RU2108554C1 - Digital pyrometer of spectral ratio - Google Patents

Digital pyrometer of spectral ratio Download PDF

Info

Publication number
RU2108554C1
RU2108554C1 RU96100280A RU96100280A RU2108554C1 RU 2108554 C1 RU2108554 C1 RU 2108554C1 RU 96100280 A RU96100280 A RU 96100280A RU 96100280 A RU96100280 A RU 96100280A RU 2108554 C1 RU2108554 C1 RU 2108554C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
pyrometer
integrator
digital
Prior art date
Application number
RU96100280A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU96100280A (en
Inventor
А.Н. Шилин
Original Assignee
Волгоградский государственный технический университет
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 Волгоградский государственный технический университет filed Critical Волгоградский государственный технический университет
Priority to RU96100280A priority Critical patent/RU2108554C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2108554C1 publication Critical patent/RU2108554C1/en
Publication of RU96100280A publication Critical patent/RU96100280A/en

Links

Images

Landscapes

  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

FIELD: instrumentation. SUBSTANCE: digital pyrometer of spectral ratio is intended for measurement of temperature of heated articles under high-temperature technological processes. Proposed pyrometer incorporates composite light filter, vibration scanner with photodetector, photocurrent amplifier, two commutators, integrator, two peak detectors, clock pulse generator, key, pulse counter, frequency divider. Given digital pyrometer of spectral ratio employs operational principle of analog-to-digital converter with push-pull integration that has lesser conversion error caused by instability of parameters of components in comparison with sweeping time pulse converter. EFFECT: enhanced operational accuracy and stability of digital pyrometer. 2 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения температуры нагретых изделий, и может быть использовано при производстве поката, поковок и строительного материала. The invention relates to a control and measuring technique, namely, devices for measuring the temperature of heated products, and can be used in the manufacture of slope, forgings and building material.

Известны оптико-электронные системы измерения температуры изделий с модуляцией потока излучения от нагретого изделия (Поскачей А.А., Чубаров Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. М.: Энергия, 1979, 88), содержащие логарифмические преобразователи, выполненные на базе полупроводниковых элементов - биполярных транзисторов. Этим оптикоэлектронным элементам присущи следующие недостатки:
1) ограниченная точность измерения температуры изделий из-за зависимости параметров полупроводниковых элементов логарифмических преобразователей от внешних температурных условий;
2) трудоемкость настройки и тарировки таких систем из-за невозможности управления характеристиками нелинейных полупроводниковых элементов.
Known optoelectronic systems for measuring the temperature of products with modulation of the radiation flux from a heated product (Poskachey A.A., Chubarov E.P. Optoelectronic systems for measuring temperature. M .: Energy, 1979, 88), containing logarithmic converters made on the basis of semiconductor elements - bipolar transistors. The following disadvantages are inherent in these optoelectronic elements:
1) the limited accuracy of measuring the temperature of products due to the dependence of the parameters of the semiconductor elements of the logarithmic converters on external temperature conditions;
2) the complexity of tuning and calibration of such systems due to the inability to control the characteristics of nonlinear semiconductor elements.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является оптико-электронное устройство для измерения размеров нагретых изделий (авт. св. СССР N 1711002, кл. G 01 B 21/00, 1992), содержащее вибрационный сканатор, два светофильтра, фотоприемник с усилителем фототока, блок автоматической регулировки усиления (АРУ), триггер Шмитта, выход которого соединен с выходом усилителя фототока, одновибратор, соединенный с триггером Шмитта, генератор периодических сигналов специальной формы, второй триггер Шмитта, вход которого соединен с выходами двух коммутаторов, а выход соединен с управляющим входом третьего коммутатора-ключа, соединяющего генератор тактовых импульсом со счетчиков импульсов. The closest in technical essence to the invention is an optical-electronic device for measuring the dimensions of heated products (ed. St. USSR N 1711002, class G 01 B 21/00, 1992), containing a vibration scanner, two filters, a photodetector with a photo-current amplifier, automatic gain control unit (AGC), Schmitt trigger, the output of which is connected to the output of the photocurrent amplifier, a single vibrator connected to the Schmitt trigger, a special form of periodic signal generator, a second Schmitt trigger, the input of which is connected to the outputs of two comm utilities, and the output is connected to the control input of the third switch-key connecting the clock generator with pulse counters.

