометра является его невысокая чувствительность, связанная с использованием термопар в качестве датчиков потоков ш Ш1010Еозиз|1дгя0ния. Указанная конструкция не обеспечивает достаточной точности при измерении температур, близких к температуре окружащей среды, что в ряде случаев недопустимо, в частности в медицинской диагностике. Кроме того, отсутствие эффективной входной оптики не позволяет достаточно точно фиксировать участок исследуемой поверхности, а отсутствие модуляции измеряекшх потоков может приводить к значительныьл погрешностям при обработке сигналов.

Упомянутые недостатки в формировании и обработке сигнала частично устраняется в стационарном пирометре типа Смотрич, предназначенном для измерения относительно низких температур ( 30 « 350°С). В нём в качестве датчика потока лучистой энергии может быть использован высокочувствительный пироэлектрический приёмник на область спектра 8 i-14 шш ткет vt o iK Q XK ooaosac esysss а излучение от зондируемого участка исследуемого объекта формируется с помо1ць|Ь объектива, фильтра и полевой диафрагмы и попадает на фоторпиёьшик (ФП) после модуляции перфорированный/ вращающимся диском. Указанный пирометр содерлсит последовательно размещённые вводную оптику, модулятор, аотоприёмнйК с фильтром, помещэнны:: в термостат, усилитель, синхронный детектор, АЦП и кндакаторный блок, а также оптически сопряжённый с фотоприёмником через модулятор источник

t,

s.

о л я Т-Т о Т.Т--гг -р оттттр 7ТТЛт П .л гл.ITO ТТ . п- --Q--O.-i-

wj., ХЗ 1311ДО ClUOUjiiu J-AJU 4.3j., -.и.ас-- iJ. / о J.xi,,C, -

; ПГ omp rpo- ГП----1О, -.-p.TTn-.p, -T------.0 .-n,-- -

. i Vv - tt J. , iwi., w Cv ..;, . 1 . : . j. ,Ut..-- д .--о,--,,.-. 4

J.J..

.лтзгзтс:: с ЕЫооксЕ точностью. Лиронетр снабжён вЕЗврог.- с поворотным зеркалом, которое МОЕЭТ з станаБливатъся з полокекЕэ, при котором 1;юкно казодЕть прибор ыа исследуетжЁ объект ИЛИ в положение, когда на ФП проектируется излучение от источника сравнения - АЧТ, по излучению которого периодически калибруется фотоэлектронный тракт.

В процессе калибровки при достижении АЧТ 100°С излучение , пройдя перфорированный вращающийся диск, попадает на ФП, где преобразуется в переменное напряжение, пропорциональное величине падающего на него потока излучения от АЧТ. Далее, после прохождения через усилитель, синхроннш детектор и АЦП оно отображается на индикаторе. Жриим образом, после калибровки (подстройки) электронного тракта индикатор выдаёт сигнал, соответствующий 100°С, после чего прибор прокалиброван и готов к измерениям. С помощью поворотного зеркала прибор наводится на исследуеьшй участов объекта. Тепловое излучение от исследуемого объекта, промодулированное перфорированным диском, попадает на ФП, где преобразуется в переменное напрянюние, пропорциональное потоку излучения от исследуемого объекта. Далее, провдя ту же обработку, что и сигнал от АЧТ в процессе калибровки, он поступает на индикатор, где происходит его считывание. Индикатор снабжается расчётной шкалой температур, полученной при калибровке от АЧТ (источника сравнения). Описанный прибор, как наиболее бжзкий к предлагаемому по конструкции, принят за прототип. fSj .

при изменении температуры окружающей среды, в связи с чем

её надо периодически повторять перед началом каждого цикла измерений. Можно показать, что ошибка в измерении теьшературы-АТ зо.. объекта с температурой /«з-м.при изменении теьшературы окружающей среды TQ на л I составит: Д /из - 4 /. - Т//г«, U3JU - « / /«JJU. Таким образом, вежчина ошибки в

объекта, близкой к температуре окружающей среды, соизмерима с величиной изменения текшературы окружающей среды. В результате известный пирометр непригоден для термометрии объектов, температура которых мало отличается от температуры окрул ающей среды, в частности для медицинской диагностики. Конструктивная реализация прибора получается довольно громоздкой, так как необходима температурная стабилА зация источника сравнения, теплоизоляция ФП, дополнительный визир, подвижная оптическая система и т.п. Это делает невозьложньш создание портативного прибора на базе описанной конструкции.

Предлагаемая полезная модель решает задачу создания портативного оптического пирометра, сочетающего в себе высокую точность измерений и независимость их результатов от изменения температуры окружающей среды.

Для решения этой задашь в известный оптический пирометр, включающий последовательно размещённые входной объектив, модулятор, фотоприёглник, усилитель, синхронный детектор, а также оптически сопряжённый с сотоприёкшиком через модулятор источник сравнения, содер.жащий тело сравнения с датчиком тетшературы, подключённым ко входу преобразователя температуры в электрический сигнал, выход которого соединён со входом индикатора через аналого-цифровой преобразователь, введено пороговое устройство со схемой сравнения, вход которого под (

4. определении температуры

ключей к выходу синхронного детектора, а выход - ко второь-зу входу АЦП, тело -сравнения выполнено в врще малоинерщюнного источника теплового излучения, который соед1 нён с источником питания и слуйщт датчиком температуры тела сравнения, апертура которого выполнена равной апертуре входного объектива.

Для более точного наведения прибора на исследуетши объект ( что особенно важно при исследовании малогабаритных объектов) пировяетр может быть снабжён источником обратного луча, оптически сопряжённым с входныЬ объективом.

Для снижения величины методической погрешности в пирометр устанавливают йотоприёмник, чувствительный в области спектра 3 т- 5 мкм.

Малоинервдонный источник теплового излучения удобно выполять в виде нанесённой на диэлектрическую подлолжу металлической или полупроводниковой плёнки с зачернённой поверхностью.

Модулятор можно выполнить в виде перфорированного вращающегося диска , на обе стороны которого нанесено зеркальное покрытие.

Предлагаемая конструкция поясняется чертежом, где на ЮИГ.1 представлен вариант конструкции предлагаемого пирометра; на фиг.2 - расчётные (кривая А) и экспериментальные (кривая Б) характеристиж зависимости сигнала от тетлпературы, полученные при исследовании макета предлагаемого пирометра.

Предлагаемый оптический пирометр содержит последовательно размещённые входной объектив I, модулятор 2,двигатель которого подключён к источнику питания (на чертеже не показан), ФП 3, усилитель 4, синхронный детектор 5, пороговое устройство со схемой сравнения 6, АЦП 7. В данном варианте конструкции пирометр содержит также источник обратного луча 8, оптически сопряжённый с входным объективом I и подключённый к лсточни: питашш (на чертеже не показан). В данном варианте конструкции малоинерционныЁ источник теплового излучения, являющийся телом сравнения, представляет собой дяэлектрическз ьэ подложку 2 с нанесенным на неё зачернённым слоем металла или полупроводника 10, который соединён через переключатель II с источником питания 12 и со входом преобразователя температуры в электрический сигнал 1.3, вьс-сод которого соединён со вторыт.: входом АЩ 7, подключённого своим вьпсодом ко входу индикатора 14. Для удобства эксплуатации пирометр может содержать также блок управления ( на чертеже не показан), собираелкн по известнШЛ стандартным cxeMai i, который управляет порядком работы синхронного детектора, пароБового устройства и АЩ.

Предлагаемый пирометр работает следующим образом.

При подаче питания на прибор (источник питания на чертеже не показан) напряжение подаётся одновременно на электронику и двигатель модулятора, а в варианте конструкции с источником обратного луча и на излучатель источника 8, световой поток от которого после отражения от зубцов модз -лятора 2 через входной объектив I попадает на исследуемую поверхность объекта измерений. Апертура и расположение свнагового излучателя 8 обеспечивают совпадение по размеру и расположению видимого на объекте светового пятна с полем зрения объектива I, что позволяет обозначить исследуекшй участок, тепловое излучение с которого проецируется на ФП 3. При отсутстврш источника обратного луча наведение на исследуе нй участок может производиться либо непосредственно оператором, либо с помощью дополнительного визира. После этого переключатель II переводится в положение, при котором включается нагрев тела сравнения путём подачр нииршяния от источника питания 12 на малоинерционный источник теплового

-...