Данное измерительное устройство имеет низкий технический уровень, что обусловлено его ограниченными функциональными возможностями, а именно возможностью измерять только линейную величину-температурную поправку, причем с невысокой точностью. Основная составляющая погрешности измерения температуры определяется погрешностью аппроксимации зависимости напряжения на выходе усилителя фототока от температуры, так как зависимость аппроксимируется только одной функцией - экспоненциальной. Кроме того, при преобразовании аналогового сигнала в цифровой код возникает погрешность момента срабатывания компаратора триггера Шмитта из-за нестабильности параметров интегрирующей RC-цепи. This measuring device has a low technical level, due to its limited functionality, namely the ability to measure only a linear value-temperature correction, and with low accuracy. The main component of the temperature measurement error is determined by the error of approximating the dependence of the voltage at the output of the photocurrent amplifier on temperature, since the dependence is approximated by only one function - exponential. In addition, when converting an analog signal to a digital code, an error occurs when the Schmitt trigger comparator triggers due to the instability of the parameters of the integrating RC circuit.

Важнейший задачей является создание цифрового пирометра спектрального отношения, который бы осуществлял измерение температуры с достаточной точностью и результат представлял в цифровой форме. The most important task is to create a digital spectrometer pyrometer that would measure the temperature with sufficient accuracy and present the result in digital form.

Техническим результатом заявленного цифрового пирометра спектрального отношения является повышение точности измерения и удобства пользования этим измерительным устройством, поскольку результат измерения представляется в цифровом коде. Наличие цифрового выхода у измерительного устройства позволяет использовать его в составе автоматизированных систем управления высокотемпературными технологическими процессами в различных отраслях промышленности. The technical result of the claimed digital spectrometer pyrometer is to increase the measurement accuracy and ease of use of this measuring device, since the measurement result is presented in a digital code. The presence of a digital output at the measuring device allows its use in automated control systems for high-temperature technological processes in various industries.

Указанный технический результат достигается тем, что цифровой пирометр спектрального отношения, содержащий два светофильтра, фильтра, выполненные с различными полосами пропускания во всем диапазоне температур нагретого изделия, вибрационный сканатор с фотоприемником, расположенный за светофильтрами с направлением сканирования, перпендикулярным линии раздела светофильтров, усилитель фототока, вход которого подключен к выходу фотоприемника, два коммутатора, интегратор, пик-детектор, компаратор, выполненный в виде триггера Шмитта, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, ключ и счетчик импульсов, - снабжен делителем частоты, подключенным входом к генератору тактовых импульсов, а выходом - ко входу сканатора, дополнительным пик-детектором с инверсным выходом, и триггером, при этом первый коммутатор включен между выходом усилителя фототока и входами пик-детекторов, а второй коммутатор - между выходами пик-детекторов и входом интегратора, управляющие входы коммутаторов и один из входов триггера соединены с выходом делителя частоты, вход компаратора подключен к выходу интегратора, а выход - к другому входу триггера, соединенного выходом с управляющим входом ключа. The specified technical result is achieved by the fact that a digital spectrometer pyrometer containing two filters, filters made with different pass bands in the entire temperature range of the heated product, a vibration scanner with a photodetector located behind the filters with a scanning direction perpendicular to the filter line, the photo current amplifier, the input of which is connected to the output of the photodetector, two switches, an integrator, a peak detector, a comparator, made in the form of a Schmitt trigger, according to The clock generator, the key and the pulse counter, are equipped with a frequency divider connected to the input of the clock generator, and the output to the scanner input, an additional peak detector with an inverse output, and a trigger, while the first switch is connected between the output of the photocurrent amplifier and inputs of the peak detectors, and the second switch is between the outputs of the peak detectors and the input of the integrator, the control inputs of the switches and one of the inputs of the trigger are connected to the output of the frequency divider, the input of the comparator under is connected to the integrator’s output, and the output is to the other input of the trigger connected by the output to the control input of the key.

Указанное отличие позволяет повысить точность измерения температуры, поскольку в цифровом пирометре спектрального отношения использован принцип работы аналого-цифрового преобразователя с двухтактным интегрированием, который в сравнении с развертывающим время-импульсным преобразователем имеет значительно меньшую погрешность преобразования, обусловленную нестабильностью параметров развертывающего элемента и частоты генератора тактовых импульсов. This difference makes it possible to increase the accuracy of temperature measurement, since the principle of operation of an analog-to-digital converter with push-pull integration is used in a digital spectrometer pyrometer, which, in comparison with a time-pulse converter, has a significantly lower conversion error due to the instability of the parameters of the deployment element and the frequency of the clock .

На фиг. 1 изображена блок-схема пирометра; на фиг.2 - время-импульсная диаграмма, поясняющая работу пирометра. In FIG. 1 shows a block diagram of a pyrometer; figure 2 is a time-pulse diagram explaining the operation of the pyrometer.