&.

излучения - в данном варианте исполнения - на слой 10, при проходении тока через который его температура начинает достаточно быстро повышаться. Размеры и расположение нагреваеь-кх подлолж-1 9 с зачернённытй слоем 10 из металла или подупровсдника обеспеч1/1вают попадание теплового изл;:,гчения, отршлзнного от обратной стороны зубцов ьлодул.ятора 2, на ФЛ Ь с той же апертурой, что и тепловое излз чение QIT .жо СуДелч шмого объекта. Tam-iM образом, при открыто м модуляторном канале на ФП 3 поступает лучистый поток от исследуемого объекта, при закрытом - от источника сравнения. Соответственно ФП 3 генерирует напрялсение, пропорциональное лучистыт-л потокатЛ от исследуемого участка и тела сравнения. После усиления в усилг теле 4 эти напршсения попеременно поступают на синхронный детектор 5, откуда вьщаются дискретно-аналоговые напря;хения, пропорциональные соответственно лучистым потокШЛ от исследуемого участка и тела сравнения, поступающие затем в сравнения порогового устройства 6. Как только эти сигналы сравняьотся, на выходе порогового устройства 6 появляется сигнал, который прекращает процесс аналого-цис.рового преобразования, запоминает и индицирует преобразованную АЦП 7 вежчину как результат измерений. В этот момент те1 шература тела сравнения равна тетшературе исследуемого образца. Температура тела сравнения непрерывно контролируется и, после соответствующего преобразования в блоке 13 в напршсение, подаётся на АЦП 7, который в момент равенства сигналов, поступающих на него от исследуемого объекта и источника сравнения, подаёт сигнал на индикатор 14, на котором высвечивается температура исследуемого объекта. В рассматриваемом варианте конструкции температура тела сравнения непрерывно контролируется путэм измерения сопротивления слоя 10 с последующим преобразова. -j e CCнием в напршхение в блоке 13. Аналогичным образом измеряется температура и ниже округйающей среды. В этом случае в качестве охлая-чдающего источник сравнения элемента возможно использование термоэлектрического охладителя.

В момент равенства сигналов от источника сравнения и исследуемого объекта нагрев тела сравнения отключается.

Исключение погрешности в измерении температуры при изменении температуры окружающей среды достигается за счёт равенства апертур входного объектива и тела сравнения.

Действительно, молшо показать, что величина сигнала фотоприэмника с интегральной вольтовой, .чувствительностью в максиму1ш спектрального распределения S (IT/ при облучении его лзчистым потоком от источника сравнения составит величину: .Г - )

/ - . е-. и,, / f. .. - СЛ

Де (.J)

а величина сигнала того же ФП от измеряемого объекта

.. - ф ;... - fi . i..i:- с/.т:.}

где - площадь излучателя источника сравне 1ия(); ис расстояние от источника сравнения до ФП(см);

Зфп площадё чувствительного элемента QllCcrvr);

5 - постоянная Стефана-Больщшна;

( г г

«с- ио e«c6 - коэффициенты излучеБия изл лчателл источника

сравнения, измер яемого объекта, окружающей среды соответственно;

ис - температура излучателя источника сравненияС- О;

1,ис - температура исследуемого объекта (0; - диаметр объектива (см);

- фокусное расстояние объектива (см);

о - коэфгрищ/ieHT пропускания объектива;

М v , : - С/

/С/ „ . - коэсоициент 1,юдуляции;

o - коэЖйЩ ент тлспользования потоков

;/ - 4к «

где - спектральная плотность излз чения АЧТ с тег-. ратурой Т;

5, - относительная спектвальная чуЕствительность 011.

Из сопоставления выралени : для V/ л следует, что автоматическое исключение изглерениг: за счет изменения окружающей температуры во всём Д1 алазоне её изменения относительно температз/ры среды, при которой происход ла калибровка прибора, возмолно лишь при условии, что:

,

tte

/ :

U(LТ.е. при равенстве апертур источника сравнения и объектива относительно ФЛ.

Основным преигяуществом предлагаемого пирометра по сравнению с прототипогл является система непрерывной калибровки температуры (лучистого потока) источника сравнения. Она заключается в применении в качестве излучателя источника сравнения малоинердионного источника теплового изл чения, нагреваемого каждый раз в процессе измерений до температуры измеряемого объекта, причём тет шература самого источника непрерывно контролируется. При выполнении источника теплового излучения в виде зачернённой металлической или полупроводниковой плёнки контроль температуры свод11тся к непрерывному измерению oi-жческого сопротивления плёнки. Применение такой системы позволяет автоматичесш исключить ошибку измерений, возникающею при изменении температуры окружающей среды относительно температуры на момент калибровки, что имеет принципиальное значение особенно при измерении температуры, к температуре окру:«ающей среды, а также упростить конструкцию прибора за счёт исключения . .

элементов, обеспечиваю1цюс изиерение и автог-латическое поддержание теыпературы.

Дополнительное преимущество предлагаеглоЁ конструкции обеспечивает применение систе:.1ы обратного , используюце. основной объектив, что позволяет значительно упростить точное наведение прибора на исследуе:.;-- участок, отказавшись от сравнительно СЛОЕНОЙ оптической системы с подвинным зеркалом и оптическим визиром.

Равенство апертур тела сравнения и входного объектива, а также использованная система обработки сигнала позволили устанавжвать в предлагаемом п 1ро:летре йотоприёмник, чувстгптельнш в области спектра 3-7-5 1лк;л в отличие от при1ленявшихся обычно в известнйРМВ5ШЩЙ1 фШг риёмников, чувствительнш в области 8 -г 14 мк:л. Это обеспечивает предлаг.

пирометрз дополительное преиг-уцество из-за более сильной

пенной зависимости величины потока излучени М)Т температурм,

- д/ ). Известно, что для спектрального Д11апазона 3 -г 5 мкгл Il - , а для диапазона S т- 14 глкьл

,0- . Это обстоятельство приводит к сущестBeHHOLiy снижению величины :летодической погрепности, вызываемой отл1:1чием величины коэГгкциента изл/,чения измеряег тых объектов от единищ.

Был11 изготовлены и испытаны лабораторные образцы предлагаемого пироме тра.

Входной объектив представлял собой сапсировую линзу диаметсом 18 глтл и с искусным расстоянием 2С Ш1. Б качестве Сотоприёмника использовался сюторезистор на основе селенида свинца, с размером чувствительного элемента 2x2 шл, что в сочетании с объективом обеспечивало показатель визирования равный ./V 1ДОО. 7оил11тель выполнялся на .1икросхема.х типа Б-1403

пороговое устройство со схемой сравнения было построено на компараторе типа 525ПС-ЗА, а ALuI - на схемам: серии 1{р57211В-5. Использовался кидкокристал шческиЁ индикатор ЖЩ5-4/8. Синхронный детектор выполнялся по обычной схеме на основе системы фотодиод - светодиод. МалоинерционныЕ источник теплового излучения, представляющий собой тело сравнения, выполня яся в виде кварцевой подложки, толщ11ной 0,25 №vi, на поверхность KOTopoi. методом испарения в Ба-кууие наносился ело; ма площадью 15x15 гэ/т. По подлохжи поверх металл15ческого слоя наносились электроды для припайки выводов. Б другом варианте выполения малоинерщюнный источник теплового излучения выполнялся на основе полупроводниковой плёнш из креглния. Излучающая поверхность как металлической,..так31 п.о.лзшроводникозой плёнки зачернялась. 3 процессе измерений температура металлического или пслупроводниковогс слоя контрол1аровалась по изменению его сопротивления мостовой схемой. Величина сопротивления слоя выбирается из условия времени его нагрева от температуры до верхнего значения измерлемоно Д1шпазона темпепатур в соответствии с 0;0р1.:улой:

/т г ) - / ( /ЖЛХ (f/

где /i - сопоотивление слоя металла или ползшроводника;

/ - масса подло;:к11 со слое:. металла или полупроводника;

( - удельная теплоёмкость подложки; 4 7 - продож ительность цикла измерений; М - напряжение на слое металла или ползшроводнпка.