Пирометр представляет собой объектив 1, в плоскости изображения которого установлен составной светофильтр 2, состоящий из двух светофильтров с различными полосами пропускания и линией раздела, перпендикулярной направлению сканирования. Спектральные полосы пропускания светофильтров подобраны таким образом, что световой поток, проходящий через один светофильтр, больше светового потока, проходящего через другой светофильтр, во всем диапазоне температур нагретого изделия. За составным светофильтром 2 закреплен фотоприемник 3 на сканаторе, представляющим собой вибратор с электромагнитной системой 4. Вибратор 4 совершает колебания с помощью электромагнитной системы, к которой подключен генератор тактовых импульсов 5 через делитель частоты 6. The pyrometer is a lens 1, in the plane of the image of which a composite filter 2 is installed, consisting of two filters with different passband and a dividing line perpendicular to the scanning direction. The spectral bandwidths of the filters are selected so that the luminous flux passing through one filter is greater than the luminous flux passing through the other filter over the entire temperature range of the heated product. For the composite light filter 2, a photodetector 3 is fixed on the scanner, which is a vibrator with an electromagnetic system 4. The vibrator 4 vibrates using an electromagnetic system to which a clock pulse generator 5 is connected via a frequency divider 6.

К усилителю фототока 7, соединенному с фотоприемником 3, подключены через первый коммутатор 8 первый пик-детектор 9 и второй пик-детектор 10, а к выходу второго пик-детектора 10 подключен инвертор 11. Выходы первого пик-детектора 9 и инвертора 11 подключен через второй коммутатор 12 к интегратору 13, выполненному на операционном усилителе. Управляющие входы коммутаторов 8 и 12 соединены с выходом делителя частоты 6. К выходу интегратора 13 подключен компаратор 14. представляющий собой триггер Шмитта с нулевым порогом срабатывания, выход которого соединен с одним из входов триггера 15, второй вход которого соединен с выходом делителя частоты 6. Триггер 15 срабатывает от срезов импульсов, поступающих на его входы. Выход триггера 15 в свою очередь подключен к управляющему входу ключа 16, соединяющего генератор тактовых импульсов 5 со счетчиком импульсов 17. A first peak detector 9 and a second peak detector 10 are connected to the photo current amplifier 7 connected to the photodetector 3, and an inverter 11 is connected to the output of the second peak detector 10. The outputs of the first peak detector 9 and inverter 11 are connected through the second switch 12 to the integrator 13, made on the operational amplifier. The control inputs of the switches 8 and 12 are connected to the output of the frequency divider 6. A comparator 14. is connected to the output of the integrator 13. It is a Schmitt trigger with a zero threshold, the output of which is connected to one of the inputs of the trigger 15, the second input of which is connected to the output of the frequency divider 6. The trigger 15 is triggered by sections of pulses arriving at its inputs. The output of the trigger 15 in turn is connected to the control input of the key 16 connecting the clock generator 5 with the pulse counter 17.

При работе пирометра сигнал с генератора тактовых импульсов 5 с частотой f (диаграмма 18 фиг.2) поступает на делитель частоты 6 с коэффициентом деления К. Сигнал с делителя частоты 6, имеющий частоты f/K и период T = K/f, (диаграмма 19 фиг. 2) поступает на электромагнитную систему сканатора, с помощью которого фотоприемник 3 совершает возвратно-поступательное движение, преобразуя пространственное распределение яркости изделия во временной электрический сигнал, который усиливается усилителем фототока 7. Сигнал на выходе усилителя фототока имеет ступенчатую форму (диаграмма 20 фиг. 2). В течение промежутка времени T1=K/2f, т.е. в течение времени нахождения фотоприемника 3 в зоне первого светофильтра, сигнал с усилителя фототока через первый коммутатор 8 поступает на первый пик-детектор 9 с постоянной времени разряда, превышающей период сканирования. Постоянное напряжение с пик-детектора 9 через второй коммутатор 12 поступает на вход интегратора 13 с постоянной времени - τ , в результате на выходе интегратора образуется линейно возрастающее напряжение (диаграмма 21 фиг.2). Напряжение на выходе интегратора 13 в конце промежутка времени T1 определяется с помощью выражения

Figure 00000002

В момент времени T1 происходит переключение коммутаторов 8 и 12 и установка триггера 15 в единичное состояние. В течение промежутка времени T1-T, т. е. в течение времени нахождения фотоприемника 3 в зоне второго светофильтра, сигнал с усилителя фототока через первый коммутатор 8 поступает на второй пик-детектор 10, постоянное напряжение с которого через инвертор 11 и второй коммутатор 12 поступает на вход интегратора 13, на выходе которого образуется линейно убывающее напряжение (диаграмма 21 фиг. 2)
Figure 00000003