В реализованном макете огжческое сопротивление слоя 10 составляло 560 Ом, измеренный температурный коэо: ;иц1:ент соп , / .V/ . - i / . L -г

S..

ся из металла яли пластгласск, зеркальное покрытие на кегс накосилось глэтодог. испарения Е .

В качестве объекта измерений: использовался кварцевы: стакан с теплой водог, теашература которой контролировалась ртутныгл термометром с ценой деления . измерения проводилсь в диапазоне 10 -f GO°C.

Результаты эксперимента подтверди.Ш расчётные данные по соответств;:10 /€ в момент компенсации измеряемой температуре. Энергетические исследования макета показали хорошее совпадение наклона кривых расчетных и экспериментальны:, характеристик зависимости сигнала от тет.лературыу достаточную для проведения измерений в указанно:л диапазоне зслич;шу отношения сигналЛ1ум. (порядка ICG -f- lOCC). при использовании ФЛ, чувствительного в области спектра 3 -ь 5 мкм из селенида свинца. Точность измерений, проведённых на описанной макете была не хуже 0,.

Такигл образом, предлагае:лая конструкция позволяет создать портативный оптический п;:ро1летр, сочетаьзций в себе вхсо-р-т.-ул ФГщггпР ФТ-л тто..f- гт г.тр г:- Лтт -р , .,т тгт-,фр фРТн РФ LJ J, и li- W о -L ID 1 OiVjO nJ; i-i. j:i j. j L- Ojii..L- wXjJ u- .D±C4.i.S 1, ж-О

ленения теглпературы окрзг::аю1:;ей среды.

. Г. - ,...- -- -. гп-.,, .--„ , -- - ч .,,.„ (1 , Г/Т Т Т Т,Т ту

-L . л . V .lyДдOJriCJлЛ ± ,1Ь .оЭ . j. ев-J ,J3 .-.L- Xi epOj; ji,--L U, ij;ul lL.il-

. ;-rr;--in 1- Q J; p :-TT тг ;гту-(-т-т-,- Т

riL-.il ij.OuJj.. -/vjx V 1,/Ij. W-XnJ.l;.J-; vjj-Ji-Lj- ilWjxU - li-- j-O-Ji-i-l i-il iiuVJ--Ji- , vO. ,

Гидрометеоиздат, IS35, c.Io4-ISo.

2. А,:;1.Гордов,С.1Л.Кигулло,А.Г.11ванова СОКСЗЫ Ш-ЙШРАТТН-П.)

ИЗШРАШ ., Li, Знергоато1:шздат, I8S2, c.234-23v (прототип). )аместитель генерального -п Т 11 т, р О, ( т.

С с : с,

14 .

j.. «/Эй г 2.) ТТТ.Т р р pf ф

Claims (4)

1. ОПТИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТР, включающий последовательно размещенные входной объектив, модулятор, фотоприемник, усилитель и синхронный детектор, а также оптически сопряженный с фотоприемником через модулятор источник сравнения, содержащий тело сравнения с датчиком температуры, подключенным к входу преобразователя температуры в электрический сигнал, выход которого соединен с входом индикатора через аналого-цифровой преобразователь, отличающийся тем, что в него введено пороговое устройство со схемой сравнения, вход которого подключен к выходу синхронного детектора, а выход - к второму входу аналого-цифрового преобразователя, тело сравнения выполнено в виде малоинерционного источника теплового излучения, который соединен с источником питания и служит датчиком температуры тела сравнения, апертура которого выполнена равной апертуре входного объектива.

2. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что в него введен источник обратного луча, оптически сопряженный с входным объективом.

3. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что в нем установлен фотоприемник, чувствительный в области 3-5 мкм.

4. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что малоинерционный источник теплового излучения выполнен в виде нанесенной на диэлектрическую подложку металлической или полупроводниковой пленки с зачерненной поверхностью.