В момент равенства нулю напряжения на выходе интегратора 13 срабатывает компаратор 14, который переводит триггер 15 в нулевое состояние. Обозначив промежуток времени от начала второго такта до момента срабатывания компаратора, т. е. промежуток времени в течение которого триггер 15 находится в единичном состоянии, через переменную T2 выразим напряжение на выходе интегратора в момент срабатывания компаратора U1-T1-U2T2 = 0. Откуда T2 = T1U1/U2, т.е. длительность импульса на выходе триггера 15 (диаграмма 22 фиг. 2) пропорциональна отношению напряжений сигналов, соответствующих разным светофильтром. Таким образом, длительность импульса пропорциональна отношению напряжений на выходе усилителя фототока, соответствующих разным светофильтрам. Напряжение с выхода триггера 15 на время T2 открывает ключ 16 и в течение этого времени счетчик импульсов 17 считает импульсы, поступающие от генератора тактовых импульсов 5. Количество поступивших на счетчик импульсов за время T2 (диаграмма 23 фиг.2) определяется выражением N = T2f = T1fU1/U2= K U1/2U2, из которого следует, что медленные в сравнении с частотой f/K изменения частоты тактовых импульсов и параметров интегратора не оказывают влияния на точность измерения отношения напряжений. Кроме того, во всем рабочем диапазоне измерения температур момент срабатывания компаратора не выходит за пределы периода T, поскольку светофильтры подобраны таким образом, что напряжение U2 больше напряжения U1.When the pyrometer is operating, the signal from the clock generator 5 with a frequency f (diagram 18 of FIG. 2) is fed to a frequency divider 6 with a division coefficient K. The signal from a frequency divider 6 having frequencies f / K and a period T = K / f, (diagram 19 of Fig. 2) is fed to the scanner’s electromagnetic system, by which the photodetector 3 makes a reciprocating motion, converting the spatial distribution of the brightness of the product into a temporary electrical signal, which is amplified by the photocurrent amplifier 7. The signal at the output of the photocurrent amplifier has a step step shape (diagram 20 of Fig. 2). During the time interval T 1 = K / 2f, i.e. during the time that the photodetector 3 is in the area of the first filter, the signal from the photo current amplifier through the first switch 8 is fed to the first peak detector 9 with a discharge time constant exceeding the scanning period. Constant voltage from the peak detector 9 through the second switch 12 is supplied to the input of the integrator 13 with a time constant of τ, as a result a linearly increasing voltage is generated at the output of the integrator (diagram 21 of FIG. 2). The voltage at the output of the integrator 13 at the end of the period of time T 1 is determined using the expression
Figure 00000002

At time T 1 , the switches 8 and 12 are switched and the trigger 15 is set to a single state. During the period of time T 1 -T, i.e., during the time that the photodetector 3 is in the area of the second filter, the signal from the photo current amplifier through the first switch 8 is supplied to the second peak detector 10, the constant voltage from which through the inverter 11 and the second switch 12 is fed to the input of the integrator 13, the output of which is a linearly decreasing voltage (diagram 21 of Fig. 2)
Figure 00000003

When the voltage at the output of the integrator 13 is equal to zero, the comparator 14 is activated, which puts the trigger 15 in the zero state. Denoting the time interval from the beginning of the second clock to the moment the comparator is triggered, that is, the time interval during which the trigger 15 is in a single state, through the variable T 2 we express the voltage at the output of the integrator at the time the comparator U 1 -T 1 -U 2 T 2 = 0. Whence T 2 = T 1 U 1 / U 2 , i.e. the pulse duration at the output of the trigger 15 (diagram 22 of Fig. 2) is proportional to the ratio of the voltage of the signals corresponding to different light filters. Thus, the pulse duration is proportional to the ratio of the voltages at the output of the photocurrent amplifier corresponding to different light filters. The voltage from the output of the trigger 15 at the time T 2 opens the key 16 and during this time the pulse counter 17 counts the pulses coming from the clock generator 5. The number of pulses received at the counter for the time T 2 (diagram 23 of figure 2) is determined by the expression N = T 2 f = T 1 fU 1 / U 2 = KU 1 / 2U 2 , from which it follows that slow changes in the frequency of clock pulses and integrator parameters in comparison with the frequency f / K do not affect the accuracy of measuring the voltage ratio. In addition, in the entire operating temperature measurement range, the comparator response time does not go beyond period T, since the filters are selected in such a way that the voltage U 2 is greater than the voltage U 1 .

Результат измерения температуры может быть непосредственно введен в ЭВМ без аналого-цифрового преобразования. The result of temperature measurement can be directly entered into the computer without analog-to-digital conversion.

Применение данного цифрового пирометра спектрального отношения позволяет повысить точность измерения температуры изделий, изготавливаемых в нагретом состоянии, а следовательно повысить качество выпускаемой продукции. The use of this digital spectrometer pyrometer can improve the accuracy of temperature measurement of products manufactured in a heated state, and therefore improve the quality of products.

Claims (1)

Цифровой пирометр спектрального отношения, содержащий два светофильтра, выполненных с различными полосами пропускания во всем диапазоне температур нагретого изделия, вибрационный сканатор с фотоприемником, расположенный за светофильтрами с направлением сканирования, перпендикулярным линии раздела светофильтров, усилитель фототока, вход которого подключен к выходу фотоприемника, два коммутатора, интегратор, пик-детектор, компаратор, выполненный в виде триггера Шмитта, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, ключ и счетчик импульсов, отличающийся тем, что он снабжен делителем частоты, подключенным входом к генератору тактовых импульсов, а выходом - к входу сканатора, дополнительным пик-детектором с инверсным выходом и триггером, при этом первый коммутатор включен между выходом усилителя фототока и входами пик-детекторов, а второй коммутатор - между выходами пик-детекторов и входом интегратора, управляющие входы коммутаторов и один из входов триггера соединены с выходом делителя частоты, вход компаратора подключен к выходу интегратора, а выход - к другому входу триггера, соединенного выходом с управляющим входом ключа. A digital spectral-ratio pyrometer containing two filters made with different passband over the entire temperature range of the heated product, a vibration scanner with a photodetector located behind the filters with a scanning direction perpendicular to the filter line, a photocurrent amplifier, the input of which is connected to the output of the photodetector, two switches , integrator, peak detector, comparator, made in the form of a Schmitt trigger, serially connected clock generator, key a pulse counter, characterized in that it is equipped with a frequency divider connected to an input to a clock generator, and an output to a scanner input, an additional peak detector with an inverse output and a trigger, while the first switch is connected between the output of the photocurrent amplifier and the inputs of peak detectors and the second switch is between the outputs of the peak detectors and the integrator input, the control inputs of the switches and one of the trigger inputs are connected to the output of the frequency divider, the comparator input is connected to the integrator output, and the output to ugomu entry trigger output connected to a control input key.
RU96100280A 1996-01-05 1996-01-05 Digital pyrometer of spectral ratio RU2108554C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96100280A RU2108554C1 (en) 1996-01-05 1996-01-05 Digital pyrometer of spectral ratio

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU96100280A RU2108554C1 (en) 1996-01-05 1996-01-05 Digital pyrometer of spectral ratio

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2108554C1 true RU2108554C1 (en) 1998-04-10
RU96100280A RU96100280A (en) 1998-04-10

Family

ID=20175500

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU96100280A RU2108554C1 (en) 1996-01-05 1996-01-05 Digital pyrometer of spectral ratio

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2108554C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4952808A (en) Thermal radiation detection apparatus
EP0519105A1 (en) Photodiode array
US2678581A (en) Signal comparison apparatus
US3898452A (en) Electron multiplier gain stabilization
US11409045B2 (en) Photonics stabilization circuitry
JPH0670589B2 (en) Frequency domain photodetector array
US4348110A (en) Charging current integrating type photodetectors
US20110248150A1 (en) Device for quantifying and locating a light signal modulated at a predetermined frequency
US5367154A (en) Photosensor readout detector having dynamic reset rate
RU2108554C1 (en) Digital pyrometer of spectral ratio
US8035538B2 (en) Sigma-delta conversion circuit suitable for photocurrent measurement applications
US4306807A (en) Light measuring system
US7489351B2 (en) Dynamic range extension for focal plane arrays
US4666301A (en) Radiation responsive integrating amplifier
GB2135451A (en) Radiation measuring device comprising a scintillator and a photodetector
US20040164232A1 (en) Photocurrent-to-binary signal conversion apparatus capable of suppressing waveform distortion
RU2077706C1 (en) Digital pyrometer of spectral ratio
EP0392794B1 (en) Optical signal detector
GB2047036A (en) Focus detection device
JPS6136606B2 (en)
JP2000216425A (en) Photoelectric mixer
SU1714387A1 (en) Light-detecting device
RU2017064C1 (en) Image converter for measuring size of heated objects
JPS58500455A (en) Optical measuring elements for threads and wires
JPS5852531A (en) Color pyrometer